摘 要：基于無鉛錫膏基本參數(shù)的分析，介紹經(jīng)典錫膏評估驗證法、Indiurn~＼司的4步無鉛焊膏評估法和實際測試評估法5種錫膏評價體系．通過對每種評估法的系統(tǒng)性和實際操作性的分析，總結(jié)出企業(yè)生產(chǎn)中*有效的錫膏選擇法，并給出了一個實例．

 

 2011年7月1日，歐盟發(fā)布了新版RoHS(restriction of hazardous substances)指令2011／65／EU．新版較原RoHS指令2002／95／EU的管控物質(zhì)的范圍雖未擴(kuò)大，但擴(kuò)大了管控產(chǎn)品的范圍，將所有的電子電氣產(chǎn)品都涵蓋在了管控的范圍內(nèi)(包括線纜和備用零部件)．新版指令的發(fā)布將給中國的電子電氣產(chǎn)品制造企業(yè)，特別是醫(yī)療器械類、監(jiān)視和控制儀器這兩類制造企業(yè)帶來巨大的影響．這將迫使更多的電子制造商啟動無鉛工藝或?qū)o鉛工藝進(jìn)行得更徹底．無鉛錫膏作為無鉛工藝的重要一環(huán)，了解錫膏的性能、選擇合適的錫膏并對其進(jìn)行評價是提高電子產(chǎn)品直通率和降低成本的基礎(chǔ)．

 

 無鉛錫膏并非要求l00％不含鉛，而是要求錫膏內(nèi)鉛含量必須低于0．1％．但是新合金錫膏的研發(fā)不僅需要確保無鉛焊料的可焊性及焊后的可靠性，也要考慮到客戶所承受的成本等眾多問題．據(jù)目前非官方統(tǒng)計，市場上的合金類YJ~I(例如SnAg、SnCu、SnCuAg、SnBi等)超過50種，無鉛合金配方的**超過390種，其中常用的配方也在50種以上．但這只是錫膏的合金配方部分，如果再考慮為了處理不同的工藝需求(例如清洗和免清洗、微間距和非微間距等)、配合器件的焊端鍍層金屬材料(例如純sn、純Ag、Ni／Au、Ag／Pd等等)以及不同的PCB焊盤鍍層材料(例~IIENIG、OSP、ImAg等)在錫膏中摻入的不同類型的助焊劑配方的數(shù)量，錫膏的種類可能超過1萬種¨J．面對如此龐大的錫膏數(shù)量，錫膏使用者必須掌握一套具有很強(qiáng)操作性和可行性的錫膏評價和選擇方案．

 

 1 錫膏初步選擇的要點

 

 1．1 合金成分

 錫膏的合金成分直接影響到焊接溫度、可焊性、焊點等機(jī)電性能．一般在錫膏的產(chǎn)品手冊中會注明產(chǎn)品規(guī)格、產(chǎn)品特性、BELLCORE AND J-STD測試結(jié)果，可以據(jù)此先了解錫膏．目前*常用的錫膏合金成分及熔點見表1．

 SAC(SnAgCu)合金是在SnAg的基礎(chǔ)上加入Cu而成．通過比較多種合金配方形成焊點的機(jī)電性能，SAC合金由于各方面性能表現(xiàn)較為平衡受到歐、美、Et權(quán)威機(jī)構(gòu)的推薦，合金配方以

Ag(3％～4％)Cu(0．5％～2％)為多，其中又以96．5％Sn、3％Ag、0．5％Cu和95．5％Sn、3．8％Ag、0．7％Cu*多．但是該配方的缺點是焊接的實際溫度需高達(dá)245℃左右，并且潤濕性不理想，需要采用特殊的焊劑配方．使用者需要根據(jù)焊劑配方的改變和特定產(chǎn)品的使用情況，評估錫膏的可印性和焊點的可靠性．

 

