基于Sn63Pb37焊膏的噴印技術應用研究

黃 鵬 計孝智 劉 洋 彭彩龍

（四川九洲電器集團有限責任公司，四川 綿陽 621000）

0 引言

軍事電子裝備正在向著小型化、輕量化和高集成化的趨勢發展，各型號產品在進行生產過程中的表面組裝時，焊膏絲網印刷工藝面臨著如下問題：同一塊印制電路板上的焊盤尺寸大小差異較大時，焊盤對焊膏的需求量也不同，采用不同厚度的鋼網工裝，其印刷效果也不同。

焊膏噴印技術是一種新興的無鋼網噴印工藝技術，利用其獨特的噴射器結構在印制板上方以極高的速度噴射焊膏，是完全無接觸的，類似于噴墨打印機，及時快速。掌握并應用該項新興工藝技術，能夠有效解決上述軍工產品面臨的問題，并能滿足安裝板復雜度日益提高的要求和質量要求，控制每個元件引腳所需的焊膏量，以保證獲得最佳的焊點質量。

1 焊膏噴印的數學模型研究

瑞典的MYCRONIC公司（更名前叫作MYDATA）于2007年前后推出了焊膏噴印技術，并搭載在其研制生產的焊錫膏噴印機上，其型號從MY500發展到MY700。該文在掌握了焊膏噴印技術的基本原理后，基于Sn63Pb37型焊膏，開展焊膏噴印的數學模型研究。

1.1 建立數學模型的思路分析

研究思路是對比分析絲網印刷技術和噴印技術，以絲網印刷技術為基準，噴印技術參照絲網印刷技術取得的焊膏涂覆效果進行研究。

焊膏是將合金焊粉與助焊劑攪拌混合而成的一種膏狀混合物。噴印工藝技術和絲網印刷工藝技術采用的錫鉛焊膏型號相同，均為Sn63Pb37，但助焊劑含量不同。此外，絲網印刷后印制電路板焊盤上焊膏為規則矩形狀，噴印后印制板上焊膏與焊盤圖形大致相似，轉角處為圓弧平滑過渡，兩種工藝技術中焊膏涂覆后形貌有細微差別。

焊膏回流焊之后形成焊點，其焊點質量可從其焊點形貌和器件引腳和焊料、焊料和印制電路板焊盤之間的金屬間化合物（IMC）厚度來評價，其實質是，兩種焊膏涂覆技術中形成焊點實體的錫鉛合金質量相等，后續各工序保持相同，即可形成相類似的焊點，確保噴印環節和絲網印刷環節取得相同的焊膏涂覆效果，進而保證焊點質量。

1.2 兩種焊膏涂覆技術體積關系研究

工廠目前使用的絲網印刷錫鉛焊膏為Alpha公司的OL-107E（Sn63Pb37），其錫鉛合金質量比例為90%，助焊劑質量比例為10%；使用的噴印錫鉛焊膏為AIM公司的NC 257 MD（Sn63Pb37），其錫鉛合金質量比例為86.5%，助焊劑質量比例為13.5%。據查錫鉛合金的密度約為8.6g/cm3，助焊劑的密度約為0.85g/cm3。

對絲網印刷錫鉛焊膏，設錫鉛合金的體積為，助焊劑的體積為，總的體積為，可得出公式（1）和公式（2）。

由公式（1）和公式（2）可得出公式（3）。

對噴印錫鉛焊膏，設錫鉛合金的體積為，助焊劑的體積為，總的體積為，可得出公式（4）和公式（5）。

由公式（4）和公式（5）可得出公式（6）。

為保證兩種焊膏涂覆技術中形成焊點實體的錫鉛合金質量相等，令=，則 8.6=8.6，把公式（3）和公式（6）代入可得公式（7）和公式（8）。

根據公式（8）可知，兩種焊膏涂覆方式要達到錫鉛合金質量相等的目標，噴印焊膏體積量約為絲網印刷焊膏體積量的1.2倍。

1.3 焊膏噴印的數學模型建立

首先，絲網印刷的體積量由其鋼網工裝決定，鋼網工裝厚度大，印刷的焊膏體積量多，鋼網工裝厚度小，印刷的焊膏體積量少。絲網印刷的鋼網工裝厚度設計參考IPC-7525《鋼網設計原則》執行，鋼網工裝厚度與印制電路板上封裝引腳中心間距對應關系詳見表1。

