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发展小型化对焊接的各种挑战
  2020-07-21      89

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I-Connect007编辑团队

Chris Nash是Indium公司的PCB组装材料产品经理,近期,I-Connect007的编辑团队采访了Chris Nash,与他讨论在电子产品走向使用尺寸越来越小元件的过程中,焊接技术与焊膏应用技术似乎成为焊接面临的各种挑战的核心的原因, Chris Nash还谈到了围绕焊锡、助焊剂和材料的各种挑战。

Nolan Johnson:随着(特征)尺寸、封装、形状和电路板焊盘的尺寸不断缩小,以及电子行业不断推出尺寸越来越小的产品,这似乎使得焊锡、焊膏和焊点成为所有问题的核心。你必须看到在这些产品中实现良好性能将会面临的一些挑战。

Chris Nash自从引进SMT技术以来,小型化一直都是一个难题。在过去的20多年里,所有东西的尺寸都在缩小。移动产品市场推动小型化的发展,他们正在尝试使用0201规格或008004元件尺寸的电容器或无源元件。无源元件往往率先开始小型化,因为电路板上需要大量的无源元件,所以必须想办法尽可能节约电路板基板的空间。

然后,你开始讨论使用一些不同间距的元件,不论是间距更小的QFN,还是间距小到0.25毫米或0.3毫米的微间距双排QFN型封装或BGA型封装。

Barry Matties我们看到的是对微小间距的关注,而我们听到的是要让穿过钢网到电路板上的焊膏数量适量,才能提高成品率。

Nash你可以关注更微小的间距,但你也可能会说要把元件放置得更紧凑。举个例子,如果你关注的是移动电话的电路板,你不会看到各个元件之间的空隙很大。人们正在试图使用那些电路板上的每一平方毫米的空间。如果你没有专门为紧凑空间或微小空隙专门开发的焊膏,可能会导致信号完整性与树突生长难题。

这种情况也可能成为印刷工艺的难题。你用钢网印刷时,焊膏要穿过这些小孔在电路板上形成更小的焊膏沉积,你必须考虑用更薄的钢网和更小的面积比,这会使得焊膏沉积及焊膏量的一致性变差。

Matties人们会依靠自己的供应商,像Indium这样的公司,来开发适合自己产品的焊膏吗?

Nash是的,从焊膏或材料的角度来看,这些小型化课题是对我们的挑战,包括更细小的间距、更紧凑的空间,等等。我们研究的一些材料是更细小的粉末。在电子行业,特别是移动电子行业正在观察5号和6号焊锡粉末。到目前为止,我还没有看到任何主流的主板技术打算使用7号粉末,但我们确实看到在系统封装(SiP)应用中使用6型和7型焊锡粉末的各种主流焊膏技术。不过,使用更细小的焊锡粉末时,焊膏中的助焊剂载体也必须跟上。

你会看到,这里有很多因素在起作用,包括更细小的焊锡粉末的表面积更大,会产生更多氧化物、氧气,所以助焊剂清除氧化物会更难。从本质上看,由于氧化物更多,需要的助焊剂要比正常的情况稍多一些。但是,由于钢网的孔比较小,穿过的焊膏体积会少一些,因此你在电路板上可用的助焊剂也就比较少。

从焊锡粉末尺寸的角度看,我们不会有什么问题。众所周知,我们可以用更细小的焊锡粉末尺寸,包括6号和7号粉末,在此之前我们还用过8号焊锡粉末,但是,当你开始考虑用7号和8号粉末时,你更多说的是SiP应用,而不是主流的电路板组装。组装电路板时,你可能会遇到一些与焊膏有关的挑战,使用焊锡粉末更细小的焊膏时,涂布的焊锡粉末可能会在没有完全凝聚的地方形成葡萄状焊锡。由于没有足够多的焊膏,你可能会遇到更严重的枕头效应的难题。其他的众多挑战大多集中在回流工艺,而不是印刷工艺。

Matties客户来找你时,他们是否把这看作一个完整的工艺?他们是否得到关于模板材料、喷嘴或焊膏方面的建议?

