回流焊接技术的可制造性设计

回流焊接的技术整合管理系列文章之第五部分

前言：
以前的文章中我向读者们提到过，技术整合的目的在于完整的分析和考虑所有关键的成功因素，并给它们设计或安排出最好的配搭。这些关键因素包括了设计、工艺、设备、材料和质量等方面。其中设计的部分，有于它属于前期工作（或说是上游工序），以及对于同一个产品来说，其工作特性是一次性的（不像生产是不断的重复同一工作来大量复制），所以‘设计’这一元素就成为技术整合中一个十分重要的环节。不过由于长久以来，用户在设计工作上多只限于关注产品的电性能方面的工作，对于工艺性设计的应用和重视相当的不足，而造成这方面的技术缺乏足够的开发和推广。事实上，从笔者的经验中，估计有九成或以上的工艺问题，是可以通过工艺性设计的管理来给与避免的。本期我们就来看看和这方面有关的一些理念和知识。
在本系列文章的第二部分中，我曾向读者们介绍了多种回流焊接技术。虽然他们之间有部分技术是相同相通的，但本文我只针对最普遍被使用的强制热风回流焊接技术来讨论（本文中都简称'回流焊接'）。读者如果有其他回流焊接技术上的问题可以个别联系我。

工艺性设计：
工艺性设计在SMT应用和管理上是个十分重要的工作。但却也是目前做得很不足的一项工作。工艺性设计的目的，在于确保产品在设计阶段就植入很好的制造条件，这包括了效率、成本以及质量。工艺性设计包括了可制造性设计、可组装性设计、工艺设计和部分的质量设计工作。
在SMT中，可制造性设计（DFM）工作确保在设计产品（PCBA）的时候照顾到低缺陷率所需要的条件。DFM的活动包括器件、PCB等物料的选择、焊盘外形尺寸的设计、锡膏或黏胶工艺中钢网开口形状和尺寸的设计、PCB上通孔跑线的设计、以及PCBA上器件的排列布局设计等等。这些设计都必须符合所使用的工艺种类，以及其工艺能力才能确保很低的制造不良率。
可组装性设计指的是PCBA和整机之间的组装。PCBA上的组装，也就是2级组装，是属于SMT或THT技术范围。而可组装性设计指的是2级组装后的工序。也就是将完成2级组装的PCBA安装入机壳中，以及其他机械部件和电缆等的组装部分。这里考虑的主题是如何通过使用最少的标准材料和工具，以最短的时间和不造成产品质量风险的情况下完成产品的组装工作。
工艺设计是对整个加工过程，也就是工艺路线的选择和设计。从效益和产品特性的角度来看，不少时候单一的工艺路线是无法满足要求的。但太多的工艺路线在技术的掌握、优化和管理上也很困难，事实上也较难确保经济效益。所以一般的用户有必要限制和自己考虑本身的工艺技术范围。当一个用户有使用超过一种工艺路线时，工艺设计就成为其产品设计的所有工作中的一项重要的活动了。

在产品工艺性设计中，不合理的设计不只是会影响组装或加工的成本效益，也会影响产品的质量。这包括加工直通率以及产品的使用寿命。所以质量设计不可避免的也成为设计活动中的一员。
笔者认为，目前许多企业没有很好的掌握和发挥工艺性设计的作用的主要原因，是因为对它的认识不足。很多企业对于DFM这样的课题，只是简单的把它当作一些规范的使用，而没有把它当作一个系统来看待和管理（规范只是系统中的一个工具，注一）。当我们首先将这课题当作一个系统来研究和进行整理时，我们就自然而然的对和它相关的因素等结合起来考虑，也就是进行整合的处理。例如在系统学中我们十分注重事物或工作的程序（也就是工作流程），知道本末倒置将使系统频频出错，甚至导致瘫痪。在做流程考虑时我们会发现在选择使用器件前我们必须先知道产品的工艺路线是打算怎么走，而我们也知道产品的组装密度对工艺路线起着决定性的影响……从系统效率方面的考虑，我们也发现如果要产品设计周期短，我们就不能等到电路设计时才来考虑器件的工艺性。我们也意识到考虑器件工艺性这工作的技能知识要求和电路设计、甚至是工艺设计的有相当的差异。这也就告诉我们在整个系统中必须有另外的一个器件评估流程、组织和职称来运作。这样一来，我们的系统性和合理性就能建立起来，也就较能确保整个技术管理和应用上的效益。

