SMT技术--實用表面黏著技術(2)

4.0 簡述    本單將焦點置於產品可加工性的重點,並將回顧零件的選擇、包裝及零件的布置,焊點及孔的尺寸,導線尺寸及切割,除此之外還有PCB及其成組的設計。4.1 什么是制程的加工性?    制程設計提到PCB裝配中應做到問題最少及提高其良率,它將直接影響生產或制程的复雜性及專用性。設計工程及制程工程師應盡量減少制程變異的問題發生,例如: 一些制程的據變如制程合並,專用(特殊)零件,特殊夾具等等,這些均會影響產品的生產性。制程設計是一門藝術,它需制程各段付出心艱辛的魯力。在當今激烈的競爭環境中,制程之設計同樣可体現優勝劣汰原則。4.2 零件的選擇(Component selection)    零件的選擇在PCB裝配的生產過程中扮演著重要的角色。設計工程師/零件工程師的首選是可容易獲取的標準件及標準包裝,最下策是選用特殊零件及包裝。    一旦某零件經過選定,則可利用下列原則去確定與其相配者:1.包裝方式 ---- 盡量使用業界的標準方式(例如:卷帶式成型膠盤等)。2.尺寸方面 ---- 顯然應配合現有的裝著設備。3.接點裝況 ---- 建議選用錫鉛合金者。4.清潔度   ---- 必須符合當前及未來的需求。5.熱效應   ---- 必須滿足制程的要求。    表面黏著零件有許多規格及尺寸,故選擇的準則是異常關鍵的。事前確定選擇原則對於符合業界標準將是很有利的。它將使零件很容易與設備相容且零件亦於取得,進而降低零件及生產成本,舉例來看:如電阻、電容,一般用1210/1206/0603;電晶体則宜用SOT23、SOT89、SOT143或DPAK式;集体電路如可能的話應避免用J型腳而應用鷗翼型者,否則將給檢驗及重工帶來困難。多數時後同種零件存在幾種包裝方式,下表是針對PLCC超過68PIN者、MELF零件、平腳零件及無腳陶瓷晶片式封裝的零件(LCCC)及腳距小於0.508mm(0.020")的零件之可能包裝方式的說明。4.3 零件包裝 (component pudeaging)    使用的零件與裝著設備的相容性是非常重要的。4.4 零件間距 (component spacing)    零件間距是影響裝著、迴流焊、清洗、檢驗及重工的重要因素。    表4.2及表4.3是推薦的零件間距。    表4.1是最常用的表面黏著零件。    這些準則可能隨使用之設備狀況而變化,但其可滿足絕大多數的制程需求。根據零件的類型及定位狀況,此間距可定義為焊墊到焊墊,焊墊到零件本体或零件的本体間距。    例如: sop之間的距離有多近?在表4.2中的c欄中可找到它,然後在表4.3中由z、y兩個方向對查可知,其合適的尺寸應為0.050"。    表4.2零件類型。    表4.3零件間距 -- 焊墊間,焊墊到本体間均為英時。4.5 零件布置 (Component Layout)    表面黏著零件可以被裝著於PCB的兩面,任何嘗試均為將零件裝著於PCB的某一面上。如此排布是生產扶持、測試性的最佳狀況,亦能獲至最高的良率,如非如此,則兩面裝著需嚴守以下需求原則。    主面(零件面)零件:1.方型晶片及圖型零件:    例如: 0603,0805,1206,1210,1812,1825,2513,2817,MLL34,MLL41;2.主動零件(組件):    例如: SOT23,SOT89,SOT143,DPAK;3.集体電路:    例如: SOIC,SOLIC,SOMIC,SOJIC,PLCC,BQFP,QFP,CQFP,CLCC;4.6 焊墊及尺寸    電鍍通孔一般用於導線(体)的內、外部互聯。一般是用多點鑽進行加工,最常用的孔徑是0.508mm(0.020")左右,但多數公司的加工孔徑低於0.508mm(0.020"),有些甚至低於0.254mm(0.010"),這樣一來(aspect ratio)方向比就成了問題。為此,一些公司正常試將電鍍通孔置於PCB的焊墊上,但是,直接以熔錫從焊墊注入PTH孔,由於可能導致焊錫不足,故一次高良率不容易獲得,將PTH孔置於集成塊下面亦有些小問題,特別是在"免洗制程"中,應注意助焊劑的殘留,那些靠近板邊緣的導通孔會因輸送帶阻擋,故在經過波峰焊時可能會上錫不足。    表4.4是穿孔零件之配合孔狀況,它反映了PAP的加工流程。    表4.4是穿孔零件的孔徑狀況。4.7 導線尺寸及編排    最近幾年,PCB業界在導線寬度及線距方面有了巨大的變化,在80年代中期,0.010"(10/10)的線寬及線距被確認為是已發展到極限,而SMT卻將0.008"(8/8)都變成為平常事,目前的標準是0.005"(5/5)的水平,一般對線寬、線距選擇作如下建議: 盡可能用10/10者,如線須通過集成塊之焊墊,則可選8/8者(例如: SOIC,PLCC等)盡可能避免用低於8/8者。4.8 PCB及成套設計    應SMT設備的要求,應制作一份相應的PCB成套尺寸表,它應可滿足設備的限制及生產需求,除長度以外,寬度亦同。這些資訊可供設備工程師確認PCB在SMT設備上的可用性作參考。定位孔通常有兩種尺: 3.25mm(0.128")和4mm(0.15"),一般需有2個工具定位孔,並且應該同軸大部分的設備的定位銷在前面,但仍有些供應商將其至於後端。    如在PCB的制程中需用到加強片,則應預留至少12.7mm(0.5")的邊,該預留邊緣須遠離所有的導線、焊墊及零件。部分PCB有制成預留很小的PCB,也因此它們須以加強片維持強度。  