系统地和可靠地减少空洞的方法

作者:Indium Corporation公司新产品开发经理:Christopher Nash

遇到了焊接缺陷?你的SMT电子组装工艺需要帮助?并不是只有你有这样的问题。空洞是电子组装中长期以来比较棘手的问题。

减少空洞,有许多因素需要考虑,但是从哪里开始呢?统计工具,如Ishikawa图,有助于绘制一个工艺过程,并提供一个极好的视觉援助,有助于显示潜在的缺陷原因和过程变量的影响。通过了解所有可能导致缺陷的变量,这些图表经常被用来帮助发现问题的根本原因。

图1给出了已被开发的QFN/大接地平面空洞的Ishikawa图,以帮助所需要的客户减少QFNs 和DPAKs下的空洞。这张图有助于确定对观察到的大空洞率有影响的变量。纵然影响工艺进程的变量可以有成千上万,任何统计图表都十分复杂,最好是从最常见的原因开始。在下面的这一具体案例中,模板设计变更包括模板的厚度和开孔设计,有助于减少空洞。

在任何实验设计(DOE)中,一次改变一个变量并记录结果是很重要的,这样你就可以知道每一个变量在多大程度上影响你的工艺过程。此外,如果更改会对你的工艺过程产生负面影响,你的记录结果将可使你回到先前的参数设置。

分析和优化以下变量可减少空洞。

模板设计

模板的设计对BTC(Bottom-Terminated Components)下空洞水平有巨大的影响。如图2所示。焊膏在基板上的沉积量、焊膏沉积位置对空洞率的影响分别为5%~10%和40%~60%。在设计模板和开孔图案前考虑这些影响是很重要的。

模板厚度

无数的研究已经表明,模板厚度是应该考虑的最关键因素之一。一般,较厚的模板将产生较少的空洞。当特殊元件的托脚高度较高时(由于使用较厚的模板,焊膏沉积较厚),元件下的焊剂挥发成分有更大的排气空间并逃脱束缚。

众多研究给出了4 mil厚模板和5 mil厚模板之间的统计差异。在所有的案例中,5 mil厚模板具有更好的空洞表现。但是如果使用6 mil或7 mil厚的模板会发生什么呢?一般,6 mil或7 mil厚的模板会带来太小的面积比,以致焊膏不能良好地通过模板开孔印刷到基板上。由于这一原因以及其他的原因,使用厚模板通常是不可行的。然而,在某些情况下,厚模板实际上会产生更恶劣的空洞。

转移效率

最大限度地提高焊膏体积和高度,可以通过其他途径而不是增加模板厚度。转移效率是焊膏体积除以开孔体积的百分比。提高焊膏转移效率,也可以影响焊膏沉积的体积和高度,从而改善QFN元件下焊膏空洞的表现。

模板质量、模板金属成分、老化、磨损和模板涂层材料如纳米涂层等,都会对焊膏的转移效率产生巨大影响。并非所有的模板供应商都提供具有相同质量的模版。有些模板可能含有错误尺寸的开孔,开孔位置错误,或开孔歪斜。如果开孔与焊盘不正确匹配,焊膏就不会以最大的体积和最小的变化正确地转移到基板上。

模板金属也可以在锡膏的转移效率中起一定的作用。某些金属的表面张力比其他金属低,使锡膏更容易有效地传递。通过使用一些纳米涂层材料,也可以实现同样低的表面张力。模板的老化通常与模板的磨损有直接的关系。如果模板磨损或损坏,开孔就可能会变形或圆角,影响焊膏通过模板向基板转印。

开孔设计

开孔设计是减少底部端子元件BTC下的空洞应考虑的另一个关键因素。许多元件供应商都在元件的数据表中列出了建议的开孔数据。这些建议通常是一个很好的起点,但是变化开孔的尺寸、形状、开孔窗格栅数量和格栅的形状和大小,可以进一步减少焊料空洞。

每个元件各不相同,因此,没有一个开孔设计尺寸可适合所有的元件。更多格栅数量的开孔通常比更少格栅数量的开孔要好。较薄的格栅开孔通常比较厚的格栅开孔好。但是,就像模板厚度,太多的格栅数量和太薄的格栅厚度反而会增加空洞。如图3所示。矩形形状的开孔比正方形、圆形或椭圆形好吗?各个元件的反应略有不同,所以重要的是在生产前尽可能做一些试验研究,了解工艺过程中什么参数表现最好。

PCB表面涂饰金属化

空洞率和不同的表面处理金属化是有关联的。在今天的表面贴装技术(SMT)中,ENIG、浸锡和有机可焊性保护剂(OSP)是最常见的PCB表面处理。比较三种流行的基板金属化条件下底部端子元件BTC下的空洞率,通常ENIG会产生最低的空洞率,其次是浸锡,再然后是OSP。

根据基板的来源不同,OSP也有不同的商业版本。有些OSP涂饰比其他的OSP涂饰提供更好的空洞表现。不幸的是,这些差异只能通过试验来确定。

同样,并非所有的基板都具有相同的综合质量。因此,焊料空洞的表现可能会因基板不同而不同。为了实现底部端子元件BTC下空洞率最小化,在设计阶段针对应用选择合适的金属化是最重要的。

基板条件

基板老化和存储条件对空洞水平也起一定的作用。除非在缺氧环境中储存,否则老化的表面涂饰会氧化。助焊剂可清除氧化物。较厚的氧化层会给清除氧化物过程带来更大的挑战。助焊剂不可能完全清理严重氧化的基板焊盘/金属化,会影响焊料润湿。通常会因润湿不良引发空洞。

原始的PCB通常存储在干燥的氮气箱中,以保护它们免受氧化,而且这些存储箱也保护基板免受潮湿。如果基板暴露在潮湿的空气中,它们会吸收水分,会在回流焊过程中因水分转化为气体产生空洞。如果在焊点凝固前气体没有逸出,就会形成空洞。

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