SMT無鉛工藝對(duì)無鉛錫膏的要求

??????? SMT無鉛工藝的步伐越來越近，無鉛錫膏作為無鉛工藝的重要一環(huán)，它的性能表現(xiàn)也越來越多引起人們的關(guān)注。本文結(jié)合漢高樂泰公司的最新無鉛錫膏產(chǎn)品Multicore(96SC LF320 AGS88分析無鉛錫膏如何滿足無鉛工藝的幾個(gè)要求。

??????? 眾所周知鉛是有毒金屬，如不加以控制，將會(huì)對(duì)人體和周圍環(huán)境造成巨大而深遠(yuǎn)的影響。歐洲議會(huì)2003年底已經(jīng)通過立法，要求從2006年7月開始，在歐洲銷售的電氣和電子設(shè)備不得含有鉛和其它有害物質(zhì)。中國等國家的相關(guān)法律也正在醞釀之中。由此可見，SMT的無鉛工藝已經(jīng)成為我們必然的選擇。本文以無鉛錫膏的研發(fā)為基礎(chǔ)，針對(duì)無鉛工藝帶來的幾個(gè)問題，如合金選擇、印刷性、低溫回流、空洞水平等展開討論，同時(shí)，向大家介紹了最新一代無鉛錫膏產(chǎn)品Multicore(96SC LF320 AGS88相應(yīng)特性。

??????? 一、 無鉛合金的選擇?

??????? 為了找到適合的無鉛合金來替代傳統(tǒng)的Sn-Pb合金，人們?cè)鲞^許多的嘗試。這是因?yàn)闊o鉛合金的選擇需要考慮的因素很多，如熔點(diǎn)、機(jī)械強(qiáng)度、保質(zhì)期、成本等。表1列舉了三種主要無鉛合金的比較結(jié)果。?

合金類型
?熔點(diǎn)（度）
?主要問題
?
Tin Rich
?209—227
?熔點(diǎn)稍有升高
?
Tin Zinc (Bi)
?190
?容易氧化，保質(zhì)困難
?
Tin Bi
?137
?強(qiáng)度很差?
?

??????? 表1 三種無鉛合金的比較結(jié)果?

??????? 人們最終把目標(biāo)鎖定在富含Tin的合金上，在富含Tin的合金中，Sn/Ag/Cu 系列又成為選擇的目標(biāo)。而Sn，Ag，Cu三種合金成份比例的確定也經(jīng)歷了一段探索的過程，這主要是考慮到焊點(diǎn)的機(jī)電性能，如抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、塑性、導(dǎo)電率等等。最終兩種具有相同熔點(diǎn)（217°C）且性能相似的合金成分：SnAg3Cu0.5(96.5%Sn,3%Ag,0.5%Cu)和SnAg3.8Cu0.7(95.5%Sn,3.8%Ag,0.7%Cu)成為無鉛合金的主要選擇。其中，SnAg3Cu0.5被日本、韓國廠商廣泛采用，歐美企業(yè)更多選擇 SnAg3.8Cu0.7合金。以上兩種合金Multicore(均可以提供，代號(hào)分別為97SC和96SC。?

??????? 二、 印刷性

??????? 由于Sn/Ag/Cu合金的密度(7.5 g/mm3)比Sn-Pb合金的密度 (8.5g/mm3) 低，使用該種合金的無鉛焊錫膏的印刷性比有鉛錫膏差一些,如容易粘刮刀等。盡管如此，由于保證錫膏的良好的印刷性對(duì)于提高SMT的生產(chǎn)效率、降低成本十分重要，在合金成分相同的情況下，只有通過助焊劑成分的調(diào)整來提高錫膏的印刷性，如填充網(wǎng)孔能力、濕強(qiáng)度、抗冷/熱坍塌及潮濕環(huán)境能力等，并最終提高印刷速度、改善印刷效果。?

??????? 圖1為Multicore(96SC LF320 AGS88的印刷實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖1可知該產(chǎn)品的可印刷速度范圍為25 mm/s - 175 mm/s（圖中的綠色部分表示印刷效果好）。事實(shí)證明，通過調(diào)整助焊劑成分和比例，無鉛錫膏可以具有與有鉛錫膏同樣的高速印刷操作窗口。?

