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免洗锡膏标准工艺


http://www.farmersqa.com 2007年9月10日

    本文介绍,了解一种锡膏在一个特定的应用中将怎样表现,是达到高效生产率的关键。

  在任何表面贴装装配过程中,达到一个较高的第一次通过合格率(fpy, first-pass yield)是生产运行效率和最终产品品质的关键因素。有助于高合格率的两个元素特别与锡膏有关:锡膏的性能窗口和顶点的稳定性。
  许多这种信息可以从锡膏供应商那里得到,因为功能表现,或可使用性标准程序,是产品开发过程的构成整体不可少的部分。一个锡膏制造商必须了解每个配方的适用性,以满足许多不同方面的性能标准:电信、汽车、合约制造、计算机、计算机外围设备、航空与商业应用等。
  可是,准确了解在一个特定工艺中特殊配方如何表现是重要的,由于这个原因,标准程序,不管是由锡膏供应商或适用者实行,是达到高生产率的一个必要因素。
  许多制造商,原设备制造商(oem)和那些提供合约装配服务的,都依靠锡膏供应商进行工艺针对性的(process-specific)标准程序(benchmarking)研究。另外,那些将焦点集中在高品质生产的制造商应该进行自己的标准程序研究。使用实际上用于装配最终产品的设备,进行现场测试,这样将产生对生产级(production-level)结果的最准确预测。 
  不管是由使用者或供应商来进行,其程序应该产生比较一种配方与另一种配方的可计量的结果。甚至如果制造商只依靠供应商作标准程序,也应该了解程序步骤,以便可适当地评估结果。在设计测试标准中,典型的策略是为设计和工艺条件中大多数元素开发一种“最坏的情形”。本文框架提供一个目标方法,相对它,材料可以比较和对比。
  以下确立标准的程序,用于提供免洗锡膏的功能特性的量的比较,包括可印刷性(printability)、扩散与塌落(spread and slump)特性、可焊性(solderability)、以及焊锡珠/球(beading/balling)的性能等的决定方法。制造商可用全部或部分的程序来开发内部的制订标准的程序或评估锡膏供应商的标准程序数据。

  制订标准程序的工具
  一个全面的标准程序应该由一套试验组成,量度锡膏从印刷到测试的可使用性。由于52% - 72%的表面贴装缺陷可归咎于印刷缺陷1,本程序应该特别注重印刷。推荐的试验,按工序列出,是:

  1. 印刷 
    • 密间距(fine-pitch)的可印刷性 
    • 刮板(squeegee)的兼容性 
    • 印刷图形的扩散(spread) 
    • 印刷图形的塌落(slump) 
    • 模板(stencil)寿命 
  2. 贴装 
    • 粘力(tack force)/粘性寿命/能力 
  3. 回流焊接 
    • 熔湿(wetting) 
    • 温度曲线(profile)敏感性 
    • 焊锡结珠/锡球(beading/balling) 
    • 残留物(residue)水平 
  4. 其它 
    • 探针可测试性(pin testability) 
    • 粘性(viscosity) 
    • 离子色谱法(ion chromatography) 

