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1、无铅SMMT工艺艺中网板板的优化化设计摘要随着着新技术术的不断断涌现，需需要进行行不断的的完善来来促进主主流应用用以及持持续的改改进。 就无铅铅工艺而而言， 初期合合金和化化学品选选择的障障碍在起起步阶段段已经得得以解决决，提供供了基础础工艺。 来源于于早期基基础工艺艺工作的的经验被被进一步步完善用用来优化化影响良良率的要要素。 这些要要素包括括温度曲曲线、PPWB表表面最终终处理、元元器件镀镀层、阻阻焊膜选选择，或或者网板板的设计计。由于于网板印印刷对首首次通过过率的影影响很大大，而且且锡铅合合金与无无铅合金金的润湿湿性也有有所不同同，作者者就此进进行了专专门的研研究，以以确定针针对所需需的
2、SMMT特性性，对网网板的开开孔形状状进行优优化。对对无铅合合金在一一些替代代表面处处理上的的低扩展展性也需需要进行行考虑。为为达到焊焊盘的覆覆盖率最最大化而而进行的的孔径设设计，有有可能导导致片式式元件间间锡珠缺缺陷的产产生。除除了开孔孔设计指指南，我我们还将将讨论优优化整个个网板设设计的方方法。关关键词：无铅，网网板印刷刷，开孔孔设计，工工艺控制制简介网板板印刷的的基本目目标是重重复地将将正确量量的焊膏膏涂敷于于正确的的位置。 开孔尺尺寸、形形状，以以及网板板厚度，决决定了焊焊膏沉积积的量，而而开孔的的位置决决定了沉沉积的位位置。关关于有效效控制穿穿孔位置置的方法法早已有有了定论论，将在在
3、后面的的文章中中讨论。 此研究究的目的的是找到到对无铅铅焊膏的的开孔的的最佳尺尺寸和形形状。通通常来说说，无铅铅焊膏的的润湿性性或扩展展性较锡锡铅焊膏膏要差；因此，组组装者须须考虑以以下几个个方面的的问题：焊盘周周边的裸裸铜（或或板的表表面处理理），锡锡珠以及及立碑的的不同缺缺陷率为为此，我我们专门门设计了了一项试试验，来来量化不不同焊膏膏对典型型表面贴贴装缺陷陷的影响响。 试试验I部部分，是是使用传传统锡铅铅SMTT工艺，研研究网板板开孔大大小对锡锡铅和无无铅焊膏膏基准扩扩展性和和缺陷率率的影响响。试验验II部部分，优优化网板板开孔，以以降低使使用无铅铅焊膏时时的缺陷陷率。在在I部分分，板表
4、表面最终终处理包包括有机机可焊性性保护膜膜（OSSP），化化学镍金金（ENNIG），化化学银（IIMAGG）以及及化学锡锡（IMMSN）。试试验的III部分分使用OOSP及及IMSSN。试试验设计计润湿性性及扩展展性焊膏的的扩展性性可以用用两种方方法测试试。第一一种是在在金属裸裸板上印印刷一个个已知面面积的圆圆形焊料料点 (胶点)，然后后对样件件进行回回流，并并测量回回流后的的胶点面面积。回回流后的的面积与与原有面面积之比比，可以以计算出出焊膏的的扩散率率，并显显示出不不同表面面处理的的电路板板的润湿湿性能。另一种焊膏扩展性/润湿性的测试包括在一列相同厚度（30 mil）印刷成对的相同厚度（4
5、0 mil）的焊膏带，带的间距也相同。如图1所示，焊膏带的间距逐渐扩大， 以正交的方法印刷在线路板上。在回流中中，熔化化的焊膏膏在板上上沿着金金属线扩扩张。如如果扩展展性足够够，邻近近的焊点点之间的的缝隙将将被桥连连。焊膏膏带之间间的空隙隙从0.1mmm到0.88mm之之间不等等。每个个空隙之之间最多多可产生生20个个桥连。方型扁平平封装对于于间距小小于200mill的器件件， 当当开孔与与焊盘的的比率为为1：11时， 会增大大桥连的的风险。 要降低低风险，通通常的做做法是减减少一定定量的印印刷面积积。 将将开孔面面积减少少10%，孔自自然减小小。然而而，当印印刷面积积减少110%，焊焊盘暴露