??????? 三、 低溫回流的重要性

??????? 由于無鉛合金的熔點(diǎn)升高（Sn/Ag/Cu合金的熔點(diǎn)為217°C，Sn-Pb合金熔點(diǎn)為183°C），無鉛工藝面臨的首要問題便是回流焊時(shí)峰值溫度的提高。在圖2中描述了無鉛錫膏回流焊接時(shí)，在最壞情況假設(shè)下（線路板最復(fù)雜，系統(tǒng)誤差和測(cè)量誤差為正，以及滿足充分浸潤(rùn)的條件），線路板上最熱點(diǎn)溫度可能達(dá)到的溫度（265°C）。圖中最冷點(diǎn)235°C是為保證充分浸潤(rùn)的建議條件。

??????? 值得注意的是：一方面，若無鉛錫膏所要求的峰值溫度較高，線路板最熱點(diǎn)便容易達(dá)到265°C，而該溫度已超過了目前所有元器件的耐溫極限；另一方面，若系統(tǒng)誤差和測(cè)量誤差為負(fù)，同時(shí)錫膏的最低峰值溫度較高，便會(huì)有冷焊問題的發(fā)生。因此為了保證元器件的安全性、以及焊點(diǎn)的可靠性，無鉛錫膏的最低峰值溫度應(yīng)盡量低，即無鉛錫膏低溫回流特性在無鉛焊接工藝中十分重要。?

??????? 值得一提的是，Multicore(的領(lǐng)先技術(shù)、獨(dú)特配方成功地解決了這一難題，無鉛錫膏96SC LF320 AGS88的最低回流溫度僅為229°C，這就意味著應(yīng)用該款錫膏進(jìn)行焊接時(shí)，可以僅比217°C 的合金熔點(diǎn)高出3°C（保證一定的回流時(shí)間）。這樣不但可以很好地解決可靠性、冷焊等問題，更可以減少生產(chǎn)工藝方面的調(diào)整，以節(jié)約成本。圖3為該款無鉛錫膏的回流操作窗口。由圖3可知，96SC LF320 AGS88 擁有很寬的操作窗口：從熔點(diǎn)以上時(shí)間60秒/峰值溫度229°C，到熔點(diǎn)以上時(shí)間80秒/峰值溫度245°C的范圍內(nèi)均可以獲得極佳的焊接效果,較寬的回流窗口可以更好地滿足生產(chǎn)方面的不同需求。?

??????? 四、 空洞水平?

??????? 空洞是回流焊接中常見的一種缺陷，尤其在BGA/CSP等元器件上的表現(xiàn)尤為突出。由于空洞的大小、位置、所占比例以及測(cè)量方面的差異性較大，至今對(duì)空洞水平的安全性評(píng)估仍未統(tǒng)一起來。有經(jīng)驗(yàn)的工程師習(xí)慣將空洞比例低于15%-20%，無較大空洞，且不集中于連接處的有鉛焊點(diǎn)認(rèn)為是可接受的。

??????? 在無鉛焊接中，空洞仍然是一個(gè)必需關(guān)注的問題。這是因?yàn)樵谌廴跔顟B(tài)下，Sn/Ag/Cu合金比Sn-Pb合金的表面張力更大。如圖4所示。表面張力的增加，勢(shì)必會(huì)使氣體在冷卻階段的外溢更加困難，使得空洞比例增加。這一點(diǎn)在無鉛錫膏的研發(fā)過程中得到證實(shí)，早期無鉛錫膏的主要問題之一便是空洞較多。作為新一代的無鉛錫膏產(chǎn)品，Multicore(96SC LF320 AGS88增加了助焊劑在高溫的活性，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)上的長(zhǎng)足飛躍，使得無鉛焊點(diǎn)的空洞水平可降低到7.5%。

??????? 五、 結(jié)論?

