焊膏特性对稳定印刷及焊接品质的要因解析

焊膏特性對穩定印刷及焊接品質的要因解析引言焊錫膏是電子產品表面組裝中重要的輔助材料，而焊錫膏的組分和特性，不僅影響著印刷品質，也決定著焊接質量及產品的可靠性。焊錫膏由焊料合金粉（焊粉）和助焊物質等組成，焊料合金粉有無鉛共晶和非共晶兩種，而助焊物質又由溶劑、助焊固態物質（松香、活性劑、觸變劑、成膜物質）等組成見图1。焊锡膏的主要特性，主要是指信赖性、焊锡性、工作性、印刷性和焊锡检验几个方面，見图2。焊膏的信赖性即高可靠性，它主要是指良好的表面絕緣阻抗SIR（SURFACEINSULATIONRESISTANCE）特性、防銅鏡腐蝕性（CORROSION）、防電子遷移性（ELECTROMIGRATION）和少的焊後殘餘物（IONICRESIDUE）。焊錫性，是指良好的可焊性即優異的潤濕能力和焊球特性。工作性，是指錫膏具有好的鋼網上待機時間（STENCILIDLETIME）、長的模板存放壽命（STENCILLIFE）、良好的觸變性（TACKINESS）和抗坍塌性（SLUMPRESISTIVITY）。良好的印刷性，即適合細間距印刷性（FINEPITCHPRINTABILITY）、高速印刷（PRINTSPEEDTYPE）和持續的印刷能力CONTINUALPRINTABILITYTYPE。良好的焊接檢驗性，即助焊殘餘物（FLUXRESIDUE）少便於ICT測試（ICTTESTABILITY）。图1典型錫膏的基本成分組成图2錫膏的選擇及相關工藝控制要求在SMT制造過程中，焊粉所佔比重對塌落性能和黏度有很大的影響，焊粉含量高塌落度也小，用於細間距元件焊膏，多使用8892錫粉含量的焊膏。焊錫膏中的焊膏或焊劑飛濺將產生錫珠問題，助焊物質中溶劑含量偏高，對於倒裝焊器件（BGACSPPOP等）焊點更容易產生空洞問題。活化劑決定焊錫的可焊性和潤濕能力，活性差的焊錫膏對於微型焊點，會更多地產生虛焊、焊點球窩、焊點爬錫不良、焊點大晶料性結構、葡萄球、外觀灰暗等問題。成膜物質影響焊點的可測性及焊膏的黏度和黏性；触變劑用來改善錫膏印刷性能和工藝性能，它們的性能不佳將會造成細小元件偏斜、細間距器件橋連等問題；等等。總之，印刷與焊接不良與焊膏的組成特性有很大的關係，而焊膏的選用應根據印製電路板組件（PCBA）的工藝特性進行選擇。有關焊膏特性對穩定印刷及焊接品質的要因分析，筆者還將討論一下新型模板開刻工藝；而討論穩定SMT印刷的作業品質，務必討論重要印刷機參數方面的設置，以及相關的管理經驗與方法。关键词焊膏（SOLDERPASTE），錫膏組分COMPONENTSOFSOLDERPASTE，合金錫粉（ALLOY/POWDER），焊錫粘度（SODERPASTEVISCOSITY），活劑（ACTIVATORS），印刷性（GOODPRINTABILITY），焊錫性（GOODSOLDERABILITY），依賴性（HIGHRELIABILITY），工作性（GOODWORKABILITY），焊點檢驗（INSPECTION），印刷機參數（PRINTERPARAMETER）,鋼網設計（STENCILDESIGN）一、焊錫膏的基本認知、組成與特性概述SMT的焊錫塗覆及絲印工藝，業已成為SMT三大制程技術之首，焊錫膏也已成為表面組裝技術（SMT）中不可或缺的重要輔材。在表面組裝件的回流焊中，焊膏被用來實施表面組裝元器件的引線或端點與印製板上焊盤的連接。焊膏塗覆是表面組裝技術一道關鍵工序，它將直接影響到表面組裝件的焊接品質和可靠性。1焊錫膏的基本認知隨著再流焊技術的應用，焊膏已成為表面組裝技術（SMT）中最重要的工藝材料，近年來獲得飛速發展，並將直接影響到表面組裝件的焊接品質和可靠性。焊錫膏應具有良好的粘性與觸變性，才能使工藝流程順利進行，焊接品質達到預期的要求。焊錫膏的性質決定了它所特有工作環境，以及對於工作人員在操作時，必頇注意焊錫膏在使用中需要注意的相關事項，包括它的購買、儲存以及使用。隨著人們環保意識的增強，焊錫膏也在不斷的發展，現在，最受大家關注的將是焊錫膏的無鉛化。世界在不斷的發展，科技也在進步，電子行業的發展迫使我們必頇在焊膏方面取得更先進的突破，所以致力於焊膏的研究與探討也是愈加重要的。图3錫粉合金形狀對焊錫印刷性能的影響图4焊錫之錫粉大小的依元件間距選擇锡膏的成份可分成两个大的部分，即助焊剂和焊料粉（FLUXSOLDERPOWDER）。焊劑各組分所佔焊膏質量比及成分成膜物質25，主要為松香及衍生物、合成材料，最常用的是水白松香。活化劑00505，最常用的活化劑包括二羧酸、特殊羧基酸和有機鹵化鹽。觸變劑022，主要作用增加錫膏的黏度和印刷的成型；而溶劑含量為37,它們為多組分物質,且有不同的沸點，另外還有表面活性劑等。（一）、助焊剂的主要成份及其作用A、活化剂ACTIVATION该成份主要起到去除PCB铜膜焊盘表层及零件焊接部位的氧化物质的作用，同时具有降低锡、铅表面张力的功效；B、触变剂THIXOTROPIC该成份主要是调节焊锡膏的粘度以及印刷性能，起到在印刷中防止出现拖尾、粘连等现象的作用；C、树脂（RESINS）该成份主要起到加大锡膏粘附性，而且有保护和防止焊后PCB再度氧化的作用；该项成分对零件固定起到很重要的作用；D、溶剂（SOLVENT）该成份是焊剂组份的溶剂，在锡膏的搅拌过程中起调节均匀的作用，对焊锡膏的寿命有一定的影响；（二）、焊料粉焊料粉又称锡粉主要由锡铅合金组成，一般比例为63/37；另有特殊要求时，也有在锡铅合金中添加一定量的银、铋等金属的锡粉。