高速PCB设计的基本常识

　

概要：焊膏粘度必须通过IPC-650和Sanyo TCM 3000设定的测试标准。c) 在板子回流“工艺窗口”内，即峰值温度229-245oC， 液相线以上时间（TAL，times above liquidus）60-80秒，达到可接受的润湿和焊接性能。d) 焊接质量评估包括：通过可视检查、润湿和焊接测试。e）进行必须通过表面绝缘电阻（SIR）测试。测试采用IPC/J-STD-004和Motorola自己更严格的测试样本(IPC-B-25)。f) 通过包括跌落测试、液体温度冲击、剪切力测试等可靠性测试。Motorola测试了来自8家供应商的25种焊膏，并且使用了标准的Sn/Pb焊膏作为对比试验。该无铅项目的完成一共用了3年的时间，费用超过一百万美元。● 焊膏的钢网印刷评估采用gage重复性和再现性(Gage R&R)，设计DOE试验，以测量钢网印刷焊膏体积的一致性。在时间=0（新鲜搅拌焊膏）、1和4小时焊膏搁置时间时，进行测量。对0.3mm (12 mil)SMD焊盘总共进行5种焊膏印刷试验，对比控制焊膏为SnPb焊膏，结果显示所有焊膏印刷体积都在大约+/- 20% 2σ下进行一致性控制，这种控制被认为在应用上是可接受的。搁置1小时后，很明显有些焊膏就不可接受了，其中有的平均印刷体积减少大

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WEEE法规将如期实行，这意味着从2006年7月1日开始，卖到欧盟的所有电子产品都必须实现无铅化组装。目前已有制造商成功开发出了无铅组装工艺，实现了无铅组装并生产出了数百万的无铅化产品。位于美国佛罗里达州的Motorola公司开发出来的一个“免洗”无铅工艺就是一个成功案例。
　　
工艺过程的建立
　　以下是Motorola公司开发一个无铅工艺的主要过程。所讨论的焊膏的选择和工艺的建立，适合于所有上述PWB和元器件引脚表面处理。Motorola挑选了数家焊膏供应商的产品进行评估，最终选择了Indium公司的无铅焊膏进行无铅工艺的开发和产品制造。
●     设定评估标准
该工艺过程开发的成功的评估标准是：
a) 在t=0时，所有焊膏印刷体积必须一致；搁置1和4小时之后，焊膏印刷体积的变化应小于+/-20%。
b) 焊膏粘度必须通过IPC-650和Sanyo TCM 3000设定的测试标准。
c) 在板子回流“工艺窗口”内，即峰值温度229-245oC， 液相线以上时间（TAL，times above liquidus）60-80秒，达到可接受的润湿和焊接性能。
d) 焊接质量评估包括：通过可视检查、润湿和焊接测试。
e）进行必须通过表面绝缘电阻（SIR）测试。测试采用IPC/J-STD-004和Motorola自己更严格的测试样本(IPC-B-25)。
f) 通过包括跌落测试、液体温度冲击、剪切力测试等可靠性测试。
　　Motorola测试了来自8家供应商的25种焊膏，并且使用了标准的Sn/Pb焊膏作为对比试验。该无铅项目的完成一共用了3年的时间，费用超过一百万美元。
● 焊膏的钢网印刷评估
　　采用gage重复性和再现性(Gage R&R)，设计DOE试验，以测量钢网印刷焊膏体积的一致性。在时间=0（新鲜搅拌焊膏）、1和4小时焊膏搁置时间时，进行测量。对0.3mm (12 mil)SMD焊盘总共进行5种焊膏印刷试验，对比控制焊膏为SnPb焊膏，结果显示所有焊膏印刷体积都在大约+/- 20% 2σ下进行一致性控制，这种控制被认为在应用上是可接受的。
　　搁置1小时后，很明显有些焊膏就不可接受了，其中有的平均印刷体积减少大约35%。Motorola做了类似的众多试验，并将试验结果同焊膏供应商分享，以协助他们改善焊膏，开发出更好的新焊膏产品。
● 焊膏粘度试验
　　为了测试粘度，被印刷焊膏分别留置0、1、2、4和8小时后，采用IPC/J-STD-005规定的粘度测试流程，使用了直径为5mm测试探针。测试结果表明对比样品或两种无铅焊膏之间没有明显区别，对大多数被评估的无铅焊膏均得到同样的结果。
　　元件贴装后还进行了振动测试，并通过目见检测确认测试结果。测试中，元件被故意贴偏，从而评估焊膏是否能将元件拉回正确的位置。对大多数被评估测试焊膏来讲，测试结果是肯定的。与用于对比的Sn/Pb焊膏控制方法来讲，长时间的粘附性和粘度这两个指标与对比样品均没有明显的不同。

