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焊膏印刷中的设备问题
录入时间:2018/8/7 15:08:53

人们一直认为焊膏印刷工艺是影响成品率的主要原因。根据许多研究得出结论:在PCB组件的所有缺陷中,由焊膏印刷引起的缺陷高达70%。

针对焊膏印刷这个主题,我们采访了许多焊膏印刷工艺领域的专家,目的是想搞清楚造成如此之大的缺陷百分率的关键原因,并了解在印刷工艺中解决这些难题和提高产量的技术的进展情况。我们采访的专家包括AIM Solder公司的技术市场推广经理Tim O’Neill,Manncorp公司的销售经理Edward Stone,Lenthor Engineering公司的销售与市场推广总监Dave Moody和EMS经理Matt Kan,他们分别从焊膏供应商、设备制造商和PCB组装商的角度提出各自的见解。

Lenthor Engineering公司的Kan说,他们的主要业务是组装刚性-柔性电路板,其环境要求和刚性电路板组装完全不同。他说:“我只能根据我的个人经验来谈这个问题。当我在尝试着把用于刚性电路板的工艺部署到其他类型的电路板时,我很快就发现它不适合柔性电路板或刚性-柔性电路板。这是因为在处理柔性电路板和刚性-柔性电路板时,你需要正确地固定好电路板,或者把电路板排列好并且尽可能地保持水平状态,否则,当电路板从一种刚性状态发生而扭曲变到下一个刚性状态时,就会出现印刷错误。我们都知道,在处理柔性电路板和刚性-柔性电路板时,电路板要保持平的状态,所以我们需要对印刷参数稍做调整;因为在处理柔性电路板时,你要面对不同厚度的覆盖层和焊盘,所以在印刷刚性电路板时通用的5-6密耳厚的模板不能用于柔性电路。在印刷柔性电路板时,我们通常用的是4密耳厚的模板,而我们的标准模板厚度通常是3密耳。我们要考虑的一个印刷问题是,同刚性电路板相比,在你用5密耳或6密耳厚的模板印刷柔性电路板时,需要涂布更多的焊膏。你必须使用更薄的金属箔片,我们的标准模板厚度通常是3-4密耳。在一般情况下,我们使用三号焊膏(Type 3 paste),但随着产品尺寸做得越来越小,你必须在尺寸更小的0105元件或0201元件上涂布焊膏,所以我们必须加快转向使用四号焊膏(Type 4 paste)的速度。”

 AIM Solder公司技术市场推广经理Tim O’Neill

从焊锡供应商的角度来看,其中一个主要障碍就是要涂布的焊膏的量在不断减少,而要在印刷工艺中要做到这一点是非常困难的。AIM公司的O’Neill说:“我们在20年前刚进入这个业务领域时,在实际工作中见到的最小的元件是0603元件;那时,0402元件还只是在理论讨论阶段。而现在,我们谈的是08005元件、超小型元件和超出人的肉眼视觉范围的元件。这不仅给印刷工艺带来巨大的难题,还影响到印刷工艺的下游工艺。就印刷缺陷而言,面积比或模板厚度是关键参数,它们和模板上孔的尺寸有关,同时我们要考虑孔的高度和宽度。因为面积比的作用开始走向相反的方向,所以让焊膏能够稳定地并且可重复地从孔中脱出,这将变得更有挑战。在过去生产环境中,0.66的面积比非常实用,曾被视为最佳面积比,但是,考虑到焊膏技术和包括硬件、模板涂敷等技术在内的许多辅助技术的进步,现在我预计0.5的面积比会更常见。这些与焊膏印刷有关的各种技术正在不断向前发展,组装厂商也因此有了更多的选择,能够从容地应对精密印刷的各种难题。Matt Kan的问题是柔性电路本身在组装生产过程中可变性要比刚性电路板的多,因此,他在解决工艺中的一致性问题时需要面临更大的挑战。”

在O’Neill看来,一致性和总容量是两个最重要的变量,这正是他们在帮助组装厂商提高转换效率中的关键所在。他说:“我们要做的不仅是要尽可能地让更多的焊膏通过模板的孔,而且我们还要尽我们所能让焊膏的通过性可重复。”

