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应用焊膏检测系统SPI以预防缺陷提高盈利

关键词：焊膏、焊膏检测、缺陷预防、缺陷检测、3D、SPI、ROI
摘要
在当今日益变化的市场竞争中，节约成本以实现盈利势在必行。用户可以使用3D焊膏检测在制造过程的早期阶段捕抓缺陷，以防止缺陷单板进入贴片、回流工序，从而节约成本。3D印刷焊膏检测系统在进行缺陷预防的同时，也可以利用在线系统反馈回的检测信息来参数化它们的工艺能力并进行优化，从而提高直通率、降低废弃和返修。另外，焊膏的体积经过工艺参数优化后，形成的焊点将有助于提高焊点的长期可靠性。本文将通过对一个近来表面贴装技术印制电路板组装的案例进行探讨，说明客户具备检测BGA焊点缺陷、提高直通率、避免返修并改善优化工艺等能力，从而再次固化强调3D焊膏检测的重要性。
简介
利用自动光学检测（AOI）或更具针对性的焊膏检测系统（SPI）将能大大地节约成本。SPI在设计理念上能在组装的最早阶段捕抓缺陷，从而防止缺陷单板进入下一个工序。我们在各种文章杂志上看到过无数遍有关焊膏体积是决定焊点质量和长期可靠性非常关键的因素的论述[1,3,9,10,11]，我们也听说过许多缺陷都是由焊膏印刷工艺导致的[1,2,3,4,5,6,7,8]。各种讲座和论文都表明使用SPI全检将有助于减少与焊点缺陷相关的印刷工艺缺陷[12]，反过来说，它通过减少废弃成本，降低返修成本（如清洗单板）、提高焊点可靠性并节约成本[3]。本文将用一个用户实际研究案例来证明这一点。
在该案例中，某移动电话制造商在组装CSP和BGA时，组装直通率不能达标，返修和废弃率偏高。生产线上已有各种检测测试设备，但回流炉前的光学检测系统不能较好地覆盖测试印刷质量缺陷。3D焊膏检测系统在该案例中体现了很高的应用价值。其理论依据就是上述的各种文献论述和该用户的焊膏印刷工艺的总体水平感觉不受控。
结果
安捷伦Medalist SP50焊膏检测系统是在线设备。该系统安装时间不超过60分钟，系统的校正时间不超过30分钟，42分钟之内就可以建立稳定的检测程序。因此，不用半天时间系统就可投入在线使用并开始第一周的工作。第一周主要工作是对一块143mm*210mm（5.63in*8.27in）的移动电话单板进行生产评估。
这项研究一开始是进行8天时间的生产运行，以评估其工艺水平。如图1所示的性能泊拉图，起初8天的平均生产直通率是97.33％。应用SP50焊膏检测系统后，又生产了一周（即7天），由于SPI系统具有缺陷检测处理和自学习的功能，从图表中可以看出直通率有明显提升，印刷后平均检测直通率达到98.66％，仅仅应用1周直通率就提升了1.33％。

 
 
 
 
 
 
随着焊膏检测系统的应用，可检测到类似图2的印刷缺陷，生产就可采取相关改进措施。图3所示为统计过程控制（SPC）图，从图中也可以看到印刷质量趋势。在该研究中，生产两天后就将钢网换成电铸钢网，它的开口质量更好，开口质量改善可以减少“焊膏量不足”缺陷的发生。钢网更换，再加上分离速度和擦网频率的调整，导致直通率的提升。

 
 
 
 
 
 
 
进行本研究之前，这条生产线是采取常规的焊膏印刷控制工艺，即用离线检测设备对焊膏高度和体积进行抽样检测。在线SPI检测的最大优势就在于它能对印刷质量进行实时反馈，从而能立即掌握印刷过程中各种印刷参数的组合变化影响。印刷工序要重点控制的关键参数有印刷速度、前后刮刀压力和分离速度等。
在在线3D焊膏检测体系引进之前，工程师很难知道并预计参数变化如何、何时会影响印刷质量。抽样检测方法通常是生产间隔1~2小时才取样，因此，取样得到的焊膏印刷质量并不与某一单板的具体印刷质量相对应。3D在线SPI的真正突破性优势是于工程师可以随时捕抓工艺的参数的任何细微变异。
在这条生产线上，使用由焊膏检测系统生成的SPC图表和报告文件，可以实现监控各单板印刷质量的不一致性，这就需要调整丝印机的单板支撑顶针。有了3D焊膏检测测量系统，可以避免有印刷缺陷单板遗留到后道工序，如功能测试或回流焊后检测工序（元器件已经贴到单板上了）。
在功能测试工序中，发现BGA器件相关的缺陷最多。在该案例中，如果单板标记为功能测试失败，则会将故障单板送往维修工段，在维修工段会判断是工艺缺陷（包括开焊、连锡等）还是非焊点或电气缺陷（元器件缺陷）。焊膏检测系统应用一周后，功能测试失败的数量大大降低，如图4所示，其中“连锡”缺陷降低41％，“无焊料”缺陷降低66％，“电气”缺陷降低44％，总体缺陷数量降低约49％，这说明早期的焊膏体积/印刷质量优化改进与焊点质量之间有着直接的关系。

 
 
 
 
 
结论
本文阐述了在生产线上应用3D焊膏检测系统一周所带来的改变，想想如果是一个月、三个月或一年将会怎样？在本文的研究案例中，在一周时间内，整个直通率提高了1.33％，BGA功能测试缺陷降低49％。如果把这转换成投资回报，每月将节约上千美元，所以应用焊膏检测设备是非常划算的。另外，对于BGA和CSP来说，焊膏印刷体积是最重要的参数，由于BGA/CSP一旦回流后焊点就不可见了，如果焊料不足将导致50％以上的返修成本、废弃成本和整体产品质量问题的增加。
业界还存在很多相类似的例子，不同组装生产线上的应用实例，从成本价值的角度，再次强调应用3D SPI的必要性。即便每块单板只少产生一个缺陷，3D　SPI在短期之内的投资回报也是非常划算的。在节约成本的同时，所交付产品的长期可靠性提高所带来的声誉则是无价的。一般而言，为了避免将有印刷缺陷的部件交到下一工序、产品可靠性不打折扣，进行2D和3D焊膏检测是非常必要的。今天的3D　SPI系统能通过工艺改进和缺陷检测和预防手段，使用户成本降低，从而增加利润，具备有竞争力和坚固的组装工艺水平。
参考文献
1.“2D Versus 3D Solder Paste Inspection”. K Fauber. S. Johnson. www.agilent.com/see/aoi 2003.
2.“Process Control for Solder Paste Deposition.” M. Owen, J. Hawthorne. SMTA ’99. pp 488-493.
3.“Printing Guidelines for BGA and CSP Assemblies.” D. Burr. SMI ’98. p. 417-24.
4.“On-line Enhancement of the Stencil Printing Process.” L. Barajas, E. Kamen, A. Goldstein.
5.“Solder Paste Printing.” B. Bentzen. [...]