狭义可焊性考虑：
对于焊接工艺来说，也许用户首先关注的问题就是可焊性问题。可焊性有广义和狭义的两种定义。广义的定义，包含了焊接工艺中的所有6个要素的符合程度（注二），而狭义的定义，指的只是焊接表面是否和焊接材料有良好的润湿性和是否容易形成合金面。这里我们先谈狭义定义上的。
在SMT业界中，出现或可使用的焊接材料很多，例如有镍/钯、镍/金、镍/钯/金、银钯合金、锡铜合金、10/90锡铅、15/85锡铅、60/40锡铅、纯锡等等。而所使用的镀层厚度和工艺，也会因为供应商的不同而有所差异。这些材料上和镀层厚度、工艺上差异，使得个别器件种类，甚至同一供应商而不同的批次的器件，都可能出现不同的焊接要求。简单的来说，就是有些需要较高温度、较长时间的焊接；而有些则只需要较低温度、较短时间内就能有好的完成焊接。除此之外，锡膏中焊剂的配方和含量也决定焊接的效果。还有所使用的设备（回流炉）的能力也决定指标的窗口的大小。所以如果我们要把工作做好，做到所有焊点都很有把握的控制其形成和质量时，我们就必须对以上提到的种种进行技术整合分析和选择。
目前用来评估可焊性的最常用方法，一种是较简单，量化程度低的Dip and see方法（即‘浸锡’- ‘观察’）。也就是将要认证的器件焊端浸入熔锡炉中后观察其润湿效果。这做法经济但准确性较差，没有量化。另外一种成本较高而可量化的做法，就是使用Wetting Balance仪器来测量分析的做法（图一和二）。这是一种沿用多年，通过测量润湿力相对时间的变化过程来分析可焊性的做法。
对要求精确的工艺来说，这两种做法都还不够理想。首先是它们都属于抽样检验技术，必须配合良好的供应商管理才能对用户有所保证。而在目前的业界行为和运作情况中，供应商质量管理往往是许多用户最弱的一环。其次是在第一种方法中，精确度有时候相当不理想。而在第二种方法中，虽然有量化可以较仔细的分析，但目前的标准还存在一些不完整的地方（注三）。不过最主要的一点，是这两种测试认证方法都是早在回流或SMT技术出现之前开发的方法，因此没有较好的模拟回流焊接工艺。例如助焊剂因素，焊接过程的温度和时间，都和以上两种测试方法有很大的不同。也就是说，通过这两种测试方法得到的结果来判断是未必正确的。在传统Wetting Balance测试指标中，如果一个被测器件焊端的润湿力换向时间（zero-crossing time）或是润湿时间（wetting time，图二，注四）需要有5秒的话，这会被判定为不合格器件。因为在波峰焊接或手工焊接中，一般的工艺要求必须在3秒钟之内完成。不过这种要求在回流技术中是没有必要的。而在另外一个方面，传统Wetting Balance分析中不重视的负润湿表现(-ve wetting force），在回流焊接中可是个应该注意的特性。所以，在回流焊接技术中，我们应该重新制定我们评估可焊性的做法。这点在我们业界中还是没有做好。

难焊器件的可焊性要求：
在回流焊接技术应用中，最大的挑战来自同一PCBA上不同焊点上热特性的差异。这差异影响焊接的工艺窗口。越大的差异，意味着工艺窗口越小，焊接时越容易出错。热特性的差异源自几个方面，有器件封装设计和材料的因素，有PCBA设计布局的因素，有工艺参数设置和调制的因素，还有回流炉子性能的因素等。很不幸的，在半导体业界设计封装时，封装的电性考虑比重常高于工艺性考虑。而由于对SMT工艺的认识有限，有时候还可能出现工艺性十分不理想的封装。而BGA、QFN等封装类就是搞工艺的人很不欢迎的封装设计（图三）。这类器件封装，由于焊端周边的空气对流性差，对于锡膏的挥发很不利。这而且对流性不好也让工艺上需要依靠较高程度的传导传热（通过封装本体），这些都造成了工艺上需要较高的热以及较长的焊接时间。这又连带来封装受热多曲翘较严重等问题.
以上告诉我们，在可焊性等特性的评估上，我们未必要求一致的表现。例如对于BGA和QFN类封装，我们知道它们在PCBA一般属于焊接过程较慢的器件群。所以我们对它们的可焊性要求也偏向于要求在较低温，较短时间内可以完成焊接的材料了。我不可能在这里举所有的例子一一给于说明，不过关键的是，我们必须进行这样的整合分析，才能较好的把住材料选择这一关。