概括来讲锡粉的相关特性及其品质要求有如下几点A、锡粉的颗粒形态对锡膏的工作性能有很大的影响重要的一点是要求锡粉颗粒大小分布均匀，这里要谈到锡粉颗粒度分布比例的问题；在国内的焊料粉或焊锡膏生产厂商，大家经常用分布比例来衡量锡粉的均匀度以2545M的锡粉为例，通常要求35M左右的颗粒分度比例为60左右，35M以下及以上部份各占20左右；锡粉颗粒形状较为规则；根据“中华人民共和国电子行业标准锡铅膏状焊料通用规范（SJ/T111861998）”中相关规定如下“合金粉末形状应是球形的,但允许长轴与短轴的最大比为15的近球形状粉末。如用户与制造厂达成协议，也可为其他形状的合金粉末。”在实际的工作中，通常要求为锡粉颗粒长、短轴的比例一般在12以下。在焊锡膏的使用过程中，将很有可能会影响锡膏印刷、点注以及焊接的效果。锡膏中锡粉与助焊剂的比例也不尽相同，选择锡膏时，应根据所生产产品、生产工艺、焊接元器件的精密程度以及对焊接效果的要求等方面，去选择不同的锡膏；根据“中华人民共和国电子行业标准锡铅膏状焊料通用规范（SJ/T111861998）”中相关规定，“焊膏中合金粉末百分质量含量应为6596,合金粉末百分质量含量的实测值与订货单预定值偏差不大于1”；通常在实际的使用中，所选用锡膏其锡粉含量大约在90左右，即锡粉与助焊剂的比例大致为9010；普通的印刷制式工艺多选用锡粉含量在89915的锡膏；当使用针头点注式工艺时，多选用锡粉含量在8487的锡膏；回流焊要求器件管脚焊接牢固、焊点饱满、光滑并在器件（阻容器件）端头高度方向上有1/3至2/3高度焊料爬升，而焊锡膏中金属合金的含量，对回流焊焊后焊料厚度（即焊点的饱满程度）有一定的影响；为了证实这种问题的存在，有关专家曾做过相关的实验，现摘抄其最终实验结果如下表供参考从上表看出，随着金属含量减少，回流焊后焊料的厚度减少，为了满足对焊点的焊锡量的要求，通常选用8592含量的焊膏。C、锡粉的“低氧化度”也是非常重要的一个品质要求，这也是锡粉在生产或保管过程中应该注意的一个问题；如果不注意这个问题，用氧化度较高的锡粉做出的焊锡膏，将在焊接过程中严重影响焊接的品质。穩定印刷作業品質的重要管理方法SMT穩定的印刷作業相關要素在再流焊接工藝過程中，焊劑主要發揮兩個作用，即祛除氧化物和降低焊料的表面張力，幫助其潤濕、擴散和形成焊點，了解其在再流焊接過程图11C助焊劑中活化劑種類及擔當特性图12活化劑的主要功效與作用图2FPC的主要技术参数与近年发展状况图3单面与双面FPC的基本结构隨著再流焊技術的應用，焊膏已成為表面組裝技術（SMT）中最要的工藝材料，近年來獲得飛速發展。在表面組裝件的回流焊中，焊膏被用來實施表面組裝元器件的引線或端點與印製板上焊盤的連接，它將直接影響到表面組裝件的焊接品質和可靠性。近20年來，由於電子加工業的迅速發展，造成了許多環境污染問題，首先被關注的是破壞臭氧層的氟氯化碳化合物，隨著人們對環境保護意識的增加，鉛對地球污染問題也提高到了議事日程，特別是歐盟制定了有關環保的兩項法令（RHOS與WEEE），禁鉛之日已經近在眼前。儘管無鉛焊膏取代錫鉛焊膏是歷史發展的必然趨勢，但仍有必要對在電子裝聯技術中已使用了近50年歷史的錫鉛焊料做歷史性的回顧與認真研究；並對無鉛化進行詳細的而深入的探索。我將在此詳細地闡述關於焊錫膏的使用、性質以及發展等問題。焊錫膏的基本性質焊膏一種均質混合物，由合金焊料粉，糊狀焊劑和一些添加劑混合而成的具有一定粘性和良好觸變性的膏狀體。在常溫下，焊膏可將電子元器件初粘在既定位置，當被加熱到一定溫度時（通常1830C）隨著溶劑和部分添加劑的揮發，合金粉的熔化，使被焊元器件和焊盤連在一起，冷卻形成永久連接的焊點。對焊膏的要求是具有多種塗布方式，特別具有良好的印刷性能和再流焊性能，並在貯存時具有穩定性。焊膏的組成，合金焊料合金焊料粉是焊膏的主要成分，約占焊膏重量的8590。常用的合金焊料粉有以下幾種錫鉛（SNPB）、錫鉛銀（SNPBAG）、錫鉛鉍（SNPBBI）等。合金焊料粉的成分和配比以及合金粉的形狀、細微性和表面氧化度對焊膏的性能影響很大，因此製造工藝較高。幾種常用合金焊料粉的金屬成分、熔點，最常用的合金成分為SN63PB37和SN62PB36AG2,其中SN63PB37的熔點為183，共晶狀態，摻入2的銀以後熔點為179，為共晶狀態，它具有較好的物理特性和優良的焊接性能，且不具腐蝕性，適用範圍廣，加入銀可提高焊點的機械強度。合金焊料粉的形狀可分為球形和橢圓形（無定形），它們對焊膏性能的影響見表1由此可見，球形焊料具有良好的性能。常見合金焊料粉的顆粒度為（200/325）目，對細間距印刷要求更細的金屬顆粒度。合金焊料粉的表面氧化度與製造過程和形狀、尺寸有關。相對而言，球狀合金焊料粉的氧化度較小，通常氧化度應控制在05以內，最好在104以下。焊锡膏的组成,分类以及影响焊膏性能的重要参数一焊膏的组成1合金焊料粉A球形B棱形2活性剂（助焊剂）去除焊料粉和被焊件表面的氧化层使表面张力减小，增加元器件引脚和焊盘的润湿性提高焊接可靠性。3成膜剂和胶黏剂放置合金焊料粉进一步氧化，并具有一定的粘结作用有利于元器件位置的临时固定以免发生位移。