无铅SM工艺中网板的优化设计

无铅SMT工艺中网板的优化设计摘要随着新技术的不断涌现，需要进行不断的完善来促进主流应用以及持续的改进。就无铅工艺而言，初期合金和化学品选择的障碍在起步阶段已经得以解决，提供了基础工艺。来源于早期基础工艺工作的经验被进一步完善用来优化影响良率的要素。这些要素包括温度曲线、PWB表面最终处理、元器件镀层、阻焊膜选择，或者网板的设计。由于网板印刷对首次通过率的影响很大，而且锡铅合金与无铅合金的润湿性也有所不同，作者就此进行了专门的研究，以确定针对所需的SMT特性，对网板的开孔形状进行优化。对无铅合金在一些替代表面处理上的低扩展性也需要进行考虑。为达到焊盘的覆盖率最大化而进行的孔径设计，有可能导致片式元件间锡珠缺陷的产生。除了开孔设计指南，我们还将讨论优化整个网板设计的方法。关键词：无铅，网板印刷，开孔设计，工艺控制简介网板印刷的基本目标是重复地将正确量的焊膏涂敷于正确的位置。开孔尺寸、形状，以及网板厚度，决定了焊膏沉积的量，而开孔的位置决定了沉积的位置。关于有效控制穿孔位置的方法早已有了定论，将在后面的文章中讨论。此研究的目的是找到对无铅焊膏的开孔的最佳尺寸和形状。通常来说，无铅焊膏的润湿性或扩展性较锡铅焊膏要差；因此，组装者须考虑以下几个方面的问题：焊盘周边的裸铜（或板的表面处理），锡珠以及立碑的不同缺陷率为此，我们专门设计了一项试验，来量化不同焊膏对典型表面贴装缺陷的影响。试验I部分，是使用传统锡铅SMT工艺，研究网板开孔大小对锡铅和无铅焊膏基准扩展性和缺陷率的影响。试验II部分，优化网板开孔，以降低使用无铅焊膏时的缺陷率。在I部分，板表面最终处理包括有机可焊性保护膜（OSP），化学镍金（ENIG），化学银（IMAG）以及化学锡（IMSN）。试验的II部分使用OSP及IMSN。试验设计润湿性及扩展性——焊膏的扩展性可以用两种方法测试。第一种是在金属裸板上印刷一个已知面积的圆形焊料点(胶点)，然后对样件进行回流，并测量回流后的胶点面积。回流后的面积与原有面积之比，可以计算出焊膏的扩散率，并显示出不同表面处理的电路板的润湿性能。另一种焊膏扩展性/润湿性的测试包括在一列相同厚度（30mil）印刷成对的相同厚度（40mil）的焊膏带，带的间距也相同。如图1所示，焊膏带的间距逐渐扩大，以正交的方法印刷在线路板上。在回流中，熔化的焊膏在板上沿着金属线扩张。如果扩展性足够，邻近的焊点之间的缝隙将被桥连。焊膏带之间的空隙从0.1mm到0.8mm之间不等。每个空隙之间最多可产生20个桥连。方型扁平封装——对于间距小于20mil的器件，当开孔与焊盘的比率为1：1时，会增大桥连的风险。要降低风险，通常的做法是减少一定量的印刷面积。将开孔面积减少10%，孔自然减小。然而，当印刷面积减少10%，焊盘暴露的风险也会提高。虽然暴露焊盘不会损害可靠性，但它影响到组件的外观。如果锡铅工艺中需要关注裸露的焊盘，那么在无铅工艺中则更需要关注。为了量化开孔大小的影响，我们在每块测试板上贴装2个20mil间距的方形QFP。研究中I部分，QFP’s之一开孔与焊盘的比率为1：1，另一个减少了10%。研究中部分II，开孔设置被定为1：1，减少5%和减少10%。两部分测试中都用到了5mil和6mil厚的金属网片（分别为125和150μM）。总的来说，I部分进行了面积及网片厚度的四种组合的测试；II部分则进行了六种组合的测试。测试板如图3所示。片式元件间锡珠（Mid-chipsolderball,MCSB）也是一个常见缺陷，很容易受到网板设计的影响。虽然形成片式元件间锡珠的因素很多——包括焊盘设计、阻焊膜形态、贴装压力、电极形状和金属化、焊盘最终处理和回流曲线——焊膏印刷图形的尺寸和形状，也正面或负面地影响到片式元件间锡珠的形成。如果焊膏的相对体积较大，特别是在贴放元件的区域，贴装时会把柔软的焊膏挤出去。印刷到器件本体下面的焊膏，在回流时可能会被拉回到焊盘上，也有可能不会。如果焊膏没有被拉回，在其液态时由于毛细作用能够转移到元件的边上，在冷却后形成锡珠。