畢業(yè)設計（論文）優(yōu)化無鉛SMT網(wǎng)板設計

1、 江漢大學機電與建筑工程學院畢業(yè)設計設計（論文）題目：優(yōu)化無鉛smt網(wǎng)板設計 專業(yè)： smt 班級： 一班 指導教師: 姓名： 江漢大學機建學院 2011年4月10日 1. 目 錄1.1. 畢業(yè)設計的摘要 31.2. 前言 31.3. 畢業(yè)設計的基本內(nèi)容與一般實施過程 51.4. 衡法則試驗設計 潤濕和浸潤1.5. 立碑1.6. mcsb對立碑：平衡法則 1.7. 結果和討論 161.8. 參考文獻 16摘要 ： 任何新技術的出現(xiàn)，勢必產(chǎn)生對精細加工的更高要求，從而有利于采用主流技術和持續(xù)改進工藝過程。在無鉛制造中，第一個障礙就是合金和化學制劑的選擇，這也是一個基本的過程。根據(jù)早期對合金和化學

2、制劑選擇方面的工作的理解，我們對影響產(chǎn)能的主要因素作了進一步優(yōu)化。這些因素包括溫度曲線、pwb的表面處理、元器件的金屬噴鍍、阻焊膜的選擇或網(wǎng)板設計。由于網(wǎng)印對直通率的影響很大，而且與基于鉛的焊料相比，無鉛合金在濕潤性方面表現(xiàn)出很大的差異，本文作者對網(wǎng)板的幾何開孔方法進行了研究，旨在優(yōu)化出理想的smt特性。我們系統(tǒng)的研究了無鉛合金在部分表面處理上浸潤性較差的問題；同時，嘗試了最大化焊盤覆蓋率面的開孔設計，這樣可以減少缺陷像mcsb（mid-chip solder balls）。除了參考網(wǎng)板開孔設計指南，還將重新評估整個網(wǎng)板設計的優(yōu)化方法。我們談到無鉛技術帶來的最大變化是材料上的改變。而材料特性上

3、的改變，也連帶來工藝上調(diào)整的需求。常用的smt工藝中，受到無鉛技術影響最大的是焊接工藝，包括所有常用的波峰、回流和手工焊接。在本文中，我們針對回流工藝技術來進行探討，看看在無鉛技術的更嚴格要求下，如何對工藝進行優(yōu)化和監(jiān)控。關鍵詞：無鉛，網(wǎng)印，開孔設計，過程控制。前言： 網(wǎng)印的主要目的就是周而復始的把適量的錫膏印刷到正確的位置上。網(wǎng)板開孔的尺寸、形狀和網(wǎng)板的厚度決定了錫膏的沉積量，而孔開的位置決定了錫膏沉積在什么地方。我們有特定的方法來確保開孔位置的準確度【1】，并將在稍后介紹。這次研究的目的是為無鉛錫膏確定最為合適的開孔尺寸和形狀。無鉛焊料不像有鉛焊料那樣容易潤濕或浸潤，這是不爭的事實。這種行

4、為差異給一線的組裝帶來了幾個問題：靠近焊盤四周的裸銅（或者基層表面處理），mcsb缺陷率，以及立碑。為了確定不同的焊料浸潤性對典型表面貼裝缺陷的影響程度，我們設計了一個試驗。試驗的第一部分以無鉛和有鉛焊料的浸潤性和缺陷率為基礎，網(wǎng)板開孔方法采用的是傳統(tǒng)的有鉛smt開孔方法。試驗的第二部分，在使用到無鉛焊料時，試圖通過優(yōu)化網(wǎng)板開孔來降低缺陷率。在試驗的第一部分，pcb的表面處理包括：有機可焊性保護膜(osp)，化鎳浸金（enig），浸銀（imag），浸錫（imsn）。第二部分用到了osp和imsn。試驗設計 潤濕和浸潤有兩種研究錫膏的浸潤特性的方法。第一種方法，在已知面積的未經(jīng)處理的金屬基材上印

