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评估含铅和无铅焊膏的印刷步骤
Ronald C.Lasky, Ph.D., PE
Indium Corporation of America
Utica, NY
Rlasky@indium.com
Professor Daryl Santos, Ph.D
Binghamton University
santos@binghamton.edu
Aniket A. Bhave
Binghamton University
摘要
一些研究表明在SMT组装中出现的60%ⅰ以上的在线缺陷可以追朔到焊膏和印刷工艺。在再流过程中会产生15%左右的缺陷。根据这一事实，令人震惊的是根据资料记载在评估焊膏中还没有简单的工艺步骤。而本文却论述了这样一种简单的工艺步骤。
通过使用设计的试验和与工艺度量标准相关的关键焊膏的测量，我们可以开发出一种焊膏评估步骤，其可以增加有关焊膏及其操作功能的信息，同时，减少了试验步骤。而仅使用12个模板印刷的PWB，我们能够生成重要的统计结果，使得我们能够根据焊膏的性能对其进行排序。通过调查研究得出的特性度量是在暂停前后的焊膏印刷量和清晰度、刮板抬起、坍塌、粘附、从开口的释放和焊点质量。
除此之外，我们发现焊膏印刷量的这种反复变化这种准则可用作丝网印刷的步骤。
关键词：模板印刷，焊膏，焊膏评估
前言
焊膏价值仅占成品电子产品价值的0.05%ⅱ，然而，没有哪一个单一实物可以再次影响到最终的产品。说明焊膏直至最终组装出的产品的重要性，对于系统地评估焊膏的性能是至关重要的。应考虑到形成最低焊膏性能的度量体系，诸如：可印刷性、粘性、再流特性、表面绝缘电阻（SIR）、焊料珠和润湿。可测试性和可清洗性也是评估某些组装工艺的度量体系。
可印刷性
印刷出的良好“砖形”,并且具有良好一致性的焊膏印刷量，可能是高档生产线质量的最好的预测器。见图1。
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图1 印刷出的良好“砖形”,并且具有良好一致性的焊膏印刷量，
可能是高档生产线质量的最重要的预测器。
在印刷砖形焊膏中,焊膏太多就会导致短路，而焊膏太少又会出现象图2中那样的开路。制定焊膏印刷量的技术规范，并为达到这些技术规范的要求而监控印刷工艺，对质量是有利的。
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图2 焊膏太多可导致短路，而焊膏太少则会导致开路缺陷。
制定焊膏印刷量的技术规范，并为达到这些技术规范的要求
而监控印刷工艺，对质量是有利的。
实施这种控制的一种有效方法是统计过程控制（SPC）工序ⅲ。这种工序可确保印刷的砖形焊膏量控制在技术规范极限植的上限和下限之内，如图3所示。
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图3 有效的SPC工序的上限和下限值控制在上限和下限技术规范的极限值内。
建议在生产线的生产结束时焊膏印刷量的一致性的重要性的确定可能是通过评估焊膏的最关键的一点。
粘性
粘性是指在贴装了元件后，使元件固定在PWB上的一种能力。最佳的粘性可以适度的力度将元件粘附定位，而不会随着时间而发生变化。遗憾的是，粘性通常会随着时间而产生变化，如图4所示。李先生ⅴ对粘性提出了标称的方案, 如图4所示。
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图4 理想的粘性不会随着时间而产生变化。图中的数字说明了李先生
提出的标称的尺度，10为最佳，0为最差。
再流特性
大多数现代含铅焊膏再流效果相当好。再流性能不会像印刷性能那样产生较大的变化。然而，使用无铅焊膏，再流性能就会产生很大的变化。Goudarziⅳ建议使用无铅焊膏,应制定两个再流标准是很重要的：
·在较宽的“液相以上的温度和时间”窗口中的焊膏再流
·再流后，焊料显示出良好的粘结效果
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图5 在使用无铅焊膏时，具有较宽的工艺窗口是有利的。
从P1到P9摩托罗拉的数字表明再流效果较好的焊膏是很少的。
由于人们关注的是元件应能够使与无铅组装相关的较高的再流温度继续存在，为确保在较低的温度下再流的成功，需要更多的规范要求。图5说明了Sn3.8Ag0. 7Cu(Tm=217℃)焊膏的9条再流曲线。在Goudarzi的研究中，只有一种焊膏在这9条再流曲线中体现出良好润湿和粘结的再流效果。
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图6 无铅焊膏常常出现粘附差的现象。图中所示是焊膏的良好粘附
和不良粘附之间的差别。数据由摩托罗拉提供。
SIR、焊料球、坍塌、润湿和电迁移
J-STD-004和J-STD-005（IPC-TM-650）内容涉及到与表面绝缘、焊料球、坍塌、润湿和电迁移相关的各种不同的测试。我们的意图并不是忽略这些测试的重要性，不过，经验告诉我们，大多数焊膏公司根据合理的完整性和焊膏数据表中提供的数据实施的这些测试可用于丝网印刷工艺中，以便评估各类焊膏。然而，在任意评估过程中选择最后的候选材料后，对某些候选材料亲自实施一些测试是明智之举。
建议用于焊膏的丝网印刷测试
