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无铅元件表面组装的自对中研究(二)

【来源:EM asia China电子制造中国】【作者:Amey Teredesai,】【时间: 2006-11-15 9:52:32】【点击:


试验矩阵
    此项研究选用了两种不同的无铅焊料、锡铅焊料的合金以及R1206,R0805,R0603,R0402这四种类型的片式元件。测试模板则使用三种印刷电路板表面处理方式:浸银(I-Ag,Immersion Silver)、无电镀镍浸金(ENIG, electroless nickel immersion gold)、以及有机可焊性保护膜(OSP,Organic Solderability Preservatives)。

试验1
    表1显示了试验1中的变量及其不同变化情况


    在试验1中,总共印刷24块测试板,每种表面处理的印刷电路板8块。测试板随机印刷,并且相同表面处理的两块板子不被连续印刷。表2显示了试验1的试验矩阵。


试验2
    表3显示了试验2中使用的变量因子和其不同水平


    在试验2中,同试验1类似,24块测试板被印刷,每种表面处理的印刷电路板8块。使用随机技术以使相同表面处理的两块板子不被连续印刷。表4显示了试验2的试验矩阵。

试验3
    试验3相对前两项试验,设计上有细微的差别。三种氧气状况连同三种表面处理和三种焊料合金被用于这项测试。在这项测试中共54块测试板,每种表面处理的印刷电路板18块被组装用于评估。在试验3中,当印刷测试板时使用如前类似的随机技术。表5显示了试验3中使用的变量和其不同状况。


回流焊
    基于无铅焊料的组装,回流曲线是决定最终焊点结构强度的关键因素。保温温度、峰值温度和过液相时间在决定焊点的机电属性时起着至关重要的作用。所有回流曲线参数,如预热温度、升温斜率、保温持续时间,都按照锡膏制造商的建议设置。所有无铅焊料使用一种回流曲线,而锡铅共晶焊料则使用以厂商建议的参数开发的相互区别的回流曲线。图10和图11分别显示了锡铅共晶焊料和无铅焊料的回流温度曲线。

 
水平偏移回流后组装的评估标准
    25%和50%水平偏移的评估标准保持一致,且如图12图形来帮助解释。图中虚线显示了偏移条件的不同程度的划分范围,并限制了金属部分可以置于焊盘外的特殊评估标准。

垂直偏移回流后组装的评估标准
    对一个垂直偏移放置元件的评判标准如图13定义。


    还有其它两种元件缺陷的评估标准,这两种评估标准应用于既有水平偏移又有垂直偏移的情况,如下面的解释。

    立碑和元件歪斜是用于此项研究的另两种缺陷标准。对于歪斜元件,歪斜角度θ并未被测量。根据位于焊盘外元件金属焊端部分的多少,元件分为d < 25%,25% ≤ d < 50%,50% ≤ d < 75%,d > 75%四种评估标准。如果元件的两端(金属焊端)均部分落在相应焊盘外,则选用其测得的最大偏移量。图14显示了元件立碑和元件歪斜的图形。

结果和讨论

    此项研究应用了一项视觉检查技术来寻找最少焊接缺陷的无铅焊料、印刷电路板表面处理方式和回流气体的最佳组合。按前面章节中提到的评估标准,较少缺陷的组装显示出较多回流时的元件拉回,即更多的元件自对中。使用视觉工程的“Lynx Stereo”显微镜以20倍的放大倍数对测试板进行全检来决定缺陷。

    附录B图A显示了由试验1获得的缺陷图。基于缺陷总数,图中比较了各种印刷电路板表面处理方式、焊料合金和回流气体的性能。回流后组装的评估标准则定义为,总缺陷较多的组合意为着较弱的元件自对中能力。由试验1的视觉检查结果得出,在所有表面处理和回流气体的铅焊料合金中,在氮气中回流的OSP处理的板子具有较少的总缺陷数。而在所有的SAC305组合中,ENIG/SAC305/N2组合具有最少的缺陷数。附录B图A显示了试验1检查得到的缺陷数数据。

    为了分析无铅锡料(SAC305)相对于Sn/Pb合金的元件自对中能力,使用了比较技术。根据缺陷数比率和基于故意放置偏移的分组,图15比较了先前提到的两种最佳组合(对锡铅锡料和无铅锡料)。


    根据相应的回流后组装检查数据,表6比较了在每种偏移条件下锡铅锡料合金同SAC305合金的元件自对中能力。在表6中,当比较相应条件下回流后组装的检查缺陷数据时,1代表该组合有较高的缺陷数,0则代表该组合有相对较低的缺陷数。


    按照表6显示,在最佳组合间的比较,SAC305相对于锡铅焊料合金有更多的缺陷。因此,可以说在相同的工艺条件下,锡铅焊料合金比SAC305合金具有更高的元件自对中能力。对锡铅焊料合金最佳组合和SAC305合金最佳组合采用成对的T检验,来分析从试验1中获得数据的统计意义。然而,根据成对的T检验的结果(附录A),锡铅焊料合金最佳组合和SAC305合金最佳组合并未显示出统计上的差别。
除了侯选无铅焊料合金改为SAC405之外,试验2在类似于试验1的条件和基础上实施。附录B图B柱状图显示了试验2中观测得的缺陷数的总览。

    试验结果观测到的锡铅焊料合金、印刷电路板表面处理方式和回流气体的最佳组合同试验1类似。而一个令人关注的结果是,在无铅焊料(SAC405)组装中,氮气回流下OSP表面处理的测试板产生的缺陷数是最少的。换句话说,对无铅焊料合金而言,SAC405/OSP/N2组合缺陷数最少。

    为了调查SAC405合金相比锡铅焊料合金的元件自对中能力,类似试验1的方法被采用(如相对比较技术)。图16比较了最佳组合。


    表7同时比较了水平和垂直方向上,锡铅焊料合金和SAC405合金的元件拉回能力。表7比较了锡铅焊料合金的最佳组合和SAC405合金的最佳组合,据此显示,在类似的工艺条件下,锡铅焊料合金比SAC405合金有更佳的元件自对中能力。对锡铅焊料合金最佳组合和SAC405合金最佳组合采用成对的T检验,来分析从试验2中获得数据的统计意义。然而,成对的T检验结果显示,锡铅焊料合金最佳组合和SAC405合金最佳组合并未显示出统计上的差别。


 
    实施试验3来分析,氮气对于贴装在各种表面处理的测试板上的片式元件自对中现象的影响。试验数据的分析是根据缺陷数而来的,以此来理解氮气对各种表面处理和焊料合金组合的自对中表现的影响。

在各种氧气水平下,I-Ag处理板的元件自对中
    附录B图C显示了I-Ag处理板的试验数据。图形显示了I-Ag处理板使用所有三种锡膏在各氧气水平下回流的测试数据。仔细观察图C可以发现,对于在各种氧气水平的回流气体下回流的I-Ag处理板,Sn/Pb/I-Ag/50ppm O2组合缺陷最少。由于较少氮气供应的结果,相对于50ppm氧气水平下回流的板子,100ppm水平下的发生的缺陷较多。比如,在50ppm氧气水平下回流使用SAC405焊锡合金的I-Ag处理板的缺陷就少于相同100ppm氧气水平下的。图形显示,I-Ag/SAC405/500ppm O2组合缺陷最多。

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