SMT高密度細(xì)間距裝配中的模板設(shè)計(jì)和焊膏選擇

　　前言

　　隨著SMT朝著細(xì)間距元件的方向發(fā)展，SMD封裝引腳的密度越來(lái)越密，封裝尺寸減小的趨勢(shì)對(duì)焊膏印刷形成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。統(tǒng)計(jì)表明，有50％以上的裝配缺陷是由于焊膏印刷造成的3，因此焊膏印刷成為影響SMT裝配質(zhì)量的主要因素。

　　眾所周知，焊膏印刷中，有3個(gè)主要因素影響印刷質(zhì)量：設(shè)備、焊膏選擇以及模板的選擇。設(shè)備主要是根據(jù)生產(chǎn)線整體要求購(gòu)置，本文不做研究。模板的選擇所考慮的主要因素：模板設(shè)計(jì)、開(kāi)口設(shè)計(jì)、模板印刷實(shí)施。而模板制造技術(shù)包括：化學(xué)蝕刻、激光切割、電解拋光、電鍍和電鑄成形。焊膏偏重于實(shí)驗(yàn)選擇，可以向焊膏供應(yīng)商提供一定的焊粉尺寸、合金含量等要求，選擇幾家焊膏供應(yīng)商的樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，依據(jù)實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)而判斷最適合于本企業(yè)產(chǎn)品的焊膏。

　　模板選擇

　　模板厚度與開(kāi)口設(shè)計(jì)

　　當(dāng)焊膏印刷時(shí)，模板厚度和模板開(kāi)口尺寸的設(shè)計(jì)有一定的相互關(guān)系，這種關(guān)系用面積比(AR．指模板的開(kāi)口面積與開(kāi)口側(cè)壁面積的比值)來(lái)衡量，它是模板設(shè)計(jì)中最重要的參數(shù)。一般激光模板AR大于0．66，電鑄模板大于0．6。這種設(shè)計(jì)使印刷清晰度與焊膏的沉積量之間達(dá)到平衡，避免焊點(diǎn)焊料不足，并減少橋接的產(chǎn)生。在模板厚度選定的情況下，根據(jù)面積比原則選擇合適寬度，太小的模板開(kāi)口導(dǎo)致焊點(diǎn)開(kāi)路或焊點(diǎn)焊料不足；太大的開(kāi)口容易引起橋接。表1提供了模板厚度與開(kāi)口寬度之間的設(shè)計(jì)指導(dǎo)2。

　　模板的開(kāi)口設(shè)計(jì)與焊盤(pán)

　　對(duì)于一次印刷產(chǎn)生的焊點(diǎn)，為了能夠?qū)⒆銐虻暮父嗔總鬟f到非細(xì)間距的焊盤(pán)上、同時(shí)避免過(guò)量的焊膏沉積在細(xì)間距焊盤(pán)上，模板的厚度必須仔細(xì)設(shè)計(jì)。為了能適應(yīng)焊盤(pán)的最小尺寸，同時(shí)兼顧大焊盤(pán)的焊膏量，有幾種方法能使沉積到焊盤(pán)上焊膏量達(dá)到適量，它們分別為：

　　局部減薄模板

　　這種模板在細(xì)間距和非細(xì)間距焊盤(pán)部分擁有不同的模板厚度，通常的尺寸組合是：0．008in．(0．2mm)用于非細(xì)間距、0．006in．(0．1 5mm)用于細(xì)間距；或0．006in．(0．1 5mm)用于非細(xì)間距、0．004in．(0．10mm)用于細(xì)間距。

　　模板上細(xì)間距開(kāi)口尺寸與焊盤(pán)上的尺寸相比，被減小10％-30％。這樣減少了焊盤(pán)上的焊膏沉積量。也為焊膏印刷中開(kāi)口與焊盤(pán)的重合不良和焊膏塌陷提供了一些空間?！耖_(kāi)口的四邊均勻減小