考虑到模板印刷的重要性和多数焊膏供应商真实的测试和根据J-STD-004和J-STD-005（IPC-TM-650）报导其焊膏结果的事实，对印刷量的一致性进行丝网印刷测试，通过视觉对印刷特性（如象；坍塌、桥接等）进行分析，可以快速地将前几种焊膏候选材料从已使用的焊膏区别开来。
Herber et alⅵ提出这样一种方法，不过，不包括测量印刷的砖形焊料量。还需要印刷27块板子。我们建议仅需印刷12个板子的评估工艺，并将印刷焊膏量的一致性作为其基础。见图7。
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图7 12块板子的焊膏评估
接着对12块板子的焊膏进行评估，在开始时应使用足够量的焊膏印刷12块板子。在印刷之前，不能对焊膏进行搅拌。然后，按照图7中的第一个步骤印刷四块板子。在印刷过程中不需对模板进行清理。应对焊膏印刷量、印刷清晰度、开口的释放和刮板抬起高度进行测量。四块板子中的其中二块应搁置2小时，而另外二块板子搁置6小时，然后，贴装元件。而后测量粘性。在再流前，将前两块板子中的一块板子搁置1小时，而另一块板子搁置3小时。后两块板子也实施与之相同的步骤。
在图7中的第二个步骤中，焊膏闲置1小时，并重复上一段论述的工艺步骤。在第三步中，将焊膏再搁置1小时，并再次重复上述的工艺步骤。对于初次的丝网印刷，在测量印刷的焊膏量一致性和清晰度时，可以停用这种工艺步骤。这种方法可能是合理的，由于这种方法可以降低工作量和克服了不良的焊膏印刷量的一致性，或者是从印刷清晰度而言不需使用焊膏候补材料。
需对焊膏印刷量一致性、粘性、粘结、再流窗口尺寸（最好为较宽的）、焊点质量都良好的和符合J-STD-004和J-STD-005标准测试的焊膏候补材料进行确认。
举例
我们对三种免清洗焊膏进行了分析，以便确定如何对12块板子上的焊膏进行评估。我们使用开口尺寸为6mil的模板印刷208个0.5mm的QFP。在测量印刷沉积效果时使用了20个开口，平均开口体积为7968mil3。开口印刷量的一致性达到了特别显著的效果，如图示所示。每个数据点代表（每次的印刷），上述的20开口的平均焊膏印刷量。
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图8 在12块板子的焊膏评估中焊膏印刷量与印刷数量的关系。
注意在进行了这种测试后，我们可以不使用第三种焊膏，
因为这种焊膏不能够搁置，而且焊膏印刷量一致性差。
正象我们从图8中所看到的那样，第三种焊膏的焊膏印刷量的一致性不好。其变化范围大约为5400—9050mil3。而且这种焊膏不能够搁置，在每小时的暂停后，第一次的印刷量明显下降。平均焊膏量为8206 mil3（或1.03的平均传输效率“TE”）和1047 mil3的标准偏差。第一种焊膏远远超过了8616 mil3最好的平均一致性的要求（平均TE为1.08），不过，标准偏差为279 mil3是相当低的。在几秒钟内完成了第二种焊膏的印刷，其平均焊膏印刷量为8745 mil3（平均TE为1.10）和485的标准偏差。
多数SPC工序设置的控制极限值为+/-3标准偏差。使用这些标准值，对于优秀的操作员来说，可使第一种焊膏的控制极限值达到8616+/-837 mil3或小于+/-10% mil3。一般来说，需将焊膏印刷量的控制在+/-20-30%。采用这些标准值，在极限值为8745+/-1455或+/-16.6%时，第二种焊膏仍可能被作为一种候选材料。从丝网印刷的角度来看，我们已省去了一种焊膏，而且现在可以将我们的资源用于第一种焊膏和第二种焊膏的其它参数的评估。
除此之外，焊膏印刷量的一致性是最重要的焊膏标准尺度，根据我们的经验建议，变一数据在焊膏中变化最大。因此，将其作为第一个标准，在丝网印刷焊膏时可以节省很多时间。
结论
提议对12块板子的焊膏进行评估。虽然，焊膏评估包括所有重要焊膏评估标准、焊膏印刷量的一致性是首先要评估的一项内容。由于事实上在高档的生产线质量方面，焊膏印刷量的一致性是最重要的标准，12块板子的评估的的第一个部分可用于丝网印刷测试。
参考资料
1．Jensen,Tim,Solder Paste Printing and Reflow Workshop,2003,tjensen@indium.com
2．Lasky,Ron,An Overview of the Electronics Industry, 2003,rlasky@indium.com
3．Lasky,Ron,SPC Workshop,2003,rlasky@indium.com
4．Goudarzi,Vahid,pb-free Workshop,June 25-26,2003,Plantation,FL,contact rlasky@indium.com for a copy of proceedings
5．Lee,Ning-Cheng,R&D test requirement for solder pastes,Indium Corp.,2003
6．Herber,Rob,et al.,The 27 Board Challenge, presented at an SMT Workshop,Toronto,Canada,1998. <|||>
李桂云<|||>
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SMTA论文季刊<|||>
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2005-7-5 |
