SMT無鉛工藝對無鉛錫膏的要求

SMT無鉛工藝對無鉛錫膏的要求

??????? SMT無鉛工藝的步伐越來越近，無鉛錫膏作為無鉛工藝的重要一環(huán)，它的性能表現(xiàn)也越來越多引起人們的關注。本文結合漢高樂泰公司的最新無鉛錫膏產(chǎn)品Multicore(96SC LF320 AGS88分析無鉛錫膏如何滿足無鉛工藝的幾個要求。

??????? 眾所周知鉛是有毒金屬，如不加以控制，將會對人體和周圍環(huán)境造成巨大而深遠的影響。歐洲議會2003年底已經(jīng)通過立法，要求從2006年7月開始，在歐洲銷售的電氣和電子設備不得含有鉛和其它有害物質(zhì)。中國等國家的相關法律也正在醞釀之中。由此可見，SMT的無鉛工藝已經(jīng)成為我們必然的選擇。本文以無鉛錫膏的研發(fā)為基礎，針對無鉛工藝帶來的幾個問題，如合金選擇、印刷性、低溫回流、空洞水平等展開討論，同時，向大家介紹了最新一代無鉛錫膏產(chǎn)品Multicore(96SC LF320 AGS88相應特性。

??????? 一、 無鉛合金的選擇?

??????? 為了找到適合的無鉛合金來替代傳統(tǒng)的Sn-Pb合金，人們曾做過許多的嘗試。這是因為無鉛合金的選擇需要考慮的因素很多，如熔點、機械強度、保質(zhì)期、成本等。表1列舉了三種主要無鉛合金的比較結果。?

合金類型
?熔點（度）
?主要問題
?
Tin Rich
?209—227
?熔點稍有升高
?
Tin Zinc (Bi)
?190
?容易氧化，保質(zhì)困難
?
Tin Bi
?137
?強度很差?
?

??????? 表1 三種無鉛合金的比較結果?

??????? 人們最終把目標鎖定在富含Tin的合金上，在富含Tin的合金中，Sn/Ag/Cu 系列又成為選擇的目標。而Sn，Ag，Cu三種合金成份比例的確定也經(jīng)歷了一段探索的過程，這主要是考慮到焊點的機電性能，如抗拉強度、屈服強度、疲勞強度、塑性、導電率等等。最終兩種具有相同熔點（217°C）且性能相似的合金成分：SnAg3Cu0.5(96.5%Sn,3%Ag,0.5%Cu)和SnAg3.8Cu0.7(95.5%Sn,3.8%Ag,0.7%Cu)成為無鉛合金的主要選擇。其中，SnAg3Cu0.5被日本、韓國廠商廣泛采用，歐美企業(yè)更多選擇 SnAg3.8Cu0.7合金。以上兩種合金Multicore(均可以提供，代號分別為97SC和96SC。?

??????? 二、 印刷性

??????? 由于Sn/Ag/Cu合金的密度(7.5 g/mm3)比Sn-Pb合金的密度 (8.5g/mm3) 低，使用該種合金的無鉛焊錫膏的印刷性比有鉛錫膏差一些,如容易粘刮刀等。盡管如此，由于保證錫膏的良好的印刷性對于提高SMT的生產(chǎn)效率、降低成本十分重要，在合金成分相同的情況下，只有通過助焊劑成分的調(diào)整來提高錫膏的印刷性，如填充網(wǎng)孔能力、濕強度、抗冷/熱坍塌及潮濕環(huán)境能力等，并最終提高印刷速度、改善印刷效果。?

??????? 圖1為Multicore(96SC LF320 AGS88的印刷實驗結果。由圖1可知該產(chǎn)品的可印刷速度范圍為25 mm/s - 175 mm/s（圖中的綠色部分表示印刷效果好）。事實證明，通過調(diào)整助焊劑成分和比例，無鉛錫膏可以具有與有鉛錫膏同樣的高速印刷操作窗口。?