4.8.1 基準    在有視覺能力的SMT設備上,所有PCB均需有基準點,這些基準點的使用可使制程中零件在PCB上的裝著更為精確(位置),PCB上有兩種基準點,一為總基準點(針對整片PCB),另一種則是區域基準點(針對零件)。但實際的形狀及尺寸仍需依據供應者設備作改變。區域基準點多用於精細間距零件的裝著,一些SMT設備適宜將基準點均置於精細間距的零件側,而另一些設備,則是將一個基準點置於焊墊中心,而另一個就置於焊墊一側。    位於焊墊側的基準點可供超過一個的零件裝著用,建議依據設備供應商的看法進行選擇,一般不會將兩個基準點置於PCB的某一角。將兩個基準點置於PCB需同時做直線及旋轉運動時為使之能精確定位,則一些制造者亦采用三個基準點的方式,並且這些基準點呈三角形分布且與其周圍的焊墊盡量遠離。在成套PCB組板上臨時的基準點的設置除PCB某一角外,尚有在基板上的。    圖4.1是"表面黏著設備制造者協會"關於基準標示的標準。基準點的形狀是一個實心圓,基準點的最小尺寸是1.02mm(0.040"),最大尺寸是3mm(0.118"),而同一PCB上的基準點尺寸差不能超過0.025mm(0.001")。    圖4.1 SMEMA的基準點標準。    在每個基準點的周圍必須有一圈不帶任何導線或標示的隔離帶,其半徑需是基準點的辦徑兩倍,且與之同心。    在表面黏著技術設備制造者協會的標準里,基準點到PCB或組裝板邊緣的距離應小於4.75mm(0.187"),與隔離帶的和。基準點可裸露,亦可為銅箔覆蓋,亦可以錫、錫/鉛合金電鍍進行覆蓋,還可用諸如鎳等金屬。理想的基準點的情形是基準點與其周圍的PCB基材應有較大的反差(顏色),基準點的表面度至少應為0.0015mm(0.00006")以上。4.8.2 其它設計細節(Miscellaneous Design Details)    為避送輸送帶開關誤判,則線上的傳感器至少應大於6.35mm(0.25")。    PCB或組套式設計的折斷邊的折斷點應在大約每個25.4mm到38.1mm(1.0"到1.5")間就有一個以保證整塊板的強度,如有要求,則可保留該寬度的邊緣以保證PCB可順利經過波峰焊,迴流焊等過程。折斷點也有幾種形式例如:可在接點處以中心距為1.27mm(0.005")鑽上一排長達5.59mm(0.022")的小孔,以確保折斷可干淨利落地完成。    任何一塊PCB或組板的邊緣均需倒角,建議使用銑刀的半徑是1.52mm(0.060")或45°角的,這樣有助於PCB及組板置於輸送帶上運動及適宜各種裝配設備的要求。REFERENCES:1.        ANSI/IPC-S-815B . “ General Requirements for Soldering ElectronicInterconnection .” IPC , Lincolnwood , IL .2.        Coombs, Clyde . Printed Circuit Handbook . New York: McGraw Hill , 2nd ed, 1979 3.        IPC-SM-782. “Surface Mount Land Patterns: Configurations and Design Rules.” IPC , Lincolnwood , IL , March 1987.4.        Prasad , Ray . Surface Mount Technology . New York : Van Nostrand Reinhold , 1989.5.        SMEMA Standard Fiducial Mark Standard 3.1.6.        SMEMA Mechanical Equipment Interface Standard 1.1 .5.焊接材料及相關問題術語:活化劑(Aetivator)    助焊劑中一種用以增強其養化物及髒污能力的化制劑。合金(Alloy)    一種由兩種或更多金屬合成的材料。擴散(Diffusion)    在焊接過程中,熔融金屬焊錫合金在基材表面的擴展狀況稱之。共晶体(Eutectic alloy)    合金組成金屬的最低熔化溫度,且兩種金屬能在此溫度共熔的合金物(未經塑化范圍)。助焊劑(Flux)    用於去除待焊表面之養化物及髒污,以協助更好地焊接的化學制劑。金屬間化合層(Intermetallic Layer)    由錫鉛與銅形成的層間化合物。溶解(Leaching)    在液態下將某種金屬熔於某一液態金屬中,在SMT中則是將某貴重金屬溶解於錫鉛合金之中。液相線(Liquidus)    合金的溶化溫度,若是非共晶体則為最高的塑化溫度。非共晶化合金(Noneutectic Alloy)    熔化溫度是一個范圍的合金,其熔化溫度的變化范圍可用幾度到30℃。泊松(POISE)    同液体黏度一致的釐米-克-秒制的黏度單位,表示以一達因的力在液体中以1cm/秒的速度分離平行兩塊板至其包容面積為1c㎡.    A centimeter-gram-second unit of viscoaty equal to the viscocity of a fluid that would require a shearing force of one dgne to more a square-centimeter area of either of two parallel lagers of flaid one centimeter apart with a velcity of one centimeter per second relative to the other lager with the spc a between the lagers being filled with a fluid.