6、露的风险险也会提提高。 虽然暴暴露焊盘盘不会损损害可靠靠性，但但它影响响到组件件的外观观。 如如果锡铅铅工艺中中需要关关注裸露露的焊盘盘， 那那么在无无铅工艺艺中则更更需要关关注。为为了量化化开孔大大小的影影响，我我们在每每块测试试板上贴贴装2个个20mmil间间距的方方形QFFP。研研究中II部分，QQFPs之一一开孔与与焊盘的的比率为为1：11，另一一个减少少了100%。 研究中中部分III，开开孔设置置被定为为1：11，减少少5%和和减少110%。 两部分分测试中中都用到到了5mmil和和6miil厚的的金属网网片（分分别为1125和和1500M）。总总的来说说， II部分进进行了面面积
7、及网网片厚度度的四种种组合的的测试；II部部分则进进行了六六种组合合的测试试。 测测试板如如图3所所示。片式元件件间锡珠珠（Miid-cchipp sooldeer bballl, MMCSBB）也是是一个常常见缺陷陷，很容容易受到到网板设设计的影影响。虽虽然形成成片式元元件间锡锡珠的因因素很多多包包括焊盘盘设计、阻阻焊膜形形态、贴贴装压力力、电极极形状和和金属化化、焊盘盘最终处处理和回回流曲线线焊焊膏印刷刷图形的的尺寸和和形状，也也正面或或负面地地影响到到片式元元件间锡锡珠的形形成。如如果焊膏膏的相对对体积较较大，特特别是在在贴放元元件的区区域，贴贴装时会会把柔软软的焊膏膏挤出去去。印刷刷到
8、器件件本体下下面的焊焊膏，在在回流时时可能会会被拉回回到焊盘盘上，也也有可能能不会。 如果焊焊膏没有有被拉回回，在其其液态时时由于毛毛细作用用能够转转移到元元件的边边上，在在冷却后后形成锡锡珠。图图4为典典型的片片式元件件间锡珠珠。采用锡铅铅焊膏进进行几百百次MCCSB测测试，其其数据统统计结果果显示，效效果最差差的网板板设计是是1:11焊盘开开孔比例例、矩形形开孔、66mill网板厚厚度的组组合。效效果最好好的情况况是所谓谓的“本本垒板” (hoomepplatte) 型开孔孔，加上上10% 的面面积缩减减，和55mill网板厚厚度。图图5表示示矩形、本本垒板形形和反本本垒板形形开孔。而而且
9、，以以往数据据表明，采采用均热热式温度度曲线的的效果不不如斜升升式温度度曲线，因因为焊膏膏会在达达到液相相线之前前持续软软化并塌塌落 (热坍塌塌)MCSBB测试包包括最佳佳和最差差的网板板设计。在在I部分分， 结结合了每每一种表表面处理理方式，焊焊膏型号号及温度度曲线类类型（斜斜升和均均热）。 每种元元件贴装装3000个：112066、08805、006033、04402。1150个个为垂直直贴装，1150个个为水平平贴装。 使用了了IPCC推荐的的焊盘标标准。研研究中并并未包括括02001元件件，因为为许多适适合于较较大无源源元件的的原则不不一定能能够适用用于密间间距微小小元件的的贴装。作作
10、者认为为应该单单独对002011进行更更深层次次的研究究。在第第II部部分，采采用了三三种新的的开孔设设计。如如图6所所示，第第一个是是尖角倒倒圆的本本垒板形形，后两两个是带带有三个个圆弧的的反本垒垒板形。同同样，对对3000个与上上面尺寸寸相同的的元件进进行组装装，两种种表面处处理方式式/网板板厚度，以以及两种种回流曲曲线。立立碑与MMCSBB一样， 是SMMT中另另一个常常见的缺缺陷，它它们的形形成有多多种因素素， 但但也会受受网板设设计的影影响。 立碑，也也被称作作“吊桥桥现象”或或“曼哈哈顿现象象”（MManhhatttan efffectt）。当当作用在在一端的的焊膏的的表面张张力大
