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焊膏选择与评估方法
作者: 揭丽娜
责任编辑: 发布日期: 2008年07月04日
  清华大学-伟创力SMT实验室 王豫明  崔增伟  王蓓蓓  季珂  陆磊

摘要  本文描述了评估和选择焊膏过程中,对焊膏各种性能的试验方法。根据焊膏本身材料特性和实际工艺性能结合IPC的有关标准设计了整套试验,包括:焊膏黏度测试、焊膏合金粉末粒度测量、塌陷、焊球、可印刷性以及润湿性测试等。对于生产中选择焊膏,本文可以提供一般性的指导试验方法。

关键词  焊膏  黏度  粒度  塌陷  焊球  可印刷性  润湿性

前言

焊膏是SMT生产中十分重要的一种材料,它一般采用印刷工艺或者滴涂工艺沉积在焊盘上,元器件经贴片后靠焊膏的粘着力定位,经再流焊炉焊接在所需要的焊盘上,完成所需的电与机械连接。焊膏印刷作为SMT的第一道工序,对于后续的工艺:贴片、再流焊、清洗、测试等有着直接影响,对产品的可靠性也有非常重要的关系。据统计,电子产品72%的缺陷和失效与焊膏相关,因而焊膏的性能对于SMT来说是至关重要的。而目前上面各种档次各种品牌的焊膏有很多,这样,如何选择合适的焊膏,也就是如何对焊膏各方面的性能进行评估就成为SMT生产中不得不考虑的问题。

正文

焊膏评估,可以分为材料特性评估和工艺特性评估两个部分。焊膏材料特性评估通常包括焊膏黏度、焊膏颗粒尺寸、绝缘电阻等焊膏材料本身所有的物理化学指标;工艺特性则是指焊高SMT实际生产中的应用特性,包括:可印刷性、塌陷、润湿性、焊球等同SMT工艺相关的性能。

对于各种焊膏,其基本成分组成都包括合金粉末、助焊剂、其他添加剂,虽然成分都大致相同,但是因为设计焊高时有不同的使用目的,造成了各种焊膏使用范围的不同。这一点就要求SMT工程师在选择焊膏时,首先需要明确焊膏所用于的产品,是用于精密高可靠性产品还是民品,是要求清洗的产品还是免清洗的产品。在明确了这些之后,就可以从众多的焊膏产品中选择出合适的几种,然后再做进一步的焊膏评估以选择出最合适的。

在整个评估试验进行之前,先将选用的各种焊膏进行编号处理,以便以后试验中进行各种性能数据的比较。

一、焊膏合金颗粒试验

合金颗粒是焊膏中的重要组成部分,也是起到焊接作用的部分,通常占焊膏总重量的88%~91%。颗粒粉末的大小和形状对于焊膏的粘性和印刷性能有着直接的影响。

试验需要使用一台显微镜,要求附带的分析设备可以对摄像范围内颗粒的直径进行测量。试验过程主要是使用膏状助焊剂将焊膏稀释,并置于载物玻片上,如图1所示。需要注意的是,在显微镜观察时候,必须要选择界面内颗粒清楚的部分,有些相连的颗粒需要排除,以免对试验结果产生影响。

 

1 使用膏状助焊剂稀释焊膏以观测

在选择测量了足够多的样本后,就可以对数据进行分析。对于焊膏中的合金粉末,要求如下(J-STD-006)

焊粉类型

最小合金颗粒

正常颗粒

较大合金粉末

3#

D<20µm

45<D≤25µm

45µm<D≤50µm

4#

D<20µm

38<D≤20µm

38µm<D≤40µm

颗粒分布比例

<10%

90%

<1%


将试验结果得到的数据结合对焊粉的要求,可以得到最后的各种焊膏合金颗粒的比较情况,例如下表1所示,就是几种焊膏的合金颗粒测量最终情况。

1  对于各种焊膏在要求范围内的比例情况

序号

>45um(%)

45~25um(%)

<20um(%)

是否符合Type

1

1

98.5

0.2

符合

2

0(>38)

98.2

1.8

符合

3

0.5

93

0.4

符合

4

0.25

98.1

0

符合

5

0.25

92.95

0

符合

6

2.1

94.9

0

符合

7

0.4

97

0

一项不符合

8

0.65

98.65

0

符合

 

二、             焊膏黏度试验

焊膏是一种假塑性流体,有触变性。其黏度随时间、温度、剪切强度等因数而发生变化。焊膏的黏度主要与焊膏合金粉末含量、粉末尺寸、焊剂黏度相关,对黏度的要求随应用方法的不同而异。黏度太高,会粘连网孔;太低无法保形且无法粘固元器件。黏度试验主要测试各种焊膏的黏度,触变系数以及模拟在印刷过程中的黏度变化,从而可以比较各种焊膏黏度和印刷中的黏度变化情况。

