作者：Robert Farrell、Scott Mazur、Greg Morose、Richard R. Russo

印制电路板
    这是一块厚度为84密耳的十六层印刷电路板，尺寸大约是7.5×9.2英寸2。我们选用耐高温的层压材料来满足无铅组装要求。这个电路板两面一共安装了1694个表面贴装元件和插装元件。由于元件必须达到无铅组装的要求，这些元件的表面处理必须是无铅的，同时还要能够承受无铅工艺的较高温度。在1694个元件中，有1675个元件能够同时满足这两点要求，余下的19个元件只能满足其中一个要求。从元件供应商提供的数据看，其中有13个BGA是锡铅元件。但是，在质量检查中，通过X射线荧光（XRF）扫描发现有一个无铅BGA事实上含有锡铅焊料，因此，锡铅BGA的数量增加到14个。

图1 与无铅焊料有关的缺陷。

组装工艺
    因为有19个元件不符合关于无铅的这两点要求，所以需要进行特殊处理。14个锡铅BGA需要经过小模板印刷、贴装，再送往再流炉用锡铅温度曲线进行再流焊。有八个BGA是在底面，六个BGA是在上面。所有SMT元件一共需要经过四次再流焊。有五个集成电路需要用锡铅焊膏进行手工焊接。电路板组装的主要步骤如下：
   1、在模板上19个元件的开孔上贴胶带；
   2、底侧SMT元件的印刷和贴装；
   3、用无铅再流焊曲线进行底侧再流焊（第一次）；
   4、顶侧SMT元件的印刷和贴装；
   5、用无铅再流焊曲线进行顶侧再流焊（第二次）；
   6、用小模板在底侧对八种BGA进行印刷并贴装；
   7、用锡铅再流曲线进行底侧再流焊（第三次）；
   8、用小模板在顶侧对六种BGA进行印刷并贴装；
   9、用锡铅再流焊曲线进行顶侧再流焊（第四次）；

图2与锡铅焊料有关的缺陷。

10、手动焊接五个集成电路；
11、在返修设备上焊接插装元件。
   第一次和第二次是无铅再流焊，使用迅速上升到峰值温度的温度曲线，峰值温度范围是240℃-248℃，温度高于液相线的时间（TAL）为60-90秒。第三次和第四次是锡铅再流焊，使用的也是迅速上升到峰值的温度曲线，峰值温度范围是200℃-208℃。峰值温度低于217℃，以免第一次和第二次再流焊中焊好的无铅元件又经过一次再流焊。温度高于液相线的时间为60-90秒。
    锡铅工艺使用一种水溶性焊膏。经过以前进行的大量无铅印刷试验，选择两种不同的水溶性无铅焊膏。在试验中发现，同一种无铅焊膏，批次不同，性能会有一些差别。因此，使用不同批次的焊膏之前，要进行印刷确认测试。用于锡铅电路板组装的模板是激光切割的不锈钢模板，厚度是六密耳，如果是用于锡铅组装，一般的做法是厚度减少10%。
    为了改进印刷工艺和焊点外形，专门为无铅电子产品的装配制作了一块新模板。这个模板也是激光切割的不锈钢模板，厚度为六密耳。不过，要根据无铅焊料的不同湿润特性来改变孔的尺寸。对有引脚的元件和分立元件来说，在孔较长的方向，把孔做得大一些，对于宽度，焊盘与孔的比率为一比一。对微间距元件来说，开孔的大小取决于焊盘的尺寸。人们认为，适合无铅模板的精确扩孔量和开孔尺寸属于专有技术。

   插装元件是用返修设备来安装的。使用SAC 305无铅焊料，炉温为285℃。电路板预热到120℃，焊接停留时间一般是9-11秒。
我们对18种无铅电路板进行各种各样的测试和检查，包括自动光学检查（AOI）、X射线分层摄影法、X射线检查、后续检查、连续性测试、功能测试、老化测试和最终出厂前的检查。总共找到65个缺陷，它们与各种生产工艺的问题或者焊接有关。