 1．2 錫膏的粘度

 錫膏的粘度可理解為錫膏的流動阻力(單位“Pa·S”)，它直接影響焊接的效果．粘度低，錫膏流動性好，利于滲錫、工具免洗刷、省時，但成型不好，易引起橋連；粘度高，流動阻力大，能維持良好的錫膏形狀，較適于細(xì)間距印刷，但容易堵塞網(wǎng)孔而引起少錫**．而錫膏的粘度又隨著溫度、運(yùn)動速度、暴露時間的變化而變化．因此需要綜合考慮，將錫膏的粘度控制在合適的的范圍內(nèi)．

 1)錫膏的粘度隨溫度的降低而增大，反之減?。m宜的溫度為(25 d-2．5)℃，為此需對錫膏使用環(huán)境的溫度進(jìn)行管控．

 2)錫膏在鋼網(wǎng)上印刷時的截面直徑越大，粘度越大；反之，直徑越小，粘度越小．但考慮到錫膏暴露在空氣中時間過長會使其品質(zhì)劣化，通常都采用10～15 mm的錫膏滾動直徑．

 3)錫膏的粘度與其運(yùn)動的角速度成反比．印刷速度越大，粘度越小·，反之粘度越大．所以可通過適當(dāng)調(diào)整刮刀速度來改善錫膏的粘度，從而改善錫膏的印刷狀態(tài)．同樣粘度會隨著對錫膏的攪拌而改變，攪拌時粘度會有所降低，但略微靜置后，其粘度會回復(fù)原狀．

 4)刮刀角度也會影響錫膏的粘度．角度越大，粘度越大，反之粘度越?。ǔ２捎?5?；?0。兩種型號的刮刀 ．

 綜上所述，選用錫膏的粘度應(yīng)與所使用工藝匹配，也可以通過工藝參數(shù)的調(diào)整改變其生產(chǎn)粘度．采用鋼網(wǎng)漏印時錫膏的粘度應(yīng)該在800～1 300 Pa·S．目前在0．4PITCH中使用的粘度是l 600 Pa·S．

 

 1．3 目數(shù) 目數(shù)是指篩網(wǎng)每一平方英寸面積上的網(wǎng)孔數(shù)．錫膏目數(shù)指標(biāo)越大，該錫膏中錫粉的顆粒直徑就越小．反之當(dāng)目數(shù)  

越小時，錫膏中錫粉的顆粒越大．?dāng)?shù)據(jù)關(guān)系見表2． 

 選擇錫膏的時候應(yīng)根據(jù)PCB上距離*小的焊點之間的間距來確定目數(shù)，大間距選擇目數(shù)較小的錫膏，反之選擇目數(shù)較大的錫膏．一般選擇顆粒度直徑約為模板開口的1／5以內(nèi)．例如：0．4PITcH一般選擇目數(shù)325～500 MESH，顆粒度25～45 pm．

 

 1．4 助焊劑

 每種錫膏的助焊劑成分各不相同，此為各廠商的技術(shù)機(jī)密，但在選擇時并不需要知道具體的配方，只需考慮焊接的效力(潤濕能力、傳熱能力、清潔表面能力)和焊劑的腐蝕性．理想的焊劑應(yīng)該是高效力、低腐蝕性的．但效力和腐蝕性是兩個對立的指標(biāo)，焊劑的效力越高，它的腐蝕性就越大，反之焊劑的效力越低，它的腐蝕性也就越低．因此焊劑效力的選擇要與使用的元器件、基材、工藝、現(xiàn)有清洗設(shè)備能力的配合性進(jìn)行綜合考慮．

 

