投稿指南 投放广告 新版公测
热门: 贸易战 智能制造 人工智能
技术前沿
尺寸问题:焊锡粉末尺寸对焊膏性能的影响
录入时间:2020/1/21 11:18:40

专栏作者:Tony LentzFCT 组装公司

摘要

随着电子产品朝着微型化的方向发展,焊锡粉末的尺寸成为电子组装行业的热门话题。常见的问题是,“什么时候我们应该从T3转到尺寸更小的焊锡粉末?”焊锡粉末的尺寸通常是根据焊膏的印刷要求选择。习惯的做法是使用IPCT4或T5焊锡粉末来设计钢网,这种钢网的面积比低于IPC建议的极限值0.66。焊锡粉末的尺寸对焊膏的可印刷性的影响有很好的记录。

焊锡粉末尺寸还会对焊膏的性能产生其他影响。焊锡粉末的尺寸会影响焊膏的存放时间、钢网寿命、回流性能、形成空洞的表现,以及焊膏的反应性、稳定性。本文通过测试来测量IPC T3、T4、T5和T6 SAC305焊锡粉末在水溶性焊膏和免清洗焊膏中的性能属性。每一种焊膏的助焊剂中的各种焊锡粉末尺寸的性能数据进行量化和总结。在这个研究结果的基础上,给出选择最佳焊锡粉尺寸的指南。

关键词:焊锡粉末尺寸、焊膏性能、焊膏印刷、回流、焊膏稳定性

引言

尺寸很重要。这句简单的话概述了生活中的许多事情。小手可以更快速地发短信。在全国足球联赛中,身材高大的人更擅长进攻或防守。人体中的抗体很小,只有在显微镜下才能看到,但是,它们对我们的健康和幸福的扮演着重要的角色。谁不想要一大杯咖啡?

在焊膏的世界中,尺寸规格也一样重要。焊膏中使用的焊锡粉末的尺寸会影响焊膏的性能。在IPC标准中,焊锡粉末尺寸的类型按照J-STD-005(对焊膏的要求)分类[1]。J-STD-005A表3-2详细列出每一种类型焊锡粉末的尺寸范围,这里摘录IPCT3、T4、T5和T6焊锡粉末的尺寸范围,如表1所示。

IPC类型

不大于0.5%最大粉末(微米)

10%的大粉末尺寸(微米)

80%的细粉末尺寸(微米)

10%更细粉末最大尺寸(微米)

T3

60

45-60

25-45

25

T4

50

38-50

20-38

20

T5

40

25-40

15-25

15

T6

25

15-25

5-15

5

表1:焊锡粉末尺寸(根据IPC J-STD-005A的表3-2)。

焊膏中焊锡粉末尺寸的主要尺寸范围通常代表焊膏的类型。例如,T3焊锡粉末的尺寸范围是25-45微米;因此,T3焊膏可能被标记为“T3(25-45微米)”。图2是T3、T4、T5和T6焊锡粉末的尺寸。

图2:IPCT3、T4、T5和T6焊锡粉末。

为什么焊膏要使用T4、T5或T6焊锡粉末而不用T3焊锡粉末呢?在焊膏中使用比较细微的焊锡粉末主要是为了改善微型元件的可印刷性。焊锡粉末的尺寸越小,印刷的焊膏就能够通过尺寸更小的钢网孔。如果遵循IPC-7525钢网设计指南的钢网标准中的“5球”原则[2],那么,就可以计算印刷时各种焊锡粉末尺寸都可以通过的最小钢网孔的尺寸[3],这些最小钢网孔的尺寸按焊锡粉末主要尺寸范围的最大焊锡粉末尺寸的五倍(五球原则)来计算(表2)。

IPC类型

粉末尺寸范围(微米)

粉末尺寸范围(密尔)

最小的孔尺寸(密尔)

T3

25-45

1.0-1.8

9

T4

20-38

0.8-1.5

7.5

T5

15-25

0,6-1.0

5

T6

5-15

0.2-0.6

3

表2:按照5球原则印刷的焊锡粉末尺寸和最小的钢网孔的尺寸。

一般说来,T3焊膏可以印刷的最小封装尺寸是0402的元件。大多数焊膏用户更喜欢用T4焊膏印刷0201元件、微型BGA和类似的元件。T5焊膏用在更小的焊接应用中,例如焊接01005元件[4],或者用在T4焊膏无法充分印刷的场景。T5和T6焊膏用于点胶,例如喷涂印刷。T6焊膏还用于其他超微间距应用[5,6]。

使用尺寸更小的焊锡粉末时,除了印刷功能外[7],还会带来其他性能上的变化。使用尺寸更小的焊锡粉末可能会缩短钢网和焊膏的保存期限。尺寸更小的焊锡粉末形成随机焊锡球和焊点表面出现葡萄效应的可能性比较大。焊锡粉末尺寸的变化还会影响焊点的形成的空洞。这项研究的目标是量化水溶性焊膏和免清洗焊膏中的IPCT3、T4、T5和T6SAC305(锡/银3.0%/铜0.5%)焊锡粉末的性能。对比各种焊膏的测试数据,并针对每一种焊膏提出最佳使用建议。

方法

焊锡粉末的表面积和反应性

当焊锡粉末的尺寸减小时,质量不变,焊锡粉末的表面积随之增大(表3)[8]。这些焊锡粉末的表面积是用焊锡粉末中主要粉末尺寸范围内的中间值计算出来的。

IPC类型

1千克焊锡粉末表面积的中间值(m2)