为了做到这一点,焊膏流变学还在发展。在通常情况下,粘度下降时,焊膏变得更像奶油状。O’Neill说:“毋庸置疑,流动性更好且粘性更低的焊膏通过模板的孔会更轻松。由此产生的问题是,在我们拿掉模板时,涂布的焊膏必须保持它的形状,否则会形成桥接、坍塌并导致其他的桥接和焊膏起泡的问题。仅降低粘度,虽然可以提高焊膏的转移效率,但不一定能提高一致性。在焊盘设计和电路板设计中有很多需要考虑的变化量,电路板支撑是其中的一个问题,Lenthor公司负责制作刚性-柔性电路板的人员比谁都清楚这一点。让焊膏通过模板的孔是一回事,让焊膏始终如一地通过模板的孔是另一回事。焊膏检查(SPI)设备的出现使组装人员能够实时地测量正在组装的电路板上涂布的每一个焊膏体积。因为我们已经达到焊膏涂布的视觉阈值,所以说现在这一点非常重要。SPI让组装人员能够实时分析电路板上涂布的每一个焊膏体积。SPI是闭环反馈,因此,工艺工程师和监督人员可以确保印刷工艺是在定义的参数内良好运行。”

O’Neill补充道,“因为SPI可以真正地测量出你的生产能力,所以不管是对组装厂商还是焊膏厂商来说,SPI都是一种非常重要的工具。如果你不打算测量自己的生产能力,你就无法真正了解自己正在做什么。随着你步入0.66或更低的面积比时,这是非常重要的。Matt提出的观点是:改变焊料颗粒尺寸是提高转移效率的另一个途径;但是,在焊膏的研究开发中的任何事情都是一种交换补偿。举个例子,把活性更强的活性剂加入焊膏,反应就会更强烈,这通常会对焊膏的保质期、助焊延续时间和焊膏的转移效率带来不利影响。焊膏自身的内部反应同在焊接时与要焊接元件上的活性作用一样强。我刚才说这是一种交换补偿,如果增加焊膏的活性,焊膏的寿命就可能无法与模板的寿命或存储时间保持一致。”

按照O’Neill的说法,缩小焊料颗粒的尺寸也存在同样的问题。在涂布的焊膏体积相等时,降低焊料颗粒的尺寸会显著地增加焊料的表面积。他解释说:“我在演讲时曾用过这样的类比:你有一个装满凡士林和玻璃珠的盒子,这是四号焊膏。你把所有的玻璃珠都拿出来,然后用轴承的滚珠填满盒子。现在,你的盒子仍然是满的,其中金属的重量占到90%。盒子中的金属体积和原来的玻璃珠体积一样,没有变化,但当你考虑到滚珠和玻璃珠或者乒乓球和葡萄的区别时,就会发现盒子中金属滚珠的表面积要比玻璃珠的大。你多了这么多新增的需要与助焊剂相互作用的表面积,有很多事情要做。正如我在前面提到的活性,在焊料粉末表面的氧化物和助焊剂介质相互作用,结果改变了助焊剂介质。在印刷过程中增加摩擦力,焊膏中可用的能量会增多,这进一步增强它们的相互作用。当从潮湿的环境中带来湿气时,它会变得更加复杂,甚至会引发更多的化学反应。当使用更小的焊料颗粒时,所有的相互作用都会增强。颗粒度更小的焊膏对所有类型的输入的反应更灵敏,而且焊膏的特性可能会开始出现变化。正如我在开始时提到的,稳定性是整个焊接工艺的关键。即使你的稳定性不好,这个工艺还是你能够控制的。它的不一致性是首要问题。”

