王建：用于汽车电子的先进焊接材料及产业应用
王建：在座的各位，大家上午好！我是来自宁成新材技术部的王建。今天和大家伙儿一起来分享的课题是汽车电子方面的，就是我们用于汽车电子的先进焊接材料给大家介绍一下，也是我们李博士带领的团队所研究的成果，还有一个产业应用。
谈到汽车，大家都知道从最原始的纯汽车，就是发动机、底盘、变速箱，逐渐发展到电子化占比比较大。而且随着近年来，国产汽车的突飞猛进的发展。现在往电动化、智能化、网络化发展，而且发展的新趋势非常猛。回过头来看，不管是传统的汽车电子，还是新型EV汽车电子也好，它的应用特点是没有变的，也就是我们正真看到有外部多变的复杂环境，全球各地的环境、温度、湿度、降水、大汽的变化，还有汽车内部的一些微环境特点。
对可靠性要求最高的是引擎舱，但引擎舱对于汽车电子的使用条件并不是最苛刻，最苛刻的温湿度条件有仪表盘、后悬架等，可达到120多度，湿度95%以上。另外机械振动来源也是多样化的，从最低的2赫兹到2000赫兹的分布。所以对汽车电子焊点要求也是非常高的。还有汽车电子所面临得新法规和环保政策要求，要求无卤无铅这些。汽车电子行业应用，对焊料锡膏的要求在哪里呢？这是研发团队要考量的，还有焊接品质，也就是我们围绕生产汽车电子的工艺环节，然后面对客户端，我们经常使用的可靠性来讲，包括机械可靠性和电气可靠性，这里给大家罗列了一些各方面要求的细则。
从锡膏的角度，研发阶段，我们不难发现了这些细则我们还需要迈过很多的里程碑，你们可以看印刷、贴片、焊接、最后是达到客户端要求的可靠性。当然了，这里面我们分类、印刷、贴片、焊接可靠性有下面这样一些具体的需求，还有它的性能指标，印刷方面是有3个：印刷能力、焊锡膏黏度的指标，还有网板寿命。贴片这里有一个粘接力性能，就是在贴片后到回流的长时间里仍能保持高的粘接力从而避免元件贴装时飞件，所以粘接力对于粘接元器件的能力也很重要。
下面是焊接，主要是HIP、热塌、空洞，还有通孔回流。很多汽车电子为了简化工艺，将部分波峰焊工艺改为通孔回流。可靠性方面，一个是电气可靠性，还有是机械可靠性。另外电气可靠性还有我们做Coating三防漆后与助焊剂残留的兼容性，这个都是要考虑的。这也是李博士带领我们研发团队根据具体应用研发出这款无铅无卤神舟锡膏。
下面给大家分别介绍一下刚才所讲的性能，结合神舟产品的具体应用给大家介绍一下。
这里分为大批量印刷能力和批量印刷的稳定性两方面。这里面印刷条件，结论就是不同开孔的尺寸和印刷速度下，神舟都具有一致稳定的下锡率，没有不良。而且这里面第一块印刷的下锡量的统计它是最低也是在80%的下锡量，也就是完全能达到我们工厂工艺要求的标准，不至于第一块板就是洗板，第一块锡量仅仅少一些。
（见上图）是批次稳定性，随机抽取3个批次，以左边印刷的条件来测试下锡量。这里面能够正常的看到神舟不同批次间的下锡率，上面是分布，下面是标准差，都是小于10%的波动。下面是印刷年度稳定性，这里面抽取了103的批次，我们监控的是从刚生产完到存储到30天，每一周测一次年度，这个是在25度的环境下，然后用马康黏度测试仪测量黏度，波动非常小，小于10%。
（见上图）这是测影响粘着力的指标。我们以时间作为因子，以4个不同的环境湿度结合时间的因子做了测试，你们可以看到，粘接力都是稳定在30—40之间的。
汽车电子经常使用BGA元件。BGA的容易发生的典型焊接缺陷是HiP，就是枕头效应。这里面在座的都肯定了解这些，我不细讲了，左边列出了HiP的失效机理，两个突出的特征一个是焊球氧化，还有元件的过度变形造成的。为了克服这两个工艺中所遇到的瓶颈，锡膏就是第一得有优良的抗氧化屏障，还有高锡膏印刷转移率，因为锡膏转移率低总的转移量低，对于去氧化最后综合的实力降低。所以印刷的转移率也是非常重要的。三是超低的坍塌，这个并不是为了解决连焊的问题，是在一定的元件变形后，这个Gap产生的时候，锡膏还能不坍塌下去，弥补由于芯片造成的Gap的高度欠缺。最后目的还是消除HiP。高粘性也是和这个类似的道理，就是把锡膏和锡球之间更大程度粘附在一起，避免分开。
