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优化无铅SMT网板设计
摘要：
任何新技术的出现，势必产生对精细加工的更高要求，从而有利于采用主流技术和持续改进工艺过程。在无铅制造中，第一个障碍就是合金和化学制剂的选择，这也是一个基本的过程。根据早期对合金和化学制剂选择方面的工作的理解，我们对影响产能的主要因素作了进一步优化。这些因素包括温度曲线、PWB的表面处理、元器件的金属喷镀、阻焊膜的选择或网板设计。
由于网印对直通率的影响很大，而且与基于铅的焊料相比，无铅合金在湿润性方面表现出很大的差异，本文作者对网板的几何开孔方法进行了研究，旨在优化出理想的SMT特性。我们系统的研究了无铅合金在部分表面处理上浸润性较差的问题；同时，尝试了最大化焊盘覆盖率面的开孔设计，这样可以减少缺陷―――像MCSB（mid-chip solder balls）。除了参考网板开孔设计指南，还将重新评估整个网板设计的优化方法。
关键词：无铅，网印，开孔设计，过程控制。
前言
网印的主要目的就是周而复始的把适量的锡膏印刷到正确的位置上。网板开孔的尺寸、形状和网板的厚度决定了锡膏的沉积量，而孔开的位置决定了锡膏沉积在什么地方。我们有特定的方法来确保开孔位置的准确度【1】，并将在稍后介绍。这次研究的目的是为无铅锡膏确定最为合适的开孔尺寸和形状。
无铅焊料不像有铅焊料那样容易润湿或浸润，这是不争的事实。这种行为差异给一线的组装带来了几个问题：靠近焊盘四周的裸铜（或者基层表面处理），MCSB缺陷率，以及立碑。
为了确定不同的焊料浸润性对典型表面贴装缺陷的影响程度，我们设计了一个试验。试验的第一部分以无铅和有铅焊料的浸润性和缺陷率为基础，网板开孔方法采用的是传统的有铅SMT开孔方法。试验的第二部分，在使用到无铅焊料时，试图通过优化网板开孔来降低缺陷率。在试验的第一部分，PCB的表面处理包括：有机可焊性保护膜(OSP)，化镍浸金（ENIG），浸银（ImAg），浸锡（ImSn）。第二部分用到了OSP和ImSn。
试验设计 润湿和浸润
有两种研究锡膏的浸润特性的方法。第一种方法，在已知面积的未经处理的金属基材上印刷一个圆形的锡膏堆，过回流焊，然后测量回流焊以后被锡膏覆盖的面积。回流后与回流前的锡膏覆盖面积比可以作为测量锡膏浸润性的量化参数，也可以作为特定板材润湿性的参考依据。
另一个测试浸润/润湿方法是在分布有间距和厚度（30mil）均匀的条形焊盘的板子上成对印刷一些厚度均匀（40mil）的条形锡膏。每对相邻锡膏条的间隙逐渐增大， 印刷方向与条形焊盘垂直，见Figure 1。
在回流焊过程中，熔化的焊料沿着板子上的金属条铺散开来，如果焊料铺展的程度足够大，相邻焊点之间的间隙就会桥连在一起。相邻两个锡膏条的间隙从0.1mm到0.8mm不等。每种尺寸的间隙最多有20个桥连的可能，记录桥连间隙的数目，按照间隙的尺寸对结果分类，并绘制成分布图。Figure 2是回流测试的一个样本图。
Figure 1：润湿测试―――交叉印刷图
Figure 2：润湿测试―――交叉印刷回流焊后的效果
QFP
对于间距在20mil（0.5mm）以下的零件，1：1的网板开孔无疑会增大焊料桥连的风险。为了降低桥连的风险，通常采用减少一定量的印刷面积的方法，一般是把网孔面积减少10％，不过，这样也增加了露出焊盘材料的风险。即使露出焊盘材料尚未表现出对可靠性的影响，但是对于某些组装者来讲却带了外观上的问题，因为它会影响美观。如果在含铅工艺中焊盘材料被露出来是个问题的话，那么在无铅工艺中这无疑是一个更为显眼的问题。
为了确定裁剪网孔的影响程度，间距为20mil的2个QFP分别被组装到了两个试验板上。在试验的第一部分，其中一个QFP的开孔与焊盘的比例为1：1；另一个QFP的开孔尺寸减少了10％。在试验的第二部分，两种开孔均被固定在1：1，裁减5％和裁减10％。两个测试部分都用到了厚度分别为5mil和6mil（125μm和150μm）的金属板。总的来讲，在第一部分，测试了4组面积和网板厚度的组合，在第二部分则测试了6种组合。Figure 3是测试板的图示。
Figure 3：Cookson Electronics Reliability and Functionality (CERF) test vehicle
