SMT十步骤(电子档)

第一步驟：製程設計表面黏著組裝製程，特別是針對微小間距元件，需要不斷的監視製程，及有系統的檢視。舉例說明，在美國，焊錫接點品質標準是依據 IPC-A-620及國家焊錫標準 ANSI / J-STD-001。了解這些準則及規範後，設計者才能研發出符合工業標準需求的產品。q量產設計量產設計包含了所有大量生產的製程、組裝、可測性及可靠性，而且是以書面文件需求為起點。一份完整且清晰的組裝文件，對從設計到製造一系列轉換而言，是絕對必要的也是成功的保證。其相關文件及CAD資料清單包括材料清單(BOM)、合格廠商名單、組裝細節、特殊組裝指引、PC板製造細節及磁片內含 Gerber資料或是 IPC-D-350程式。在磁片上的CAD資料對開發測試及製程冶具，及編寫自動化組裝設備程式等有極大的幫助。其中包含了X-Y軸座標位置、測試需求、概要圖形、線路圖及測試點的X-Y座標。qPC板品質從每一批貨中或某特定的批號中，抽取一樣品來測試其焊錫性。這PC板將先與製造廠所提供的產品資料及IPC上標定的品質規範相比對。接下來就是將錫膏印到焊墊上迴焊，如果是使用有機的助焊劑，則需要再加以清洗以去除殘留物。在評估焊點的品質的同時，也要一起評估PC板在經歷迴焊後外觀及尺寸的反應。同樣的檢驗方式也可應用在波峰焊錫的製程上。q組裝製程發展這一步驟包含了對每一機械動作，以肉眼及自動化視覺裝置進行不間斷的監控。舉例說明，建議使用雷射來掃描每一PC板面上所印的錫膏體積。在將樣本放上表面黏著元件(SMD) 並經過迴焊後，品管及工程人員需一一檢視每元件接腳上的吃錫狀況，每一成員都需要詳細紀錄被動元件及多腳數元件的對位狀況。在經過波峰焊錫製程後，也需要在仔細檢視焊錫的均勻性及判斷出由於腳距或元件相距太近而有可能會使焊點產生缺陷的潛在位置。q細微腳距技術細微腳距組裝是一先進的構裝及製造概念。元件密度及複雜度都遠大於目前市場主流產品，若是要進入量產階段，必須再修正一些參數後方可投入生產線。舉例說明，細微腳距元件的腳距為 0.025“或是更小，可適用於標準型及ASIC元件上。對這些元件而言其工業標準有非常寬的容許誤差，就(如圖一)所示。正因為元件供應商彼此間的容許誤差各有不同，所以焊墊尺寸必須要為此元件量身定製，或是進行再修改才能真正提高組裝良率。圖一、微細腳距元件之焊墊應有最小及最大之誤差容許值焊墊外型尺寸及間距一般是遵循 IPC-SM-782A的規範。然而，為了達到製程上的需求，有些焊墊的形狀及尺寸會和這規範有些許的出入。對波峰焊錫而言其焊墊尺寸通常會稍微大一些，為的是能有比較多的助焊劑及焊錫。對於一些通常都保持在製程容許誤差上下限附近的元件而言，適度的調整焊墊尺寸是有其必要的。q表面黏著元件放置方位的一致性儘管將所有元件的放置方位，設計成一樣不是完全必要的，但是對同一類型元件而言，其一致性將有助於提高組裝及檢視效率。對一複雜的板子而言有接腳的元件，通常都有相同的放置方位以節省時間。原因是因為放置元件的抓頭通常都是固定一個方向的，必須要旋轉板子才能改變放置方位。致於一般表面黏著元件則因為放置機的抓頭能自由旋轉，所以沒有這方面的問題。但若是要過波峰焊錫爐，那元件就必須統一其方位以減少其暴露在錫流的時間。一些有極性的元件的極性，其放置方向是早在整個線路設計時就已決定，製程工程師在了解其線路功能後，決定放置元件的先後次序可以提高組裝效率，但是有一致的方向性或是相似的元件都是可以增進其效率的。若是能統一其放置方位，不僅在撰寫放置元件程式的速度可以縮短，也同時可以減少錯誤的發生。q一致(和足夠)的元件距離全自動的表面黏著元件放置機一般而言是相當精確的，但設計者在嘗試著提高元件密度的同時，往往會忽略掉量產時複雜性的問題。舉例說明，當高的元件太靠近一微細腳距的元件時，不僅會阻擋了檢視接腳焊點的視線也同時阻礙了重工或重工時所使用的工具。波峰焊錫一般使用在比較低、矮的元件如二極體及電晶體等。小型元件如SOIC等也可使用在波峰焊錫上，但是要注意的是有些元件無法承受直接暴露在錫爐的高熱下。為了確保組裝品質的一致性，元件間的距離一定要大到足夠且均勻的暴露在錫爐中。為保證焊錫能接觸到每一個接點，高的元件要和低、矮的元件，保持一定的距離以避免遮蔽效應。若是距離不足，也會妨礙到元件的檢視和重工等工作。工業界已發展出一套標準應用在表面黏著元件。如果有可能，儘可能使用符合標準的元件，如此可使設計者能建立一套標準焊墊尺寸的資料庫，使工程師也更能掌握製程上的問題。設計者可發現已有些國家建立了類似的標準，元件的外觀或許相似，但是其元件之引腳角度卻因生產國家之不同而有所差異。舉例說明， SOIC元件供應者來自北美及歐洲者都能符合EIZ標準，而日本產品則是以EIAJ為其外觀設計準則。要注意的是就算是符合EIAJ標準，不同公司生產的元件其外觀上也不完全相同。q為提高生產效率而設計組裝板子可以是相當簡單，也可是非常複雜，全視元件的形態及密度來決定。