??????? 三、 低溫回流的重要性

??????? 由于無鉛合金的熔點升高（Sn/Ag/Cu合金的熔點為217°C，Sn-Pb合金熔點為183°C），無鉛工藝面臨的首要問題便是回流焊時峰值溫度的提高。在圖2中描述了無鉛錫膏回流焊接時，在最壞情況假設下（線路板最復雜，系統(tǒng)誤差和測量誤差為正，以及滿足充分浸潤的條件），線路板上最熱點溫度可能達到的溫度（265°C）。圖中最冷點235°C是為保證充分浸潤的建議條件。

??????? 值得注意的是：一方面，若無鉛錫膏所要求的峰值溫度較高，線路板最熱點便容易達到265°C，而該溫度已超過了目前所有元器件的耐溫極限；另一方面，若系統(tǒng)誤差和測量誤差為負，同時錫膏的最低峰值溫度較高，便會有冷焊問題的發(fā)生。因此為了保證元器件的安全性、以及焊點的可靠性，無鉛錫膏的最低峰值溫度應盡量低，即無鉛錫膏低溫回流特性在無鉛焊接工藝中十分重要。?

??????? 值得一提的是，Multicore(的領先技術、獨特配方成功地解決了這一難題，無鉛錫膏96SC LF320 AGS88的最低回流溫度僅為229°C，這就意味著應用該款錫膏進行焊接時，可以僅比217°C 的合金熔點高出3°C（保證一定的回流時間）。這樣不但可以很好地解決可靠性、冷焊等問題，更可以減少生產(chǎn)工藝方面的調(diào)整，以節(jié)約成本。圖3為該款無鉛錫膏的回流操作窗口。由圖3可知，96SC LF320 AGS88 擁有很寬的操作窗口：從熔點以上時間60秒/峰值溫度229°C，到熔點以上時間80秒/峰值溫度245°C的范圍內(nèi)均可以獲得極佳的焊接效果,較寬的回流窗口可以更好地滿足生產(chǎn)方面的不同需求。?

??????? 四、 空洞水平?

??????? 空洞是回流焊接中常見的一種缺陷，尤其在BGA/CSP等元器件上的表現(xiàn)尤為突出。由于空洞的大小、位置、所占比例以及測量方面的差異性較大，至今對空洞水平的安全性評估仍未統(tǒng)一起來。有經(jīng)驗的工程師習慣將空洞比例低于15%-20%，無較大空洞，且不集中于連接處的有鉛焊點認為是可接受的。

??????? 在無鉛焊接中，空洞仍然是一個必需關注的問題。這是因為在熔融狀態(tài)下，Sn/Ag/Cu合金比Sn-Pb合金的表面張力更大。如圖4所示。表面張力的增加，勢必會使氣體在冷卻階段的外溢更加困難，使得空洞比例增加。這一點在無鉛錫膏的研發(fā)過程中得到證實，早期無鉛錫膏的主要問題之一便是空洞較多。作為新一代的無鉛錫膏產(chǎn)品，Multicore(96SC LF320 AGS88增加了助焊劑在高溫的活性，實現(xiàn)了技術上的長足飛躍，使得無鉛焊點的空洞水平可降低到7.5%。

??????? 五、 結論?

??????? 1）Sn/Ag/Cu 系列合金成為無鉛錫膏合金的主要選擇；

??????? 2）助焊劑介質(zhì)的合理調(diào)整，可使無鉛錫膏的印刷性與有鉛錫膏幾乎相同；

??????? 3）無鉛錫膏的低溫回流特性對SMT無鉛工藝意義重大；

??????? 4）新一代的無鉛錫膏，使得空洞問題得到明顯改善。

貼片膠與滴膠工藝

??????? 表面貼片膠(SMA, surface mount adhesives)用于波峰焊接和回流焊接，以保持元件在印刷電路板(PCB)上的位置，確保在裝配線上傳送過程中元件不會丟失。

??????? PCB裝配中使用的大多數(shù)表面貼片膠(SMA)都是環(huán)氧樹脂(epoxies)，雖然還有聚丙烯(acrylics)用于特殊的用途。在高速滴膠系統(tǒng)引入和電子工業(yè)掌握如何處理貨架壽命相對較短的產(chǎn)品之后，環(huán)氧樹脂已成為世界范圍內(nèi)的更主流的膠劑技術。環(huán)氧樹脂一般對廣泛的電路板提供良好的附著力，并具有非常好的電氣性能。