O’Neill说:“我们把许多方法组合起来,提高焊料的印刷性能。我们提供四号焊料而不是三号焊料作为焊料颗粒的标准尺寸,这部分解决了引进超微间距元件带来的挑战。我们有的用户坚持使用五号焊料,你可以试想一下,从三号焊料到四号焊料就像是从玻璃球变成轴承的滚珠,而当四号焊料降到五号焊料,就像是从滚珠变到砂糖。我们的研究表明,缩小焊料颗粒的尺寸比调整其他的工艺产生的影响较小,而且没有我前面提到的得失权衡的问题。我们注意到更多传统模板印刷之外的应用,以及采用喷涂的方式涂布、使用六号粒度和尺寸更细小的焊料。这正是我们前进的方向,但是,我认为这里存在理论上的限制。我的意思是,我们只能做到涂布的焊膏体积很小、与焊膏粉末可用表面相关的助焊剂在焊接完成时能刚好用完为止。在回流焊炉中,我们用来解决转移效率或喷涂问题所新增的所有焊膏表面区域都会加入争夺助焊剂的行列。最终,你得到的是各种‘葡萄状’的缺陷和与润湿有关的缺陷,这是因为现在涂布的焊膏体积都非常小,与可用的焊料粉末的表面面积相关的助焊剂非常少。这迫使焊料行业在助焊剂化学领域和粉末制造能力这两方面不断创新。新的缺陷使锡膏开发过程进一步复杂化,随着封装和元件的演变,这些新缺陷引起人们的关注。在我进入这个业务领域时,OFP是最大的印刷难题;然后是BGA,它带来了像空洞和HiP缺陷这类难题。最近更多的是,快速接受底部终端元器件给我们带来诸多新的难题,其中,底面焊盘空洞是最常见的缺陷。从根本上讲,印刷工艺影响所有的下游工艺;印刷直接推动组装工艺其他部分。

设备的角度

Manncorp公司经常同刚刚建立第一条SMT生产线并且发展自身能力的OEM厂商和其他公司打交道。Stone说:“我们的工作是向客户提供关于哪些设备能够生产出符合他们要求的电路板的建议。”

因为从用户逐利的本性和经济的角度来看,能省的就省,他们认为模板印刷机没那么重要,所以他们更愿意把资金投在贴装机上。

 Manncorp公司的销售经理Edward Stone

 

Stone说:“但是,如果你拥有一台能够以超微间距贴装0201元件或01005元件的贴装机,而你买的是所能买到的最便宜的手动印刷机,那么你无法充分发挥贴装机的所有能力并且享受到由此带来的好处。而这正是你要向客户解释的事情,并且让他们相信你所建议的设备对他们即将开展的工作才是正确的。在我看来,一台好的手动印刷机对一家刚起步的公司来说是个良好的开端。我的意思是说它是个很好的工具,但能用它来制作最富挑战的元器件吗?答案可能是做不出来。与此同时,你可以会把它放在一边几年都不用,几年后,如果你需要它,它还是有用的。我想说的是,就最近遇到的一些难题而言,我们看到许多在印刷非常大的电路板方面的动作,特别是在LED行业。我们所见到的电路板,其长度在1200毫米至1500毫米之间。这足足有四到五英尺,比我们过去见过的电路板的长度都要大很多。在过去,如果电路板尺寸达到16英寸 x 18 英寸,就已经是很大的了。现在,我们看到的电路板确实很长,需要使用专用的设备来处理。这类印刷机必须极其精确,在让模板对准电路板时,特别是在轴的调整上,尤其重要。因为它太长了,你的X-Y旋转就变得非常关键。当它只移动一点点,当偏离标线边缘时,模板的移动会很明显。我们还注意到,许多人在进入01005元件的印刷时才发现,它有一系列自己独有的难题。此外,你需要好的自动印刷机、视觉系统,不仅如此,在所有高端印刷机中,你需要的所有参数都是可编程的。这些事情不是在一台简单的桌面设备上就能做到的。”

在Stone看来,在为特定应用考察设备时,你需要确保所有的部件都是相配的。他说:“这包括模板打印机、贴装机和回流焊炉。如果你的应用是要组装尺寸最小、最富有挑战性的间距最窄的元件,买的一台与它不相配的印刷机是毫无意义的事情。当你进入更富有挑战性的元件类型的组装时,你希望得到那种所有参数都可编程的设备,包括刮刀速度、向下压力,可以瞬间中止的速度等。此外,具有能够清洗尺寸比较小的模板的工具也非常重要,这样,就能调节工艺,使它保持一致。”

