锡膏及基本概念与特性Word文档下载推荐.docx
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大致讲来,焊锡膏的成份可分成两个大的部分,即助焊剂和焊料粉(FLUX
&
SOLDER
POWDER)。
(一)、助焊剂的主要成份及其作用:
A、活化剂(ACTIVATION):
该成份主要起到去除PCB铜膜焊盘表层及零件焊接部位的氧化物质的作用,同时具有降低锡、铅表面张力的功效;
B、触变剂(THIXOTROPIC)
:
该成份主要是调节焊锡膏的粘度以及印刷性能,起到在印刷中防止出现拖尾、粘连等现象的作用;
C、树脂(RESINS):
该成份主要起到加大锡膏粘附性,而且有保护和防止焊后PCB再度氧化的作用;
该项成分对零件固定起到很重要的作用;
D、溶剂(SOLVENT):
该成份是焊剂组份的溶剂,在锡膏的搅拌过程中起调节均匀的作用,对焊锡膏的寿命有一定的影响;
(二)、焊料粉:
焊料粉又称锡粉主要由锡铅合金组成,一般比例为63/37;
另有特殊要求时,也有在锡铅合金中添加一定量的银、铋等金属的锡粉。
概括来讲锡粉的相关特性及其品质要求有如下几点:
A、锡粉的颗粒形态对锡膏的工作性能有很大的影响:
A-1、重要的一点是要求锡粉颗粒大小分布均匀,这里要谈到锡粉颗粒度分布比例的问题;
在国内的焊料粉或焊锡膏生产厂商,大家经常用分布比例来衡量锡粉的均匀度:
以25~45μm的锡粉为例,通常要求35μm左右的颗粒分度比例为60%左右,35μm
以下及以上部份各占20%左右;
A-2、另外也要求锡粉颗粒形状较为规则;
根据“中华人民共和国电子行业标准《锡铅膏状焊料通用规范》(SJ/T
11186-1998)”中相关规定如下:
“合金粉末形状应是球形的,但允许长轴与短轴的最大比为1.5的近球形状粉末。
如用户与制造厂达成协议,也可为其他形状的合金粉末。
”在实际的工作中,通常要求为锡粉颗粒长、短轴的比例一般在1.2以下。
A-3、如果以上A-1及A-2的要求项不能达到上述基本的要求,在焊锡膏的使用过程中,将很有可能会影响锡膏印刷、点注以及焊接的效果。
B、各种锡膏中锡粉与助焊剂的比例也不尽相同,选择锡膏时,应根据所生产产品、生产工艺、焊接元器件的精密程度以及对焊接效果的要求等方面,去选择不同的锡膏;
B-1、根据“中华人民共和国电子行业标准《锡铅膏状焊料通用规范》(SJ/T
11186-1998)”中相关规定,“焊膏中合金粉末百分(质量)含量应为65%-96%,合金粉末百分(质量)含量的实测值与订货单预定值偏差不大于±
1%”;
通常在实际的使用中,所选用锡膏其锡粉含量大约在90%左右,即锡粉与助焊剂的比例大致为90:
10;
B-2、普通的印刷制式工艺多选用锡粉含量在89-91.5%的锡膏;
B-3、当使用针头点注式工艺时,多选用锡粉含量在84-87%的锡膏;
B-4、回流焊要求器件管脚焊接牢固、焊点饱满、光滑并在器件(阻容器件)端头高度方向上有1/3至2/3高度焊料爬升,而焊锡膏中金属合金的含量,对回流焊焊后焊料厚度(即焊点的饱满程度)有一定的影响
C、锡粉的“低氧化度”也是非常重要的一个品质要求,这也是锡粉在生产或保管过程中应该注意的一个问题;
如果不注意这个问题,用氧化度较高的锡粉做出的焊锡膏,将在焊接过程中严重影响焊接的品质。
锡膏性能基准测试的四个步骤
理解锡膏性能是努力改善合格率和降低成本的基础。