??????? 1）Sn/Ag/Cu 系列合金成為無鉛錫膏合金的主要選擇；

??????? 2）助焊劑介質(zhì)的合理調(diào)整，可使無鉛錫膏的印刷性與有鉛錫膏幾乎相同；

??????? 3）無鉛錫膏的低溫回流特性對(duì)SMT無鉛工藝意義重大；

??????? 4）新一代的無鉛錫膏，使得空洞問題得到明顯改善。

貼片膠與滴膠工藝

??????? 表面貼片膠(SMA, surface mount adhesives)用于波峰焊接和回流焊接，以保持元件在印刷電路板(PCB)上的位置，確保在裝配線上傳送過程中元件不會(huì)丟失。

??????? PCB裝配中使用的大多數(shù)表面貼片膠(SMA)都是環(huán)氧樹脂(epoxies)，雖然還有聚丙烯(acrylics)用于特殊的用途。在高速滴膠系統(tǒng)引入和電子工業(yè)掌握如何處理貨架壽命相對(duì)較短的產(chǎn)品之后，環(huán)氧樹脂已成為世界范圍內(nèi)的更主流的膠劑技術(shù)。環(huán)氧樹脂一般對(duì)廣泛的電路板提供良好的附著力，并具有非常好的電氣性能。

??????? 希望的特性

??????? 環(huán)氧樹脂貼片膠的配方對(duì)使用者提供較多好處，包括：良好的可滴膠性能、連續(xù)一致的膠點(diǎn)輪廓和大小、高的濕強(qiáng)度和固化強(qiáng)度、快速固化、靈活性和抗溫度沖擊。環(huán)氧樹脂允許非常小的膠點(diǎn)的高速，提供很好的板上固化電氣特性，在加熱固化周期，不拖線、不塌落。(由于環(huán)氧樹脂是熱敏感的，必須在冷藏條件下儲(chǔ)存，以保證最大的貨架壽命。)

??????? 使用視覺檢查或自動(dòng)設(shè)備，SMA必須和典型的綠色或棕色電路板形成對(duì)比，由于使用自動(dòng)視覺控制系統(tǒng)來幫助檢查過程，因此紅色和黃色已成為兩種基本的膠的顏色。可是，理想的顏色決定于板與膠之間的視覺比較。

??????? 典型地，環(huán)氧樹脂的加熱固化是在線(in-line)發(fā)生的，紅外(IR)通道爐內(nèi)。開始固化的最低溫度是100°C，但事實(shí)上固化溫度范圍在110~160°C。160°C以上的溫度會(huì)加快固化過程，但容易造成膠點(diǎn)脆弱。

??????? 膠接強(qiáng)度是膠的性能的關(guān)鍵，決定于許多因素，如，對(duì)元件和PCB的附著力，膠點(diǎn)形狀和大小，固化水平。膠接強(qiáng)度不足的三個(gè)最常見的原因是，固化不足、膠量不夠和附著力差。

??????? 膠點(diǎn)輪廓
??????? 膠的流動(dòng)特性，或流變學(xué)，影響環(huán)氧樹脂膠點(diǎn)的形成以及它的形狀和大小。SMA允許快速和受控的滴膠，以形成一個(gè)確定形狀的膠點(diǎn)(圖一)。為了保證良好和穩(wěn)定的膠點(diǎn)輪廓，膠被巧妙地設(shè)計(jì)成搖溶性的(即，當(dāng)攪拌時(shí)變稀，靜止時(shí)變濃)。在這個(gè)過程中，當(dāng)?shù)文z期間受剪切力時(shí)SMA的粘性減少，允許容易地流動(dòng)。當(dāng)膠打到PCB表面時(shí)，它迅速重新結(jié)構(gòu)，恢復(fù)其原來的粘性。

??????? 膠點(diǎn)輪廓也受搖溶性恢復(fù)率、零剪切率時(shí)的粘度和其它因素的影響。實(shí)際膠點(diǎn)形狀可能是“尖狀”/圓錐形或半球形。可是，膠點(diǎn)輪廓是通過非粘性的參數(shù)如膠點(diǎn)體積、滴膠針直徑和離板高度來定義的。即，對(duì)一個(gè)給定的膠的等級(jí)，通過調(diào)節(jié)它們的參數(shù)，可能產(chǎn)生或者很高的狹小的膠點(diǎn)或者低的寬大的膠點(diǎn)。

