无铅SMT工艺中网板的优化设计
作者:Chrys Shea Ranjit S. Pandher Cookson Electronics Assembly Materials Jersey City, New Jersey, USA
摘要
随着新技术的不断涌现，需要进行不断的完善来促进主流应用以及持续的改进。 就无铅工艺而言， 初期合金和化学品选择的障碍在起步阶段已经得以解决，提供了基础工艺。 来源于早期基础工艺工作的经验被进一步完善用来优化影响良率的要素。 这些要素包括温度曲线、PWB表面最终处理、元器件镀层、阻焊膜选择，或者网板的设计。
由于网板印刷对首次通过率的影响很大，而且锡铅合金与无铅合金的润湿性也有所不同，作者就此进行了专门的研究，以确定针对所需的SMT特性，对网板的开孔形状进行优化。对无铅合金在一些替代表面处理上的低扩展性也需要进行考虑。为达到焊盘的覆盖率最大化而进行的孔径设计，有可能导致片式元件间锡珠缺陷的产生。除了开孔设计指南，我们还将讨论优化整个网板设计的方法。
关键词：无铅，网板印刷，开孔设计，工艺控制
简介
网板印刷的基本目标是重复地将正确量的焊膏涂敷于正确的位置。 开孔尺寸、形状，以及网板厚度，决定了焊膏沉积的量，而开孔的位置决定了沉积的位置。
关于有效控制穿孔位置的方法早已有了定论，将在后面的文章中讨论。 此研究的目的是找到对无铅焊膏的开孔的最佳尺寸和形状。
通常来说，无铅焊膏的润湿性或扩展性较锡铅焊膏要差；因此，组装者须考虑以下几个方面的问题：焊盘周边的裸铜（或板的表面处理），锡珠以及立碑的不同缺陷率
为此，我们专门设计了一项试验，来量化不同焊膏对典型表面贴装缺陷的影响。 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陷率的影响。试验II部分，优化网板开孔，以降低使用无铅焊膏时的缺陷率。在I部分，板表面最终处理包括有机可焊性保护膜（OSP），化学镍金（ENIG），化学银（IMAG）以及化学锡（IMSN）。试验的II部分使用OSP及IMSN。
试验设计
润湿性及扩展性——焊膏的扩展性可以用两种方法测试。第一种是在金属裸板上印刷一个已知面积的圆形焊料点 (胶点)，然后对样件进行回流，并测量回流后的胶点面积。回流后的面积与原有面积之比，可以计算出焊膏的扩散率，并显示出不同表面处理的电路板的润湿性能。
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（40 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。
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在回流中，熔化的焊膏在板上沿着金属线扩张。如果扩展性足够，邻近的焊点之间的缝隙将被桥连。焊膏带之间的空隙从0.1mm到0.8mm之间不等。每个空隙之间最多可产生20个桥连。
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摘要
随着新技术的不断涌现，需要进行不断的完善来促进主流应用以及持续的改进。 就无铅工艺而言， 初期合金和化学品选择的障碍在起步阶段已经得以解决，提供了基础工艺。 来源于早期基础工艺工作的经验被进一步完善用来优化影响良率的要素。 这些要素包括温度曲线、PWB表面最终处理、元器件镀层、阻焊膜选择，或者网板的设计。
由于网板印刷对首次通过率的影响很大，而且锡铅合金与无铅合金的润湿性也有所不同，作者就此进行了专门的研究，以确定针对所需的SMT特性，对网板的开孔形状进行优化。对无铅合金在一些替代表面处理上的低扩展性也需要进行考虑。为达到焊盘的覆盖率最大化而进行的孔径设计，有可能导致片式元件间锡珠缺陷的产生。除了开孔设计指南，我们还将讨论优化整个网板设计的方法。
关键词：无铅，网板印刷，开孔设计，工艺控制
简介
网板印刷的基本目标是重复地将正确量的焊膏涂敷于正确的位置。 开孔尺寸、形状，以及网板厚度，决定了焊膏沉积的量，而开孔的位置决定了沉积的位置。
关于有效控制穿孔位置的方法早已有了定论，将在后面的文章中讨论。 此研究的目的是找到对无铅焊膏的开孔的最佳尺寸和形状。
通常来说，无铅焊膏的润湿性或扩展性较锡铅焊膏要差；因此，组装者须考虑以下几个方面的问题：焊盘周边的裸铜（或板的表面处理），锡珠以及立碑的不同缺陷率
为此，我们专门设计了一项试验，来量化不同焊膏对典型表面贴装缺陷的影响。 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陷率的影响。试验II部分，优化网板开孔，以降低使用无铅焊膏时的缺陷率。在I部分，板表面最终处理包括有机可焊性保护膜（OSP），化学镍金（ENIG），化学银（IMAG）以及化学锡（IMSN）。试验的II部分使用OSP及IMSN。
试验设计
润湿性及扩展性——焊膏的扩展性可以用两种方法测试。第一种是在金属裸板上印刷一个已知面积的圆形焊料点 (胶点)，然后对样件进行回流，并测量回流后的胶点面积。回流后的面积与原有面积之比，可以计算出焊膏的扩散率，并显示出不同表面处理的电路板的润湿性能。
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（40 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。
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在回流中，熔化的焊膏在板上沿着金属线扩张。如果扩展性足够，邻近的焊点之间的缝隙将被桥连。焊膏带之间的空隙从0.1mm到0.8mm之间不等。每个空隙之间最多可产生20个桥连。
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一年 (威望:2) - 天和海相戀但是他們始終無法把手相牽所以他們不能在...