??????? 希望的特性

??????? 環(huán)氧樹脂貼片膠的配方對使用者提供較多好處，包括：良好的可滴膠性能、連續(xù)一致的膠點輪廓和大小、高的濕強度和固化強度、快速固化、靈活性和抗溫度沖擊。環(huán)氧樹脂允許非常小的膠點的高速，提供很好的板上固化電氣特性，在加熱固化周期，不拖線、不塌落。(由于環(huán)氧樹脂是熱敏感的，必須在冷藏條件下儲存，以保證最大的貨架壽命。)

??????? 使用視覺檢查或自動設備，SMA必須和典型的綠色或棕色電路板形成對比，由于使用自動視覺控制系統(tǒng)來幫助檢查過程，因此紅色和黃色已成為兩種基本的膠的顏色?？墒?，理想的顏色決定于板與膠之間的視覺比較。

??????? 典型地，環(huán)氧樹脂的加熱固化是在線(in-line)發(fā)生的，紅外(IR)通道爐內(nèi)。開始固化的最低溫度是100°C，但事實上固化溫度范圍在110~160°C。160°C以上的溫度會加快固化過程，但容易造成膠點脆弱。

??????? 膠接強度是膠的性能的關鍵，決定于許多因素，如，對元件和PCB的附著力，膠點形狀和大小，固化水平。膠接強度不足的三個最常見的原因是，固化不足、膠量不夠和附著力差。

??????? 膠點輪廓
??????? 膠的流動特性，或流變學，影響環(huán)氧樹脂膠點的形成以及它的形狀和大小。SMA允許快速和受控的滴膠，以形成一個確定形狀的膠點(圖一)。為了保證良好和穩(wěn)定的膠點輪廓，膠被巧妙地設計成搖溶性的(即，當攪拌時變稀，靜止時變濃)。在這個過程中，當?shù)文z期間受剪切力時SMA的粘性減少，允許容易地流動。當膠打到PCB表面時，它迅速重新結構，恢復其原來的粘性。

??????? 膠點輪廓也受搖溶性恢復率、零剪切率時的粘度和其它因素的影響。實際膠點形狀可能是“尖狀”/圓錐形或半球形?？墒牵z點輪廓是通過非粘性的參數(shù)如膠點體積、滴膠針直徑和離板高度來定義的。即，對一個給定的膠的等級，通過調(diào)節(jié)它們的參數(shù)，可能產(chǎn)生或者很高的狹小的膠點或者低的寬大的膠點。

??????? 在貼片之后，滴出的膠點有兩個要求：它們必須直徑小于焊盤之間的空隔，有足夠的高度來連接PCB表面與元件身體之間的空隙，而不干涉到貼片頭。膠的間隙由焊盤高出PCB阻焊層的高度和端頭金屬與元件身體厚度差別來決定的。這個間隙可能是不同的，小的可能小于扁平片狀元件的0.05mm，大的可能大于小引出線包裝(SOP, small-outline package)和QFP的0.3mm。

??????? 滴高的膠點保證良好的膠在離地高度大的元件上的覆蓋面積。高的膠點也允許在低的離地高度元件之間膠被擠出，而不擔心污染焊盤。通常，對同一個級別的膠，有兩套滴膠參數(shù)一起使用：一個為離地高的元件產(chǎn)生高的、大膠量的膠點；另一個為扁平片狀元件和金屬電極界面(MELF, metal electrode face)元件提供中等高度和膠量的膠點。

??????? 膠點大小也受所選擇的針嘴的內(nèi)徑與離地高度的比率控制。通常，膠點寬對高的比率范圍是1.5:1 ~ 5:1(h/w=0.2 ~ 0.6)，取決于滴膠系統(tǒng)的參數(shù)和膠的級別。這些比率可通過調(diào)節(jié)機器設定來對任何元件優(yōu)化。