焊錫(Solder)    熔點低於450℃(842°F),用於連接兩個或多個基材金屬表面的合金。錫膏(Solder Paste)    一種混合了焊接用之合金粉末及助焊劑的膏狀物。焊接(Soldering)    利用焊錫將兩個或更多相同或不相同基材表面牢固連接在一起的過程。凝固線(Solidus)    即合金的凝固溫度,也即共晶合金塑化的最低溫度。表面黏著性(Surface mount adhesive)    一般指用壓克力或環氧樹脂在PCB上黏著表面黏著零件的狀況。附形劑(Vehicle)    一種在助焊劑或錫膏中擔當介質的化學成份。黏(性)度 (Viscosity)    液狀物的可抗拒重力所致變形流動的特性。    The property of a flaid that enables it to develop and maintain an amownt of shearing stress dependent upon the velosity of flow and then to offer continned resisfanee to flow;or the tatio of the fangential frictional force per unit area to the velocity gradient porpondicalor to the directier of flow of the fluid.熱塑性(Thermoplastic)    塑膠或黏膠之分子非死鏈結構,可再次軟化的特性。 熱固性(Thermoset)    分子以互連鍵連接的塑膠或黏膠,再次加熱不可軟化的特性。5.0 序論    本章將討論SMT裝配制程中用到的各種物料,包括黏膠、助焊劑、焊錫及錫膏。本章的最後一節將討論焊接基礎,適當的選擇使用及管控這些物料是成功完成SMT裝配所必須的。5.1 表面黏著用黏膠(SURFACE MONRT ADHESIVES)    單成份黏膠由於有很長的工作壽命故一般較為業界接受,有兩種絕緣黏膠較為常用: 一種是丙稀酸的(Acrylics),另一種是環氧樹脂的,其中丙烯酸為熱塑性而環氧樹脂形則為熱固性,兩者在室溫下可提昇到6個月(依據供應商建議的保存溫度),黏膠的玻化溫度是一個重要特性要求,過高的玻化溫度將給重工帶來較大的困擾,一般丙烯酸的玻化溫度是120℃(248°F)一些環氧樹脂則是200℃(392°F),在實際使用中應依據要求慎加選擇。    丙烯酸型黏膠可用UV光或加熱進行固化,但必須是經UV光直射(避免陰影效應),當然加熱亦可令黏膠完全固化,而環氧樹脂型黏膠則是用加熱方式進行固化的。固化作業應由黏膠供應商提供建議,他們將樂此不疲地配合,可用于黏膠固化作業的設備將於8.9節討論。當黏膠的固化狀況良好時不要輕易提高PCB(環氧樹脂加玻縴)的溫度,一般建議在125℃(257°F)左右。    黏膠須在固化前及固化過程中保證良好的浸潤性以固持零件,其黏性以泊為單位,一般為釐-泊(CPS),可於30,000CPS到300,000CPS間調配以供鋼板印刷使用。如何量測黏度是非常重要的,因為不同的設備會得出不同的結果,一般應注意測量儀器的種類是液体比重計,RPM型( ? ),現測時間及黏度測量,(例如: for example , Brookfield HBT Helipath,TF,2.5RPM,2minutes 25℃ ) °f)最好是在25±5℃及低於65%的濕度環境下可獲至最佳的印刷效果。    黏膠與防焊塗層的色差對印刷後的檢查非常有利,一般選用紅色或黃色。    更詳盡的資料可參閱IPC-SM-81) "General Requiements for Surface Mount Aolhesive" 表面黏膠的通用要求。5.2 Soldering Flux 助焊劑    助焊劑 一種化學制劑,主要有兩大功能: 一是清除金屬表面的氧化物及其他的贓污,使待焊面可焊性提高,再者則是保護已清潔過的待焊面在完全焊接前不致再次氧化。一般助焊劑的選擇應依據產品的最終使用要求作決定(是消費型還是高信賴型產品)及待焊表面狀況(是錫、錫鉛還是銅箔等等),還有制程(是迴流焊還是波峰焊),助焊劑有兩個矛盾的功能: 在市溫下它是墮性的,但在焊接溫度下則顯得很活躍。5.2.1 助焊劑的分類 (Flux Classification)    目前大致有四類助焊劑: 松香型(R. RMA. RA,RSA), 水溶性型(WS),化學活性劑性(SA)及低固態物型(LS),也可稱為免洗型(詳見5.2.2節)表5.1顯示了此四種助焊劑在制程中的焊接性。一般而言,本表可提供這些助焊劑的最低活性,簡單地說,當R型、RMA及LS型助焊劑必須使金屬面焊接良好,那么如RA、RSA、WS及SA型使因其較強的活性較易清除待焊金屬面的氧化物及髒污而存在一個較大的產品可靠性隱患就是它可直接導致產品腐蝕,所以清洗變得非常重要,對助焊劑性能及活性層次的了解有助於選用助焊劑。一般助焊劑中的活化劑是齒化物(氯化物或溴化物)或者有機酸。    一些業界及政府組織已建立了助焊劑的化學分類方法,最重要的是這些規格是非軍方的,如IPC-SF-818," General Requirements for Electronie Soldering Fluxes ( ANSI/J-STD-004 will supersede IPC-CF-818)"該規格的分類依據是明確按助焊劑的活性測試及表面接觸電阻的測試進行的。    