无铅SMT工艺中网板的优化设计

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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。

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。



方型扁平封装——对于间距小于20mil的器件， 当开孔与焊盘的比率为1：1时， 会增大桥连的风险。 要降低风险，通常的做法是减少一定量的印刷面积。 将开孔面积减少10%，孔自然减小。然而，当印刷面积减少10%，焊盘暴露的风险也会提高。 虽然暴露焊盘不会损害可靠性，但它影响到组件的外观。 如果锡铅工艺中需要关注裸露的焊盘， 那么在无铅工艺中则更需要关注。

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。




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。



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)。




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。




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)。

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。



方型扁平封装——对于间距小于20mil的器件， 当开孔与焊盘的比率为1：1时， 会增大桥连的风险。 要降低风险，通常的做法是减少一定量的印刷面积。 将开孔面积减少10%，孔自然减小。然而，当印刷面积减少10%，焊盘暴露的风险也会提高。 虽然暴露焊盘不会损害可靠性，但它影响到组件的外观。 如果锡铅工艺中需要关注裸露的焊盘， 那么在无铅工艺中则更需要关注。

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。




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。



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)。




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。




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)。

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片式元件间锡珠与立碑的比较：平衡的结果

从前两个研究中可以知道，立碑和片式元件间锡珠的网板设计参数完全不同。事实上生产过程中必须要折衷。用来研究片式元件间锡珠的器件也被用来检查立碑。虽然此项研究不是为了减少立碑，但仍然要观察其缺陷率，因为研究人员不希望在优化MCSB的性能的同时，以增加立碑的缺陷率为代价。

组装——全部174块线路板在一条小的试验线上进行组装。此研究中使用的设备包括MPM UltraFlex 3000网板印刷机，环球仪器Advantis贴片机，和一台 Electrovert OmniFlow 七温区回流炉。 图8-11为回流曲线。 使用的焊膏为3号粉，免清洗焊膏。锡铅合金为6337，无铅合金为 锡96.5/银3.0/铜0.5 (SAC 305)。









结果及讨论

扩展性
正如前面描述的，扩展性测试用两种不同的方法进行。 结果已用图12到14总结。图13和14表示了回流后焊点面积与焊膏印刷面积之间的比率。此扩展性测试的结果表明无铅和锡铅焊膏的扩展性非常接近，无铅的扩展性更好一些。



显然，这些测试结果有些奇怪，因为有很多文献可以证明锡铅焊膏的扩展性比无铅焊膏好，而且此观点也被普遍接受。数据反常的潜在原因包括测试的种类和测试的方法。由于焊膏印刷面积远小于焊盘面积，扩展不受焊盘边角的影响。焊点周围的不平均的扩展性没有被计算。测试结果只是来源于简单面积比率计算，没有考虑焊膏的形成或流动。由于比较电子显微镜测量的面积是由人工定义的，这种给测试带来了不同程度的主观性，尤其是不同的人在不同的时间测试不同的样品。

作者对这种测试方法的合理性持一定的怀疑，这也是介绍交叉印刷方法的原因。

交叉印刷测试比普通扩展性测试对润湿性的定义更好。 图15列出在所有表面处理板上无铅焊膏的桥连数量。图16列出锡铅焊膏的同样测试结果。 图17举例说明锡铅焊膏与无铅焊膏在最难润湿的OSP表面上的润湿性上的差别。



毫无疑问，测试量化的扩展性差异与业内公认的情况相符。一如所料，ENIG表面涂层显示了完美的扩展性，甚至达到本测试的上限；IMSN也显示出了类似的情况，只是在最大间隙处有几个点没有桥连。OSP和IMAG对锡铅和无铅焊膏都显示了较低的扩展特性，这同样在预料之中。

今后，作者将利用交叉测试来证明扩展性。与原来的方法进行比较，这种测试方法提高了精确性，更为客观和清晰，实施起来更加快速、经济。

QFP的润湿性
本测试检验了 QFP 的焊盘裸露和桥连缺陷，总共贴装和测试了348次，却只发现了4个桥连。作者不敢轻易根据如此小的样本量和似乎无统计意义的测试结果妄下结论。由于组装工艺在实验室中进行，印刷和贴装设备都被调整得非常好，不存在典型生产环境中的干扰因素。作者认为如果在典型生产设备公差下，制造的样板越多，得到的数据越有意义。

不管开孔如何，ENIG和IMSN如预期的那样表现出完全的扩展性，因此它被认为在ENIG或IMSN表面最终处理上进行组装时， 组装者可以继续使用现在缩小的QFP开孔。

同样，OSP和IMAG在焊盘的角落的扩展性并不完全，但都符合IPC的可接受标准。在焊盘的边缘，IMAG较OSP为好，但比不上ENIG或IMSN。

片式元件间锡珠
片式元件间锡珠的计算包括板上所有的元器件。 共有6960个元件进行了组装和检测。图19概括了全部MCSB的数量。结果如下：

 总体来说，无铅焊膏MCSB的数量比锡铅焊膏的少
 化学锡所产生的MCSB的数量最少，接下来是ENIG，OSP和化学银
 均热式曲线比斜升式曲线的MCSB少。
 6 mil的网板所产生的MCSB远远多于5mil板。 需要注意的是，为了比较出“最好”和“最差”的情况，6 mil网板使用的是开孔与焊盘为1：1矩形开孔，5mil使用的是“本垒板”开孔，面积减少10%。