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为了量化开孔大小的影响，我们在每块测试板上贴装2个20mil间距的方形QFP。研究中I部分，QFP’s之一开孔与焊盘的比率为1：1，另一个减少了10%。 研究中部分II，开孔设置被定为1：1，减少5%和减少10%。 两部分测试中都用到了5mil和6mil厚的金属网片（分别为125和150μM）。总的来说， I部分进行了面积及网片厚度的四种组合的测试；II部分则进行了六种组合的测试。 测试板如图3所示。
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片式元件间锡珠（Mid-chip solder ball, MCSB）也是一个常见缺陷，很容易受到网板设计的影响。虽然形成片式元件间锡珠的因素很多——包括焊盘设计、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——焊膏印刷图形的尺寸和形状，也正面或负面地影响到片式元件间锡珠的形成。
如果焊膏的相对体积较大，特别是在贴放元件的区域，贴装时会把柔软的焊膏挤出去。印刷到器件本体下面的焊膏，在回流时可能会被拉回到焊盘上，也有可能不会。 如果焊膏没有被拉回，在其液态时由于毛细作用能够转移到元件的边上，在冷却后形成锡珠。图4为典型的片式元件间锡珠。
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采用锡铅焊膏进行几百次MCSB测试，其数据统计结果显示，效果最差的网板设计是1:1焊盘开孔比例、矩形开孔、6mil网板厚度的组合。效果最好的情况是所谓的“本垒板” (homeplate) 型开孔，加上10% 的面积缩减，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，采用均热式温度曲线的效果不如斜升式温度曲线，因为焊膏会在达到液相线之前持续软化并塌落 (热坍塌)。
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MCSB测试包括最佳和最差的网板设计。在I部分， 结合了每一种表面处理方式，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推荐的焊盘标准。研究中并未包括0201元件，因为许多适合于较大无源元件的原则不一定能够适用于密间距微小元件的贴装。作者认为应该单独对0201进行更深层次的研究。
在第II部分，采用了三种新的开孔设计。如图6所示，第一个是尖角倒圆的本垒板形，后两个是带有三个圆弧的反本垒板形。同样，对300个与上面尺寸相同的元件进行组装，两种表面处理方式/网板厚度，以及两种回流曲线。
立碑与MCSB一样， 是SMT中另一个常见的缺陷，它们的形成有多种因素， 但也会受网板设计的影响。 立碑，也被称作“吊桥现象”或“曼哈顿现象”（Manhattan effect）。当作用在一端的焊膏的表面张力大于另一端的表面张力时就会产生；不平均的力瞬间作用于器件造成抬起，站立，像打开的吊桥。影响立碑的设计因素包括焊盘形状和热容的不同。影响立碑的组装因素包括焊膏印刷的位置精度，元件的贴装精度，以及在回流焊中进入液相时的温升斜率。 开孔设计与其他组装因素互相影响，也会造成立碑。 如果元件没有放在中心，它的一端会比另一端接触更多的焊膏，由于焊膏熔化，这会导致元件两端的张力差。 图7为一典型的立碑缺陷。
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锡铅焊膏的历史数据表明，一些开孔形状更易造成立碑(例如矩形)，而有些却不会(如“本垒板”形)。