免洗锡膏标准工艺模板.doc

免洗锡膏标准工艺在任何表面贴装装配过程中，达成一个较高第一次经过合格率(FPY, first-pass yield)是生产运行效率和最终产品品质关键原因。有利于高合格率两个元素尤其和锡膏相关：锡膏性能窗口和顶点稳定性。很多这种信息能够从锡膏供给商那里得到，因为菜单现，或可使用性标准程序，是产品开发过程组成整体不可少部分。一个锡膏制造商必需了解每个配方适用性，以满足很多不一样方面性能标准：电信、汽车、合约制造、计算机、计算机外围设备、航空和商业应用等。可是，正确了解在一个特定工艺中特殊配方怎样表现是关键，因为这个原因，标准程序，不管是由锡膏供给商或适用者实施，是达成高生产率一个必需原因。很多制造商，原设备制造商(OEM)和那些提供合约装配服务，全部依靠锡膏供给商进行工艺针对性(process-specific)标准程序(benchmarking)研究。另外，那些将焦点集中在高品质生产制造商应该进行自己标准程序研究。使用实际上用于装配最终产品设备，进行现场测试，这么将产生对生产级(production-level)结果最正确估计。不管是由使用者或供给商来进行，其程序应该产生比较一个配方和另一个配方可计量结果。甚至假如制造商只依靠供给商作标准程序，也应该了解程序步骤，方便可合适地评定结果。在设计测试标准中，经典策略是为设计和工艺条件中大多数元素开发一个“最坏情形”。本文框架提供一个目标方法，相对它，材料能够比较和对比。以下确立标准程序，用于提供免洗锡膏功效特征量比较，包含可印刷性(printability)、扩散和塌落(spread and slump)特征、可焊性(solderability)、和焊锡珠/球(beading/balling)性能等决定方法。制造商可用全部或部分程序来开发内部制订标准程序或评定锡膏供给商标准程序数据。制订标准程序工具一个全方面标准程序应该由一套试验组成，量度锡膏从印刷到测试可使用性。因为52% - 72%表面贴装缺点可归咎于印刷缺点1，本程序应该尤其重视印刷。推荐试验，按工序列出，是：1. 印刷o 密间距(fine-pitch)可印刷性 o 刮板(squeegee)兼容性 o 印刷图形扩散(spread) o 印刷图形塌落(slump) o 模板(stencil)寿命 2. 贴装 o 粘力(tack force)/粘性寿命/能力 3. 回流焊接 o 熔湿(wetting) o 温度曲线(profile)敏感性 o 焊锡结珠/锡球(beading/balling) o 残留物(residue)水平 4. 其它 o 探针可测试性(pin testability) o 粘性(viscosity) o 离子色谱法(Ion chromatography) o 印刷密间距可印刷性现在市场极少要求低于0.5mm间距。基于经典市场需求，可印刷性测试应该集中在20-mil(0.508mm)间距上。印刷速度改变从 15mm/秒 - 70mm/秒，对密间距，大多数应用在 25mm/秒。使用“最坏情况”策略，此次标准程序印刷测试选 70mm/秒。金属刮板是工业主流，常见 45和60两种角度。45角度倾向于引导锡膏条滚动、比60角度印刷好一点，但可能要求更多压力用某种材料来擦洁净模板。选择60金属刮板，因为锡膏“粘着”刮板埋怨在采取更陡刮板角度时更厉害了。为了量化相同材料配方中可印刷性细小差异，在经典HASL(hot air level soldering) 光板上选择了一个平惰性基底，所以PCB外形将不影响锡膏可印刷性。工艺其它元素也限制：60角度金属刮刀、70mm/秒刮刀速度、在每十二次印刷后擦抹模板、化学蚀刻 6-mil 厚度模板、内部设计(图一)、 1 x 2 铝基板、从100个零件运行中取样测量到 0.5mm 间距。测量系统程序设计是和测试程序设计，和用于数据分析和显示电子表格内一系列宏命令一起。该程序在每个印刷焊盘运行10格(列)，沿格子每0.5mil测量其高度。使用传感器高度分辨率为0.03mil，2 宽度分辨率为0.5mil。每次印刷全部64个焊盘全部测量，产生每次印刷28,160个高度测量，每次测试总共140,800个高度测量。这个高度数据经过下面三个步骤降低到可管理信息量：1、测量系统输出每平方 mil 分割面积，焊盘宽度和焊盘每个分割平均焊盘高度。分割面积乘以分割间距(6 mil)，得到近似正确体积，立方 mil。2、数据然后输入到电子表格，在这里一系列宏命令起动，计算出焊盘体积(描绘平行和垂直焊盘数据)、焊盘平均高度(在锡膏平台出)、和焊盘平均宽度。3、因为很多材料和只来自步骤二数据，其结果是使用客观起源数据对可印刷性主观评定。一个分数制度，标准偏差除以平均值，用来圆整变量计算(图二)。对“塌落”进行了计算，定义为平均宽度和10mils(模板开孔宽度)之间绝对差。比开孔宽度小或大印刷宽度相同对待。对缺乏改变给分数。刮刀兼容性除了刮刀角度特征外，刮刀形状也可影响特定角度锡膏表现。基础上，刮刀越钝，将要求更大压力把模板顶面根本刮洁净。对多种金属刮刀边缘简单显微镜检验，会发觉很大差异。