5、刷一個圓形的錫膏堆，過回流焊，然后測量回流焊以后被錫膏覆蓋的面積?；亓骱笈c回流前的錫膏覆蓋面積比可以作為測量錫膏浸潤性的量化參數(shù)，也可以作為特定板材潤濕性的參考依據(jù)。另一個測試浸潤/潤濕方法是在分布有間距和厚度（30mil）均勻的條形焊盤的板子上成對印刷一些厚度均勻（40mil）的條形錫膏。每對相鄰錫膏條的間隙逐漸增大， 印刷方向與條形焊盤垂直，見figure 1。在回流焊過程中，熔化的焊料沿著板子上的金屬條鋪散開來，如果焊料鋪展的程度足夠大，相鄰焊點之間的間隙就會橋連在一起。相鄰兩個錫膏條的間隙從0.1mm到0.8mm不等。每種尺寸的間隙最多有20個橋連的可能，記錄橋連間隙的數(shù)目，按照間隙的

6、尺寸對結果分類，并繪制成分布圖。figure 2是回流測試的一個樣本圖。figure 1：潤濕測試交叉印刷圖 figure 2：潤濕測試交叉印刷回流焊后的效果qfp 對于間距在20mil（0.5mm）以下的零件，1：1的網(wǎng)板開孔無疑會增大焊料橋連的風險。為了降低橋連的風險，通常采用減少一定量的印刷面積的方法，一般是把網(wǎng)孔面積減少10，不過，這樣也增加了露出焊盤材料的風險。即使露出焊盤材料尚未表現(xiàn)出對可靠性的影響，但是對于某些組裝者來講卻帶了外觀上的問題，因為它會影響美觀。如果在含鉛工藝中焊盤材料被露出來是個問題的話，那么在無鉛工藝中這無疑是一個更為顯眼的問題。為了確定裁剪網(wǎng)孔的影響程度，間距為

7、20mil的2個qfp分別被組裝到了兩個試驗板上。在試驗的第一部分，其中一個qfp的開孔與焊盤的比例為1：1；另一個qfp的開孔尺寸減少了10。在試驗的第二部分，兩種開孔均被固定在1：1，裁減5和裁減10。兩個測試部分都用到了厚度分別為5mil和6mil（125m和150m）的金屬板?？偟膩碇v，在第一部分，測試了4組面積和網(wǎng)板厚度的組合，在第二部分則測試了6種組合。figure 3是測試板的圖示。figure 3：cookson electronics reliability and functionality (cerf) test vehiclemcsbmid-chip錫球（mcsbs）也

8、是一個常見的容易受到網(wǎng)板設計影響的缺陷。雖然促使錫球產(chǎn)生的因素有很多包括焊盤設計，阻焊膜突起，貼片壓力，端子的幾何形狀和金屬噴鍍，焊盤處理工藝，回流焊曲線以及錫膏堆積的形狀等都會從正面或反影響mcsb的形成。如果大量錫膏堆積在焊盤上，尤其在那些要貼裝chip的地方，貼上去的chip將會擠出部分質(zhì)軟的錫膏。任何被擠到零件腹部的錫膏都可能（或者不會）在回流焊過程中拉回到焊盤上。 如果這些錫膏沒有拉回來，在液相區(qū)它們就會在表面張力的作用下遷移到零件的側邊，冷卻后形成錫球。figure 4給出了典型的mcsb的圖片。 大量來自含鉛錫膏的mcsb測試數(shù)據(jù)顯示，最糟糕的網(wǎng)板設計是采用1：1方形開孔的6mi