 

选择正确的焊锡

在为某种应用选择正确的焊膏时,需要考虑不同的参数。根据O’Neill的说法,首先要考虑的是,你是打算使用免清洗焊膏,还是计划用水洗。

O’Neill说:“选择焊膏从做出这个决定开始。一般说来,EMS供应商更偏向于水洗他们的产品,这是因为用户对质量的感受主要是由视觉评估驱动的,即便这并不是个合适的衡量标准。合同制造商是从美观的角度去评价他们的最终产品;因此,在EMS的世界中,水洗更常见。另一方面,OEM更习惯于采用免清洗工艺,这是因为他们的产品通常是密封在一个盒子或某种外壳里,没人能看到里面的产品。要进行必要的可靠性测试,保证带有残留物的产品的可靠性符合要求。让残留物留在原地是一种更加经济有效的模式。绝大多数消费电子产品都采用免清洗技术,而作为焊膏制造商,我们把研发工作的重点放在免清洗焊膏上。我们的目标是设计出一种残留物非常少的免清洗焊膏,其电化学特性要达到最好。”

O’Neill说:“因为在托脚元器件下面进行清洗给那些必须把助焊剂残渣清洗掉的制造商出了一个真正的难题,所以,使用水溶性助焊剂,我们需要确保可以轻松地把它们清洗掉。有些产品需要进行清洗,例如射频信号电路,哪怕是极少量的残渣都会影响它的信号。另一个例子是保形涂层的应用,提高产品的环境耐受性。针对特定的应用需求,需要更进一步细化焊膏的选择。这可能包括空洞的性能、印刷性能或润湿性能。”

 

专门设计的合金

无铅是在选择焊膏时需要特别关注问题之一。有意思的是,尽管这个行业正在步入无铅世界和无铅工艺,但是,仍然有许多局部市场还在使用含铅焊料,因此,在涉及工艺参数时,将继续面临各种问题。

在Kan看来,军工行业是个非常特殊市场,在Lenthor公司的客户中,这部分客户就占到40%-50%。

O’Neill 说:“这并不是用户的选择;是供应链推着他们进入无铅世界。有些人虽然不情愿,但最终还是勉强接受。其他人会重新让铅进入他们的系统。在助焊剂化学方面,大部分使用无铅焊料的组装需要清洁,大部分含铅组装使用某种免洗产品,或者使用加入肥皂或溶剂的RMA产品的清洗工艺。在这些产品中许多都涂有保护涂层,涂层制造商坚持使用干净的基板,确保涂层符合设计要求。这些组装厂家严格遵守RoHS 2法规的要求。 我曾帮助许多用户根据他们的目标制定最佳的前进路线。一些组装厂家选择在他们的系统中重新使用铅,对BGA进行焊球再塑,并且用锡铅焊锡。随着大部分军工产品改用民用现货部件,而不是采用军用规格产品,我的其他的部分用户过渡到无铅产品。按照我的理解,截至2019年7月,除非你申请到欧盟的豁免,获得生产含铅电路板的产品,并销往欧盟的特许,否则就必须遵守RoHS的规定。我认为使用含铅产品的用户在欧洲市场的占比非常非常小。关于这个难题,不同的国家有不同的规定。中国似乎参照的是欧盟的规定。美国目前还没有任何关于无铅的规定,你仍然可以在电子产品中使用铅。所以说,如果是美国的军工产品,他们不受RoHS的约束,可以继续使用含铅材料。”

O’Neill说,AIM公司打算继续生产含铅焊料。他说:“但我预计未来会发生的事情和软件升级很像。你可能喜欢旧版本的iOS,不愿意迁移到新版本的iOS,不过,该来的终究还是会来的,当你周围的一切都开始改变,直至到达一个引爆点,使得继续坚持旧的技术变得不切实际。你不可能不断地重新制作焊锡球和重新镀锡。举个例子,我的一个客户,他有一个拥有29个BGA的组装件,制造商保证可以对BGA进行三个回流循环。这意味着你可以移走无铅的焊锡球,把含铅的焊锡球附在BGA上,回流第一个侧面,但是你不能再回流第二个侧面,因为那就是四个回流循环。他们的评价是,四个回流焊循环的风险比完全过渡到无铅组装与工艺的风险更大。这是个旧技术自动退出的例子。”

