| Yueli Liu，David A. Geiger，上官东恺——伟创力 |
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| 摘要
在双面组装时，T 面（top side）元器件第一次回流后，需要将电路板翻转 进行另一面的回流焊接。在第二次回流时，原己焊好的 T 面元器件被表面张力 所固定，防止元器件在重力作用下的掉件。需要有一套方法从元器件重量和焊盘面积角度来判断元器件在 B 面（bottom side）回流时是否会掉件。 本文介绍了一个理论模型，该模型给出了元器件在第二次回流是否掉件的 关键值。对无铅焊接电路板采用了实验设计（DOE）和ANOVA分析，以验证影响 不同元器件掉件的主要工艺因素的影响，同时对有铅焊接和无铅焊接进行了对 比。为了进一步调查，采用了光学检测和切片分析。实验结果表明：有铅和无铅焊接之间的Cg／Pa值没有明显差异。 双面回流电路板的应用越来越广泛而且复杂度日 益提高。双面回流电路板的主要优点在于充分 利用了电路板空间，同时降低了产品成本。双 面回流组装时，先进行T面元器件回流焊接，然后将电路板 翻转再进行一次回流。在第二次回流时，原已焊好的T面元 器件是被熔融焊料的表面张力所固定，防止元器件在重力 作用下掉件；然而，如果T面元器件重量太大，那么在二次回流时，元器件的焊点重熔，就会导致掉件现象的发生。 有多种方法可以防止双面回流时元器件掉件[1]。方法 一，用胶固定T面元器件，这样在第二次回流时就不可能掉 件，但这种方法需要额外的工序、设备和成本；方法二， 两面焊接所用的焊料合金不同，它们的熔点不同，B面焊接 所用的焊料的熔点较低，这一方法在许多应用场合也有不 少问题，低熔点焊料合金的熔点可能太低，不适应最终产 品的使用温度载荷，反之，高熔点焊料合金可能所需的回 流温度较高，回流时可能会对元器件和基板造成损伤；方 法三，在二次回流时，对电路板T面吹冷空气，使T焊点低 于液相线温度，这种方法的问题是由于两个面存在温度差 异，可能会引入应力。 事实上，对于大多数元器件，熔融焊料的表面张力可 以牢牢地将T面元器件固定。为了判断元器件是否适应T面 二次回流而不掉件，有铅焊料二次回流有一个经典的判断 标准：Cg／Pa≤30（g／in2），其中Cg是元器件重量， Pa是总焊盘面积[1][2][3]。这一公式已经写入电路板设计规 则中，这样电路板设计者就可以进行计算评估，在T、B面 设计布局时选用合适的元器件。 对于无铅焊接，由于有铅和无铅焊料的材料特性和回 流曲线不同，需要确定无铅焊料的二次回流掉件标准。 本文介绍了一个理论模型，该模型给出了元器件在经 第二次回流时是否掉件的关键值。对无铅焊接电路板采用 了实验设计（DOE）和ANOVA分析（方差分析），以验证 影响不同元器件掉件的主要工艺因素的影响，同时对有铅 焊接和无铅焊接进行了对比。为了进一步调查并解释实验 结果，采用了光学检测和切片分析。最后，基于实验和分 析结果给出了判断是否掉件的关键值。 理论模型 接触角 如果液体分子之间的引力大于与固体分子的引力时(即 内聚力大于粘附力)，那么液体就形成液滴状，不会润湿固 体表面，如图2（b）所示。 焊接时，要求熔融焊料润湿焊盘，这就意味着粘附力 （熔融焊料与焊盘之间）必须大于内聚力（熔融焊料内部 分子之间的引力）。 二次回流公式 当Cg≤σ·Pa，元器件在二次回流时不会掉件；当 Cg>σ·Pa，焊料充分熔融时就会掉件；其中，Cg是元器 件重量，σ是熔融焊料的抗拉强度，Pa是熔融焊料的横截 面面积。由于要得到精确的焊料熔融横截面面积太费时， 所以通常用总焊盘面积近似代替。熔融焊料的抗拉强度 σ是熔融焊料在断裂前能承受的最大张力强度（单位面积 力），σ与熔融焊料的内聚力或表面张力成正比，它取决 于熔融焊料在某一温度条件下的材料特性，σ=Cg/Pa是评估是否掉件的关键指标。 