為實現(xiàn)電子機器的高性能化，研究人員以印刷電路基板的組件封裝高密度化，以及組件小型化為對象的焊接質(zhì)量提升為最終目的，進(jìn)行對回焊爐制程質(zhì)量有重大影響的「錫膏印刷量管理」與「組件鋪設(shè)位置精度管理」檢討與各種量測。

　　錫膏印刷量管理是在制程內(nèi)，將管理規(guī)格幅度設(shè)定成「絕對量」與「相對量」，組件鋪設(shè)位置精度管理首先確認(rèn)組件的固定性，再設(shè)定組件鋪設(shè)位置精度管理手法。

　　此外研究人員今后將針對「錫膏印刷量管理」與「組件鋪設(shè)位置精度管理」，進(jìn)行量產(chǎn)支持驗證，藉此使印刷電路基板的組件焊接不良降至零。本文將主要為大家介紹PCB的錫膏印刷量管理。

　　近幾年隨印刷電路基板(PCB)的封裝密度高密度化，要求提高錫膏網(wǎng)版印刷制程作業(yè)質(zhì)量的聲浪與日俱增。

　　所謂網(wǎng)版印刷質(zhì)量是指網(wǎng)版印刷的網(wǎng)孔堵塞造成錫膏未被印刷，或是印刷滲透至網(wǎng)版與印刷電路基板之間，與鄰近接地(Land)形成牽絲(Bridge)等致命性缺陷，無法達(dá)成均勻、無分布不均、長時間連續(xù)、穩(wěn)定的錫膏網(wǎng)版印刷質(zhì)量，因此作業(yè)上要求利用專用錫膏檢查設(shè)備，使錫膏印刷量作數(shù)量化的定量管理，而不是傳統(tǒng)外觀檢查、目視檢查等定性管理。

　　回焊爐錫膏印的分析

　　圖1是印刷電路基板(PCB)的回焊爐(Reflow)制程質(zhì)量要因分析圖，如圖所示回焊爐制程會發(fā)生許多與焊接、封裝有關(guān)的不良;圖2與圖3分別是焊接、封裝不良的具體內(nèi)容一覽。

　　由圖2可知焊接不良要因之中以焊接不足以及未焊接，等錫膏印刷不良造成的不良最多，約占焊接不良要因整體的80%左右。

　　關(guān)錫膏印刷不良，如圖3所示主要取決于3個重要因子，若以ppm等級要使錫膏印刷穩(wěn)定下來相當(dāng)困難，此時若改用定量觀察印刷結(jié)果，就可以獲得高水平的焊接質(zhì)量穩(wěn)定性。

　　圖4是封裝要因的不良內(nèi)容一覽，由圖可知組件翻翹的比率最高，其中又以組件設(shè)置位置分布紛散造成的情況居多。

　　X-Y或是θ偏差很大的場合，進(jìn)行組件鋪設(shè)作業(yè)時，印刷錫膏未與焊接組件的電極接觸，單側(cè)電極受到焊接零交叉時間(Zero-cross time)的影響。

　　自重較輕的芯片類小型電子組件會浮動翻翹，兩電極即使接觸錫膏卻有偏位可能，今后基于組件封裝的高密度化與組件輕量化考慮，必需提高組件鋪設(shè)位置精度。

　　錫膏印刷量的管理

　　錫膏印刷檢查設(shè)備大致上分成二次元檢查與三次元檢查兩種，二次元檢查設(shè)備只從表面觀察錫膏印刷形狀，它可以根據(jù)表面觀察結(jié)果取得面積數(shù)據(jù)，不過卻無法獲得立體性體積數(shù)據(jù)與錫膏高度數(shù)據(jù)。

　　相較之下三次元檢查設(shè)備可以同時獲得體積、面積、高度等數(shù)據(jù)，表1是二次元檢查與三次元檢查設(shè)備的功能比較一覽。

　　表1 檢測儀的功能比較

　　以往基于檢查方便性、處理速度、價格等理由，二次元檢查設(shè)備一直是市場主流，最近幾年隨著高密度封裝后的組件小型化，單位銅箔面積的錫膏印刷減少，立體性形狀差異造成微細(xì)錫膏量的不同，可能會對封裝質(zhì)量造成致命性問題，因此改用三次元檢查設(shè)備的情況似乎有增加的趨勢。