??????? 在貼片之后，滴出的膠點(diǎn)有兩個(gè)要求：它們必須直徑小于焊盤之間的空隔，有足夠的高度來連接PCB表面與元件身體之間的空隙，而不干涉到貼片頭。膠的間隙由焊盤高出PCB阻焊層的高度和端頭金屬與元件身體厚度差別來決定的。這個(gè)間隙可能是不同的，小的可能小于扁平片狀元件的0.05mm，大的可能大于小引出線包裝(SOP, small-outline package)和QFP的0.3mm。

??????? 滴高的膠點(diǎn)保證良好的膠在離地高度大的元件上的覆蓋面積。高的膠點(diǎn)也允許在低的離地高度元件之間膠被擠出，而不擔(dān)心污染焊盤。通常，對(duì)同一個(gè)級(jí)別的膠，有兩套滴膠參數(shù)一起使用：一個(gè)為離地高的元件產(chǎn)生高的、大膠量的膠點(diǎn)；另一個(gè)為扁平片狀元件和金屬電極界面(MELF, metal electrode face)元件提供中等高度和膠量的膠點(diǎn)。

??????? 膠點(diǎn)大小也受所選擇的針嘴的內(nèi)徑與離地高度的比率控制。通常，膠點(diǎn)寬對(duì)高的比率范圍是1.5:1 ~ 5:1(h/w=0.2 ~ 0.6)，取決于滴膠系統(tǒng)的參數(shù)和膠的級(jí)別。這些比率可通過調(diào)節(jié)機(jī)器設(shè)定來對(duì)任何元件優(yōu)化。

??????? 避免空洞

??????? 膠點(diǎn)中的潮氣可能在固化期間沸騰，引起空洞，削弱膠接點(diǎn)，并為焊錫打開通路以滲入元件下面，可能由于錫橋造成電路短路。在注射器中，膠的濕氣很少，可是留在非固化狀態(tài)和暴露在室內(nèi)條件下，特別是潮濕的環(huán)境中，膠可能吸取潮氣。例如，使用針頭轉(zhuǎn)移法滴膠，潮氣是個(gè)問題，因?yàn)槟z是開放的，暴露面積較大。這個(gè)問題也可能發(fā)生在用注射器滴膠時(shí)，如果滴膠與固化停留時(shí)間較長(zhǎng)，或室內(nèi)條件很潮濕。針對(duì)這些，大多數(shù)表面貼片膠使用具有低吸濕性的原材料來配制，使其影響最小。

??????? 使用低溫慢固化，加熱時(shí)間較長(zhǎng)，可幫助潮氣在固化前跑出，可解決空洞形成的問題。類似的，通過在低溫干燥的地方儲(chǔ)存元件或在適當(dāng)溫度的干燥爐內(nèi)對(duì)材料進(jìn)行使用前處理，可以消除潮氣。避免膠固化前的過程停頓和使用一種低吸潮的特別膠劑可幫助減少空洞問題。

??????? 滴膠方法

??????? SMA可使用注射器滴膠法、針頭轉(zhuǎn)移法或模板印刷法來施于PCB。針頭轉(zhuǎn)移法的使用不到全部應(yīng)用的10%，它是使用針頭排列陣浸在膠的托盤里。然后懸掛的膠滴作為一個(gè)整體轉(zhuǎn)移到板上。這些系統(tǒng)要求一種較低粘性的膠，而且對(duì)吸潮有良好的抵抗力，因?yàn)樗┞对谑覂?nèi)環(huán)境里。控制針頭轉(zhuǎn)移滴膠的關(guān)鍵因素包括針頭直徑和樣式、膠的溫度、針頭浸入的深度和滴膠的周期長(zhǎng)度(包括針頭接觸PCB之前和期間的延時(shí)時(shí)間)。池槽溫度應(yīng)該在25~30°C之間，它控制膠的粘性和膠點(diǎn)的數(shù)量與形式。