试验中使用了黏度计PCU-205,对粘度进行测试,通过改变转速,模拟实际的印刷效果,以得到剪切力恢复情况。转速变化情况如下表:

周期

1

2

3

4

5

6

7

8

Speed(rpm)

10

3

4

5

10

20

30

10

Time(min)

3

6

3

3

3

1

1

1

按照上表设置好黏度计的转速后,就可以将焊膏放入黏度计中,按照设置完成一个周期的循环后,就可以得到焊膏在不同周期时的黏度。

型号

黏度(Pa.S

周期1

周期2

周期3

周期4

周期5

周期6

周期7

周期8

#1

112.6

252

209.4

178.9

113.8

75.8

61.2

110.3

#2

216.2

426.9

364.5

319.9

222.6

157.9

130

217.2

#3

239.5

502.1

426.8

374.7

259.5

183.3

142.2

246.8

#4

231.5

486.3

412.1

355

236.1

165.4

136.5

225.5

#5

141

311.2

257.6

222.7

145.8

101.8

83.8

144

#6

199.5

403.5

344.5

303.6

211.5

150.8

122.2

200.8

#7

165

360.6

306.9

266.7

170.2

121.3

99.8

163.5

#8

189.2

412.3

352.1

305.9

204.8

143.5

117

197.8

按照下面的计算公式,就可以得到焊膏的触变系数Ti和计算剪切力恢复情况R%

触变系数Ti值计算公式:Ti=log3rpm时粘度/30rpm时的粘度);计算剪切力恢复情况使用公式:R%=10rpm invreasing-10rpm decreasing*100/10rpm increasing

通常来说触变系数Ti0.5~0.6之间,系数高说明触变性好有利于印刷,而剪切力恢复系数R%则小的较好。

另外,黏度测试也可以按照IPC-650进行。

三、焊膏可印刷性测试

焊膏的工艺特性中,可印刷性考察焊膏在印刷到印制电路板时的沉积、成型方面的情况,主要通过两个试验来观察焊膏的可印刷性。实验时,可以使用实际生产所用的设备,这么可以得到焊膏在实际生产时所产生的效果,更有比较价值。

1、焊膏沉积高度测量

印刷采用一定厚度的模板,开孔由16个圆形焊盘组成,如图2所示。印刷后使用高度测量装置测量4处位置的焊膏高度,共印刷5块样板,这样可以得到20组测量数据。

 

2 焊膏高度测量开孔(灰色部分为测量位置)

得到测量结果后,计算20个数据的最大、最小值、平均值。标准偏差的计算公式如下:

 

其中:Xn个数据的平均值,X1n个数据中第i个值。

得到各种焊膏的标准偏差如下表所示。

计算项

焊膏

1

2

3

4

5

6

7

8

Max

0.0974

0.1069

0.0992

0.1018

0.1064

0.0916

0.0952

0.0939

Min

0.0473

0.0568

0.064

0.0749

0.0685

0.0595

0.0624

0.056

平均值

0.07026

0.08031

0.07905

0.08538

0.08513

0.07732

0.07313

0.07964

标准偏差

0.01454

0.0141

0.00944

0.00809

0.01085

0.00753

0.00693

0.00888

将上列数据做成直方图,如图3所示,这样就可以方便地比较各种焊膏的标准偏差值。

 

3 标准偏差直方图

标准偏差作为评判标准,测量数据之间的变化越小,标准偏差越小,印刷一致性更好。

2、焊膏漏印情况测量

印刷采用一定厚度的模板,开孔包括圆形焊盘和矩形焊盘,如图4所示。使用实际设备将焊膏印刷到表面平整的覆铜板上。每种焊膏作5块样板,然后对印刷情况在显微镜下进行观察,理想印刷图形应边缘平整、无拉尖、缺损、桥连现象。如果图形有桥连、缺陷损、拉尖,就记录为故障,并记录。

 

4  测漏印模板开孔

根据统计数据,做出各种焊膏漏印情况的直方图,如图5所示,这样可以比较出各种焊膏在漏印方面的情况。

 

5 漏印统计直方图

结合两方面的高度标准偏差和漏印情况,就可以得到各种焊膏在可印刷性方面的情况比较。

四、塌陷测试

焊膏印刷后,在一定温度和湿度条件下,由于重力和表面张力的作用,导致图形塌落并从最初边界向外界扩展。这种塌落会引起焊膏的流溢,导致焊接过程中的引脚间桥接缺陷。

根据IPC-TM-650 2.4.35标准,根据标准图设计焊盘,制作模板以及PCB,如图6所示。

 