  印刷
  密间距可印刷性
  现在的市场很少要求低于0.5mm的间距。基于典型的市场需求,可印刷性测试应该集中在20-mil(0.508mm)的间距上。印刷速度变化从 15mm/秒 - 70mm/秒,对密间距,大多数应用在 25mm/秒。使用“最坏情况”的策略,本次标准程序的印刷测试选 70mm/秒。
  金属刮板是工业的主流,常用 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,但可能要求更多的压力用某种材料来擦干净模板。选用60°的金属刮板,因为锡膏“粘着”刮板的抱怨在采用更陡的刮板角度时更厉害了。
  为了量化相似材料配方中可印刷性的细小差别,在典型的hasl(hot air level soldering) 光板上选用了一种平的惰性基底,因此pcb外形将不影响锡膏的可印刷性。工艺的其它元素也限制:60°角度的金属刮刀、70mm/秒的刮刀速度、在每十二次印刷后擦抹模板、化学蚀刻 6-mil 厚度的模板、内部设计(图一)、 1" x 2" 的铝基板、从100个零件的运行中取样测量到 0.5mm 间距。
  测量系统程序的设计是与测试程式设计,和用于数据分析与显示的电子表格内的一系列宏命令一起的。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。使用的传感器的高度分辨率为0.03mil,2 宽度分辨率为0.5mil。每次印刷的所有64个焊盘都测量,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。这个高度数据通过下面三个步骤减少到可管理的信息量:
  1、测量系统输出每平方 mil 的分割面积,焊盘宽度和焊盘每个分割的平均焊盘高度。分割面积乘以分割间距(6 mil),得到近似精确的体积,立方 mil。
  2、数据然后输入到电子表格,在这里一系列的宏命令起动,计算出焊盘体积(描绘平行与垂直焊盘数据)、焊盘平均高度(在锡膏平台出)、和焊盘平均宽度。
  3、因为许多材料与只来自步骤二的数据,其结果是使用客观来源的数据对可印刷性的主观评估。一个分数制度,标准偏差除以平均值,用来圆整变量的计算(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)之间的绝对差。比开孔宽度小或大的印刷宽度同等对待。对缺少变化的给予分数。
  刮刀的兼容性
  除了刮刀角度的特性外,刮刀的形状也可影响特定角度的锡膏的表现。基本上,刮刀越钝,将要求更大的压力把模板顶面彻底刮干净。
  对各种金属刮刀边缘的简单显微镜检查,会发现很大的差别。涂层金属刮刀与电成型刮刀形状的视觉差别相当于一对一半的刮干净所要求的刮刀压力。锡膏性能受到影响,因为较小的刮刀压力通常模板擦抹的频率也较少。
  对印刷机制造商提供的一些“空心刮刀”选项的配方兼容性对锡膏配方者也是关键的。密间距印刷测试可用来描述一个给定配方的工艺窗口的特征。
  印刷图形扩散
fig.3    图形扩散经常看作是塌落(slump),但扩散是发生在印刷过程中,而不是在印刷工艺之后,由时间、热或湿度所引起。当相当大的焊盘相互很靠近时,在多数配方中只要印两次就有产生扩散的作用。间隔小焊盘大使这个特征比密间距焊盘要明显得多(图3a, 3b)。
  图3a, 3b所示的soic焊盘与密间距焊盘是用 6-mil 厚的模板印刷于测试pcb。印刷后马上拍下照片。材料a的大焊盘由于扩散而桥接,材料b中的间隙明显。密间距焊盘对两种材料看上去相似。材料b与材料a是相同配方,但含有额外的流变调节剂。
  增加印刷厚度可能使扩散恶化,这可能是模板与pcb焊盘之间的密封不好的结果。因此,这个测试模式的模板是 8-mil 厚度,由于很小的焊盘间隔,使用激光切割和微抛光(图四)。虽然在测试模式中前面两排的很细小间隔是不常见的,但它们提供一个设计的最坏情况的型谱,模拟密封差的效果。
fig.4 spread test  几次成功的印刷中,记录下少到只有两颗焊锡颗粒桥接的间隔数量。使用激光三角测量找到短接或桥接间隔的数量与平均焊盘宽度之间的直接关系。这种宽焊盘印刷或扩散直接和给定材料的摇熔性(thixotropy),或者从其通过模板开孔时遇到的剪切力恢复的能力有关。几个与扩散有关的负面特性:挑战模板到焊盘密封条件的较差挤压特性,较频繁的模板摸擦,和密间距短路的增加。
  印刷图形塌落
  塌落(slump)不同于扩散,印刷后的环境压力作用于印刷物上,其宽度会增加。这种压力是简单的,如板在室温下保留 15 分钟,或在模拟回流温度曲线的预热阶段的150°c炉中 15 分钟。一个经常忽视的环境压力是湿度,它可能影响水溶性(water-soluble)配方,但对免洗配方几乎不明显。
  印刷图形塌落的测试方法与可印刷性的测试很相似,因为使用了相同的测试模式。不同的是样品在印刷之后马上测量,在调节一段时间后再次测量。测量可印刷性使用的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 的高度测量一次进给量,而不是每个 0.5 mil ,并且焊盘中间记录一格。
  模板寿命
  模板寿命大概与一种材料由于溶剂蒸发其干燥的速度有多快有关,可能由于加热、低湿度和锡膏或开孔上面的空气运动而加速。模板寿命测定必须在恒定的环境中完成,提供材料之间的有意义的比较。模板寿命可通过当锡膏在特定的环境中连续地印刷时每小时进行可印刷性测试来决定。
  另一个有用的测试是在一段模拟印刷过程间隔效果的延时之后印刷锡膏。前面描述的相同的可印刷性测试对评估印刷机闲置的影响是有用的。这个测试应该在以每半小时递增的几个小时的时间上进行。 应该重点注意印刷机的环境,测试在两种条件下进行:正常,如 50% rh (相当湿度)/70°f,和最坏情况,如 25% rh/85°f。另外,水溶性配方应该在 75%rh/85°f 条件下测试。 