　　交錯(cuò)印刷

　　模板只開(kāi)焊盤(pán)一半的長(zhǎng)度，并以交錯(cuò)方式排列，對(duì)于錫一鉛涂層焊盤(pán)，當(dāng)焊膏在焊接期間開(kāi)始熔化時(shí)，熔化的焊料被認(rèn)為是朝焊盤(pán)的另一半流去，達(dá)到完全覆蓋。對(duì)于裸銅或鎳表面，熔化的焊料可能不會(huì)流到?jīng)]有印刷焊膏的另一半焊盤(pán)面積上去，因此裸銅或鎳表面的PCB，慎重考慮此方法。

　　其他形狀

　　模板開(kāi)口形狀是以某種選定形式，如三角形、淚滴形等，達(dá)到減少細(xì)間距焊盤(pán)上焊膏沉積量的目的。

　　折衷模板厚度

　　選一個(gè)折衷的模板厚度，使其既適合細(xì)間距焊盤(pán)又適合于非細(xì)間距焊盤(pán)；來(lái)取代不同的焊盤(pán)所需的各種不同的模板厚度。

　　模板材料選擇

　　在選定模板厚度和開(kāi)口尺寸的條件下，模板的性能主要受到模板金屬板材和模板的開(kāi)口加工工藝的影響。目前市場(chǎng)上有5種模板板材：黃銅、不銹鋼、鉬、42號(hào)合金和電鑄鎳。制造模板的工藝包括：化學(xué)蝕刻、激光切割、電解拋光、電鍍和電鑄成形。每種板材或制造工藝都有其固有優(yōu)勢(shì)和局限性。評(píng)估模板性能的關(guān)鍵項(xiàng)目有：開(kāi)口壁垂直性、墻壁的光滑性、以及尺寸精度。除此之外．耐久性、抗化學(xué)性、良好的開(kāi)口能力以及成本也都是重要因素。表2將各種模板材料進(jìn)行了比較，表3將模板制造技術(shù)的相對(duì)性能特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)。

　　焊膏是一種膏狀形式的焊料，由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)對(duì)于工業(yè)界具有特別的重要性。焊膏具有可變形的黏彈性形式，其形狀和尺寸可挑選使用。焊膏的黏性提供了一種粘接能力，在元件與焊盤(pán)形成永久的冶金連接以前，保持元件在焊盤(pán)上而無(wú)需附加的粘膠。焊膏的金屬特性提供了相對(duì)高的導(dǎo)電率和熱傳導(dǎo)率。因此，對(duì)于表面安裝制造而言，焊膏既適應(yīng)于自動(dòng)化生產(chǎn)又有一定的黏性同時(shí)具有高傳導(dǎo)率，所以焊膏是最具有生命力的材料。它為電子封裝和裝配提供了電、熱和機(jī)械的互連。
焊膏選擇

　　焊膏選擇通常有焊粉尺寸、合金含量以及粘度。通常合金含量在90％左右，粘度1000Pa．s左右4。焊料合金粉末顆粒的尺寸、形狀及其均勻性是影響焊膏性能的重要參數(shù)，影響焊膏的印刷性、脫模性和可焊性。細(xì)小顆粒的焊膏印刷性比較好，特別對(duì)于高密度、窄間距的產(chǎn)品，由于細(xì)間距模板開(kāi)口尺寸小，必須采用小顆粒合金粉末．否則會(huì)影響印刷性和脫模性。一般焊料顆粒直徑選擇約為模板開(kāi)口尺寸的1／5，所以對(duì)窄間距元器件，一般選用25-45μm。

　　焊膏、模板的評(píng)估實(shí)驗(yàn)

　　雖然按照前述的理論，選擇了模板和焊膏的參數(shù)，但市場(chǎng)上模板和焊膏的制造商很多，究竟哪那家的產(chǎn)品最適合本企業(yè)，還需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．才能決斷；下面介紹2個(gè)實(shí)驗(yàn)，僅供參考。

　　實(shí)驗(yàn)一：在相同工藝參數(shù)條件下，如何評(píng)估各個(gè)廠家的模板印刷性能

　　采用同一種GB文件，對(duì)多個(gè)廠家加工的模板進(jìn)行性能評(píng)估。評(píng)估實(shí)驗(yàn)中所有印刷參數(shù)、設(shè)備、材料甚至環(huán)境都是相同的，被評(píng)估的模板加工方式是相同的，如都用激光加工。通過(guò)分析、測(cè)量各種印刷尺寸(如焊膏面積、體積等、焊膏沉積量等)和印刷缺陷(如橋接、焊膏過(guò)多或印量不足等)來(lái)評(píng)估模板性能。

