SMT高密度細間距裝配中的模板設計和焊膏選擇

　　前言

　　隨著SMT朝著細間距元件的方向發展，SMD封裝引腳的密度越來越密，封裝尺寸減小的趨勢對焊膏印刷形成了嚴峻挑戰。統計表明，有50％以上的裝配缺陷是由于焊膏印刷造成的3，因此焊膏印刷成為影響SMT裝配質量的主要因素。

　　眾所周知，焊膏印刷中，有3個主要因素影響印刷質量：設備、焊膏選擇以及模板的選擇。設備主要是根據生產線整體要求購置，本文不做研究。模板的選擇所考慮的主要因素：模板設計、開口設計、模板印刷實施。而模板制造技術包括：化學蝕刻、激光切割、電解拋光、電鍍和電鑄成形。焊膏偏重于實驗選擇，可以向焊膏供應商提供一定的焊粉尺寸、合金含量等要求，選擇幾家焊膏供應商的樣品進行實驗，依據實驗所得的數據而判斷最適合于本企業產品的焊膏。

　　模板選擇

　　模板厚度與開口設計

　　當焊膏印刷時，模板厚度和模板開口尺寸的設計有一定的相互關系，這種關系用面積比(AR．指模板的開口面積與開口側壁面積的比值)來衡量，它是模板設計中最重要的參數。一般激光模板AR大于0．66，電鑄模板大于0．6。這種設計使印刷清晰度與焊膏的沉積量之間達到平衡，避免焊點焊料不足，并減少橋接的產生。在模板厚度選定的情況下，根據面積比原則選擇合適寬度，太小的模板開口導致焊點開路或焊點焊料不足；太大的開口容易引起橋接。表1提供了模板厚度與開口寬度之間的設計指導2。

　　模板的開口設計與焊盤

　　對于一次印刷產生的焊點，為了能夠將足夠的焊膏量傳遞到非細間距的焊盤上、同時避免過量的焊膏沉積在細間距焊盤上，模板的厚度必須仔細設計。為了能適應焊盤的最小尺寸，同時兼顧大焊盤的焊膏量，有幾種方法能使沉積到焊盤上焊膏量達到適量，它們分別為：

　　局部減薄模板

　　這種模板在細間距和非細間距焊盤部分擁有不同的模板厚度，通常的尺寸組合是：0．008in．(0．2mm)用于非細間距、0．006in．(0．1 5mm)用于細間距；或0．006in．(0．1 5mm)用于非細間距、0．004in．(0．10mm)用于細間距。

　　模板上細間距開口尺寸與焊盤上的尺寸相比，被減小10％-30％。這樣減少了焊盤上的焊膏沉積量。也為焊膏印刷中開口與焊盤的重合不良和焊膏塌陷提供了一些空間。●開口的四邊均勻減小

　　交錯印刷

　　模板只開焊盤一半的長度，并以交錯方式排列，對于錫一鉛涂層焊盤，當焊膏在焊接期間開始熔化時，熔化的焊料被認為是朝焊盤的另一半流去，達到完全覆蓋。對于裸銅或鎳表面，熔化的焊料可能不會流到沒有印刷焊膏的另一半焊盤面積上去，因此裸銅或鎳表面的PCB，慎重考慮此方法。

　　其他形狀

　　模板開口形狀是以某種選定形式，如三角形、淚滴形等，達到減少細間距焊盤上焊膏沉積量的目的。

　　折衷模板厚度

　　選一個折衷的模板厚度，使其既適合細間距焊盤又適合于非細間距焊盤；來取代不同的焊盤所需的各種不同的模板厚度。

　　模板材料選擇

　　在選定模板厚度和開口尺寸的條件下，模板的性能主要受到模板金屬板材和模板的開口加工工藝的影響。目前市場上有5種模板板材：黃銅、不銹鋼、鉬、42號合金和電鑄鎳。制造模板的工藝包括：化學蝕刻、激光切割、電解拋光、電鍍和電鑄成形。每種板材或制造工藝都有其固有優勢和局限性。評估模板性能的關鍵項目有：開口壁垂直性、墻壁的光滑性、以及尺寸精度。除此之外．耐久性、抗化學性、良好的開口能力以及成本也都是重要因素。表2將各種模板材料進行了比較，表3將模板制造技術的相對性能特點進行總結。