MCSB
Mid-chip锡球（MCSBs）也是一个常见的容易受到网板设计影响的缺陷。虽然促使锡球产生的因素有很多―――包括焊盘设计，阻焊膜突起，贴片压力，端子的几何形状和金属喷镀，焊盘处理工艺，回流焊曲线以及锡膏堆积的形状等都会从正面或反影响MCSB的形成。
如果大量锡膏堆积在焊盘上，尤其在那些要贴装chip的地方，贴上去的chip将会挤出部分质软的锡膏。任何被挤到零件腹部的锡膏都可能（或者不会）在回流焊过程中拉回到焊盘上。 如果这些锡膏没有拉回来，在液相区它们就会在表面张力的作用下迁移到零件的侧边，冷却后形成锡球。Figure 4给出了典型的MCSB的图片。
大量来自含铅锡膏的MCSB测试数据显示，最糟糕的网板设计是采用1：1方形开孔的6mil厚网印金属板。最好的情况是开孔面积减小10％的5mil厚的外三角（home plate）开孔网板。Figure 5是三种开孔图形。试验数据同时显示，在到达液相温度以前，随着锡膏持续软化、塌陷（热坍塌），浸润型曲线并不比渐升式曲线好多少。
MCSB测试既包括最好的设计，也包括最坏的设计。在第一部分，对于每种表面处理、锡膏类型和曲线类型（渐升或浸润）都组装了300个尺寸不同的零件：1206、0805、0402。其中150个纵向贴片，其他150个水平贴片，并采用了IPC推荐的焊盘图形。0201不在这次研究的范围之内，因为大量适用于体积相对较大的无源器件的准则没有必要套用到0201上。笔者相信应该单独对0201进行更深层次的研究【2】。
在第二部分，采用了三种新的开孔方法。第一种带外突圆角，另外二种带内凹圆角，见Figure 6。与第一种测试过程一样组装了300个尺寸不同的零件，采用2种曲线、两种表面处理和两种网板厚度。
Figure 4：Mid-chip锡球（MCSBs）
Figure 5：典型的锡铅网板开孔。注：不推荐内三角开孔方法，
因为这种开发对网板或者刮刀有潜在的损害。
Figure 6：无铅网印网板开孔设计
立碑
像MCSB一样，立碑是SMT常见的另外一种缺陷，有很多因素会影响到立碑的形成，同样会受到网板设计的影响。当焊料作用在零件一端的表面张力大于另一端的张力时就可能产生立碑，这种现象也被称作“吊桥效应”或“曼哈顿（Manhattan）效应”。零件两端的作用力失衡，产生的力矩使零件一端向上抬起，就像一个打开的吊桥一样。
影响立碑的设计因素包括焊盘图形和热平衡，组装因素有锡膏的印刷位置精度、贴片精度和回流焊过程中进入液相的斜率。开孔设计经常和组装过程中的一些因素一起影响立碑的产生：如果零件的贴放位置偏离了中心，零件的一端似乎比另一端接触到了更多的焊料，于是在焊料熔化的时候，作用在零件两端的力量失衡，从而导致立碑的产生。典型的立碑现象如Figure 7所示。
Figure 7：立碑，零件一端抬起，一端黏附在焊料上。
锡铅焊接中的实践数据显示，诸如方形开孔要比外三角等开法引起的立碑几率小一些。
MCSB对立碑：平衡法则
从前面的两个谈论中我们可以看到，为立碑设计的网板参数与MCSB似乎是水火不容的一对冤家。而在实际的生产中必须找到一个妥善的折中措施来缓合这对矛盾，研究MCSB的同时也要检测零件是否发生立碑。虽然这次研究的目的不是为了最小化立碑现象，但是还是对立碑的缺陷率做了记录，因为研究人员不想以立碑为代价来优化MCSB。
组装
在一条小试验生产线内共组装了174片电路板。用到的设备包括一台MPM UltraFlex网印机，一台Universal Instruments Advantis贴片机和一台7温区Electrovert OminiFlow空气回流焊机。回流焊曲线见Figure 8-11，用到了3类免清洗锡膏。锡铅合金为Sn63/Pb37，无铅合金为Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5(SAC 305)。
Figure 8：Ramp profile for SnPb paste. Ramp @ 1.5oC/sec,
peak temp 215oC, and time above liquidus: 45 sec.