涂层金属刮刀和电成型刮刀形状视觉差异相当于一对二分之一刮洁净所要求刮刀压力。锡膏性能受到影响，因为较小刮刀压力通常模板擦抹频率也较少。对印刷机制造商提供部分“空心刮刀”选项配方兼容性对锡膏配方者也是关键。密间距印刷测试可用来描述一个给定配方工艺窗口特征。印刷图形扩散图形扩散常常看作是塌落(slump)，但扩散是发生在印刷过程中，而不是在印刷工艺以后，由时间、热或湿度所引发。当相当大焊盘相互很靠近时，在多数配方中只要印两次就有产生扩散作用。间隔小焊盘大使这个特征比密间距焊盘要显著得多(图3a, 3b)。图3a, 3b所表示SOIC焊盘和密间距焊盘是用 6-mil 厚模板印刷于测试PCB。印刷后立即拍下照片。材料A大焊盘因为扩散而桥接，材料B中间隙显著。密间距焊盘对两种材料看上去相同。材料B和材料A是相同配方，但含有额外流变调整剂。增加印刷厚度可能使扩散恶化，这可能是模板和PCB焊盘之间密封不好结果。所以，这个测试模式模板是 8-mil 厚度，因为很小焊盘间隔，使用激光切割和微抛光(图四)。即使在测试模式中前面两排很细小间隔是不常见，但它们提供一个设计最坏情况型谱，模拟密封差效果。几次成功印刷中，统计下少到只有两颗焊锡颗粒桥接间隔数量。使用激光三角测量找到短接或桥接间隔数量和平均焊盘宽度之间直接关系。这种宽焊盘印刷或扩散直接和给定材料摇熔性(thixotropy)，或从其经过模板开孔时碰到剪切力恢复能力相关。多个和扩散相关负面特征：挑战模板到焊盘密封条件较差挤压特征，较频繁模板摸擦，和密间距短路增加。印刷图形塌落塌落(slump)不一样于扩散，印刷后环境压力作用于印刷物上，其宽度会增加。这种压力是简单，如板在室温下保留 15 分钟，或在模拟回流温度曲线预热阶段150C炉中 15 分钟。一个常常忽略环境压力是湿度，它可能影响水溶性(water-soluble)配方，但对免洗配方几乎不显著。印刷图形塌落测试方法和可印刷性测试很相同，因为使用了相同测试模式。不一样是样品在印刷以后立即测量，在调整一段时间后再次测量。测量可印刷性使用激光三角测量方法是一个高度定量方法。塌落测试使用 0.1 mil 高度测量一次进给量，而不是每个 0.5 mil ，而且焊盘中间统计一格。模板寿命模板寿命大约和一个材料因为溶剂蒸发其干燥速度有多快相关，可能因为加热、低湿度和锡膏或开孔上面空气运动而加速。模板寿命测定必需在恒定环境中完成，提供材料之间有意义比较。模板寿命可经过当锡膏在特定环境中连续地印刷时每小时进行可印刷性测试来决定。另一个有用测试是在一段模拟印刷过程间隔效果延时以后印刷锡膏。前面描述相同可印刷性测试对评定印刷机闲置影响是有用。这个测试应该在以每半小时递增多个小时时间上进行。 应该关键注意印刷机环境，测试在两种条件下进行：正常，如 50% RH (相当湿度)/70F，和最坏情况，如 25% RH/85F。另外，水溶性配方应该在 75%RH/85F 条件下测试。 贴装粘持力/寿命/能力(tack force/life/energy)锡膏配方粘性对量化是关键，因为今天高速组件贴装设备速度增加。40mm/秒2台面加速度对射片机(chip shooter)是常见。测量粘性最常见方法，IPC-TM-650 方法 2.4.443，以下：1. 测试每小时在玻璃片(1x3)上印刷 6 个点，0.25 直径、10-mil 厚度。对一个 8 小时粘持力和时间研究，在测试之前，必需产生54点。印刷点是使用金属刮刀和接触式印刷以确保一致厚度。 2. 一个 0.2 直径柱子以 2.5 mm/分钟相当较慢速度插入锡膏点，直到再 2-lb 力表上得到 300-g 力。 3. 柱面在负荷下停留在锡膏内 3-5 秒钟，然后以插入相同速度收回，而玻璃片经过真空夹具固定在位置上。 4. 在柱子拿出期间，统计最大拉力，并把它作为最大粘持力。这个最大粘持力可用 g/mm2 表示，用最大粘持力除以柱子表面积。 5. 柱子然后清洗、干燥，对其它五个样品印刷反复该过程。 6. 每小时，计算出六个粘性测试平均值，绘成图表。 柱子插入/拿出速度、插入力量、停留时间和甚至基板材料不一样全部可能产生改变很大粘性测试结果。测试之前，测试印刷应该放在没有空气流动和热源地方，所以不至于加速锡膏干燥。存放应该是打开，因为封闭盒子会变得充满溶剂蒸汽和阻碍材料自然干燥。分析数据多少是主观，因为IPC没有提供经过/失败标准，不过对高速设备经验在表一中显示结果。表一、粘持力、贴装兼容性峰值粘持力 可接收性1 g/mm2 不可接收2 g/mm2 边界、必需确定3 g/mm2 可接收粘性寿命通常认为是保持最大值或粘持力下降到最大值80%时间长度。粘持能量是力和位移曲线总能量，可能是粘性损失很好指示。当锡膏靠近于干燥，失去贴装期间保留组件能力时候，峰值粘持力实际上在失去前显着地增加。可是，已经观察到总粘持能量在这个增加期间显着下降。这个能量下降，在峰值力增加同时，是因为在和锡膏点全部粘结失去之前保持传感器距离很短，产生很高、但窄力和位移曲线。 本文第二部分将完成锡膏标准成型测试讨论，关键在回流、测试针可测试性和粘性。