在真正的生产环境中使用无铅焊膏

这些专栏讨论了许多关于RoHS顺应的计划以及无铅制造业的变革对工艺和设备需求可能造成的影响。

制造商的某些已测试成功并进入全面实施阶段的案例研究值得我们回顾一下。

在本月和下个月的专栏中，我们将介绍两家知名的电子制造商研制的测试体制。这些公司对它们最终选择使用的无铅焊膏有不同的要求，因此，对工艺过程的评价会根据不同的要求进行修改。我们把本月讨论的公司称为"制造商X"。

定制焊膏设计
制造商X开始与它们挑选的焊膏供应商一起设计满足各自品质要求和产品可靠性标准的无铅焊膏。所有这些测试材料必须经过各自生产工艺的测试标准的产品评估。包括：

-- 焊膏沉积的容积评估
-- 回流工艺窗评估
-- 粘着性测量
-- 焊点质量评估
-- 空洞评估
-- 湿法分析
-- 改良的抗表面绝缘（SIR）测试

使用的测试板已被有机助焊剂(OSP)处理。所有被测试材料的焊膏合金由锡95.5银3.8铜0.7 (SAC 387)组成（在空气中进行回流）。锡63铅焊膏用于控制材料特性比较。对制造商X而言，焊剂载体在每种焊膏里都是变化的。

制造商X的测试程序和测试分析

印刷
把在0、1和4小时等待时间时测得的焊膏的释放和印刷性能作为印刷性能的测量标准。焊膏通过各种形状和尺寸的模板孔如：10毫米至18毫米的圆形孔、12毫米至25毫米的方形孔、和9毫米 x 50毫米 至18毫米x 50毫米的椭圆形孔进行印刷。印刷速度、刮刀压力和折断参数是按每位焊膏供应商的建议制定的。

每种印刷测试成功与否由容积测量决定，使用激光层，加上目检找出污染和堵塞的孔。为达到制造商X的要求，垫子上的焊膏沉积量的比率理论上必须和每次测试的一致。因此，1、2和4小时测得的焊膏容积测量应该无差别。尽管焊膏量差异开始超过1小时测量，但它仍可能在每次等待时得到最理想的结果。

要检测小于12毫米的开孔口，模板需从背后照明并且每次测试 (0, 1 和 4 小时)时目检后印刷。图表1是通过10毫米孔的无铅焊膏印刷失败的示例，完全堵塞和部分堵塞的孔造成焊膏量不一致。

图表：检测小于12微寸的开孔口




焊膏粘着性
测试焊膏的粘着性，看它是否能在各种制造过程中保护部件。以IPC-TM-650测试程序为基础，在0、1、2、4和8小时测量粘着力，通过测量从焊膏里拔出5毫米探针用的力来分析粘着力。对选用的焊膏，材料通过250微米厚模板上的直径6.3毫米的圆孔印刷，流到陶瓷基片上，然后存储等待评估。规定的存储时间过后及印刷完毕后，粘着性测量立即进行，焊膏粘着性必须与0、1、2、4和8小时测得的一致。

回流曲线、湿法分析和排泄评估
制造商X需要一种可用于各种生产产品的焊膏，因此，这种成功的材料必须有相当宽的工艺窗口，使它能在所有的九种已完成的回流曲线中同样运作良好。

图表2：要求无铅焊膏可在九种不同的回流曲线中成功运作。



回流时，峰值温度和液相线上方时间之间的交互作用是不同的（参见图表2），小垫子（铜和阻焊定义区的12毫米圆孔）上的接合性能被评定（参见图表3和图表4）。在空气回流过程中出现的氧化粉、焊剂活性化降低、或溶剂用完导致焊膏的接合性差。

进行锡球和接合测试来评定专门的套印焊膏沉积的回流性能。焊膏在12块测试板上印刷：六块未用过的板和六块已在回流炉中氧化过的板。两块立即回流、两块在室温环境下放置两小时后回流，两块在温度30℃ ，90% RH的条件下放置一小时后回流。就接合性能和留在阻焊上的锡球痕迹对套印焊膏沉积进行检验。

图表3：空气回流中出现的氧化粉导致接合性能差



图表4：使用的焊膏呈现出良好的接合性能



也进行加速寿命实验（ALT）以进一步确定长期焊点质量和产品的可靠性。

湿法
在测试板的三个区域中评定湿法性能。材料印刷在9块测试板上：三块未用过的板、三块已在回流炉中氧化过一次的板和三块已在回流炉中氧化过三次的板。回流后，检查指定区域，评估每种材料的湿法特性。（参见图表5）

图表5：焊膏的湿法测试结果



改良的抗表面绝缘测试
为了使无铅焊接性能良好就必需使用催化剂，为确定催化剂是否会对设备的长期可靠性产生影响，制造商X评定了抗表面绝缘性能(SIR)。用一块改良的IPC-B-25测试板进行SIR分析。为了更接近成品板，改良板增加了阻焊。在24到68小时内的不同时段进行电阻测定，需要5个以上不同的管道和至少108阻抗的电压。

结果
经过上述严格的评定后，制造商X就能选择出一种符合他工艺和质量要求的无铅焊膏了。 他现在在全球各地全面执行他的无铅工艺。下个月的专栏中，我们将调查制造商Y的案例研究，他有不同的要求 – 还将评论他对运行了六个月的无铅工艺的质量检测结果。


作者简介
Brian J. Toleno是Henkel的电子集团应用工程组组长，Henkel位于加利福尼亚尔湾。他获得化学理学士学位和分析化学博士学位。在加入Henkel前，他负责费城实验室EMPF的失效分析。

Brian是IPC的底部填充手册委员会(J-STD-030)主席及焊膏标准委员会(J-STD-005)的副主席。他还负责IEMT 2005项目，是SMTA的积极分子。他已发表的文章有SMTA的失效分析课程，两章电子工程手册，还为贸易刊物撰写了大量论文。