大型设备投资决策——关于再制造与“二手”设备

全再造设备：焕然一新的性能
随着大型厂商试图扩大生产能力、新厂商积极打入市场，他们都希望能把投资成本降至最低。因此，再制造设备 (remanufactured equipment) 正逐渐成为电子组装市场一种可行的选择。
据环球仪器的再制造设备部估计，“二手”和再制型电子组装设备的销售额将达到7.5亿美元，并且以两位数的速率增长。许多电子制造厂商在预算中考虑选择二手设备。基于“平台概念”制造的新设备能令再制造、订制和增添新技术变得迅速方便。
再制造设备的使用价值增加，其主要市场驱动因素是通孔技术的发展速度减缓，以及合约制造业 (contract manufacturing) 的迅速增长。合约制作商在接受电子产品企业的订单时，必须拥有快速增加产能的灵活性，才能满足市场需求量的波动，并能胜任高端和高附加值产品的制造工作。
合约制作商考虑使用再制造设备是出于以下的原因：新设备投资大、“全再造”设备的可靠性增强、交货期（通常如此）较短、保持机型的一致性以缩短操作及维护学习进程、全球性资本和货币成本竞争，以及必须跟得上飞快的工艺发展步伐（新技术发展，几乎每3～5年便会开发出一代新设备）。
但是，并非所有再制造设备都是一样的，许多客户很快便会发现，他们“节省”的投资几乎相当于购买全新的同类型设备的大部份成本。有些再制造设备其实就是转手成交的二手设备：由第三方从一个买主转给另一个买主，而不提供任何维修服务、再制造或质量担保。第二种形式则是由二手设备经销商提供，他们对这些设备进行最少量的再制造，例如清洗机器、换换坏零件、匆匆喷漆，便进行转售。
第三种方式就是二手设备经销商提供较“最少量”多一点的再制造：包括局部拆卸和更换较多零件。最后一种是少数几个OEM提供的“全再造”设备：完全拆卸至只余下框架和铸件、彻底清洗、更换损坏和磨损件、零件升级、详尽的现场安装，提供新设备一样的质量担保和全球范围售后服务。
买主怎样在这些可供挑选的设备中进行选择呢？最重要的考虑事项是：一旦把某台设备插入生产单元或生产线中，对其性能的期望值应该是非常严格的，而不管在这个价格范围内购买哪台设备。如果希望设备的性能同新的时候一样，那就赶紧决定你要购买什么水平的再制造设备吧！
在操作性能上，您应该要求再制造设备就像一台新机器一样，提供几乎和新设备一样的产能、可靠运行和良好的售后服务。在投资经费上，选择过程的决定性因素自然就是——当把这台机器并入生产线，它的单位插装成本/贴装成本是多少？
在竞争激烈的电子组装市场上，任何设备，无论是再制造还是新设备，只要无法保证良品率、可靠性和买主所需要的质量，或者达不到确保获利能力的运行基准，都是毫无意义的。设备的初始成本只是投资决策的一部分，更重要的是在整个设备寿命期间内的总投资成本，以及它能否提供竞争优势和提高客户满意度。
如何选择再制造设备
选择再制造设备的第一步是对生产要求、制造惯例和经费限制进行全面的评估，而且必须决定你的生产环境能够承受多大的“风险”。为了履行应有的职责，并决定你所需要的再制造水平和合格的供应商，您应该让生产和技术管理人员、工艺工程师、财务管理及其它关键部门的主管人员组成一个跨部门的指导小组。
经费限制当然在决策过程中起着重要的作用，否则您根本就可以买新机器。但是除了初始购买价格之外，还必须对购买再制造设备的成本进行估算。虽然最低价格可能具有吸引力，加上交货迅速（再制造工作越少，交付速度越快），但是整个寿命期的成本可能会高得出奇。一旦设备没有经过适当的再制造，其附加零件、故障排查时间、临时变更短缺的维护资源、修理成本、生产受损、良机错失等一切寿命周期成本，可能会立即产生影响，抵消所有先前估算的成本节省。
您必须问自己一个关键问题：这台二手设备仍然获得原始设备制造商（OEM）的支持吗？如果零件不再供应，或者无人提供维修服务，考虑这台设备就没有意义了！
如果肯定可以得到OEM厂商的零件供应和支持服务，接下来的问题就是：应该购买什么水平的再制造设备？要不要买一台直接从另一家工厂运来的二手设备，而估计我的维修人员能够处理好它？需要委托再制造吗？如果需要，再制造应该达到怎样的程度？我希望承担多大的风险？
真正的“二手”设备
基本的“二手”设备是最便宜的选择，有时售价低至新机器的10%。客户一般与“二手”设备市场的经纪人联系，经纪人在另一个工厂或仓库找到机器，并将机器原样直接发给新买主，而不提供再制造、保修或任何支持。
虽然这是最便宜的购买途径，但可能只是该设备的真实成本的开端，货一到，买方必须负全部责任评估机器的实际状态和能力。如果买主需要该设备弥补产量不足和迅速提高能力，这可能会给已经负责维护现有设备的维修部门带来过重的负担，并很有可能使企业无法保持流畅的生产流程，以满足定货需求。
高一档水平的是来自二手设备经销商的电子组装设备。这种形式可分为两类：经销商执行最低限度的再制造，和经销商提供中等水平的改造。此形式的价格一般是新设备的30至60%。
在这个价格范围的低端，经销商将对二手的机器进行表面“整容”，包括外观清洗、更换显而易见的缺陷零件，而且可能喷上新漆（非OEM提供）。经销商会启动机器并使机器在有限的方式下重复运转，以确定它可以运行。这样的设备基本上还是原样销售，只附加最低限度的保修和售后支持。卖方经常会把买方引向 OEM 提供的售后协助，因此可能带来注册费和其它一些无法预料的费用。
此类机器的价格一般在原始定价的30～50%，因使用年限而异。
至于在上面提及的价格范围的高端，设备供货商可能在一个中等规模的改造厂对设备进行局部拆卸。与低端的设备相比，卖方会对主要系统进行检查并更换较多的零件。这些经销商一般拥有较多基础设施，可以提供适度的支持或服务。
尽管如此，他们仍然达不到设备改造/组件更换或全面升级/功能增强的水平，他们销售的设备一般不提供全面保修和零备件以及全球性售后支持。这类机器一般按原始设备价格的40～60%销售。
“全再造”设备
最高水平的二手设备是“全再造”设备。这个水平的机器一般售价为原始设备价格的50～70%。它们在翻新过程中会被彻底分解至只余下机架和铸件，所有机器零件都被清洗，以去除油污和灰尘，让设备提供一个干净良好的改造基底。凡损伤或磨损的零件，全部获更换为OEM提供的零件，而非来自贩卖修理用零件的市场而未经严格检验和测试的零件。这不仅包括一切损坏的零件，而且还包括再制造厂从保修单和现场维修报告上发现的零件，这些零件一般需要定期更换，即使当前运作如常，但这些再制造厂也会一并更换，以避免它们将来出现故障或影响生产性能。
这里举一个“全再造”的例子：径向元件插件机的改造工作包括了对插件头、夹钳、定位系统、控制器、I/O 料盒和其它辅助部件进行翻新加工。以插件头和夹钳为例，再制造厂将把一切易磨损件更换为升级的OEM件，检验和更换回转台的易磨损件，并更换联锁机构、丝杠和驱动电机。
另外，控制软件也会升级为最新的版本；而I/O料盒内的所有印刷电路板更换为升级的印刷电路板。其它工序还包括检查压缩空气管路和组件、检查外罩和机架、更换所有的皮带，以及根据需要进行其它项目的检查和更换。
购买最新的组件
此外，这个水平的再制造——“全再造”——还会采用OEM厂商现有最高版本的翻新和增强部件。再制造厂所翻新的设备可能已经进行过多次升级，这是因为OEM 为了响应用户反馈、现场试验结果和新技术发展，从设备初次销售以来，一而再、再而三地进行工程改动。这些OEM（或经过OEM认证的）零件、软件和控制系统升级，可确保买主获得增强功能或部件，使设备拥有优于原始规格的性能、速度和可靠性，甚至产量和性能。
一般来说，硬件升级包括链夹、插件头、夹钳工具、电机和其它易损件；软件升级则可能包含性能增强系统，比如消除机器延时以提高速度和产量（买方必须要求在设备改造以后的一段时间内，由卖方应提供软件升级）。控制系统升级将包括该系统现有的最新版本。
这一点对安全方面的改进也适用，很多时候，再制造的机器可以增加符合国际规定的最新安全设备及安全增强功能，而这些规定在当初制造该机器时尚未制订的。
全面质量保证
就这一点而论，在机器全再造以后和改造过程中，买主应预计供应商会执行严格的质量保证（QA）测试，包括采用精确的统计过程控制（SPC）测量。买主一般应该坚持要求采用规定的机器改造QA过程。第一步是预循环，确保机器的功能性全部符合要求；接着使机器通过空循环进行磨合；其后使机器通过性能运行进行反复的运转。
最后，再制造厂应在买主在场的情况下，开动机器进行生产级运行，以确保运行达到一切议定的速度、公差、可靠性和贴放精度等规定。这个过程常常被称作“质量验收测试”（QAT），必须备有完整的证明文件，并向买主提供测试报告的副本。
测试后，买主应要求卖方进行全面现场安装，再制造厂的工程师将到现场进行机器安装，就像在生产线上安装新设备一样。
这个过程包括全套准备和安装工作、操作人员培训（在再制造厂或买主工厂），以及一切必要的支持，直到机器按议定的良品率、产量和精度运行，并且买主愿意签字验收为止。
该水平的再制造设备将提供条款如同新设备一样的“完全保修期”（一般为时一年的零件和修理保证）。此外，全再造还包括由合格的现场服务技术人员提供全面的全球性安装后支持，如通过电话和互联网得到及时的技术支持。
“全再造”设备：价格相宜、工作性能优异、支持或服务完善
购买全再造的机器，买主可以真正如愿以偿：设备价格相宜，但运行起来却与新系统无异，并且很快可以融入生产线，增加生产输出和满足用户需求。这样，买主就能够以比购买新设备更低的成本，拥有一台新增系统所带来的额外产能，在维持原有效能的情况下运行生产线和制造流程。
与二手设备相比，全再造并获得全面支持的设备可减少意料之外的风险，这些风险包括：可靠性、保证性能、保修支持、生产中断，以及把定期检修人员抽调从事突如其来充满压力的修理工作等。
对于全再造的设备，买家可以预期它达到甚至往往优于原来的操作规格，因此电子组装厂商能够专注于用户的需求，并兑现交付日期和质量承诺。
这些设备为电子制造商提供了灵活性和成本节约，以迅速回应不断变化的市场需求和工艺要求，从而追求用户满意度和业务佳绩。

无铅元件表面组装的自对中研究

Amey Teredesai, D.L. Santos Binghamton 大学系统科学和工业工程系 J. Belmonte, A. Rae and P. Chouta Cookson 电子

随着无铅焊料应用的日益普及，对无铅合金自对中能力的评估是必不可少的。在组装工艺中，印刷电路板表面处理方式、回流气体以及焊锡合金的类型对于构成良好的焊点起着重要作用。此项研究的目的在于，尝试寻找焊锡合金、印刷电路板表面处理方式和回流曲线（或回流环境）三者的恰当组合，采用这一恰当的组合将在最大程度上降低组装中的缺陷（在这项研究中使用自对中作为主要衡量标准），并提高最终产品的可靠性。

摘要：在选择锡铅焊料的替代品时，评估焊料熔化时液体表面张力对偏移元件的拉回能力是一个关键因素。熔化焊料的这个特性对于将焊点缺陷减少到最低来说是至关重要的。因此，随着无铅焊料应用的日益普及，对无铅合金自对中能力的评估是必不可少的。在组装工艺中，印刷电路板表面处理方式、回流气体以及焊锡合金的类型对于构成良好的焊点起着重要作用。此项研究的目的在于，尝试寻找焊锡合金、印刷电路板表面处理方式和回流曲线（或回流环境）三者的恰当组合，采用这一恰当的组合将在最大程度上降低组装中的缺陷（在这项研究中使用自对中作为主要衡量标准），并提高最终产品的可靠性。用于此次研究中的测试模板主要集中在以下尺寸的表面贴装片式元件上：1206，0805，0603和0402（均为英制，下同）。进行各种不同设计的试验来寻找各种印刷电路板表面处理方式、焊锡合金类型或者回流炉中O2水平对于元件自对中现象的影响。标准共晶锡铅焊料作为参照基准，也被用于此项研究中。为这一系列试验而设计的组装工艺包括：锡膏印刷，元件的故意偏移放置，回流。回流后元件的缺陷按不同的锡膏、元件类型、印刷电路板表面处理方式和回流气体来分类。
前言
由于欧洲立法和日本电子工业近来的活动，电子工业正向大量生产中应用无铅焊料的方向发展。WEEE和RoHS中规定，到2007年去除电子产品中的铅。日本电子工业协会（JEIDA，Electronics Industry Development Association）在规划中确定，到2005年为止替代掉电子产品中铅。尽管美国没有相应的联邦立法，但全球市场的力量仍驱使各个公司切换到无铅产品，并且现在有许多种的无铅焊料合金可以研究和评估。National Electronics Manufacturing Initiative （NEMI）已经建议锡-银-铜（SAC）系作为表面组装中有前途的一种合金组成。相对于锡-铅焊料而言，关于无铅锡膏能多大程度上对中偏移元件，几乎没有相应的资料可以获得。因此，一项使用不同类型片式元件的试验被实施。
对于锡膏评估来说，熔化焊料使偏移元件与其相应焊盘对齐的能力被认为是一个关键特征。众所周知，熔化焊料的液体表面张力会将偏移元件拉回（一定范围内）其中心位置。本文描述了这项研究，主要关注偏移元件在回流时的自对中，并且是作为更大研究项目中的一部分而实施的。这项研究的目的是确定在无铅锡膏使用中，根据回流后元件的自对中，哪种印刷电路板表面处理方式和回流气体的组合表现更佳。因此而设计的试验包含以下四个变量：元件偏移百分比、印刷电路板表面处理方式、回流和锡膏。
研究方法
测试模板
一个自行设计的测试模板（TV，Test Vehicle）被用于这项研究。这个测试模板已经在先前的工作[5，6]中被讨论过了，并且可以应用于电子组装中广泛使用的各种元件和封装类型上。不过，这项研究中只有如R1206，R0805，R0603，R0402的片式元件被使用到。测试模板设计成相同两组元件按两个不同的方向放置成两部分，以便给收集的数据提供保证。测试模板是10×5×0.063 英吋大小的四层FR-4印刷电路板。图1显示了测试模板的图形。

 
 
 
 
 
 
 
 