Figure 9: Soak profile for SnPb paste. Soak at 160oC for
60sec, peak temp 215oC, and 50 sec time above liquidus.
结果和讨论
浸润
Figure 9: Soak profile for SnPb paste. Soak at 160oC for 60sec, peak temp 215oC, and 50 sec time above liquidus.
| 如前所述，可以采用两种不同方法来测试浸润特性。Figure 12到14总结了测试结果。其中Figure 13和14列出了回流焊以后焊料的面积与印刷后（贴片以前，译者注）焊料的面积比。
浸润测试的结果显示，无铅锡膏与有铅锡膏的浸润性非常接近，而且无铅锡膏更易于向周边浸润。很明显，这个结果太不可思议了，通常认为有铅锡膏比无铅锡膏的浸润性好，这也是有证可考的【3，4】。
产生这些反常数据的原因可能包括测试方案本身和测量的方法。因为焊盘的面积比印刷在上面的锡膏大很多，焊盘边缘没有对浸润过程产生抑制作用。无法解释焊料堆积的四周为什么浸润不均匀。测试当中并没有考虑焊料的形状和流动的影响，测试结果仅仅是一组经过简单计算的比值。虽然采用电子手段对面积进行了测量，但在确定测量范围时引入了人工协助。这就给测试带来了一定程度的主观因素，尤其当不同的人在不同的时间测量不 同的样本时。
Figure 10: Ramp profile for lead-free paste. Ramp @ 1.5oC/sec，
peak temp 240oC, and time above liquidus: 60 sec.
作者刻意隐藏了对测试方法有效性的一些质疑，这也是引入交叉印刷测试的原因。
Figure 11: Soak profile for lead-free paste. Soak at 160oC for 60 sec, peak temp 240oC, and 60 sec time above liquidus.
| 交叉印刷的润湿性测试结果比简单的浸润测试结果精确的多。从Figure 16可以看到无铅锡膏在各类表面处理上的桥连数目。Figure 17列出了无铅和有铅锡膏在最难润湿的表面（OSP）上的润湿差异。
Figure 11: Soak profile for lead-free paste. Soak at 160oC for 60 sec,
peak temp 240oC, and 60 sec time above liquidus.