试验样板 试验板上共有75种不同的元器件，在本研究中只涵盖 5种元器件（如表1所示），试验元器件的初始Cg／Pa值如表2所示。 Taguchi试验设计和试验过程 根据上述鱼骨图，本研究中调查了四个主要工艺影响 因素：焊膏类型、钢网厚度、焊盘表面镀层和回流气氛。 Taguchi方法采用了DOE的基本思想，同时简化并规范了全 因子和部分因子试验，以保证试验能得出一致性结果。由 于本研究只评估四个因子，所以采用L8 OA型试验组合，这样试验所需的次数能减少。 如表3所示为四个因子和各自水平，对应的Taguchi L8 OA如表4所示，每个试验组合的样本数为5个。另外为 了比较有铅和无铅焊膏的区别，增加了两组应用有铅免 清洗焊膏的试验组合（如表5所示）。组装中所用的焊膏 有无铅免清洗焊膏（Sn3.9Ag0.6Cu）、无铅水溶性焊膏 (Sn3.9Ag0.6Cu) 和有铅免清洗焊膏（Sn63Pb37）。 印刷所用钢网是厚度为4mil或6mil的激光切割钢网。回 流炉有九个加热区一个冷却区，充氮回流或空气回流。无 铅和有铅组装用的回流曲线分别如图5和图6所示。 基于有铅焊料的二次回流的元器件掉件的公式（Cg／ Pa≤30），预计的重量估算如表6所示。然而在二次回流 时，在没有增加重量的情况下，没有一个试验元器件发生 掉件，这表明有铅的计算公式Cg／Pa≤30实际上是保守的。 为了使元器件在二次回流时掉件，在元器件正面用胶 粘上配重（10g或5g重的标准铜块），由于增加了配重，所 以元器件的热容增大，导致同样的回流炉参数设置不能让 回流曲线达到熔点，如图7所示。 另一个元器件配重的方法是在将小片电路板粘在一 起，然后粘在元器件正面。使用该方法，尺寸和重量容易 控制和调整，但与第一种方法一样，由于增加了电路板热容，所以回流曲线需要改变，电路板重量及其相应的回流 曲线如图8所示。 考虑到配重电路板的热容，电路板配重后的无铅和 有铅试验板进行二次回流的回流曲线需要调整，如图9所 示。对于无铅焊料，最高温区设置为320℃，峰值温度约为 260℃，过液相线时间约100秒，这样就保证元器件有足够 的时间掉件；对有铅焊料，最高温区设置为265℃，峰值温 度约为225℃，过液相线时间约95秒。 结论和讨论 对于不同的元器件，用有铅焊料组装的元器件掉件所 需配重比无铅组装要稍微大些，无铅和有铅焊料的Cg／ Pa的中值比较见表7。从总焊盘面积考虑，有铅焊料Cg／ Pa的值比无铅焊料的大13％左右，以切片分析得到的实际 接触面积考虑，有铅焊料Cg／Pa的值比无铅焊料的大6％左 右。众所周知，有铅焊料的润湿力比无铅焊料要强，其润 湿铺展性能更好，因此，有铅焊料比无铅焊料的接触面积 要大，因此，发生掉件元器件的重量也要大。 |
进行F—检验来验证有铅和无铅焊料的Cg／Pa的等变 量假设的有效性。等变量检验生成了一个图表，显示每个 水平的响应标准差为Bonferroni 95％置信区间。 图11（a）为基于总焊盘面积，有铅和无铅焊料的Cg／ Pa的F一检验；图11（b）为基于切片样品得到的实际接 触面积，有铅和无铅焊料的Cg／Pa的F一检验。0.158和 0.796的p值都大于显著性水平α=5％，所以不能拒绝关于 变量相同的零假设。因此，这些数据没有提供足够的证据 表明总体分布有不同的变量，这就是说，有铅和无铅焊料在Cg／Pa值方面，没有统计上的显著差异。
无铅焊料的ANOVA和Taguchi分析 为了调查影响无铅焊料Cg／Pa值的主要因子的影响， 本文进行了ANOVA分析和Taguchi分析。使用Minitab13进行Cg／Pa计算值的统计分析。