  贴装
  粘持力/寿命/能力(tack force/life/energy)
  锡膏配方的粘性对量化是重要的,由于今天高速元件贴装设备速度的增加。40mm/秒2的台面加速度对射片机(chip shooter)是常见的。测量粘性的最常用方法,ipc-tm-650 方法 2.4.443,如下:

  1. 测试的每小时在玻璃片(1"x3")上印刷 6 个点,0.25" 直径、10-mil 厚度。对一个 8 小时的粘持力与时间的研究,在测试之前,必须产生54点。印刷点是使用金属刮刀和接触式印刷以保证一致的厚度。 
  2. 一个 0.2" 直径的柱子以 2.5 mm/分钟相当较慢的速度插入锡膏点,直到再 2-lb 的力表上得到 300-g 的力。 
  3. 柱面在负荷下停留在锡膏内 3-5 秒钟,然后以插入的相同速度收回,而玻璃片通过真空夹具固定在位置上。 
  4. 在柱子拿出期间,记录最大拉力,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重复该过程。 
  6. 每小时,计算出六个粘性测试的平均值,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的不同都可能产生变化很大的粘性测试结果。测试之前,测试印刷应该放在没有空气流动和热源的地方,因此不至于加速锡膏干燥。存放应该是打开的,因为封闭的盒子会变得充满溶剂蒸汽和阻碍材料的自然干燥。分析数据多少是主观的,因为ipc没有提供通过/失败的标准,但是对高速设备的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
可接受性
1 g/mm2
不可接受的
2 g/mm2
边界、必须确认
3 g/mm2
可接受的

       粘性寿命一般认为是保持最大值或者粘持力下降到最大值80%的时间长度。粘持能量是力与位移曲线的总能量,可能是粘性损失的较好指示。当锡膏接近于干燥,失去贴装期间保存元件能力的时候,峰值粘持力实际上在失去前显著地增加。可是,已经观察到总的粘持能量在这个增加期间显著下降。这个能量下降,在峰值力增加的同时,是由于在与锡膏点所有粘结失去之前保持传感器的距离非常的短,产生很高、但窄的力与位移的曲线。

       本文第二部分将完成锡膏标准成型测试的讨论,重点在回流、测试针的可测试性和粘性。 

免洗锡膏标准工艺(二)

  一个广泛的标准程序应该由一整套量度从印刷到测试的锡膏适用性的试验组成。本文第一部分讨论了印刷与贴装试验;第二部分继续讨论标准程序,看看回流焊接和其它诸如测试针的可测试性、粘性和离子色谱分析等试验。

  回流
  熔湿(wetting)
图一、熔湿试验模式  锡膏的可熔湿性、或可焊接性,是一项难以评估的特性,因为在许多情况中的决定是很主观性的。已经开发一个目标试验,使用 6-mil 的激光切割模板,在一块多用途的osp涂层的测试板上的 3 平方英寸的面积上进行接触印刷(contact print)(图一)。对每一种锡膏印刷 12 块板,用 6 种不同的温度曲线空气回流焊接两块板。
  试样设计有三种形状。焊盘产生的线间隔的宽度变化从 8 ~ 24 mil。假设,焊盘之间发生的锡桥数量越多,材料与温度曲线结合的可焊接性越好。另外,测量 50-mil 圆圈的平均直径。50-mil 圆圈的扩散一般跟随焊盘短路的结果,但很少在一个完整的圆上有焊锡扩散。因此,试验的这部分是唯一主观性的部分。
  焊盘短路区左边的小焊盘用作焊锡对诸如小引脚集成电路(soic, small outline integrated circuit)焊盘的熔湿情况指示。模板开孔范围从两列底部的完整覆盖(85-mil 长)到顶部的只有23%覆盖(20-mil 长)。这些焊盘排列完全熔湿越高,可焊性越好,因为随着焊盘覆盖的减少,完全熔湿焊盘的困难度增加。