Figure 12:助焊剂和焊料在样片上的扩散情况。上面的贴片是无铅焊料
在浸银焊盘上，下面的图片是无铅焊料在浸锡焊盘上
显然，浸润特性的差异与业界认同的观点是一致的。正如我们所预料的，ENIG在上限测试中也表现出了完美的浸润特性，ImSn也表现出相似的特性，只是在间隙最大的一些地方没有桥连。同样不出所料，不论是含铅或者无铅锡膏，OSP和ImAg的浸润性都稍逊一筹。
作者将进行交叉印刷测试来确定浸润特性。除了提高精度，与以前测试的客观性和分辨率相比，这次的测试方法进行的高快、更电子化。
Figure 13：助焊剂和焊料在样片上的扩散百分比（浸润率，译者注）
Figure 14：无铅和有铅锡膏在4种不同的表面处理上的浸润性比较
Figure 15：交叉网印测试中无铅锡膏在4种不同的表面处理上产生的桥连数目，
采用Figure 10所示的渐升式回流焊曲线。
Figure 16：交叉网印测试中有铅锡膏在4种不同的表面处理上产生的桥连数目，
采用Figure 10所示的渐升式回流焊曲线。
Figure 17：交叉网印测试中有铅锡膏和无铅锡膏在OSP板上的浸润性差异。
Figure 18：MCSB平均数目
QFP湿润
Figure 12:助焊剂和焊料在样片上的扩散情况。上面的贴片是无铅焊料在浸银焊盘上，下面的图片是无铅焊料在浸锡焊盘上
| 一共组装了348片QFP，并检测了所有QFP是否有露出焊盘和桥连发生，结果只发现了4例桥连。基于如此小的样本数量和微不足道的统计结果，作者不能草率的盖棺定论。由于组装过程是在实验室内进行的，网印和贴片设备都进了精心调试，所以不存在典型生产环境中的干扰因素。作者认为，如果根据实际生产设备的偏差，加大样板数量将使得数据更能反映问题的本质。
即使在裁减网板开孔的情况下，ENIG和ImSn也表现出充分的浸润特性，因此对于ENIG或ImSn来讲，裁减网板开孔的措施仍然是可取的。OSP和ImAg同样在预料之中，虽然他们在焊盘脚趾没有表现出完美的浸润特性，但仍然符合IPC的接受标准。ImAg的浸润性表现确实比OSP好，但仍比不上ENIG或者ImSn。
MCSB
对板子上的所有零件都进行了MCSB统计。一共组装并检测了6960个零件，Figure 19统计了所有MCSB数量。观测结果发现：
无铅锡膏的MCSB数量比有铅的少。
浸锡产生的MCSB数量最少，其他依次是ENIG、OSP和浸银。
浸润型回流曲线比渐升式回流曲线产生更多的MCSB。
6 mil厚的网板产生的MCSB远多于5 mil的网板。需要说明的是，为了严格区分最坏和最好的情况，6mil的网板采用1:1的方形开孔，而5mil的网板采用外三角开孔，开孔面积也减少了10％。
从Figure 19可以查到无铅焊接中MCSB在各种尺寸、封装类型的零件和四种表面处理板子上的数目分布，Figure 20是有铅焊接中MCSB的分布。零件类型后面的字母H和V分别表示零件的贴装方向分别为横向和纵向。试验数据源自渐升式回流焊温度曲线。
对于无铅焊料，中等尺寸零件（0603）的锡球看起来较多，尤其是在ImAg和ENIG上。而OSP和ImSn的锡球数目似乎分布比较均匀。对于有铅焊料，大致看起来MCSB的数目随着零件尺寸的减小而减小，只有在浸银板上出现了例外，0603的MCSB数目出现了突变。
浸银板中记录了72个MCSB，其中67个是在先后两次组装中观测到的，而且在两个板子中的一个上有28个MCSB分布在纵向贴片的零件上。研究人员怀疑这是特殊因素造成的反常数据，极有可能与贴片有关。不管怎么样，这个数据都被记录到了最终的测试报告中，读者有可能会考虑忽略这组数据。
在第二部分，研究了三种新的开孔。20％、60％和20％的内凹半园形开孔产生的MCSB最少，参见Figure 20（应该是Figure 21，译者注）
Figure 19：无铅锡膏在不同零件尺寸和表面处理板上MCSB的数目
Figure 20：有铅锡膏在不同零件尺寸和表面处理板上MCSB的数目
igure 21：三种不同开孔的MCSB数目，渐升式曲线。
RIHP印刷数据仅用在OSP和ImAg上，没有产生锡球。
立碑
Figure 23总结了各类板子上的立碑缺陷数目。观测到的立碑数目大体上比较少。观测的结果有：
与有铅焊料相比，通常无铅焊料的立碑缺陷更多，这很有可能是因为有铅焊料的润湿能力较强的缘故。
有趣的是，浸润型曲线的立碑缺陷显得更多，这个事实有悖于高温浸润曲线可以限制立碑的观念。
6mil的网板产生的立碑数目比5mil的多，很可能是由于焊料比较多的缘故。笔者相信接下来的研究会把网印的锡膏数量与立碑比率联系起来，其中还包括4mil的网板。