9、l厚網(wǎng)印金屬板。最好的情況是開孔面積減小10的5mil厚的外三角（home plate）開孔網(wǎng)板。figure 5是三種開孔圖形。試驗數(shù)據(jù)同時顯示，在到達液相溫度以前，隨著錫膏持續(xù)軟化、塌陷（熱坍塌），浸潤型曲線并不比漸升式曲線好多少。figure 5：典型的錫鉛網(wǎng)板開孔。注：不推薦內(nèi)三角開孔方法，因為這種開發(fā)對網(wǎng)板或者刮刀有潛在的損害。mcsb測試既包括最好的設計，也包括最壞的設計。在第一部分，對于每種表面處理、錫膏類型和曲線類型（漸升或浸潤）都組裝了300個尺寸不同的零件：1206、0805、0402。其中150個縱向貼片，其他150個水平貼片，并采用了ipc推薦的焊盤圖形。0201不在這

10、次研究的范圍之內(nèi)，因為大量適用于體積相對較大的無源器件的準則沒有必要套用到0201上。筆者相信應該單獨對0201進行更深層次的研究【2】。在第二部分，采用了三種新的開孔方法。第一種帶外突圓角，另外二種帶內(nèi)凹圓角，見figure 6。與第一種測試過程一樣組裝了300個尺寸不同的零件，采用2種曲線、兩種表面處理和兩種網(wǎng)板厚度。figure 6：無鉛網(wǎng)印網(wǎng)板開孔設計立碑 像mcsb一樣，立碑是smt常見的另外一種缺陷，有很多因素會影響到立碑的形成，同樣會受到網(wǎng)板設計的影響。當焊料作用在零件一端的表面張力大于另一端的張力時就可能產(chǎn)生立碑，這種現(xiàn)象也被稱作“吊橋效應”或“曼哈頓（manhattan）效應

11、”。零件兩端的作用力失衡，產(chǎn)生的力矩使零件一端向上抬起，就像一個打開的吊橋一樣。影響立碑的設計因素包括焊盤圖形和熱平衡，組裝因素有錫膏的印刷位置精度、貼片精度和回流焊過程中進入液相的斜率。開孔設計經(jīng)常和組裝過程中的一些因素一起影響立碑的產(chǎn)生：如果零件的貼放位置偏離了中心，零件的一端似乎比另一端接觸到了更多的焊料，于是在焊料熔化的時候，作用在零件兩端的力量失衡，從而導致立碑的產(chǎn)生。典型的立碑現(xiàn)象如figure 7所示。figure 7：立碑，零件一端抬起，一端黏附在焊料上。錫鉛焊接中的實踐數(shù)據(jù)顯示，諸如方形開孔要比外三角等開法引起的立碑幾率小一些。mcsb對立碑：平衡法則 從前面的兩個談論中我們

12、可以看到，為立碑設計的網(wǎng)板參數(shù)與mcsb似乎是水火不容的一對冤家。而在實際的生產(chǎn)中必須找到一個妥善的折中措施來緩合這對矛盾，研究mcsb的同時也要檢測零件是否發(fā)生立碑。雖然這次研究的目的不是為了最小化立碑現(xiàn)象，但是還是對立碑的缺陷率做了記錄，因為研究人員不想以立碑為代價來優(yōu)化mcsb。組裝在一條小試驗生產(chǎn)線內(nèi)共組裝了174片電路板。用到的設備包括一臺mpm ultraflex網(wǎng)印機，一臺universal instruments advantis貼片機和一臺7溫區(qū)electrovert ominiflow空氣回流焊機?；亓骱盖€見figure 8-11，用到了3類免清洗錫膏。錫鉛合金為sn63

13、/pb37，無鉛合金為sn96.5/ag3.0/cu0.5(sac 305)。figure 8：ramp profile for snpb paste. ramp 1.5oc/sec, peak temp 215oc, and time above liquidus: 45 sec.figure 9: soak profile for snpb paste. soak at 160oc for 60sec, peak temp 215oc, and 50 sec time above liquidus.結果和討論 浸潤 如前所述，可以采用兩種不同方法來測試浸潤特性。figure 12到14總結

