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1、免洗錫膏標準工藝(二) By Richard R. Lathrop Jr. 本文介紹，瞭解一種錫膏在一個特定的應用中將怎樣表現，是達到高效生產率的關鍵。一個廣泛的標準程式應該由一整套量度從印刷到測試的錫膏適用性的試驗組成。本文第一部分討論了印刷與貼裝試驗；第二部分繼續討論標準程式，看看回流焊接和其他諸如測試針的可測試性、粘性和離子色譜分析等試驗。回流熔濕(wetting)錫膏的可熔濕性、或可焊接性，是一項難以評估的特性，因為在許多情況中的決定是很主觀性的。已經開發一個目標試驗，使用 6-mil 的鐳射切割範本，在一塊多用途的OSP塗層的測試板上的 3 平方英寸的面積上進行接觸印刷(contac
2、t print)(圖一)。對每一種錫膏印刷 12 塊板，用 6 種不同的溫度曲線空氣回流焊接兩塊板。試樣設計有三種形狀。焊盤產生的線間隔的寬度變化從 8 24 mil。假設，焊盤之間發生的錫橋數量越多，材料與溫度曲線結合的可焊接性越好。另外，測量 50-mil 圓圈的平均直徑。50-mil 圓圈的擴散一般跟隨焊盤短路的結果，但很少在一個完整的圓上有焊錫擴散。因此，試驗的這部分是唯一主觀性的部分。焊盤短路區左邊的小焊盤用作焊錫對諸如小引腳積體電路(SOIC, small outline integrated circuit)焊盤的熔濕情況指示。範本開孔範圍從兩列底部的完整覆蓋(85-mil 長)
3、到頂部的只有23%覆蓋(20-mil 長)。這些焊盤排列完全熔濕越高，可焊性越好，因為隨著焊盤覆蓋的減少，完全熔濕焊盤的困難度增加。表一、溫度曲線資料峰值溫度183度以上時間35度到固化總時間預熱斜率35度到回流預熱時間135145度預熱時間145155度C秒秒C/秒秒秒A260105266N/A39113B234772340.67N/AN/AC23477231N/A8919D222641501.08N/AN/AE21166217N/A3011F219451121.38N/AN/A溫度曲線敏感性圖二和表一中的曲線在預熱方式上(平坦的保溫與斜線升溫)、峰值溫度、總共的時間和液化上的時間是不同的。
4、圖中曲線A表示一個配方將怎樣與諸如96.5Sn/3.5Ag或95Sn/5Pb高溫合金起作用。曲線F類比的是固定資產有限、運作剛開始時經常使用的、快速的34溫區的爐子。通過總結線間隔之間的短路數量，提供一個配方在通過所有6種溫度曲線時的情況。相對的“溫度曲線敏感性”也可通過計算單條曲線熔濕結果的標準偏差來計算，然後除以對所有六條曲線所橋接的平均間隔。在曲線之間具有很小的熔濕差異的材料將看作是對溫度曲線不敏感的。焊錫結珠/錫球雖然很少，錫球(solder balling)一般在免洗配方中是可接受的；但焊錫結珠(solder beading)不行。焊錫結珠通常大到肉眼可以看見，由於其尺寸，更容易從助
5、焊劑殘留物上脫落，引起裝配上某個地方的短路。焊錫結珠不同於錫球有幾個方面：1. 錫珠(通常直徑大於5-mil)比錫球大。 2. 錫珠集中在離板很底的較大片狀元件的邊上，比如片電容和片電阻1，而錫球在助焊劑殘留物內的任何地方。 3. 錫珠是當錫膏壓在片狀元件身體下和回流期間從元件邊上跑出來而不是形成焊接點的大錫球。 4. 錫球的形成主要是來自回流之前或期間的錫粉的氧化，通常只是一兩個顆粒。 沒有對準或疊印的焊錫可能增加錫珠和錫球。設計一塊測試板，有一系列的片狀元件焊盤，焊盤之間的間隔尺寸上的變化覆蓋IPC所要求的全部範圍，並超過。為了產生錫珠與錫球和評估改正這兩個常見問題的範本與焊盤設計的解決方
6、案，使用了各種範本開孔設計，對1206、0805和0603尺寸的片狀元件的開孔使用了有意的偏位。圖三顯示測試板上1206元件的一部分。對0805和0603元件的測試區域使用了類似的設計邏輯。另外，測試板以不同的溫度曲線回流，該曲線和對熔濕試驗所描述的一樣，以便更加深入地瞭解對一個給定配方的最佳回流曲線。對每個測試板，記錄所有錫珠和錫球的位置，但是為了比較的目的，只報告總的錫珠和錫球。殘留物水平殘留物水平是另一個通常有主觀性的特性。雖然透明性、顏色和助焊劑的視覺數量影響最終裝配的整體外觀，但這些因素可能實際上與那些保留在板上的、或者弄髒回流爐較冷區域和通風口的殘留物的物理數量無關。由於這個原因，
7、除了視覺外觀的主觀問題之外，殘留物數量是用熱重力分析方法(TGA, thermo-gravimetric analysis)來決定的。錫膏的少量樣品慢慢地從室溫加熱到液化溫度之上50C，記錄整個溫升過程中的重量損失。這個方法揭示了回流期間涉及的錫膏(助焊劑)的實際百分比。在回流焊接溫度曲線上，預熱、回流和冷卻階段失去的助焊劑成分的相對數量，也可以通過對TGA的百分比失重-溫度圖表的仔細審查來評估。其他測試針的可測試性測試針的可測試性說的是助焊劑殘留物對ICT針床測試夾具的相容性。助焊劑一定不可以有粘性的殘留物弄髒標準的測試針。對這個特性的工業測試還在進化中，但是一些方法報告“點擊”數，直到測試