步骤一和二对锡膏的当前功能与合格率性能作基准测试,并且作为将来材料研究的一个可靠的工程基础。
如果计划转换到一种替代的锡膏成分,则推荐使用下面一系列的测试事项来保证成功的实施。
步骤一,基准测试现有锡膏的当前性能。
测试那些可以影响视觉与电气第一次通过合格率的主要功能特性。
为了达到可重复性和产品的中性化,这个测试最好是在测试模型上离线完成。
功能测试包括:
可印刷性、塌落形态、粘性和粘性寿命、可焊接性、残留水平和可清洁性(如果可应用)。
步骤二,基准测试当前锡膏在可能"
挑战"
该材料的产品上的产品与过程合格率,该产品可能具有比传统产品设计更密的脚距或更广的元件范围;
还有,选择一个已完成原型阶段但还处在寿命早期的产品。
(这步将在第三步的落选材料上重复,和可能使用新锡膏的产品上重复进行)。
在一组基准测试中的所有重复事项都要详细记录,以便可以查明什么可归因于锡膏性能。
这时也可记录用量和浪费。
如果可能,也应记录作基准测试时的工厂情况,如温度、湿度、操作员、板的批号、锡膏,甚至元件。
应该选择一个"
好的"
批量:
制造环境中较具典型的,足够大到对统计有意义的(如大于50但小于500)。
得出一个测试合格率的详细报告。
说明元件返工的特殊原因,每个事件都应找出原因,如焊锡不足、开路、锡桥、墓碑、熔湿差、引脚不共面、元件没放准和元件丢失等。
由于当前材料的性能是通过主要的功能测试与其合格率损失来度量的,这是个好时候来评估该锡膏用于用户装配的主要性能类别的相对重要性。
例如,如果检查分析表明有较高百分比的丢失元件,那么粘性可能是很重要的。
类似的,如果检查主要发现焊锡不足和/或开路,那么可焊接性需要增加。
如果在步骤一发现塌落(短路是主要的返工项目),则表明要寻找一种很少或没有塌落的材料。
步骤三。
新材料的测试是在步骤一中对现有锡膏所标定的相同条件和方法下进行。
然后评估结果,落选所有那些表现更差性能的材料。
事实上,应该注意到性能上的一些平衡
-
应用从步骤二得出的性能期望的用户设定。
步骤四。
当能够证实新材料合格率和/或产量的提高的时候,应该生产第二批的产品
尽可能地接近步骤二相同的条件。
如果情况相差太大,应该用现有锡膏生产出相同数量的板。
重要的是:
为了精确评估材料变化的效果,必须详细记录所有的缺陷。
锡膏印刷前的准备
锡膏从冰箱中取出,投入印刷工序之前一定要进行以下2个步骤的操作:
(1)不要开封,在室温下放置至少4-6个小时以上,以使锡膏的温度自然回升至室温。
(2)锡膏温度达到室温之后,在投入印刷之前,要进行搅拌以保证锡膏中的各组成成分均匀分布。
建议采用专用搅拌设备,沿同一方向搅拌1-3分钟即可。
锡膏印刷质量控制
在表面贴装装配的回流焊接中,锡膏用于表面贴装元件的引脚或端子与焊盘之间的连接。
有许多变量,如锡膏、丝印机、锡膏应用方法和印刷工艺过程。
在印刷锡膏的过程中,基板放在工作台上,机械地或真空夹紧定位,用定位销或视觉来对准。
或者丝网(screen)或者模板(stencil)用于锡膏印刷。
本文将着重讨论几个关键的锡膏印刷问题,如模板设计和印刷工艺过程。
印刷工艺过程与设备 在锡膏印刷过程中,印刷机是达到所希望的印刷品质的关键。
今天可购买到的丝印机分为两种主要类型:
实验室与生产。
每个类型有进一步的分类,因为每个公司希望从实验室与生产类型的印刷机得到不同的性能水平。
例如,一个公司的研究与开发部门(R&
D)使用实验室类型制作产品原型,而生产则会用另一种类型。
还有,生产要求可能变化很大,取决于产量。