表一、温度曲线数据
 峰值温度183度以上时间35度到固化总时间预热斜率35度到回流预热时间135~145度预热时间145~155度
 °c°c/秒
a260105266n/a39113
b234772340.67n/an/a
c23477231n/a8919
d222641501.08n/an/a
e21166217n/a3011
f219451121.38n/an/a

  温度曲线敏感性
图二、回流温度曲线测试矩阵  图二和表一中的曲线在预热方式上(平坦的保温与斜线升温)、峰值温度、总共的时间和液化上的时间是不同的。图中曲线a表示一个配方将怎样与诸如96.5sn/3.5ag或95sn/5pb高温合金起作用。曲线f模拟的是固定资产有限、运作刚开始时经常使用的、快速的3~4温区的炉子。通过总结线间隔之间的短路数量,提供一个配方在通过所有6种温度曲线时的情况。
  相对的“温度曲线敏感性”也可通过计算单条曲线熔湿结果的标准偏差来计算,然后除以对所有六条曲线所桥接的平均间隔。在曲线之间具有很小的熔湿差异的材料将看作是对温度曲线不敏感的。
  焊锡结珠/锡球
  虽然很少,锡球(solder balling)一般在免洗配方中是可接受的;但焊锡结珠(solder beading)不行。焊锡结珠通常大到肉眼可以看见,由于其尺寸,更容易从助焊剂残留物上脱落,引起装配上某个地方的短路。焊锡结珠不同于锡球有几个方面:

  1. 锡珠(通常直径大于5-mil)比锡球大。 
  2. 锡珠集中在离板很底的较大片状元件的边上,比如片电容和片电阻1,而锡球在助焊剂残留物内的任何地方。 
  3. 锡珠是当锡膏压在片状元件身体下和回流期间从元件边上跑出来而不是形成焊接点的大锡球。 
  4. 锡球的形成主要是来自回流之前或期间的锡粉的氧化,通常只是一两个颗粒。 

  没有对准或叠印的焊锡可能增加锡珠和锡球。
  设计一块测试板,有一系列的片状元件焊盘,焊盘之间的间隔尺寸上的变化覆盖ipc所要求的全部范围,并超过。为了产生锡珠与锡球和评估改正这两个常见问题的模板与焊盘设计的解决方案,使用了各种模板开孔设计,对1206、0805和0603尺寸的片状元件的开孔使用了有意的偏位。
图三、锡珠/锡球测试模式  图三显示测试板上1206元件的一部分。对0805和0603元件的测试区域使用了类似的设计逻辑。另外,测试板以不同的温度曲线回流,该曲线和对熔湿试验所描述的一样,以便更加深入地了解对一个给定配方的最佳回流曲线。对每个测试板,记录所有锡珠和锡球的位置,但是为了比较的目的,只报告总的锡珠和锡球。
  残留物水平
  残留物水平是另一个通常有主观性的特性。虽然透明性、颜色和助焊剂的视觉数量影响最终装配的整体外观,但这些因素可能实际上与那些保留在板上的、或者弄脏回流炉较冷区域和通风口的残留物的物理数量无关。由于这个原因,除了视觉外观的主观问题之外,残留物数量是用热重力分析方法(tga, thermo-gravimetric analysis)来决定的。
  锡膏的少量样品慢慢地从室温加热到液化温度之上50°c,记录整个温升过程中的重量损失。这个方法揭示了回流期间涉及的锡膏(助焊剂)的实际百分比。在回流焊接温度曲线上,预热、回流和冷却阶段失去的助焊剂成分的相对数量,也可以通过对tga的百分比失重-温度图表的仔细审查来评估。

  其它
  测试针的可测试性
  测试针的可测试性说的是助焊剂残留物对ict针床测试夹具的兼容性。助焊剂一定不可以有粘性的残留物弄脏标准的测试针。对这个特性的工业测试还在进化中,但是一些方法报告“点击”数,直到测试针的清洗和/或强迫穿过助焊剂残留物薄片。虽然助焊剂配方对给定的配方的测试针的可测试性起很大的作用,但是回流曲线也有重大的影响。
  粘性
  粘性是给定配方的而不是适用性测试的一个特性,但它有助于从流变学的角度进一步区分配方。工业上有三种主要类型的粘性仪表:

