smt無(wú)鉛工藝對(duì)無(wú)鉛錫膏的要求

smt無(wú)鉛工藝的步伐越來(lái)越近，無(wú)鉛錫膏作為無(wú)鉛工藝的重要一環(huán)，它的性能表現(xiàn)也越來(lái)越多引起人們的關(guān)注。本文結(jié)合漢高樂(lè)泰公司的新無(wú)鉛錫膏產(chǎn)品Multicore(96SC LF320 AGS88分析無(wú)鉛錫膏如何滿足無(wú)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?chē)h(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(guò)立法，要求從2006年7月開(kāi)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)。中等家的相關(guān)法律也正在醞釀之中。由此可見(jiàn)，smt的無(wú)鉛工藝已經(jīng)成為我們必然的選擇。本文以無(wú)鉛錫膏的研發(fā)為基礎(chǔ)，針對(duì)無(wú)鉛工藝帶來(lái)的幾個(gè)問(wèn)題，如合金選擇、印刷性、低溫回流、空洞水平等展開(kāi)討論，同時(shí)，向大家介紹了新一代無(wú)鉛錫膏產(chǎn)品Multicore(96SC LF320 AGS88相應(yīng)特性。

一、 無(wú)鉛合金的選擇

為了找到適合的無(wú)鉛合金來(lái)替代傳統(tǒng)的Sn-Pb合金，人們?cè)鲞^(guò)許多的嘗試。這是因?yàn)闊o(wú)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(wú)鉛合金的比較結(jié)果。

合金類型 
熔點(diǎn)（度） 
主要問(wèn)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(wú)鉛合金的比較結(jié)果

人們終把目標(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(guò)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。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(wú)鉛合金的主要選擇。其中，SnAg3Cu0.5被日本、韓廠商廣泛采用，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(wú)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(guò)助焊劑成分的調(diào)整來(lái)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(guò)調(diào)整助焊劑成分和比例，無(wú)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(wú)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(wú)鉛工藝面臨的首要問(wèn)題便是回流焊時(shí)峰值溫度的提高。在圖2中描述了無(wú)鉛錫膏回流焊接時(shí)，在壞情況假設(shè)下（線路板復(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），線路板上熱點(diǎn)溫度可能達(dá)到的溫度（265°C）。圖中冷點(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(wú)鉛錫膏所要求的峰值溫度較高，線路板熱點(diǎn)便容易達(dá)到265°C，而該溫度已超過(guò)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)錫膏的低峰值溫度較高，便會(huì)有冷焊問(wèn)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(wú)鉛錫膏的低峰值溫度應(yīng)盡量低，即無(wú)鉛錫膏低溫回流特性在無(wú)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(wú)鉛錫膏96SC LF320 AGS88的低回流溫度僅為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(wèn)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(wú)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(jiàn)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(lái)。有經(jīng)驗(yàn)的工程師習(xí)慣將空洞比例低于15%-20%，無(wú)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(wú)鉛焊接中，空洞仍然是一個(gè)必需關(guān)注的問(wèn)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(wú)鉛錫膏的研發(fā)過(guò)程中得到證實(shí)，早期無(wú)鉛錫膏的主要問(wèn)題之一便是空洞較多。作為新一代的無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)鉛錫膏的印刷性與有鉛錫膏幾乎相同；

3）無(wú)鉛錫膏的低溫回流特性對(duì)smt無(wú)鉛工藝意義重大；

4）新一代的無(wú)鉛錫膏，使得空洞問(wèn)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(guò)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(shù)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(shù)脂已成為世界范圍內(nèi)的更主流的膠劑技術(shù)。環(huán)氧樹(shù)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(shù)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(shù)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(shù)脂是熱敏感的，必須在冷藏條件下儲(chǔ)存，以保證大的貨架壽命。)

使用視覺(jué)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(jué)控制系統(tǒng)來(lái)幫助檢查過(guò)程，因此紅色和黃色已成為兩種基本的膠的顏色?？墒?，理想的顏色決定于板與膠之間的視覺(jué)比較。

典型地，環(huán)氧樹(shù)脂的加熱固化是在線(in-line)發(fā)生的，紅外(IR)通道爐內(nèi)。開(kāi)始固化的低溫度是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(guò)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)常見(jiàn)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(shù)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(guò)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(lái)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?？墒?，膠點(diǎn)輪廓是通過(guò)非粘性的參數(shù)如膠點(diǎn)體積、滴膠針直徑和離板高度來(lái)定義的。即，對(duì)一個(gè)給定的膠的等級(jí)，通過(guò)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(pán)之間的空隔，有足夠的高度來(lái)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(pán)高出PCB阻焊層的高度和端頭金屬與元件身體厚度差別來(lái)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(pán)。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(guò)調(diào)節(jié)機(jī)器設(shè)定來(lái)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(kāi)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(wèn)題，因?yàn)槟z是開(kāi)放的，暴露面積較大。這個(gè)問(wèn)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(lái)配制，使其影響小。

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(wèn)題。類似的，通過(guò)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(guò)程停頓和使用一種低吸潮的特別膠劑可幫助減少空洞問(wèn)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(lái)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(pán)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(guò)90%的smt膠目前是通過(guò)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(méi)有解決的滴膠問(wèn)題可能導(dǎo)致后的工藝缺陷。這些包括拉線、膠點(diǎn)大小的不連續(xù)、無(wú)膠點(diǎn)和衛(wèi)星膠點(diǎn)。膠的拉線可造成焊盤(pán)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(wèn)題，但拉線仍可能由其它與膠本身無(wú)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(wú)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(pán)上。換一種不同離地支撐位置的針嘴可解決這個(gè)問(wèn)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(wèn)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，通常以大值的百分?jǐn)?shù)表達(dá)，將糾正膠點(diǎn)大小不連續(xù)的問(wèn)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(pán)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(wèn)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，大的停止器高度是針嘴ID的一半；超過(guò)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(kāi)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。

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(lái)保持膠的溫度高于室溫?？墒?，膠點(diǎn)輪廓可能受損，如果PCB溫度從前面的過(guò)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(guò)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(wàn)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(wèn)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(wèn)題變得明顯時(shí)才清理。清潔會(huì)增加遇到的問(wèn)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(jiàn)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(lái)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(guò)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(lái)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以大功率開(kāi)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(lái)對(duì)付非常小的內(nèi)孔的針嘴，用干燥的壓縮空氣吹過(guò)內(nèi)孔來(lái)干燥零件。

來(lái)源：SMT無(wú)鉛工藝對(duì)無(wú)鉛錫膏的要求 - 焊接與組裝