因为激光切割设备是不可能分类的,最好是选择与所希望的应用相适应的丝印机。
在手工或半自动印刷机中,锡膏是手工地放在模板/丝网上,这时印刷刮板(squeegee)处于模板的另一端。
在自动印刷机中,锡膏是自动分配的。
在印刷过程中,印刷刮板向下压在模板上,使模板底面接触到电路板顶面。
当刮板走过所腐蚀的整个图形区域长度时,锡膏通过模板/丝网上的开孔印刷到焊盘上。
在锡膏已经沉积之后,丝网在刮板之后马上脱开(snap
off),回到原地。
这个间隔或脱开距离是设备设计所定的,大约0.020"
~0.040"
。
脱开距离与刮板压力是两个达到良好印刷品质的与设备有关的重要变量。
如果没有脱开,这个过程叫接触(on-contact)印刷。
当使用全金属模板和刮刀时,使用接触印刷。
非接触(off-contact)印刷用于柔性的金属丝网。
刮板(squeegee)类型 刮板的磨损、压力和硬度决定印刷质量,应该仔细监测。
对可接受的印刷品质,刮板边缘应该锋利和直线。
刮板压力低造成遗漏和粗糙的边缘,而刮板压力高或很软的刮板将引起斑点状的(smeared)印刷,甚至可能损坏刮板和模板或丝网。
过高的压力也倾向于从宽的开孔中挖出锡膏,引起焊锡圆角不够。
常见有两种刮板类型:
橡胶或聚氨酯(polyurethane)刮板和金属刮板。
当使用橡胶刮板时,使用70-90橡胶硬度计(durometer)硬度的刮板。
当使用过高的压力时,渗入到模板底部的锡膏可能造成锡桥,要求频繁的底部抹擦。
为了防止底部渗透,焊盘开口在印刷时必须提供密封(gasketing)作用。
这取决于模板开孔壁的粗糙度。
金属刮刀也是常用的。
随着更密间距元件的使用,金属刮刀的用量在增加。
它们由不锈钢或黄铜制成,具有平的刀片形状,使用的印刷角度为30~45°
一些刮刀涂有润滑材料。
因为使用较低的压力,它们不会从开孔中挖出锡膏,还因为是金属的,它们不象橡胶刮板那样容易磨损,因此不需要锋利。
它们比橡胶刮板成本贵得多,并可能引起模板磨损。
使用不同的刮板类型在使用标准元件和密脚元件的印刷电路装配(PCA)中是有区分的。
锡膏量的要求对每一种元件有很大的不同。
密间距元件要求比标准表面贴装元件少得多的焊锡量。
焊盘面积和厚度控制锡膏量。
一些工程师使用双厚度的模板来对密脚元件和标准表面贴装焊盘施用适当的锡膏数量。
其它工程师采用一种不同的方法
他们使用不需要经常锋利的更经济的金属刮刀。
用金属刮刀更容易防止锡膏沉积量的变化,但这种方法要求改良的模板开孔设计来防止在密间距焊盘上过多的锡膏沉积。
这个方法在工业上变得更受欢迎,但是,使用双厚度印刷的橡胶刮板也还没有消失。
模板(stencil)类型 重要的印刷品质变量包括模板孔壁的精度和光洁度。
保存模板宽度与厚度的适当的纵横比(aspect
ratio)是重要的。
推荐的纵横比为1.5。
这对防止模板阻塞是重要。
一般,如果纵横比小于1.5,锡膏会保留在开孔内。
除了纵横比之外,如IPC-7525《模板设计指南》所推荐的,还要有大于0.66的面积比(焊盘面积除以孔壁面积)。
IPC-7525可作为模板设计的一个良好开端。
制作开孔的工艺过程控制开孔壁的光洁度和精度。
有三种常见的制作模板的工艺:
化学腐蚀、激光切割和加成(additive)工艺。
化学腐蚀(chemically
etched)模板 金属模板和柔性金属模板是使用两个阳性图形通过从两面的化学研磨来蚀刻的。