实验用无铅电路板 板设计
    我们完全用按不同因素设计的电路板来评估电路板表面处理和模板设计对无铅电路板质量的影响。表面处理有三种：有机焊接保护剂（OSP），浸银和化学镀镍浸金（ENIG）。使用锡铅和无铅两种模板设计。因此，共有六种独特的组合方法。每种组合方法都进行三组同样的实验，一共做十八个实验。表1是不同的电路板设计以及在测试检查中发现的缺陷总数。

在这个试验中使用了这样的假设，对于实验设计的不同组合，预计的缺陷数量是一样的。另一种假设是，对于实验设计的不同组合，预计的缺陷数量是有差别的。从方差分析（ANOVA）的结果来看，当我们根据表面处理、模板设计或者把这两种因素结合在一起来比较电路板时，发现的缺陷在数量上并没有差别。

锡铅与无铅的比较
    为了比较锡铅工艺和无铅工艺的结果，随机抽取了两个以前完成了的锡铅工作单。其中包括在2004年组装的94块电路板。表2是找到的锡铅和无铅缺陷的数据。我们有95%的把握可以肯定，就每块电路板的平均缺陷数或者缺陷变化而言，在锡铅工艺和无铅工艺之间是没有差别的。
    六西格玛指标
    三种常用的工艺性能指标是一块板的缺陷数（DPU）、每百万机会缺陷数（DPMO）和西格玛指标。DPU是所有板的缺陷总数除以板的数量。为了计算DPMO的机会数量，要确定每一个引脚、元件等等可能出现以不同方式出现缺陷的数量。出现缺陷的机会有可能会发生在元件的各个引脚上，也会出现在以正确的方法贴装了正确的元件上。在这个实验中，经过计算，每块电路板的缺陷机会总数是16134。西格玛指标讲的是工艺遵守技术规范的能力。较高的西格玛指标表示工艺能够在技术规范限制范围内更好地完成工作。六西格玛指标是用来描述具有3.4 DPMO的工艺。
锡铅电路板组件：
DPU = 4.03
DPMO = 249.9
西格玛 = ~5.0
无铅电路板组件：
DPU = 3.61
DPMO = 223.8
西格玛 = ~5.0

与焊膏有关的缺陷
    上述分析和指标的依据是在测试和和检查过程中发现的缺陷总数，其中包括与生产组装有关的缺陷，以及与焊接有关的缺陷。以下只对与焊料有关的缺陷进行分析。
    在这个报告中，与组装有关的缺陷有：装反的元件、缺失的元件、弯曲的管脚、装错地方的元件、有电气缺陷的元件、破损的元件和剪切过的元件。与焊接有关的缺陷有：焊料桥接、引脚没有焊好、元件立起、没有湿润和焊料不足。从方差分析的结果来看，分别考虑表面处理和模板设计两个因素，或者，同时考虑这两个因素时，它们之间没有发现在缺陷数量上有统计上的差别。表3所列是锡铅和无铅的缺陷数据。我们有95%的把握可以确定，就每块电路板的平均缺陷数或者缺陷变化而言，在锡铅工艺和无铅工艺之间是没有差别的。图1是在测试和检查过程中在18块无铅电路板上找到的与焊接有关的缺陷类型与数量。图2是从94块锡铅电路板中发现的与焊接有关的缺陷类型与数量。

结论
    无铅工艺的平均缺陷水平不受这个实例研究中使用的三种电路板表面处理或者两种模板设计的影响。此外，我们有95%的把握可以确定，就每块电路板的平均缺陷或者缺陷变化而言，锡铅工艺和无铅工艺之间是没有差别的。这些结论只是根据缺陷总数的分析结果以及与焊接有关缺陷的分析结果得到的。

作者简介
    Robert Farrell是Benchmark电子公司首席工程师，电话：（1）603 879-7000转8189（分机）；Scott Mazur是Benchmark电子公司RoHS专家、首席质量工程师，电话：（1）603 879-7000转8004（分机）；Gregory Morose是美国马萨诸塞州减少使用有毒物质协会（TURI）项目经理，电话：（1）978 934-2954；Richard R. Russo是Mercury计算机系统公司首席制造工艺工程师，电话：（1）978 967-3249。