图4为典型的片式元件间锡珠。采用锡铅焊膏进行几百次MCSB测试，其数据统计结果显示，效果最差的网板设计是1:1焊盘开孔比例、矩形开孔、6mil网板厚度的组合。效果最好的情况是所谓的“本垒板”(homeplate)型开孔，加上10%的面积缩减，和5mil网板厚度。图5表示矩形、本垒板形和反本垒板形开孔。而且，以往数据表明，采用均热式温度曲线的效果不如斜升式温度曲线，因为焊膏会在达到液相线之前持续软化并塌落(热坍塌)MCSB测试包括最佳和最差的网板设计。在I部分，结合了每一种表面处理方式，焊膏型号及温度曲线类型（斜升和均热）。每种元件贴装300个：1206、0805、0603、0402。150个为垂直贴装，150个为水平贴装。使用了IPC推荐的焊盘标准。研究中并未包括0201元件，因为许多适合于较大无源元件的原则不一定能够适用于密间距微小元件的贴装。作者认为应该单独对0201进行更深层次的研究。在第II部分，采用了三种新的开孔设计。如图6所示，第一个是尖角倒圆的本垒板形，后两个是带有三个圆弧的反本垒板形。同样，对300个与上面尺寸相同的元件进行组装，两种表面处理方式/网板厚度，以及两种回流曲线。立碑与MCSB一样，是SMT中另一个常见的缺陷，它们的形成有多种因素，但也会受网板设计的影响。立碑，也被称作“吊桥现象”或“曼哈顿现象”（Manhattaneffect）。当作用在一端的焊膏的表面张力大于另一端的表面张力时就会产生；不平均的力瞬间作用于器件造成抬起，站立，像打开的吊桥。影响立碑的设计因素包括焊盘形状和热容的不同。影响立碑的组装因素包括焊膏印刷的位置精度，元件的贴装精度，以及在回流焊中进入液相时的温升斜率。开孔设计与其他组装因素互相影响，也会造成立碑。如果元件没有放在中心，它的一端会比另一端接触更多的焊膏，由于焊膏熔化，这会导致元件两端的张力差。图7为一典型的立碑缺陷。锡铅焊膏的历史数据表明，一些开孔形状更易造成立碑(例如矩形)，而有些却不会(如“本垒板”形)。片式元件间锡珠与立碑的比较：平衡的结果从前两个研究中可以知道，立碑和片式元件间锡珠的网板设计参数完全不同。事实上生产过程中必须要折衷。用来研究片式元件间锡珠的器件也被用来检查立碑。虽然此项研究不是为了减少立碑，但仍然要观察其缺陷率，因为研究人员不希望在优化MCSB的性能的同时，以增加立碑的缺陷率为代价。组装——全部174块线路板在一条小的试验线上进行组装。此研究中使用的设备包括MPMUltraFlex3000网板印刷机，环球仪器Advantis贴片机，和一台ElectrovertOmniFlow七温区回流炉。图8-11为回流曲线。使用的焊膏为3号粉，免清洗焊膏。锡铅合金为6337，无铅合金为锡96.5/银3.0/铜0.5(SAC305)。残结果条及讨虽论府扩展技性嫌正如触前面慨描述掉的，盘扩展稿性测屯试用怎两种济不同私的方贸法进渔行。建结茄果已碑用图驱12足到1列4总称结。约图1硬3和意14树表示辣了回渔流后镜焊点堆面积叨与焊变膏印怠刷面做积之抗间的嫌比率纱。此殊扩展隙性测腰试的翅结果涨表明眨无铅丈和锡说铅焊给膏的汗扩展陷性非廊常接骂近，磁无铅菊的扩例展性专更好鞭一些辅。慌显然屑，这友些测贵试结牛果有醒些奇伯怪，票因为浮有很吐多文弃献可苗以证坡明锡牙铅焊财膏的从扩展滔性比次无铅才焊膏娃好，赛而且已此观禽点也倾被普搬遍接龄受。者数据舱反常厚的潜接在原糕因包轰括测反试的舟种类美和测混试的滔方法墓。由面于焊湿膏印凳刷面俊积远坚小于桂焊盘躬面积稻，扩架展不销受焊换盘边努角的真影响及。焊干点周把围的贼不平岩均的房扩展膀性没析有被鬼计算锅。测级试结妈果只意是来脱源于福简单牢面积矮比率愤计算善，没虎有考响虑焊军膏的下形成葡或流祝动。欣由于步比较诵电子许显微版镜测朴量的羡面积读是由真人工累定义岗的，板这种丹给测岸试带损来了帐不同刺程度浪的主慌观性得，尤风其是倘不同腊的人肌在不肉同的膊时间竭测试浅不同薯的样伪品。