14、了測試結果。其中figure 13和14列出了回流焊以后焊料的面積與印刷后（貼片以前，譯者注）焊料的面積比。 浸潤測試的結果顯示，無鉛錫膏與有鉛錫膏的浸潤性非常接近，而且無鉛錫膏更易于向周邊浸潤。很明顯，這個結果太不可思議了，通常認為有鉛錫膏比無鉛錫膏的浸潤性好，這也是有證可考的【3，4】。產(chǎn)生這些反常數(shù)據(jù)的原因可能包括測試方案本身和測量的方法。因為焊盤的面積比印刷在上面的錫膏大很多，焊盤邊緣沒有對浸潤過程產(chǎn)生抑制作用。無法解釋焊料堆積的四周為什么浸潤不均勻。測試當中并沒有考慮焊料的形狀和流動的影響，測試結果 僅僅是一組經(jīng)過簡單計算的比值。雖然采用電子手段對面積進行了測量，但在確定測量范圍時引

15、入了人工協(xié)助。這就給測試帶來了一定程度的主觀因素，尤其當不同的人在不同的時間測量不 同的樣本時。figure 10: ramp profile for lead-free paste. ramp 1.5oc/sec，peak temp 240oc, and time above liquidus: 60 sec.交叉印刷的潤濕性測試結果比簡單的浸潤測試結果精確的多。從figure 16可以看到無鉛錫膏在各類表面處理上的橋連數(shù)目。figure 17列出了無鉛和有鉛錫膏在最難潤濕的表面（osp）上的潤濕差異。figure 11: soak profile for lead-free paste.

16、soak at 160oc for 60 sec, peak temp 240oc, and 60 sec time above liquidus.figure 12:助焊劑和焊料在樣片上的擴散情況。上面的貼片是無鉛焊料在浸銀焊盤上，下面的圖片是無鉛焊料在浸錫焊盤上顯然，浸潤特性的差異與業(yè)界認同的觀點是一致的。正如我們所預料的，enig在上限測試中也表現(xiàn)出了完美的浸潤特性，imsn也表現(xiàn)出相似的特性，只是在間隙最大的一些地方?jīng)]有橋連。同樣不出所料，不論是含鉛或者無鉛錫膏，osp和imag的浸潤性都稍遜一籌。 作者將進行交叉印刷測試來確定浸潤特性。除了提高精度，與以前測試的客觀性和分辨率相比，這

17、次的測試方法進行的高快、更電子化。figure 13：助焊劑和焊料在樣片上的擴散百分比（浸潤率，譯者注）figure 14：無鉛和有鉛錫膏在4種不同的表面處理上的浸潤性比較figure 15：交叉網(wǎng)印測試中無鉛錫膏在4種不同的表面處理上產(chǎn)生的橋連數(shù)目，采用figure 10所示的漸升式回流焊曲線。figure 16：交叉網(wǎng)印測試中有鉛錫膏在4種不同的表面處理上產(chǎn)生的橋連數(shù)目，采用figure 10所示的漸升式回流焊曲線。figure 17：交叉網(wǎng)印測試中有鉛錫膏和無鉛錫膏在osp板上的浸潤性差異。figure 18：mcsb平均數(shù)目qfp濕潤 一共組裝了348片qfp，并檢測了所有qfp是否有

18、露出焊盤和橋連發(fā)生，結果只發(fā)現(xiàn)了4例橋連?；谌绱诵〉臉颖緮?shù)量和微不足道的統(tǒng)計結果，作者不能草率的蓋棺定論。由于組裝過程是在實驗室內(nèi)進行的，網(wǎng)印和貼片設備都進了精心調(diào)試，所以不存在典型生產(chǎn)環(huán)境中的干擾因素。作者認為，如果根據(jù)實際生產(chǎn)設備的偏差，加大樣板數(shù)量將使得數(shù)據(jù)更能反映問題的本質(zhì)。 即使在裁減網(wǎng)板開孔的情況下，enig和imsn也表現(xiàn)出充分的浸潤特性，因此對于enig或imsn來講，裁減網(wǎng)板開孔的措施仍然是可取的。osp和imag同樣在預料之中，雖然他們在焊盤腳趾沒有表現(xiàn)出完美的浸潤特性，但仍然符合ipc的接受標準。imag的浸潤性表現(xiàn)確實比osp好，但仍比不上enig或者imsn。 mc

