无铅SMT工艺中网板的优化设计模板.doc
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1、无铅SMT工艺中网板优化设计摘要伴随新技术不停涌现,需要进行不停完善来促进主流应用和连续改善。 就无铅工艺而言, 早期合金和化学品选择障碍在起步阶段已经得以处理,提供了基础工艺。 起源于早期基础工艺工作经验被深入完善用来优化影响良率要素。 这些要素包含温度曲线、PWB表面最终处理、元器件镀层、阻焊膜选择,或网板设计。因为网板印刷对首次经过率影响很大,而且锡铅合金和无铅合金润湿性也有所不一样,作者就此进行了专门研究,以确定针对所需SMT特征,对网板开孔形状进行优化。对无铅合金在部分替换表面处理上低扩展性也需要进行考虑。为达成焊盘覆盖率最大化而进行孔径设计,有可能造成片式元件间锡珠缺点产生。除了开
2、孔设计指南,我们还将讨论优化整个网板设计方法。关键词:无铅,网板印刷,开孔设计,工艺控制介绍网板印刷基础目标是反复地将正确量焊膏涂敷于正确位置。 开孔尺寸、形状,和网板厚度,决定了焊膏沉积量,而开孔位置决定了沉积位置。相关有效控制穿孔位置方法早已经有了定论,将在后面文章中讨论。 此研究目标是找到对无铅焊膏开孔最好尺寸和形状。通常来说,无铅焊膏润湿性或扩展性较锡铅焊膏要差;所以,组装者须考虑以下多个方面问题:焊盘周围裸铜(或板表面处理),锡珠和立碑不一样缺点率为此,我们专门设计了一项试验,来量化不一样焊膏对经典表面贴装缺点影响。 试验I部分,是使用传统锡铅SMT工艺,研究网板开孔大小对锡铅和无铅
3、焊膏基准扩展性和缺点率影响。试验II部分,优化网板开孔,以降低使用无铅焊膏时缺点率。在I部分,板表面最终处理包含有机可焊性保护膜(OSP),化学镍金(ENIG),化学银(IMAG)和化学锡(IMSN)。试验II部分使用OSP及IMSN。试验设计润湿性及扩展性焊膏扩展性能够用两种方法测试。第一个是在金属裸板上印刷一个已知面积圆形焊料点 (胶点),然后对样件进行回流,并测量回流后胶点面积。回流后面积和原有面积之比,能够计算出焊膏扩散率,并显示出不一样表面处理电路板润湿性能。另一个焊膏扩展性/润湿性测试包含在一列相同厚度(30 mil)印刷成正确相同厚度(40 mil)焊膏带,带间距也相同。图1所表
4、示,焊膏带间距逐步扩大, 以正交方法印刷在线路板上。在回流中,熔化焊膏在板上沿着金属线扩张。假如扩展性足够,邻近焊点之间缝隙将被桥连。焊膏带之间空隙从0.1mm到0.8mm之间不等。每个空隙之间最多可产生20个桥连。方型扁平封装对于间距小于20mil器件, 当开孔和焊盘比率为1:1时, 会增大桥连风险。 要降低风险,通常做法是降低一定量印刷面积。 将开孔面积降低10%,孔自然减小。然而,当印刷面积降低10%,焊盘暴露风险也会提升。 即使暴露焊盘不会损害可靠性,但它影响到组件外观。 假如锡铅工艺中需要关注裸露焊盘, 那么在无铅工艺中则更需要关注。为了量化开孔大小影响,我们在每块测试板上贴装2个2
5、0mil间距方形QFP。研究中I部分,QFPs之一开孔和焊盘比率为1:1,另一个降低了10%。 研究中部分II,开孔设置被定为1:1,降低5%和降低10%。 两部分测试中全部用到了5mil和6mil厚金属网片(分别为125和150M)。总来说, I部分进行了面积及网片厚度四种组合测试;II部分则进行了六种组合测试。 测试板图3所表示。片式元件间锡珠(Mid-chip solder ball, MCSB)也是一个常见缺点,很轻易受到网板设计影响。即使形成片式元件间锡珠原因很多包含焊盘设计、阻焊膜形态、贴装压力、电极形状和金属化、焊盘最终处理和回流曲线焊膏印刷图形尺寸和形状,也正面或负面地影响到片
6、式元件间锡珠形成。假如焊膏相对体积较大,尤其是在贴放元件区域,贴装时会把柔软焊膏挤出去。印刷到器件本体下面焊膏,在回流时可能会被拉回到焊盘上,也有可能不会。 假如焊膏没有被拉回,在其液态时因为毛细作用能够转移到元件边上,在冷却后形成锡珠。图4为经典片式元件间锡珠。采取锡铅焊膏进行几百次MCSB测试,其数据统计结果显示,效果最差网板设计是1:1焊盘开孔百分比、矩形开孔、6mil网板厚度组合。效果最好情况是所谓“本垒板” (homeplate) 型开孔,加上10% 面积缩减,和5mil网板厚度。图5表示矩形、本垒板形和反本垒板形开孔。而且,以往数据表明,采取均热式温度曲线效果不如斜升式温度曲线,因
7、为焊膏会在达成液相线之前连续软化并塌落 (热坍塌)MCSB测试包含最好和最差网板设计。在I部分, 结合了每一个表面处理方法,焊膏型号及温度曲线类型(斜升和均热)。 每种元件贴装300个:1206、0805、0603、0402。150个为垂直贴装,150个为水平贴装。 使用了IPC推荐焊盘标准。研究中并未包含0201元件,因为很多适合于较大无源元件标准不一定能够适适用于密间距微小元件贴装。作者认为应该单独对0201进行更深层次研究。在第II部分,采取了三种新开孔设计。图6所表示,第一个是尖角倒圆本垒板形,后两个是带有三个圆弧反本垒板形。一样,对300个和上面尺寸相同元件进行组装,两种表面处理方法
8、/网板厚度,和两种回流曲线。立碑和MCSB一样, 是SMT中另一个常见缺点,它们形成有多个原因, 但也会受网板设计影响。 立碑,也被称作“吊桥现象”或“曼哈顿现象”(Manhattan effect)。看成用在一端焊膏表面张力大于另一端表面张力时就会产生;不平均力瞬间作用于器件造成抬起,站立,像打开吊桥。影响立碑设计原因包含焊盘形状和热容不一样。影响立碑组装原因包含焊膏印刷位置精度,元件贴装精度,和在回流焊中进入液相时温升斜率。 开孔设计和其它组装原因相互影响,也会造成立碑。 假如元件没有放在中心,它一端会比另一端接触更多焊膏,因为焊膏熔化,这会造成元件两端张力差。 图7为一经典立碑缺点。锡铅
9、焊膏历史数据表明,部分开孔形状更易造成立碑(比如矩形),而有些却不会(如“本垒板”形)。片式元件间锡珠和立碑比较:平衡结果以前两个研究中能够知道,立碑和片式元件间锡珠网板设计参数完全不一样。实际上生产过程中必需要折衷。用来研究片式元件间锡珠器件也被用来检验立碑。即使此项研究不是为了降低立碑,但仍然要观察其缺点率,因为研究人员不期望在优化MCSB性能同时,以增加立碑缺点率为代价。 组装全部174块线路板在一条小试验线上进行组装。此研究中使用设备包含MPM UltraFlex 3000网板印刷机,环球仪器Advantis贴片机,和一台 Electrovert OmniFlow 七温区回流炉。 图8
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