4润湿剂增加焊膏于被焊件之间的润湿性，有利于合金焊料粉的扩展，具有良好的可焊性同时对焊接后的残留物的清洗有利。5触变剂焊膏的粘度随时间温度剪切强度等因数而发生变化的特性。6溶剂和增稠剂溶解活性剂成膜剂胶黏剂润湿剂触变剂以及其他添加剂使焊剂能与合金焊料粉均匀的混合物。7其他添加剂改进锡膏的抗腐蚀性，焊点的光泽度以及阻燃性等，有时还在焊剂的配方中加入抗腐蚀剂消光剂光亮剂或阻燃剂等其成份于通用焊剂基本相同。二分类1焊接的活性（未活化中度活化全活化）2清洗方式有机溶剂清洗水清洗半水清洗以及免清洗等方式，从保护环境的角度考虑水清洗半水清洗以及免清洗是发展的趋势。三影响焊膏性能的重要参数1粘度（触变剂）焊膏是一种流体他具有流变性，在外力作用下能产生流动。2密度合金焊料粉成份配比以及焊剂含量，焊膏的密度直观的反映出焊膏中合金粉的组成以及焊剂的含量，也可以作为影响焊膏性能的重要参数。3熔点取决于焊料粉的成份以及配比。4合金焊料粉的形状和粘度和表面氧化程度对焊膏性能起到关键作用，尤其是焊料粉的形状和颗粒度通常作为焊膏的重要参数。5触变指数和塌落度焊膏作为触变性流体，触变指数是重要参数。6工作寿命和储存寿命工作寿命为1224H，判断依据为焊膏施加到PCB上到贴片前的时间为1224H，这个时间还和工作环境温湿度有很大关系。储存寿命25可以6个月保持，低温储存有利于防止合金氧化剂挥发延长寿命。注意点焊膏在使用前应回温4H以上，否则A粘度达不到要求。B吸收水份后粘度下降焊膏的定义由金属粉末糊状助焊剂均匀混合而成的浆料或者膏状物体，SMT工艺中不可是缺少的焊接材料，在常温下具有一定的粘度，在焊接温度下随着溶剂和部分添加剂的挥发将被焊元器件和PCB焊盘连接在一起形成永久性电器连接。焊膏的特性应用1应用前具有的特性A具有较长的储存寿命，在25，可以储存36个月。B吸湿性无毒无臭无腐蚀性。2涂布时及回流焊预热过程中具有的特性A能采用丝网印刷，漏板等多种涂布方式作业不溢出不必要的锡膏。B有较长的工作寿命，印刷涂布后常温下能放置较长时间，其性能不变。C在印刷滴涂后以及回流焊预热过程中焊膏应保持原有的形状大小不塌陷。3回流加热时应有的特性A良好的润湿性能B不发生焊料飞溅C形成最少量的焊料球4回流焊后应具有的特性A较好的焊接强度确保不会因振动等因数出现元器件脱落。B焊接后残留物稳定性能要好，无腐蚀性有较高的绝缘电阻且要清洗性要好。图4印刷脫模的工藝過程解析图5焊錫之錫粉合金形狀對印刷影響不过，FPC的机械强度小容易造成焊点龟裂；设计工艺和生产制程相对困难；无法单一承载较重的部品；容易产生皱折痕；产品的成本较高等不足。但这些缺点远不及它的优点给我们带来的好处，因而它在许多领域日趋受到重视并得到了广泛的应用。2FPT器件的封装特性与应用随着工艺技术的进步，不仅FPC的工艺精度在不断攀高，电子元器件也在发生着相应的变化。FPC的高密度组装及FPT器件大量应用，由于它们的制程工艺相当复杂，使得它们之间的组装良率及可靠性成为业界关注的焦点。为此，我们务必对FPT器件的主要外形与特性有一定的认识，如此才能更好地对其进行制程管制，下面挑几种常见的略作介绍。图2FPC的主要技术参数与近年发展状况图3单面与双面FPC的基本结构在电子元器件方面，FPT器件的应用在消费型电子产品上业已成为主流，它们也成为电子产品微小型化和智能化的引擎。比如被动元件0201，其尺寸为06MM03MM03MM，它比0402小75，在电路板上所占的面积少于66；而01005尺寸为04MM02MM02MM，它与0201相比可节省大约50的板面面积。而被动元件小型化的发展应用趋势，可参考图5。与此同时，主动器件IC也由前期较大间距较大外型的BGA（BALLGRIDARRAY）、SOP（SMALLOUTLINEPACKAGE）、QFPQUADFLATPACKAGE和PLCCPLASTICLEADEDCHIPCARRIER等为主，而今演变成以晶片比例封装（CSP/WCSP）或栅格阵列封装LGA（LANDGRIDARRAY），方形扁平无引脚封装QFN（QUADFLATNOLEAD）、无引脚框架封装LLPLEADLESSLEADFRAMEPACKAGE等为主流，甚至堆叠封装POP（PACKAGEONPACKAGE）和倒装芯片FC（FLIPCHIP）等超细间距精密器件也开始大量应用，参考图6。不过，精细间距（FINEPITCH）的SOP、QFP、PLCC等器件在外力作用下引脚极易变形，当其共面性大于01MM的变形量，就可能导致虚焊等不良。而相同间距的QFN或LLP器件，如同CSP器件一样没有引脚变形带来的烦脑，它们都属于芯片级尺寸封装。WCSP（WAFERCHIPSCALEPACKAGE）是晶片级芯片封装，WCSP封装可以让芯片面积与封装面积之比超过1114，已经相当接近11的理想情况，绝对尺寸也仅有32平方毫米，约为普通BGA的1/3，仅仅相当于TSOP面积的1/6，具体状况请参考图7。由此可见，这些FPT器件的体积非常小巧，特别适合高密度印刷电路板采用；同时它们对于提高芯片的运行速度、降低自感应系数及热阻、减少板面空间等非常有效。图6集成封装技术器件间距的小形化发展趋势图7IC封装的小型化同比减少占用板面积总之，电子产品小型化是发展必然趋势，相当一部分消费类产品的表面贴装，由于组装空间的关系，SMD器件不得不直接在FPC上完成整机的组装。