　● 回流曲线开发
　　在整个无铅工艺开发过程中，回流曲线的开发是最重要的。控制参数有峰值温度Tp、液相线时间TAL和焊膏种类。评价标准是焊接性能和焊点质量。由于该部分工作最需要投入，为减少参与测试的焊膏种类，再此之前进行了大量的筛选试验，因此，只有8种焊膏进入回流DOE试验（供应商A：焊膏1-3号；供应商B：焊膏1-3号；供应商C：焊膏1和2号）。


图2为一个全因素2x3 DOE试验方案。
该DOE非常严格，为了得到优良的回流性能，其Tp只有229℃，TAL只有60秒。Tp仅高于焊料熔点12℃，甚至比通常共晶Sn/Pb焊料的温度设置还要严格。 图6为使用的“斜坡状峰”回流曲线，在热风回流环境中，从P1到P9，焊膏性能必须要得到较好的发挥。
　　DOE评估结果是，只有一种焊膏（铟公司的NC-SMQ230），能够在9种回流温度下提供良好的焊接和焊点，满足所设立的无铅焊膏的评估准则。Motorola最终选择了图3所示为这种焊膏的回流曲线。在+/-5℃的典型的回流工艺温度变化范围内，这种焊膏满足所有P1-P9情况的回流温度设置。与其它参与评估焊膏相比，该焊膏具有良好的焊接性能，焊接效果如图4所示。我们相信，大多数无铅焊膏焊接差的原因是由于助焊剂不能保护无铅焊料粉末颗粒免受热风回流焊接过程中空气对其氧化的影响。

焊接质量与焊脚质量的结果是一致的（图5），并且焊接效果和SnPb焊料焊接效果几乎一致。差的焊点上锡不足，影响焊点区域可靠性，采用高倍放大镜测量焊料和PWB焊盘之间界面，发现NC-SMQ  230焊膏在界面处形成了均匀的金属间化合物（图6）。
● 表面绝缘电阻（SIR）测试
　　焊膏回流焊接后，必须通过SIR测试。Motorola开发了一种比IPC/J-STD-004推荐的更严格的测试，将温度、湿度、J-STD-004电阻要求与IPC-B-25规定的梳形测试样品结合起来进行测试。带有B25梳形图的测试PWB如图7所示。NC-SMQ  230通过了IPC和Motorola公司SIR的双重测试要求。
● 机械可靠性测试
　　可靠性测试包括跌落、剪切、液-液温度冲击和加速寿命循环（ALT）测试，这些测试都在真实产品上进行（本测试是蜂窝电话）。跌落试验包括：6个机械平面的1.5米跌落在一个硬表面上；2小时垂直和水平振动；48小时热冲击（-40到+80℃）。该测试步骤重复3次，随后所有样品均通过百分之百的焊点开裂分析。NC-SMQ  230焊膏的测 试结果非常可嘉，与SnPb焊接工艺相比，此焊膏对焊接的焊点很少有明显开裂。
　　剪切测试是在选定的元件上完成的，样品首先要经过450个液-液温度冲击（-55到+125℃）循环。选定的用于测试的元件如图8所示，剪切测试的结果显示，NC-SMQ  230焊膏与传统SnPb的测试结果是相似的，在统计上并没有明显差别。
其它需要考虑的因素
　　在工艺开发之外，需要工艺工程师和管理人员优先考虑的其它几个无铅装联问题有：
● 缺陷
　　在大部分制造工艺里，常遇到各种缺陷，这里介绍2个重要缺陷，这些缺陷在工艺开发中经常出现，需要考虑如何解决。
　　在SnPb焊料组装工艺中，工艺无源元件的“立碑”是一个经常出现的缺陷。较高的表面张力和无铅焊料较高的熔点使“立碑”问题变得更加突出。
图9示出了“立碑”的机理。元件一边的焊膏熔化比另一边早，是造成这一缺陷的通常原因。另外PWB焊盘上过多焊膏或元件贴装不对称也是造成“立碑”的原因。在本工艺开发中，当无源PWB焊盘含有盲孔，使得“立碑”现象尤其明显。这种现象可能是由于含孔焊盘传热更快，造成焊盘上温度较低的原因造成的。
　　修改钢网开口设计，减少焊膏印刷量，可有效减轻这种缺陷问题，具体钢网开口设计如图11所示。随后的工作还显示，在低于液态温度10°C时滞留一小段时间也可以减少“立碑”现象。