对于ANOVA分析，F值可以用来调查所收集数据的置 信度，如果F<1，说明控制因子是非显著的，同时不能区分 是否是试验误差；如果F≌2，说明与试验误差相比，控制 因子有一定影响；如果F>4，说明与试验误差相比，控制因 子是显著的。
如表8和图12的Cg／Pa中值的主要影响图所示，电路 板焊盘表面镀层类型对Cg／Pa值有最显著影响，因为其F＝ 32.27；钢网厚度也是一个显著因子，因为其F＝5.05>4； 同时焊膏类型和回流气氛没有显著影响，因为F<1。上述 结论同样可以从P值情况得出，当p<0.05时，因子有显著 影响，置信度为95％。对于钢网厚度，使用6mil厚的钢网 时Cg／Pa值会比使用4mil钢网大，这是因为与4mil钢网相比，6mil钢网会导致焊料的接触面积变大。 使用无铅焊料的不同元器件的Cg／Pa值如图13所示。
需要注意：当Cg／Pa≤60时，使用无铅焊料的元器件在本 研究中都不掉件。为考虑不同工艺条件和不同元器件的情 况，我们将安全系数K设定为2，并将Cg／Pa≤30定为无铅 焊料二次回流时元器件是否掉件的标准。
同样地，使用有铅焊料的不同元器件的Cg／Pa值如图 14所示。当Cg／Pa≤80时，使用有铅焊料的元器件在本 研究中都不掉件。同样我们将安全系数K设为2，并将Cg／ Pa≤40定为有铅焊料二次回流时元器件是否掉件的标准。 在实际操作中，以前的有铅焊料Cg／Pa≤30的标准设定得 较保守。
光学检测
为检查元器件掉件后焊盘和引脚情况，进行了光学检 测，相应的光学照片如图15～18所示。
从上述图片可以看出，元器件掉件后的焊盘、引脚和 焊球是光亮的，而且大多数焊料是留在电路板焊盘上，同 时也有少部分焊料留在元器件的引脚和焊球上，这说明掉 件的断裂位置发生在熔融焊料内最小截面积处，这一点验证了关于二次回流时熔融焊料是薄弱位置和元器件掉件发 生在熔融焊料中的理论模型假设。
切片分析
基于Cg＝σ·Pa，二次回流时元器件重量是否可承受 取决于抗拉强度和接触面积。接触面积可以会由于在不同 的工艺条件下润湿性能的差异而发生变化。在本研究中， 为了比较不同工艺条件下的接触面积情况，进行了切片分 析。切片后，测量并比较了它们的焊点长度，图19表示了 在不同工艺条件下，元器件焊点切片的SEM照片。
比较图19中电路板1(无铅 4mil OSP 空气回流)和电路板 2（有铅 4mil OSP 空气回流）的情况，我们可以发现有铅 比无铅的润湿性能更好。比较电路板2(有铅4mil OSP空气回 流)和电路板3（有铅 6mil ENIG 空气回流）的情况，未发现 电路板2和电路板3之间有明显的润湿性能差异。图20表明 有铅（电路板1）和无铅（电路板2）焊料条件下，焊点长度和元器件掉件的配重对比。有铅比无铅的焊点长度要略 长，同时有铅的元器件掉件相应配重要比无铅大一些。
总结
为了判断元器件是否适应T面二次回流而不掉件，可 以从元器件重量和总焊盘角度，用Cg／Pa进行判断。本研 究中未看到有铅和无铅焊料在Cg／Pa值方面的显著统计差 异。ANOVA分析表明电路板上焊盘的镀层类型和钢网厚 度对Cg／Pa有显著性影响，同时焊膏类型（免清洗和水溶 性）和是否氮气回流（空气和氮气）对Cg／Pa没有显著性 影响。使用6mil钢网要比4mil钢网的承受的元器件重量更重，因为两者的接触面积不同。
光学检测表明元器件掉件发生在熔融焊料中最小截面 处，而不是焊料和焊盘的界面处。通过对样品进行切片， 测量比较了焊点长度，结果表明：对于OSP电路板，有铅 焊料比无铅焊料的润湿性能更好，同时有铅焊料比无铅焊 料的接触面积更大。
| 致谢： 感谢伟创力的Ninh Vu在试验方面、伟创力的Dan Rooney在切片和SEM分析 方面所提供的协助。 参考文献： |
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