可以说，FPT器件在FPC的高密度组装已然成为SMT技术发展趋势之一，不过它们也给SMT组装品质及可靠性带来诸多新的问题。二、FPC上高密度的FPT器件组装之DFM要求FPC与FPT器件的高密度组装，该如何来提高它们的组装良率及可靠性呢无疑已成为业界普遍关心的问题。笔者认为，FPC的可制造性设计DFM是问题的关键，是实现好的组装良率及产品可靠性的首要条件，只有通过最优化的设计才能确保产品的可靠性和可生产性。为制造着想的设计DFM，它是以最有效的方式制造产品的方法，它将时间、成本和可用资源等要素都须考虑在内，并通过实验验证方法来寻找最佳的生产制程参数和工艺方法。FPC的可制造性的设计，主要包括排版（LAYOUT）工艺要求、焊盘形状与表层处理（SURFACEFINISH）、分板工艺与功能测试等，在许多方面它们与普通硬性基板PCB的设计要求相类似，下面就这些问题重点展开探讨。1、FPC的排版（LAYOUT）工艺要求11排版面积及拼板数须充分考虑产线的效率，通过选用恰当的专用载板把FPC变成如同“PCB”的特性。建议依据FPC的厚度和揉性程度，在确保不同拼板基板尺寸精度（累积偏移量小于001MM）满足FPT器件组装工艺要求的前提下，应当把拼板数适当做多和基板面积尽量做大。有资料表明FPC的长度与宽度范围为（150120MMLW300240MM）较为理想，须知板面太小不利于生产效率而太大不利于FPC组装精度控制要求。如果条件许可的情况下，双面板还可以考虑制作成阴阳板，以便平衡每一面板的零件数量及贴装点数，从而提高生产效率。12定位孔和光学辨识点需满足焊锡丝印与贴装的精度要求，它们直接影响着FPC的印刷与贴装的品质。定位孔精度误差决定着FPC在载板上的定位效果，位置度偏差与大小误差须控制在01MM内。光学辨识点分为整板辨识点（GLOBALFIDUCIALMARK）、单板辨识点（LOCALFIDUCIALMARK）和零件辨识点（COMPONENTFIDUCIALMARK）三种，基板辨识点首推直径10MM圆形反光点，单板与零件的辨识点为减少占用板面积首推直径05MM，它们的位置度偏移量应小于005MM。总之，它们的形状要规范、对比度要好，与板边及就近露铜焊垫距离须不小于5MM。单板辨识点，主要是为了解决FPC报废板贴装问题，因日前的FPC的良率还无法做到100，对于不良的单板通过遮盖（MASK）掉辨识点，可避免其贴装零件造成材料损耗。而零件的辨识点，是为了提高精细间距IC或异形器件的贴装精度。图8刮刀印刷脫模的過程图8B印刷的工藝控制及流程說明图8C高密度FPC的连接桥TAB13润湿不良润湿不良是指焊接过程中焊料和电路基板的焊区铜箔或SMD的外部电极，经浸润后不生成相互间的反应层，而造成漏焊或少焊故障。其中原因大多是焊区表面受到污染或沾上阻焊剂，或是被接合物表面生成金属化合物层而引起的。譬如银的表面有硫化物、锡的表面有氧化物都会产生润湿不良。另外焊料中残留的铝、锌、镉等超过0005以上时，由于焊剂的吸湿作用使活化程度降低，也可发生润湿不良。因此在焊接基板表面和元件表面要做好防污措施。选择合适的焊料，并设定合理的焊接温度曲线。再流焊接是SMT工艺复杂而关键的工艺，涉及到自动控制、材料、流体力学和冶金学等多种科学。要获得优良的焊接质量，必须深入研究焊接工艺的方方面面。本文仅从几个方面就焊接工艺进行了探讨，图9錫膏類型與錫粉顆粒的大小依元器件選錫膏類型图10錫膏中助焊劑中松香擔當的特性2、FPC的焊盘表面处理工艺要求FPC的焊盘表面涂（镀）处理工艺如同PCB一样有多种类型，用于FPT器件焊盘的涂镀工艺主要有电镀镍金ENEG（ELECTRONICNI/AU）和化学镍金ENIGELECTRONICNICKELIMMERSIONGOLD、有机保护涂层OSPORGANICSOLDERABILITYPRESERVATIVES、镀锡（TINPLATING）或浸锡ISN、浸银IAG（IMMERSIONSILVER）几种，虽然理论上以上几种工艺都可用于FPC表面处理，而实际上日前以ENEG/ENIG应用最多。为什么其它几种较少采用呢主要是它们的特性使然。当然，对于上述各种工艺各有优点，比如OSP和镀锡或浸锡工艺价格低廉，而镍金工艺价格昂贵且对金层的厚度控制很严格，不然将造成焊接的可靠性问题。于是，在FPT器件焊盘上有时会选用选化法工艺，这样可以同时利用镍金和保护膜工艺的优长，对于FPT器件比如UBGA可能会选用OSP，而其它元器件焊盘则采用ENIG，参考图9。OSP和IAG表面平整性和可焊性都很好，这种焊垫对于FPT器件颇为理想，不过它们暴露在空气中容易受潮氧化，开封后须力求在24小时内完成焊接。由于FPC很难做到真空包装，同时FPC在上线前必须进行预烘烤祛湿，难免会损坏或降低其效果，所以业界在FPC的表面处理方面很少采用它们。而镀锡或浸锡也存在同样的问题，在高温高湿的环境下，这种表面处理的焊盘将失去可焊性。所以，除了客户或产品的特殊性要求，通常较少看到FPC焊盘的表面处理采用这三种工艺。电镀或化学镍金焊盘不但具有良好的可焊性和表面平整性，而且防氧化耐磨性也好，性能稳定保存期较长，能承受多次回焊高温，不过它的工艺复杂成本较高。