 2 錫膏評價體系

 業(yè)內(nèi)經(jīng)典的錫膏評估驗證體系分成4部分，共需要l79 d，包括“錫膏的基本數(shù)據(jù)認(rèn)證17 d”(錫粉的合金成分、錫粉顆粒與形狀測試、助焊劑含有量成分、粘度測試、鹵素含有量成分、錫珠測試、擴(kuò)散性試驗成分、潤濕性試驗、印刷性試驗、坍塌性試驗、銅鏡試驗、鉻酸銀試驗、銅板腐蝕試驗、表面絕緣阻抗測試、電子遷移測試)、“產(chǎn)線基本檢驗32 d”(印刷性驗證、錫膏有效零件貼裝時間驗證、焊點外觀檢查、助焊劑殘留物顏色和體積及干燥度確認(rèn)、錫膏擴(kuò)散性驗證、零件焊點檢查、氣泡確認(rèn)、焊點切片驗證)、“可靠度測試工程116 d”(震動跌落試驗、紅墨水試驗、焊點切片驗證、高溫高濕紅墨水試驗、錫須及助焊劑殘留物變化檢查、焊點切片驗證、IMC層厚度變化及狀態(tài)觀察、冷熱沖擊試驗、焊點龜裂觀察、焊點切片驗證、推拉力試驗、BGA Type焊點斷裂面分布情形測定)、“RolS指令驗證14 d”【3]．這種評估方法得到的參數(shù)一般可以在錫膏供應(yīng)商提供的產(chǎn)品說明書和質(zhì)量報告中找到．根據(jù)這些參數(shù)，使用者可以篩選出5種左右的錫膏，進(jìn)行焊膏實際使用效果的評估，這一步將在生產(chǎn)組裝線上進(jìn)行．

 

 Indium公司開發(fā)了一套4步無鉛焊膏的實際使用效果評估方法，時間短、效率高、可操作性強(qiáng)．

 

 步驟1：印刷機(jī)設(shè)置．雖然不同的焊膏有不同的優(yōu)化參數(shù)，但如果對所有的焊膏使用同一參數(shù)，就可以排除那些不適合該工藝設(shè)置的焊膏．該步驟需考量的參數(shù)是印刷體積．

 

 步驟2：12板評估法．使用12塊單板模擬現(xiàn)實生產(chǎn)環(huán)境會遇到的印刷問題，據(jù)此檢驗焊膏的鋼網(wǎng)壽命、暫停響應(yīng)性能、粘附力穩(wěn)定性和停工后的回流表現(xiàn)等，12板評估法的具體做法如下：**步準(zhǔn)備l2塊待印刷的PCB板和l2次印刷需要的錫膏；**步印刷4塊單板，其中2塊停留2 h后貼片和測粘附(其中1塊板停留1 h后回流，1塊板停留3 h后回流，剩下的2塊板停留6 h后貼片與測粘附(其中1塊板停留1 h后回流，1塊板停留3 h后回流)；第三步過l h再印4塊單板，重復(fù)**步；第四步再過1 h再fN4塊單板，重復(fù)**步．

 

 步驟3：剪切力變化測試．方法是將新鮮焊膏放在鋼網(wǎng)上．設(shè)置印刷機(jī)進(jìn)行30次空印，對鋼底紋部進(jìn)行擦網(wǎng)，印刷一塊單板；設(shè)置印刷機(jī)進(jìn)行50次空印，對鋼底紋部進(jìn)行擦網(wǎng)，印刷一塊單板；設(shè)置印刷機(jī)進(jìn)行100次空印，對鋼底紋部進(jìn)行擦網(wǎng)，印刷一塊單板．測量每塊單板的參數(shù)．

 

 步驟4：回流情況．錫膏回流后對不同錫膏的效果進(jìn)行定性和定量的比較．定性的如焊點的光澤度／光滑、元器件潤濕、焊盤鋪展、焊球數(shù)量等，定量所測量的參數(shù)如短路數(shù)量、墓碑?dāng)?shù)量、面數(shù)組焊點空洞百分比等，這些可以通過統(tǒng)計方法來分析HJ．

 

