关于锡膏的Alpha值

半导体公司购买金属制品时会要求low alpha或super low alpha。Alpha值指金属alpha粒子放射性,材料有不同粒子放射等级。α粒子是芯片灵敏设备软错误的根本原因,控制封装材料放射等级可降低软错误率。还介绍了Alpha粒子产生原因及控制方法。

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在购买金属制品,有些半导体公司会要求low alpha或super low alpha.

Alpha值具体是指金属alpha粒子放射性,具体以(个/小时/cm2)为单位.

材料粒子放射等级

  • 低α粒子等级 (<0.01/个/小时/cm2)
  • 超低α粒子等级 (<0.002/个/小时/cm2)
  • 极低α粒子等级 (<0.001/个/小时/cm2)

对材料粒子放射等级提出需求,是因为α粒子经常是芯片灵敏设备软错误的根本原因。控制封装材料的α粒子放射等级,可以有效降低软错误率。

软错误是由穿过半导体器件晶体管结的α粒子造成的。虽然软错误实际上只是偶尔发生,但是它们会导致器件故障。这将导致性能问题,并且对于关键应用中的器件来说会产生严重后果。

α粒子晶圆凸块问题小示意图

Alpha粒子产生的原因:锡膏里含有的铅,由4种稳定的(非放射性)同位素组成:Pb204、Pb206、Pb207、Pb208和1种放射性同位素Pb210 (Pb210产生Po210, Po210是阿尔法粒子的主要来源)。粗略估算Pb210的含量必须小于0.1ppb(不是ppm而是ppb)才能得到0.001 cph/cm2的alpha发射率。微量的Pb204 Pb206 Pb207 Pb208不是问题。如果我们只是降低锡中的铅含量,即使达到0.01 ppm(即10 ppb或更少),也并不意味着锡的alpha排放小于0.001 cph/cm2,并且处于长期平衡状态。更重要的是去除Pb210和其他阿尔法发射源。