这里面我们在实验室是用加重氧化法去测试锡膏抗氧化的能力，即解决HiP问题的能力。这里面能够正常的看到，实验是一个预先用一个锡球经过200度的预氧化，形成很厚的氧化层，然后锡膏刷在通盘上面。然后这个锡膏也要经过200度1分钟的预热，然后人为地把锡膏里面的助焊剂挥发掉一部分。为什么叫加重氧化。从锡球和锡粉来说都是加重氧化，一分钟以后氧化差不多了，锡膏上放上氧化的锡球，看锡膏能不能将锡球熔融成一体，如果能，就逐渐加长放置氧化锡球的时间，时间间隔越长就证明锡膏抗氧化能力越强，即这个锡膏抗HiP的能力强。经过比较，我们用普通的无卤锡膏和神舟的比较，30s、60s普通锡膏还可以，然后90s的时候，普通的锡膏已经有不融合的现象，神舟90s还能保持将锡球融合的能力。
下面就是关于消除葡萄球方面的能力。葡萄球实际上就是和HiP类似但是又不完全一样的，其实葡萄球产生的原因刚李博士给我点出来的，一般产生的都是比较小的印刷的开孔还有小的元件，像0201和0402，0402以上的元件一般很少出现葡萄球。这里面主要一个是锡粉小，体积也小，助焊剂和氧化物的表面积比例就会低得多。也就是说它助焊剂的去氧化的能力，在先天就可以造成一个弱势。再加上汽车电子的板子，有时候是热容比较大，厚度比较大，还有照顾其他的大型元器件，我们不得不把炉温曲线拉得长一些，为了达到均温，这个又加速了小焊盘小的锡量的锡球锡粉表面的氧化。小的焊盘回流的时候，助焊剂还有扩散，这就更局部减少了助焊剂的量。这样最后表面的氧化物未清除，形成了葡萄球的形式。
实际应用过程中，有时对客户现场支持发现将葡萄球与冷汗混淆，大家要注意了，葡萄球这一现象和冷焊现象是要严格区分开来，经常两者混为一体，葡萄球对焊接性能没有影响，只是最后的外表形成的氧化没有结合的点。那么冷焊是整体就和像石榴一样，里面全是细分颗粒的状态。这是神舟的0201的表现。
（见上图）这里面也有冷塌，突出特性的是热塌。这个热塌对于微小的焊盘，如0.4和0.35mm级别的抗坍塌能力，还有所促成的抑制连焊的能力是突出的。IPC的要求是0.3mm间距不连锡。神舟是达到0.2mm不连锡。
（见上图）这是空洞的表现，这里面研究了BGA、SOIC、0402，还有QFN。这里面我们看到这三个比较，就是说0402的空洞很小，在它的比例中相对大一些，达到了10%左右。其余的都是很低的。QFN和4个竞品锡膏比较，我们主要关注的是QFN的中心接地，这个可以做到15%，I/O焊盘20%。
大功率和接插器件的传统的通孔回流，免去波峰焊，以SMT直接印刷锡膏，反面插件，然后一起和贴片的元器件过回流炉。这里面双面润湿是否良好，没有锡膏滴流现象。回炉温度的挥发，只有助焊剂的松香和有机物在里面，它的黏性还得保持一定的粘接力和黏性，这里面是体现比较好。
在电气可靠性我们是有两个指标：一个是SIR，表面绝缘电阻，还有一个化学电迁移。这个给大家展示的只是一个表面绝缘电阻的通常IPC J-STD 004的测试条件，它的Spacing，就是栅格的间距0.5mm，测试时间7天，偏压5V，神舟是通过的。我们这里要为大家介绍的是，电气可靠性提升的优点在哪里？不仅仅是满足以上IPC的标准，现在是大家能够正常的看到右边黄色的部分，这是和IPC标准的比较。从间距、时间、偏压都有更严苛，从0.5减到0.3的间距，时间由7天延长到504个小时，电压也是升加了10倍。即便这样的情况下，神舟锡膏还是通过了测试，大于10的8次方。