19、sb 對板子上的所有零件都進行了mcsb統(tǒng)計。一共組裝并檢測了6960個零件，figure 19統(tǒng)計了所有mcsb數(shù)量。觀測結果發(fā)現(xiàn)： 1.無鉛錫膏的mcsb數(shù)量比有鉛的少。 2.浸錫產(chǎn)生的mcsb數(shù)量最少，其他依次是enig、osp和浸銀。 3.浸潤型回流曲線比漸升式回流曲線產(chǎn)生更多的mcsb。 6 mil厚的網(wǎng)板產(chǎn)生的mcsb遠多于5 mil的網(wǎng)板。需要說明的是，為了嚴格區(qū)分最壞和最好的情況，6mil的網(wǎng)板采用1:1的方形開孔，而5mil的網(wǎng)板采用外三角開孔，開孔面積也減少了10。 從figure 19可以查到無鉛焊接中mcsb在各種尺寸、封裝類型的零件和四種表面處理板子上的數(shù)目分布，fi

20、gure 20是有鉛焊接中mcsb的分布。零件類型后面的字母h和v分別表示零件的貼裝方向分別為橫向和縱向。試驗數(shù)據(jù)源自漸升式回流焊溫度曲線。 對于無鉛焊料，中等尺寸零件（0603）的錫球看起來較多，尤其是在imag和enig上。而osp和imsn的錫球數(shù)目似乎分布比較均勻。對于有鉛焊料，大致看起來mcsb的數(shù)目隨著零件尺寸的減小而減小，只有在浸銀板上出現(xiàn)了例外，0603的mcsb數(shù)目出現(xiàn)了突變。 浸銀板中記錄了72個mcsb，其中67個是在先后兩次組裝中觀測到的，而且在兩個板子中的一個上有28個mcsb分布在縱向貼片的零件上。研究人員懷疑這是特殊因素造成的反常數(shù)據(jù)，極有可能與貼片有關。不管怎么

21、樣，這個數(shù)據(jù)都被記錄到了最終的測試報告中，讀者有可能會考慮忽略這組數(shù)據(jù)。 在第二部分，研究了三種新的開孔。20、60和20的內(nèi)凹半園形開孔產(chǎn)生的mcsb最少，參見figure 20（應該是figure 21，譯者注）figure 19：無鉛錫膏在不同零件尺寸和表面處理板上mcsb的數(shù)目figure 20：有鉛錫膏在不同零件尺寸和表面處理板上mcsb的數(shù)目igure 21：三種不同開孔的mcsb數(shù)目，漸升式曲線。rihp印刷數(shù)據(jù)僅用在osp和imag上，沒有產(chǎn)生錫球。立碑 figure 23總結了各類板子上的立碑缺陷數(shù)目。觀測到的立碑數(shù)目大體上比較少。觀測的結果有： 與有鉛焊料相比，通常無鉛焊料

22、的立碑缺陷更多，這很有可能是因為有鉛焊料的潤濕能力較強的緣故。 有趣的是，浸潤型曲線的立碑缺陷顯得更多，這個事實有悖于高溫浸潤曲線可以限制立碑的觀念。 6mil的網(wǎng)板產(chǎn)生的立碑數(shù)目比5mil的多，很可能是由于焊料比較多的緣故。筆者相信接下來的研究會把網(wǎng)印的錫膏數(shù)量與立碑比率聯(lián)系起來，其中還包括4mil的網(wǎng)板。 l 采用20/60/20比例的內(nèi)凹弧形開孔在這次研究中沒有產(chǎn)生立碑，在前面也發(fā)現(xiàn)這種設計會最小化mcsb的產(chǎn)生。 控制位置精度 正如前面所述，網(wǎng)印的目的是為了把適量的錫膏印刷到準確的位置。所以，網(wǎng)板開孔的位置精度和把錫膏轉(zhuǎn)移到焊盤上的方法決定了錫膏的沉積位置。為了控制位置精度，網(wǎng)板制造商