O’Neill 说:“现在,无铅材料应用经验也有十年了,飞机并没有从天上掉下来。所以说,从某些角度来看,你更愿意相信无铅焊料的可靠性问题并没有那么令人担忧。此外,正在研究许多新的合金,同时从供应链中淘汰铅,这正是引进其他那些过去不被重视元素的机会,特别是铋,这些元素是因为在现有系统中铅的存在而没有成为焊锡合金中的元素的机会。这可能会让人感到意外,但是,SAC305并不是国际电子制造联合会(iNEMI)推荐的行业标准,iNEMI的作用更像是在向无铅过渡期间的Jedi委员会。他们最初的建议是SAC387,合金中银的含量为3.8%,铜为0.7%。在他们的选择过程中,有很多因素需要考虑,所以这是一个很好的建议。然而,人们发现,可以把3.8%的银中减掉其中0.8%,这样一磅焊料就可以节省几美元,当你倒掉1000磅的焊锡罐时,就相当明显。它还解决了含银比例更高的银合金的可靠性问题。当银的百分比超过3%,就会形成一种银的金属间化合物,形成易脆的断裂边界,从而降低抗跌落冲击的性能。 结果,SAC305逐渐成为标准,取代了最初推荐的SAC387。SAC305并不是标准焊料;这是这个行业在向无铅过渡的过程中的产物。另一件重要的事情是,SAC合金和供应链中仍然存在的铅相兼容。最终,在性能、可靠性和现有工艺及材料的兼容性方面,SAC305成为最佳的折衷方案。”

O’Neill认为,在供应链中还存在铅,就不会考虑铋,这是由于铋遇到锡和铅,就会形成一种熔融温度97°C的合金,用这种合金焊接的东西很快就会出现故障。这正是铋不受重视的原因。

O’Neill说:“因为使用铋有一些明显的好处,所以AIM公司和整个焊料行业都在重新审视铋。我们的测试表明,含铋合金的热循环性能要比SAC305合金好很多。SAC305有一个很少人知道的缺陷,就是SAC305一旦在高温下暴露过长的时间,随着时间的向前推移,合金的晶粒结构会变粗,一旦晶粒的结构变粗,合金的机械性能就会出现明显下降。如果SAC305焊点在足够长时间里一直保持足够热的话,它会慢慢地变脆。当电子产品的尺寸更小、功率更大时,与之相伴的一个副作用就是热,我们已经注意到在许多应用中SAC305的热循环性能并不能完全满足要求。在合金中加入适量的铋对合金的热性能有显著的积极影响。我们预计,针对具体需求的利基合金、定制合金将会得到发展。我们已经注意到像SN100C这类加了铋的合金具有广泛的基础。它在性能上完全满足要求,成本下降了30-50%,所以很快就被采用。我认为,你还会在合金市场中不断看到这类变化。我想它会继续出现变化,然后有计划地逐步替换。SAC305合金不再是事实上的标准。我认为还会继续使用SAC305,但是,那些特别重视高可靠性问题的产品,会开始引进其他合金来解决可靠性问题。”

 

喷涂印刷:下一个技术革新

喷涂印刷机现在已经具备每小时印刷超过一百万个焊点的能力。鉴于它们主要是由软件驱动,所以喷涂印刷机不再需要模板,也就不需要清洗模板,可以实现更快速的转换。最近,在O’Neill与喷涂印刷机厂商的讨论中,他说,在批量生产时,虽然喷涂印刷机比不上丝网印刷机,但是,在喷涂印刷环境中,省掉某些工艺步骤能使总的循环时间更接近丝网印刷。