对于电镀镍金和化学镍金，其镍层的厚度要求3UM8UM，焊接工艺对金层厚度要求为005015UM的薄金，而印制插头（金手指）或ACF连接焊垫需选用金层厚度需大于13UM的硬厚金，而COB键合（WIREBONDING）邦定焊垫要求为0305UM的软厚金。对于焊接用的焊垫金层厚度控制较为严格，太厚太薄对焊接点可靠性都将产生不良影响，如果镍金焊盘脏污或氧化将导致拒焊的问题，参考图10。另外，如果金层厚度太薄或不够致密还将导致镍层氧化，产生所谓的“黑垫”问题，这将导致焊点的失效。而硬金与软金的区别，在于前者金的成份中含有P（磷）及CO（铬）元素，其耐磨特性也优于后者。总之，正确选择PCB表面涂（镀）层工艺直接关系到焊接质量，所以必须仔细遴选。图11ANSMD焊盘整体开窗及SMD焊盘不良图11B錫膏中助焊劑中松香擔當的特性及作用3、FPC焊盘的阻焊膜设计要求FPC的阻焊层（SOLDERMASK）类似PCB的“绿油”，PCB的绿油是通过丝网印刷上去的，而FPC的覆盖膜阻焊层制作通常有两种加工方式。一种是以聚酰亚胺薄膜（POLYIMIDE）为材料，先采用激光切割的方式在对应焊盘位置进行“开窗”预加工，然后再进行对位压合形成。另一种则是以环氧树脂类、丙烯酸类或聚酰亚胺类为原材料的光致覆盖层PIC（PHOTOIMAGEABLECOAT），先将FPC所有位置覆盖住，然后再采用暴光显影的方式使其对应焊盘位置的膜去除。PIC有干膜和液态两种，日前液态感光膜LPI（LIQUIDPHOTOIMAGEABLE）阻焊层，其桥宽工艺精度最小能做到01MM，厚度的范围为0012至0025MM。PIC先印刷后曝光的方式，可以达到0075MM甚或更低的偏差范围；而PI覆盖膜的精度虽然更难控制，不过这种传统工艺仍被广泛地应用。无论采取何种方式对阻焊层进行“开窗”，对于FPT器件的焊盘首要的是确保其匀称、规则和均衡，同时焊盘不能被阻焊膜覆盖，参考图11A。对这方面问题的管制办法是，其一选用从业时间长经验丰富在业界信誉较好的FPC厂商；其二加强来料的检验与管制，定期稽核FPC厂商的制程工艺，检查其出货的报告，并与实际金样进行比对；其三要求IQC和产线作业员，对FPC的焊垫通过40X以上的显微镜检验，有条件的企业应当进行可焊性抽样检测，当来料品质不稳定时需加大抽检比率。焊盘设计主要有SMD（SOLDERMASKDEFINED）和NSMD（NONSOLDERMASKDEFINED）两种，即阻焊膜限定和非阻焊膜限定，它们的外观及剖面图差异，参考图11B。当FPC实际焊盘的大小和形状与阻焊层窗口的大小一致时，这种焊盘类型称为阻焊层决定焊盘即SMD类型。另一种情况是，阻焊层窗口形状与焊盘形状相似但比焊盘大，阻焊层与底层铜箔无重叠，导致阻焊层窗口范围内的铜箔都成为焊盘的一部分。因此，NSMD类型焊盘形状往往不规则，大小也无法做到完全一致，这与设计者的初衷是相违背的。04MM细间距元器件的焊盘，对于QFN/LLP、QFP/SOP或连接器以及ACF制程等类似器件可采用开孔块OPENBLOCK方式，而CSP器件则应当避免采用这种方式，不然在SMT制程工艺上很难控制。被动元件0201和01005焊盘，为了因焊盘不规则导致空焊和侧碑等不良，多半采用SMD类型；而它的延伸HSMD类型焊盘，则可以避免焊盘间阻焊膜偏厚带来的不良影响，参考图11C。一般说来，FPC的SMD类型焊盘，如果用于FPT器件比如说CSP，由于“开窗”后对位精度较差，以及压合时的“热胀冷缩”的影响会带来尺寸偏差，容易导致实际生产出来的SMD焊盘大小和形状无法满足SMT的可制造性要求。而NSMD工艺更容易控制，于是FPT器件仍在大量使用，不过这种焊盘设计上有以下要点。FPT器件的NSMD焊盘设计，需要注意两点、阻焊膜开口不能比焊盘大太多（26MIL为宜），焊盘的表层走线宽应缩减为焊盘的1/22/3，成瓶颈形状较为理想，从而减少焊盘“尾巴”部份吸收过多的焊料，避免焊点不均匀带来的问题。、阻焊膜开口相对焊盘位置偏差需少于4MIL，阻焊膜不能覆盖于焊盘上，这是NSMD焊盘管控重点之一。于是NSMD工艺焊盘得以扬长避短，其形状得以与SMD焊盘一样匀称一致，可使焊接应力和受热平衡。虽然NSMD焊盘比SMD焊盘对于FPT器件更能“趋利避害”，但设计者要注意汲取SMD焊盘的优点，在工艺细节方面板厂更需审慎并力求完美。印刷主要設備和相關設置問題相同间距的FPT器件的焊盘，NSMD焊盘基底同比SMD要设计得稍小一些，这就增大了焊盘与过孔或走线之间的安全间隙，有利于提高组装密度和器件的安全特性。SMD焊盘由阻焊膜开口直接决定焊盘形状与大小，相同器件焊盘的对称性与一致性佳，例如CSP焊盘大小相同，有利于确保焊球形状大小与高度的统一，可以防止焊球不一致的虚焊或空焊。另外，有关FPC结构及主要各层的厚度，如果设计不当将降低组装良率及可靠性，相关规格可参考图表12。通过上述方法，可以有效地减少SMT生产制程缺陷，提高FPT器件的组装良率及可靠性。有研究表明，具有焊接点应力均衡的焊盘设计，无疑是具有最好的焊点可靠性的。因而，FPT器件在FPC上进行设计前需要充分考虑到这方面的问题。比如CSP的焊盘设计应当注意避免焊盘尺寸不规范不一致，过大或过小；焊盘通孔埋孔处理不恰当；焊盘大小与器件本身焊端及间距不匹配，形状比例失调；没有阻焊膜或阻焊膜设计不规范，等等。