器件耐热性考虑：
和波峰焊接不同，回流焊接的过程，所有器件和PCB需要较长的时间（典型4到6分，无铅回流可能超过7分）在相对高温的焊接环境下，所以器件和PCB的耐热性是选用前必须考虑的因素。一般在评估选择器件和PCB时，用户应该要求供应商提供准确可靠的技术指标。比如说在PCB选择时，我们都会要求知道两个技术指标Tg和Td值（注五）。
有两个更重要而又常被用户忽略的问题。一是指标的定义，二是指标的认证测量方法。虽然一些名称符号，比如用来描述PCB耐热特性的Tg和Td之类的，都属于较通用的，但不同供应商或国家之间的定义有可能不同。这就造成指标数字虽然一样，但实际意义和对用户的影响可能有差异。所以用户们应该尽量仔细的向供应商询问和搞清楚其真正含义。了解测试认证方法更是重要，一般这方面的工作比起定义还重要。因为有些供应商的测试认证方法，和用户在使用时的实际条件是有较大出入的。这表示供应商所提供的指标数据，未必适用于该用户。所以身为用户不得不仔细处理，避免做没有意义的盲目比较或使用。
例如目前业界在描述器件耐热性方面的做法，多数器件供应商为了方便沟通以及方便用户的理解，多是采用一个类似回流曲线图的标准来描述（如图四）。包括一些国际标准也是这么的做。而事实上，当我们仔细的研究材料的耐热性时，我们会发现这样的做法还不够精确有用。首先这种做法和锡膏特性之间没有整合考虑，而且由于锡膏品牌种类很多，也不太可能一一整合。在实际应用中，由于器件首先是照顾到电性上的要求，其封装和材料的变化多。锡膏的认证工作相当繁琐，不会是个经常更换的材料。所以身为用户，我们都希望所有器件的默认热特性，都适合使用在任何锡膏中。但业界并没有设立这样的标准，也没有人进行这方面的技术指标整理。所以我们还必须对每一种新器件物料进行和所采用锡膏对应的热特性认证。

另外一个问题，就是先前提到目前的一贯做法，都是采用类似图四的回流曲线图来描述器件耐热特性的做法并不精确。如果器件供应商所认证的曲线，是相对用户所用的工艺曲线规范还严格的（注六），那问题可能就不存在。不过在一些应用场合中，供应商所提供的器件耐热指标，是可能未达到用户工艺规范的严格程度的。在这种情况下，用户需要的其实是三个特性指标。它们是：最高温度和时间、最高升温和降温速率、总耐热程度。不过可惜的是，目前认证和发布这三类指标的制造商少之又少。在需要时用户一般必须自行认证和制定指标。即使在使用供应商提供的常规回流曲线标准来进行分析时，用户最好也养成分别评估以上三种特性的习惯。这样的做法，是因为它们之间的破坏模式和原理都不一样，而且三者之间并没有固定或较有依据的关系存在。所以有必要分别了解和在需要时进行处理。

广义可焊性的考虑：
要照顾到整个焊接工艺的质量，我们的工程活动就必须涉及和包含整个可焊性的广义定义。一个DFM的好坏程度，就看用户在回流焊接可焊性的广义定义上掌握和控制的程度多少而定。DFM的活动和输出包括了器件材料的选择、焊盘的设计、钢网（锡膏印刷）的设计、PCBA上器件的布局排位、PCB开孔跑线的设计等。这些活动都必须照顾和考虑到回流焊接的需求和尽量给于配合。以下我们来看看其中的一部分考虑。