一複雜的設計可以做成有效率的生產且減少困難度，但若是設計者沒注意到製程細節的話，也會變得非常的困難的。組裝計劃必須一開始在設計的時候就考慮到。通常只要調整元件的位置及置放方位，就可以增加其量產性。若是一PC板尺寸很小，具不規則外形或有元件很靠近板邊時，可以考慮以連板的形式來進行量產。q測試及修補通常使用桌上小型測試工具來偵測元件或製程缺失是相當不準確且費時的，測試方式必須在設計時就加以考慮進去。例如，如要使用ICT測試時就要考慮在線路上，設計一些探針能接觸的測試點。測試系統內有事先寫好的程式，可對每一元件的功能加以測試，可指出那一元件是故障或是放置錯誤，並可判別焊錫接點是否良好。在偵測錯誤上還應包含元件接點間的短路，及接腳和焊墊之間的空焊等現象。若是測試探針無法接觸到線路上每一共通的接點(common junction)時，則要個別量測每一元件是無法辦到的。特別是針對微細腳距的組裝，更需要依賴自動化測試設備的探針，來量測所有線路上相通的點或元件間相聯的線。若是無法這樣做，那退而求其次致少也要通過功能測試才可以，不然只有等出貨後顧客用壞了再說。ICT測試是依不用產品製作不同的冶具及測試程式，若在設計時就考慮到測試的話，那產品將可以很容易的檢測每一元件及接點的品質。(圖二)所示為可以目視看到的焊錫接點不良。然而，錫量不足及非常小的短路則只有依賴電性測試來檢查。圖二、焊點缺陷，以目視檢測，包括因接腳共平面問題所造成的空焊及短路，自動測試機在發現肉眼無法檢測出的缺陷時，是有其存在的必要的。由於第一面及第二面的元件密度可能完全相同，所以傳統所使用的測試方式可能無法偵測全部錯誤。儘管在高密度微細腳距的PC板上有小的導通孔(via)墊可供探針接觸，但一般仍會希望加大此導通孔墊以供使用。q決定最有效率之組裝對所有的產品都提供相同的組裝程序是不切實際的。對於不同元件、不同密度及複雜性的產品組裝，至少會使用二種以上的組裝過程。至於更困難的微細腳距元件組裝，則需要使用不同的組裝方式以確保效率及良率。整個產品上元件密度的升高及高比率使用微細腳距元件都將使得組裝(測試及檢視)的困難度大幅提高。有些方式可供選擇：表面黏著元件在單面或雙面、表面黏著元件及微細腳距元件在單面或雙面。當製程複雜度升高時，費用也隨之上升。舉例說明，在設計微細腳距元件於一面或雙面之前，設計者必須了解到此一製程的困難度及所需費用。另一件則是混載製程。PC板通常都是採用混載製程，也就是包含了穿孔元件在板子上。在一自動化生產線上，表面黏著元件是以迴焊為主要方式，而有接腳的元件則是以波峰焊錫法為主。在這時有接腳的元件，就必須等迴焊元件都上完後再進行組裝。q迴焊焊接迴焊焊接是使用錫、鉛合金為成份的錫膏。這錫膏再以非接觸的加熱方式如紅外線、熱風等，將其加熱液化。波峰焊錫法可用來焊接有接腳元件及部份表面黏著元件，但要注意的是，這些元件必須先以環氧樹脂固定，才能暴露在熔融的錫爐裡。以下幾種連線生產方式可供參考：迴焊焊接、雙面迴焊焊接、迴焊/波峰焊錫、雙面迴焊/波峰焊錫、雙面迴焊/選擇性波峰焊錫等方式。 迴焊/波峰焊錫及雙面迴焊/波峰焊錫，需要先用環氧樹脂將第二面的表面黏著元件全部固定起來(元件會暴露在熔融的錫中)。設計者在使用主動元件於波峰焊錫中要特別的注意。選擇性波峰焊錫法，是先用簡單的冶具將先前以迴焊方式裝上的元件遮蔽起來，再去過錫爐。這種方式可以把元件以冶具保護起來，只露出部份選擇性區域來通過熔融的錫。這方法還需要考慮到兩種不同的元件(表面黏著元件及插件式元件)之間的距離，是否能確保足夠的流錫能不受限制的流到焊點。較高的元件(高於3mm)最好是放到第一面，以免增加冶具的厚度(如圖三所示)。圖三、在雙面迴焊後使用選擇性波峰焊錫時，表面黏著元件和插件式元件接腳要保持一定的距離，以確保錫流能順利流過這些焊點。魯柏特方式(Ruppert process)提供製程工程師，一次就將迴焊元件及插件式元件焊接好的方式。將一計算過的錫膏量放置到每一穿孔焊墊的四周。當錫膏熔化時會自動流入穿孔內， 填滿孔穴並完成焊接接點。當使用這種方式時元件必須要能承受迴焊時的高溫。q冶具開發文件開發PC板組裝用冶具需要詳細如CAD等的資料。Gerber file或IPC-D-350用來製作板子的資料也常在撰寫機器程式，開印刷鋼版及製造測試冶具時被用到。儘管每一部份所使用的程式相容性都不同，但全自動的機械設備，通常都會有自動轉換或翻譯的軟體來把CAD資料轉成可辨視的格式。使用資料的單位包括組裝機器的程式、印刷鋼版製作、真空冶具製作及測試冶具等。q結論工程師可能會使用數種不同的成熟製程方式，來焊接許多種類的元件到基板上面。有著完整的計劃及一清晰易懂的組裝流程步驟及需求，設計者可以更容易準備出一符合生產線生產的產品。提供一好的PC板設計及完整且清晰的文件，可以確保組裝品質、功能及可靠度都能在一定預算下順利達到目地。第二步驟：測試設計在市面上有無數的測試技術及設備來供測試工程師選用，以達到利用最少花費完成最多樣的測試。