Lenthor Engineering公司的EMS经理Matt Kan

Kan说:“随着技术的进步,喷涂印刷会获得它应有的地位。我每年都会参加IPC的APEX展会,技术每年都有新的进步。所有的东西都在向前发展,许多产品的尺寸做得越来越小。我并不清楚丝网印刷和喷涂印刷未来是否会势均力敌,二者的比例是否会达到一比一。我个人的看法是,在一个环境中同时拥有两种技术是件好事。在我们的环境中,我们一定要充分利用这两种技术各自的优势,如果电路板的表面不是平的,我们可以使用喷涂技术,如果电路板的表面是平的,我们可以提供加工机械,制作三维固定夹具并获得平的表面,我们就可以使用丝网印刷机。”

他说:“我在1992年参加工作时的第一份工作是操作员,当时的印刷都是手动印刷,手动印刷机有两个按钮,每天在机器前一站就是8个小时。那时候的贴装机可能有两个拾放头,随着技术的发展,拾放头变成三个、六个、双卷轴、前后轴,然后是旋转式机器,你有你强的地方,也有相同的地方。我要强调的是,喷涂印刷机也可能一开始先引进两个喷涂头或四个喷涂头来取代一个喷头。事情总是在变化。我敢说90%的人会把喷涂印刷机与常规模板印刷放在一起比较。”

在O’Neill看来,喷涂印刷是下一代焊膏涂布技术。他说:“在我看来,喷涂能力将会继续提高,而且可以在一条表面贴装生产线上同时承担几个非常有用的角色。它不一定会取代传统的模板印刷,而是与之形成互补。在我看来,你将看到SPI和喷涂结合来起提供额外的焊膏体积,并且不再需要使用阶梯模板和预成形焊膏。使用者可以操控电路板上的焊膏体积,并实时修正焊锡体积的不足,这令人非常兴奋。现在试想一下,你在SPI上有一台喷涂印刷机,它看到涂布的焊膏有缺失,然后仔细检查并修复。模板放下一次就可以涂布一万个焊膏体积,很难想象点对点的焊膏涂布技术竟然可以取代模板印刷,所以在我看来在短期内喷涂印刷技术可能是最有希望的技术。最终用户需要考虑如何在产量与灵活性之间保持平衡。焊膏喷涂是可行的技术,随着时间的推移,它一定会找到进入各生产厂商表面贴装生产线的路径。”

在Kan看来,因为焊盘和阻焊膜的厚度不一样,而且你必须通过某个方式用三维夹具得到平的水平印刷平面,所以在柔性和刚性-柔性的世界里喷涂的印刷效果非常好。他说:“但有时候你无法避免这种情况。在某些区域里,柔性电路的板的厚度是10密尔,而在某些区域,柔性电路板的厚度是62密尔。不管怎么固定你的电路板,都会用到加固件,它会妨碍你得到用于印刷的平的表面。使用喷涂印刷会有很多好处,这是因为喷涂印刷基本上是向下的,把焊膏涂在单独的焊盘上。我们这里没有喷涂印刷机,但我拥有使用喷涂印刷机的经验,我们发现在10或12密尔下面的地方,它开始出现漂移,这意味着印刷出现不一致。这里会有一些挑战。”

在Stone看来,喷涂印刷机的一个问题是,对很多客户来说,它的成本太高了。Stone说:“人们在谈论的是他们需要什么样的生产线来做小批量生产。如果你考虑的是这件事,那么,喷涂技术是最合适的。有了它,你将拥有难以置信的灵活性,它能够印刷间距非常微小、尺寸非常小的零件,而你不需要订购模板。但与此同时,设备启动也有成本。你可能要买大量的模板,用来比较一台好的自动印刷机和一台喷涂型印刷机在成本上的差别。另一件事情是喷涂印刷机的维护工作量明显大很多,而且它要求使用成本更高的焊膏,而不是典型的四号或五号焊膏。你必须使用五号或六号焊膏,所以你的成本也会因此随之上升。”

成功的关键

正如前面所述,焊膏印刷是SMT工艺中大部分缺陷的根源。按照Stone的说法,解决这个问题的一个非常重要的因素是选一台非常好的模板印刷机,能够应对用户在组装工艺中遇到的各种类型的挑战。他说:“好的印刷机不会便宜。一台好的印刷机再加上一台好的回流焊炉是成功的关键。”


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