　　焊膏是一種膏狀形式的焊料，由于其獨特的優點對于工業界具有特別的重要性。焊膏具有可變形的黏彈性形式，其形狀和尺寸可挑選使用。焊膏的黏性提供了一種粘接能力，在元件與焊盤形成永久的冶金連接以前，保持元件在焊盤上而無需附加的粘膠。焊膏的金屬特性提供了相對高的導電率和熱傳導率。因此，對于表面安裝制造而言，焊膏既適應于自動化生產又有一定的黏性同時具有高傳導率，所以焊膏是最具有生命力的材料。它為電子封裝和裝配提供了電、熱和機械的互連。
焊膏選擇

　　焊膏選擇通常有焊粉尺寸、合金含量以及粘度。通常合金含量在90％左右，粘度1000Pa．s左右4。焊料合金粉末顆粒的尺寸、形狀及其均勻性是影響焊膏性能的重要參數，影響焊膏的印刷性、脫模性和可焊性。細小顆粒的焊膏印刷性比較好，特別對于高密度、窄間距的產品，由于細間距模板開口尺寸小，必須采用小顆粒合金粉末．否則會影響印刷性和脫模性。一般焊料顆粒直徑選擇約為模板開口尺寸的1／5，所以對窄間距元器件，一般選用25-45μm。

　　焊膏、模板的評估實驗

　　雖然按照前述的理論，選擇了模板和焊膏的參數，但市場上模板和焊膏的制造商很多，究竟哪那家的產品最適合本企業，還需要進行實驗．才能決斷；下面介紹2個實驗，僅供參考。

　　實驗一：在相同工藝參數條件下，如何評估各個廠家的模板印刷性能

　　采用同一種GB文件，對多個廠家加工的模板進行性能評估。評估實驗中所有印刷參數、設備、材料甚至環境都是相同的，被評估的模板加工方式是相同的，如都用激光加工。通過分析、測量各種印刷尺寸(如焊膏面積、體積等、焊膏沉積量等)和印刷缺陷(如橋接、焊膏過多或印量不足等)來評估模板性能。

　　模板設計包括廣泛的元件類型，本文介紹的實驗選了38種元件，包括0201、0402、20-30mil pitch μBGA、16、20、25mil pitch QFP以及40mil pitch CBGA)。

　　實驗二：對不同模板和不同供應廠商的焊膏配合使用，得到較佳組合。

　　模擬實際焊膏印刷過程中，印刷突然停止一段時間，然后再繼續印刷，測試焊膏的恢復能力。在實驗中用5種模板、3種焊膏，測試停止一段時間．比較、分析停止前后焊膏沉積數據。

　　實驗條件

　　模板：研究選用5種模板。#5是電鑄模板，其他模板(#6、11、21和22)是激光切割模板。所有模板都用相同的GB文件，因此所有模板開口尺寸都是絕對相同的。采用折衷模板厚度5個mil。

　　焊膏：實驗采用3種不同焊膏。焊膏“a”“b”曠均為川焊粉尺寸，Sn63／Pb37合金以及90％合金含量，只是供應商不同。而焊膏“c”為，V焊粉尺寸(通常焊粉尺寸30微米)，Sn63／Pb37合金以及90．8％稍高的合金含量。

　　印刷次數和停止時間：實驗一進行26次連續焊膏印刷(6次試印刷和20次正式試驗印刷)。對于實驗二進行6次連續焊膏印刷，在已給的停止時間之后，再進行6次印刷。停止前和停止后的焊膏沉積數據被比較。停止時間分別采用15分鐘和90分鐘。