助焊劑的活性分為低、中、高活性三種,(TYPEL, TYPEM,TYPEH)是依據如下三種測試結果定出的,銅鏡實驗、鉻銀法及腐蝕法。銅鏡測試是用以評估助焊劑去除銅箔上的薄層沉積銅的能力。而鉻銀試紙法則用來確定助焊劑內的氯化物及溴化物的狀況,而腐蝕法則是測試在荷嚴(惡劣)環境下助焊劑的腐蝕性。例如L型助焊劑是R及LS型助焊劑,大多數RMA型助焊劑及一些RA及WS助焊劑。而M型助焊劑是一些RMA, WS及SA助焊劑或大多數RA助焊劑。至於H型助焊劑則是一些WS及SA型助焊劑及所有的RSA型助焊劑。    表5.1 FLUX PROCESS WINDOW    表面接觸電阻測試用表面接觸電阻來衡量PCB表面助焊劑的殘留,共分三級(1、2、3),第1、2級是在50℃(122°F)及90%的相對濕度條件下貯存7天,或者是在85℃(185°F)及85%的相對濕度條件下貯存7天(此為第3級)。助焊劑的殘留其表面接觸電阻應至少100北歐,以確定清潔與否并依據進行助焊劑分級。    L3CN是一種典型的RMA型助焊劑,其(L3CN)的含義是低活性不需清洗的免洗型3級SIR助焊劑。對於助焊劑活性的變化應備加關注,因其可能使一種助焊劑變成另一種,雖然這兩種助焊劑有同樣的業界命名,如RMA。    詳細資訊請參閱IPC-SF-818,"General Requirements for Electronic Soldering Fluxes" (ANSI/J-STD-004 will supersede IPC-SF-818)"另外一種助焊劑規格是貝爾公司(Bellcore)的TA-NWT 000078通訊產品及設備的一般物理性能設計要求"General Pagsical Desigr Reqinwemwnt for Felecomommunication Prodnats and egnipment" 本規格僅用於通訊業。5.2.2 助焊劑群組 (Flux Groups)    松香型助焊劑均添加有活化劑,RMA型是最常用的型號,RMA有溫和的活性水準及適宜於大多數的焊接制程,大多數的RMA型助焊劑在焊接後均不具腐蝕性及導電性。難於焊接的材料需要使用活性較大的RA及RSA型助焊劑,松香具備以下值得注意的特性,最重要的屬性是作為媒質,同時又是良好的絕緣体,並可產生膠囊效果,阻絕活性劑的揮發,依據運用需求R型及RMA型應可從PCA上清除或遺留於PCA上。但對於RA及RSA在焊接後則必須進行殘留物的清洗。    水洗或溶劑清洗是最常用的方式,絕大多數水溶性助焊劑的活性均強過RMA型。因此,水溶性助焊劑可提昇較難焊接材料表面的焊錫性。水溶性助焊劑亦稱為有機酸助焊劑(0A Flux)。但亦有一些水溶性助焊劑不用有機溶酸做溶劑,所以在焊接後必須對其進行清洗。    化學合成活性的助焊劑是用於CFC溶劑清洗用。這些助焊劑通常具有較強的腐蝕性,所以在焊接後必須對PCA進行清洗,自從CFC型被逐步淘汰,導致SA型助焊劑亦逐步被淘汰。    基於清潔的原因,業界正關注低固態型助焊劑,低固態物型助焊劑是為殘留物為非腐蝕性而設計的,然而,作為活性劑的固形物若為最少,則會引發焊接性的顧慮。所以,在使用低固形物型助焊劑時,應特別注意零件及PCB的焊錫性,另外,環境狀況的控制亦很重要。5.2.3 助焊劑的活化 (Flux Activation)    助焊劑在制程中的作用受兩個主要因素影響,徹底清除氧化物必須嚴密控制其活化溫度及活話時間。最常見的錯誤是一味單純使用時間/溫度曲線,致使活性劑太快揮發,這種狀況最容易發生在迴流焊過程中,在另一方面,活化時間應足夠長,以使助焊劑可以充分去除PCB,零件腳上及迴流焊罩內的氧化物粉末,理論上對於迴流焊,活化劑的最後揮發時,即為錫膏的金屬化時點。一般認為可接受的活化時間是從30秒到120秒之間。對於標準的錫鉛焊接用助焊劑一般活化溫度為110℃到120℃(230°F到248°F)。關於這點可向供應商查詢,以獲取其更詳盡的資料。5.2.4 錫膏助焊劑 (Solder Paste Flux)    錫膏里的助焊劑是一種化學制劑,該化學制劑又可分為4種主要元素,媒介質(松香/樹脂)、活性劑、溶劑以及流動控制劑,松香/樹脂不是天然就是化合物均是用以控制黏性,防止印刷外形下塌以確保輪廓完整,它們亦可增強助焊劑的活性,溶劑可以溶解松香、樹脂及活性劑。流動控制劑主要功用在於令錫膏中的錫鉛粉末易於由混合物中分離。5.3 焊接 (Solder)    焊接主要是提供電子零件與PCB之間的機械及電氣連接。表面黏著方式的連接是因所有零件均是因所有零件均是靠零件附貼於PCB而得名,正如與其對應的插入技術是因需將零件腳插入PCB以提供機械強度而得名一樣,表面黏著接點的強度及可靠性與焊墊的設計直接相關。    焊錫合金過去用於電子裝配諸如軟合金或軟焊接等,這些合金的溶化溫度低於450℃(842°F)。在焊錫合金中較為活躍的金屬是錫。其主要功能是可提昇焊錫浸潤能力(沾錫性),在焊接過程中,錫可與大多數的基材金屬發生反應,這就導致介面合金的形成,這些合金屬很硬較脆。焊錫與基材金屬可能形成一元、二元或三元的合金,一元者如錫,二元者如錫/鉛,而三元者則如錫/鉛/銀。    軟錫的機械強度較溶化溫度較高的金屬為差,當軟錫須使金屬易於浸潤作用不幸的是,軟錫的流動性在較低溫時並不是很好,在制程中,當焊錫須令兩種相似或某些金屬表面發生浸潤沾錫時,焊錫無需基材金屬溶化,而只要焊接金屬溶化即可,在5.5節中,將回顧焊接過程的基礎知識。