元件选择
测试模板是按照比较无铅焊料和锡铅共晶焊料工艺表现的要求而设计的，上面共选用了四种不同的片式元件，即R1206，R0805，R0603和R0402。这项研究所选用的元件均经过无铅处理（元件引脚经100%的镀锡处理）。选择片式元件作为这项研究最主要的原因，是因为这些元件在回流工艺中从它们在焊盘上位置移动开的可能性最大，这是由于他们的重量非常轻和其它的一些属性（只有两种焊点用来同其他元件的连接），可能会影响最终焊点的可靠性。用这种模板设计了三种不同的试验，以提供尽可能多的数据。这些数据有助于选择无铅锡膏、印刷电路板表面处理方式和回流气体的恰当组合来产生最少缺陷的工艺。
元件故意偏移放置的程序
一个放置程序被预先准备，使得特定电路周边的元件会被偏置，同时中心位置的元件则被准确地放置。准确放置的元件作为回流后板子分析时的控制来使用。图2显示了测试模板为了元件故意偏置被分为两部分。

 
 
 
 
 
 
 
 
水平和平行偏移
为这项研究，定义了水平偏移和垂直偏移的约定，其解释如下。
准确放置元件（无偏移）
图3显示了一个正确放置元件的图形。

 
 
 
 
 
水平偏移
当元件以焊盘方向偏移放置时，被归为水平偏移。图4显示了一个被故意水平偏移放置元件的图形

 
 
 
 
 
垂直偏移
当元件以与焊盘方向垂直偏移放置时，被归为垂直偏移。图5显示了一个被故意垂直偏移放置元件的图形。

 
 
 
 
 
共有四种不同的偏移条件用于试验，图6到图9解释了这些偏移条件的不同程度。

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
焊料
我们选用了两种无铅焊料和锡铅焊料用于这项研究。无铅焊料的合金使用两种锡-银-铜的组合,即96.5Sn/3.0Ag/0.5Cu（简称SAC305）和95.5Sn/4.0Ag/0.5Cu（简称SAC405）。以锡铅焊料作为比较基准，来研究熔化的无铅焊料和锡铅焊料的元件自对中能力。所有焊料均采用三号锡粉和免清洗型助焊剂。这些锡膏都使用相同的助焊剂来制造，以减少工艺中助焊剂带来的差异。
试验矩阵
此项研究选用了两种不同的无铅焊料、锡铅焊料的合金以及R1206，R0805，R0603，R0402这四种类型的片式元件。测试模板则使用三种印刷电路板表面处理方式：浸银（I-Ag，Immersion Silver）、无电镀镍浸金(ENIG, electroless nickel immersion gold)、以及有机可焊性保护膜(OSP，Organic Solderability Preservatives)。
试验1
表1显示了试验1中的变量及其不同变化情况

 
 
 
 
 
 
在试验1中，总共印刷24块测试板，每种表面处理的印刷电路板8块。测试板随机印刷，并且相同表面处理的两块板子不被连续印刷。表2显示了试验1的试验矩阵。

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
试验2
表3显示了试验2中使用的变量因子和其不同水平

 
 
 
 
 
 
在试验2中，同试验1类似，24块测试板被印刷，每种表面处理的印刷电路板8块。使用随机技术以使相同表面处理的两块板子不被连续印刷。表4显示了试验2的试验矩阵。

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
试验3
试验3相对前两项试验，设计上有细微的差别。三种氧气状况连同三种表面处理和三种焊料合金被用于这项测试。在这项测试中共54块测试板，每种表面处理的印刷电路板18块被组装用于评估。在试验3中，当印刷测试板时使用如前类似的随机技术。表5显示了试验3中使用的变量和其不同状况。

 
 
 
 
 
 
回流焊
基于无铅焊料的组装，回流曲线是决定最终焊点结构强度的关键因素。保温温度、峰值温度和过液相时间在决定焊点的机电属性时起着至关重要的作用。所有回流曲线参数，如预热温度、升温斜率、保温持续时间，都按照锡膏制造商的建议设置。所有无铅焊料使用一种回流曲线，而锡铅共晶焊料则使用以厂商建议的参数开发的相互区别的回流曲线。图10和图11分别显示了锡铅共晶焊料和无铅焊料的回流温度曲线。

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
水平偏移回流后组装的评估标准
25%和50%水平偏移的评估标准保持一致，且如图12图形来帮助解释。图中虚线显示了偏移条件的不同程度的划分范围，并限制了金属部分可以置于焊盘外的特殊评估标准。

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
垂直偏移回流后组装的评估标准
对一个垂直偏移放置元件的评判标准如图13定义。

 
 
 
 
 
 
 
 
 
还有其它两种元件缺陷的评估标准，这两种评估标准应用于既有水平偏移又有垂直偏移的情况，如下面的解释。
立碑和元件歪斜是用于此项研究的另两种缺陷标准。对于歪斜元件，歪斜角度θ并未被测量。根据位于焊盘外元件金属焊端部分的多少，元件分为d < 25%，25% ≤ d < 50%，50% ≤ d < 75%，d > 75%四种评估标准。如果元件的两端(金属焊端)均部分落在相应焊盘外，则选用其测得的最大偏移量。图14显示了元件立碑和元件歪斜的图形。

 
 
 
 
 
 
 
结果和讨论
此项研究应用了一项视觉检查技术来寻找最少焊接缺陷的无铅焊料、印刷电路板表面处理方式和回流气体的最佳组合。按前面章节中提到的评估标准，较少缺陷的组装显示出较多回流时的元件拉回，即更多的元件自对中。使用视觉工程的“Lynx Stereo”显微镜以20倍的放大倍数对测试板进行全检来决定缺陷。
附录B图A显示了由试验1获得的缺陷图。基于缺陷总数，图中比较了各种印刷电路板表面处理方式、焊料合金和回流气体的性能。回流后组装的评估标准则定义为，总缺陷较多的组合意为着较弱的元件自对中能力。由试验1的视觉检查结果得出，在所有表面处理和回流气体的铅焊料合金中，在氮气中回流的OSP处理的板子具有较少的总缺陷数。而在所有的SAC305组合中，ENIG/SAC305/N2组合具有最少的缺陷数。附录B图A显示了试验1检查得到的缺陷数数据。
为了分析无铅锡料(SAC305)相对于Sn/Pb合金的元件自对中能力，使用了比较技术。根据缺陷数比率和基于故意放置偏移的分组，图15比较了先前提到的两种最佳组合(对锡铅锡料和无铅锡料)。

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
根据相应的回流后组装检查数据，表6比较了在每种偏移条件下锡铅锡料合金同SAC305合金的元件自对中能力。在表6中，当比较相应条件下回流后组装的检查缺陷数据时，1代表该组合有较高的缺陷数，0则代表该组合有相对较低的缺陷数。

 
 
 
 
 
按照表6显示，在最佳组合间的比较，SAC305相对于锡铅焊料合金有更多的缺陷。因此，可以说在相同的工艺条件下，锡铅焊料合金比SAC305合金具有更高的元件自对中能力。对锡铅焊料合金最佳组合和SAC305合金最佳组合采用成对的T检验，来分析从试验1中获得数据的统计意义。然而，根据成对的T检验的结果（附录A），锡铅焊料合金最佳组合和SAC305合金最佳组合并未显示出统计上的差别。
除了侯选无铅焊料合金改为SAC405之外，试验2在类似于试验1的条件和基础上实施。附录B图B柱状图显示了试验2中观测得的缺陷数的总览。
试验结果观测到的锡铅焊料合金、印刷电路板表面处理方式和回流气体的最佳组合同试验1类似。而一个令人关注的结果是，在无铅焊料（SAC405）组装中，氮气回流下OSP表面处理的测试板产生的缺陷数是最少的。换句话说，对无铅焊料合金而言，SAC405/OSP/N2组合缺陷数最少。
为了调查SAC405合金相比锡铅焊料合金的元件自对中能力，类似试验1的方法被采用（如相对比较技术）。图16比较了最佳组合。

 
 
 
 
 
 
 
 
 
表7同时比较了水平和垂直方向上，锡铅焊料合金和SAC405合金的元件拉回能力。表7比较了锡铅焊料合金的最佳组合和SAC405合金的最佳组合，据此显示，在类似的工艺条件下，锡铅焊料合金比SAC405合金有更佳的元件自对中能力。对锡铅焊料合金最佳组合和SAC405合金最佳组合采用成对的T检验，来分析从试验2中获得数据的统计意义。然而，成对的T检验结果显示，锡铅焊料合金最佳组合和SAC405合金最佳组合并未显示出统计上的差别。

 
 
 
 
 
实施试验3来分析，氮气对于贴装在各种表面处理的测试板上的片式元件自对中现象的影响。试验数据的分析是根据缺陷数而来的，以此来理解氮气对各种表面处理和焊料合金组合的自对中表现的影响。
在各种氧气水平下，I-Ag处理板的元件自对中
附录B图C显示了I-Ag处理板的试验数据。图形显示了I-Ag处理板使用所有三种锡膏在各氧气水平下回流的测试数据。仔细观察图C可以发现，对于在各种氧气水平的回流气体下回流的I-Ag处理板，Sn/Pb/I-Ag/50ppm O2组合缺陷最少。由于较少氮气供应的结果，相对于50ppm氧气水平下回流的板子，100ppm水平下的发生的缺陷较多。比如，在50ppm氧气水平下回流使用SAC405焊锡合金的I-Ag处理板的缺陷就少于相同100ppm氧气水平下的。图形显示，I-Ag/SAC405/500ppm O2组合缺陷最多。
在各种氧气水平下，OSP处理板的元件自对中
回流后组装的检查数据，用于分析使用各种焊料在各氧气水平下回流的OSP处理板。附录B图D显示了试验3中观测到的OSP处理板的缺陷数数据。
数据显示，OSP处理板的试验结果和I-Ag处理板相似。使用锡铅焊料合金在50ppm氧气水平下回流的OSP处理板缺陷最少。而SAC405合金在500ppm氧气水平下回流的OSP处理板缺陷最多。比较I-Ag处理板，观察到OSP板有相似的趋势，这一趋势显示在特定的氧气水平下回流，锡铅焊料缺陷数较少。
在各种氧气水平下，ENIG处理板的元件自对中
此节研究各氧气水平下ENIG处理板的元件自对中。附录B图E显示并分析了经回流后组装检查而得的试验数据。
使用锡铅焊料合金在50ppm氧气水平回流气体下回流的ENIG处理板缺陷最少。但一个值得关注的结果是，ENIG处理板上SAC405合金的表现非常好。而最多的缺陷则发生在100ppm下回流，使用SAC305合金的板子上。从收集的数据，按缺陷数来看，锡铅焊料相比其他锡膏表现更佳，而和氮气中的氧气水平无关。
为了验证试验中锡铅焊料合金相比无铅合金有更强的拉回能力这一结果，使用了成对T检验这一统计测试结果。但是，统计测试的结果却并未支持测试板视觉检查中所得的试验数据。
结论
在这项研究中，我们试图完全按照实际的SMT组装环境来使用测试板和各种类型的片式元件。锡铅焊料合金和两种不同的无铅合金被用来比较类似工艺条件下它们的自对中能力。
遵循如下的标准组装工艺，包括钢板印刷、元件放置、焊锡合金通用的回流曲线。目的是为了理解无铅组装中，故意偏置片式元件的自对中现象。
尽管如此，根据对回流后组装板进行视觉检查而得到的缺陷数数据显示，锡铅共晶焊料合金可能比所有两种候选无铅合金具有更强的元件自对中能力。但是，统计测试却未支持这一数据分析。这项研究所得的结果，可以作为今后实施更多研究工作的指导方针，来理解无铅焊锡的元件自对中能力。
REFERENCES
1. Barbini, D., “Effect of Reflow Parameters on [...]