Nash是的。很多人都认为这属于前沿技术。大多数来找我们的人从没涉足过这一领域,或者没有接触过哪怕是一点点这方面的内容,他们只是向我们咨询工艺和材料方面的建议。工艺和材料这两者之间是密切相关的,即使你有全世界最好的焊膏,除非你的工艺也得到充分的优化,否则你也不能完全有效地利用材料。因此,研究工艺极其重要,Indium公司就是这样做的,至今已有相当长的时间了。我们认为,要获得成功,你就必须同时关注材料和工艺,为正在构建的组件同步优化。

Matties当你谈到工艺时,你是怎么定义这些工艺的?一旦数据从工厂或成像区域输入,您将在哪里定义边界?

Nash我们着眼于从材料供应开始的整个工艺流程,以确保客户使材料尽可能地处于最佳状态。在制造中有许多工艺,例如印刷工艺,它将决定焊膏体积的转移效率。SPI设备将帮助决定焊膏转移效率的连续性,确保你没有任何与桥接、焊锡不足或焊锡过量有关的印刷缺陷。

在印刷工艺之后,你必须考虑贴片工艺,以及如何贴放元件,包括元件有没有歪斜与偏移,或者贴放压力过大或者不足;所有这些情况都可能影响要进行回流的材料的回流结果。然后,你把重点放在回流工艺上。你必须优化每个工艺。你不能只考察了一个工艺,就说“印刷做得很好,所以我们可以开始了。”如果你忽略制造工艺中的一个或多个环节,制造就不能很好地进行。从焊膏的角度看,在讨论焊膏时,关心元件贴放问题的人非常少,但是,在你讨论小型化和小元件时,元件的贴放问题就显现出来了。

Matties我们听到的是,由于有的人没有印刷足够的焊膏,因此目前开路缺陷要比短路缺陷多。你的客户在生产微小间距、高密度产品时,他们是不是会预先进行工艺检查?

Nash对于移动电子产品与车用电子产品制造,或者是任何类型的电路板制造,大多数人都在他们的制造工艺中执行SPI。这种SPI设备可以避免代价昂贵的返工,并且可以确保他们在印刷方面的工艺优化。我在Indium公司的职业生涯里,曾听到各种不同的百分比:从60%到98%。我不知道哪个数字是真的,我也不清楚在这方面的研究,不过,生产线大部分缺陷可能是印刷工艺的错误造成的。

Matties在它报废之前纠正错误。

Nash这就是为什么很多人把SPI设备用在他们的生产线中,试图用它来优化生产线中的印刷工艺,避免产品在最终离开生产线时出现缺陷与昂贵的维修费用。这是走向降低成本的重要一步。在许多情况下,人们只是孤立地看待焊膏的成本,但他们忘记了,总成本包括材料、制造和返工的成本。

Matties产品召回的成本极高。一个开路缺陷可能不会影响整条生产线的运行,但这种缺陷可能是灾难性的;在一些情况中,这种缺陷会置人的生命于危险之中。

Nash这是一个很重要的注意事项。在应用现场出现故障的代价是什么?你不希望这样的事情发生,是因为一旦在应用现场出现开路故障通常意味着数百万美元的损失,这种情况是可以避免的,开路缺陷可以通过优化你的工艺来纠正,而且你不能只根据成本来决定你选择的材料,而是要按照组装的要求选择最理想的材料。

Matties随着时间的推移,可追溯性变得越来越容易做到,因此,责任也慢慢体现在供应链中。

Nash在提到小型化涉及的各种事情时,另一个关于小型化的重要事情是Z轴的小型化。许多人试图在设计电路板时把电路板压缩成更薄的封装。如果观察从2000年到2020年的移动电话,就会发现它们变得越来越薄。Cavity印刷是几年前的话题了。现在,人们正在做这件事情,不过现在做得更多的是通过喷射材料或滴涂材料把它填入凹槽中,而不是用各种印刷工艺来做这件事。Z轴也变得更具有挑战性,因为你必须恰当地加热助焊剂。你不希望元件下面的助焊剂没有被激活,没被激活的助焊剂可能会成为形成树突生长的催化剂。设计具有电气、热与机械可靠性的材料非常重要。

Matties在企业开始进入这一类技术领域之前,你有哪些建议?