金相圖中,包含了已發展出來的所有常用焊接合金,並解釋各種合金或金屬的特性。在<<焊錫與焊接>>(Solder and Soldering) HOWARD MANKO著一書中,可看到有關錫鉛金相圖的完美解釋。    焊錫合金在自然界中有共晶及非共晶之分。共晶錫只有一種因為它只有一個金屬溶點,並且溶化溫度是所有合金中最低的,這是一個較其它合金好的特性,因為非共晶合金均有一個塑化的溫度區間,這將可能使合金在此區間受到震動或擾動影響;並且它可允許以最低的溫度進行焊接。例如,以錫/鉛為主的電氣焊接錫的溶化溫度是231℃(448°F),而鉛的溶化溫度為327℃(621°F),但是合金比為63/37(tin/lead)的共晶合金,其溶化溫度卻只有183℃(361°f),這是在錫/鉛合金比較低的溶化溫度。另外,一種較常用的錫鉛合金是60/40(錫/鉛),這是一種非共晶混合物,它的溶化溫度是189℃(372°F),固化溫度是183℃(361°F),故其塑化區間只有6℃(11°F)。5.3.1 波峰焊接合金 (Ware Soldering Alloys)    正如前面所提及焊錫合金在焊錫過程中一般均會選擇共晶合金及近共晶混合物,故而63sn/37pb及60sn/40pb成為波峰焊接的專用合金。關於這些合金的相關特性現介紹如下:    最為常用的焊錫合金是63sn/37pb,它具有與銅、鎳及錫/鉛表焊接的良好機械、電氣及熱效應特性,如上節所說,它的共晶溶點是183℃(361°F),故其塑化區間只有6℃(11°F)。    60sn/40pb也可用於63sn/37pb的使用區域,但其僅為近共晶混合物,故並未知63sn/37pb一般普及,其液化溫度為189℃(372°F),固化溫度是183℃(361°F)。    焊錫槽的溫度范圍是240℃到260℃(464°F到500°F),但較低的溫度使得預熱成為必須,在低於240℃(464°F)的情況下,溶錫的流動性將受到影響並且須用泵浦輔助流動,并且較低的溫度還助長了氧化物的產生。    焊錫的污染是一大顧慮,在ANSI/J-STD-006"軟錫合金的通常要求及測試方法(General Requirements and test methosd for soft solder allogs)" (類似先前的QQ-S-571)中,描敘了可容許的焊錫合金的規格。在焊錫中,銅及鉛的污染水準是須嚴加管控的,它們的規格分別是低於0.004%(鉛)和0.2%(銅),因為它們將降低焊點的品質,焊槽的污染原因是同一槽的多次重復使用,一個良好的預防措施是依據ANSI/J-STD-006或QQ-S-571,每月對錫進行一次化驗評估。5.3.2 迴流焊錫合金 (Reflow Soldering Allogs)    如波峰焊一樣,共晶焊錫或近共晶合金亦常為迴流焊之首選。63sn/37pb及62sn/36pb/2ag(tin/lead/silver)為迴流焊制程的最常用焊錫合金。有關上敘及其他焊錫合金的資訊現介紹如下:    63sn/37pb,此為最常用的錫膏用焊錫合金。當其與銅、鎳及錫和錫銅表面焊接時,可具備最佳的機械、電氣及熱效應性能。本共晶合金的液化溫度為183℃,故其迴流焊的溫度范圍是208℃到223℃(406°F到433°F)。    63sn/36pb/2Ag(tin/lead/silver)組成的合金用於焊接面單方或雙方均含銀的制程中,添加的2%銀將有助於限制銀的擴散及迴焊過程中緩解強度的減弱,可適用於銅、鎳、錫及錫/鉛等的焊接。本近共晶合金的液化溫度是179℃到189℃(345°F到372°F)。(真證的共晶合金實際上是62.5sn/36.1pb/1.4Ag, 迴流焊的工作溫度是204℃到229℃(399°F到444°F)。    60sn/40pb亦可適用於63sn/37pb的運用環境,但由於其僅為近共晶合金,故其普遍性及有效性並無63sn/37pb那段良好,其液化溫度是183℃到189℃(361°F到372°F),故其迴流溫度范圍為208℃到223℃(406°F到433°F)。    當需進行較特殊的焊接時,可考慮使用其它的一些焊錫合金,低溫的焊錫合金通常會加入鉍或者銦,例如: 43sn/43pb/14Bi或50sn/50in。高溫的焊錫合金通常會加入高份額的鉛,例如:10sn/90pb。    下面四個特性是使用焊錫時必須清礎了解的: 熔化溫度;迴流溫度;(time above melting temperatwre)超熔時間及冷卻率。    迴流溫度一般認為是最低熔點上25℃到40℃(77°F到104°)之間,達到本溫度要求對於徹底地使底材金屬表面濕化是非常重要的; 超熔溫度的維護時間通常是20到60秒,它對焊錫使基材金屬面徹底濕化至關重要。    冷卻率則會影響焊點的強度及完整性,一般而言良好正常的冷卻可獲至光潔精細的焊點,此類焊點不僅強度好,而且可靠性高,一般認為1-2℃/秒(1.8-3.6°F/秒)為正常值,但也有冷卻率是5℃/秒(9°F/秒)的先例。    有關錫膏合金之更詳盡資訊可參考IPC-SF-819"電氣級錫膏的一般要求及測試方法"(General Requirements and test methods for electronic Grade solder paste) (已為ANSI/J-STD-005取代)。5.4 錫膏 (Solder Paste)    雖然錫膏以於業界使用了30年,但相對於大多數制造者而言,它仍是一種新的物料,錫膏一般由以下五種物料混合而成: 金屬粉末,固錫劑(松香/樹脂),活性劑,溶劑及流性控制劑。