??????? 避免空洞

??????? 膠點中的潮氣可能在固化期間沸騰，引起空洞，削弱膠接點，并為焊錫打開通路以滲入元件下面，可能由于錫橋造成電路短路。在注射器中，膠的濕氣很少，可是留在非固化狀態(tài)和暴露在室內(nèi)條件下，特別是潮濕的環(huán)境中，膠可能吸取潮氣。例如，使用針頭轉(zhuǎn)移法滴膠，潮氣是個問題，因為膠是開放的，暴露面積較大。這個問題也可能發(fā)生在用注射器滴膠時，如果滴膠與固化停留時間較長，或室內(nèi)條件很潮濕。針對這些，大多數(shù)表面貼片膠使用具有低吸濕性的原材料來配制，使其影響最小。

??????? 使用低溫慢固化，加熱時間較長，可幫助潮氣在固化前跑出，可解決空洞形成的問題。類似的，通過在低溫干燥的地方儲存元件或在適當溫度的干燥爐內(nèi)對材料進行使用前處理，可以消除潮氣。避免膠固化前的過程停頓和使用一種低吸潮的特別膠劑可幫助減少空洞問題。

??????? 滴膠方法

??????? SMA可使用注射器滴膠法、針頭轉(zhuǎn)移法或模板印刷法來施于PCB。針頭轉(zhuǎn)移法的使用不到全部應用的10%，它是使用針頭排列陣浸在膠的托盤里。然后懸掛的膠滴作為一個整體轉(zhuǎn)移到板上。這些系統(tǒng)要求一種較低粘性的膠，而且對吸潮有良好的抵抗力，因為它暴露在室內(nèi)環(huán)境里?？刂漆橆^轉(zhuǎn)移滴膠的關鍵因素包括針頭直徑和樣式、膠的溫度、針頭浸入的深度和滴膠的周期長度(包括針頭接觸PCB之前和期間的延時時間)。池槽溫度應該在25~30°C之間，它控制膠的粘性和膠點的數(shù)量與形式。

??????? 模板印刷被廣泛用于錫膏，也可用與分配膠劑。雖然目前少于2%的SMA是用模板印刷，但對這個方法的興趣已增加，新的設備正克服較早前的一些局限。正確的模板參數(shù)是達到好效果的關鍵。例如，接觸式印刷(零離板高度)可能要求一個延時周期，允許良好的膠點形成。另外，對聚合物模板的非接觸式印刷(大約1mm間隙)要求最佳的刮板速度和壓力。金屬模板的厚度一般為0.15~2.00mm，應該稍大于(+0.05mm)元件與PCB之間的間隙。

??????? 超過90%的SMT膠目前是通過注射器滴膠(圖二)，它還可以進一步分為兩類：壓力時間系統(tǒng)和容積控制系統(tǒng)。壓力時間注射器滴膠是最普遍的方法，本節(jié)的剩下部分將講述這一技術。注射器可達到每小時50,000點的滴膠速度，并且可調(diào)節(jié)以滿足變化的生產(chǎn)要求。

??????? 滴膠缺陷的故障分析　　有幾個沒有解決的滴膠問題可能導致最后的工藝缺陷。這些包括拉線、膠點大小的不連續(xù)、無膠點和衛(wèi)星膠點。膠的拉線可造成焊盤污染和焊接點不良。當?shù)文z嘴回縮時膠必須分斷快和清楚(圖三)。甚至那些特別為高速滴膠配制的膠都可能出現(xiàn)拉線，如果參數(shù)不正確。例如，當膠量相當于滴膠嘴的直徑和所要求的離地高度太小時，拉線的危險性極高，結果是一種非常高而瘦的膠點。雖然較小的針嘴直徑和離地高度結合可解決這個問題，但拉線仍可能由其它與膠本身無關的參數(shù)引起，如對板的靜電放電、不正確的Z沖程調(diào)節(jié)高度和板的柔曲或板的支撐不夠。?

??????? 對無膠點的情況，元件將不能正確貼裝。如果生產(chǎn)線的氣壓不夠用于滴膠(即，注射器的壓力不夠而造成滴膠不連續(xù))，則可能發(fā)生不出膠點。類型地，不連續(xù)的膠點大小影響板與元件之間的整個綁接強度。以下是發(fā)生這個現(xiàn)象的幾個原因：

??????? 針嘴的離地支柱落在焊盤上。換一種不同離地支撐位置的針嘴可解決這個問題。?

??????? 分配給膠水恢復的時間不夠。增加延時可解決恢復問題。?

