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无铅焊膏的一个问题是，在再流焊过程中，它的湿润性达不到锡铅焊膏的水平。如果缩小模板的开孔尺寸，那么无铅焊膏就无法完全覆盖印刷电路板焊盘。有几种无铅焊膏，是由不同的供应商提供的，各种无铅焊膏的湿润性是不同的。在再流焊过程中使用氮气，也会影响无铅焊膏在印刷电路板焊盘上的湿润情况。
在这项研究中，我们故意让焊膏印刷偏离电路板焊盘，看它们在进行再流焊时是否能够很好地湿润并且覆盖焊盘。使用的是由主要焊膏供应商提供的锡铅焊膏和无铅焊膏。
设计测试样品
在这项研究中，使用的测试样品是一个尺寸为10×8×0.062英寸的四层FR-4电路板，表面进行了镀镍浸金(ENIG)处理。测试样品使用了不同类型的元件和封装。在这个实验中，选用 QFP208 、R0402（水平和垂直排列）、 BGA256、BGA36（霣GA）。
之所以选用QFP208、R0402和BGA256元件，是因为许多电子产品经常要用到这些元件。用BGA36来确定微间距元件所需要的印刷精度。这个测试样品的电路是重复的，排列方向不同，适合所有类型的片状元件。在设计模板时，故意让某些元件的开孔偏移焊盘，使焊膏的印刷发生偏差。
实验设计
我们用精心设计的实验方法来测试锡铅合金和无铅合金的性能。在这里，共选用了五家制造商的无铅焊膏和锡铅焊膏，并且，把锡铅焊膏作为比较对像。表1表示在各种偏差条件下每个元件每种焊膏出现缺陷的次数。
把不同程度的焊膏偏差（距离和方向）与模板设计结合起来，减少实验需要的样品的数量。每种焊膏都用于三个电路板的印刷和再流焊。出现缺陷的次数和电路板反复试验结合在一起，可以提供大量有价值的统计数据。在测试再流焊炉充气气体对无铅合金的影响时，QFP元件都使用一个偏差量。 模板设计 
我们在印刷工艺中使用厚度为5密耳的电抛光激光切割模板。对于这些元件，模板开孔的偏差逐个增多。各个元件的偏差距离变化的情况如下：
● BGA36：距离在0至15密耳之间，以3密耳递增；
● BGA256：距离在0至21密耳之间，以3密耳递增；
● R0402（水平方向和垂直方向）：距离在0至14密耳之间，以2密耳递增；
● QFP208（X偏差量）：距离在0至10密耳之间，以1密耳递增；
● QFP208（Y偏差量）：距离在0至14密耳之间，以1密耳递增；
组装工艺
这项研究的组装工艺涉及焊膏印刷、再流焊和目视检查。
模板印刷工艺。这个印刷工艺需要使用一台模板印刷机*。我们通过实验设计（DOE）来归纳各种焊膏的印刷参数，以便找到印刷工艺最佳而又稳定的性能。完成印刷后，用目视的方法来检查电路板的印刷缺陷。
再流焊工艺。使用一个十温区再流焊炉来焊接组装好的电路板。根据焊膏制造商的规定设定再流焊炉，获得需要的加热曲线。对锡铅焊膏来说，峰值温度需要保持高于液相线的温度（TAL）212℃长达65秒。对无铅焊膏来说，峰值温度需要保持在高于液相线的温度240℃长达55秒。由于电路板是在氮气中进行再流焊接的，因此，再流焊炉内的氧气浓度保持在200ppm。
再流焊后的检查。我们用光学显微镜在再流焊后进行检查。通过全面的检查来确定焊接方面的缺陷。根据目视检查的结果来评价和比较用于各种元件的无铅合金和锡铅合金的性能。
再流焊后的评价标准
用光学显微镜检查系统来检查再流焊后的电路板，以确定焊接缺陷。我们认为再流焊后焊盘上焊锡覆盖不足（例如，焊盘上面没有焊锡的区域）是缺陷。图1和图2分别是合格的锡铅焊料合金和无铅焊料合金焊点。图3和图4分别是有缺陷的锡铅焊料合金和无铅焊料合金焊点。
BGA36——在再流焊后进行评价结果表明，无论是锡铅焊膏还是无铅焊膏，当偏差量超过12密耳时，缺陷百分率会迅速上升。无铅合金之间的比较结果说明焊膏D对印刷偏差比较敏感（例如，当偏差距离为6密耳时就开始出现缺陷）。