再说说电迁移方面的关系，为什么电化学迁移？就是在加电的情况下，还有有潮湿的环境下，容易产生电迁移生长出枝晶。在汽车电子方面容易发生的情况就是Low—Stand off，而且长期加电复杂的环境下容易生长出来。那么Low—Stand off是什么样？就是像MOSFET、QFN、LGA，不像那些有管脚式的和板子的贴合形式，它几乎是平面的与板子的结合。焊点高度也就是几十个μm，大不了100um。还有下沉式的焊盘，还有一种是相对射频屏蔽信号加一个屏蔽罩，这都形成了什么东西？屏蔽罩内还有元件底下的助焊剂，经过回流焊难以挥发，总有一部分残留在元件下面。
残留在元件下面，就是枝晶生长的罪魁祸首。失效机理我们列了一下，一个是溶剂驻留。右上角是我们的有机酸，能够挥发干燥的情况下，这种状态是没有腐蚀的。下面这种是有机酸没有完全挥发干净的情况下，也就是潮湿的情况下，这里当然是有水，还有一部分溶剂保留在里面，这时候它的有机酸就会分解成在加电高湿的情况下分成有机酸根离子和氢离子，氢离子最终参与腐蚀枝晶生长的。
所以从研发的层次，我们的难度挑战就在这里。要克服这些问题，第一个是得通过极低的助焊剂活性，即降低助焊剂活性。但是降活性看着简单，会带来两个问题，一个是HiP的风险，因为防氧化和去氧化能力差了，活性低了，还有对于一些通用件的润湿性降低，还有测润湿能力表现降级的风险。所以神舟锡膏的优势，化学配方方面解决了即便是在潮湿没有干燥的蒸发和残留的情况下，仍具有超高的电气可靠性，这个电气可靠性还是体现在我们避免HiP和润湿能力提升。还有这个有助于提高焊点耐高温和结露测试的能力。因为很多的产品，包括我们现场用的空调，都需做一些结露测试的，就是人为的加湿，然后加电。这样的情况下测有没有枝晶的生长。
介绍完电气可靠性的提升，再给大家介绍一下机械可靠性。机械可靠性，上官教授刚才介绍了很多的测试方法。我们这里是常用的机械可靠性测试。
第一个是TCT，就是温循，左边的是温循条件，右边的是做温循试验的步骤。这里面我们负40—120度，这是关键指标。还有从0到1000个Cycle，分别测试了几个循环次数下的焊点切片，看焊点有没有失效。大家看上面3个焊点OK，下面的750—1000个循环时，我们正真看到了我们0402的陶瓷电容开裂了，但是焊点有恶化现象，但是没有失效。
另一个机械可靠性，就是抗剪切力的测试。这个是以0402的电容作为测试对象的。150度的等温老化，1000小时以后的。下面的是统计学的测试结果。我们看到1000个小时以后，剪切力降到了1.2千克，但是这个还是符合客户1000g的标准。对于我们行业中，实际上IPC没有规定一个元件的剪切力多大，这都是客户根据自己的产品，根据自己客户产品的需求来决定的。
接下来是三防漆方面的兼容性。因为锡膏焊接完不能光考虑自身的SIR。还得考虑电路板做三防漆以后的SIR表现。这是Humiseal的品牌三防漆，和它很多型号的测试。这是测试结果，从空板、到叠加2种锡膏，和最后的结果，你们可以看到只有在1A33+A和神舟这里有些降低，但是也达到了10的8次方的标准。
作为一款锡膏，一定要满足IPC的一些测试，这是必须得符合的，包括铜板测试、铬酸银、铜镜测试，这里面就有冷塌和热塌，这都是IPC的标准。
总结起来，神舟锡膏的八大特点：一个是电气可靠性的提升，还有对电气性能无害的残留。即使没有挥发干净，在元件肚皮底下也避免枝晶的生长，保持可靠性。还有锡膏的高的印刷转移率，波动相当低。还有190度下的热塌，性能表现好。还有是抗HiP和葡萄球的能力，空洞的表现也是极佳的，神舟的总实力是比较均衡和有优势的。我们的产品对于回流工艺的窗口还是比较宽泛的。最后就是杰出的通孔回流性能，没有滴流，就保证填充性。
现在我们客户的有很多，这里就不一一罗列了，像有海康卫视的汽车电子，大华的零跑汽车都在使用我们的锡膏。还有一些汽车车灯，汽车电子娱乐系统应用非常广的。