　　圖5是該問題的模式說明范例，若從側(cè)面觀察圖示兩種錫膏形狀，可以發(fā)現(xiàn)兩者的錫膏印刷量截然不同，然而從上方觀察時卻無法區(qū)隔兩者的差異，換句話說傳統(tǒng)二次元檢查設(shè)備針對這兩種錫膏印刷量，可能會判定成完全相同形狀，因此研究人員分別使用二次元與三次元檢查設(shè)備進(jìn)行錫膏印刷量量測，證實二次元檢查設(shè)備無法獲得的數(shù)據(jù)超過預(yù)期，最后決定改用三次元檢查設(shè)備。

　　圖6是三次元錫膏檢查儀VP100的實際外觀，檢查項目分別是:

　　‧體積

　　‧面積

　　‧高度

　　‧偏位

　　‧牽絲

　　‧異常突出

　　‧體積過大

　　‧體積不足

　　等等。表2是利用VP100三次元檢查儀、雷射偏位傳感器、顯微鏡等各種量測器的錫膏量測結(jié)果，根據(jù)量測結(jié)果顯示上述檢查儀的錫膏量測外觀形狀幾乎完全相同，三次元檢查儀與雷射偏位傳感器，可以獲得最大高度數(shù)據(jù)，不過兩者相當(dāng)接近。

　　接著針對12片連續(xù)錫膏印刷的基板，利用VP100三次元檢查儀進(jìn)行體積與重量量測，其結(jié)果如圖7所示。此處所謂的體積(%)是根據(jù)網(wǎng)印刷罩的設(shè)計資料，將求得的理想錫膏印刷量當(dāng)作100%時的相對比率。

　　由圖可知錫膏的體積增減與錫膏重量的增減完全一致，雖然它是針對復(fù)數(shù)組合的錫膏、印刷基板進(jìn)行評鑒，不過實驗結(jié)果都顯示良好的相關(guān)性，證實VP100三次元檢查儀符合預(yù)期的量測特性。

　　通過測試能力認(rèn)定的VP100三次元檢查儀，接著進(jìn)行生產(chǎn)線錫膏印刷量實機測試。

　　圖8是某量產(chǎn)印刷電路基板(PCB) 的錫膏印刷量(體積)與分布不均(3σ)的變化測試結(jié)果，若仔細(xì)觀察體積與分布不均(σ)，可以確認(rèn)變動很少的錫膏印刷量反復(fù)被印刷，體積

(%)與分布不均(σ)每隔5次印刷次數(shù)稍為降低，不過它卻符合「每隔5次印刷，必需清洗印刷模版」的規(guī)定，圖中藍(lán)色曲線是印刷模版清洗后的錫膏印刷量測試結(jié)果。

　　通常錫膏連續(xù)印刷時，金屬材質(zhì)印刷模版的開口部位與內(nèi)側(cè)會逐漸堆積錫膏，造成錫膏印刷量變成不穩(wěn)定，為徹底解決該問題，國外業(yè)者導(dǎo)入印刷模版清洗制度，根據(jù)以上測試結(jié)果證實「每隔5片清洗印刷模版1次」的作業(yè)規(guī)定，確實對錫膏印刷質(zhì)量有正面效益。

　　錫膏印刷制程印刷時大多使用端子或是平板支撐基板下方，下方支撐不足時受到印刷橡膠刮刀(Squeegee)壓力影響，印刷模版與印刷基板會出現(xiàn)微細(xì)歪斜，其結(jié)果造成錫膏印刷質(zhì)量降低。

　　圖9是基板下方支撐的設(shè)置與印刷質(zhì)量的關(guān)系，以往數(shù)據(jù)化管理基板下方支撐的適宜性很困難，改用三次元檢查儀之后，可以根據(jù)錫膏印刷量檢討基板下方支撐的適宜性。

　　圖10是基板下方支撐的設(shè)置與某量產(chǎn)印刷電基板表面錫膏體積的分布關(guān)系，圖中黃色、紅色等暖色系線條表示錫膏體積分布在適當(dāng)位置，藍(lán)色、綠色等冷色系線條表示錫膏體積分布在較大位置，由圖可知遠(yuǎn)離基板下方支撐的部位，錫膏體積有若干增加傾向。