23、必須鑒定激光切割機的品質(zhì)，從而校準其偏差。 有一個方法可以用來鑒定網(wǎng)板制造過程，那就是設計一個標準測試工具，用激光切割機切割該工具，然后測量其與cad數(shù)據(jù)或名義位置的偏移量。目前cookson electronics用來校準各類網(wǎng)板的測試工具由324個1英寸圓孔形成的1717英寸矩陣組成。切割和測量后，對機器角度偏移和長軸的線性偏移進行了分析，根據(jù)分析后的結果綜合考慮校正系數(shù)，從而確保位置精度控制在1mil（25m），4西格瑪或者1.33cpk的水平。 對完成后的測試工具測量結束以后，把激光切割位置的精度繪制成圖，得到了有趣的結果。figure 26和27對校準前和校準后的x軸位置精度進行了比

24、較。y向偏移與x大同小異，也被我們納入到了觀測對象的范圍之內(nèi)。調(diào)整網(wǎng)板和pwb pwb位置精度的變化、網(wǎng)印機調(diào)整能力的變化和網(wǎng)板本身的變化等因素都會影響網(wǎng)板-pwb的配合。pwb的變化是迄今為止導致二者失配的最大因素。pwb在制造過程中會導致實際的尺寸比cad數(shù)據(jù)小。在第一次回流焊過程中pwb也會有所縮小，從而加劇第二面印刷的偏移量。為了補償pwb的變化，可以通過實地測量其變化量來定制適用于pwb的網(wǎng)板。figure 22：三種不同開孔的mcsb數(shù)目，浸潤型曲線。 figure 23：立碑的平均數(shù)目。figure 24：mcsb關系圖。table1：1mil（25m）位置精度的過程能力校正參數(shù)

25、。注：ppm缺陷基于靜態(tài)過程，不包括1.5西格瑪?shù)钠啤igure 25：立碑關系圖。figure 26：未校準時x軸的精確圖figure 27：校準后x軸的精確圖。結論和建議 試驗中發(fā)現(xiàn)最合適的開孔設計是百分比為20-60-20的內(nèi)凹弧形開孔，它形成的mcsb最少，而且也沒有產(chǎn)生任何立碑現(xiàn)象。試驗還發(fā)現(xiàn)交叉印刷模式比浸潤率測試更有利于測試錫膏的潤濕和浸潤特性。 qfp的測試數(shù)據(jù)不是很確定。建議在實際的生產(chǎn)環(huán)境中進行此類試驗，以便納入更多的大批量生產(chǎn)環(huán)境中的干擾因素。有必要進一步研究確定立碑的行為特征，尤其對于不同的無鉛合金。 參考文獻： 1、 reducing variation in o

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27、ly using 0201packages with lead-free solder, nepcon west/fiberoptic expo,20024 、ipc-7095 design and assembly process implementation for bgas5、國際知名專家bob willis的lead-free inspection, process, control & defect elimination6、電子裝聯(lián)中的無鉛焊料閆焉服7、應用于smt的無鉛焊錫微粉制備方法研究展望趙麥群,于喜良,張衛(wèi)華,趙高揚學生畢業(yè)設計(論文)評審表 在歡格科技有限公司實習了三個月，在一個多月的努力下成功的從smt生產(chǎn)部的一名操作員提升為工程部的技術員，從中學習了很多課本上學不到的知識。其中在工程部接觸最多的就是錫膏印刷機。smt基本工藝構成要素為：絲印