售作者财对这络种测浸试方盒法的翼合理闯性持绣一定伍的怀阅疑，箩这也吧是介饺绍交陡叉印北刷方拾法的等原因援。求交叉拘印刷料测试摧比普每通扩画展性买测试兰对润杠湿性馅的定雹义更洪好。搂图敢15榴列出句在所作有表抬面处辜理板槐上无而铅焊锐膏的热桥连繁数量盏。图用16书列出财锡铅假焊膏忆的同粱样测开试结咸果。跃图价17催举例伯说明糕锡铅真焊膏卖与无疫铅焊鹊膏在蛙最难婶润湿袖的O欲SP着表面赢上的很润湿丽性上贼的差磨别。倘毫无猫疑问注，测蚕试量还化的活扩展秀性差库异与抬业内泪公认微的情临况相伶符。不一如衰所料钢，E汁NI筋G表坚面涂淡层显腥示了仰完美音的扩故展性绸，甚祸至达隶到本眯测试榜的上接限；洞IM差SN偏也显浸示出殿了类淹似的片情况盐，只未是在纹最大俊间隙烈处有绵几个武点没御有桥鸦连。因OS称P和睡IM展AG晨对锡头铅和蛇无铅闭焊膏酸都显美示了哑较低巷的扩成展特阿性，强这同婶样在睡预料白之中得。患今后熔，作泡者将资利用胆交叉伐测试锅来证磁明扩鞋展性膜。与剩原来探的方瓣法进塞行比溪较，巴这种妥测试砍方法殖提高葛了精乱确性李，更悄为客打观和祝清晰吧，实妇施起征来更擦加快伶速、驶经济炕。荐QF驳P的悉润湿乖性寿本测锦试检板验了咸Q哗FP忠的翠焊盘窜裸露鞠和桥可连缺悉陷，涛总共奖贴装没和测让试了许34系8次室，却互只发贯现了妖4个笑桥连阁。作谣者不候敢轻沉易根库据如腿此小揭的样量本量隆和似售乎无姻统计诚意义轰的测佩试结浪果妄击下结押论。泛由于冤组装德工艺域在实节验室印中进惩行，祥印刷伴和贴朱装设戏备都防被调戒整得巨非常冷好，惠不存姥在典估型生镰产环送境中喂的干料扰因秤素。铺作者袖认为贞如果御在典削型生并产设孩备公伯差下饲，制星造的惧样板幻越多笨，得仔到的众数据棒越有愤意义团。仙不管稳开孔待如何哲，E威NI滤G和宣IM支SN晕如预漠期的席那样勿表现举出完古全的叔扩展念性，户因此瑞它被肆认为膏在E颜NI蛋G或守IM烫SN联表面家最终必处理捏上进妨行组朋装时茫，新组装币者可正以继龄续使嚼用现耀在缩献小的亮QF翻P开宿孔。型同样谱，O粒SP歌和I爷MA夸G在蓝焊盘桨的角井落的蚂扩展射性并难不完置全，拒但都稼符合蜡IP俘C的帮可接磨受标酱准。启在焊砌盘的窃边缘离，I姥MA均G较能OS魄P为擦好，法但比洋不上显EN逆IG税或I次MS偷N。奶片式休元件拒间锡疲珠士片式碍元件揭间锡馒珠的瓜计算挪包括低板上清所有遗的元澡器件卷。郊共有翼69音60珠个元值件进宾行了搏组装轧和检爸测。斯图1蓄9概信括了辈全部泥MC笼SB扫的数此量。瞎结果续如下福：粱总温体来慰说，怪无铅蓬焊膏申MC纪SB种的数胸量比蚊锡铅草焊膏确的少贱化阳学锡趟所产宅生的消MC震SB匠的数咽量最也少，以接下分来是氧EN定IG领，O瑞SP灰和化样学银旧均楼热式寻曲线速比斜皆升式晒曲线奔的M产CS各B少庭。寄6尖m督il夺的网参板所念产生冻的M花CS竞B远祝远多忌于5观mi与l板帆。软需要例注意鬼的是亦，为回了比逗较出征“最湿好”转和“凯最差款”的比情况游，6击m铲il割网板种使用选的是携开孔蝴与焊灿盘为粪1：鱼1矩骆形开把孔，颈5m与il汉使用教的是炭“本槽垒板裤”开粮孔，车面积海减少产10持%。其以元危件尺导寸来戏细分封，图科19顾显示宋了使删用无有铅焊电膏，筝对于湾每种逮封装执类型本在所顶有四温种表举面处鹊理板透上的颗MC鸟SB现的总倚和。斑图2片0是忘锡铅凭焊膏恒的结老果。强元件命类型痰后的摇字母模H和疼V各绕自代丧表水挺平及仆垂直韵放置虫的元羞件。缴这里牙的数锄据使漠用的搏是斜秒升式石回流互曲线迷。对重于无铸铅焊州膏，丘中间滑尺寸骑的元董件会熔产生衰较多污的元话件间董锡珠打，疏尤其站是在流IM赞AG统和夜EN碍IG扑板上贤。O诞SP让和I兴MS岂N板彼上的突分布膨较为遭均匀绘。锡踩铅焊滔膏的摧片式芳元件济间锡独珠的触数量羽总体瞎来说驰随着狭元件京尺寸武的减帐小而渣减少页，只泥有在到使用跟化学煮银板火时，巨对于遮06封03盘元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