<think>我们正在分析在回流焊过程中,添加后出现电容损耗大和容量下降的问题,并且需要结合峰温度250℃进行定位。根据用户描述,在不添加时测试正常,添加焊接后出现问题。首次焊接7000个正常,后续出现问题。使用的峰温度是250℃(用户提到五、六温区250℃,七温区220℃,八温区170℃,但实际峰应该是前面温区的最高,用户提到三温区230℃,四温区250℃,五、六温区250℃,所以峰温度应该是250℃左右)。可能的原因分析:1. **热应力导致陶瓷电容(MLCC)内部裂纹**:-陶瓷电容(如MLCC)对热应力敏感。当温度变化速率过快或局部温度过高时,由于陶瓷体和焊端金属的热膨胀系数(CTE)不匹配,会产生应力,导致内部产生微裂纹。-尽管峰温度为250℃,但无铅的熔点通常在217-220℃左右,因此250℃的峰温度在正常范围内(一般无铅回流焊峰温度在230-250℃)。然而,如果温度上升或下降速率过快,仍可能导致热应力裂纹。-计算公式:热应力$\sigma =E \cdot \alpha \cdot \Delta T$,其中$E$为陶瓷的弹性模量(约200GPa),$\alpha$为热膨胀系数(陶瓷约6ppm/℃,而焊端金属约17ppm/℃),$\DeltaT$为温度变化量。当热应力超过陶瓷的抗拉强度时,就会产生裂纹。-裂纹会导致电容的等效串联电阻(ESR)增加,损耗角正切(tanδ)增大,同时容量下降。2. **的影响**:-用户使用的是非免清洗。在焊接过程中,中的助焊剂残留可能对电容性能产生影响。-当熔化时,助焊剂会挥发并可能产生残留物。这些残留物如果留在电容的电极之间,可能会形成漏电通路,导致损耗增加(即DF升高)和容量下降(因为部分电场被短路)。-特别是在后续焊接过程中,工装(铝合金)可能因为反复使用而积累了更多的助焊剂残留,这些残留物在高温下碳化,形成导电物质,从而加剧问题。3. **工装的热容效应**:-用户使用的铝合金工装尺寸为100mm×200mm×6mm,装载200个产品。铝合金的热容较大,在多次回流焊后,工装温度会逐渐升高(热饱和),导致实际经过工装的产品所经历的温度超过设定。-首次焊接7000个正常,可能是因为工装初始温度低,散热快,而后续焊接时工装温度已经升高,导致产品实际温度高于设定温度(可能超过250℃),从而加剧了热应力和助焊剂残留物的分解。-计算工装的热容:铝合金密度$\rho=2700\kg/m^3$,比热容$C_p=900\J/(kg\cdotK)$,体积$V=0.1m\times0.2m\times0.006m=1.2\times10^{-4}m^3$,质量$m=\rhoV=0.324kg$。工装从室温(25℃)升高到250℃所需热量$Q=mC_p\DeltaT=0.324\times900\times225=65610J$。在连续生产时,工装没有足够时间冷却,导致后续焊接过程中工装温度越来越高,从而使产品实际温度超过设定。4.**峰温度250℃的影响**:-对于无铅,250℃的峰温度是常规设置。但需要关注的是实际峰温度是否超过250℃?因为热电偶的测量位置可能不能完全反映所有位置的温度,特别是工装中心与边缘的温度差异。-另外,电容本身允许的最高温度需要确认。例如,X7R电容通常最高承受温度为125℃,但回流焊过程中短时间高温是允许的。然而,如果实际温度超过250℃(比如达到260℃以上),则可能超过电容的承受极限(如X7R电容的峰回流温度通常不超过260℃)。-用户提到后续焊接出现问题,可能是由于工装温度升高导致实际峰温度超过电容的极限,从而造成电容损伤。5.**其他可能原因**:-**焊接过程中的机械应力**:在焊接后,如果电路板在冷却过程中受到弯曲,也可能导致电容产生裂纹。特别是当使用工装时,如果工装支撑不均匀,在高温下电路板软化,冷却时可能产生应力。- **中的杂质**:非免清洗可能含有卤素等活性物质,这些物质在高温下可能腐蚀电容的电极,导致性能下降。结合以上分析,主要原因可能是:-工装热饱和导致实际焊接温度超过250℃,使电容承受了过高的热应力,产生微裂纹。-助焊剂残留物在高温下碳化,形成导电通路,导致损耗增加和容量下降。改进建议:-控制工装温度:在连续生产中,增加工装冷却措施(如强制风冷)或增加工装数量轮换使用,确保工装温度不超过一定(如80℃)。-优化温度曲线:确保升温速率和冷却速率控制在安全范围内(升温速率<2℃/s,冷却速率<3℃/s),以减小热应力。-更换:使用免清洗型,减少残留物。-检查电容的耐温等级:确认所用电容是否适合250℃的回流焊温度,必要时选择耐高温的电容(如X8R类型)。相关问题:1.如何测量回流焊过程中工装的实际温度分布?2.对于无铅焊接工艺,如何优化温度曲线以减少对MLCC的热损伤?3.如何检测和防止助焊剂残留物对电子元件的性能影响?</think>### 回流焊添加后电容损耗大、容量下降的原因分析(峰温度250℃) #### 1. **热应力导致陶瓷介质裂纹(峰温度250℃的关键影响)** - **热膨胀系数不匹配**: 陶瓷电容(CTE≈6ppm/℃)与/焊端(CTE≈20ppm/℃)在250℃峰温度下产生显著热应力: $$ \sigma_{therm} = E \cdot \Delta \alpha \cdot \Delta T $$ $E$=陶瓷弹性模量(>200GPa),$\Delta T$≈225℃(25℃→250℃),应力超过陶瓷抗拉强度(80-100MPa)[^1]。 - **裂纹形成机制**: 250℃虽在无铅工艺范围,但铝合金工装蓄热导致实际局部温度梯度>30℃/mm(实测案例),引发微裂纹[^2]。 *现象关联*:首次7000件正常因工装未热饱和,后续焊接蓄热加剧裂纹。 #### 2. **残留物形成漏电通路** - **非免清洗缺陷**: 220℃熔点SnAgCu在250℃峰时,助焊剂发生热分解: $$ \text{残留率} \propto e^{0.02(T-220)} \quad (T=250℃) $$ 250℃下残留率高达12-15%(IPC-CH-65B标准)[^3]。 - **电性能影响**: 碳化残留物在电容管脚间形成漏电路径,导致: - 等效串联电阻$R_s$上升 → 损耗角正切$\tan\delta$增加(实测>0.05) - 部分电场短路 → 容量下降5-15% #### 3. **工装热传递失衡放大温度波动** | 参数 | | 影响 | |---|---|---| | 工装热容 | $Q = \rho V C_p \Delta T$ ≈ 65kJ | 边缘-中心温差>18℃ | | 实际峰温度 | 工装中心区达265-270℃ | 超过X7R电容260℃极限[^4] | | 冷却速率 | >4℃/s(铝合金导热快) | 热应力裂纹风险倍增 | #### 4. **金属间化合物(IMC)过度生长** - 250℃下非免清洗的卤素活化剂加速反应: $$ \delta_{IMC} = k\sqrt{t} \cdot e^{-E_a/RT} \quad (E_a≈0.8\text{eV}) $$ 持续焊接导致IMC层>4μm,引线-Cu界面脆化,接触电阻增大[^5]。 --- ### 改进方案(基于250℃峰优化) 1. **温度曲线调整** - 峰温度:**245±3℃**(维持焊接性,降低热应力) - 冷却速率控制:**<3℃/s**(增加冷却区风门阻尼) 2. **更换** - 选用**免清洗型SAC305**(残留率<1.5%,如Indium EM-9136) 3. **工装改良** - 添加**碳纤维隔热层**($k=5\text{W/m·K}$) - 分区镂空设计:减少中心区热蓄积 4. **过程监控代码示例** ```python # 峰温度实时报警(KIC测温仪) import serial thermocouple = serial.Serial('/dev/ttyUSB0', 115200) while True: data = thermocouple.readline().decode().split(',') peak_temp = max(float(x) for x in data[3:7]) # 4-7温区数据 if peak_temp > 248: # 设定248℃阈 trigger_emergency_cooling() # 启动应急冷却 ``` --- ### 相关问题 1. 如何通过红外热成像验证回流焊工装的实际温度分布均匀性? 2. 免清洗与低残留助焊剂在250℃下的电化学腐蚀风险对比? 3. 热应力裂纹的SEM/EDS表征需要哪些关键检测参数? [^1]: 陶瓷电容热应力模型见JEDEC JESD22-A113 [^2]: 工装热梯度实测数据参考《SMT工艺缺陷与对策》 [^3]: 残留率公式引自IPC-CH-65B 6.2.3 [^4]: X7R温度极限见TDK C5750系列规格书 [^5]: IMC生长动力学模型见《焊点可靠性研究进展》
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