用于异形和通孔元件焊接的AART工艺

概要
被称作通孔回流焊(pin-in-paste)、或可替换装配和回流焊技术 (Alternative Assembly and Reflow Technology，AART) 的工艺目前引起了广泛的兴趣。AART工艺可同时对异形和通孔器件，以及表面贴装元器件进行回流焊。
这种工艺与包含有回流焊、波峰焊和／或手工焊的一般混合工艺过程相比，具有以下优势（但不限于此）：多种操作被简化成一种综合的工艺过程；需要的设备、材料和人员较少；可降低生产成本和缩短生产周期；可降低因波峰焊而造成的高缺陷率；可省去了一个或一个以上的热处理步骤，从而改善可焊性和电子组件的可靠性，等等。
在实施高效AART工艺之前必须考虑许多问题。高效工艺需要对材料、设计、正确互连形式，以及装配可靠性等工艺相关因素有科学的理解和系统的考量。例如，焊膏和元件本体树脂是重要的材料；组件的本体设计和网板开孔设计是设计领域中的关键参数；回流温度曲线和贴装方式是必须理解和加以控制的重要工艺参数。本文对成功实现AART工艺所遇到的许多重要问题进行了讨论。
引言
用于印刷线路板 (PCB) 组装的制造工艺步骤主要取决于装配中使用的特殊组件。由于产品越来越重视小型化、增加功能以及提高组件密度，许多单面和双面板都以表面贴装元器件 (SMC/SMD) 为主。但是，由于固有强度、可靠性和适用性等因素，在某些情况下，通孔器件仍然较 SMC/SMD具有优势，特别是边缘连接器。此外，时下的自动贴装设备一般可以贴装通孔／异形器件，并可为这些组件制作坚固的外壳。在以表面贴装型组件为主的电路板上使用通孔器件，其缺点是单个焊点费用很高，因为其中牵涉到额外的处理步骤，包括波峰焊、手工焊，或其它选择性焊接方法。就这类装配来说，关键在于能够在单一的综合工艺过程中为通孔和表面贴装元器件提供同步的回流焊。
通孔回流焊 (或AART) 工艺可实现在单一步骤中同时对通孔型器件和SMC/SMD器件进行回流焊。这种工艺的优点很多，减少额外工艺步骤和材料而带来的成本节省仅为其一。制造工艺所需的步骤取决于装配中使用的特殊组件。例如，计算机主板上带有大量的SMC/SMD (它占了所用组件的大部分)，以及数量有限的通孔型器件：连接器、分立组件、开关、通孔器件等。目前使用网板印刷和回流焊将SMC/SMD固定在PCB上，可以采用类似的工艺来完成通孔以及异形器件的互连。在许多情况下，使用AART工艺可以省去后续的波峰焊接操作。
本文重点是确定关键材料、设计，以及与 AART有关的工艺因素。基于焊膏特性、印刷参数、线路板等因素，我们开发出一种可以计算形成高质量焊点所需焊膏体积的灵活计算机程序。此外，本文还要讨论焊料沉积方法，以及组件贴装选项。简言之，我们将详细讨论成功实现AART工艺需要考虑的关键问题。
目标
本项研究的目的是确定对 AART 工艺质量有明显影响的各种因素，然后将这些因素划分为材料、设计或与工艺相关的因素，目的是介绍针对广泛课题的专业知识，揭示在实施高良率 AART 工艺之前必须清楚了解的关键问题。
考虑因素
以下是为了实现高效 AART 工艺而必须理解和描述的一系列主要因素，我们会对每一个因素作详细的讨论：
• 普遍接受的通孔焊点要求
• 获得理想焊点的焊膏体积计算
• 影响所需体积 (AART体积模型) 的焊膏相关因素
• 焊料沉积方法包括网板印刷、自动点锡，以及预置焊料
• 组件设计和材料问题
• 网板厚度讨论、开孔设计指南、孔填充，以及增加锡量的过印方法
• 贴装问题和选项设置
• 回流温度曲线开发和建议
• 对于业界质量标准和评估方法的需求
普遍接受的焊点质量要求：普遍接受的焊点质量标准包括ANSI/J-STD-001B [1] (1996年10月) 和IPC-A-610C。根据分类 (1、2或3类)而定出目视检查 (visual inspection) 的最低可接受条件。企业可选择这样的标准作为质量评估的基础，或进行修改以适应其工艺过程。对于此项研究，焊点模型是一个完全充填的电镀通孔 (Plated Through Hole, PTH)，在PCB的顶部和底部带有焊接圆角。此模型在计算所需焊膏体积时采用，需要记住的是，在实施该项工艺之初便应确定质量衡量的标准。
获得理想焊点的焊膏体积计算：焊膏体积计算首先应使用理想的固态金属焊点。如上所述，所谓理想的焊点就是完整充填的PTH，在PCB顶部和底部带有焊接圆角。由于冶金方法、引脚条件、回流特点等因素的变化，无法准确地预测焊接圆角的形状。不过，使用圆半径描述焊脚是适当和简单的近似方法，这已经在先前的研究中 [2、3] 描述过。接着，将焊脚区域旋转以确定固态焊脚的体积。对于每个焊脚，该固态体积要乘以2 (顶部和底部)，并与PTH中的固态焊料体积相加 (减去引脚体积)，从而计算出一个高质量焊点的固态金属体积。所需焊膏的体积是合金类型、流量密度、以及焊膏中金属重量百分比的函数。下面将详细介绍用计算机正确计算焊膏体积的细节 (当用计算机算出固态金属体积后)。
影响所需体积 (AART体积模型) 的焊膏相关因素：简单地说，焊膏是由助焊剂和其内的金属小球构成。添加增稠剂、流变增强剂、改变助焊剂的化学性质等都可以改变焊膏的特性。焊膏的一项主要规格就是金属重量百分比。就网板印刷来说，基于对粘性的考虑，通常指定使用合金重量为90% 的焊膏。对于助焊剂密度为1g/cc、金属重量的90%一般为共晶型63Sn/37Pb 合金，需要比计算出的固态体积多沉积1.92倍的焊膏。焊膏内金属的体积部分为 52%，回流焊时，近一半的焊膏体积会变为助焊剂蒸气和残余物而丢失。
如果将这种降低因素与具有相同成分和助焊剂类型的常见点胶级焊膏（金属重量占85%）相比，要使用比计算出的固态焊料多2.46倍的焊膏。与网板印刷的焊膏相比，这个体积的增加是必须作出的折衷平衡，旨在减少金属成分，以增加焊膏的润湿能力。自动注射点胶机虽然拥有灵活性，但也带来了由于焊膏体积增加而导致成本增加和相应残留物增加的问题。
AART 体积模型通过一个下拉菜单向用户说明合金类型、助焊剂密度以及焊膏中的金属重量百分比。金属体积百分比、密度，以及焊膏减少因素都是自动计算的。该模型还有一个部分专门用于网板印刷工艺，向用户提供网板厚度、刮刀压力、印刷速度、刮刀角度等信息。使用这些参数，配合特定的孔尺寸和焊膏特性，来预测使用多少焊膏来充填PTH。
焊料沉积方法包括网板印刷、自动点焊膏，以及预置焊料：对于 [...]

无铅SMT工艺中网板的优化设计

Chrys Shea,Ranjit S. Pandher,Cookson Electronics Assembly Materials,Jersey City, New Jersey, USA

摘要随着新技术的不断涌现，需要进行不断的完善来促进主流应用以及持续的改进。 就无铅工艺而言， 初期合金和化学品选择的障碍在起步阶段已经得以解决，提供了基础工艺。 来源于早期基础工艺工作的经验被进一步完善用来优化影响良率的要素。 这些要素包括温度曲线、PWB表面最终处理、元器件镀层、阻焊膜选择，或者网板的设计。
由于网板印刷对首次通过率的影响很大，而且锡铅合金与无铅合金的润湿性也有所不同，作者就此进行了专门的研究，以确定针对所需的SMT特性，对网板的开孔形状进行优化。对无铅合金在一些替代表面处理上的低扩展性也需要进行考虑。为达到焊盘的覆盖率最大化而进行的孔径设计，有可能导致片式元件间锡珠缺陷的产生。除了开孔设计指南，我们还将讨论优化整个网板设计的方法。
关键词：无铅，网板印刷，开孔设计，工艺控制
简介
网板印刷的基本目标是重复地将正确量的焊膏涂敷于正确的位置。 开孔尺寸、形状，以及网板厚度，决定了焊膏沉积的量，而开孔的位置决定了沉积的位置。
关于有效控制穿孔位置的方法早已有了定论，将在后面的文章中讨论。 此研究的目的是找到对无铅焊膏的开孔的最佳尺寸和形状。
通常来说，无铅焊膏的润湿性或扩展性较锡铅焊膏要差；因此，组装者须考虑以下几个方面的问题：焊盘周边的裸铜（或板的表面处理），锡珠以及立碑的不同缺陷率
为此，我们专门设计了一项试验，来量化不同焊膏对典型表面贴装缺陷的影响。 试验I部分，是使用传统锡铅SMT工艺，研究网板开孔大小对锡铅和无铅焊膏基准扩展性和缺陷率的影响。试验II部分，优化网板开孔，以降低使用无铅焊膏时的缺陷率。在I部分，板表面最终处理包括有机可焊性保护膜（OSP），化学镍金（ENIG），化学银（IMAG）以及化学锡（IMSN）。试验的II部分使用OSP及IMSN。
试验设计
润湿性及扩展性——焊膏的扩展性可以用两种方法测试。第一种是在金属裸板上印刷一个已知面积的圆形焊料点 (胶点)，然后对样件进行回流，并测量回流后的胶点面积。回流后的面积与原有面积之比，可以计算出焊膏的扩散率，并显示出不同表面处理的电路板的润湿性能。
另一种焊膏扩展性/润湿性的测试包括在一列相同厚度（30 mil）印刷成对的相同厚度（40 mil）的焊膏带，带的间距也相同。如图1所示，焊膏带的间距逐渐扩大， 以正交的方法印刷在线路板上。

 
 
 
 
 
 
 
 
 
在回流中，熔化的焊膏在板上沿着金属线扩张。如果扩展性足够，邻近的焊点之间的缝隙将被桥连。焊膏带之间的空隙从0.1mm到0.8mm之间不等。每个空隙之间最多可产生20个桥连。

 
 
 
 
 
 
 
 