　　模板設(shè)計(jì)包括廣泛的元件類(lèi)型，本文介紹的實(shí)驗(yàn)選了38種元件，包括0201、0402、20-30mil pitch μBGA、16、20、25mil pitch QFP以及40mil pitch CBGA)。

　　實(shí)驗(yàn)二：對(duì)不同模板和不同供應(yīng)廠商的焊膏配合使用，得到較佳組合。

　　模擬實(shí)際焊膏印刷過(guò)程中，印刷突然停止一段時(shí)間，然后再繼續(xù)印刷，測(cè)試焊膏的恢復(fù)能力。在實(shí)驗(yàn)中用5種模板、3種焊膏，測(cè)試停止一段時(shí)間．比較、分析停止前后焊膏沉積數(shù)據(jù)。

　　實(shí)驗(yàn)條件

　　模板：研究選用5種模板。#5是電鑄模板，其他模板(#6、11、21和22)是激光切割模板。所有模板都用相同的GB文件，因此所有模板開(kāi)口尺寸都是絕對(duì)相同的。采用折衷模板厚度5個(gè)mil。

　　焊膏：實(shí)驗(yàn)采用3種不同焊膏。焊膏“a”“b”曠均為川焊粉尺寸，Sn63／Pb37合金以及90％合金含量，只是供應(yīng)商不同。而焊膏“c”為，V焊粉尺寸(通常焊粉尺寸30微米)，Sn63／Pb37合金以及90．8％稍高的合金含量。

　　印刷次數(shù)和停止時(shí)間：實(shí)驗(yàn)一進(jìn)行26次連續(xù)焊膏印刷(6次試印刷和20次正式試驗(yàn)印刷)。對(duì)于實(shí)驗(yàn)二進(jìn)行6次連續(xù)焊膏印刷，在已給的停止時(shí)間之后，再進(jìn)行6次印刷。停止前和停止后的焊膏沉積數(shù)據(jù)被比較。停止時(shí)間分別采用15分鐘和90分鐘。

　　印刷板：測(cè)試程序由印刷4種虛構(gòu)的印刷板(A、B、C，D)和6種測(cè)試印刷板(1、2、3、4、5、6)組成。用于測(cè)試的PCB尺寸：254×406．4×1．6mm，測(cè)試板是裸銅板?沒(méi)有阻焊層和導(dǎo)線。每種板有8個(gè)基點(diǎn)，以便絲印機(jī)和焊膏檢查儀的對(duì)準(zhǔn)。

　　元件：盡管不是所有元件都選來(lái)做焊膏檢查，但模板設(shè)計(jì)有很寬的元件范圍，具體如下：

　　1.16 mil(0．4mm)pitch QFP：2個(gè)(128個(gè)焊膏沉積總數(shù))
　　2.20 mil(0．5mm)pitch QFP：2個(gè)(200個(gè)焊膏沉積總數(shù))
　　3.31 mil(0．787mm)pitch μBGA：2個(gè)(98個(gè)焊膏沉積總數(shù))
　　4.0201 chips：18個(gè)(36個(gè)焊膏沉積總數(shù))
　　5.0402 chips：10個(gè)(20個(gè)焊膏沉積總數(shù)，)
　　6.20 mil(0．5mm)pitch μBGA：2個(gè)(800個(gè)焊膏沉積總數(shù))
　　7.40 mil{1．0mm)pitch BGA：2個(gè)(992個(gè)焊膏沉積總數(shù))
　　8.25 miI(0．635mm)pitch SOIC：5個(gè)(100個(gè)焊膏沉積總數(shù))