Nash这取决于你现有的技术和要解决的问题。如果你考虑的是手机领域和0201规格的元件,对印刷工艺的挑战将是一个主要关注点。我们对材料方面的各种情况有很好的经验,能够印刷组装0201规格元件的材料,回流0201尺寸规格的焊膏沉积;不过,这个工艺需要优化,在没有进行工艺优化的情况下,你不能把组件和焊膏放在一条生产线上运行。

此外,工艺优化包含很多工作。它可能是机器的设置或各种夹具的优化,例如制作加工电路板的专用夹具。也可能是钢网技术优化,钢网厚度与孔尺寸的优化。有很多优化印刷工艺的方法能在印刷0201元件的电路板时具有可重复性与可靠性,可用于组装有0201元件的电路板。

小型化的另一个领域是汽车市场,我们看到它的小型化趋势,但它的小型化还没有达到手机市场的水平。你在谈论汽车领域的焊膏材料时说,它正从3号焊膏过渡到4号焊膏,在一些情况下,可能还会使用5号焊膏。不过,汽车市场的小型化与手机技术无关。

Matties医疗市场也在进入这个领域?

Nash从电子产品的角度看,医疗产品市场是一个广阔的市场。你也许有不必使用微小间距元件的医疗设备,但还有可穿戴医疗设备,这些设备的电路板上必须使用微小间距元件,或者电路板上的元件很紧凑。这种电路板在医疗市场中的应用范围很广。有些电子医疗产品比那些常用的医疗产品更像消费类产品,例如监视心率或血压的手表。你可能会说,在军用产品和太空应用中存在同样的情况,在这些领域中,有些应用需要很小的电路板,特别是可穿戴设备,例如,你不会在战场上穿着笨重的电子设备去作战。

Matties医疗产品市场正在加速成长。

Nash确实如此。你会在医院和医疗机构中看到很多可穿戴设备,但是,它们可能是可回收的东西,也可能是一次性产品。我知道有很多公司,包括Indium公司,正在电子产业中寻找可以回收利用的东西,不管是包装还是材料方面的东西。例如,再生锡是目前许多不同行业的跨国公司的关注点。

Matties您是否也看到向低温焊料发展的趋势?它会有怎样的发展?

Nash是的。这是近几年来电子行业的主题之一,有很多人在低温焊锡方面有令人激动的想法。市场上有大量可用的低温合金系列。自1934年公司成立以来,Indium公司一直致力于低温焊接技术方面的工作。在Indium公司内部,我们还致力改善我们的焊膏助焊剂载体技术,同时也在开发新的合金。重要的是要保证助焊剂技术符合当前的需求,可以解决制造业遇到的任何挑战。

在这个领域中,有许多低温合金已在市场上销售很长的一段时间,例如常见的铟基合金或铋基合金。铟基焊锡的成本要比SAC焊锡略高一些,很多人不愿意花时间分解每一块电路板的成本来看成本的边际差异。铋基焊锡的特点是易碎性,因此,这些特殊的合金的抗跌落冲击或抗机械应力的性能不是很好。

Indium公司开发出一种独特的低温合金技术,能提供良好的抗跌落冲击性能。采用最佳回流工艺时,Durafuse™ LT铋合金的抗跌落撞击性能比SAC合金提高两个数量级。随着这个技术的低温应用得到认可,未来会赢得更多关注。

Matties你了解喷涂焊膏的技术吗,也许,在北美要比欧洲和亚洲用得更多?