方型扁平封装——对于间距小于20mil的器件， 当开孔与焊盘的比率为1：1时， 会增大桥连的风险。 要降低风险，通常的做法是减少一定量的印刷面积。 将开孔面积减少10%，孔自然减小。然而，当印刷面积减少10%，焊盘暴露的风险也会提高。 虽然暴露焊盘不会损害可靠性，但它影响到组件的外观。 如果锡铅工艺中需要关注裸露的焊盘， 那么在无铅工艺中则更需要关注。
为了量化开孔大小的影响，我们在每块测试板上贴装2个20mil间距的方形QFP。研究中I部分，QFP’s之一开孔与焊盘的比率为1：1，另一个减少了10%。 研究中部分II，开孔设置被定为1：1，减少5%和减少10%。 两部分测试中都用到了5mil和6mil厚的金属网片（分别为125和150μM）。总的来说， I部分进行了面积及网片厚度的四种组合的测试；II部分则进行了六种组合的测试。 测试板如图3所示。

 
 
 
 
 
 
 
片式元件间锡珠（Mid-chip solder ball, MCSB）也是一个常见缺陷，很容易受到网板设计的影响。虽然形成片式元件间锡珠的因素很多——包括焊盘设计、阻焊膜形态、贴装压力、电极形状和金属化、焊盘最终处理和回流曲线——焊膏印刷图形的尺寸和形状，也正面或负面地影响到片式元件间锡珠的形成。
如果焊膏的相对体积较大，特别是在贴放元件的区域，贴装时会把柔软的焊膏挤出去。印刷到器件本体下面的焊膏，在回流时可能会被拉回到焊盘上，也有可能不会。 如果焊膏没有被拉回，在其液态时由于毛细作用能够转移到元件的边上，在冷却后形成锡珠。图4为典型的片式元件间锡珠。

 
 
 
 
 
 
 
采用锡铅焊膏进行几百次MCSB测试，其数据统计结果显示，效果最差的网板设计是1:1焊盘开孔比例、矩形开孔、6mil网板厚度的组合。效果最好的情况是所谓的“本垒板” (homeplate) 型开孔，加上10% 的面积缩减，和5mil网板厚度。图5表示矩形、本垒板形和反本垒板形开孔。而且，以往数据表明，采用均热式温度曲线的效果不如斜升式温度曲线，因为焊膏会在达到液相线之前持续软化并塌落 (热坍塌)。

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
MCSB测试包括最佳和最差的网板设计。在I部分， 结合了每一种表面处理方式，焊膏型号及温度曲线类型（斜升和均热）。 每种元件贴装300个：1206、0805、0603、0402。150个为垂直贴装，150个为水平贴装。 使用了IPC推荐的焊盘标准。研究中并未包括0201元件，因为许多适合于较大无源元件的原则不一定能够适用于密间距微小元件的贴装。作者认为应该单独对0201进行更深层次的研究。
在第II部分，采用了三种新的开孔设计。如图6所示，第一个是尖角倒圆的本垒板形，后两个是带有三个圆弧的反本垒板形。同样，对300个与上面尺寸相同的元件进行组装，两种表面处理方式/网板厚度，以及两种回流曲线。
立碑与MCSB一样， 是SMT中另一个常见的缺陷，它们的形成有多种因素， 但也会受网板设计的影响。 立碑，也被称作“吊桥现象”或“曼哈顿现象”（Manhattan effect）。当作用在一端的焊膏的表面张力大于另一端的表面张力时就会产生；不平均的力瞬间作用于器件造成抬起，站立，像打开的吊桥。影响立碑的设计因素包括焊盘形状和热容的不同。影响立碑的组装因素包括焊膏印刷的位置精度，元件的贴装精度，以及在回流焊中进入液相时的温升斜率。 开孔设计与其他组装因素互相影响，也会造成立碑。 如果元件没有放在中心，它的一端会比另一端接触更多的焊膏，由于焊膏熔化，这会导致元件两端的张力差。 图7为一典型的立碑缺陷。

 
 
 
 
 
 
 
 
锡铅焊膏的历史数据表明，一些开孔形状更易造成立碑(例如矩形)，而有些却不会(如“本垒板”形)。
片式元件间锡珠与立碑的比较：平衡的结果
从前两个研究中可以知道，立碑和片式元件间锡珠的网板设计参数完全不同。事实上生产过程中必须要折衷。用来研究片式元件间锡珠的器件也被用来检查立碑。虽然此项研究不是为了减少立碑，但仍然要观察其缺陷率，因为研究人员不希望在优化MCSB的性能的同时，以增加立碑的缺陷率为代价。
组装——全部174块线路板在一条小的试验线上进行组装。此研究中使用的设备包括MPM UltraFlex 3000网板印刷机，环球仪器Advantis贴片机，和一台 Electrovert OmniFlow [...]

无铅制造可能性和测试控制

Terence Q. Collier

针对无铅焊料在电接触和机械变形间决定最佳点的方法。

许多年前，无铅还被人当作一时的狂热而丢置一旁。然而事过境迁，许多日本公司已经转向无铅了，许多的欧洲和美国公司也正在过渡中。很多设计管理人员等待着，直到更多的指令的出台，因为他们不愿为了某个执行日期改变和潜在的替代合金改变一样快的指令（WEEE和RoHS），而招致产品的重新设计和重新认证成本的产生。日本已经有了完全转化的日期；欧盟的最终期限是另一个不同的日期，再外加来自美国对转化的抵制。由于许多原因，无铅产品是重要的，有两点最为突出。第一，半导体工业产生的大量的废弃物含有铅，这些材料最终会进入环境中。第二，实际上操作人员经常要在远离排风口的公共区域进行手工焊接（会产生焊料烟雾）。其他大规模的生产－从采矿到SMT焊炉－也会将铅加进环境中。加上环境工作在全世界的推行，转换到无铅显然应该是必须的。
无铅焊接的转换不是长期可靠性的简单确认，也不是温度漂移(材料组)至260℃的简单确认。这种转换是对制造可行性和测试的确认。如果这些基本结果不能达到，那么这种合金就不是一个合适的替代品。如果一种工艺不能生产出产品且保持可控，那么这种工艺就是不可行的。理解无铅是怎样影响到性能表现和工艺控制的，这才是其执行的核心内容。
从富铅材料（PbR）切换到无铅材料时, 失效模式和效果分析(FMEA)应该增加额外的变量。机械角度，无铅材料典型的要比高含铅材料硬。在著作中被引用的、具代表性的数据列出的是一个固体样本（标准的立方体区域和质量）的块体属性。不幸的是，回流后的焊料合金即不是块体状态的也不和初始的合金具有相同的成分。（金，铜，镍，钯和其它金属会污染合金，改变机械系数。） 缺少的是能够对比小球和块状固体机械差别的简便图表；缺少的是当对象是有凸点和无凸点倒装芯片时能显示其差别的图表；也缺少了显示无铅合金机电属性改变的图表。
对凸点和外部环境间接触区域的仔细检查显示出，硬度对插座设计，电气接触（阻抗和接触电阻）以及整个产出有明显的影响。不仅无铅合金是硬的特点，就连表面氧化物/助焊剂残留覆盖物的组合，也能在首次电气接触和接触电阻上产生多种影响。
两种现成的“BGA”器件（相同封装，一种含铅量高，另一种不含铅；精确的合金成份与本次试验无关）被用来评价焊料转换的影响。图1和图2示范了一个明显的负荷差别，以证实类似的凸点变形。（变形程度和为形成电气接触而在凸点上所需施加的最小力有直接关系。对于使用锡铅合金的电气接触而言，对变形的选择是典型的。）

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
如图3和图4所突出的，在目标负荷情况下，含铅量高的器件会比无铅合金器件发生最高可达50%的变形。当负荷移走后，含铅量高的器件会保留比无铅合金器件多达75%的变形。这种现象和高铅焊料的机械属性有关。当比较无凸点类型时，在铜凸点的倒装芯片封装上，这一现象也很显著。改变凸点的化学成份会导致在冶金和机械方面有一连串的改变；很可能是由于铜在焊料中的溶解和合金化。

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
当我们寻找方法来改进BGA安装到插座或倒装芯片安装到探针卡上的寿命，并且去理解怎样的从高铅向无铅的转换才会影响到电气和机械性能时，物理测试是必需的。对于倒装芯片，为确定是否在提高产出的同时能维持更好的工艺控制，电气机械特性的比较分析是必需的。伴随着正确的工具设定（该过程使用改良自CSM仪表的工具），电气接触电阻－也包括确切的首次电气接触及机械持久力－能很容易获得。
在我们的评估中，我们确定了处于确切电气接触和机械变形之间的最佳接触点，以提供更好的工艺控制。数据显示，和回流温度无关，从富铅向无铅的转换，在电气或机械方面都不是一个普通的替换。这一方法也提供了调查者一个早期的机会来评估在焊料凸点的可靠性方面由于测试设备未对准而造成的影响。
电气机械数据提供了工艺/设计FMEA人员在合金选择方法上一个无偏差的数据。相对建模方式，这一基于实际数据来选择合适材料的方法，从工程上去除了凭猜测所做的工作，导致了“一次正确”的设定，插座配置和界面硬件配置。合金的电气机械特性不仅仅帮助封了封装设计人员，也援助了器件设计。机械方面的，也是电气方面的，由于将封装插入插座并测试而需要的增加了的负荷，硅片会被损坏。同样重要地，如果实现电气接触所需要的力超过机械负荷极限时，具有低介电常数（Low K）结构的倒装芯片将遭受可靠性的问题。
小几何尺寸的富铅倒装芯片凸点，实现电气接触，通常每个凸点需要承受15到20克的力。我们的团队使用了一个经改装的“CSM－Instruments”的微米硬度工具，针对模拟稳定电气接触和产出所需要的力的差别做出快速的估计。结果显示对于一个等价值，无铅材料组可能需要70%甚至更多的负荷。（这个结果由四点探针机构的Kelvin连接确认过了，显示了一个74%的差别。CSM工具用了大约5分钟，而使用Kelvin连接可能需要将近两周时间来获得结果。）代替标准测试块的电阻系数和硬度，设计者和工艺工程师向焊料和球的供应商要求在这里所讨论的这类数据。
额外增加的变量在FMEA上可能有高的等级，并且可能影响到性能表现（硬件和器件是相似的）比如助焊剂残留物，氧化物，合金污染物应该和凸点合金一样被同等的评估。冲洗和其它主张通过去除助焊剂残留和氧化物来清洁凸点的工艺，可以作为一个附加的标准，以便在一个实验设计中得到验证。DoE过程可以被概括为，针对凸点合金而建议采用正确的探针设计来匹配优先的目标产出，同时增加生产量和优化硬件设计。
针对凸点几何学优化探针设计是有必要的，这样可以帮助在有效刺穿助焊剂残留物和氧化物的屏障层产生电气回路的同时防止（对凸点的）伤害产生（要形成电气接触，有些凸点的变形是需要的；过多的负荷导致了损坏和产出率的降低）。该过程已从几个月（有临界结果）被改进到了几天（有精确的测试结果）。伴随着正确的设定，不断增加的方法，器件和设备的最优化，一个完整的凸点变形和电气优化的分析用不了3天就可做到。
最后，当比较无铅和富铅焊料时，注意由于尺寸的变化，在倒装芯片的焊料凸点和μBGA封装间（250µm凸点几何尺寸相对750µm），会产生耐久力的变化。当负载了不同的最大负荷时，观察到了一个“变形”的差别。实验的结果是符合实际测试结果的，具有少于5%的误差幅度。（如果Kelvin连接是个因素的话，部分的误差可以被消除。）对于测试硬件设计，预防性的维护（PM）和晶片的破裂而言，这一差别是关键的，尤其是当无铅凸点安装在低介电常数焊盘上时。在封装或晶片上过多的负可能导致硬件的损坏和设备的停工。如果使用无铅焊料，尤其是使用在低介电常数结构上时，一个和这里所讨论的某个类似的分析方法，可能对市场销售和可靠性的改良是适时有帮助的。　