??????? 如果壓力時間不足以完成滴膠周期(或隨著膠面水平線下降)，增加壓力與周期時間的比，通常以最大值的百分數(shù)表達，將糾正膠點大小不連續(xù)的問題。?

??????? 由于衛(wèi)星點是不規(guī)則地出現(xiàn)，它們可能造成焊盤污染或綁接強度不夠。當針嘴離地太高，減少高度可消除衛(wèi)星點。如果膠量相當針嘴太大，減少壓力或使用較大內(nèi)徑(ID, inner diameter)的針嘴將解決問題。?

??????? 影響可滴膠性的因素

??????? 良好的滴膠不只單單依靠膠的品質(zhì)。對于壓力時間注射器滴膠方法，許多與機器有關的因素影響可滴膠性和膠點的形成。針嘴的內(nèi)徑對膠點的形成是關鍵的，必須比板上的膠點直徑小很多。作為一個原則，該比率應該為2:1。0.7~0.9mm的膠點要求0.4mm的ID；0.5~0.6mm的膠點要求0.3mm的ID。設備制造商通常提供技術規(guī)格和操作指引，以產(chǎn)生所希望的膠點大小和形狀。?

??????? PCB對針嘴的間距，或停止器(stopper)的高度，控制膠點的高度(圖四)。它必須適合于滴膠量和針嘴ID。對給定的膠量，膠點高度對寬度的比率將隨著停止器的高度而增加。通常，最大的停止器高度是針嘴ID的一半；超過這個點，將發(fā)生不連續(xù)滴膠和拉線。

??????? 現(xiàn)在的高速設備使用壓力可以在針嘴到位之前定時開始的滴膠周期。針嘴回撤速度、回撤高度和滴膠與針嘴回撤之間的延時都影響膠點形狀和拉線。

??????? 最后，溫度將影響?zhàn)ざ群湍z點形狀。大多數(shù)現(xiàn)代滴膠機依靠針嘴上的或容室的溫度控制裝置來保持膠的溫度高于室溫?？墒?，膠點輪廓可能受損，如果PCB溫度從前面的過程得到提高的話

??????? 維護

??????? 滴膠針嘴和停止器的彎曲或磨損可能對滴膠有至關重要的影響。針嘴外圍過多的膠可能影響光滑和連續(xù)的膠點形成。在極端的情況下，膠可能橋接在停止器銷上，中斷滴膠。萬能的解決辦法是盡可能保持針嘴外圍干凈。

??????? 針嘴內(nèi)表面的清潔度是滴膠問題的另一個普遍根源。膠的積聚可能發(fā)生在ID上，限制流動。膠也可能在針嘴內(nèi)部分固化，如果留在較暖的環(huán)境內(nèi)或不相容的溶劑內(nèi)長時間。變換膠的等級可能引起橫向污染和針嘴堵塞。(由固化或半固化的膠引起的堵塞應該在使用溶劑清洗之前用鉆針清除。)滴膠針嘴應該定期檢查，但只是在滴膠問題變得明顯時才清理。清潔會增加遇到的問題，當把空的地膠嘴安裝于注射器的時候。

??????? 把藏的針嘴浸泡在溶劑中是常見的，但效率不高的清潔方法。當浸泡針嘴時，使用相容的溶劑，但不要只依靠浸泡來清除所有未固化的材料。一種相容溶劑的高壓噴霧可把膠吹出針嘴內(nèi)孔。然后用干燥的壓縮空氣吹過內(nèi)孔，讓針嘴干燥。

??????? 一個可替代的清潔方法涉及超聲波或靜態(tài)浸泡。未固化的膠應該使用鈍化工具和鉆針或與針嘴內(nèi)孔適當直徑的鋼琴線來機械地清除。將要清洗的零件浸泡在清潔的溶劑中。對超聲波浸泡，設定&40deg;C以最大功率開三分鐘。對靜態(tài)的浸泡，攪拌浸泡中的零件直到溶劑被膠劑污染。在清潔溶劑中沖刷零件，保證清潔度。用高壓噴霧來對付非常小的內(nèi)孔的針嘴，用干燥的壓縮空氣吹過內(nèi)孔來干燥零件。