　　所以每塊板有2374個(gè)焊膏沉積總數(shù)被測(cè)試，每個(gè)模板印刷12塊板，總共28488個(gè)焊膏沉積總數(shù)。

　　使用設(shè)備：使用DEK最大印刷機(jī)和GSI／Lumonics 8100焊膏檢查儀。

　　DEK印刷機(jī)設(shè)置參數(shù)如：

　　1．印刷速度=25mm／s
　　2．刮刀壓力=15kg(0．9375lb＼inch of刮刀長(zhǎng)度)
　　3．刮刀角=60度
　　4．刮刀類(lèi)型=金屬
　　5．刮刀長(zhǎng)度=406mm
　　6．分離速度=0．5mm／s
　　7．分離距離=2.Omm

　　印刷條件：每一種印刷無(wú)論是停止15還是停止90分鐘，所有的5種模板都用新焊膏印刷。印刷順序是隨機(jī)的，而且印刷(4種虛構(gòu)板和12塊測(cè)試板)使用的板完全相同。使用焊膏之前，攪拌30秒。在進(jìn)行所有研究中房間的溫度和濕度一直受控。控制每次印刷間隔時(shí)間，保證間隔時(shí)間一致。在4次虛構(gòu)板后，第一次的6塊板被印刷，然后停止印刷，停止15或90分鐘．這段時(shí)間印刷機(jī)空閑。停止后繼續(xù)進(jìn)行板的印刷。測(cè)試?yán)^續(xù)進(jìn)行，在此期間模板不清潔。

　　測(cè)試內(nèi)容：每塊板印刷后，焊膏檢測(cè)儀為每塊板產(chǎn)生一個(gè)文件。測(cè)試印刷的焊膏量和離差。
　　計(jì)算和結(jié)果

　　在停止前后，每快板焊膏沉積的數(shù)據(jù)都被收集，對(duì)于每一種模板和焊膏的組合，每個(gè)元件的平均焊膏量在停止前后也都被計(jì)算，以考察焊膏的恢復(fù)性?；謴?fù)性就是在等待時(shí)間之后焊膏沉積體積是否減少，可以定義為停止后的平均焊膏體積與停止前的平均焊膏體積之比。

　　圖1到圖4顯示5種模板、3種不同焊膏分別印刷BGA40，BGA 31 μBGA 20 and QFP 16、15分鐘停止前后的焊膏量。這里，5-a表示使用5號(hào)模板和a焊膏。焊膏c在等待時(shí)間后，幾乎總是完全恢復(fù)，而且體積損耗最小或沒(méi)有損耗。焊膏b和c比a具有更好的恢復(fù)性，三種焊膏中，焊膏c似乎具有最好的恢復(fù)性。焊膏的恢復(fù)性也取決于模板的不同。

　　圖9和圖10顯示15分鐘停止后焊膏的恢復(fù)與模板的關(guān)系。圖9可以看出，焊膏c在15分鐘停止后對(duì)所有的模板都完全恢復(fù)；而焊膏a在任何情況下，不管使用任何模板，都不能完全恢復(fù)；這些結(jié)果和圖1到圖4的結(jié)果一致。總之，如圖10示，在所有的模板中，22號(hào)模板恢復(fù)最小，焊膏c在5號(hào)、11號(hào)模板上有最好的恢復(fù)。焊膏b在5號(hào)、21號(hào)模板上有最好的恢復(fù)。盡管焊膏a對(duì)所有模板沒(méi)有完全的恢復(fù)，但對(duì)于11號(hào)模板，它的恢復(fù)性比其他模板要好。圖5—圖8顯示5種模板、3種不同焊膏分別印刷0402、0201、SOIC 25 and QFP 20，90分鐘停止前后的焊膏量。對(duì)于0402和0201CHIP元件，沒(méi)有一種焊膏完全恢復(fù)，但是對(duì)于其他2種元件，所有焊膏100％恢復(fù)?？傮w看，90分鐘停止后，3種焊膏中焊膏a具有最好恢復(fù)性，接著是焊膏c，它比焊膏b好。90分鐘停止，焊膏和模板之間的相關(guān)性很明顯。