Nash我们注意到整个组装领域都在关注焊膏喷涂技术的发展趋势,但在很多时候,它只是在小规模的应用,或者打算在小批量、高混合组装中应用。这些小批量、高混合应用有大量的转换,工程师们不想为这些范围很广的不同产品购买几百个钢网来组装这些产品。

在凹槽中安放元件是另一种应用,在这种应用中,我们看到喷涂、滴涂技术变得越来越受欢迎。Indium公司在材料方面做得很出色,但光靠我们自己是做不到的。我们和许多喷涂与滴涂设备供应商合作,确保我们的材料能够与他们的设备组合兼容并符合最终用户的焊接要求。我相信这个技术正处于上升阶段,但我并不认为喷涂设备很快就会取代钢网印刷技术。

Johnson在这次交流中,我们谈到组装行业在转向使用更小的元件时,焊锡、焊膏,以及涂布焊膏的技术是最困难的部分。在我看来,你似乎认为其中的一个关键部分是助焊剂。

Nash您说材料是难题的一部分是正确的;不过,工艺也许是比材料更大的一个难题。在材料范围内往前再走一步,助焊剂和焊锡粉末就是你们在小型化上要关注的两个重点领域。更小的焊膏涂布必须用焊锡粉末更细小的焊膏。制造更细小的焊锡粉末是个难题,但我们有这方面的能力。标准的主流应用是使用3号、4号和5号焊锡粉末,现在是使用6号焊锡粉末的时代了。

Johnson你说的是随着电路板的尺寸不断缩小,使用的助焊剂总量也减少了,但这时助焊剂必须做更多的事情。

Nash是的,助焊剂减少了,但是,由于你是使用更细小的焊锡粉末,因此焊锡粉末的表面积更大了,这意味着焊锡粉末的含氧量更高,这时,助焊剂必须更加努力地清除粉末和焊接基板金属上的氧化物。印刷焊膏后,要在回流工艺中进行这一清除氧化物的工作,而没有被清除掉的残留物会形成隐蔽的枕头缺陷或出现焊锡凝聚问题。你仍然希望在回流工艺结束时得到一个有良好润湿的光滑焊点。助焊剂必须努力工作,但使用的助焊剂比较少,因此,这是一个难题。

Johnson这不像是焊锡粉末更细小造成的难题。

Nash至于组装行业中看到的许多缺陷,它们的出现都与助焊剂技术有关,是对助焊剂技术的挑战。由于助焊剂在印刷与回流时都起非常重要的作用,因此,要在焊膏印刷工艺与回流工艺中尽可能消除生产线末端的缺陷,使用助焊剂是印刷工艺与回流工艺中最重要的技术。无论如何,工艺的作用非常重要,确保工艺得到优化也极为重要。

Johnson回流工艺紧接焊膏印刷工艺运行。你必须在这两个工艺中保证你正确控制助焊剂,使它发挥它的最大作用。

Nash:就目前的制造技术而言,很多时候,从事组装的工程师要承受很大压力,并且有许多工作要做;他们要遵守大量的规则,严重依赖材料供应商在工艺方面的帮助,提供正确制造他们的组件的必要知识,使缺陷尽可能少。Indium公司在这方面做得非常好,为我们的客户提供技术方面的指导。

Johnson早些时候,你提到与设备制造商合作。在你与客户合作,帮助他们优化工艺时,客户的设备工程师和你的工程师是一起工作的吗?

Nash在很多情况下,我们不需要寻求设备供应商帮助就可以掌握解决问题的工艺知识。其他的时候,遇到的可能是更有挑战性、最前沿的技术和难题,我们将和设备供应商及其他的行业伙伴合作,来应对客户的挑战。

Matties你联系过PCB设计师吗?他们就设计和工艺向你提过问题吗?

