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基于无铅焊料下的01005元件PCB设计与组装过程研究
更新日期： 2007-6-28 17:14:30  作者:     来源:
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在第一个实验中，使用型号4易熔化的锡铅合金焊膏。针对第二次实验。两种不同的无铅焊膏最初被用来比较01005元件的印刷效果。这两种无铅焊膏是早先在大量的焊膏中经过评估而选择的。关于焊膏成分的摘要见表2。在第一次印刷实验后，印刷参数同样进行了优化。依据焊膏体积测量及工序能力计算而最后从这两种焊膏中选择了一种。被选择的焊膏为免清洗焊膏。合金成分为Sn3.9Ag0.6Cu。焊粉颗粒尺寸为20-41µm。

焊膏印刷过程:
目标是建立一个关于01005元件可行的焊膏印刷过程。成功的焊膏印刷过程的标准是：Cp值（工序能力指数）达到1.33。平均的焊膏体积的值在无桥接现象时的上限允许公差在+50%，下限允许公差在-50%。
一台合格的印刷机，使用金属刮刀以60°刮刀

角度进行印刷。通过合理分布的顶针阵列来达到好的板面支撑。在每块板印刷后使用自动洗网。并且通过基于焊膏印刷体积测量结果的DoE（实验设计）来优化印刷参数设置。印刷压力设置为12kg。印刷速度为40mm/sec。分离速度为10mm/sec。
结果证明：分离速度对于印刷效果具有强烈的影响。两种焊膏间的区别很小。但是在印刷参数优化后的改善却是巨大的（见图7）。印刷质量同样要通过显微镜下的视觉检查来验证(见图8)。总体来看，印刷效果符合标准。但是有一些地方存在助焊剂从焊膏沉积处流出的现象。

一个吸引我们注意的地方是看焊膏中焊粉颗粒尺寸的不同是否会产生重大的变化。在样品中，没有发现焊膏缺失。判定时焊盘周围存在的锡珠数都少于5个。如图7所示。两种无铅焊膏在优化以后都超出了所要求的最小Cp值1.33。A型焊膏较好的焊粉颗粒尺寸提供了良好的焊膏释放和较高的Cp值。然而它的价格更贵。同时会产生更多的锡球。因此，在本次测试中，我们选择了B型焊膏进行接下来的实验。
针对每一个开孔，检查了超过1600个印刷后的焊膏沉积量。在这些样品中没有发现焊膏缺失。尽管有3块板在印刷测试前已经印刷。但是通过为01005贴装的四块印刷后的板仍能清楚的看见改善效果。（见图9）

GR&R:
为了帮助分析01005元件的印刷过程。3-D焊膏自动检测系统被用来测量印刷后每个焊盘上堆积的焊膏体积量。首先，关于GR&R（量规重复能力与重制能力）的分析被引入实验。因为无法知道01005元件在整个过程中真实的变化。计算中使用的公差为±50%。当使用自动分析系统后，评测中人为的测量误差就可以被忽略了。因此这一参数的影响就不用考虑在内。
用来判断测量结果是否可接受的GR&R值设定在15%。为0201元件的焊膏体积测量的GR&R值设定为9%。为了进一步核实测量的准确性是否充分。进行了数据收集并制作成关于GR&R的平面图。图10显示出测量的变异远小于过程中的变异。每一条线代表了一次测量的进行，而且每一个坐标点几乎都是按照同一个结果重复的测量。

元件贴装：
贴装使用了具有旋转头的贴片机。贴片机在早先为贴装0201元件已经进行了升级，并且具有高分辨率的相机。除了增加适合01005元件的吸嘴外，并没有对机器其他方面进行修改。为了保证贴装过程中板的平稳，使用了一系列顶针进行支撑。
其中的一个目标是为了确定贴片机贴装01005元件的准确度要求标准。对贴装偏位元件回流后的自对准能力进行了实验。为了这一目的,实验使用SnAgCu焊膏及充氮的回流环境。选择的元件在贴装后有轻微的偏差（45µm）。结果表明：这一偏差在回流后能够很好的自对准。图11显示了在元件贴装后大约有45µm的偏差.图12显示在回流后元件已经完全的自对准焊盘位置.因此我们认为在实验条件下45 µm范围内的贴装误差是可接受的。

在第二次实验中。总共贴装了1,600个元件，从机器影响识别系统中收集并确认的抛料率为2.4%。所有贴装后的元件在显微镜下进行检查并无缺陷发生。基于这一组装后的结果，我们设计了C型焊盘。比B型焊盘更小，但仍可以提供足够的面积保证准确的贴装。
回流焊接：
回流过程选用了在高密度制造业中典型的具有八个加热区及一个冷却区的回流焊炉。图13显示了使用无铅的SnAgCu焊膏的炉温曲线。3个热电偶（#1,#2,#3）用来测试焊点连接处的温度。另外一个用来监控炉膛内的气体温度。

第一次实验尝试了使用空气环境的回流焊接。然而结果不能令人满意。尽管回流期间的最高温度已经达到了235°C，但润湿效果很差。在显微镜下仍然可以看见焊膏颗粒的球型结构。
在此发现后，使用氮气提供惰性气体环境。氧气的残余水平稳定在45ppm。接下来过炉的PCB板在检查后都显示了优良的润湿并且无任何缺陷。
回流后检查：
依据工艺标准IPC-A-610C。过炉后的检查使用手工在显微镜下进行。在初始实验中，SnPb焊膏使用在ENIG（无电镀镍浸金）涂层的PCB板上，在空气中回流。润湿效果良好，并无任何缺陷发生。然而这只是有限的测验。总共有20块板回流。图14显示了此批实验品中的两个典型样品。
为了检查空洞及其它反常的现象。在初始实验中贴装的元件同样进行了X-RAY检查 (图15)。视觉检查及X-RAY检查都确认了在润湿良好的情况下，其元件中心也没有发生偏移。在图16中，SnPb焊膏的焊接表面非常平滑。在这次实验中，焊膏印刷过程并没有完全优化。在一些内圆脚部位焊接的变异仍可以看见。

在第二次实验中使用无铅焊膏及OSP(有机可焊性保护膜)涂层的PCB板。816个元件在空气环境中回流。结果显示：由于差的润湿性导致缺陷发生。如图17所示，润湿不充分，并且焊膏沉积处并未形成同质的焊点。除此之外并没有发现其他类型的缺陷。为了达到良好的润湿效果。对炉温曲线进行了优化。并用测温仪进行测试。同时提高焊盘上的焊膏沉积量。接着进行了800个元件在氮气环境中的回流焊接。结果显示：润湿良好，并无缺陷发生。（如图18所示）我们认为产生这一区别的原因是：焊盘上相对较少的沉积量中的焊粉合金颗粒暴露在空气中，以致于在回流期间，助焊剂在到达最高峰温度前过早的流失。

视觉检查结果及发生的缺陷类型表明。C型焊盘的设计是正确的。在空气环境中的润湿问题可以通过对焊膏类型，炉温曲线及板面涂层的进一步优化来解决。由此可以去除氮气环境的保护。但对此论点仍有待近一步实验证明。
金相分析：
金相分析使用了标准的金相分析技术。所选择的样品（图19）经过了光学及SEM（电子显微镜）的检查。可以再现焊膏体积的差异以及焊接区域的空洞。