然而，一“理想”的測試則需包含以下各項：基板產量、複雜度及尺寸、技術之應用(RF、CPU或類比式)，測試預算及不論是否要用上的為測試而設計的理念。在設計一測試流程時，工程師有許多選擇，從單一測試機台到一整個測試工廠都有。有許多型態的ATE機台可選擇，無論是直接購買或是專門設計都有。然而其測試的兩個主要目地是不變的：首先必須能很迅速的判斷板子是好是壞，其次能立即判斷是那一元件毀壞亦或是其他原因。即然在測試市場上早已有現成的測試機台可以符合需求，我們只要選擇合適的來使用即可。qICT測試在一針床冶具上測試板子，一次測一個元件。這冶具會和板子、焊錫面上所有的節點接觸，雖然它可以和板子正反兩面都做接觸，不過一般而言那是很昂貴的。這些針底部是以彈簧為材料，用來和板子上元件的接腳或是測試點接觸。當和板上所有的點接觸可偵測到板上所有類比或數位元件，並迅速孤立出有問題的元件。短路測試通常是第一個執行的，以確定是否有空焊或其他的短路。其結論很簡單，就是說只要板子沒有空焊、短路、元件放置錯誤及使用錯元件，這塊PC板通常就是無缺陷的。這方法可以避免因發生錯誤而影響到周圍其他的元件。q量產缺失分析(MDA)MDA通常是ICT 測試中的一個分項，然而它並沒有加電流到板子上去。一般而言，MDA並不能測試數位元件的真正功能，所以還要有其他的方法。MDA是一非常好的類比元件測試器，然而儘管和ICT一樣能有效測出短路及空焊，它最大的好處是容易撰寫程式，較短的測試時間及較低的費用。q功能卡測試(FCT)在FCT之下板子會在自己的環境下來測試其功能及速度。舉例說明，一含處理器的主機板必須加以測試，以確保其能以全速運算且透過介面卡和磁碟機、VGA顯示器，選用的記憶體等相連接；測試定速器板以確定其和汽車之間的介面良好，或是測試F16戰鬥機上許多PC板中的一片，以確定它能以全速執行其功能。以上都是FCT所應用的領域。在測試主機板時要用到 “Mock-Up” 測試機，它可以加上磁碟機及VGA卡到板子上，並以事先設定的程式去測試。至於其他外加的系統都是良好的。這設備最大的優點是不貴且容易建造，而其缺點則是無法決定板上缺陷發生在那個地方。在測試定速器板或其他類比電路板時要用到 “Rack-and-stack”測試機，因為Mock-Up不能精確且充份的進行測試。基本上，測試工程師會選取適當的儀器，建立一支架，再把這些儀器放到架子上去。IEEE or VXI 控制儀器是最常被用到的。同時也要發展出一專用的測試軟體來控制這些儀器。市面上有許多現成的軟體可供Rack-and Stack測試時使用。一 “ATF為基本功能”的測試機可模擬PC板操作的環境。這種測試機通常非常昂貴。IEEE or VXI儀器可以在機台的控制下進行類比測試。對數位電路而言，一般使用的技術是將資料存在探針後方的記憶體上。用此方式可把測試頻率提高到50MHz 以上。一般而言在使用此技術時是模擬設計者的設計規範，如此就可以使用此種探針或其他測試工具來找出有缺陷的元件所在。q錯誤偵測無誤UUT數位或類比，PHT或SMT、軍品或商品測試結果都須要把缺陷的元件或基板找出來。下列就是包含一假想處理器的清單1000個點800個非連續性元件60個小/中型積體元件9個數位元件40到4腳3個72到 80腳元件5個100到128腳元件3個200到208腳元件20個連接器假設每一元件都有可能損壞，且製程上也可能產生故障，有90%的良率可通過ICT測試，有 90%可通過FCT，這也表示會有12%的產品會發生問題，且必須依賴測試把有缺陷的產品找出，並確定問題發生在何處。故障清單如表一所示，顯示故障機率是如何分佈在插件元件和表面黏著元件的組裝過程表。q預期的改變(表一)顯示當產品由插件元件改成表面黏著元件時，故障清單也會相對的隨之改變，大部份是由於焊接過程不同所造成的。也就是說在插件元件的故障主要是發生在短路問題(只有極少數的空焊)，而表面黏著元件的故障則主要是因為空焊(及許多短路)。於是在轉換製程時，測試工程師也要能立即將測試方式修改為偵測空焊為主的方式。表一、一般板子的故障清單插件元件對表面黏著元件故障類型ICT測試%FCT測試目視%故障總數%短路30對131對1.24對0.535對14.7空焊4對202對92對1.28對30.2錯誤元件11對100.5對0.30.5對0.212對10.5缺少元件11對120.5對10.5對0.212對13.2元件方位不對4.5對20.2對0.50.3對0.25對2.7超過容許誤差1.5對5.01.5對1.00.0對0.00.3對1.5損壞/彎曲接腳3.0對5.01.0對2.01對0.25對7.2電性缺陷10對1010對100.0對0.020對20每一階段總數75對72.516.7對258.3對2.5100*此表是以一假設的板子為例對非連續性元件而言，測量其值可以清楚的知道是否焊接妥當。對數位或類比電源元件(擴大器、整流器等)以傳統的ICT及FCT測試就可以確定元件是否焊接良好。如果所有的I/O都能被確認焊接良好，我們可以下的結論就是沒有空焊或短路發生在其中。