无铅SMT网板设计教程.doc

无铅SMT网板设计 优化无铅SMT网板设计摘要： 任何新技术的出现，势必产生对精细加工的更高要求，从而有利于采用主流技术和持续改进工艺过程。在无铅制造中，第一个障碍就是合金和化学制剂的选择，这也是一个基本的过程。根据早期对合金和化学制剂选择方面的工作的理解，我们对影响产能的主要因素作了进一步优化。这些因素包括温度曲线、PWB的表面处理、元器件的金属喷镀、阻焊膜的选择或网板设计。由于网印对直通率的影响很大，而且与基于铅的焊料相比，无铅合金在湿润性方面表现出很大的差异，本文作者对网板的几何开孔方法进行了研究，旨在优化出理想的SMT特性。我们系统的研究了无铅合金在部分表面处理上浸润性较差的问题；同时，尝试了最大化焊盘覆盖率面的开孔设计，这样可以减少缺陷―――像MCSB（mid-chip solder balls）。除了参考网板开孔设计指南，还将重新评估整个网板设计的优化方法。关键词：无铅，网印，开孔设计，过程控制。前言 网印的主要目的就是周而复始的把适量的锡膏印刷到正确的位置上。网板开孔的尺寸、形状和网板的厚度决定了锡膏的沉积量，而孔开的位置决定了锡膏沉积在什么地方。我们有特定的方法来确保开孔位置的准确度【1】，并将在稍后介绍。这次研究的目的是为无铅锡膏确定最为合适的开孔尺寸和形状。无铅焊料不像有铅焊料那样容易润湿或浸润，这是不争的事实。这种行为差异给一线的组装带来了几个问题：靠近焊盘四周的裸铜（或者基层表面处理），MCSB缺陷率，以及立碑。为了确定不同的焊料浸润性对典型表面贴装缺陷的影响程度，我们设计了一个试验。试验的第一部分以无铅和有铅焊料的浸润性和缺陷率为基础，网板开孔方法采用的是传统的有铅SMT开孔方法。试验的第二部分，在使用到无铅焊料时，试图通过优化网板开孔来降低缺陷率。在试验的第一部分，PCB的表面处理包括：有机可焊性保护膜(OSP)，化镍浸金（ENIG），浸银（ImAg），浸锡（ImSn）。第二部分用到了OSP和ImSn。试验设计 润湿和浸润有两种研究锡膏的浸润特性的方法。第一种方法，在已知面积的未经处理的金属基材上印刷一个圆形的锡膏堆，过回流焊，然后测量回流焊以后被锡膏覆盖的面积。回流后与回流前的锡膏覆盖面积比可以作为测量锡膏浸润性的量化参数，也可以作为特定板材润湿性的参考依据。另一个测试浸润/润湿方法是在分布有间距和厚度（30mil）均匀的条形焊盘的板子上成对印刷一些厚度均匀（40mil）的条形锡膏。每对相邻锡膏条的间隙逐渐增大， 印刷方向与条形焊盘垂直，见Figure 1。在回流焊过程中，熔化的焊料沿着板子上的金属条铺散开来，如果焊料铺展的程度足够大，相邻焊点之间的间隙就会桥连在一起。相邻两个锡膏条的间隙从0.1mm到0.8mm不等。每种尺寸的间隙最多有20个桥连的可能，记录桥连间隙的数目，按照间隙的尺寸对结果分类，并绘制成分布图。Figure 2是回流测试的一个样本图。Figure 1：润湿测试―――交叉印刷图Figure 2：润湿测试―――交叉印刷回流焊后的效果QFP 对于间距在20mil（0.5mm）以下的零件，1：1的网板开孔无疑会增大焊料桥连的风险。为了降低桥连的风险，通常采用减少一定量的印刷面积的方法，一般是把网孔面积减少10％，不过，这样也增加了露出焊盘材料的风险。即使露出焊盘材料尚未表现出对可靠性的影响，但是对于某些组装者来讲却带了外观上的问题，因为它会影响美观。如果在含铅工艺中焊盘材料被露出来是个问题的话，那么在无铅工艺中这无疑是一个更为显眼的问题。为了确定裁剪网孔的影响程度，间距为20mil的2个QFP分别被组装到了两个试验板上。在试验的第一部分，其中一个QFP的开孔与焊盘的比例为1：1；另一个QFP的开孔尺寸减少了10％。在试验的第二部分，两种开孔均被固定在1：1，裁减5％和裁减10％。两个测试部分都用到了厚度分别为5mil和6mil（125μm和150μm）的金属板。总的来讲，在第一部分，测试了4组面积和网板厚度的组合，在第二部分则测试了6种组合。Figure 3是测试板的图示。Figure 3：Cookson Electronics Reliability and Functionality (CERF) test vehicleMCSBMid-chip锡球（MCSBs）也是一个常见的容易受到网板设计影响的缺陷。虽然促使锡球产生的因素有很多―――包括焊盘设计，阻焊膜突起，贴片压力，端子的几何形状和金属喷镀，焊盘处理工艺，回流焊曲线以及锡膏堆积的形状等都会从正面或反影响MCSB的形成。如果大量锡膏堆积在焊盘上，尤其在那些要贴装chip的地方，贴上去的chip将会挤出部分质软的锡膏。任何被挤到零件腹