实现无铅电子产品装配的最后期限一天天逼近。本文回顾了使用无铅材料进行丝网印刷的各种见解，最后对一些问题进行讨论。
随着距离2006年7月无铅电子产品装配的最后期限一天天逼近，制造商一定把运用生产标准的亲身经验摆在首位，保证到时候能够以最高的成品率、100%的信心使用无铅工艺进行生产。
焊膏技术
这个行业似乎已经找到了最合适的焊料合金——Sn96.5Ag3.0Cu0.5。然而，焊膏的所有成分，包括焊剂和其他化合物，对于不同的生产厂家的产品而言，可能有相当大的差别。使用者可以通过回熔时的湿润性和焊点的强度和外观看出它们之间的差别。在贴片之前，焊膏化合物中的这些差别的影响，表现在流变性有一些不一样，在把孔填满或者释放焊膏时，会产生不同的结果。工程师们必须找到最理想的机器和工艺参数设置，正确地加以对比，确认最适合他们的产品和生产环境的焊膏。在评价焊膏和开发新工艺时，制造商也应该想到，有可能出现新的模板设计规则。现有的规则是围绕SnPb焊膏发展起来的，大家知道，SnPb焊膏的物理特性与现在的无铅焊膏很不一样。
人们已经发现了一些关于无铅模板理想材料和制作方法的有价值信息。这就是，就焊膏转移和释放方面，表面摩擦力低的孔表现得更好。
工艺参数
勿庸置疑，改为使用无铅焊膏，要求在机器的设置有所改变。例如，实验数据显示，必须考虑分开的速度1，然而，SnPb焊膏对这一参数的变化反应并不灵敏。
图1说明，在使用无铅焊膏时，机器的所有设置之间的相互关系。立方体的每个角代表一组实验设置参数。对于每种焊膏，焊膏的平均体积和印到焊盘上的焊膏体积的标准差，一般可以用来对每种工艺作出简单的评估。如果实验中，就焊膏的体积而言，结果不好，标准差大得令人无法接受，就用红色标出。如果结果是合格的，就用黄色表示。绿色表示接近完美的工艺，这时焊膏体积最接近标称值，而且标准差最小。这种以图形表示试验结果的方法，是在一个试验设计（DoE）中使用的，这个试验是用来分析参数对无铅丝网印刷性能的影响。人们强调了分离速度的重要性，同样，这个研究也表明，当使用一个封闭的打印头时，无铅焊膏对较高行走速度，和较低的转移压力的反应一般都较好。
焊膏与模板设计
如果有一套使用无铅焊膏的丝网印刷设计新规则，可以有系统地超过已有的模板设计规则的限制，在所有方面，作为系统地进行研究的基础。在试验中，使用的模板上有各种形状和大小的孔，用这种模板来研究焊膏释放效率的极限2。精确地测量每个孔所释放的焊膏体积，并把它表示为一个实际的孔的体积的百分数，就可以得到焊膏释放效率与孔的外形比之间的关系图。
通过这些试验，我们可以清楚地知道，已有的SnPb焊膏比无铅焊膏，工艺性更好。只有当外形比降低到0.6的实际极限值以下时，在以前做的实验中，SnPb焊膏的释放才不如无铅焊膏。然而，无铅革命刚刚开始，随着它的发展，无铅焊膏在这方面的性能，将来一定会有所改善。
焊膏和模板技术
焊膏和孔壁之间的摩擦力对焊膏的转移的影响很大，这是常识。这与材料和模板制造工艺两方面都有关系。例如，用电铸工艺做出来的孔，内表面天生就是光滑的。镍的摩擦系数小，进一步增强了电铸的优点，而电铸模板就是用镍做的。从另一个角度来看，激光切割的孔，表面的摩擦系数相对较高，然而他们确实可以满足许多应用的要求。如果市场需要，用激光切割的富含镍不锈钢模板，也许能够在焊膏释放效率、周转时间和整个模板成本三者之间取得平衡。 
图2是用电铸和激光切割工艺制造的一组试验模板时，每个孔释放的焊膏高度和面积的数据，以及焊膏的体积。因为在回熔时，焊膏的体积与器件连接件和焊盘的机械连接的质量关系密切，对于探索使用无铅材料的高成品率装配工艺，这项研究得出了宝贵的数据。
图2证实了电铸镍模板的优点。不过，结果非常接近，而且，混合型模板在使用二种不同无铅焊膏时的焊膏释放特性明显很好。
对于两种无铅焊膏以及主要的SnPb焊膏，从累积到的平均体积、面积和高度数据计算的 Cp和Cpk，可以说明模板技术、孔的设计和焊膏选择之间存在关系。从表面上看，模板技术——包括生产过程和基础材料——是决定性的因素。电铸模板性能最好，混合模板紧随其后，位居第二，而普通的不锈钢、激光切割模板在使用无铅焊膏时性能显着下降。
结论
对于正在出现的无铅焊膏与丝网印刷工艺所有可能的变量之间的关系所做的一系列系统性的研究，突出地说明，在未来几个月里，工艺工程师应该在哪些方面集中力量开展工作。在新生的东西里最吸引人的是，分离速度是值得仔细研究和试验的参数，必须与刮刀的速度和压力一起考虑。同时，在针对无铅设置工艺参数时，倾向于向较高的刮刀速度和较低的转移压力这个方向走，这点已经再清楚不过了。
人们将对正在消逝的SnPb焊膏表示惋惜。多年以来，他们确实在这个行业中发挥着很好的作用，而且在许多方面仍然胜过无铅焊料。但是，新的焊膏有许多改进，超过了它们。而且，许多其他的参数也在同时在变化着。模板技术也可能会发生变化，因此，工程师有希望看到工厂存有更大量的电铸镍模板和富含镍的激光切割模板。为SnPb焊膏而发展起来的模板设计规则，对一些新的焊膏现在已经不适用了，人们将进行更深入的研究，为无铅应用建立新的更加完善的设计规则。
对模板设计师而言，下一步工作是研究模板对正的偏移和孔的形状对0201器件到0.4mm间距集成电路封装的装配工艺的影响，实现可靠的工艺，用于装配进入主流组装的最先进封装。
装配商也应该继续研究无铅技术，不要放过任何一个可能可以用来熟悉无铅焊膏的特性的机会。这是这个行业在2006年7月1日前真正能够做好准备的唯一途径。
参考文献
1. Investigating Mass Imaging Lead-free Materials using Enclosed Print Head Technology; Ashmore, Goldsmith; 2002.
2. Further Investigation into Mass Imaging Lead-free Materials using Enclosed Print Head Technology; Ashmore; 2004.
作者简介
Richard Heimsch是DEK国际公司总裁。电邮地址：rheimsch@dekusa.com。 | 
发表于 2006-7-22 16:44:00