封装侧面裸露焊端的QFN/LLP等器件，FPC焊盘应当适当外延，以便改善外侧焊点吃锡效果，并便于目视检验。总之，QFN/LLP和CSP等FPT器件焊接连锡、虚焊、空洞、自对中不良、焊点不饱满和焊点高度不均，以及0201/01005微型器件的侧碑、少锡或多锡等缺陷，焊盘制作不够精细是其要因之一。三、FPC的载板治具与丝印品质管制为了确保FPT器件与FPC理想的组装良率及可靠性，不仅需要重视PFC排版和焊盘方面的可制造性设计，SMT组装工艺上的管制及最优化也同等重要。SMT组装工艺有三大重要步骤印刷、贴装和回焊，而作为三大制程步骤之首的焊锡印刷是至关重要的。在SMT表面组装工艺中，有统计资料表明总缺陷中近半（49）由不良印刷造成，其中包括多数的桥接、空焊或焊珠等；而FPT器件的组装质量及可靠性受焊锡印刷品质不良影响无疑更大。FPC的焊锡印刷品质，主要取决于载板治具品质、钢网制作品质、印刷参数设置及焊锡管制等方面。另外，由于FPC属于“潮湿敏感型器件”，极其容易汲湿受潮，所以在SMT上线焊锡印刷之前，务必对其进行预烘烤处理。图11C助焊劑中抗垂流劑的種類與作用图11C助焊劑中抗垂流劑的主要功率1、专用载板治具的制作要求FPC的表面组装工艺相比硬板PCB复杂，主要是FPC的柔软特性使得定位更为困难，为了固定和运输务必使用专用载板（CARRIERORPALLETS）治具，否则无法完成印刷、贴片、过炉等SMT基本作业工序。在FPC上组装FPT器件，FPC的精确定位和固定至关重要，而固定好坏的关键是制作合格的载板治具。为此，有必要阐述一下有关FPC载板治具的制作要求与管制方法。在选用制作载板治具的材质方面，基本要求是强度高、吸热少、散热快，且经过反复的回焊热冲击其翘曲变形量极小。图11C助焊劑中溶劑的主要種類與作用图11C助焊劑中溶劑的主要功效作用FPC载板治具的制作，根据电路板的CAD数据文件，CNC机床读取FPC基板定位孔数据，从而可以制造出高精度的FPC定位模板和专用载板，使定位模板上定位销的直径和载板上的定位孔、FPC上定位孔的孔径相匹配。另外，FPC因为要保护部分线路或是设计上的原因，很多情况下基板并不是同一个厚度的，有的地方厚而有的地方要薄点，有的位置还必需要有补强板，所以载板和FPC的结合处需要依据FPC基板相应特点进行打磨挖槽，其目的是为了保证印刷、贴装和过炉时FPC的表面平整性。图13FPC不锈钢载板治具的基本构造图14錫膏的主要特性及選擇評估因素FPC载板治具的制作，根据固定方式和材料的不同，可分为硅胶贴附载板、耐高温胶纸贴附载板、磁性载板等，根据材料的不同主要分为铝合金载板（ALUMINUMTRAY）和工程塑料（合成石）载板，由于工程塑料的价格是铝板的四至五倍，因而日前铝合金材质应用的更为广泛一些。经验表明，铝合金磁性载板治具具有成本较低、寿命较长、容易清洁，且不需专人辅助粘贴高温胶带等优点。这种不锈铁材料制做的压片与铝合金载板，耐高温磁铁镶嵌的数量与位置颇有讲究，磁铁数量需足够也不宜太多，磁力需确保压平FPC并紧贴固定在载板表面；其位置需注意避开贴装零件的正下方，建议尽可能在板边与架桥位置，以免磁力干扰零件的正确贴装与回流焊接等制程。磁铁通过与不锈钢压片产生磁力吸附作用，使得FPC能够被压紧压平固定在载板治具上，请参考图13。图14SIR和電子遷移的依賴性測試要求图14銅鏡腐蝕與離子含量的依賴性測試在免清洗，参考图14。磁性载具及压片对于FPC作业尤其方便，不仅固定时不需贴耐高温胶带，取板时也不会对FPC产生任何破坏与应力，这对于保证焊接质量稳定提高成品率都有帮助。不过，磁性载板治具设计较为复杂，只有大批量生产时才能更加体现出其成本优势。载板治具不仅要确保FPC的各个角落均得到有效支撑与固定，还必需能有效校正其翘曲变形的问题。其精密程度及品质好坏还直接影响到焊锡印刷、器件贴装和回流焊接等制程作业的成败，并直接影响到产品的组装良率与可靠性。因而，载板治具在上线使用前验收不可或缺，务必通过严格的规范检验，比如载板表面平整度、定位孔柱的位置度以及材料ESD检测等；关键尺寸不仅需要首件检验（FAI），其量测数据统计的CPK需达到或超过133，才被充许投入生产使用。另外，为确保量测数据的准确有效，相关量测仪器在使用前务必进行重复性与再现性（GAUGERR）校验，检测合格才充许投入使用。2、模板的制作及印刷机性能要求FPT器件与FPC之间的成功组装，载板治具与印刷模板制作品质同等重要，而精良的模板来自于正确的模板开孔设计、恰当的钢片厚度和先进的制作工艺。FPT器件的正确焊接组装，离不开精确的焊锡量涂敷工艺，倘若采用的是模板印刷方式，优质的模板和高精度的全自动印刷机是其首要条件，而正确的印刷参数及工艺控制，焊锡膏的选用与日常品质管理，模板的保养与维护是其主要因素。FPT元器件模板需要获得良好的下锡效果，模板需要在开孔设计、厚度与制作工艺上考虑转换率即焊膏实际量与理论计算量的比率需符合规定要求（须大于95沉积量）。模板开孔的面积比焊盘面积与开孔壁面积建议不小于066，而宽厚比（开孔宽模板厚度）最好能大于15，参考图表15。图15焊錫的潤濕性信賴性測試图15焊錫的潤濕角信賴性測試分析一般说，模板的厚度范围选用3MIL5MIL钢片，对于FPT器件印刷的锡膏量是足够的。不过对于大间距或异型器件，这种厚度便可能印不上足够的锡量，为此针对同一块板上大小悬殊的器件，模板厚度设计上须有的放矢通过阶梯模板来应对。