了解无铅批量挤压印刷工艺的网板要求

 

关于日益迫近的无铅工艺过渡，已有许多文章作过论述。在目前这个阶段，人们对于回流和合金问题作了广泛的交流。但是對於第一个增值的印刷工藝，却常常被人忽视，而这工艺往往是印刷过程成败的关键。无铅材料与含铅材料的差异已有许多资料依据，但讨论的思路大体上是关于焊料的自对中能力和湿润特征。这就导致一些问题，如：我该如何进行网孔设计？我会碰到更多的组装缺陷吗？等等。本文将着眼于这些疑问及其它问题，例如，“倘若有意违反工艺窗口会怎么样？”

 

本实验将集中于违反印刷工艺窗口和估量有关变量的反应。这是通过偏移焊膏的附着位置或纳入X、Y偏差而实现，即人工设置自动丝网印刷机的偏移值，使网板与电路板的对准位置按程序设定量发生偏移。该值可按1μ的步幅调整。为了了解网孔设计与位置偏差对无铅组装的影响，我们采用了具有许多穿孔几何特征的网板。

 

网板以电铸镍片为材料，并采用YAG激光工具穿孔。选择这种镍材料的原因在于从早期工作所确定的益处。

 

本实验自始至终使用的网板囊括了在布线图编排的各种网孔设计，名单从表1可见。在网板内设不同孔眼的目的有两个：一是测定某些网孔是否会影响SMT生产质量；二是测定网孔的几何尺寸能否增大无铅组件得以生产的工艺窗口。

 

在实验中，所有焊膏印刷均采用125μ厚镍箔/激光切孔网板。孔眼不是微刻蚀或表面镀膜而成。选择了125 μ 厚度的网板作为100μ与150μ厚度网板的折中。较薄的100μ网板会对较小元件提供较佳的焊膏脱模能力，但对较大元件却自然会减少其所得的焊膏量。没有考虑用150μ厚的网板是因为不能接受较小孔眼的焊膏转移。金属掩膜并按‘对中’方式配置。

 

为了实验而设计了一块网板，该网板将无源元件布线图分解成许多“子设计”，共67个。这些设计的细目分类见于图1a-c和表1。为了便于说明，试验板分成了A、B两部分。从以下图表还可看出为了便于表列结果，网孔设计用A~F表示，而网孔尺寸则用X~Z表示。

 

 

 表 1: 网孔设计要素

 

 

 

 

 

 

 

为实验设计了测试载板。图3是测试载体的照片。基板为204mm (长)x140mm(宽)双面板，焊盘为涂覆Entek plus 有机护铜剂(OSP)的裸铜焊盘。本报告关注的无源元件系列包括0201、0402、0603、0805和1206。焊盘宽度、长度和间隔列于表三。

 

注意所有元件都按如下芯片方向安装，因此X、Y运动坐标如图所示。

 

 

 

 

本研究采用DEK Europa平台进行。实验开始之前对印刷机进行了机械校准。

 

根据制造商规定的程序，证实该印刷机的工艺能力指数Cp和Cpk值超过了最低限度1.6。为了减小统计的‘噪声量’，实验过程自始至终使用相同的机器、接口和印刷头，并且全程使用相同批次的基板以达致测量的目的。

 

试验一直采用如下的印刷工艺参数：

. 印刷速度 = 每秒80mm

. ProFlow = 300mm 料盒

. 焊膏压力 = 1.8 bar

. 印刷间隙 = 0mm

. 分离速度 = 每秒10mm

 

作为本实验中耐力测试的一环，纳入了X、Y印刷位置偏差，这个作法有望于了解无铅印刷工艺的强健性。表5列出了各段试验的偏移量。

 

本调查使用的焊膏样本见表4。焊粉悬浮于免清洗助焊剂之中。

 

 

板回流采用了标准10温区回流炉。为了确保正确的预热、保温 (均热) 和峰值温度组合，设计了板回流温度曲线。图4表示整个实验过程所用的回流曲线。回流炉其它设置信息如下所示：

. 回流炉型号: Vitronics-Soltec XPM2

. 温区: 8个

. 冷却区：2个

. 对流扇速度：3500rpm

. 氮保护气氛下氧气浓度： < 50ppm

. 传送带速度：每分钟53 cm

. 峰值温度：240C

 

许多段试验都选用了氮，有关安排见于表5。

 

 

 

以下扼要重述本实验包含的元素：

. 每个无源元件的独特网孔设计（共67种）。

. X、Y偏移

. 空气和氮气气氛

 

根据以上列表，我们从本实验获得了许多特性曲线，以下是最重要的几个。

 

 

第一组设置集中于标准工艺的作用，在进行这组设置时，不包括任何调整 (如偏移)，而回流气氛为氮气。这批实验结果显示，组装过程由于采用了完全对准的印刷工艺因而极其强健。下一批结果显示了附加X、Y 偏移后的组装良率。

 