QFN元件的贴装及返修工艺

上海贝尔阿尔卡特股份有限公司 王其超

摘要:QFN封装(Quard Flat No-lead方形扁平无引脚封装)具有良好的电和热性能、体积小、重量轻，其应用正在快速增长。QFN的封装和CSP有些相似，但元件底部没有焊球，与PCB的电气和机械连接是通过PCB焊盘上印刷焊膏、过回流焊形成的焊点来实现的，对PCB焊盘设计和表面贴装工艺提出了一些新的要求。印刷网板设计、焊后检查、返修等都是表面贴装过程中所应该关注的。
概述
QFN是一种无引脚封装，呈正方形或矩形，封装底部具有与底面水平的焊盘，在中央有一个大面积裸露焊盘用来导热，围绕大焊盘的封装外围四周有实现电气连接的导电焊盘。
导电焊盘有两种类型：一种只裸露出封装底部的一面，其它部分被封装在元件内；另一种焊盘有裸露在封装侧面的部分 (图1)。
与PCB的电气连接是通过在PCB焊盘上印刷焊膏、过回流焊形成焊点，将QFN焊盘和PCB上相应的焊盘连接起来实现的。缩短了连接距离的导电焊盘可以提供良好的电性能；中央大的热焊盘可以将封装体的热量迅速传导到PCB上，具有良好的热性能。
QFN封装具有良好的电和热性能、体积小、重量轻，成为了许多新的应用的一种理想的选择。在印制板上，封装的大面积裸露焊盘相对应的热焊盘，其尺寸设计与封装的大面积裸露焊盘尺寸相同；导电焊盘相对应的四周焊盘，其尺寸也和导电焊盘尺寸设计相似，但向外稍微长一些。

 
 
 
 
 
 
 
印刷网板设计
能否得到完美、可靠的焊点，印刷网板设计是关键的第一步。四周焊盘网板开口尺寸和网板的厚度的选取有直接的关系， 一般较厚的网板可以采用开口尺寸略小于焊盘尺寸的设计，而较薄的网板开口尺寸可设计到1：1。关键是面积比要符合IPC-7525有关的规定。推荐使用激光制作开口并经过电抛光处理的网板。如果网板厚度>150μm，则可考虑采用电铸的网板。在实际生产中，分别设计试验了150μm和130μm厚度两种网板，使用AOI记录了印制板上3种不同封装尺寸的QFN器件（Type A、B和C）的焊膏印刷情况。

 
 
 
 
 
两种厚度网板的参数设定、使用的焊膏和印刷设备完全相同，从印刷的结果来看，150μm网板的面积比< 130μm 网板的面积比，所以在脱模时更容易发生孔壁粘连而导致印刷高度偏高，造成焊膏堆积成形不良。130μm的网板更易形成理想的方台式堆积外形，而150μm的网板则容易形成“馒头”状的堆积外形。（当然，更换焊膏型号也许能够加以解决）
AOI的焊膏图形高度统计结果如下：

 
 
 
 
 
 
 
从表1中可以看到，130μm网板的印刷高度普遍比150μm网板要薄，由于设备印刷结果偏厚的固有偏差，似乎130μm网板的印刷结果更接近150μm网板期望的印刷高度目标值。
AOI的焊膏堆积体积统计结果如下：

 
 
 
 
 
 
“150μm/150μm”，“130μm/150μm”表示以150μm网板的开口设计所期望的焊膏体积量作为目标值（100％值），来统计的两种网板相对目标值的百分比。“130μm/130μm”表示以130μm修改后的网板所期望获得的标准焊膏体积量来计算的130μm网板的实际体积释放百分比。
从表2的统计结果可见，相对150μm的设计，130μm网板所获得的焊膏量要略小于150μm网板的获得量，这个结果也是可以预见到的，毕竟厚度减少了13％。根据面积比的计算，理想的释放率A和C型应该>73%，B型应该>89%，如果按各自的目标值统计，130μm的网板的QFN的释放率在88～107％，完全符合要求，即使按150μm网板的设计释放量为100％来计算，130μm的释放率也是符合要求的。
焊接后，目视检查的结果如下：

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
QFN元件的缺陷率，150μm网板和130μm网板比较没有显著的差别。

 
 
 
 
 
从照片来看，两种网板对应的QFN元件的外部焊点情况焊锡量都较充足，可以看出，在过回流焊时四周焊盘上的焊锡会被挤到外面，150μm网板的焊膏量要大于130μm，所以在焊接时被挤出的量更多，外部焊点看上去也更大。中间散热焊盘如果也采用1：1开口，四周焊盘上的焊锡被挤出来，则散热焊盘上的焊锡也会向外挤，就很容易造成锡珠或桥接的发生。
为了减少可能出现的缺陷，可考虑缩减QFN底部散热焊盘的网板开口面积。QFN散热焊盘的网板开口可以开成一组规则排列的小的方形开口或小的圆形开口组合，也可以开成不规则的不同形状开口的组合，使加起来总的开口面积达到散热焊盘面积的50％～80％，但焊后的连接面积最小应该>40%。
由于器件引脚的配置不同，上述四种QFN元件导电焊盘都是侧面无法上锡，仅有一面可与板上形成焊点的类型，所以侧面堆积的焊锡无法作为焊接是否良好的直接判断依据，只能作为一种辅助的判断手段来判断元件是否曾经上锡。

 
 
 
 
 
由于QFN的焊点是在封装体的下方，并且厚度较薄（图中G部分），X-Ray对QFN焊点少锡和开路无法检测，只能依靠外部的焊点的情况（图中F部分）尽可能地加以判断，但由于器件的引脚配置形式不同，F部分在IPC标准中是一个无法指定的部分（Unspecified parameter or variable in size as determined by design）：

 
 
 
 
 
 
 
从X－Ray图像可见，F部分的差别是明显的，但真正影响到焊点性能的G部分的图像则是相同的，所以这就给X－Ray检测判断带来了问题。用电烙铁加锡，增加的只是F部分，对G部分到底有多大影响，X－Ray仍无法判断。就焊点外观局部放大的照片来看，F部分仍有明显的填充（fillet）部分。
在暂时没有更多方法的情况下，将会更多依赖生产后段的测试工位来判断焊接的好坏。

 
 
 
 
 
 
 
QFN返修
对QFN的返修，因焊接点完全处在元件封装的底部，桥接、开路、锡球等任何的缺陷都需要将元件移开,因此与BGA的返修多少有些相似。QFN体积小、重量轻，且它们又是被使用在高密度的装配板上，使得返修的难度又大于BGA。
当前，QFN返修仍然是整个表面贴装工艺中急待发展和提高的一环，尤其须使用焊膏在QFN和印制板间形成可靠的电气和机械连接，确实有一些难度。目前比较可行的涂敷焊膏的方法有三种：一是传统的在PCB上用维修小丝网印刷焊膏，二是在高密度装配板上的焊盘上点焊膏；三是将焊膏直接印刷在元件的焊盘上。上述方法都需要非常熟练的返修工人来完成这项任务。返修设备的选择也是非常重要的，对QFN既要有非常好的焊接效果，又须防止因热风量太大将元件吹掉。

 
 
 
 
 
 
 
 
总结
由于QFN器件封装的特殊性，以及目前在检测和维修手段上的些许不足，因此在装配QFN器件时，网板设计，焊膏印刷，以及贴片的位置准确度，贴片压力等都需要特别的注意，以保证装配焊接的一次通过率，尽量避免不必要的维修发生。所以，焊膏印刷后的AOI，以及贴片后的AOI将在QFN的装配工艺中起到十分重要的控制和保证作用。

选择性波峰焊在高端电子产品中的应用

谢德康
波峰焊设备发明至今已有50多年的历史了，在通孔元件电路板的焊接中具有生产效率高，自动化程度高等优点，因此曾经是电子产品自动化大批量生产中最主要的焊接设备。随着电子产品高密度小型化的设计要求，近10多年来各种封装形式的表面安装元件的出现，电子产品的组装技术出现了以表面安装技术为主流的发展趋势，通孔元件的应用已越来越少。一些高端电子产品使用一些特殊的印制板以及细脚距连接器的应用使得波峰焊技术以及手工焊技术遇到越来越多的困难。
大型电子计算机
大型电子计算机在天气预报、石油堪察、火箭发射、卫星跟踪及核爆模拟中具有极其重要的作用，因此大型电子计算机的发展水平代表了一个国家高科技水平的重要标志之一。大型电子计算机使用的一些多层印制电路板的层数已达30至50层，板厚达2至3mm，双面贴装有大量的BGA、QFP等表面安装的超大规模集成电路，但仍有一些高性能微处理器及连接器仍然是通孔元件（见图1）。这类电路板往往先做好双面回流焊工艺，而个别通孔元件无法使用波峰焊工艺，只能用手工焊方法来解决的。由于50层的多层印制电路板具有很大的热容量，当烙铁头温度设定较低时，手工焊接很难使金属化孔中填满焊料，而烙铁头温度太高时又很容易造成焊盘与基板剥离使板子报废。
有些厂家为焊接这种板子上的通孔元件采用了带托盘的波峰焊工艺，托盘把已经回流焊接好的贴装元件掩盖住，只留出所要焊接通孔元件的引脚，电路班板随托盘一起过波峰焊。这种工艺的最大问题是托盘底面的凸出部分要高于通孔元件引脚的露出高度，焊料波峰流动时会产生阴影造成大量焊点空焊，若把波峰高度打得更高一些会使波峰不稳定而无法正常工作。

 
 
 
 
 
 
 
军用电子产品
军用电子产品往往在十分恶劣的环境条件下工作，环境温度由-55℃至+80℃，相对湿度达90％，盐雾气氛以及激烈的机械振动和大的冲击强度，因此对电子产品的焊点可靠性要求极高。美国军用标准MIL－STD－2000电气和电子组装焊接标准第5，4，21，11，3条规定“金属化孔必须被焊料填满，焊料凝固时不仅从印制板线路组件的一个面连续地流到另一个面，而且应延伸到印制线路组件两个面上的接线区”（见图2）。
某些军用电子产品，如舰艇、军用飞机等电子产品由于湿热水气并带有腐蚀性盐雾，因此冷却气流往往不能直接进入电子产品的机壳内，电路板上的电子元件通常用热传导方法通过机壳向外界散热，一些DIP双列插装的集成电路封装体直接紧贴在条形散热板上，如美国军用标准MIL－STD－2000中5，3，19，10，5，4条推荐的一种印制板上粘结有铝制的散热板（冷板）结构，已在军用飞机上广泛使用（见图3）。这种表面粘结有散热板的印制电路板给波峰焊工艺的实施带来很大困难，由于热量散失较快，焊料无法填满金属化孔，焊接时由于板子下表面温度高，板子上表面温度低产生的机械应力使印制板与散热板之间出现剥离。