采用20/60/20比例的内凹弧形开孔在这次研究中没有产生立碑，在前面也发现这种设计会最小化MCSB的产生。
作者很乐意强调的事实是，这次测试不是为刻画立碑的特性而设计的，但必须确信开孔优化没有显著的提高立碑的产生比率。贴片精度和曲线类型对立碑的影响很大，所以，一旦涉及到贴片和回流参数，不得不把研究范围延伸到理论限制之外。
控制位置精度
正如前面所述，网印的目的是为了把适量的锡膏印刷到准确的位置。所以，网板开孔的位置精度和把锡膏转移到焊盘上的方法决定了锡膏的沉积位置。为了控制位置精度，网板制造商必须鉴定激光切割机的品质，从而校准其偏差。
有一个方法可以用来鉴定网板制造过程，那就是设计一个标准测试工具，用激光切割机切割该工具，然后测量其与CAD数据或名义位置的偏移量。目前Cookson Electronics用来校准各类网板的测试工具由324个1英寸圆孔形成的17×17英寸矩阵组成。切割和测量后，对机器角度偏移和长轴的线性偏移进行了分析，根据分析后的结果综合考虑校正系数，从而确保位置精度控制在1mil（25μm），4西格玛或者1.33Cpk的水平。
对完成后的测试工具测量结束以后，把激光切割位置的精度绘制成图，得到了有趣的结果。Figure 26和27对校准前和校准后的X轴位置精度进行了比较。Y向偏移与X大同小异，也被我们纳入到了观测对象的范围之内。
调整网板和PWB
PWB位置精度的变化、网印机调整能力的变化和网板本身的变化等因素都会影响网板-PWB的配合。PWB的变化是迄今为止导致二者失配的最大因素。PWB在制造过程中会导致实际的尺寸比CAD数据小。在第一次回流焊过程中PWB也会有所缩小，从而加剧第二面印刷的偏移量。为了补偿PWB的变化，可以通过实地测量其变化量来定制适用于PWB的网板。
Figure 22：三种不同开孔的MCSB数目，浸润型曲线。
Figure 23：立碑的平均数目。
Figure 24：MCSB关系图。
Table1：±1mil（25μm）位置精度的过程能力校正参数。
注：PPM缺陷基于静态过程，不包括1.5西格玛的偏移。
Figure 25：立碑关系图。
Figure 26：未校准时X轴的精确图
Figure 27：校准后X轴的精确图。
结论和建议
Table1：±1mil（25μm）位置精度的过程能力校正参数。注：PPM缺陷基于静态过程，不包括1.5西格玛的偏移。
| 试验中发现最合适的开孔设计是百分比为20％-60％-20％的内凹弧形开孔，它形成的MCSB最少，而且也没有产生任何立碑现象。试验还发现交叉印刷模式比浸润率测试更有利于测试锡膏的润湿和浸润特性。
QFP的测试数据不是很确定。建议在实际的生产环境中进行此类试验，以便纳入更多的大批量生产环境中的干扰因素。有必要进一步研究确定立碑的行为特征，尤其对于不同的无铅合金。
致谢
作者对支持和参与这次研究的成员表示感谢：Westin Bent, Grant Burkhalter, Leon Herbert, Horladine Maciel. Bawa Singh, Valentijn Van Velthoven和Greg Wade.
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参考文献：
1、 Reducing Variation in Outsourced SMT Manufacturing through the Use of Intelligent Stencil Systems, Circuits Assembly 2004.
2、 Self-Centering of Offset Chip Components in a Pb-free Assembly, IPC 2004.
3、 HUPUG’s Lead-free Design, Materials and Process of High Density Packages, IPC 2003.
Process Characterization of PCB Assembly Using 0201Packages with Lead-free Solder, NEPCON West/Fiberoptic Expo,2002
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王建国<|||>
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SMTA季刊<|||>
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2005-5-16 |