Test Jet(HP)技術，在1992年由ICT發展出來，可以用來判定元件之每一接腳是否有良好的電性接觸(如圖一所示)。這方法是以測量元件接腳和加在其上的一模組間的電容量，來判定其焊錫接點是否牢固，同時此法也不需要再額外設計及製造測試點。這裡要強調的是接腳和焊墊間良好的接觸，並不代表其間有一可以接受的良好的焊點。可能有一不良的焊點當板子加熱，彎曲或是隨意處置時會造成空焊現象。儘管在平穩及充裕的環境下，想要分辨出焊錫接點的可靠性是不可能的，但測試設備仍可以確保電性上的接觸是完整且良好的。圖一、ICT 測試機器，以量測元件接點電容為主要方式來判別其電性上接觸，而不須要再用到專為測試所製造的測試點。環境應力篩選(ESS)可施以熱或重量負載於一板子上，進而造成潛在性的故障。典型的ESS包含一燒機用的密室或是一振動台來進行測試。對軍需產品或醫療用的板子進行ESS測試是很平常的，但對一般量產商品進行此測試動作則不常見。(表二)所示為幾種工業界常用的測試方式的優缺點。幾乎所有的測試動作都包含了兩種以上的測試方式，如傳統的測試方式是先以ICT再用FCT。先用ICT再用Rack-and-Stack FCT，先用MDA再用ATE基礎的FCT，或是同時混合幾種測試方式(如同時用ICT 及FCT於同一平台上)邊界掃描(Boundary Scan)測試是工業界另一種發明。此方法儘管非常有效但並未被廣泛使用。它使用一特殊模式以連續方式把資料輸入數位元件，再量測元件的輸出入接腳(邊界)是否造成SAO及SAI的錯誤。目前市上的測試機台幾乎都有提供這種BS測試法為標準式選用設備。q步驟以下的步驟可供測試工程師建立一最佳的測試方式，在表面黏著元件的組裝線上(無論是新線或是剛由插件轉移過來)。因為對一插件業者而言是不會沒有測試設備的，而這設備也可用於表面黏著元件。然而對於測試目標及策略方式則必須要小心的選定，對故障清單的預測相對於產量、尺寸、複雜度、順從DFT及UUT 技術。步驟1：選擇測試策略：幾乎所有的測試都包含了ICT及FCT兩者，因此決定五萬美金的MDA或是20萬美金的ICT的設備那一能勝任工作，或是使用8千美金的Mock-Up FCT會比價值40萬美金的ATE FCT更省錢。最終的策略必須能符合所有要測試的範圍，不需要重覆付出的費用(如冶具及撰寫程式)，需要重覆付出的費用(測試人工及錯誤維修人員)，板子儲運方式及有效率的資訊回報。步驟2：選擇測試設備，花錢去買或建立一套測試設備，但卻無法因這台設備而回收其投資下去的錢，這是誰也不會去做的事。所以在決定要投資測試設備之前必須先了解要買怎樣的設備，這設備要多久才能回收其投入的金錢。步驟3：採購冶具及程式，這是任何計劃成功的關鍵，這事可以由公司內部的技術人員來完成，也可以交給外界專業測試公司來協助完成。步驟4：整合測試設備及被測試板，使用一些已知狀況良好的板子對測試機台進行測驗，以確定其測試是可以重複進行的。同時也要測驗一些已知故障元件位置的板子，已確認機台可以偵測出且指出故障之元件。步驟5：試車：在進行原型測試時要小心確認PC板是否經過完整的檢測，並了解那些缺陷沒有被ICT或FCT檢測出來。因為ICT的測試成本遠低於FCT，所以要儘可能的在最初就把ICT機器，調整到能查出最多的故障。同樣的，也要研究如何在FCT檢測時，就把問題找出來而不要等到系統測試時再去發現問題。所有的問題都必須告知製程單位，如此才能調整放置位置及焊接程序以求最高良率。步驟6： 精細調整製程以維持生產最後，測試過程必須進行再一次的檢討，以確定其為最好的測試時機，處置方式，找尋故障點方式等，才能達到最高效率。而這些資訊也都要告知量產單位。步驟7：不斷的改進不斷的重複步驟6，才能達到最佳的測試方式、設備及人員。保持將資訊回饋給量產單位，才能保持高的生產良率。表二：工業標準測試方式比較測試方式優點弱點ICT開發時間短不同板子需要不同冶具設備低廉對好的板子而言浪費時間找尋短路，元件方位不對可能會損壞一些敏感元件錯誤元件，空焊極強必須有測試點短時間就能找出故障位置測試時間短MDA開發時間比ICT短對數位元件測試能力較差，無法非IC進行開機測試設備比ICT更低廉找尋短路，元件方位不對及一些放置缺陷極強短時間就能找出故障位置測試時間短FCT(Mock-Up)提供迅速的通過/不通過測試會找不到ICT 可找出的故障，其包含短路及SAO/SAI故障，對找出故障位置能力極差一般而言測試時短設備通常不貴FCT(Rack and Stack) 對類比板子很有用，當和IEEE 或VXI儀器一同工作時是很好的工具會找不到ICT可找出的故障，其包含短路及 SAO/SAI故障，對找出故障位置能力極差，對快速數位元件測試能力不強FCT(ATE為基礎)找出故障位置能力極強ATE要大量資金，冶具及程式價格昂貴當設計工程師能提供模擬數據時是很好的工具會找不到ICT可找出的故障，需很長的時間才能完成冶具及程式ICT和FCT結合有ICT和FCT之優點費用昂貴測試方式優點弱點一次只能測一片板子測試機需要特殊的專業知識及備份零件，能同時進行一連串ICT及FCT可能造成測試速度瓶頸邊界掃描對板子及系統提供良好的測試，幾乎可以不需要使用ICT，能對某些元件進行詳細的自我測試對大部份用戶而言仍很少使用BS硬體會佔用元件位置，很難只對板子的一部份進行BS一般是以元件對元件，板子對板子的方式來求取最大的檢測範圍，能只用4或5個點來完成最多項的測試測試時間長，特別是對記憶體元件而言更是不方便第三步驟：焊錫材料基於不同應用上的需要，焊錫材料可以四個方向來加以探討：合金成份，應用的焊墊形狀，化學性，清潔性及物理形態。