Nash我希望制造工程师与设计工程师能够在这方面进行更多的对话。如果DFM工程师和设计工程师能够更开放地对话,制造工程师每天要处理的许多问题、难题和缺陷都可能会消失。这是我从2005年开始在整个行业看到的共同趋势。随着时间的推移,虽然我们在这方面做得越来越好,但仍存在改进的空间。

Andy Shaughnessy这很有意思,设计师经常说他们经常和你交谈,但实际上他们之间却很少沟通交流。

Nash他们会进行一定程度的交流,但还有改进的空间。有些公司会比其他公司做得更好。有些公司有各种设计规则,这些规则由制造工程师开发,与设计团队共同分享。我还看到制造工程师把他们遇到的难题反馈给设计工程师,这样,他们的建议就能在下一个修订版中体现。不过,这并不是每一家公司或合同制造商都能很容易做到的事情。

Johnson有传言说,你在交流时说过“如果我们有更好的焊盘,我们就能更好地处理这种特殊的产品。所有东西都能发挥它的最大作用”。

Nash说的没错。形成焊锡珠(solder beading)就是一个例子。在通常情况下,人们会尽可能缩小电路板并保持设计不变。他们说,“我们可以买到比0402便宜很多的0201,因为手机行业推动元件供应商提供更小的无源元件”。我曾看到有些公司把0201元件放在0402焊盘上,而不是为这个特别的元件重新设计电路板。这种做法在回流时有形成焊锡珠的各种难题,或者可能增加元件立碑的发生。人们仍然试图在电路板上的一些地方削减一点点成本,但这会把主要的成本转移到末端的返工上。

Shaughnessy除了尽早与你沟通之外,你还会给设计师们和EE们哪些建议?

Nash不单是要尽早沟通的问题;由于制造工程师们是实时处理问题的人,因此至始至终都要保持沟通。他们会回来找供应商,说:“我们在这里遇到问题。我们用现在的材料无法处理。你有别的东西吗?”然后,我们尝试在材料和工艺优化这两个方面与他们合作来解决问题。但是,如果你针对这些元件重新设计焊盘,你目前正在使用的这些常用焊膏就不会出现这些问题。理想的情况是制造工程师、可制造设计工程师和设计工程师之间经常对话交流,或举行定期会议。

Happy Holden我注意到在我们的CES展会报告中,越来越多的消费类产品是可穿戴的,这些产品需要高密度电路板。组装这种产品面临的挑战和封装或组装SiP一样吗?

Nash围绕SiP组装和异构集成的技术被人们称为高密度电路板制造技术。例如,他们可能尝试把WIFI模块和蓝牙模块塞到一个封装里,这样做可以提高电路板密度。在此之前,你也许是用两个分立的封装来做原来用SiP来做的同一个事情。不过,他们还试图推广这些技术,使它们更加适合批量生产和可定制生产,这样,你就可以用三、四个不同的模块,把它们放到一个封装中,但这三、四个不同的模块是标准化的。一个客户也许要把两个功能模块放到一个封装中,而另一个客户可能要把五个功能模块放到到一个封装中,现在有这样做的能力。按照这种方法,你可以在一个封装中放入更多的功能模块,包括在同一块电路板上有四到五个不同的SiP封装,这样的电路板的尺寸就可以缩小一半。

Holden如果你打算把元件嵌入到要进行层压的电路板中,甚至在表面贴装后进行层压,需要专用的焊膏吗?

Nash如果你从封装或SiP的角度来考虑这个问题,例如,你是使用焊膏来制造袖珍电路板,然后,出于许多不同的原因,不论是专利原因还是环境原因,你使用某种类型的模塑混合物模压在封装上来保护它。有些助焊剂技术必须与封装上的模塑混合物兼容,或者,有的人把助焊剂残留物清洗掉,彻底消除兼容的不确定性。大多数制造SiP的人在封装上使用模塑混合物,但是,他们中的大多数人在他们可以用去离子水清洗的焊膏中使用水溶性助焊剂,或者在焊膏中使用免清洗材料和溶剂基的清洗剂。

这对所有涂敷材料或密封材料都适用,无论这些材料是灌装的混合物,三防漆混合物,还是模塑混合物。你必须做的事情是你要预先做尽职调查,确定你是不是要在电路板上留下焊膏助焊剂的残留物,你要有一些关于材料是不是兼容的知识。换句话说,三防漆或模塑化合物将是兼容的,电气、机械(粘附)操作留下的免清洗助焊剂残留物是已存在的残留物。电路板也有这种情况。电路板的问题是,阻焊膜是不是要和模塑材料、混合物材料、三防漆材料等兼容?


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