阶梯模板的厚度有“递减”和“递增”两种，阶梯部份既可以放在钢网的底部也可以是钢网的上表面，这种模板能满足同一块板上不同器件对焊膏量的宽范围需求。模板材质须选用优质的不锈钢片，其制作工艺可采用电铸成形（ELECTROFORMED）或镭射切割电抛光（LASERCUTELECTROPOLISH）和镭射切割镀镍（LASERCUTNICKELPLATE）的方法。电铸模板的孔壁对精细间距的下锡脱模效果最好，镭射切割加电抛光或镀镍次之。实践表明，后两者工艺倘若控制得当其下锡性效果亦能满足FPT器件的工艺要求，且其性价比较高应当优先择之。图15FPT器件模板设计基本原则要求图16良好的FPT器件的焊印刷品质状况FPC的焊锡印刷涂敷要想获得良好的品质效果，必需采用全自动带视觉系统的智能印刷机，其印刷精度和的重复精度需不低于/002MM和/0008MM。而半自动印刷机（SEMIAUTOMATIC）通常没有光学辨识系统，由于采用治具及定位孔定位，日前其重复精度仅/01MM；它已难以达到日前FPT器件的焊锡印刷精度（小于/005MM）要求，更不适合定位性较差的FPC。对于印刷机的性能要求，在通过了检测计量器的再现性与重复性分析（GAGERR）测试之后，制程能力指数须达到A级167CPK133。图15焊錫的潤濕能力差性測試分析图15印刷後不同時間的焊接性能對比为了确保钢网的制作品质符合设计者的要求，在使用前需要进行细致的检测，如果不符合客户GERBER尺寸设计要求的、开孔不与焊盘相匹配的、且不符合规范要求的不能投入使用。首先，对开口尺寸需通过手持式百分刻度显微镜或3D高精度自动光学仪量测，测量点数量须按下以规范进行间距小于065MM的CSP或LGA等类似器件，每个器件需检测不少于10个开孔位置即每个角上和中间各2个位置；对于QFN/LLP和QFP等类似器件则不少于8个孔，每个角上检测不少于2个孔；0201或01005等片式元件，电容或电阻检测不应少于10个元件孔位。其次，开口孔壁须光滑整洁，用40X以上的显微镜观察不能有凹凸或毛刺等缺陷。其次，模板的张力测量值需达到规定，模板钢片上的四个边角和中间位置，通过专用的模板张力计（TENSIOMETER）检测，五个位置张力需达到3860牛顿/平方厘米。另外在外观检查时，网框须在大理石平台上进行平面度检测（小于05MM），同时注意钢片不能有变形或碰擦伤，网布不能有破损等缺陷。3、印刷参数设置与锡膏特性要求焊膏印刷是一个工艺性很强的制程，其涉及到的工艺参数较多，如果参数调整设置不当必然对产品组装质量造成不良影响。虽然FPC被不锈钢压片固定在载板上，不过它们之间难免有一些微小的间隙，这是有别于PCB硬板的地方，它对印刷效果也会产生较大影响。有研究资料表明，在相同制程工艺条件下，FPT器件模板锡膏脱模效果及沉积量，在平均锡膏量上3MIL的钢板厚度比4MIL的更好，锡粉颗料4号粉比3号粉更好，方形开孔比圆形更好，图16为某产品CSP器件方形开口与圆形开口印刷焊锡对照。图15印刷環境溫度對錫膏粘度的影響在FPC上组装高密度FPT器件，对于印刷压力、印刷速度、脱模速度及方式，刮刀的材质及装配角度，模板的清洁模式等方面都需仔细斟酌，其制程参数和工艺设置须审慎选择，力求寻找到最为理想的参数和方式。笔者依据生产中的经验，下面择其要点略作阐述。图15錫膏在鋼網上粘度隨時間產生變化（1）刮刀压力对印刷品质影响较大，压力太小不能让模板底部与FPC压片紧贴，一旦它们之间存在间隙，就无法令焊膏很好地沉积在焊盘上；压力太大则可能导致焊膏印得太薄，甚至会损坏模板；正确的印刷压力，是刚好把焊膏从模板表面刮干净。（2）FPT器件的印刷速度要适当，太快不利于焊膏在焊盘上沉积成形，使焊盘上所印焊膏的形状不佳及少锡或拉尖；而速度太慢不利于生产效率也不利于模板回弹；推荐设定为2040/。（3）模板的印刷方式可分为接触式和非接触式，非接触式方式不适合FPC的精细间距；而接触式印刷的模板垂直抬起可使印刷质量所受影响最小，它尤其适合FPT精密器件的印刷工艺需要。（4）FPC的印刷刮刀首选硬性胶质材料，胶的硬度应当是8095HIRD，刀片与钢板平面夹角设定为45度，刮刀长度需比FPC进板方向宽稍长，以确保刮刀的压力均衡分配到基板上。（5）脱模方式须根据印刷机的配置正确选用，如果是有分段式或振动式脱模方式可以尝试选用，脱模速度可以设定为25MM/SEC（6）模板的脱离距离和速度的影响是，速度太慢易在模板底部残留焊膏；反之造成锡膏拉尘或塞孔；而行程太短可能造成拉尖或成型不佳。（7）保护好锡膏的活性是很很重要的，良好的活性可有效地提升锡膏印刷的品质，所以需要在工作车间或印刷机内进行温湿度监控（温度要求23/2度，湿度要求3070）。（8）模板的自动清洁方式，应当选用湿擦/干擦/真空的组合方式，并且每印刷2片需自动擦拭一次，每印刷20片板手工擦拭一次，每生产4个小时需通过钢网清洗机彻底清洗，烘干后再使用。擦拭频率和脱模速度对焊锡沉积量都有较大影响，参考图表17A。上述设置或工艺不当必将造成印刷不良，对于FPC精密器件不要厚此薄彼，应该一视同仁地认真对待。在SMT表面组装工艺中，如何控制丝网印刷工艺，是不容忽视的技术要素。