焊錫因其液化溫度低於400(750)所以一般上被認為是可熔的合金。一般的合金成份包括：錫/鉛，錫/銀，錫/銻，錫/鉍，錫/銦，錫/鉛/銀，錫/鉛/銻，錫/鉛/鉍，錫/鉛/銦，鉛/銦，鉛/銀，鉛/銻。對晶片層級(特別是指覆晶Flip Chip)而言，基本上都是使用高溫、高鉛的合金成份，如5錫/95鉛或10錫/90鉛。當然啦，低溫或接近低溫的合金如60錫/40鉛，62錫/36鉛/2銀和63錫/37鉛也可以直接使用在晶片上。至於在BGA基板下方的錫球則可以是高溫、高鉛或是低溫，接近低溫的錫鉛或錫鉛銀材料。就母板層級的元件組裝而言則限制以低溫的錫鉛或錫鉛銀合金，這是因為母板的主要材料為不耐高溫的FR-4。在某些特殊情況下低溫的錫鉛合金中會再加入一些鉍或銦等元素。q物理特性焊錫可以被製成許多不同的外觀，棒狀、錠狀、線狀、粉末、特殊型狀(指定外型、尺寸)，球型或膏狀。除了這些外形及組成成份上的不同，焊錫材料的功能還被其應用的焊墊外形所限制。焊錫所附帶的助焊劑可分為三種，RMA(松香、溫和反應)以溶劑清洗，水溶性以水清洗或免洗。五種重要的物理特性如下：“金屬上相的轉變溫度”與實際應用上有關。液化溫度是和溶化溫度及固體軟化溫度相同。在一固定合金成份下液體到固體之間的溫度在可被稱為塑性或膏狀範圍。錫膏合金成份組成的選擇必須能和使用上的最糟狀況相符合，因此合金的液化溫度必須至少高於使用最高溫度的兩倍以上。當使用溫度接近液化溫度時焊錫會變得（在機械或金屬上所稱的）脆弱。“電性傳導”是指焊錫接點在傳遞訊號上的表現。焊錫可以被看成一組帶正電的離子被浸放在一帶負電的電子雲中，而金屬晶體則因靜電彼此相吸引著。就理論上而言，電的導通是由帶負電的電子或正電的離子在電場下由一位置移動到另一位置。就金屬而言是以電子來進行電的傳導，而離子傳導則常見於氧化物或非金屬物質。對焊錫而言，導電性主要由電子流動來進行，電阻則隨溫度上升而上升。這是因為隨溫度上升電子移動方向變亂減少了同一方向上電流的傳遞。焊錫的電阻亦為塑性形變程度所影響(增加)。“熱傳導”，就金屬而言，通常和導電性相關，因為電子不僅負責電的傳導也負責熱傳導。也就是說當溫度上升時焊錫的熱傳能力會下降。“熱膨脹係數”在表面黏著上一直深受重視，因為材料間彼此的熱膨脹係數(CTE)有著很大的差別。一標準的組裝包含了FR-4的板子，焊錫及有接腳或無接腳的元件，它們CTE分別是FR-4，16.010-6/；63錫/37鉛：焊錫23.010-6/；銅接腳16.510-6/及三氧化二鋁(Al2O3)無接腳元件6.410-6/。在溫度波動及通電、斷電時，CTE的差異會加速焊錫接點應力及應變累積，如此便會縮短元件及接腳壽命，進而造成永久的損壞。兩個主要的材料特性掌握CTE的大小；晶體結構及熔點。當材料有相似的格狀結構，它們的CTE變化剛好和溶點變化相反。“表面張力”，熔融焊錫的表面張力和沾錫能力(Wettability)也就是和焊錫能力(Solderability)息息相關。兩者相吸引的力量，也就是當分子間相吸引的力量大於分子表面的結合力時就會造成接點表面脫落。也就是在物質表面的能量高於物質內部。當熔融焊錫要去沾(Wet)焊墊時，焊墊表面的能量會高於熔融的焊錫。也就是說當熔融金屬表面能量愈低時愈容易沾(Wet)上焊墊，在此要注意的是助焊劑是幫助“增加”焊墊表面的能量而不是如一般文獻上所說的降低。q金屬特性當焊錫被施以外力，如機械或熱應力時，它會經歷一段無法回復的“塑性形變”。塑性形變主要是焊錫結晶面相互間有剪力發生所造成的。這種形變可以只發生在一個接點內部或是蔓延到整個元件，這完全取決於應力的大小、應變率、溫度及材料特性。連續的或週期性的塑性形變終會導致腳上的焊錫接點破裂。“應變硬化”(Strain-hardening)通常存在於應力及應變之間，且是由於塑性形變所造成的。它的相反作用就是“回復”(recovery)作用，也就是軟化，亦就是焊錫有釋放其內部積存能量的傾向。這一回復作用起因於熱動力(Thermodynamics)一種能量釋出作用，開始時速率很快，接下去則以較慢速率。基本上焊錫本身對接點缺陷相當敏感，且有回復原狀的特性。但是應變硬化本身並不會在焊錫微細結構上造成可以為外界查覺的缺陷。重新結晶(Recrystalization)是另一常見於焊錫接點上的現象。