焊盘设计：
焊盘设计是DFM工作中一个重要的部分。不理想的设计常带来许多工艺问题，例如立碑、焊接时移位、焊球等问题。焊盘的设计包括焊盘的形状、间距和尺寸。对于要求严格的（工艺性很不理想的器件）还需要包括镀层材料和厚度（注七）。焊盘的设计并不都是很直接简单的。虽然很多时候焊盘的形状都几乎和焊端底部的二维形状一样，而尺寸都稍微大一些，但这不是个简单的定律。良好的焊盘设计必须考虑到热容量和热的传导、熔锡的流向和张力方向、焊点的形状（关系到焊点的寿命）、焊点的大小（锡量）、贴片工艺能力、印刷工艺能力（尤其是配合钢网设计）、锡膏特性、PCB的加工能力等等。这些综合考虑才能让我们设计出一个工艺表现最稳定和工艺窗口最大的焊盘。而这些综合考虑，就是技术整合的处理。
要具备良好的设计能力。设计工程师（一般是器件工程师，负责认证器件工艺性的）必须对器件的各种焊端结构和SMT组装工艺（包括印刷、贴片和焊接）有足够的认识。这样才能在设计过程中考虑周到和正确。例如对于一个翼型引脚，其焊盘尺寸可以在不多占地和不造成桥接的情况下在引脚尺寸的四周都有所延伸。但对于类似QFN那类设置在器件底部的扁平焊端的，焊盘在底部部分的三个方向上，就不应该有延伸，甚至要考虑比焊端尺寸更小的设计为佳。这样的设计，可以减少位移和焊球的故障。
焊盘设计的常用技巧如下。首先从器件的封装和焊端设计上，贴片工艺上，检验技术和返修需求上，以及最终焊点的形状结构上大略设计出焊盘和器件焊端的相对形状和位置，也就是焊盘的大略轮廓和尺寸（包括方位和间距）。接着预计锡膏量的需求并对钢网的大小和相对焊盘的形状进行设计。对应钢网设计规范（照顾印刷性），在需要时对钢网开口设计和焊盘外形尺寸进行修改。然后开始对焊接工艺中（即回流曲线）各个过程阶段，例如挥发、助焊和回流，所产生的工艺变化和可能出现的工艺问题（例如浮游、吸锡等）一一加以考虑和做出对应的焊盘外形尺寸或间距进行调整修改。这修改的过程中，有可能还会影响到原先的钢网的设计，所以钢网的设计也必须同时往返的检查、调整和确认。由于考虑的因素众多，记得后来的任何调整都不能违背先前的考虑，必要是做出取舍。
用户有可能由于所采用的工艺或材料，设备或供应商能力等原因而无法在设计上做到理想的取舍配合。这时候就是‘质量’考虑必须整合处理的时候了。如果由于电性和独家供应等关系而非得采用这器件不可的话。你只能在工艺质量或可靠性上做出让步了。这也非不可行的做法，但必须做出管理决策（注八）。
在这里我想做个提醒。虽然多数器件供应商，尤其是有水平的器件供应商，都会提供器件的焊盘设计图。但由于在SMT中决定可焊性（广义）的因素众多，而单一的规范未必能够满足所有不同的因素组合（尤其是工艺性较差的器件封装设计）。所以供应商提供的焊盘设计应该是个‘参考’而非‘标准’。也就是说，使用该规范一般可以使用户避免出现严重的问题，但不是任何时候都不会有问题或最优化的。优化规范标准的责任仍然是在用户身上。
钢网设计：有很多用户将钢网设计的工作（就是决定钢网材料、制作工艺、厚度、开口形状大小）交个生产部，甚至交给钢网制作商去执行。这是个错误的做法，也是个不懂得、不重视技术整合的常见问题。钢网的设计必须和焊盘设计整合起来（在稍前谈论焊盘设计时也已经有提到），必须和工艺（锡膏印刷工艺）以及工艺材料（锡膏特性）整合起来。钢网开口和焊盘的相对形状和尺寸，以及它在焊盘上的位置都决定工艺故障（如浮游、立碑）窗口的大小。所以钢网设计必须和焊盘设计整合。钢网开口形状和尺寸比例是否合理，决定锡膏是否在印刷时容易填充和脱离。不同的锡膏配方，也就是不同的锡膏品牌和型号，其物理特性（粘性、流变性、坍塌性等）都有不同，所以钢网设计必须和印刷工艺以及工艺材料（即锡膏）特性进行整合。而这些技术整合设计的工作，是不能等到PCB设计完成后才来进行的。因为一旦PCB设计完成，所造成的限制就未必是通过钢网设计的调整能够给于补偿或配合的。而一旦此刻需要修改PCB设计，甚至需要放弃某些器件或采用某些补充工艺，这将可能带来巨大的成本和时间上的损失。所以如果读者的工厂还是让生产部或钢网制作商决定钢网设计时，希望能做些工作改正过来，你们将从中获利。
钢网设计和器件的焊盘一样，是应该针对每一种器件都进行特定的设计。而且一般用户会有二到三种不同、常用的钢网厚度进行设计。虽然在不少器件上，比如矩形电阻电容等，钢网厚度的变化没有达到工艺窗口的敏感程度，但一些工艺性设计较不良的器件，这约20%左右的厚度变化，是需要在开口尺寸上给于适当的调整配合的。钢网开口设计的考虑步骤，重点在于控制锡膏量以及和焊盘、器件焊端或引脚的外形、位置之间的配合。这些设计工作，从技术整合的角度来看，是必须在器件选择的阶段就进行的。比如有个器件的焊端需要较大的锡膏量，但由于间距和所用锡膏冷、热坍塌特性的关系，你可能无法设计出对应能够提供足够锡膏量的钢网，那说不定你在工艺上就必须采用阶梯钢网或其他的辅助工艺来解决这类器件的组装问题了，如果连这些方法都没有，那你就不能使用这类器件。又比如你遇到了一个器件的焊端悬空高度不足而又需要大的焊盘，你为了减少锡膏量而必须将钢网开成多个小口，但受到悬空高度和锡膏量要求的限制，这些小开口可能不适合于印刷工艺，或由于间距大而无法确保回流时的润湿等等，你可能又遇到了个无法或难以有高工艺质量的情况了。这就是为什么以上我说钢网的设计不应该按照传统的做法，盲目的丢给生产部或供应商去做。记得多年前我在马来西亚一家工厂中发现一个被定位为‘气孔’的问题，实际问题就是因为生产线自行改钢网开口，造成润湿不足覆盖面不满，使得器件在高温下散热不足而影响产品寿命的。这类缺乏技术整合概念和管理的现象，其实每天都在不少工厂里出现，只不过是很多幸运的没有遇到问题，或问题出现后定位错误，缺乏准确的追究罢了。
从技术整合管理的角度来看，器件的封装评估选择是必须在DFM阶段进行的。而器件封装的工艺性评估，只有当用户能够完好的设计出焊盘以及钢网之后才能算完成。希望读者们都能领悟和重视这个概念。再通过执行您就望做到零缺陷的高水平了。