IPC-SP-819"電氣級錫膏的一般要求及測試方法"(General requirements and test methods for electronic grade solder paste) (已為ANSI/J-STD-005取代),可提供更詳盡之訊息。5.4.1 錫膏的特性 (Solder Paste Characteristics)    錫膏有較好的可變性(多重性能),以適應印刷制程,它們包括黏性、滑動性、黏接性保持時間,黏性失敗之允許嚗露時間,金屬微粒有分含量,粒度及型狀。過去通常由使用者指明錫膏的黏度,金屬粉末的百分含量及型狀,但是,現今的供應商可提供產品特性的詳盡描述,以供使用者依據印刷的需求提出修正意見。    黏度是非常重要的錫膏指標,也是很容易被誤解的,至少在量測時如此,黏度以泊為單位來衡量,也常以百分之几泊或千分之几泊來衡量。黏度的量測有兩種黏度計供選用,Brookfield式及malcom式,其中Brookfield式被認為是業界的標準量具,而malcom式則用于測試動態黏度,其方式區別于Brookfield方式,也就是說malcom是在測試在剪切狀況下的黏度,即因印刷時錫膏穿過鋼板時的黏度。雖然方向關系復雜,Brookfield黏度大致是malcom黏度的3倍,(換句話說900,00CPS的Brookfield相當于300,00CPS的malcom黏度),在測量黏度前先將錫膏穩定于25℃(77°F)狀況至少2小時,是非常重要的,黏度的測試值應該在供應商提供之數值±10%以內,當對黏度有特殊要求時需明確提出黏度值的大小,因為不同的設備對黏度的需求不同,一般應注意黏度、設備型號、主軸型式(SPINDLE TYPE),每分鍾轉數、讀數時間、膠化溫度等。例如: 950,000釐泊,設備型號是Brookfield RVTD螺旋槽,TF臨時固定型主軸,每分鍾5轉,讀數時間是2分鍾,膠化溫度是25℃(77°F),依據供應商的建議進行黏度的測試是明智之舉。一般網板印刷的黏度要求範圍是500,000釐泊到1300,000釐泊,印刷期間錫膏應保持在25±5℃(77°F)間,因為每1℃的變化,可能會損失10,000到20,000釐泊的黏度。    錫膏塌陷是其不能保持印刷形狀的結果,也可看成是錫膏塊在長、寬、高方向的損失變化,塌陷又可進一步分為冷塌陷及熱塌陷,冷塌陷發生于室溫狀況,而熱塌陷發生于迴流焊過程。    熱塌陷在兩種狀況中較易導致異常,若溢錫令焊點搭橋短路,黏性保持時間亦是黏著制程的重要困素也是印刷制程的重點,如果其黏度性不佳,則會影響其與焊熱的黏著強度,業界有數種測試黏著性的方法它們的基本原理均是將一個簡單的零件放置在錫膏上,然后將其反轉,并記錄下直至零件掉下的時間長短,以作測試,一些較復雜的測試方法亦由此原理發展而來。    金屬的百分含量直接影響錫膏的黏度,在可印刷型錫膏中金屬的含量從85%-92%不等,而最常見的含量是在88%到90%之間為一般印刷用之錫膏中金屬之含量。    金屬粒的型狀可影響印刷性及氧化控制,球型是最好的微粒形狀,因為它的表面積最小,并且球型也更利于穿過鋼板或網板,也正由于其表面積最小,故更其可被氧化的部份極極為有限,依據IPC-SP-819要求所有的金屬粒的長寬比為2到1之間,如些小量的異常對印刷及迴流焊制程并無多大影響,圖5.1是良好的球型金屬微粒狀況。    圖5.1良好的錫膏金屬粒.    依據IPC-SP-819,錫膏的金屬微粒分為4組尺寸,這種分組法的基礎的泰勒標準濾網,表5.2是4種類型的狀況。    表5.2 IPC-SP-819金屬粒尺寸分級。    1型是最不常用的,因其尺寸太小,2型是最為常用的微粒尺寸,它可適用于除Fine-Pish(精細間距)外的所有埸合,而3、4型則是專用Fine-Pitch場合,一種常用的金屬微粒標示方法是直接標出微粒尺寸,它區別于以IPC方式用網篩尺寸表示分級狀況,故2型金屬微粒亦稱: -200(75微米, 注 1微米=10  米)+325(45微米)負號表示微粒可通過該型網篩,而正號則表示不可通過,通常這種標示也表明至少有80%的粒子尺寸介于75和45微米之間(指2型而言)。    如果錫膏選擇正確,黏度、癱塌、黏性保持時間及嚗露時間,金屬含量,粒度及微粒型狀受到良好控制的話,將可獲至良好的錫膏印,刷效果。5.5 焊接的基礎知識 (Soldering Basics)    關于焊接的過程有几個基本的組成部份應清楚地了解。本節不打算對焊接做細節的解釋說明。它只是對焊接的一個簡述,電氣焊接是將兩種近似或非近似的金屬(如零件腳或PCB的焊墊),用軟合金黏接在一起,以形成電氣或機械接觸面。    焊接的一個重要現象是濕化(浸潤)現象,也就是熔化的焊錫在基材金屬表面的擴散狀況,在定義中,濕化(浸潤)及良好的合金形成,而金屬間化合層形成狀況則可正面提昇焊點的可靠性,或是影響焊接性及可靠性。    濕化(浸潤)的一個重要表征就是接觸角,也就是熔錫與金屬基材之間的夾角。若為很小的夾角,則表示濕化(浸潤)良好,90°及小于90°的接觸角是允收的,而大于90°的接觸角則是拒收的,圖5.2列舉了三種情形,分別是小于、等于及大于90°的情形,而圖5.3則是關于方形的電阻、電容零件的濕化關況圖示。    圖5.2焊錫接觸角.   圖5.3帶零件的焊錫接觸角.    一般關于焊錫的浸潤問題可分為非濕化及次濕化。非濕化就是焊錫完成未擴散并未與基材金屬中表面連接,次濕化則是指焊錫未充分于基材金屬表面擴散及連接狀況。對于非濕化的判定是容易的,而要正確判定次濕化的允收要困難得多。    