图15焊錫膏的粘著性測試方式（時間與粘力之間的關係）FPT器件对于锡膏要求是，选用信誉较好的品牌，性能方面具有优良的触变性和浸润力（WETTINGFORCE），印刷脱模容易并且能牢固地附着在FPC表面。锡粉颗料建议选用TYPE4球径2038UM，锡粉颗粒型号的选用应确保良好的脱模效果，以满足产品特性及工艺需要为前提；而并非越小越好，颗粒越小其含氧量可能越高，对制程反而不利；且颗粒越小的锡膏单价越高。另外，焊锡膏在在日常生产使用过程中，使用前应当彻底回温、开封后需注意温湿度和使用有效时间的管制。焊锡印刷工位也是防止FPC金手指及ACF接口和镀金按键脏污的重点工位，作业员务必戴手指套作业并保持工位的整洁；同时，制程中应当勤擦拭清洁钢网避免网孔堵塞，努力降低印刷不良带来的制程问题。4、焊锡印刷品质的管制要求焊锡的印刷品质对产品的组装良率有直接影响，FPT器件因模板开孔（APERTURESIZE）很小很容易产生漏印或少锡的缺陷，传统目视检查方法效率很低且误判率高，检查焊锡的印刷状况需采用20X以上的显微镜。不过这种方法只能用于抽检，不适合作为正常生产印刷品质的过程控制和统计分析，所以使用焊锡自动光学在线检查（SPI）对于印刷过程的控制是非常必要的，SPI的相机解析须足够高（建议不低于10UM），其辨识精度CPK值需不低于133。通过在线的焊膏检查SPI（SOLDERPASTEINSPECTION），可以避免因模板堵孔造成漏印或焊料不足，当它检查到缺陷时能发出警报，提醒技术人员及时处理，从而稳定印刷过程确保焊膏正确地印刷在FPC焊盘上。焊锡印刷品质的检测与管制，可以通过厚度与体积的方法，对于FPT器件采用体积的方式效果更好。普通间距元器件的焊锡厚度通常为钢板厚度的/0025MM是合格的，而对于FPT器件的焊锡量更多时候需检测其体积，比如CSP或类似器件的焊锡实际体积量，控制在理论体积的的/10以内，其偏移量与焊盘对位偏差小于/005MM。其测量位置应当不少于6个，即每片板上的四个角落和中心；对于某些引脚点数超过20的器件，器件上需选取多个点进行管制，同时通过统计过程控制SPC（STATISTICALPROCESSCONTROL）进行统计分析，参考图表17B。图17A焊錫膏抗坍塌性測試實驗分析图17BFINEPITCH連續印刷性和不同速度類型驗證FPT器件的印刷品质检验，通过SPI实时采集并提供相关信息数据报告，便于工程技术人员及时控制和改善印刷中的问题。有了实时的SPC统计过程控制分析与诊断，使整个生产过程能更好地受到监控，确保制程的稳定；一旦发生制程变异便即时对策，预防批量性不良，最终使产品品质得到保障。5、有关FPC的预烘烤要求FPC基板材料容易受潮，当受潮的FPC骤然承受回焊高温，或将出现焊接不良、基板起泡、基板分层、基板变色等问题。为此，FPC供应商在来料时应当采用真空包装，不过真空包装也并不是万无一失的，在贴片前最好对其进行预烘烤处理。预烘烤的条件设定，需要根据FPC的材质、基板厚度、烤炉性能、烘烤托盘等综合考虑，最好经工程实验验证后再定下预烘烤的条件温度、烘烤时间、堆叠数量。烘烤前，一定要先作小批量试验，以确定FPC是否可以承受设定的烘烤温度，也可以向FPC制造商咨询合适的烘烤条件。一般而言，FPC的预烘烤条件温度80100时间48小时，特殊情况下可以将温度调高至125以上，但需相应缩短烘烤时间。实践表明，对于化镍浸金的FPC板，烘烤条件推荐（125254小时），而对于OSP制程烘烤温度则需要适度降低，建议烘烤条件为（80105，46小时）。FPC经烘烤后需冷却至室温后，才可以取出烤箱投入生产，否则热的FPC会引起锡膏热坍塌。另外，还需要注意监控FPC烘烤后超期暴露，经过烘烤过的FPC必须在24小时内生产完，避免其二次受潮。烘烤后的FPC应该没有明显的变色、变形、起翘等不良，需由IPQC抽检合格后才能投线。四、FPT器件的贴装、回焊工艺与组装品质在SMT主要制程工艺中，表面贴装、回流焊接和锡膏印刷三大步骤的作用，如同三足鼎立般同等重要，要搞好FPT器件在FPC上的组装品质，三者不可偏废。元器件贴装是保证SMT组装质量和效率的关键工序；回流焊接也是保证产品质量及可靠性的关键工序。应该说，FPT器件在FPC上的组装与在高密度PCB上组装，它们在工艺管制方面的要求基本相同。在贴装工艺管制方面，它们对于贴片机的贴装精度、吸嘴高度、贴片压力等方面都需要控制适当；在回流焊接管制方面，对于回流焊炉的性能要求，炉温参数设置和炉温的测量工艺等方面也大同小异。为获得理想的组装良率及可靠性，下面笔者择其要点分别略作阐述。1贴装工艺与管制要求11FPT器件要获得精确贴装，贴片机的性能需满足工艺要求。FPT器件贴片机必须具有高精度与高稳定性，贴片机辨识系统须具有激光识别、图像识别和高分辨率视觉贴装头，其贴装精度通常激光识别为/005MM而图像识别可达/003MM。一般说，对于FPT器件贴装精度须不低于/006MM，目前多功能机一般要求为3SIGMA而高速机要求达到6SIGMA。成功的贴装由以下三点构成吸取的可靠性，准确的组件识别系统，贴装的可重复性。12贴片机的影像系统须具有前光照明以及激光校准系统，才能适合各种类型的FPT器件辨识精度需求。由于传统的背光照明只能从上方垂直检测组件封装轮廓和引脚的阴影，对于类似底部焊端器件（QFN/LLP）和焊球器件（CSP）便无法胜任；而前光照明可获得组件的图像，