11、于于另一端端的表面面张力时时就会产产生；不不平均的的力瞬间间作用于于器件造造成抬起起，站立立，像打打开的吊吊桥。影影响立碑碑的设计计因素包包括焊盘盘形状和和热容的的不同。影影响立碑碑的组装装因素包包括焊膏膏印刷的的位置精精度，元元件的贴贴装精度度，以及及在回流流焊中进进入液相相时的温温升斜率率。 开开孔设计计与其他他组装因因素互相相影响，也也会造成成立碑。 如果元元件没有有放在中中心，它它的一端端会比另另一端接接触更多多的焊膏膏，由于于焊膏熔熔化，这这会导致致元件两两端的张张力差。 图7为为一典型型的立碑碑缺陷。锡铅焊膏膏的历史史数据表表明，一一些开孔孔形状更更易造成成立碑(例如矩矩形)，而而
12、有些却却不会(如“本本垒板”形形)。片片式元件件间锡珠珠与立碑碑的比较较：平衡衡的结果果从前两两个研究究中可以以知道，立立碑和片片式元件件间锡珠珠的网板板设计参参数完全全不同。事事实上生生产过程程中必须须要折衷衷。用来来研究片片式元件件间锡珠珠的器件件也被用用来检查查立碑。虽虽然此项项研究不不是为了了减少立立碑，但但仍然要要观察其其缺陷率率，因为为研究人人员不希希望在优优化MCCSB的的性能的的同时，以以增加立立碑的缺缺陷率为为代价。 组装全部部1744块线路路板在一一条小的的试验线线上进行行组装。此此研究中中使用的的设备包包括MPPM UUltrraFllex 30000网板板印刷机机，环球
13、球仪器AAdvaantiis贴片片机，和和一台 Eleectrroveert OmnniFllow 七温区区回流炉炉。 图图8-111为回回流曲线线。 使使用的焊焊膏为33号粉，免免清洗焊焊膏。锡锡铅合金金为63337，无无铅合金金为 锡锡96.5/银银3.00/铜00.5 (SAAC 3305)。结果及讨讨论扩展展性正如如前面描描述的，扩扩展性测测试用两两种不同同的方法法进行。 结果已已用图112到114总结结。图113和114表示示了回流流后焊点点面积与与焊膏印印刷面积积之间的的比率。此此扩展性性测试的的结果表表明无铅铅和锡铅铅焊膏的的扩展性性非常接接近，无无铅的扩扩展性更更好一些些。显然
14、，这这些测试试结果有有些奇怪怪，因为为有很多多文献可可以证明明锡铅焊焊膏的扩扩展性比比无铅焊焊膏好，而而且此观观点也被被普遍接接受。数数据反常常的潜在在原因包包括测试试的种类类和测试试的方法法。由于于焊膏印印刷面积积远小于于焊盘面面积，扩扩展不受受焊盘边边角的影影响。焊焊点周围围的不平平均的扩扩展性没没有被计计算。测测试结果果只是来来源于简简单面积积比率计计算，没没有考虑虑焊膏的的形成或或流动。由由于比较较电子显显微镜测测量的面面积是由由人工定定义的，这这种给测测试带来来了不同同程度的的主观性性，尤其其是不同同的人在在不同的的时间测测试不同同的样品品。作者者对这种种测试方方法的合合理性持持一定
15、的的怀疑，这这也是介介绍交叉叉印刷方方法的原原因。交交叉印刷刷测试比比普通扩扩展性测测试对润润湿性的的定义更更好。 图155列出在在所有表表面处理理板上无无铅焊膏膏的桥连连数量。图图16列列出锡铅铅焊膏的的同样测测试结果果。 图图17举举例说明明锡铅焊焊膏与无无铅焊膏膏在最难难润湿的的OSPP表面上上的润湿湿性上的的差别。毫无疑问问，测试试量化的的扩展性性差异与与业内公公认的情情况相符符。一如如所料，EENIGG表面涂涂层显示示了完美美的扩展展性，甚甚至达到到本测试试的上限限；IMMSN也也显示出出了类似似的情况况，只是是在最大大间隙处处有几个个点没有有桥连。OOSP和和IMAAG对锡锡铅和无