　　印刷板：測試程序由印刷4種虛構的印刷板(A、B、C，D)和6種測試印刷板(1、2、3、4、5、6)組成。用于測試的PCB尺寸：254×406．4×1．6mm，測試板是裸銅板?沒有阻焊層和導線。每種板有8個基點，以便絲印機和焊膏檢查儀的對準。

　　元件：盡管不是所有元件都選來做焊膏檢查，但模板設計有很寬的元件范圍，具體如下：

　　1.16 mil(0．4mm)pitch QFP：2個(128個焊膏沉積總數)
　　2.20 mil(0．5mm)pitch QFP：2個(200個焊膏沉積總數)
　　3.31 mil(0．787mm)pitch μBGA：2個(98個焊膏沉積總數)
　　4.0201 chips：18個(36個焊膏沉積總數)
　　5.0402 chips：10個(20個焊膏沉積總數，)
　　6.20 mil(0．5mm)pitch μBGA：2個(800個焊膏沉積總數)
　　7.40 mil{1．0mm)pitch BGA：2個(992個焊膏沉積總數)
　　8.25 miI(0．635mm)pitch SOIC：5個(100個焊膏沉積總數)

　　所以每塊板有2374個焊膏沉積總數被測試，每個模板印刷12塊板，總共28488個焊膏沉積總數。

　　使用設備：使用DEK最大印刷機和GSI／Lumonics 8100焊膏檢查儀。

　　DEK印刷機設置參數如：

　　1．印刷速度=25mm／s
　　2．刮刀壓力=15kg(0．9375lb＼inch of刮刀長度)
　　3．刮刀角=60度
　　4．刮刀類型=金屬
　　5．刮刀長度=406mm
　　6．分離速度=0．5mm／s
　　7．分離距離=2.Omm

　　印刷條件：每一種印刷無論是停止15還是停止90分鐘，所有的5種模板都用新焊膏印刷。印刷順序是隨機的，而且印刷(4種虛構板和12塊測試板)使用的板完全相同。使用焊膏之前，攪拌30秒。在進行所有研究中房間的溫度和濕度一直受控。控制每次印刷間隔時間，保證間隔時間一致。在4次虛構板后，第一次的6塊板被印刷，然后停止印刷，停止15或90分鐘．這段時間印刷機空閑。停止后繼續進行板的印刷。測試繼續進行，在此期間模板不清潔。

　　測試內容：每塊板印刷后，焊膏檢測儀為每塊板產生一個文件。測試印刷的焊膏量和離差。
　　計算和結果

　　在停止前后，每快板焊膏沉積的數據都被收集，對于每一種模板和焊膏的組合，每個元件的平均焊膏量在停止前后也都被計算，以考察焊膏的恢復性。恢復性就是在等待時間之后焊膏沉積體積是否減少，可以定義為停止后的平均焊膏體積與停止前的平均焊膏體積之比。

　　圖1到圖4顯示5種模板、3種不同焊膏分別印刷BGA40，BGA 31 μBGA 20 and QFP 16、15分鐘停止前后的焊膏量。這里，5-a表示使用5號模板和a焊膏。焊膏c在等待時間后，幾乎總是完全恢復，而且體積損耗最小或沒有損耗。焊膏b和c比a具有更好的恢復性，三種焊膏中，焊膏c似乎具有最好的恢復性。焊膏的恢復性也取決于模板的不同。