在这个过程中,蚀刻不仅在所希望的垂直方向进行,而且在横向也有。
这叫做底切(undercutting)
开孔比希望的较大,造成额外的焊锡沉积。
因为50/50从两面进行蚀刻,其结果是几乎直线的孔壁,在中间有微微沙漏形的收窄。
因为电蚀刻模板孔壁可能不平滑,电抛光,一个微蚀刻工艺,是达到平滑孔壁的一个方法。
另一个达到较平滑孔壁的方法是镀镍层(nickel
plating)。
抛光或平滑的表面对锡膏的释放是好的,但可能引起锡膏越过模板表面而不在刮板前滚动。
这个问题可通过选择性地抛光孔壁而不是整个模板表面来避免。
镀镍进一步改善平滑度和印刷性能。
可是,它减小了开孔,要求图形调整
激光切割(laser-cut)模板 激光切割是另一种减去(subtractive)工艺,但它没有底切问题。
模板直接从Gerber数据制作,因此开孔精度得到改善。
数据可按需要调整以改变尺寸。
更好的过程控制也会改善开孔精度。
激光切割模板的另一个优点是孔壁可成锥形。
化学蚀刻的模板也可以成锥形,如果只从一面腐蚀,但是开孔尺寸可能太大。
板面的开口稍微比刮板面的大一点的锥形开孔(0.001"
~0.002"
,产生大约2°
的角度),对锡膏释放更容易。
激光切割可以制作出小至0.004"
的开孔宽度,精度达到0.0005"
,因此很适合于超密间距(ultra-fine-pitch)的元件印刷。
激光切割的模板也会产生粗糙的边缘,因为在切割期间汽化的金属变成金属渣。
这可能引起锡膏阻塞。
更平滑的孔壁可通过微蚀刻来产生。
激光切割的模板如果没有预先对需要较薄的区域进行化学腐蚀,就不能制成台阶式多级模板。
激光一个一个地切割每一个开孔,因此模板成本是要切割的开孔数量而定。
电铸成型(electroformed)模板 制作模板的第三种工艺是一种加成工艺,最普遍地叫做电铸成型。
在这个工艺中,镍沉积在铜质的阴极心上以形成开孔。
一种光敏干胶片叠层在铜箔上(大约0.25"
厚度)。
胶片用紫外光通过有模板图案的遮光膜进行聚合。
经过显影后,在铜质心上产生阴极图案,只有模板开孔保持用光刻胶(photoresist)覆盖。
然后在光刻胶的周围通过镀镍形成了模板。
在达到所希望的模板厚度后,把光刻胶从开孔除掉。
电铸成型的镍箔通过弯曲从铜心上分开
一个关键的工艺步骤。
现在箔片准备好装框,制作模板的其它步骤。
电铸成型台阶式模板可以做得到,但成本增加。
由于可达到精密的公差,电铸成型的模板提供良好的密封作用,减少了模板底面的锡膏渗漏。
这意味着模板底面擦拭的频率显著地降低,减少潜在的锡桥。
锡膏保存及使用注意事项
一、保存方式
由于锡膏为化学制品,保存于冷藏库中(5~10℃
)可降低活性,增长使寿命,避免放置于高温处,易使锡膏劣质化。
二、回温
冷藏时活性大大降低,所以使用前一定要将锡膏置室温中,恢复活性,方可表现最佳焊接状态。
三、搅拌
1.搅拌是使锡粉末与Flux均匀混合,但如搅拌时间过长会破坏锡
粉末形状甚至粘度。
2.如果搅拌前,锡膏表面产生硬块,将表面硬块除去方可使用。
3.不同型号、厂牌锡膏请勿混合使用,以避免发生不良之现象。
无铅焊膏印刷工艺闭环过程控制
近几年来,焊膏印后检测技术有了很大进展。
焊膏印刷后/器件贴装前,对印制板焊膏转印图形的即时检测能力的准确性更好,重复性更高,速度更快。
现在,与模板印刷机总成的焊膏印后检查系统,或立式自动光学检查系统(AOI)已能以接近SMT组装线的生产速度,提供非常可靠的检查能力。