 Indium公司的錫膏4步評估法特別適用于對5種左右錫膏的評估．但當(dāng)確定了**的替代錫膏后，大多還會通過4,~tt量的真實生產(chǎn)進(jìn)行*后的實際生產(chǎn)性的測試評估．

 

 此時要注意的是：①新錫膏應(yīng)和現(xiàn)有錫膏選擇相同條件和方法進(jìn)行測試．②選擇生產(chǎn)的產(chǎn)品應(yīng)具有更密的腳距或更復(fù)雜的元件，這樣可以更好地對比新老錫膏的性能．③選擇一個適合的批量，一般大于50但小于500．④以下參數(shù)的測試是必須的：可印刷性、塌落形態(tài)、粘性、粘性壽命、可焊接性、殘留水平和可清潔性等．并且，為了**評估材料變化的效果，必須詳細(xì)記錄測試的環(huán)境和所有發(fā)生的缺陷，如：測試時的工廠情況(溫度、濕度、操作員、板的批號、錫膏等)、產(chǎn)品的缺陷及返工的特殊原因(如焊錫不足、開路、錫橋、墓碑、熔濕差、引腳不共面、元件沒放準(zhǔn)和元件丟失等)．根據(jù)以上的測試數(shù)據(jù)、環(huán)境記錄、合格率分析，就可以得出一個詳細(xì)的評估報告．

 

 3 SAC1 05MN錫膏替代SAC305錫膏的評估舉例

 根據(jù)以上4步，某公司近期完成了SAC 1 05MN錫膏替代SAC305錫膏的評估．現(xiàn)公司使用的是SP601T4無鉛錫膏，合金為SAC305(Sn一3Ag一0．5Cu)，該錫膏合金中Ag是貴金屬，占總成本的1／2．近年隨著金屬成本的上升，SAC305價格也隨之上漲，為降低成本，公司準(zhǔn)備選用低銀焊料SAC105MN，為此，公司對SP601T4和它的升級版SP601+T4(合金為SAC105Mn(Sn—lAg一0．5Cu))進(jìn)行了評估測試．

 

 根據(jù)SP601T4和SP601+T4的產(chǎn)品手冊描述，兩種錫膏均根據(jù)J—STD一005(IPC-TM一650)和J—STD一004A(IPC-TM一650)進(jìn)行了助焊劑類型、誘導(dǎo)腐蝕性、鹵化物含量、塌陷、錫球、潤濕性等測試，測試結(jié)果均合格．并且Indium公司提供了SAC305、SAC105+Mn的跌落、動態(tài)彎曲、熱循環(huán)、循環(huán)彎曲等試驗的研究數(shù)據(jù)．在此基礎(chǔ)上，公司使用同樣的印刷參數(shù)和爐溫曲線設(shè)置，分別生產(chǎn)了500片手機(jī)板，接著經(jīng)過相同的其他工藝流程完成了手機(jī)全部組裝后，對手機(jī)成品進(jìn)行了功能測試，數(shù)據(jù)對比如表3所示．

 

 綜合以上各項指標(biāo)，可以看出SP60 1+T4在各方面的性能均略優(yōu)于sP601T4，公司可使用SP601+T4代替SP601T4，但是首批大批量生產(chǎn)時需要重點關(guān)注． 

 

 4 結(jié)論

 本文對無鉛錫膏從初步選擇到重點評估，直至*終確定使用進(jìn)行了詳細(xì)分析．特別注重各種評估方法的系統(tǒng)性和實際操作性．根據(jù)這個有效而又簡練的方法可以完整地評估焊膏的各種性能，保證選到*好的焊膏．由于焊后缺陷中有50％～70％是與鋼網(wǎng)印刷工藝相關(guān)的，所以絕大多數(shù)的錫膏評估應(yīng)當(dāng)放在印刷工藝上．選擇*好的焊膏將確保*高的直通率，并為電子產(chǎn)品的高質(zhì)量提供*好的保障．