以元件尺寸来细分，图19显示了使用无铅焊膏，对于每种封装类型在所有四种表面处理板上的MCSB的总和。图20是锡铅焊膏的结果。元件类型后的字母H和V各自代表水平及垂直放置的元件。这里的数据使用的是斜升式回流曲线。对于无铅焊膏，中间尺寸的元件会产生较多的元件间锡珠， 尤其是在IMAG 和ENIG板上。OSP和IMSN板上的分布较为均匀。锡铅焊膏的片式元件间锡珠的数量总体来说随着元件尺寸的减小而减少，只有在使用化学银板时，对于0603元件MCSB的比率开始上升。在化学银的72个MCSB记录中，有67个是在连续的两块板上发现的。其中的一块板在垂直排列的元件中出现了28个MCSB。研究人员猜测这是由于特殊原因造成的反常数据，很可能是因为机器贴装造成的。然而，这部分数据依然要被包括，读者或许可以对这些数据的可靠性打个折扣。

在第II部分，从图20可以看出，比例为20%、60% 和20%的圆弧形“反本垒板”产生的 MCSB 最少。我们还研究了三种新型开孔的情况（参见图21和22）。






立碑
图23列出了所有板上的立碑的缺陷，通常能观察到的立碑的数量很少。 观察结果包括：
• 与锡铅焊膏相比，通常无铅焊膏的立碑缺陷更多。 这很可能是由于共晶的锡铅焊料具有更佳的润湿性。
• 有趣的是，均温曲线的立碑缺陷更多。这与一些固有的观念相矛盾，高均温曲线能减少立碑。
• 6mil网片比5mil产生更多的立碑。这很可能是由于焊料的体积更大。 作者相信下一个研究会是印刷体积与立碑率，包括4mil网片之间的关联。
• 使用20/60/20的反转的“反本垒板”形开孔设计，发现能最小化MCSB，而且无立碑产生。

作者想强调的是，事实上这个测试不是用来表现立碑的特性，而是确保优化MCSB开孔不会显著增加立碑比率。贴装精度和温度曲线类型对立碑的影响非常显著，如果要包括贴装和回流参数，我们的研究将不得不扩展到超出合理的范围。

图23到图25描述立碑的起因以及立碑与片式元件间锡珠的互相作用。




控制定位精度
如前所述，网板印刷的目标是在正确的位置放入正确量的焊膏。网板开孔的定位精度以及他们与PWB板上开孔对准的方法决定了焊膏的印刷位置。

为了控制定位精度， 网板制造者必须校验激光切割机，应用在校验过程中得到的偏移量进行校准。 网板制造的一个方法是设计一个标准的测试板，进行切割，然后测量其与CAD数据的差异（或者标称位置）。 Cookson Electronics当前在世界各地用于网板校准的测试载板包括324个完全一样的圆孔，它们以1英寸中心距分布在17x17英寸的坐标网格上。切割和测量之后， 对机器轴的线性漂移和角度偏移数据进行分析。分析的结果被用来合并修改的因素，确保定位精度为1 mil (25 m) @4 sigma levels，或者Cpk 1.33的水平。

表1 ±1 mil (25 m)的定位精度与工艺能力的关系。注意PPM缺陷是基于静态工艺，不包括1.5 sigma的变化





通过测量最终完成的测试板，映射出的激光切割机定位精度显示出十分有趣的结果。图26和27比较激光切割机在校准前和校准后的X定位精度。在Y方向也发现了类似的变化。



网板及PWB对准
影响网板和PWB对准的因素包括PWB对准精度的差异，印刷机对准能力的差异，以及印刷机自身的定位差异。到目前为止，PWB差异是对准不良最大的因素。我们都知道由于制造工艺，PWB相对CAD数据中会缩减。同样也经历过在首次回流工艺中板的收缩，这样会加剧第二面板印刷时的对准不良。要确定PWB的定位差异，可以对其进行测量，这样可以定制网板以适应PWB。

结论&推荐
减少片式元件间锡珠的形成，最好是采用“反本垒板”形开孔设计，孔的比例是20%-60%-20%。 此开孔不会产生任何立碑。

试验证明，为了测量焊膏的湿润性和扩散能力，交差印刷法胜过覆盖率测试法。
QFP数据是非决定性的。推荐在生产环境中进行这个测试，这样可以获得更多相关大规模生产中的系统干扰下的样本。推荐进行更多的研究来了解立碑的特性，尤其是在不同的无铅合金之间。


感谢
作者想借此感谢整个研究团队及支持此项研究的朋友们：Westin Bent, Grant Burkhalter, Leon Herbert, Horladine Maciel, Bawa Singh, Valentijn Van Velthoven, Greg Wade。

参考书目
1. “Reducing Variation in Outsourced SMT Manufacturing Through the use of Intelligent Stencil Systems”, Chrys Shea, Valentijn Van Velthoven, Ron Tripp and Ranjit S Pandher, To appear in Circuits Assembly 2004

2. Self-Centering of Offset Chip Components in a Pb-free Assembly”, Amey Teredesai, Srinivasa Aravamudhan and Joe Belmonte, Richard Szymanowski, To be presented at IPC 2004.


3. “HUPUG’s Lead-free design, materials and process of high density packages”, Joe Smetana, BobHorsley, John Lau, Ken Snowdon, Dongkai Shangguan, Jerry Gleason, IRV Memis, Dave Love, Walter Dauksher and Bob Sullivan, presented at IPC 2003.

4. “Process characterization of pcb assembly using 0201 packages with lead-free solder, David Geiger, Fredrik Mattsson”, Dr. Dongkai Shangguan, MT Ong, Patrick Wong, Mei Wang, Todd Castello, and Sammy Yi, NEPCON West - Fiberoptic Expo, 2002