　　圖9和圖10顯示15分鐘停止后焊膏的恢復與模板的關系。圖9可以看出，焊膏c在15分鐘停止后對所有的模板都完全恢復；而焊膏a在任何情況下，不管使用任何模板，都不能完全恢復；這些結果和圖1到圖4的結果一致。總之，如圖10示，在所有的模板中，22號模板恢復最小，焊膏c在5號、11號模板上有最好的恢復。焊膏b在5號、21號模板上有最好的恢復。盡管焊膏a對所有模板沒有完全的恢復，但對于11號模板，它的恢復性比其他模板要好。圖5—圖8顯示5種模板、3種不同焊膏分別印刷0402、0201、SOIC 25 and QFP 20，90分鐘停止前后的焊膏量。對于0402和0201CHIP元件，沒有一種焊膏完全恢復，但是對于其他2種元件，所有焊膏100％恢復。總體看，90分鐘停止后，3種焊膏中焊膏a具有最好恢復性，接著是焊膏c，它比焊膏b好。90分鐘停止，焊膏和模板之間的相關性很明顯。

　　除了對焊膏的恢復性進行研究外，還對模板與焊膏的不同組合所產生板的缺陷率進行了統計。研究對象為BGA焊點，通過凸點封裝生產分析也用來幫助決定最好、最全面的模板性能。通過輸入變量焊點直徑和厚度、PCB的翹曲度、凸點高度變化以及焊料的塌陷，計算再流焊后的裝配產量。對含有4個11μBGA20，2個BGA 31和3個BGA 40的20,000塊板進行焊接，缺陷板預報如圖13顯示。其中，5號模板使用焊膏c的缺陷板數只有焊膏a的50％。總之．在所有的模板——焊膏組合中，5號模板使用焊膏c產生的缺陷數最少。模板11號和焊膏a的結合產生最大的缺陷數。對于所有模板，通常焊膏c產生最小的缺陷數，而焊膏a給了最大的缺陷數。5號模板與其他模板相比產生最小缺陷數，接著22號模板。11號模板給出最大量的缺陷。圖11和圖12顯示90分鐘停止后焊膏恢復與模板的相關性。圖11中，5號模板在給定的停止時間后沒有一種焊膏完全恢復。和15分鐘停止相反，模板22號對于90分鐘停止顯示了最大的恢復。5號模板是所有模板中90分鐘停止后恢復最差的，盡管15分鐘停止后它提供了最好的恢復。 因此在實驗中，兩種停止的恢復結果是不一致的。從圖5到圖8，焊膏a在3種焊膏中有最好的恢復，且焊膏a在90分鐘停止后似乎有最小的模板依賴性。焊膏c與模板的相關性最大，接著焊膏b。
　　結 論

　　模板的設計和焊膏的正確選擇對SMT高密度細間距裝配起著關鍵性作用，除從理論上、經驗上進行模板的設計和焊膏選擇外，還必須進行實驗，以獲得正確數據。

　　本文介紹了2種實驗，試驗一，選用了23種模板、38種元件，評估各個廠家的模板印刷性能。得出#6，#22，#21和#11比較好。試驗二，用5種模板(#6，#22，#21，#5和#11)3種焊膏(編號a、b、c)，對不同模板和不同供應廠商的焊膏配合印刷，得到最佳組合。共進行2次停止實驗，第一個停止15分鐘，而第二個停止90分鐘，4次虛擬印刷(A，B，C和D)，接著6次實際印刷(1，2，3，4，5和6)，停止15或90分鐘后在印刷6次(7，8，9，10，11和1 2)。所有焊膏材料都是Sn63／Pb37。通常焊膏c有稍好的焊膏恢復性，b比a在15分鐘停止后有較好的恢復性,然而焊膏a在90分鐘停止后有最好的恢復性，其次是焊膏c。

　　在2種實驗中，模板對焊膏的恢復性也有影響。BGA生產的分析數據顯示：焊膏a產生了最大的缺陷，其次是焊膏b，焊膏a和模板11號的結合顯示了最大的缺陷；在所有的焊膏和模板的結合中，焊膏c和模板5號顯示了最少的缺陷。所有的模板中，5號模板產生最少的缺陷，11號模板產生最大的缺陷。

　　通常，在焊膏印刷過程中，焊膏的配方(焊膏供應商和產品)和模板類型(模板供應商和產品)是互相作用的，而且對印刷質量起到重大變化。