非濕化,次濕化的原因無非就是表面氧化及表面臟污或金屬間化合物的問題,如果金屬表面的氧化物或臟污太多,至使助焊劑無法完全去除,就將導致焊錫的充分與基材金屬表面濕化,如果覆蓋焊錫層太薄,則將導致制程中嚗露出錫與基材間的合金屬層,而該合金層的可焊性是很差的,基至無法上錫,所以,對于覆蓋基材金屬上金屬間合金層的錫應至少有300微英時。5.6 零件的表面處理 (Component Surface Finicw)    零件腳一般由銅或銅合金制成,而另一些合金如鐵鎳鈷合金(KOVAR 53%鐵, 29%鈷), 或鋁42(42%鎳, 58%鐵),也較為常用。銅之所以較常用是因為它的熱傳導性,另外,鐵鈷鎳合金鋁42的延展性也比銅要差,特別是在成型"J"型腳時,表現更甚。    另外,但是低效的一種方法也可防止銀的濾析出,不過它僅用于迴流焊制程,一般錫膏合金中含有約2%的銀(62Sn/36Pb/2Ag)可代替代標準的63Sn/37Pb型合金,由于錫與銀同族使銀可與錫膏柔和,并且不僅使用于端接點。    零組件的沾錫性試驗有助于防止制程中發生焊錫問題,ANSI/J-STD-0003"Component Solderability Test Methods"(零組件沾錫試驗方法),可作為專業參考。   圖5.4浸潤平衡測試系統。5.7 底材產表面處理(SUBSTRATE SURFACE FINISH)    PCB的表面涂覆可用電鍍、沉積或熱涂覆,電鍍式表面處理是將錫鉛鍍在銅墊上然後用紅外線或熱油槽令其沉積下來。熱涂覆是利用水平或垂直的熱空氣平穩運動系統。HAL(平穩運動系統)制程可產生一不大平滑均勻的處理表面,此一狀況又可能增加沾錫性問題,這可能也是平面度的問題,對於任一方案,涂覆之錫/鉛厚度至少應有300微時以保障良好沾錫性的長期保持。REFERENCE1. 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Circuits Assembly, March 1991, PP34-42.6.黏膠及錫膏的運用方法術語:切口(APERTURE)    在絲網或鋼板上的開口.剛性刮刀(FIXED SQUEEGEE)    水平固定在基座上的刮刀.柔性銅(模)板(FLEXIBLE STENCIL)    用金屬絲網張結固定的鋼(模)板.浮動刮刀(FLOATING SQUEEGEE)    附著在一個浮動機構上的刮刀,可于印刷過程中隨PCB的外形起伏,調整刮刀高度.非接觸印刷(OFF-CONTACT)    一種絲網或鋼板與PCB表面保持有一定距離的印刷狀況,僅刮刀令絲網與鋼     板和PCB表面進行瞬間的接觸.接觸印刷(ON-CONTACT)    在印刷過程中絲網或鋼板始終與PCB接觸的印刷狀況.絲網(SCREEN)    一種為塑膠板蓋的絲網,其上的切口與PCB上的焊墊吻合,在印刷過程中,黏     膠或錫膏被擠過和些切口,并附著在PCB的表面上.間距(SNAP OFF)    在非接觸式印刷中,絲網或銅板的底面到PCB上表面間的距離.刮刀(SQUEEGEE BLADE)    一種塑膠或金屬刀狀物用于促使(推擠)黏膠或錫膏通過絲網或鋼板.鋼(模)板(STENCIL)    一種用黃銅或不鏽鋼以化學蝕刻方法制成切口與PCB表面焊墊一致的薄片,在印刷過程中,黏膠與錫膏便是通過這些切口黏于PCB的表面.6.0 序言    一般來說,將黏膠或錫膏置于PCB上,有兩種方法: 印刷或點分法, 兩種方法均是常用的,至于實際使用哪一種,則依使用者的實際需求而定。    表6.1是印刷及點分法使用時的要求及注意事項的匯總。柔性工具是可柔變者,而剛性工具則是不可變的.印刷及點膠常被忽視,此將是非常不幸的,因為它們對整個黏著制程的影響度遠較其它制程為大,一般人均將注意力偏向黏著站及迴流站,但是印刷及點膠的變異影響遠較其它制程大,如果不適當修正這些觀念,此兩個制程的影響可能導致整個黏著制程完全失敗。本章將回顧絲網、鋼板的制造,刮刀、印刷系統,印刷方法及制程參數,印刷制程之缺點,點膠設備及點膠制程的缺點.6.1 印刷(PRINTING)    印刷是一個建立在流體力學下的制程,它可多次重復地保持,將定量的物料(錫膏或黏膠)涂覆在PCB的表面,一般來講,印刷制程是非常簡單的,PCB的上面與絲網或鋼板保持一定距離(非接觸式)或完全貼住(接觸式),錫膏或黏膠在刮刀的作用下流過絲網或鋼板的表面,并將其上的切口填滿,于是錫膏或黏膠便貼在PCB的表面,最后,絲網或鋼板與PCB分離,于是便留下由錫膏或黏膠組成的圖像在PCB上.    絲印,得名于油墨,膠,及錫膏印刷僅由絲網承擔的時期,現在錫膏的印刷大多數均是使用鋼板,印刷制程一般與錫膏印刷聯系在一起,但是,該方法亦可成功地運用于黏膠的印刷,當精細間距技術的出現更增加了印刷的復雜性,現在,印刷制程及錫膏的制造正被推向極限.6.2 絲網及鋼板的制造(SCREEN AND STENCIL FABRICATION)6.2.1 框架(FRAMES)    框架是一種利用鑄造或擠壓成型的鋁型材,一般而言,框架的尺寸依要使用的成型方法而定,鑄造法可良好用于小框架的制造,較大的框架鑄造有一定的困難,大框架一般均是用擠壓成型的鋁型材焊接而成,鑄造成型的框架由于在鑄造后經過機械加工,故而它是精細且尺寸准確的,而用型材焊接成型的框架較易變形,故而僅使用于有機械夾持的印刷機構內.     