表1 引腳中心間距和鋼網工裝厚度關系表

其次，MY700焊膏噴印設備噴印主要參數為噴印體積量，當噴印體積量設置為100%，噴印的體積量等效于對應絲網印刷鋼網工裝厚度為0.125mm的印刷體積量。因此，在表1基礎上可得到噴印體積量與引腳中心間距的關系，見表2。

表2 噴印體積量和引腳中心間距的關系表

最后，在表2的基礎上，結合噴印焊膏體積量是絲網印刷焊膏體積量的1.2倍關系，同時考慮絲網印刷時焊膏的轉移率約為70%~100%，可建立焊膏噴印體積量和引腳中心間距之間的初步數學模型，如下。

該數學模型中，Z為焊膏噴印質量函數，p為引腳中心間距（mm），V為焊膏噴印體積設置值（%）。當V的取值在規定的范圍內，Z表征為合格，當V取值不在規定的范圍內，Z表征為不合格。

2 噴印用印制電路板工藝樣件設計

根據工廠印制電路板具體設計情況，采用了Altium Designer Winter 09以及Cadence 16.6這2個設計軟件進行印制電路板設計，設計中包括了工廠主要的表面貼裝式元器件封裝類型，如0402、0603、0805、1206、1210、1812、3025等片式電阻電容，CA45A、CA45B、CA45C、CA45D等鉭電容器件，QFN、BGA、SOP、QFP等集成電路，以及電感器件、二極管和SOT系列晶體管。

3 Sn63Pb37焊膏噴印試驗

工廠目前已配備最新型號的MY700噴印設備，為實際噴印應用建立了試驗基礎。

工廠配備的MY700噴印設備可調節的參數為焊膏噴印體積量（%）、噴印圖形尺寸（mm）、噴印高度（μm），其中噴印圖形尺寸默認選用導入的gerber文件外形尺寸，噴印高度（μm）選用默認最佳高度值0.65 mm，具體最重要可調節的參數只有焊膏噴印體積量，可為不同封裝引腳中心間距適配不同的噴印體積量參數，以滿足不同封裝的需求。

根據上述建立的初步數學模型，設計焊膏噴印試驗方案，見表3。由于MY700噴印設備本身的特點，設置噴印體積量約10%的變化，否則對噴印體積量幾乎無影響，因此對數學模型中的噴印體積量進行取整，并每間隔10%進行噴印試驗。如8個引腳、引腳中心間距為1.25mm的SOP器件，第一個器件左邊從上到下，2個焊盤為一組，共2組，分別噴印100%、110%體積量。同理，右邊焊盤，共2組，分別噴印120%、130%體積量。以此類推，第二個器件，分別噴印140%、150%、160%和170%的體積量，直至所有該封裝的器件焊盤噴印完畢，覆蓋數學模型中的所有參數范圍。按照此設計方案進行噴印試驗，SOP的最終噴印效果如圖1所示。

表3 QFP、SOP、BGA等器件噴印試驗設計表

圖1 S0P噴印效果圖

同理，其他封裝類型按照該思路設計噴印試驗方案。同時阻容器件和QFN器件噴印參數參考PLCC、QFP的引腳中心間距執行，QFN器件中間散熱焊盤參照IPC-7093《底部端子元器件（BTC）設計和組裝工藝的實施》，印制電路板上的散熱焊盤應該有75%以上的焊料覆蓋率。因此，QFN器件中間散熱焊盤焊膏噴印體積量設計噴印80%~90%。具體設計方案見表4。