8、針的清洗和/或強迫穿過助焊劑殘留物薄片。雖然助焊劑配方對給定的配方的測試針的可測試性起很大的作用，但是回流曲線也有重大的影響。粘性粘性是給定配方的而不是適用性測試的一個特性，但它有助於從流變學的角度進一步區分配方。工業上有三種主要類型的粘性儀錶： 單點粘度計通常使用一個“T”型的感測器，以恒定的轉速(RPM, revolutions/minute)在錫膏內轉動。這個方法是最常用的，但返回有限的流變資訊。 錐與盤、或盤與盤設計，使用一套旋轉盤子，盤子間隔固定，之間有錫膏的盤子溫度受控。盤子通常在一個轉速範圍內轉動，回到靜止。與單點方法一樣，為給定的材料建立流變圖譜，但是，在廣泛的剪切條件範圍上。
9、 螺旋粘度計使用一個螺旋感測器，在各種剪切率上測量錫膏的阻力，並計算給定配方的流變指數。 離子色譜法(Ion Chromatography)助焊劑殘留物析出的離子色譜法是免洗錫膏的可靠性評估的一項要求，但是，當在原錫膏(raw paste)上使用相同技術時，可達到對錫膏活性劑的理解。表二顯示了工業上最常用免洗配方的原錫膏離子色譜分析結果。溴化的活性劑是最流行的，因為它使用了很有限的氟化和氯化化合物。其含量是在每百萬個零件中(ppm, parts per million)。表二、原錫膏的離子色譜分析結果配方ABCDEFGHI氟化物01.91.942.728.51.821.91.9氯化物3.93.
10、33.34.221.31.82.47.20.1溴化物01.935.61.922.7113173146201Nitrate011.111.11.911.31.821.94.6Phosphate01.91.91.924.51.82350Sulfate01.91.91.91.941.35.23.40Sodium02.12.17.891.88.61.90Ammonium6.62.12.11.96.41.821.90Potassium3.313.413.430.7210.321.917Magnesium32.12.14.621.821.92.4Calcium612.312.3421.821.90Tota
11、l235488104132179204205227配方JKLMNOPQR氟化物2.210.91.41.81.951.91.81.9氯化物5.64.71.45.225.11.91.98.41.9溴化物1801771.4222229351273443581Nitrate03.31.41.81.92.81.92.71.9Phosphate001.401.91.9111.81.9Sulfate2.921.92223.66.91.91.9207435Sodium03.52.67.51.91.81.91.91.9Ammonium04.31.407.71.819.27.42.9Potassium27.21.
12、31.81641.815.41.91.91.9Magnesium3.62.21.441.81.81.91.91.9Calcium8.31.91.44.71.83.43.41.93.7Total2302312372672823894196791036表二中粗體字的結果是原配方的結果，而不是出現污染蹤跡的結果。 已二酸離子(脂肪酸)可以顯現出來，因為這個試驗中有硫酸鹽離子。這些結果表明，今天的免洗錫膏，從最初的真正的“無鹵”配方到最後的“類似RMA(rosin, mildly activated)的”材料，都存在較大的原錫膏離子濃度。很可能，由於後者不能通過鉻酸銀紙(silver chromate
13、 paper)的測試，而應該清洗掉，既使它們現在正當作免洗來使用。性能折中方案這裏所描述的試驗，在過去幾年已經應用於無數的配方，揭示了許多性能上的折中方案。最主要的趨勢是： 更高速的可印刷性可能得到較低的峰值粘持力。 更高的固體造成較低的粘持力。 更細小的粉末造成更高的峰值粘持力。 更細小的粉末造成更好的密間距可印刷性。 更多的擴散可能造成更多的焊錫結珠。 更多的擴散可能造成OSP上更好的熔濕。 更低的回流焊後板上的殘留物水平可能造成較差的焊接熔濕。 更低的回流焊後板上的殘留物水平可能造成較好的測試針的可測試性。 較多的板上殘留物結果爐內的殘留物較少，維護費用較低。 更多的溴化活性劑結果可能熔濕性更好。 更好的熔濕其結果是對溫度曲線敏感性更小。 對以上描述的趨勢還是有例外存在。不是每一個特性對每一個應用都有同樣的重要性，但是，如果理解了這些折中平衡，那麼就能夠應用到最適合的配方。結論對於OEM或者合約製造商，錫膏的標準程式有助於最終產品市場的競爭性。瞭解特定的錫膏在特定的裝配應用中如何表現，和為每一種情況作出最恰當的錫膏選擇是達到高生產效率的關鍵因素。不管製造商使用錫膏供應商的結論、還是內部進行試驗、或者兩者兼顧，標準程式提供深入的知識和比較的客觀基礎。 微量滴膠 By Ru