然而,无论设备多么先进,没有一台焊膏印后检查系统能真真实际意义上的纠正被检目标缺陷。
现有印后检查系统能确定缺陷,提示存在问题的操作者或工艺工程师。
被确定的缺陷固定下来,不致于在随后的加工过程中被发现为其付出更大代价。
工艺工程师或技术人员必须对从印后检测系统,统计过程控制(SPC)系统得到的焊膏印刷性能作出评价,确定缺陷产生的原因,从根源具体消除或最大限度减少问题的产生需要实施的步骤。
没有一台印后检查系统能不需要工艺工程师持续地进行纠正工作,永远消除缺陷的重新出现。
焊膏印刷工艺闭环过程控制的观念不仅包括缺陷检查系统,还必须具备工艺智能调整(主要调整模板印刷机的操作参数)以防止问题的重新发生。
本文将讨论包括焊膏印刷工艺在内的闭环过程控制。
讨论涉及这方面研究的现状,优越性,局限性,实施所需的技术及将来的创新。
引言
印制板组装厂为其组装生产线期望达到更好的产能,闭环过程控制技术的应用已深透到SMT制造工艺的各个方面。
目前,这些过程控制系统主要描准器件贴装及再流焊两项工艺。
实施过程控制能对印制板组装厂产生显著影响就是模板印刷工艺。
印制板组装厂始终对印刷缺陷检查有兴趣,组装工程师正开始关注对缺陷的予防能力,并非是缺陷检查。
这只能通过提供强有力的闭环过程控制才能实现。
何谓‘闭环过程控制’?
‘闭环过程控制’是一种持续监控与调整过程,以保持一个输出或多个输出具体目标值的方法。
有许多途径来考虑闭环过程控制什么。
有许多系统监测与控制某个具体工艺过程内在的运行。
例如,变换器可读取一个压力,及访问每一工艺状态的压力增加或减少。
这是闭环工艺内在控制某个特定工艺过程。
本文集中讨论闭环过程控制,测量某个特定工艺的输出或结果,调整工艺的某个操作参数或一组参数,以保持输出目标值。
闭环过程控制的正常运作,必须了解测量什么参数,(访问输出值),那些因素影响输出值的波动。
必须首先鉴别某个工艺重要的单个输出量或多个输出量(高度,重量,体积,形状,温度,电压等),通过使用常规统计工具(如实验设计)输出定量化。
将影响选定输出性能的单个或多个操作参数(例如;
温度,速度,压力,等),也必须被鉴别,且使用常规统计工具定量化。
一旦鉴别及量化测量这些输出值重要操作方法,它们必须被鉴别及定量化。
测量方法的条件必须包括统计确认测试,如测量重复性与再现性(GaugeR&
R),保证测量系统的准确性与重复性。
测量已鉴别的输出值,其后,闭环系统必须懂得那些单个或多个操作参数必须被调整,使得输出测量值返回到目标值。
精密电子组装始终有两项策略实现产品加工最高的首次通过率产能;
一次通过率定义为产品被测试无需任何返工或返修,在第一时间工作的产品。
策略其一是予防缺陷发生,其二,尽可能早在制造过程中,搜寻到出现的缺陷。
连同可靠合理的工艺制定与过程控制工作,闭环过程控制是‘予防缺陷产生’策略的理想工具。
闭环过程运作的结果;
在绝对宽的时间内,此项工艺处于理想状态,从理论上,此项指定工艺能生产绝对最低量缺陷的产品。
具有最低可能的缺陷率能获得最大的收益率。
闭环过程控制的作用
闭环过程控制运作的目标是
使得指定工艺过程实现最低加工缺陷率。
全闭环过程自监测,自纠正功能,从以下几个方面得到改善,使得生产成本明显降低:
l
减少返工
减少返修
避免因返工或返修(ESD,传递等)造成的损坏
减少废弃物
减少检测与测试设备与财力
减少利润回报
减少使用期质量保证成本
予防延期交货
增加用户满意度
许多因素正促使首先应该强调是予防缺陷,其二尽可能在制造过程早期发现缺陷。