BGA256——这个缺陷百分比的结果表明，无论是锡铅焊膏还是无铅焊膏，当偏差量超过15密耳时，缺陷百分率就会上升。无铅合金之间的比较结果表明，焊膏D在偏差距离达到6密耳时就会出现缺陷。同时，还需要注意的是，与无铅合金相比，锡铅合金的缺陷百分比更高。图5和图6分别是性能最佳的焊膏再流焊照片（焊膏A）和性能最差的焊膏再流焊照片（焊膏D）。 件的试验结果表明，无铅焊膏在偏差距离达到3密耳时就开始出现缺陷。两类合金的比较结果表明，无铅焊膏产生的缺陷数量比锡铅焊膏更多。图7表示R0402元件在水平方向排列所有偏差距离各异的各种合金的缺陷百分率。无铅合金的比较结果表明焊膏B产生的缺陷比其他合金多，即使在偏差距离为0密耳时也会有缺陷。从这幅图中，我们还可以看到锡铅合金的最低缺陷率（平均缺陷率为2%）和无铅合金的最低缺陷率（平均缺陷率为20%）。这些结果说明，与锡铅合金相比，无铅合金对印刷偏差更加敏感。
R0402V——水平位置上的R0402H元件的测试结果表明，无铅焊膏会产生比锡铅焊膏更多的缺陷。当偏差距离为0密耳时，无铅焊膏就有缺陷。根据无铅合金的比较结果，我们可以看到焊膏B产生的缺陷要比其他合金多，而且，当偏差距离为0密耳时，无铅焊膏就有缺陷，偏差量越大，缺陷率越高。锡铅合金的缺陷率为5%（平均缺陷率），无铅合金的缺陷率为20%（平均缺陷率）。这些结果表明无铅合金对印刷偏差非常灵敏，而且，需要更精确的印刷以减少错误印刷缺陷的数量。
图7不同偏差距离的R0402H的缺陷百分率．
QFP208——用以下四种方法来设计孔的偏差： 在X方向上的水平基片偏差；在Y方向上的水平基片偏差； 在X方向上的垂直基片偏差； 在Y方向上的垂直基片偏差。
为了评估QFP开孔的焊膏性能，我们使用由两个制造商提供的焊膏进行比较（焊膏A和焊膏D）。我们把焊膏D也放在氮气里进行再流焊，以评价在再流焊过程中惰性气体的影响。
QFP208在X方向上的水平焊盘偏差：在这项研究中，无铅焊膏产生的缺陷比锡铅焊膏更多。在所有偏差距离下，锡铅焊膏不会产生任何缺陷。对在空气中再流焊时的无铅焊膏进行比较的结果说明，焊膏A产生的缺陷要比焊膏D少。对再流焊工艺的惰性气体的试验结果表明，氮气对于减少缺陷有相当大的作用。在氮气中进行再流焊的焊膏D不会产生缺陷，而在空气中再流焊的焊膏D会产生20%的缺陷。
QFP208在Y方向的水平焊盘偏差：测试结果显示，无铅焊膏会产生比锡铅焊膏更多的缺陷。从无铅焊膏的比较结果来看，在所有偏差距离下，焊膏A产生的缺陷要少于焊膏D。从再流焊气体中的评价中，我们可以看到，焊膏D在氮气中再流焊时产生的缺陷要少于在空气中再流焊时产生的缺陷。这表明焊膏D的整个再流焊需要在氮气环境下进行。
QFP208在X方向的垂直焊盘偏差：当偏差距离超过5密耳时，锡铅焊膏的缺陷率就开始上升。在氮气中再流焊，还可以提高焊膏D的湿润性，降低缺陷率。
QFP208在Y方向的垂直焊盘偏差：无铅焊膏会产生比锡铅焊膏更多的缺陷。从无铅焊膏的比较结果来看，在所有偏差距离中，焊膏A的缺陷比焊膏D的缺陷少。实现结果还表明，在所有偏差距离中，锡铅焊膏都不会出现任何缺陷。氮气是一种适合再流焊工艺的惰性气体，它可以提高湿润性，从而降低缺陷率。
结论
与含铅焊膏相比，无铅焊膏对印刷偏差更加敏感。这表明无铅焊膏比锡铅焊膏要求更严格，不容许出现印刷错误。
显然，当把锡铅焊膏印制到无法湿润的表面，如防焊漆，再流焊后的焊膏不能移回到焊盘上。然而，少量的锡铅焊膏与可湿润的表面（例如焊盘）接触时，会把再熔后的焊膏往回拉并且把整个可湿润表面湿润。BAG元件的缺陷率高就是这个原因。对于无铅焊膏，我们观察到的现象是不同。
无铅合金对印刷偏差的敏感程度与需要印刷的元件类型有关。尽管BGA不是很敏感，但是QFP的缺陷率最高，需要更高的印刷精度。在对再流焊炉气体的试验中，我们可以看到某些无铅焊膏需要使用氮气来改善再流焊接和湿润的特性。 | 
发表于 2006-9-17 08:25:00