它通常發生於高溫及有大量能量從應變材料中釋放出的時候(非回復作用)。而且在重新結晶過程中會產生一組新的、無應變的結晶結構，可以明顯的看到一形成晶粒及結晶成長的過程。至於重新結晶所需要的溫度通常介於材料熔融絕對溫度的1/3到1/2之間。固體熔入合金中通常會造成形變應力(Yield stress)增加。一典型的例子就是溶解硬化(Solution-hardening)，當在錫/鉛成份中加入額外的銻會增加合金的強度。其他強化方式則是在結構上以更小更均勻分佈來達成。最後，超級塑性(Super Plastic)的焊錫行為則可在結合了低的應力、高溫及低應變率下得到。q機械特性焊錫上三個基本的機械特性包含了應力與應力表現，潛變抗力(creep vesistance)及疲勞(fatigue)抗力。儘管應力可以由拉力、壓力或剪力來表示，但大部份的合金對剪力的抗力要小於對拉力或是壓力。對於焊錫接點而言剪力強度是重要的，因為接點一般所承受的外力就是剪力。潛變是指在一定溫度，應力負載下所發生大範圍的塑性形變。這種與時間相依的形變可以發生在絕對零度以上的任何溫度。然而潛變現象，只有在到達起始溫度時才變得明顯。在一般焊錫成份組成中錫/銀，錫/銻，及錫/鉛/銻對潛變有著最強的抗力。疲勞是指合金在交互的應力作用下發生故障。合金能承受週期性的負載遠小於其所能承受的靜態負載。因此焊錫在不產生永久形變下所能承受的靜態負載是不能和疲勞抗力相提並論。這疲勞裂痕通常是由幾個小裂紋開始，然後在反覆的外力負載下逐漸成長，最後造成焊錫接點能承受負載的剖面減小。焊錫在電子元件構裝及組裝應用上通常會經歷一低週期的疲勞破壞(一疲勞壽命低於10000個週期)及高的應力。熱機械(Thermomechanical)疲勞是另一種測試模式來區別焊錫的疲勞破壞行為。它是對材料施加以極限溫度週期測試，也就是一熱疲勞破壞測式模式。這兩種方法都有其獨特的一面及優點，但兩者都是對焊錫施一應變週期。總言之，焊錫對溫升基本上遵行材料特性，如(圖一)所示。圖一、加速計元件，可看見表面的結構及三種層級的連結q焊錫接點可靠性一焊錫接點的服務壽命和潛變/疲勞交互作用，金屬結晶面的發展及在服務期間微細結構的演進相關連。舉例而言，鷗翼(Gull-Wing)形接腳的焊錫接點的故障模式包含了，起初在焊錫腳跟處的裂痕及次發在腳尖部份的裂痕。對於陶瓷C4元件陣列形態接點的測試則表現出裂痕起始於元件外緣元件和焊錫點間介面上。另一方面而言，一無接腳的陶瓷元件載具(LCCC)其裂痕起始於接近元件及焊錫界面的焊錫上，其後裂痕再逐漸生長直到穿過整個焊點。對PBGA元件而言，焊錫接點的破壞通常發生在焊錫球和元件接合的界面上。對CBGA而言則發生在如(圖二)所示的界面上。對CCGA而言，則發生在焊錫接點的頸部如(圖三)所示。圖二、CBGA焊錫接點在經歷0到100，3000週期後裂痕成長圖三、CCGA焊錫接點在經歷0到100，3000週期後裂痕成長“系統熱管理”是另一重要要素。工作中的IC元件越來越面臨散熱上的挑戰。系統的使用壽命及整合性愈來愈依賴有效的散熱到外界去。由晶片所產生的熱必須被散到元件表面及散到外界去。元件及基板的設計及材料都必須能有效的散熱，而焊錫接點也被期望在相對其他複合材料能散出更多的熱，如(表一)所示。表一、一般元件材料熱傳導材料熱傳導(Watt/mK)銅400金320花架(lead frame)160矽80焊錫(63錫/37鉛)50鋁(Al2O3)35導電膠5基板(IR-4, BT)0.2q現在及未來展望焊錫及PC板組裝上用的錫膏可被整理如下：q對目前的技術而言：表面黏著0.02“(0.5mm)的QFP印刷錫膏錫膏印刷能力到達0.012“(0.3mm)間距(但量產能力隨間距下降而下降)水溶性或免洗錫膏迴焊水溶或免洗波焊助焊劑，在大氣或氮氣環境q對未來技術而言：兩種平行的量產途徑，使用周圍接腳的QFP及陣列元件環境容許的材料及製程更佳的可靠性提昇系統熱處理能力，包含使用最大熱傳導材料SMT辭典p 表面黏著元組件（SMC/SMD）surface mounted components/surface mounted devices外形為矩形片狀、圓柱形或異形，其焊端或引腳製作在同一平面內，並適用於表面黏著的電子元件。p 表面黏著技術無須對印刷電路板鑽插裝孔，直接將表面黏著元器件貼、焊接到印刷刷電路板表面規定位置上的組裝技術。p 表面黏著組合（SMA）surface mounted assemblys採用表面黏著技術完成組裝的印刷電路板組裝件。簡稱組裝板或組件板。p 迴焊 reflow soldering通過重新熔化預先分配到印刷電路板焊墊上的膏狀錫膏，實現表面黏著元組件焊端或引腳與印刷電路板焊墊之間機械與電氣連接的錫膏。p 波焊 wave soldering將熔化的錫，經電動泵或電磁泵噴流成設計要求的焊錫波峰，使預先裝有電子元器件的印刷電路板通過焊錫波峰，實現元組件焊端或引腳與印刷電路板焊墊之間機械與電氣連接的錫。