PCBA布局设计：
在SMT业界中，目前最被广泛使用的回流技术是强制热风回流技术，在这种技术中热的传导是依赖热空气的对流效应来达到的。也就是说，在焊接点上热空气的流动状况是个关键。热空气在PCBA上的流动，除了受到回流炉子设计的影响外，也受到PCBA表面器件高低形状和密度的影响。例如在一个吸热较大、形状扁平的器件周边（例如BGA），由于热空气对该器件放出大量的热能而降温较多，并受到其扁平外形的影响使放热后的较冷空气往周边流动造成覆盖层的关系（对流性较差），我们常会发现其周边的焊点温度会较低。如果这时候我们将一个需要很多热能或热容量大的焊端排在这周边位置时，就比如我们将两个大BGA并排在一起时，我们就会发现出现冷焊点的情况。这在工艺的一致性上，在质量保证上，以及在效益（热能和速度）上都不是件好事。
除此之外，设备的性能也是我们要注意的。许多回流炉子的加热性能并不像用户想象那么均匀和稳定。笔者曾测试过一些颇具名气的炉子，但有些性能还是存在不理想的地方（注九）。为了避免这些缺点给用户造成工艺或质量问题，用户就有必要在PCBA设计上给于某些限制或规范化。这样可以避免在设计上造成不容易焊接的工艺难点，影响加工质量。