表4 阻容及QFN器件噴印試驗表

4 焊膏噴印檢測（SPI）

工廠絲網印刷焊膏的體積比、面積比的檢測標準均為60%~200%，考慮公式（8）表明的噴印焊膏體積量是絲網印刷焊膏體積量的1.2倍關系，在絲網印刷焊膏檢測標準基礎上增加至1.2倍，得出適用于焊膏噴印工藝焊膏體積比、面積比的檢測標準為70%~240%。

按照上述設計的焊膏噴印試驗方案對各類封裝焊盤完成焊膏噴印后，采用3D焊膏檢測設備（型號為S8030L，廠家為深圳思泰克科技公司）對噴印試驗板樣件檢測噴印的焊膏體積比、面積比是否合適，檢測結果均為“通過”，表明噴印的焊膏體積比、面積比符合要求。

5 貼片及回流溫度曲線設置

噴印焊膏推薦的回流焊溫度曲線如圖2所示，采用的回流爐為BTU Pyramax100A（八溫區回流爐），根據圖2推薦的溫度曲線設置的各溫區溫度詳見表5。按該設置溫度，把溫度傳感器黏貼在試驗板樣件具有代表性的位置處，并把大熱容器件（如BGA）黏貼在試驗板樣件上，完成實際溫度曲線采樣，采樣結果在圖2所示的回流窗口內，表5設置溫度值滿足該焊膏的推薦回流焊溫度。

圖2 噴印焊膏推薦回流焊溫度曲線

表5 回流溫度各溫區設定表/℃

焊膏噴印檢測（SPI）合格后，采用MYDATA MY100SXe-14高精度貼片設備進行各種類型器件的機器貼片，并按表5設置的溫度值完成試驗板樣件的回流焊。

6 焊點形貌分析

回流焊完成后，采用SMT3500LD清洗設備對試驗板進行清洗，清除助焊劑殘留物、污染物及各種雜質。

清洗完成后，依據GJB3243《電子元器件表面安裝要求》、GJB4907《球柵陣列封裝器件組裝通用要求》和QJ165B《航天電子產品安裝通用技術要求》中相關要求對焊點質量進行判斷，判斷具體標準如下。1） CHIP器件焊點的爬升高度大于三分之一元件體的厚度，不超過器件本體。2） LCC、QFP焊料的爬升高度不小于四分之一焊端的高度。3） 單個BGA焊球空洞率≤15%，轉換為面積空洞率為約25%。4）QFN器件單個焊盤空洞率≤15%。

采用視頻放大系統對樣件焊點外觀形貌進行觀測，應用X-ray設備對BGA、QFN單個焊點的空洞率進行檢測，根據檢測結果對建立的數學模型進行反饋修改。

7 切片分析

根據上述焊點形貌分析，可驗證建立的初步數學模型中噴印參數的正確性。為了完成切片分析，取各范圍參數的中間值進行產品樣件進行焊膏噴印、貼片、回流焊和清洗工序，并進行自檢。對檢驗合格的樣件寄送中國賽寶實驗室進行切片分析，對U5位號進行單個焊球面積空洞率及切片分析，空洞率按單個BGA焊球空洞率≤25%檢測標準執行，檢測結果均為合格；對U19位號、U25位號進行切片及IMC層厚度分析，IMC層厚度按1μm~4μm檢測標準執行，檢測結果均為合格。

8 結論

該文基于Sn63Pb37焊膏進行噴印應用系統的研究，通過后續焊點質量檢測合格驗證了建立的數學模型的正確，總結如下。1） 通過噴印試驗，反饋修改建立的最終數學模型為

其中，為焊膏噴印質量函數，為引腳中心間距（mm），為焊膏噴印體積設置值（%）。當的取值在規定的范圍內，表征為合格，當取值不在規定的范圍內，表征為不合格。2） 本次焊膏噴印試驗樣本數量有限，需要積累大量產品使用的效果數據，對該模型進行反饋完善。3） 該研究方法及思路可指導無鉛焊膏（SAC305）、低溫焊膏的噴印應用研究，以及在印制電路板大面積噴印焊膏、深腔體內部細間距器件噴印焊膏和印制板組件返修時焊膏噴印等方面的應用研究，具有較大指導意義。