??????? 模板印刷被廣泛用于錫膏，也可用與分配膠劑。雖然目前少于2%的SMA是用模板印刷，但對(duì)這個(gè)方法的興趣已增加，新的設(shè)備正克服較早前的一些局限。正確的模板參數(shù)是達(dá)到好效果的關(guān)鍵。例如，接觸式印刷(零離板高度)可能要求一個(gè)延時(shí)周期，允許良好的膠點(diǎn)形成。另外，對(duì)聚合物模板的非接觸式印刷(大約1mm間隙)要求最佳的刮板速度和壓力。金屬模板的厚度一般為0.15~2.00mm，應(yīng)該稍大于(+0.05mm)元件與PCB之間的間隙。

??????? 超過90%的SMT膠目前是通過注射器滴膠(圖二)，它還可以進(jìn)一步分為兩類：壓力時(shí)間系統(tǒng)和容積控制系統(tǒng)。壓力時(shí)間注射器滴膠是最普遍的方法，本節(jié)的剩下部分將講述這一技術(shù)。注射器可達(dá)到每小時(shí)50,000點(diǎn)的滴膠速度，并且可調(diào)節(jié)以滿足變化的生產(chǎn)要求。

??????? 滴膠缺陷的故障分析　　有幾個(gè)沒有解決的滴膠問題可能導(dǎo)致最后的工藝缺陷。這些包括拉線、膠點(diǎn)大小的不連續(xù)、無膠點(diǎn)和衛(wèi)星膠點(diǎn)。膠的拉線可造成焊盤污染和焊接點(diǎn)不良。當(dāng)?shù)文z嘴回縮時(shí)膠必須分?jǐn)嗫旌颓宄?圖三)。甚至那些特別為高速滴膠配制的膠都可能出現(xiàn)拉線，如果參數(shù)不正確。例如，當(dāng)膠量相當(dāng)于滴膠嘴的直徑和所要求的離地高度太小時(shí)，拉線的危險(xiǎn)性極高，結(jié)果是一種非常高而瘦的膠點(diǎn)。雖然較小的針嘴直徑和離地高度結(jié)合可解決這個(gè)問題，但拉線仍可能由其它與膠本身無關(guān)的參數(shù)引起，如對(duì)板的靜電放電、不正確的Z沖程調(diào)節(jié)高度和板的柔曲或板的支撐不夠。?

??????? 對(duì)無膠點(diǎn)的情況，元件將不能正確貼裝。如果生產(chǎn)線的氣壓不夠用于滴膠(即，注射器的壓力不夠而造成滴膠不連續(xù))，則可能發(fā)生不出膠點(diǎn)。類型地，不連續(xù)的膠點(diǎn)大小影響板與元件之間的整個(gè)綁接強(qiáng)度。以下是發(fā)生這個(gè)現(xiàn)象的幾個(gè)原因：

??????? 針嘴的離地支柱落在焊盤上。換一種不同離地支撐位置的針嘴可解決這個(gè)問題。?

??????? 分配給膠水恢復(fù)的時(shí)間不夠。增加延時(shí)可解決恢復(fù)問題。?

??????? 如果壓力時(shí)間不足以完成滴膠周期(或隨著膠面水平線下降)，增加壓力與周期時(shí)間的比，通常以最大值的百分?jǐn)?shù)表達(dá)，將糾正膠點(diǎn)大小不連續(xù)的問題。?

??????? 由于衛(wèi)星點(diǎn)是不規(guī)則地出現(xiàn)，它們可能造成焊盤污染或綁接強(qiáng)度不夠。當(dāng)針嘴離地太高，減少高度可消除衛(wèi)星點(diǎn)。如果膠量相當(dāng)針嘴太大，減少壓力或使用較大內(nèi)徑(ID, inner diameter)的針嘴將解決問題。?