后语：
DFM等工艺性设计工作是否能够做好，其实是对企业的技术和管理能力的一个考验点。只有那些能够在这方面发挥的很好的企业，才有资格被称为SMT的先进用户。因为只有良好的DFM，才能有效的协助预防问题。而那些每天只靠救火来应付生产的，应该不能说是先进用户。
DFM并不是简单的拥有一些购买或抄袭来的焊盘规范就能做到位的。它是个包括材料评估选择、多种规范（如焊盘、自动化要求、钢网、布局等）、合理的设计流程、难点分析取舍等等复杂的系统。而其中心支柱也就是个技术整合分析和管理。
DFM工作中实际上使用了多方面的知识，包括工艺、材料、设备和质量等各方面的知识。我曾编制为期6天的详细DFM培训课程，但也不能很快的让参与培训的用户成为能手。从我个人的经验中，这学习过程是缓慢的。但由于良好的DFM能够解决绝大多数的工艺和质量问题，也是个有效的可靠性保证工具，所以我很推荐用户们投入去学习、研究和掌握这方面的知识，并建立良好的管理系统来推动这价值很高的工作。
注一：技术整合本身就是个系统学。要很好的发挥其管理效益就必须拥有很强的系统意识和知识。DFM（可制造性设计）在系统学中包括了组织结构、职责功能、流程、规范和电子流管理等等，缺一不可。
注二：焊接的6个要素是：1.材料有足够的润湿性； 2.满足焊端的热需求； 3.适当的锡量；4.控制熔锡的流向； 5.焊接过程中焊端的固定静止； 6.适当的IMC形成。
注三：目前常用的Wetting Ba lance测试指标，还是以早期的以波峰焊接与手工焊接为对象的指标为主来评估可焊性。回流焊接在助焊剂的使用、焊接温度和时间上都和波峰焊接技术有很大的不同，因此评估可焊性的做法也应该有不同。
注四：Wetting time（润湿时间）和Zero-crossing time不一样。Zero-crossing时间指的是从开始测试时到润湿力由负转为正，经过‘零’点（图四中的zero-crossing point）所需要的时间。而润湿时间最常用的定义，是指由开始测试一直到润湿力达到最终润湿力的2/3（或67%）的时间。也有部分供应商和用户的wetting time定义和Zero-crossing time定义是一样，在比较数据时应该注意。
注五：Tg是PCB材料的Glass Transition温度值，也就是材料软化的温度。此值影响材料的变形程度；Td是材料的Delamination 温度，也就是关系到材料分层损坏的温度。这指标在进入无铅技术后被逐渐重视。

注六：工艺曲线规范的要求，是通过认证锡膏特性，以及所使用关键和常用器件和PCB焊端材料特性，以及按照本身工艺能力等制定的。
注七：一般而言，焊盘镀层材料和厚度，在业界常用的材料范围内属于较次要的因素，其对工艺的影响力没有焊盘形状和尺寸大。不过在一些工艺性较差的器件，例如容易造成吸锡的器件焊端，焊盘的镀层材料和厚度的影响程度会增加，在选择时就需要更小心处理。
注八：在实际工作中，不是所有时候我们都可以获得完美的技术方案的。从事组装密度越高的产品的用户，其无法获得完美技术方案的机会也就越大。更有些时候，我们甚至想通过投入更高成本来获取完美方案的途径也没有。这时候我们就必须牺牲质量来获得可行的方案。而由于技术上不理想，牺牲质量对企业的影响又可以是重大的，这就应该是个管理决策。
注九：笔者曾测试过以普通小焊点（0603电阻）为负荷的情况下，如果要保证整个横切温差不超过摄氏5度，该炉子必须要规定轨道边约7cm的距离为非焊接区。这是很不好的性能状况。在笔者的实际工作经验中，如果没有经过特别的调整工作，多数的炉子并不能达到以供应商指标为窗口的3 Sigma（或Cmk=1）的水平。（目前业界供应商一般还没有标明Cmk表现。笔者使用的3 Sigma是个过去的‘常规’，目前许多人已经在‘谈论’4.5 Sigma，甚至是6 Sigma！）