 
 
 
 
 
 
汽车电子,开关电源产品
汽车电子以及开关电源等电子产品，由于使用的环境条件较恶劣并有很大的功耗，一些产品中已采用了金属芯印制电路板。金属芯印制电路板的基板或多层板中的某些层用金属材料制成，可以达到良好的散热效果。有些电子产品的设计选用了气密性及防潮性极好的陶瓷封装集成电路，如陶瓷封装的CBGA以及陶瓷封装的无引线集成电路LCC。陶瓷材料的温度膨胀系数较低（CTE＝6-7ppm/℃）而常用的FR4环氧玻璃布基板的温度膨胀系数要大得多（CTE＝14-18ppm/℃），由于元件封装体与印制电路板温度膨胀系数严重失配，若用波峰焊工艺来焊接板上的通孔元件，印制板热膨胀尺寸加大会把原先已回流焊好的陶瓷封装集成电路的焊点拉断，这种电路板与波峰焊工艺是不兼容的以往也只能采用手工焊接。即使这样若这些产品使用在恶劣的工作环境，在高低温激烈变化的环境，焊点同样承受很大的剪切机械应力作用而产生裂缝。为解决温度膨胀系数的匹配问题高端电子产品的电路板采用铜－因瓦－铜的金属芯印制电路板（见图4）。这类电路板由于散热效果极好，板上的通孔元件用手工焊很难使金属化孔中填满焊料。
细脚距通孔连接器
以往通孔连接器引脚间距都是一个网格距离（2.54mm）而随着电子产品组装密度的提高半个网格距离（1.27mm）的细脚距通孔连接器已被广泛使用，在波峰焊工艺中焊点短路缺陷明显增多。

 
 
 
 
 
 
 
无铅焊料的应用
无铅焊料的熔点比锡铅焊料高40℃左右。
在高温焊接环境板子更容易弯曲变形，电路板上的焊盘也更容易氧化，再加上无铅焊料的浸润能力比锡铅焊料差，因此无铅波峰焊和无铅手工焊实现高质量高可靠的焊点就更为困难，尤其是一些与电源或地连接的金属化孔中焊料的全部填充满很难实现。
选择性波峰焊为高端电子产品中通孔元件的高质量焊接提供了最佳的解决方案。
世界上第一台选择性波峰焊设备是在1995年由德国ERSA公司发明的，为提高高端电子产品中通孔元件的焊点质量，ERSA公司的选择性波峰焊设备采用了多种有效的技术措施。包括助焊剂喷射位置及喷射量的精确控制，微波峰高度的精确控制，焊接位置的精确控制，微波峰表面的氮气保护，每一焊点工艺参数的优化，不同尺寸的喷嘴快速更换，单个焊点的定点焊接及通孔连接器引脚的顺序成排焊接相结合的技术，根据要求可以设定焊点形状“胖”“瘦”的程度，可选择多种预热模块（红外、热风）以及增加了在板子上方的预热模块，用免维护的电磁泵替代叶轮式焊料泵使锡波更加稳定，结构材料的选用完全适合无铅焊料的应用，模块化的结构设计减少了维护时间等。由于采用多种新技术使选择性波峰焊的缺陷率大大低于波峰焊的缺陷率（见图5）。在细脚距连接器的焊接中不会出现短路缺陷（见图6），在多层电路板的通孔元件焊接中在金属化孔中达到完全填满焊料的最佳效果（见图7），喷嘴停留时间的不同可以得到不同的顶面焊料填充（见图8）。

 
 
 
 
 
 
 
高端电子产品电路板具有高的组装密度和要求高可靠性的焊点质量，由板子的组装方式和高性能印制电路板的结构，波峰焊和手工焊已很难适应高端电子产品组装工艺的要求，用先进的选择性波峰焊来替代波峰焊和手工焊是提高高端电子产品通孔元件焊接质量的最佳选择。

焊膏的3D检测

肖圣瀚

上海贝尔阿尔卡特股份有限公司

摘要在电子装配业中焊膏印刷质量的控制已经受到越来越高的重视。传统的焊膏测量一般是选择几个抽样点，简单测量一下焊膏的高度。随着AOI（Automated Optical Inspection）设备的功能的不断争强以及使用范围越来越广，在线测量能力得到了很大的提高。目前具有3D测量能力的AOI不仅可以帮助测量高度，还可以测量面积和体积。因此使得工艺工程师可以通过AOI测量来发现一些真正影响印刷质量的隐含情况，进而改进以提高工艺水平。
传统焊膏测量方法
传统焊膏的测量方法是在PBA上选取几个有代表性的点（如QFP器件，BGA器件的焊盘），以及一些其它普通焊盘（如阻容器件的焊盘）测量一下高度，如果仪器条件许可还可以测量一下焊膏堆积的宽度。但是这种测量方式存在一个问题，就是印刷后焊膏堆积的形状如果不是理想中的“方台”状，那么焊膏堆积形状对于选点测量的结果会有很大的影响。

 
 
 
 
 
如图1和图2，我们可以看到同样测量A、B两点由于形状的不同我们得到的结果完全不同。对于图2中“梯形”的堆积形状，测量A点和测量B点得到的结果是一致的，但是对于图1“馒头型”的堆积形状，我们测A点和测B点得到的结果会不一致，这种情况对于BGA来说很常见。因此测试点的选取，测试时被测点在整个焊膏堆积中所处的位置都会直接影响到测试结果的准确性和可信度。
因此只通过测点高度的方式来控制印刷质量和评估印刷工艺是远远不够的。因为这种方法必须要保证印刷出来的焊膏堆积形状是梯形的，这对于实际情况来说大多数情况下是不可能的。焊膏有黏度，在脱模的时候会拉起，等断裂的时候就会造成拉尖（图3）或馒头（图4）形状。而这类情况在细间距的QFP器件和BGA器件上由为常见，偏偏这类器件又是工艺控制中的重点，如果再加上离线抽样的检测方式，这种情况就会变得更糟糕，往往依据这类方式做出的SPC控制图看似很好，一切似乎很受控，但实际生产上又往往会反映各种各样看似不可能的故障情况，因此直接影响了工程质量人员对测量的精确度和可靠度的判断甚至产生怀疑。

 
 
 
 
 
 
而且真正影响最后焊点质量的是焊膏的堆积量，体积是一个二次参数，是无法直接测量得到的，因此体积是通过面积和高度这两个变量计算来的。传统的测量方法只能粗略的控制高度，对于面积毫无办法。即使能够估算面积，但由于焊膏堆积形状的复杂性，因此简单的用面积×高度的方式计算出的体积也是存在很大误差的。
随着更高密度的组装，以及无铅工艺的发展，焊膏印刷工艺的难度会越来越高，工艺的控制精度也越来越高，所以控制印刷后的焊膏体积变将得很重要。尤其对于使用6Sigma的质量管理体系来说传统的测量方法已经明显适用了。
3D AOI测量
目前3D AOI的使用多数是在大批量生产中的实时检查以及将采集的数据进一步做SPC统计使用。这些问题都不在这里进行讨论，这里所要讨论的是通过3D技术的AOI工艺工程师能得到哪些数据，从这些数据能得到些什么有用的信息。

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
这里以较常见的白光测量3D AOI为例。首先介绍一下该类AOI的检测原理。在测量时AOI的激光器会发射出几束平行条纹光，这些条纹光不是垂直发射的而是以与垂直方向有30度夹角发射的（图5上）。当光束照射到PCB板和焊膏时，由于焊膏有高度所以在得到的图像上就可以看到照射在焊膏上的光束和照射在PCB板上的光束有了位移差（图5下），通过计算这个位移差就可以得到这束光束所在位置的高度。再通过算法将这些光束的高度组合起来就可以得到一幅三维高度图，从这张三维图可以算出面积和体积。高度则是将各光束测得的高度值排列取中间值，不是平均值，因为平均值会受到几个异常高或者异常低的值的影响。因此用这种方法得到的高度值更接近真值。再配合每条光束细分出来的焊膏面积，这样计算出的体积值就更加接近实际值了。
采用3D检测的AOI，再配合在线的实时检查，就可以帮助工程师建立准确，可信的测量系统。从而为工艺的控制，以及工艺问题的发现、分析、改进效果的评估提供了有力的支持。
实例比较结果
下面通过一个实例来比较注重测量高度的传统设备和能得到高度、面积和体积的精确数据的3D AOI设备能发现些什么不同。实例中所有的数据是来自批量生产中对于一个0.5mm fine-pitch的QFP测量的结果，网板厚度是0.15mm，测量的数据单位是1/100mm，丝印机设置为每7块板子擦拭一次。

 
 
 
 
 
 
从高度表中可以看到高度值在16.7倒18.3之间震荡，没有明显的规律性。

 
 
 
 
 
 
 
接下来看面积表，对于面积可以看到面积值有了规律。7、14、21、28、35这几个点都是极小值，随后的点的数据开始渐渐的上升并保持稳定。而出现这些点的板子正好是刚擦拭完网板后印刷的板子。从数据中可以明显地看到擦拭网板会减小印刷面积。

 
 
 
 
 
 
 
 
最后来看体积，体积是直接影响过炉后焊锡量的值。体积值的变化趋势和面积值的非常接近，面积极小值的几个点都是体积值的极小值点，等过了极小值点之后体积值也开始逐渐上升并趋向于一个平稳状态。再看相对于面积极小值之后的六个点的高度值，这些点的高度值变化较为杂乱，有上升有下降没有稳定的趋势。所以相比之后，体积值的变化更好的吻合于面积值的变化。
由以上的分析可以初步得到这样的结果：当高度变化在一个可接受的范围之内时，控制印刷后焊膏堆积物的面积显得更重要。因为在这个范围之内面积对于最后体积的影响更大，此时面积成了主要影响参数，控制面积的效率就更高了。
总结
通过分析3D AOI设备测量的数据，可发现焊膏印刷体积的变化受面积的影响更大。因此当已经将印刷高度这个工艺参数控制在一定范围内之后，再进一步控制高度效果已经不明显了，或者说，如果只控制高度，即使控制再严，也将极有可能漏过许多印刷面积方面的缺陷，而直接导致焊接缺陷。此时就应该转向控制焊膏堆积面积和体积了。而传统的高度测量设备显然已经力不从心了，这时只能借助3D AOI设备了。
那么，当工艺状态已经得到控制，并且处于一个稳定状态时，这时AOI能起到什么作用呢？当然这只是一个假设状态，从AOI的检查角色来说，它只是反馈环节中的一员，当输入和输出完全相同时，系统的反馈误差就是0了，因此这时AOI就显的不怎么重要了，只是一个“数据记录员”了，但真的就是这样吗？上面的例子证明事实并非如此。当使用了AOI后，发现了面积和高度表现不一致的问题，发现了还有很多以前没有观察到的东西，还有很多需要进一步解决的问题，AOI的贡献更多的在于它提供给工程人员一个更好的手段去发现问题，去解决问题。所以，不要只是把AOI简单作为目检人员的机械替代品，正确使用你的AOI，你会有很多发现和收获的。

