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 Process and Reliability of Lead-Free Electronics Assemblies”, Proceedings of the Technical Conference, APEX, 2001, p. LF1-5.

2. Grusd, A., “Lead Free Solders in Electronics”, Proceedings-Surface Mount International, 1997, pp648-661.

3. Johnson, W., Lugo, R., Sattiraju, V. and Jones, G., “Improved thermal process control for lead-free Assembly”, Proceedings of the Technical Conference, APEX, 2001.

4. Noreika, R., Fieselman, C., Slesinger, K. and Weller, M,. “SMT component self-centering properties during solder reflow”, SMTA International, 1997

5. Saiyed, S., D.L. Santos, and J. McLenaghan, “SMT Assembly Process Comparison of Pb-Free Alloy Systems – Part I,” Proceedings of the 8 Annual Pan Pacific Microelectronics Symposium, 71-81, Hawaii, February 2003.

6. Saiyed, S., D.L. Santos, and J. McLenaghan, “SMT Assembly Process Comparison of Pb-Free Alloy Systems – Part II,” APEX 2003 Conference Proceedings, pp. S18-1-1 ¨C S18-1-12, Anaheim, CA,March-April 2003.

7. Shina, S., Bresnan. T., Provencal. P., Walters, K.,Biocca, P., Abbott D. and Pinsky, D., “Selecting Material and Process Parameters for Lead-Free SMT Soldering Using Design of Experiments Techniques”, Proceedings of the Technical Conference, APEX, 2001, pp LF1 1-1.

附录 A

Paired T-Test and CI: SnPb_50ppm_50%H,

S405_500ppm_50%H