图5说明带氮气保护X轴正偏移 140μ并未引起大量缺陷(4)。为了清晰起见，以下呈现的照片只显示0201芯片的左上角，这包含网孔设计A对应1:1（X）、标准规范(Y)和套印(Z)。图6 的照片显示该组设置下的观察结果。

 

 

给Y坐标同样附加正140μ偏移后，见到576个缺陷，其中大多数为立碑。图7照片显示该组设置下的观察结果。

 

 

下一步实验是Y坐标依然偏移140μ，但关断氮气，使回流过程在空气中进行。该组设置的结果值得注意：缺陷数量明显减少（279）。图8照片显示该组设置的观察结果。

 

 

最后一批实验将偏移量增大到280μ。

 

同样，Y偏移造成的反应比较大，总缺陷达到了1505个。图9照片显示该组设置下的观察结果。在这组照片中，值得观察的是最下面一排0201元件获得了相当好的回流效果，相应的网孔设计为AZ。另外两排网孔形状相同，但尺寸不同，其效果之差清晰可见。

 

 

X轴坐标偏移280μ也没有引起太大的反应，不过这次试验导致了 300个缺陷。图10照片显示该组设置下的观察结果。

 

从图5可见，只要能够保证印刷过程的偏移量不变，就可以说“没有必要更改网板结构”。但是面对现实的世界，我们知道FR4的尺寸稳定性不会高过 0.08%，在本试实所用测试载板的情况下，这可能造成200μ的超差，因此，在140μ偏移下进行的实验将会进一步进行分析，因为这些结果反映了“现实情况”。

 

图11显示各种网孔设计的缺陷分布。由于上述原因，我们仅会关注140μ偏移量的试验。观察280μ试验的效果很有趣，但是倘若你现在以这个偏差量运行的话，那就毋须担心无铅工艺的实施。

 

从图11还可以清楚地看出，氮气（N₂）的增加对工艺是有害的。

 

在回流过程中利用空气的实验结果显示了较高的工艺能力，但是某些网孔设计在进行140μ偏移的情况下依然出现问题。

 

网孔设计AZ（标准矩形和套印）显示出良好的能力，而且与回流气氛无关。这种设计可能是一切无源元件的首选，因为它确实可以对付SMT组装的“正常”偏移。

 

曲线图显示了各种网孔设计和140μ偏移量组装工艺的组装缺陷。

 

 

在本实验过程中发现了几个要点：其中一个最重要的是领悟到了“对中”无铅印刷工艺不应对工艺工程师造成重大问题。当中一个重要方面是确保胶点的可重复性和精度能够加以控制。我们在以往的研究中发现，封闭式印刷头技术和镍/激光切割网板是实现这种稳定性的使能工具。

 

当然，正如我们讨论过的，在任何一个组装设施内都不存在理想的工艺。因此，假如你可在实验设施内进行真正的制造，“没有问题”的说法才可生效。所以我们必须充分意识到网板的几何特征可能对现实生产中的无铅工艺带来影响。

 

图12显示了网孔形状与尺寸的一切组合情况，共有67个网孔设计用于实验过程中。从实验结果可见，有些网孔设计对印刷工艺极为有害，但是AZ（标准矩形、每边附加50μ）为那些表现出标准组装偏差蠕变的无源元件展示了明显的优势。看来稍稍增大的焊膏量会对组装工艺有帮助，特别是在焊膏附着位置精度一旦遭到破坏的情况下。组装过程能力得以增强的原因是事实上套印不仅给“焊膏对准焊盘”和“元件对准焊盘”提供了一个“坡度较大”的定位区域，而且附加的焊料可以均衡回流过程的湿润力。这种网孔设计的另一个优点是O.S.P焊盘经过浸锡的事实，这在更大程度上是外观特性，但却是无铅组装讨论中一直存在的话题。

 

 

氮气的增加显然会提高缺陷数，原因可能是回流过程中焊膏湿润力增大了而湿润时间缩短。延长回流温度曲线可以减少氮气气氛下出现的组装缺陷。

 

从本实验得出的一个有价值的观测结果是电阻和电容封装所产生不同的反应。电容封装约占总缺陷的80%。一旦焊膏沿Y坐标偏移，0201和0402电容封装的缺陷率就更为突出。这两种封装的高宽比都很大，意味着元件的下拉合力只比端面的表面张力略大一点，因此在焊膏错位时，元件端面不能充分接触焊膏，其表面张力不足以抵消拉力。如果发生这个现象，芯片元件就会由于受力失衡而上翻。这现象在较大的芯片元件上看不到，主要原因是元件的质量大于端面的表面张力。

 

. 矩形轮廓的网孔设计，并在东西边缘增加50μ（假定芯片元件垂直安装）会展示出较大的组装良率。

. 在回流过程中使用氮气对于组装工艺窗口有害。

. 采用最合适的网孔设计可以产生高良率，即使“焊膏至焊盘”或“元件至焊盘”偏移俏俏地出现于组装工艺中亦然。