　　如上所述使用三次元檢查儀，可以根據(jù)錫膏印刷量量測管理基板下方支撐的適宜性，透過基板下方支撐的適宜性管理，除了定位之外決定印刷壓力之外，對印刷速度、接觸角等印刷條件設(shè)定也非常有效，圖11是影響錫膏印刷質(zhì)量的要因圖。

　　檢查設(shè)備可以獲得各式各樣的數(shù)據(jù)，這類設(shè)備透過優(yōu)秀的影像處理能力，提供高精度三次元外觀形狀等數(shù)據(jù)。

　　為了使這些信息對實際質(zhì)量管理發(fā)揮效益，必需充分掌握檢查設(shè)備提供的數(shù)據(jù)與實際制品質(zhì)量的互動關(guān)系。錫膏印刷量制程上設(shè)定規(guī)格管理，大致上可以分成絕對量管理與相對量管理2種。圖12是絕對量管理與相對量管理的基本概念圖，所謂「絕對量管理」是將錫膏印刷量以及與其它要因接合部位的可靠性模型化，再透過實驗導(dǎo)出確保接合部位可靠性要求的最低限度錫膏印刷量，最后將此錫膏印刷量設(shè)定成規(guī)格管理的下限值。「相對量管理」則是根據(jù)基板的錫膏印刷量變化資料，以統(tǒng)計學(xué)手法求出基板常態(tài)時獲得的錫膏印刷量，再衣此錫膏印刷量設(shè)定成容許管理幅度。

　　換句話說利用「絕對量管理」的規(guī)格值不依賴基板取一定的數(shù)據(jù)，利用「相對量管理」的規(guī)格幅度，則取各固有數(shù)據(jù)，由于規(guī)格值與規(guī)格幅度有「and」的關(guān)系，因此實際操作只要抵觸其中一個規(guī)格，結(jié)果就會被判定成不良。

　　絕對量的管理是調(diào)查錫膏印刷量與接合可靠性的相互關(guān)系，以及可靠性不會發(fā)生問題，而且可以實現(xiàn)焊錫接合的錫膏量。

　　除此之外基板材質(zhì)、接地(Land)材質(zhì)、形狀、組件固定時的偏異影響、環(huán)境影響，等各種要因都有直接關(guān)連，其中最直接的評審內(nèi)容是錫膏印刷量與接合強度的部份相關(guān)資料，表3是選用的錫膏特性一覽，選用的錫膏分別是有鉛錫膏、高融點無鉛錫膏、低融點無鉛錫膏三種。接著備妥4片厚度相異的印刷版膜(Printing Mask)，依此調(diào)整錫膏印刷量，并且進(jìn)行預(yù)定基板的錫膏印刷，再使用印刷檢查設(shè)備量測各焊點(Pad)的錫膏印刷量。組件鋪設(shè)后則進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)回焊爐封裝，最后依照圖13的條件進(jìn)行接合強度量測。

　　圖14是錫膏印刷量與接合強度的量測結(jié)果范例，由圖可知不論哪種錫膏與哪種組件組合，一直到錫膏印刷量50%為止，接合強度會急遽上升，接著隨著錫膏印刷量的增加，接合強度呈現(xiàn)緩和上升。

　　主要原因是錫膏印刷量較少時，大部份的錫膏會在接合部位形成半圓角(Fillet)，相較之下錫膏印刷量很多的場合，錫膏擴展至接地周圍，端子上面浸潤的錫膏量相對增加，其結(jié)果造成接合強度降低。

　　根據(jù)以上結(jié)果試算可靠性不會發(fā)生問題，而且可以實現(xiàn)焊錫接合的最低限定錫膏量。

　　此處首先計算理想狀態(tài)時的錫膏印刷量，亦即錫膏體積100%時的接合強度，計算值如圖15的①所示。

　　接著針對錫膏體積100%時的接合強，判斷容許%的接合強度降低，逆向計算實現(xiàn)該接合強度時必要的錫膏印體積，其結(jié)果如圖15的②所示。

　　換句話說實際上錫膏體積100%時的接合強度，允許幾%接合強度降低，隨著組件規(guī)格、基板用途、成品規(guī)格不同。

　　在此前提下制定規(guī)格管理幅度，除了量測分布與各種規(guī)格之外，還需設(shè)定環(huán)境試驗造成的接合強度降低成份，因此研究人員根據(jù)以上順序，制定包含規(guī)范規(guī)格管理幅度的印刷管理量。