6 塌陷用模板

将焊膏印刷到光滑的覆铜板上,放置在室温和炉中10-15分钟,然后使用显微镜观察塌陷情况,并拍照,统计塌陷情况并列表比较,如下表所示。

 

 

 

焊盘尺寸

焊盘尺寸2

焊盘尺寸3

焊膏

水平

垂直

水平

垂直

水平

垂直

1#

2#

桥连

轻微桥连

轻微桥连

3#

4#

桥连

桥连

桥连

桥连

轻微桥连

5#

桥连

桥连

桥连

桥连

桥连

轻微桥连

6#

这样,根据各种焊膏桥连的情况对焊膏进行分级比较,得到焊膏在塌陷方面的性能情况。

五、润湿性测试

润湿性测试主要考察焊盘表面的润湿能力和对焊盘表面氧化的处理能力。这里使用了两种测试方法。在回流时,采用每种焊膏推荐的温度曲线,同时各种焊膏的回流时间控制在基本相同的范围内。

1、润湿性测试1

本测试PCB使用高TgFR-4层压板,采用两种表面处理:OPS和化学浸Ni/Au。润湿性测试试验根据IPC-TM-650标准进行。进行两组润湿性试验,每种焊膏印刷6次。

将焊膏印刷到PCB上,每种焊膏印刷2块,一块Ni/Au板,一块OSP板,分别将编号不同的板在不同时间内放置于PCB中,0号板在印刷后就放置于回流炉中,5号板在间隔5小时后放于回流路中。回流后在显微镜下测量焊料直径,并与回流之前的直径进行比较。焊膏润湿典型图如下所示。

 

回流前焊膏   焊料在Ni/Au表面  焊料在OSP表面

对测量出的数据,同样使用直方图,将各种焊膏在一起比较,以得到各种焊膏润湿性的差异。如下图78所示。

 

7 焊膏在Ni/Au表面的润湿情况比较

8 焊膏在OSP表面的润湿情况比较

因为表面处理不同,可能各种焊膏比较起来得到情况也不一样,可以先单独比较在同一表面处理情况下的情况,然后结合两种情况得到最后的比较结果。

2、润湿性测试2

此测试采用焊膏覆盖面积递减的形式印刷到焊盘上,最大印刷量为焊盘的100%,相邻焊盘焊膏印量按照一定数量依次递减。回流后得到焊料在Ni/Au以及OSP两种表面的覆盖情况,将每个焊盘的覆盖情况分别测量并与两种表面处理的全润湿的焊盘进行比较。测试使用FR-4印制板,表面处理OSP和化学浸Ni/Au。图形设计如下:

 

PCB焊盘

模板开口

回流后,在显微镜下观察各种焊膏在两种表面处理情况下的润湿情况,测量在印刷量到多少时可以完全润湿焊盘,得到结果做成直方图以方便比较,如下图9所示。

 

9 各种焊膏在Ni/AuOSP表面的润湿测试结果

根据比较结果,可以得到在不同表面处理情况下焊膏的润湿性比较数据,综合两种表面处理情况下各种焊膏的润湿性能,可以评定出不同焊膏润湿性的好坏。

六、焊球测试

本试验从质量上检验在回流焊接过程中焊膏的溅落情况,目的测定焊膏中焊粉的氧化程度和加杂的水汽,焊膏回流的性能。

焊球测试根据IPC-TM-650标准进行,使用带阻焊油墨的PCB表面替代铝基板,将焊膏印刷到阻焊油墨上,每种焊膏印刷4次。回流后检查焊球。按照IPC的标准,对焊球情况进行统计,最终得到结果,如下表表示。

焊膏

完美

可接受

不可接受(串状)

不可接受

1

2

2

 

 

2

1

2

1

 

3

 

2

1

1

4

 

2

 

 

5

 

1

2

1

6

2

2

 

 

根据平均焊球性能,可以比较出各种焊膏的焊球情况。

总结

以上介绍了对焊膏评估的一些方法,在实际使用时,应该尽量使评估时的环境和参数接近生产的情况。另外,还有一些测试方法,如表面绝缘阻抗,如果产品需要也要对焊膏这方面的性能进行测评,这些可以参看IPC的有关标准。同时,可能对实际使用者更看重焊膏的工艺特性,评估的时候只要做这方面的也可以了。总之,在选择焊膏的时候,首先根据产品的需要,然后在具体评估焊膏各方面的性能,以得到最合适于产品的焊膏。

 
 
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