16、无铅焊膏膏都显示示了较低低的扩展展特性，这这同样在在预料之之中。今今后，作作者将利利用交叉叉测试来来证明扩扩展性。与与原来的的方法进进行比较较，这种种测试方方法提高高了精确确性，更更为客观观和清晰晰，实施施起来更更加快速速、经济济。QFFP的润润湿性本本测试检检验了 QFPP 的焊焊盘裸露露和桥连连缺陷，总总共贴装装和测试试了3448次，却却只发现现了4个个桥连。作作者不敢敢轻易根根据如此此小的样样本量和和似乎无无统计意意义的测测试结果果妄下结结论。由由于组装装工艺在在实验室室中进行行，印刷刷和贴装装设备都都被调整整得非常常好，不不存在典典型生产产环境中中的干扰扰因素。作作者认为为如果在在典型
17、生生产设备备公差下下，制造造的样板板越多，得得到的数数据越有有意义。不管开孔如何，ENIG和IMSN如预期的那样表现出完全的扩展性，因此它被认为在ENIG或IMSN表面最终处理上进行组装时， 组装者可以继续使用现在缩小的QFP开孔。同样，OSP和IMAG在焊盘的角落的扩展性并不完全，但都符合IPC的可接受标准。在焊盘的边缘，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的计算包括板上所有的元器件。 共有6960个元件进行了组装和检测。图19概括了全部MCSB的数量。结果如下： 总体来说，无铅焊膏MCSB的数量比锡铅焊膏的少ll 化学锡所产生的MCSB的数量最少，
18、接下来是ENIG，OSP和化学银 均热式曲线比斜升式曲线的MCSB少。l 6l mil的网板所产生的MCSB远远多于5mil板。 需要注意的是，为了比较出“最好”和“最差”的情况，6 mil网板使用的是开孔与焊盘为1：1矩形开孔，5mil使用的是“本垒板”开孔，面积减少10%。以元件尺尺寸来细细分，图图19显显示了使使用无铅铅焊膏，对对于每种种封装类类型在所所有四种种表面处处理板上上的MCCSB的的总和。图图20是是锡铅焊焊膏的结结果。元元件类型型后的字字母H和和V各自自代表水水平及垂垂直放置置的元件件。这里里的数据据使用的的是斜升升式回流流曲线。对对于无铅铅焊膏，中中间尺寸寸的元件件会产生生
19、较多的的元件间间锡珠， 尤其是是在IMMAG 和ENNIG板板上。OOSP和和IMSSN板上上的分布布较为均均匀。锡锡铅焊膏膏的片式式元件间间锡珠的的数量总总体来说说随着元元件尺寸寸的减小小而减少少，只有有在使用用化学银银板时，对对于06603元元件MCCSB的的比率开开始上升升。在化化学银的的72个个MCSSB记录录中，有有67个个是在连连续的两两块板上上发现的的。其中中的一块块板在垂垂直排列列的元件件中出现现了288个MCCSB。研研究人员员猜测这这是由于于特殊原原因造成成的反常常数据，很很可能是是因为机机器贴装装造成的的。然而而，这部部分数据据依然要要被包括括，读者者或许可可以对这这些数