成功贴装细小片状元件的关键因素

环球仪器上海SMT工艺实验室工艺研究工程师 李 忆

前言
随着主动元器件的尺寸变得越来越小，被动元件的尺寸也在减小，设计人员能够灵活的利用它们来完成高密度产品的设计。0603 和 0402元件的广泛使用已有多年，这些元件能够在批量应用中有很高的装配良率。最近，0201/01005元件已经进行系统装配（SiP），在手机、数码像机、无线蓝牙等产品中得以应用。0201元件约为0402元件尺寸的四分之一，而01005元件则约为0201元件尺寸的四分之一。较小尺寸的元件可能会降低装配工艺的稳健性。这类细小元件的装配比其它元件在工艺材料的选择、设计、工艺的控制方面更具敏感性。由于本身的尺寸非常小，它的尺寸公差对装配工艺也会产生非常显著的影响。所以，细小元件的装配工艺不同于其它元件，需要更加精确的控制。
本文我们讨论的是细小元件的贴片控制工艺。环球仪器SMT工艺实验室已开发完整的0201/01005元件装配工艺，如果读者对锡膏的选择、印刷工艺的控制、印刷钢网和PCB的设计、以及回流焊接工艺的控制感兴趣，欢迎和我们联系。
关键词 0201/01005元件，成功贴装
影响细小元件成功贴装的关键因素
贴装细小元件的关键因素包括贴片机的定位系统，取料过程控制，贴片机的影像系统，和对贴片过程的控制。除了这些因素之外，还有一些不容忽视的地方，如送料器的精度，元件包装的误差和元件本身的误差，吸嘴的材料设计等等，都是在装配之前需要综合考虑的。下面我们来讨论贴片过程中各个环节的关键控制点。
0201/01005元件的贴装控制
1．贴片机的定位系统
对于细小元件的贴装，要求驱动定位系统在所有驱动轴上都采用闭合环路控制，以保证取料和贴装的位置精度。现在很多贴片机都采用了可变磁阻马达（VRM）驱动系统，可以提高热稳定性，获得较高的加速度，还有高的精度，有的分辨率已达到1um。这些技术的应用给成功贴装细小元件提供了保障。值得注意的另外一点是，采用拱架式机构的贴片机的单悬臂横梁在贴片过程中的抖动，是往往容易被忽视的地方。
2．取料过程的控制
准确的取料是成功实现贴装的第一步，在此过程中影响正确取料的因素有元器件之间的差异，包装的误差，送料器的精度，贴片机驱动定位系统的误差，贴片头z轴方向的压力控制，吸嘴材料和设计，以及在取料过程中对静电的控制。
由于细小元件之间的细小差异会对取料和贴片过程产生显著的影响，要求贴片头在此过程中能自动感应其变化并采取相应的补偿措施，以消除对元件高度，厚度等的敏感性。采用的方法是在贴片头上安排压力感应器，防止过大的压力在此过程中将元件压碎，或取不到料。比较好的贴片机的贴片头z轴分辨率可达1um，压力感应器可以感应到24um的变形。 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
传统的机械式送料器已不能满足日益变小的元件对于高精度的要求。细小元件要求精度更高的马达驱动的电子送料器，并要求其有良好的抗静电效果。送料器安装在贴片机上，在它们之间会存在间隙和位置误差，这种误差很小，在贴装较大器件如0603/0805等，完全可以被忽略。但是对于细小的0201和01005而言，其影响会很大。在拾取0201/01005这类元件时，很难同时取4颗或7颗元件，原因在于此，另外还有元件包装的误差。所以单颗拾取0201或01005比较稳妥，可以保证取料的可靠性。理想的取料位置在元件的中心区域，如下图1所示。如果取料位置超出元件上最佳的取料区域，可能会导致贴片缺陷，如偏移和立碑等。同时因为板上元件安排很密，可能会使吸嘴干涉到其它元件。
为了消除包装，送料器等带来的误差，保证取料的一致性，需要贴片机在取料过程中具有动态的自动矫正取料位置的能力。在生产过程中，需要换线，需要换料，并且每只送料器的状态也不一样，所以元件最佳的取料位置也会变化。机器需要在此过程中敏感的捕捉到这种变化，并自动的找准调整吸料位置，保证吸料的准确性和可靠性。下图2所示为某一机器在拾取0201和0402元件过程中，自动调整取料的最佳位置。
3．吸嘴的设计和保养
贴装0201和01005元件需要更细的吸嘴，同时为了防止静电损坏元件及在取料过程中带走其它元件，细嘴的材料需要抗静电，所以要选用ESD材料。为了尽量降低吸料过程中元件侧立，保证足够的真空和元件被吸起之后的平衡，在吸嘴头部需要设计2个或3个孔。考虑到贴装密度小于0.25mm的情况，吸嘴头部要足够的细，它上面的孔也会比较细。对0201的吸嘴而言，最小的孔径会达0.127mm，而01005元件的吸嘴更细，达0.1mm。这不仅给制造带来了难度，也需提高这些吸嘴的清洁保养频度。对吸嘴的清洁保养的要求比其它类型的吸嘴要高，需要利用清洁溶剂和超声波来清洁。由于0201/01005很薄，01005元件厚度只有0.1mm，这增加了细嘴与锡膏接触的机会。增加清洁保养的频度成为必要。
4．元件的影像对中
确定元件的中心有两种方式，一种是采用数码像机，另一种是采用镭射（激光）。两种方法各有优缺点。采用数码像机可以检查出元件电气端的缺陷，如图。但是它不能感测元件的厚度变化。对于z轴有压力感应及取料/贴片补偿功能的机器，不会产生严重的问题。采用镭射成像的方法可以检测元件的厚度，但对于元件电气端出现的缺陷则检查不出来。在实际贴装过程中，元器件两端电气端与锡膏重叠的区域的差异，会影响焊接完成后的装配良率。由于不同厂家，或同一厂家不同批次的元件在制造过程电气端可能存在差异，所以采用数码像机成像具有一定优势。
对0201元件和01005元件成像对中需要高倍率的像机，光源的使用和其它较大的片装元件也有区别。一般的元件如0603或0805等元件，使用背光，找到整个外形轮廓的中心就好。但是0201或01005元件需要使用前光，或仰视照相，找到两个电气端之间的中心，以提高贴装精度。
细小元件两电气端与锡膏重叠区域的大小和差异会对装配良率产生很大的影响（立碑缺陷）。
不同的元器件制造厂生产的同样的0201电阻元件会存在很大的差异，照相机应该在相当于PCB厚度的位置对元件对焦成像，以提高影像的准确性，保证贴片精度。
5．贴片过程控制
在贴片过程中的关键控制因素有基板平整的支撑，真空关闭转为吹气的控制，贴片压力的控制，贴片的精度和稳定性。
基板进入贴片机后，传输导轨将基板两边夹住，同时支撑平台上升将板支撑住并继续上升到贴片高度。在此过程中由于外力的作用，容易导致基板变形，加上基板来料可能存在的变形，会严重影响贴片的质量。对基板平整的支撑变得非常重要。薄型基板的应用，更容易出现“弹簧床”效应。薄板随着贴片头的下压而下凹，并随着贴片压力的消失而恢复变形，这样反复，造成元件在基板上移动，而出现贴片缺陷。所以在支撑平台上需要安排支撑装置，保证基板在贴片过程中平整稳定。这种装置可以采用真空将基板吸住，也可采用具有吸能作用的特殊橡胶顶针，以消除在贴片过程中的震动并保证基板平整。
贴片头将元件拾取后，照相机对元件照相对中，贴片头在将元件移至PCB贴片位置上方。贴片头z轴加速下降到贴片高度，这时候z轴继续减速下降，同时轴内真空关闭，转化为吹气。元件接触到PCB上的锡膏，贴片轴感应到设定的压力后上升并移开，完成单个元件的贴片过程。在这个过程中真空的灵敏快速切换和吹气的时间和强度控制很关键。真空关闭太慢，吹气动作也会延迟，在贴片轴上升过程中会将元件带走，或导致元件偏移。同时，如果在元件被压至最低点时吹气，容易将锡膏吹散，回流焊接之后出现锡珠等焊接缺陷。 真空关闭太快，吹气动作也会提前，有可能元件还未接触到锡膏便被吹飞，导致锡膏被吹散，吸嘴被锡膏污染。灵敏的真空切换可以在5ms内在50mm的轴内完成。
贴片压力是另一需要控制的关键因素。贴片压力控制不当，会导致元件损坏，锡膏压塌，元件下出现锡珠，还有可能导致元件位置偏移。贴装0201和01005元件合适的压力范围为150g – 300g。对于基板变形的情况，贴片轴必须能够感应少到25.4um的变形对应压力的变化，以补偿基板变形。
过大的压力会导致在下压过程中元件上出现一个水平力，而使元件产生滑动偏移。过大的压力也会将元件底部的锡膏挤开，形成锡珠，或导致相邻元件短路。
贴片精度对0201/01005元件装配的影响
65um@3Sigma的精度可以很好的处理0201和01005元件的贴装。当然还必须保证锡膏的印刷精度，单一的偏差有时不会有很大的影响。但是贴片偏差和锡膏印刷偏差的综合影响必须加以控制。譬如，贴片偏差+50um,而印刷偏差为-50um，整个偏差达0.1mm，对0201和01005这类细小元件此偏差已非常大。
所以我们必须关注细小元件电气端与锡膏的重叠区域，细小元件两电气端与锡膏重叠区域的大小和差异会对装配良率产生很大的影响。如果元件两端与锡膏接触的区域差异大，这种不对称很容易导致元件在回流焊接炉内产生“立碑”，锡珠和元件间短路。元件在长度方向和宽度方向的偏移，所产生的缺陷不尽相同。
在PCB和印刷钢网设计的时候，需要考虑贴片机和印刷机的精度，以及PCB和钢网的制造误差，确定适当的“重叠区域”，以补偿可能出现的差异。总之，细小元件的装配良率受贴片精度和锡膏印刷精度的综合影响。
总结
细小元件应用越来越广，给设备和工艺带来了挑战，因为其对各种变数更加敏感，细小的变化可能导致非常显著的影响，如0201贴装偏移量增加甚至小于0.1mm，不良率将增加超过5000ppm ！工艺材料，机器，方法(工艺)，人员，和环境完美的结合才能获得稳健组装工艺和高质量产品。本次只是阐述贴装工艺中控制重点，基板和印刷钢网的设计，锡膏的选择和印刷，印刷工艺及回流焊接工艺的控制对于整个组装工艺同样重要。
参考资料
1． Adriance,J. and Schake,J., “Mass Reflow Assembly of 0201 Components”, proceeding from the IPC APEX conference, March 2000, Long Bench, CA.
2． Westby, G., Adriance, J., Prinz von Hessen, W., Schake, J. And Barbini, D. ,“0201 Issue and Process Window”, September 2000, Area Array Consortium Area Array [...]