第四步驟：印刷由於構裝技術及材料上的進步，使得目前有大量新的技術如覆晶(filp-chip)，COB(chip-on-board)，PCMCIA及BGA等可供使用。這些新的技術面臨的第一對象就是我們現在所要探討的：錫膏及黏著劑的印刷。對於印刷這項技術而言，我們不再是一知半解。現在的我們在操作新型印刷機時有許多的參數要加以設定及控制以求得良好的印刷品質。僅管鋼版印刷設備從最簡單的小型人工操作冶具到大型全自動機台一應俱全，但錫膏印刷的基本方式依然不變，簡言之也就是將PC板放到或是運到工作檯面，以真空或是冶具固定PC板，將鋼版和PC板定位好，把錫膏或是導電膠以刮刀緩慢的壓擠過鋼版上的小開孔再使其附著到PC板的焊墊上。以上就是基本印刷步驟。q基本步驟1.材料準備：目前表面黏著印刷用的材料不再侷限在錫膏，也可能是導電膠或不導電膠。材料無論是錫膏或是黏著劑都會直接影響到鋼版本身的參數，如鋼版材料、厚度、工作壽命、鋼版清潔用溶劑，清潔週期及溫濕度控制等，此外材料亦會影響到印刷過程的精確度。同時，對於元件接腳間距在底板上的分佈情形也要十分明瞭這樣才能選取一適當顆粒尺寸的錫膏以使印刷有最佳的結果如(表一)。當然若能依接腳間距來選擇不同的印刷底板材料更能增進印刷品質如(表二)。表一、錫膏分類網 孔顆粒尺寸(微米)應 用元件接腳間距(英吋)200/+3254575標準0.0250.050-325/+5002545微細腳距0.0150.025-50025超微細腳距0.015表二、印刷底板材料金屬優 點缺 點黃銅容易蝕刻一致孔壁現有技術最不耐久不銹鋼對微細腳距應用上堅固且耐久蝕刻上比黃銅精確抗化學侵蝕成本不易蝕刻不易得到平滑均勻的表面鉬垂直且平滑的孔壁錫膏容易脫離昂貴2.印刷底板及基板間之定位：不論是用人工或是藉助某些自動化方式輔助，將印刷底板上的開孔和基板上元件的焊墊精確且一致的對位在一起，以轉送一定體積的材料。目地是將兩個影像對位在一起，也就是開孔和元件焊墊精確的對位在一起。使用的材料(錫膏或黏著劑)及PC板上元件接腳的間距都會影響對位的準確性。3.將材料印到基板上：將足量的材料放在印刷底板上大約離開孔13吋距離或是位在刮刀行程的前方。刮刀的速度，壓力及刮刀的形狀和材料都是影響印刷結果的參數。在半自動或全自動的印刷機上，刮刀的速度、壓力、下降點及行程都可以程式控制並被儲存起來以備將來使用時仍可保持同樣的印刷品質。在印刷時基板和印刷底板間的距離是另一個需加以考量的參數。此外還有許多可選用參數；不過這些則依印刷機製造廠商之不同而不同，如開孔形狀，角度、速度及印刷底板回彈距離(Snap-off)等參數的決訂都是為了求得最有效的印刷效率及結果。4.印刷品質監視：在印刷完成第一片板子後，必須定期的檢視印刷品質。至於檢視項目則包含焊墊上錫膏的印刷精度，單一焊墊被錫膏覆蓋的面積及深度(體積)的重覆性。以上兩個方式是用來驗證是否有適當體積的材料被很穩定放置在焊墊上。檢視的目的就是在確定適當的體積及定位。5.印刷鋼版清潔：使用的材料及印刷方式都直接影響印刷鋼版底部在印刷時的清洗週期。在使用完畢後印鋼版板必須要徹底的清洗乾淨以去除所有的殘留物，以確保未來印刷不會出現問題。q目前的技術目前新的材料如導電膠及先進的元件構裝技術如超微細腳距元件都需要高精度的製程控制來達到高精度及重複性的印刷品質。然而印刷的基本原理依舊，只是在一些使用上有些步驟被加以改進及精密度要求更嚴格。至於其他的因素，如生產環境本身也是自動化程度的一主要限制，還有就是製程控制上的需求等所以對於印刷的參數必須重新給予定義：“印刷鋼版設計”印刷鋼版到外框要留35吋的邊，也就是從印刷鋼版的邊緣量到外框的內緣。至於印刷鋼版邊緣到有蝕刻處要有24英吋的留白以方便刮刀移動。但是對於將材料印刷到PC板上則和印刷鋼版的厚度、材質及開孔尺寸相關。一般表面黏著用的印刷底板厚度在0.001到0.012英吋之間，其增加量以0.001吋為單位，且容許的誤差要保持在0.0001吋。厚度的選擇和開孔尺寸相關連，如此才能確保有足量的膏狀物被施放。就一般原則，開孔面積比應小於1.5，其計算公式如下：開孔孔壁面積面積比= 1.5 開孔面積 2T(L+W) = 1.5 LWT= 印刷底板厚度L= 開孔長度W= 開孔寬度重新安排可得T 0.75(LW)T= LW舉例說明：有一50mil接腳間距的元件其每隻接腳的焊墊寬為24mil長為50mil，則T就是(L=50mil，W=24mil)T=0.75(5024)/(50+24)=12.1 mil因此對這一0.05吋接腳間距元件，其印刷鋼版厚度應該正好比0.012吋略大一點。對0.02吋接腳間距元件而言，此公式建議其印刷鋼版厚度不可大於0.00625吋(請參考表三中印刷底板厚度)。對於混合使用不同元件接腳間距的基板而言，建議使用階梯狀，有著不同厚度，在不同部位的印刷鋼版。適當的使用製程技術及不同的印刷鋼版材料是提昇印刷品質的最佳方式。