20、据据的可靠靠性打个个折扣。在第II部分，从图20可以看出，比例为20%、60% 和20%的圆弧形“反本垒板”产生的 MCSB 最少。我们还研究了三种新型开孔的情况（参见图21和22）。立碑图223列出出了所有有板上的的立碑的的缺陷，通通常能观观察到的的立碑的的数量很很少。 观察结结果包括括： 与锡铅铅焊膏相相比，通通常无铅铅焊膏的的立碑缺缺陷更多多。 这这很可能能是由于于共晶的的锡铅焊焊料具有有更佳的的润湿性性。 有趣的的是，均均温曲线线的立碑碑缺陷更更多。这这与一些些固有的的观念相相矛盾，高高均温曲曲线能减减少立碑碑。 6miil网片片比5mmil产产生更多多的立碑碑。这很很可能是是由于焊焊
21、料的体体积更大大。 作作者相信信下一个个研究会会是印刷刷体积与与立碑率率，包括括4miil网片片之间的的关联。 使用20/60/20的反转的“反本垒板”形开孔设计，发现能最小化MCSB，而且无立碑产生。作者想强调的是，事实上这个测试不是用来表现立碑的特性，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的影响非常显著，如果要包括贴装和回流参数，我们的研究将不得不扩展到超出合理的范围。图23到图25描述立碑的起因以及立碑与片式元件间锡珠的互相作用。控制定位位精度如如前所述述，网板板印刷的的目标是是在正确确的位置置放入正正确量的的焊膏。网网板开孔孔的定位位精度以以及他们们
22、与PWWB板上上开孔对对准的方方法决定定了焊膏膏的印刷刷位置。 为了控控制定位位精度， 网板制制造者必必须校验验激光切切割机，应应用在校校验过程程中得到到的偏移移量进行行校准。 网板制制造的一一个方法法是设计计一个标标准的测测试板，进进行切割割，然后后测量其其与CAAD数据据的差异异（或者者标称位位置）。 Coooksoon EElecctrooniccs当前前在世界界各地用用于网板板校准的的测试载载板包括括3244个完全全一样的的圆孔，它它们以11英寸中中心距分分布在117x117英寸寸的坐标标网格上上。切割割和测量量之后， m) 4 siggma levvelss，或者者Cpkkm对机器器
23、轴的线线性漂移移和角度度偏移数数据进行行分析。分分析的结结果被用用来合并并修改的的因素，确确保定位位精度为为1 mmil (255 11.333的水平平。m)的定位位精度与与工艺能能力的关关系。注注意PPPM缺陷陷是基于于静态工工艺，不不包括11.5m表表1 1 mmil (255 ssigmma的变变化通过测量量最终完完成的测测试板，映映射出的的激光切切割机定定位精度度显示出出十分有有趣的结结果。图图26和和27比比较激光光切割机机在校准准前和校校准后的的X定位位精度。在在Y方向向也发现现了类似似的变化化。网板及PPWB对对准 影影响网板板和PWWB对准准的因素素包括PPWB对对准精度度的差
24、异异，印刷刷机对准准能力的的差异，以以及印刷刷机自身身的定位位差异。到到目前为为止，PPWB差差异是对对准不良良最大的的因素。我我们都知知道由于于制造工工艺，PPWB相相对CAAD数据据中会缩缩减。同同样也经经历过在在首次回回流工艺艺中板的的收缩，这这样会加加剧第二二面板印印刷时的的对准不不良。要要确定PPWB的的定位差差异，可可以对其其进行测测量，这这样可以以定制网网板以适适应PWWB。结结论&推推荐减少少片式元元件间锡锡珠的形形成，最最好是采采用“反反本垒板板”形开开孔设计计，孔的的比例是是20%-600%-220%。 此开孔孔不会产产生任何何立碑。试验证明，为了测量焊膏的湿润性和扩散能力，交差印刷法胜过覆盖率测试法。QFP数据是非决定性的。推荐在生产环境中进行这个测试，这样可以获得更多相关大规模生产中的系统干扰下的样本。推荐进行更多的研究来了解立碑的特性，尤其是在不同的无铅合金之间。