电子器件正越来越变得复杂(外形尺寸大,周边BGA,柱形引脚阵列等),小形器件(0201,01005,CSP,microBGA等),且器件成本更昂贵。
小型及封装复杂器件将给寻找缺陷更加困难,返修难度增加,因造成返工返修损怀器件报废。
予防缺陷始终是主要目的。
既是在制造过程非常早发现缺陷,也将存在返修成本。
显然任何缺陷不可能是另返修成本。
对电子制造过程中的缺陷成本分析,带有缺陷的产品出厂进入市场,且在用户手里发现问题,此时的缺陷成本将是制造过程各工序发现的缺陷成本高出许多倍(见表1,表2缺陷成本)。
闭环过程控制将为予防缺陷发生节省大量成本支出。
表1缺陷成本(据主要SMT组装厂提供)
缺陷发现的工艺步序
缺陷成本
再流焊前
$0.44
再流焊后,ICT前
$1.65
在线测试(IT)
$2.33
最后产品组装
$49.73
上市(出厂后)
$550.00
产品上市的缺陷成本是再流焊前的1,250倍。
表2缺陷成本(AOI设备制造商提供)
$0.50
$5.00
$35.00
$350.00
产品上市的缺陷成本是再流焊前的700倍。
缺陷成本的‘大拇指’原则称之为‘幅度量级原则’,该原则表述在制造过程任一级工序发现的缺陷成本将比前一级工序发现同样缺陷的成本大10倍,甚至超过。
举例;
每一组装1,000块印制板(每块印制板贴装4只BGA)或4,000块印制板(每块印制板贴装1BGA)
SMT组装线制造工艺运转一年365天。
缺陷发生率100ppm
BGA器件单件成本$100
BGA器件引脚数250
BGA单件返工成本$100
在此例举中;
每天发现BGA引脚缺陷100,一年BGA引脚缺陷36,500。
假定每天引脚缺陷发生在10块印制板上。
结果返工及器件报废成本为每天$2,000/day,一年达$730,000/year!
闭环过程控制能够予防这些缺陷的部分发生,成本也将得到明显降低。
表3闭环过程控制的收益;
闭环过程控制BGA缺陷率减少
每年成本节省
100%
$730K
90%
$657K
80%
$584K
70%
$511K
60%
$438K
50%
$365K
40%
$292K
30%
$219K
20%
$146K
10%
$73K
0%
$0
缺陷经常发生在那里?
大多数电子组装操作者计算‘缺陷机率’数,计算器件的全部引脚,于是作为该器件缺陷机率。
一种类型缺陷的实际缺陷数与全部‘缺陷机率’总数比较,计算缺陷率,一般用每百万‘缺陷机会’数中的实际缺陷的多少(PPMO)。
用这种方法来计算缺陷机率,结果显示超过全部缺陷机率数的75%源自于焊膏印刷及焊接工艺(再流焊与波峰焊)。
对某大批量SMT组装厂的6个月的研究显示;
由模板印刷,再流焊,波峰焊产生的缺陷平均达到84.08%。
既使焊膏印刷工艺在缺陷减少做了少些改进,也会对整个SMT工艺质量,及首次产品通过率产生显著影响。
(图4所示)。
在,闭环焊膏印刷工艺在工艺过程中控制大量缺陷数机率将提供明显好处。
图4焊点DPMO对印制板组件(含3,000个焊点)的组装产能的影响。
焊点DPMO
印制板组装产能
5
98.5%
10
97%
25
92.5
50
85%
100
70%
模板印刷工艺的闭环过程控制
本节讨论闭环过程控制在模板印刷工艺中的应用。
下面讨论的闭环系统现用于模板印刷机或模板印刷机与外设A
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