　　除了對(duì)焊膏的恢復(fù)性進(jìn)行研究外，還對(duì)模板與焊膏的不同組合所產(chǎn)生板的缺陷率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。研究對(duì)象為BGA焊點(diǎn)，通過(guò)凸點(diǎn)封裝生產(chǎn)分析也用來(lái)幫助決定最好、最全面的模板性能。通過(guò)輸入變量焊點(diǎn)直徑和厚度、PCB的翹曲度、凸點(diǎn)高度變化以及焊料的塌陷，計(jì)算再流焊后的裝配產(chǎn)量。對(duì)含有4個(gè)11μBGA20，2個(gè)BGA 31和3個(gè)BGA 40的20,000塊板進(jìn)行焊接，缺陷板預(yù)報(bào)如圖13顯示。其中，5號(hào)模板使用焊膏c的缺陷板數(shù)只有焊膏a的50％?？傊谒械哪０濉父嘟M合中，5號(hào)模板使用焊膏c產(chǎn)生的缺陷數(shù)最少。模板11號(hào)和焊膏a的結(jié)合產(chǎn)生最大的缺陷數(shù)。對(duì)于所有模板，通常焊膏c產(chǎn)生最小的缺陷數(shù)，而焊膏a給了最大的缺陷數(shù)。5號(hào)模板與其他模板相比產(chǎn)生最小缺陷數(shù)，接著22號(hào)模板。11號(hào)模板給出最大量的缺陷。圖11和圖12顯示90分鐘停止后焊膏恢復(fù)與模板的相關(guān)性。圖11中，5號(hào)模板在給定的停止時(shí)間后沒(méi)有一種焊膏完全恢復(fù)。和15分鐘停止相反，模板22號(hào)對(duì)于90分鐘停止顯示了最大的恢復(fù)。5號(hào)模板是所有模板中90分鐘停止后恢復(fù)最差的，盡管15分鐘停止后它提供了最好的恢復(fù)。 因此在實(shí)驗(yàn)中，兩種停止的恢復(fù)結(jié)果是不一致的。從圖5到圖8，焊膏a在3種焊膏中有最好的恢復(fù)，且焊膏a在90分鐘停止后似乎有最小的模板依賴(lài)性。焊膏c與模板的相關(guān)性最大，接著焊膏b。
　　結(jié) 論

　　模板的設(shè)計(jì)和焊膏的正確選擇對(duì)SMT高密度細(xì)間距裝配起著關(guān)鍵性作用，除從理論上、經(jīng)驗(yàn)上進(jìn)行模板的設(shè)計(jì)和焊膏選擇外，還必須進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以獲得正確數(shù)據(jù)。

　　本文介紹了2種實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)一，選用了23種模板、38種元件，評(píng)估各個(gè)廠家的模板印刷性能。得出#6，#22，#21和#11比較好。試驗(yàn)二，用5種模板(#6，#22，#21，#5和#11)3種焊膏(編號(hào)a、b、c)，對(duì)不同模板和不同供應(yīng)廠商的焊膏配合印刷，得到最佳組合。共進(jìn)行2次停止實(shí)驗(yàn)，第一個(gè)停止15分鐘，而第二個(gè)停止90分鐘，4次虛擬印刷(A，B，C和D)，接著6次實(shí)際印刷(1，2，3，4，5和6)，停止15或90分鐘后在印刷6次(7，8，9，10，11和1 2)。所有焊膏材料都是Sn63／Pb37。通常焊膏c有稍好的焊膏恢復(fù)性，b比a在15分鐘停止后有較好的恢復(fù)性,然而焊膏a在90分鐘停止后有最好的恢復(fù)性，其次是焊膏c。

　　在2種實(shí)驗(yàn)中，模板對(duì)焊膏的恢復(fù)性也有影響。BGA生產(chǎn)的分析數(shù)據(jù)顯示：焊膏a產(chǎn)生了最大的缺陷，其次是焊膏b，焊膏a和模板11號(hào)的結(jié)合顯示了最大的缺陷；在所有的焊膏和模板的結(jié)合中，焊膏c和模板5號(hào)顯示了最少的缺陷。所有的模板中，5號(hào)模板產(chǎn)生最少的缺陷，11號(hào)模板產(chǎn)生最大的缺陷。

　　通常，在焊膏印刷過(guò)程中，焊膏的配方(焊膏供應(yīng)商和產(chǎn)品)和模板類(lèi)型(模板供應(yīng)商和產(chǎn)品)是互相作用的，而且對(duì)印刷質(zhì)量起到重大變化。