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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20mil间距方形QFP。研究中I部分，QFP’s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150μM）。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/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8-11为回流曲线。 使用焊膏为3号粉，免清洗焊膏。锡铅合金为6337，无铅合金为 锡96.5/银3.0/铜0.5 (SAC 305)。

结果及讨论
扩展性
正如前面描述，扩展性测试用两种不一样方法进行。 结果已用图12到14总结。图13和14表示了回流后焊点面积和焊膏印刷面积之间比率。此扩展性测试结果表明无铅和锡铅焊膏扩展性很靠近，无铅扩展性愈加好部分。

显然，这些测试结果有些奇怪，因为有很多文件能够证实锡铅焊膏扩展性比无铅焊膏好，而且此见解也被普遍接收。数据反常潜在原因包含测试种类和测试方法。因为焊膏印刷面积远小于焊盘面积，扩展不受焊盘边角影响。焊点周围不平均扩展性没有被计算。测试结果只是起源于简单面积比率计算，没有考虑焊膏形成或流动。因为比较电子显微镜测量面积是由人工定义，这种给测试带来了不一样程度主观性，尤其是不一样人在不一样时间测试不一样样品。
作者对这种测试方法合理性持一定怀疑，这也是介绍交叉印刷方法原因。
交叉印刷测试比一般扩展性测试对润湿性定义愈加好。 图15列出在全部表面处理板上无铅焊膏桥连数量。图16列出锡铅焊膏一样测试结果。 图17举例说明锡铅焊膏和无铅焊膏在最难润湿OSP表面上润湿性上差异。

毫无疑问，测试量化扩展性差异和业内公认情况相符。一如所料，ENIG表面涂层显示了完美扩展性，甚至达成本测试上限；IMSN也显示出了类似情况，只是在最大间隙处有多个点没有桥连。OSP和IMAG对锡铅和无铅焊膏全部显示了较低扩展特征，这一样在预料之中。
以后，作者将利用交叉测试来证实扩展性。和原来方法进行比较，这种测试方法提升了正确性，更为客观和清楚，实施起来愈加紧速、经济。
QFP润湿性
本测试检验了 QFP 焊盘裸露和桥连缺点，总共贴装和测试了348次，却只发觉了4个桥连。作者不敢轻易依据如此小样本量和似乎无统计意义测试结果妄下结论。因为组装工艺在试验室中进行，印刷和贴装设备全部被调整得很好，不存在经典生产环境中干扰原因。作者认为假如在经典生产设备公差下，制造样板越多，得到数据越有意义。
不管开孔怎样，ENIG和IMSN如预期那样表现出完全扩展性，所以它被认为在ENIG或IMSN表面最终处理上进行组装时， 组装者能够继续使用现在缩小QFP开孔。
一样，OSP和IMAG在焊盘角落扩展性并不完全，但全部符合IPC可接收标准。在焊盘边缘，IMAG较OSP为好，但比不上ENIG或IMSN。
片式元件间锡珠
片式元件间锡珠计算包含板上全部元器件。 共有6960个元件进行了组装和检测。图19概括了全部MCSB数量。结果以下：
总体来说，无铅焊膏MCSB数量比锡铅焊膏少l
l 化学锡所产生MCSB数量最少，接下来是ENIG，OSP和化学银
均热式曲线比斜升式曲线MCSB少。l
6l mil网板所产生MCSB远远多于5mil板。 需要注意是，为了比较出“最好”和“最差”情况，6 mil网板使用是开孔和焊盘为1：1矩形开孔，5mil使用是“本垒板”开孔，面积降低10%。