  • 单点粘度计通常使用一个“t”型的传感器,以恒定的转速(rpm, revolutions/minute)在锡膏内转动。这个方法是最常用的,但返回有限的流变信息。 
  • 锥与盘、或盘与盘设计,使用一套旋转盘子,盘子间隔固定,之间有锡膏的盘子温度受控。盘子通常在一个转速范围内转动,回到静止。与单点方法一样,为给定的材料建立流变图谱,但是,在广泛的剪切条件范围上。 
  • 螺旋粘度计使用一个螺旋传感器,在各种剪切率上测量锡膏的阻力,并计算给定配方的流变指数。 

  离子色谱法(ion chromatography)
  助焊剂残留物析出的离子色谱法是免洗锡膏的可靠性评估的一项要求,但是,当在原锡膏(raw paste)上使用相同技术时,可达到对锡膏活性剂的理解。表二显示了工业上最常用免洗配方的原锡膏离子色谱分析结果。溴化的活性剂是最流行的,因为它使用了很有限的氟化和氯化化合物。其含量是在每百万个零件中(ppm, parts per million)。

表二、原锡膏的离子色谱分析结果
配方abcdefghi
氟化物01.91.942.728.51.821.91.9
氯化物3.93.33.34.221.31.82.47.20.1
溴化物01.935.61.922.7113173146201
nitrate011.111.11.911.31.821.94.6
phosphate01.91.91.924.51.82350
sulfate01.91.91.91.941.35.23.40
sodium02.12.17.891.88.61.90
ammonium6.62.12.11.96.41.821.90
potassium3.313.413.430.72 10.321.917
magnesium32.12.14.621.821.92.4
calcium612.312.3421.821.90
total235488104132179204205227
配方jklmnopqr
氟化物2.210.91.41.81.951.91.81.9
氯化物5.64.71.45.225.11.91.98.41.9
溴化物1801771.4222229351273443581
nitrate03.31.41.81.92.81.92.71.9
phosphate001.401.91.9111.81.9
sulfate2.921.92223.66.91.91.9207435
sodium03.52.67.51.91.81.91.91.9
ammonium04.31.407.71.819.27.42.9
potassium27.21.31.81641.815.41.91.91.9
magnesium3.62.21.441.81.81.91.91.9
calcium8.31.91.44.71.83.43.41.93.7
total2302312372672823894196791036

  表二中粗体字的结果是原配方的结果,而不是出现污染踪迹的结果。 已二酸离子(脂肪酸)可以显现出来,因为这个试验中有硫酸盐离子。这些结果表明,今天的免洗锡膏,从最初的真正的“无卤”配方到最后的“类似rma(rosin, mildly activated)的”材料,都存在较大的原锡膏离子浓度。很可能,由于后者不能通过铬酸银纸(silver chromate paper)的测试,而应该清洗掉,既使它们现在正当作免洗来使用。

  性能折中方案
  这里所描述的试验,在过去几年已经应用于无数的配方,揭示了许多性能上的折中方案。最主要的趋势是:

  • 更高速的可印刷性可能得到较低的峰值粘持力。 
  • 更高的固体造成较低的粘持力。 
  • 更细小的粉末造成更高的峰值粘持力。 
  • 更细小的粉末造成更好的密间距可印刷性。 
  • 更多的扩散可能造成更多的焊锡结珠。 
  • 更多的扩散可能造成osp上更好的熔湿。 
  • 更低的回流焊后板上的残留物水平可能造成较差的焊接熔湿。 
  • 更低的回流焊后板上的残留物水平可能造成较好的测试针的可测试性。 
  • 较多的板上残留物结果炉内的残留物较少,维护费用较低。 
  • 更多的溴化活性剂结果可能熔湿性更好。 
  • 更好的熔湿其结果是对温度曲线敏感性更小。 

  对以上描述的趋势还是有例外存在。不是每一个特性对每一个应用都有同样的重要性,但是,如果理解了这些折中平衡,那么就能够应用到最适合的配方。

  结论
  对于oem或者合约制造商,锡膏的标准程序有助于最终产品市场的竞争性。了解特定的锡膏在特定的装配应用中如何表现,和为每一种情况作出最恰当的锡膏选择是达到高生产效率的关键因素。不管制造商使用锡膏供应商的结论、还是内部进行试验、或者两者兼顾,标准程序提供深入的知识和比较的客观基础。 

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