表6.1印刷與點膠比較表    絲網是通過膠水將其與框架的底面張結在一起的,鋼板則是直接與框架粘接或用多元酯或不鏽鋼網與框架粘接,如果是直接與框架粘接,則金屬箔便直接與框架底面粘貼,若需用金屬網,則需將網粘于金屬箔的上面,然后與框架的底面黏著,絲網的粘接方法類似于柔性鋼板的黏貼,但其特點是可將鋼板張緊并消除彎曲變形,框架的黏貼準則如圖6.1(絲網)及圖6.2柔性(鋼板6.2.2 絲網(SCREENS)    絲網,如圖6.3所示,一般由可感光材料附在不鏽鋼絲網上組成,其上之切口一般是由高強度的紫外線進行感光,而那些被工作底片蓋做的區域未曾感光,便可被洗去,于是形成切口(縫隙    金屬絲網網的有效命名法是在1英時內擁有的網眼數及絲的尺寸大小,一種有80個網眼(一英時內)且線經為0.94MM(0.0037")的絲網是最為常用的,另外,較為常用的是60、120、150、180和200眼的,而線經亦由0.05MM(0.002")到0.127MM(0.005")不等,近似的印刷厚度計算公式如下:    WT = (MT + ET) × (AO × PO)    圖6.1完整的絲網樣品,SCREEN-TOP VIEW 俯視圖.reservoir area : 錫膏黏膠貯放區emulsion pattern : 感光乳劑片mesh : 絲網fram : 框架50mm minimum mesh border : 至少50mm的網邊50mm minimum : 至少50mm25mm mimimum emnlsion border : 至少25mm的感光劑邊框                                                edge of emulsion : 感光劑邊緣  圖6.2完整的鋼板樣品,FLEXIBLE STENCIL-TOP VIEW 柔性鋼板俯視圖.reservoir area : 錫膏黏膠貯存區stencil pattern : 鋼板mesh : 鋼板50mm minimnm mesh border : 至少50mm的網邊50mm minimum pattern border : 至少25mm的板邊fram : 框架圖6.3 SECTION VIEVO COMPARING SCREEN AND STENCIL 絲網與鋼板的剖視圖比較.  screen : 絲網              mesh : 金屬絲網  aperture : 切口,縫隙       emnlsion : 感光乳劑(片)  fram : 框架                adhesive bond line : 黏合線  stenal : 鋼板    此處MT是金屬絲網的厚度,ET是感光片的厚度,AO是切口的面積,而PO則是開口面積中特定金屬絲線所占的百分比,有關金屬絲線之直徑,感光的厚度及開口的面積可由絲網的提供者查詢.    將感先片附著于金屬絲網可用直接或間接的方法,直接法是將液態的感光片直接涂在金屬絲網上,而間接法則是將固態并預活化感光片,在任何方法中,感光均需完成,然后活化再感光定型,最后去除并洗去未感光的感光劑(片)/    大多數狀況下,由于鋼板的出現,絲網的使用情形逐步減少,至少在錫膏印刷方面是如此,對于錫膏印刷,絲網最主要用于低級且少量而非精細間距技術的狀況,當然,絲網目前仍可成功地進行黏膠的印刷,有關切口的設計細節可參考6.5.3(適用于黏膠)及6.6.2(適用于錫膏6.2.3 鋼板(stencil)    鋼板,如圖6.3所示,是一種用液體或干膜覆蓋于金屬薄片并蝕刻制成的金屬板,覆蓋層除那些需蝕刻成切口的區域外,將金屬薄片完全蓋住,蝕刻后,再將覆蓋層去除,將此金屬薄片直接粘接在框架上,稱為金屬鋼板,若是通過金屬絲網與框架進行粘接,則稱為柔性鋼板,一般建議使用柔性鋼板的粘接方式,因為金屬絲網可令鋼板在其牽引下變得平坦無彎曲.       鋼板一般由黃銅或不鏽鋼制成,早期使用黃銅是因其容易取得且易于蝕刻,但是,黃銅因為其抗強度僅為27.000 1b ,而顯得太軟,所以,黃銅制成的印刷模板在制程中,取置及貯存時均易變形受損。而不鏽鋼,因其抗強度為163.000 1b之高,故不易變形受損,因為很耐用,不鏽鋼的缺點是蝕刻為困難.    圖6.4是蝕刻的側面狀況.     P6.4蝕刻的側面狀況.    金屬片上的切口尺寸大約會比工作底片上的尺寸增大約50%,此一增大狀況產生于蝕刻制程,稱為蝕刻率,例如,一塊粗為0.254MM的寬度在蝕刻后將在X、Y兩個方向上增加0.127MM,此蝕刻率可通過使用者或供應商修正蝕刻底片進行控制,向供應商查詢后可知其最佳的蝕刻率控制方法,另一個重要的因素是寬厚比,即鋼板的厚度與板上最窄切口的寬度的比值,例如,在圖6.3中所示,其有效比值為1(T):1.5(W),較小的比值將給加工完成增加困難, 而是也會令錫膏的印刷困難重重,因為錫膏難以從鋼板通過。蝕刻可釆單面或雙面式,單面式蝕刻將導致切口的一面大于另一面,而雙面式蝕刻則可令鋼板面的切口大小一致,有一種關于單面式蝕刻成的喇叭口的使用提案,就是將較大的開口面貼于PCB,如此,將有利于錫膏通過鋼板,附于PCB上。這種理論被証明是不正確的,因為錫膏總是趨向充滿切口的,而喇叭型的切口增大了切口與錫膏的接觸面積此一因素將增加錫膏的分離難度。    有關切口的設計細節可參考6.5.3(黏膠)及6.6.2(錫膏)節。6.2.4 視覺識別標示的平整度(Alignment Targets)    如果印刷機未配備視覺系統,將難于找到絲網及鋼板與PCB的平行面,人工識別標示將有助于絲網及鋼板的水平設置。識別標示可以是任何型狀,一般來說用2.54mm(0.100")的方塊就是夠了,在絲網或鋼板的對角上如PCB一樣,有兩個識別標示,使用時,將PCB置于印刷機并將PCB及絲網或鋼板的識別標識對齊即可,此識別標示亦可作為一個制程控制的工