??????? 影響可滴膠性的因素

??????? 良好的滴膠不只單單依靠膠的品質(zhì)。對(duì)于壓力時(shí)間注射器滴膠方法，許多與機(jī)器有關(guān)的因素影響可滴膠性和膠點(diǎn)的形成。針嘴的內(nèi)徑對(duì)膠點(diǎn)的形成是關(guān)鍵的，必須比板上的膠點(diǎn)直徑小很多。作為一個(gè)原則，該比率應(yīng)該為2:1。0.7~0.9mm的膠點(diǎn)要求0.4mm的ID；0.5~0.6mm的膠點(diǎn)要求0.3mm的ID。設(shè)備制造商通常提供技術(shù)規(guī)格和操作指引，以產(chǎn)生所希望的膠點(diǎn)大小和形狀。?

??????? PCB對(duì)針嘴的間距，或停止器(stopper)的高度，控制膠點(diǎn)的高度(圖四)。它必須適合于滴膠量和針嘴ID。對(duì)給定的膠量，膠點(diǎn)高度對(duì)寬度的比率將隨著停止器的高度而增加。通常，最大的停止器高度是針嘴ID的一半；超過這個(gè)點(diǎn)，將發(fā)生不連續(xù)滴膠和拉線。

??????? 現(xiàn)在的高速設(shè)備使用壓力可以在針嘴到位之前定時(shí)開始的滴膠周期。針嘴回撤速度、回撤高度和滴膠與針嘴回撤之間的延時(shí)都影響膠點(diǎn)形狀和拉線。

??????? 最后，溫度將影響?zhàn)ざ群湍z點(diǎn)形狀。大多數(shù)現(xiàn)代滴膠機(jī)依靠針嘴上的或容室的溫度控制裝置來保持膠的溫度高于室溫。可是，膠點(diǎn)輪廓可能受損，如果PCB溫度從前面的過程得到提高的話

??????? 維護(hù)

??????? 滴膠針嘴和停止器的彎曲或磨損可能對(duì)滴膠有至關(guān)重要的影響。針嘴外圍過多的膠可能影響光滑和連續(xù)的膠點(diǎn)形成。在極端的情況下，膠可能橋接在停止器銷上，中斷滴膠。萬能的解決辦法是盡可能保持針嘴外圍干凈。

??????? 針嘴內(nèi)表面的清潔度是滴膠問題的另一個(gè)普遍根源。膠的積聚可能發(fā)生在ID上，限制流動(dòng)。膠也可能在針嘴內(nèi)部分固化，如果留在較暖的環(huán)境內(nèi)或不相容的溶劑內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間。變換膠的等級(jí)可能引起橫向污染和針嘴堵塞。(由固化或半固化的膠引起的堵塞應(yīng)該在使用溶劑清洗之前用鉆針清除。)滴膠針嘴應(yīng)該定期檢查，但只是在滴膠問題變得明顯時(shí)才清理。清潔會(huì)增加遇到的問題，當(dāng)把空的地膠嘴安裝于注射器的時(shí)候。

??????? 把藏的針嘴浸泡在溶劑中是常見的，但效率不高的清潔方法。當(dāng)浸泡針嘴時(shí)，使用相容的溶劑，但不要只依靠浸泡來清除所有未固化的材料。一種相容溶劑的高壓噴霧可把膠吹出針嘴內(nèi)孔。然后用干燥的壓縮空氣吹過內(nèi)孔，讓針嘴干燥。

??????? 一個(gè)可替代的清潔方法涉及超聲波或靜態(tài)浸泡。未固化的膠應(yīng)該使用鈍化工具和鉆針或與針嘴內(nèi)孔適當(dāng)直徑的鋼琴線來機(jī)械地清除。將要清洗的零件浸泡在清潔的溶劑中。對(duì)超聲波浸泡，設(shè)定&40deg;C以最大功率開三分鐘。對(duì)靜態(tài)的浸泡，攪拌浸泡中的零件直到溶劑被膠劑污染。在清潔溶劑中沖刷零件，保證清潔度。用高壓噴霧來對(duì)付非常小的內(nèi)孔的針嘴，用干燥的壓縮空氣吹過內(nèi)孔來干燥零件。