以元件尺寸来细分，图19显示了使用无铅焊膏，对于每种封装类型在全部四种表面处理板上MCSB总和。图20是锡铅焊膏结果。元件类型后字母H和V各自代表水平及垂直放置元件。这里数据使用是斜升式回流曲线。对于无铅焊膏，中间尺寸元件会产生较多元件间锡珠， 尤其是在IMAG 和ENIG板上。OSP和IMSN板上分布较为均匀。锡铅焊膏片式元件间锡珠数量总体来说伴随元件尺寸减小而降低，只有在使用化学银板时，对于0603元件MCSB比率开始上升。在化学银72个MCSB统计中，有67个是在连续两块板上发觉。其中一块板在垂直排列元件中出现了28个MCSB。研究人员猜测这是因为特殊原因造成反常数据，很可能是因为机器贴装造成。然而，这部分数据仍然要被包含，读者或许能够对这些数据可靠性打个折扣。

在第II部分，从图20能够看出，百分比为20%、60% 和20%圆弧形“反本垒板”产生 MCSB 最少。我们还研究了三种新型开孔情况（参见图21和22）。

立碑
图23列出了全部板上立碑缺点，通常能观察到立碑数量极少。 观察结果包含：
• 和锡铅焊膏相比，通常无铅焊膏立碑缺点更多。 这很可能是因为共晶锡铅焊料含有更佳润湿性。
• 有趣是，均温曲线立碑缺点更多。这和部分固有观念相矛盾，高均温曲线能降低立碑。
• 6mil网片比5mil产生更多立碑。这很可能是因为焊料体积更大。 作者相信下一个研究会是印刷体积和立碑率，包含4mil网片之间关联。
• 使用20/60/20反转“反本垒板”形开孔设计，发觉能最小化MCSB，而且无立碑产生。

作者想强调是，实际上这个测试不是用来表现立碑特征，而是确保优化MCSB开孔不会显著增加立碑比率。贴装精度和温度曲线类型对立碑影响很显著，假如要包含贴装和回流参数，我们研究将不得不扩展到超出合理范围。

图23到图25描述立碑起因和立碑和片式元件间锡珠相互作用。

控制订位精度
如前所述，网板印刷目标是在正确位置放入正确量焊膏。网板开孔定位精度和她们和PWB板上开孔对准方法决定了焊膏印刷位置。
为了控制订位精度， 网板制造者必需校验激光切割机，应用在校验过程中得到偏移量进行校准。 网板制造一个方法是设计一个标准测试板，进行切割，然后测量其和CAD数据差异（或标称位置）。 Cookson Electronics目前在世界各地用于网板校准测试载板包含324个完全一样圆孔，它们以1英寸中心距分布在17x17英寸坐标网格上。切割和测量以后， m) @4 sigma levels，或Cpkm对机器轴线性漂移和角度偏移数据进行分析。分析结果被用来合并修改原因，确保定位精度为1 mil (25 1.33水平。
m)定位精度和工艺能力关系。注意PPM缺点是基于静态工艺，不包含1.5m表1 ±1 mil (25 sigma改变

经过测量最终完成测试板，映射出激光切割机定位精度显示出十分有趣结果。图26和27比较激光切割机在校准前和校准后X定位精度。在Y方向也发觉了类似改变。

网板及PWB对准
影响网板和PWB对准原因包含PWB对准精度差异，印刷机对准能力差异，和印刷机本身定位差异。到现在为止，PWB差异是对准不良最大原因。我们全部知道因为制造工艺，PWB相对CAD数据中会缩减。一样也经历过在首次回流工艺中板收缩，这么会加剧第二面板印刷时对准不良。要确定PWB定位差异，能够对其进行测量，这么能够定制网板以适应PWB。
结论&推荐
降低片式元件间锡珠形成，最好是采取“反本垒板”形开孔设计，孔百分比是20%-60%-20%。 此开孔不会产生任何立碑。
试验证实，为了测量焊膏湿润性和扩散能力，交差印刷法胜过覆盖率测试法。
QFP数据是非决定性。推荐在生产环境中进行这个测试，这么能够取得更多相关大规模生产中系统干扰下样本。推荐进行更多研究来了解立碑特征，尤其是在不一样无铅合金之间。