表三、建議印刷底板厚度(英吋)元件接腳間距一般印刷底板開孔寬最大印刷底板厚度0.0500.0240.01210.0250.0120.00730.0200.0100.00630.0150.0060.00400.0080.0040.0028開孔壁的垂直性，平滑性及尺寸的精確性全都會影響到印刷材料傳遞到基板上。建議使用的材料是鋼版。因其有高的耐久行及對抗化學的侵蝕力，但對鉬這種材料而言則有著更好的平滑性及更直的孔壁。製造過程也會影響開孔壁及尺寸上的特性。微細接角間距以雷射來切割至於其他地區則以傳統蝕刻方式來加工，不失為一節省費用的加工方式。另一種將鋼版再電鍍上鎳的方式也可以使印刷底板的製作更完美。“開孔面積”也決定了被印到基材上材料的量。體積等於面積乘上高度，也就是開孔面積乘上印刷底板厚度，即開孔高度。對不同的焊墊尺寸、體積可以用以上兩個參數來加以調整。對某些微細腳距元件的應用上，由於使用單一厚度的鋼版，所以體積的調整只能以將開孔的尺寸減小，(固定或選擇性)將長及寬尺寸減少10到50個百分比，對微細接腳間距元件而言交差(錯)式的開孔方式是另一種用以避免短路等缺陷的方式。“基板處理”從非常薄、小、雙面的PCMCIA基板到特別厚、大的基板，如何在印刷過程上處理好基板是現代製程所面臨的新的課題。基板下方的支撐及基板下壓對於防止基板的彎曲及扭曲變形，且不會損壞到上面元件是非常重要的。新式的機器可以經由網路直接輸入CAD數據且有全自動的支撐柱或移到需要的地方，完全不需要在製程時再去煩腦。“可變換的印刷角度”，一個容易造成QFP及其他接腳間距小的元件的錫膏量不穩定是因為在印刷時刮刀移動方向和焊墊方位不相容所造成的，印刷方向則和製程機器的擺設相關。解決方式則必須使用目前最新且進步的印刷機器，這類型的機器容許將PC板旋轉到和刮刀行程同一方向以求得最佳的印刷角度。其結果是可以得到一印刷品質一致的PC板。當PC板上有許多QFP及其他高接腳數的元件時，現在可以45度來印刷，並得到錫膏分佈均勻一致的印刷結果，而不需要再去考慮所有焊墊的X，Y方向。q高速大量生產高速大量生產需要有快速的製程，一完整自動化的連線輸送帶及印刷上高度的可重覆性。因此印刷機的發展也正針對一方向，印刷頭的參數以程式控制，在印刷時能自動對位及校正，印刷鋼版自動清洗，換線調整時間最小化及自動製程監控。q結論在面對先進的SMT技術時對印刷製程的要求正與日俱增。愈來愈細小的元件接腳間距，逐漸增加的元件密度及先進的接腳設計都使得製程控制上難度不斷提昇，為了跟上時代的腳步，在市場的要求下，量產更快更好的產品壓力也愈來愈大。混合使用先進的材料及印刷技術再加上對製程的控制永遠是追上時代的不二法門。第五步驟：黏著劑/環氧基樹脂和點膠q何為聚合物(Polymer)？聚合物是長鍊狀的巨型分子，最初是自然生成的，目前則是以現代化技術合成數千種成份組合而成。這些化合物可從柔軟，易彎曲的薄膜到比鋼還要強固的結構(如自然界中的蜘蛛網)。在這個以電子學為主的資訊時代裏，更是少不了這些聚合物。聚合物主要可區分為熱塑性；是一種預先聚合的物質且可再熔融(remeltable)，熱固性；一種以液體反應成固體的聚合物但不能再熔融。僅管熱固性比較多見，但這兩種材料都被廣泛的應用在電子業裏而且兩者都可以許多種方式來加以塗佈(dispense)如(表一)。表一、塗佈方式一覽材料針管液體噴射印刷底板網板針狀陣列噴灑熱壓粘合晶片粘著等方性膠？表面黏著元件粘貼異方性膠異方性膠膜片底膠填充underfill？球形表面glob top？均質性膠液體噴射在未來或可能運用到其他材料q可以塗佈的聚合物材料晶片黏著劑有膏狀及薄膜狀，是用來將半導體的裸晶(bare die)黏著到導線架(lead frame)及基材(substrate)上。雖然目前大部份的產品是環氧基樹脂的膏狀物，但由於更快及更簡單的製程方式使得熱塑性的軟膏及薄膜正不斷的增大其市場佔有率。等方性(Istropic)導電膠，一般而言是一含銀的環氧樹脂，通常都是點膠的方式應用在表面黏著製程上，用以取代傳統的錫膏，在這種膠材中除了熱固性材料外，也有一小部份材料是熱塑的。異方性(Anisotropic)導電膠有薄膜狀及膏狀，用來在兩接合面上形成單一方向的電路導通。一般常以Z方向上的電路導通應用在液晶薄膜顯示幕上。通常不必使用特殊的塗怖工具但是卻需要使用專用機械設備來處理。表面黏著元件黏著劑，也就是一般通稱的固定膠，其目地就是在PC板通過波焊時將元件固定在板上。封膠(Cencapsulants)，是不導電的膏狀物，用來保護裸晶及增加組裝品質。這些聚合物通常用在保護COB(chip on board)，覆晶(filp chip)，目前更應用到BGA及微小型(micro)BGA上以取代傳統上所使用的加壓注模(Compression molding)。用來充填礦物的聚合物，其功能用在防止熱機械上(thermomechanical)的疲勞破壞，即使是面臨熱膨脹係數有很大差別的情形下。應用在打線的晶片或是TAB元件上通常稱為球狀上蓋(glob top)