正常焊锡的表面积

表面积比T3焊锡粉末的表面积多(%)

T3

22.9

1.00

-

T4

27.7

1.21

21

T5

40.2

1.75

75

T6

80.3

3.50

350

表3:质量为1千克焊锡粉末尺寸的表面积。

焊锡粉末的表面积很重要,因为它对焊锡粉末的反应性起到重要的作用。随着表面积的增加,焊锡粉末的反应速度也随之增大。就好比把一块方糖溶解在一杯水中的情况。当一块方糖要完全溶解需要很长时间和大量的搅拌。如果将同等质量的砂糖混合到一杯水中,砂糖会很快溶解(图3)。

图3:砂糖(左图)和方糖(右图)在水中溶解,混合时间1分钟。

搅拌一分钟后,砂糖完全溶解,方糖部分溶解。砂糖的表面积比方糖大,砂糖溶解的速度比较快。

Sn (s) + ½ O2 (g) = SnO (s)

Sn (s) + O2 (g) = SnO2 (s)

这个原理也适用于焊锡粉末。焊锡粉末类型的尺寸越小,表面积就越大,使它的反应速率比大尺寸焊锡粉末类型的快。因此,暴露在空气中时,尺寸较小的焊锡粉末类型更容易氧化[9]。锡(Sn)氧化的化学反应如下:

Sn (固态) + ½ O2 (气态) = SnO (固态)

Sn (固态) + O2 (气态) = SnO2 (固态)

氧气和焊锡粉末发生反应时生成金属氧化物。在SAC305合金上先形成的氧化物是SnO[10]。焊膏中的助焊剂去除这种金属氧化物,并使进一步的氧化变慢[8]。只要焊膏暴露在空气中,焊锡粉末的氧化就会继续,虽然很慢。混合和温度升高会加快这个过程。这一焊锡粉末的氧化反应过程与助焊剂去除氧化物的过程会使焊膏变得更浓稠。随着时间的推移,浓稠的焊膏可能会堵塞钢网孔,并导致焊膏粘在刮刀刀片上。钢网印刷这种焊膏的可用寿命可能因焊锡粉末比较小而缩短。不过,焊膏的助焊剂是用保护焊锡粉末的成分制作的,这大大放慢了氧化的过程,这会起到正面作用。

在回流过程中,也会发生焊锡粉末氧化的情况。焊膏助焊剂在回流过程中和焊锡粉末中的氧化物发生反应并将它清除。随着焊锡粉末尺寸缩小,需要更多的助焊剂来处理这些氧化物。如果焊膏使用尺寸较小的焊锡粉末,在回流时焊膏中的助焊剂的活性可能耗尽;然后,氧化物就会留在焊锡粉末上,妨碍焊锡的正常结合。用尺寸比较小的焊锡粉末制作的焊膏比较容易受到像随机形成的焊锡球和焊点表面可能的问题的影响,例如随机形成焊锡球和葡萄效应(图4)。

图4:随机形成焊锡球(左图)和葡萄效应(右图)。

 

使用颗粒较细的焊锡粉末制作的焊膏的储存时间也可能比使用颗粒比较粗的焊锡粉末的焊膏短。在存储过程,焊膏中的助焊剂会和焊锡中的金属发生反应,生成金属盐。随着时间的推移,助焊剂的活性也会随着这些反应下降,对于比较小的焊锡粉末,这种反应更多更快。随着发生反应的焊锡粉末增多,焊膏老化,焊膏可能会变得更浓稠,外观从光滑的奶油状变成暗淡的颗粒状(图5)。

图5:新鲜的焊膏(左图)和老化的焊膏(右图)。

如果焊膏的反应性过强,印刷和回流的特性可能会随着时间的推移而退化。焊膏的配方要防止或减慢这一进程。把焊膏储存在冰箱中也有助于放慢这一过程,从而保持预期的性能特点。恰当的储存对延长使用比较小的焊锡粉的焊膏的储存期限非常重要。

材料和测试方法

图1是用来进行这个实验的电路板。这种电路板用FR-4制作,厚度是0.062英寸,使用蚀刻的铜焊盘和无电镀的镍浸金(ENIG)表面层。这种印刷与回流测试电路板拥有可以用来量化印刷的焊膏体积、润湿或扩散、随机形成焊锡球、葡萄效应和形成空洞的线路(图7)。

图7:用来量化印刷、回流和空洞性能的PR测试电路板的线路。

焊膏

这项研究共使用了八种焊膏,包括四种水溶性焊膏和四种免清洗焊膏。免清洗助焊剂的IPC J-STD-004等级是ROL0,水溶性助焊剂的等级是ORH1。选用的焊锡合金是SAC305(锡/银3.0%/铜0.5%)。焊膏中的金属浓度随焊锡粉末的尺寸大小而变化(表4)。

IPC类型

免清洗金属含量(%重量百分比)

水溶性金属含量(%重量百分比)

T3

88.5

88.5

T4

88.3

88.3

T5

88.0

88.0

T6

87.5

87.5

表4:焊膏的金属浓度

印刷性能

使用极限面积比线路测量印刷性能,印刷这些线路的钢网孔的面积比从0.30逐步提升到0.50。钢网用微晶粒(2-5微米)的不锈钢制作,厚度为5密尔(127微米),无纳米涂层。印刷极限面积比线路的钢网孔的尺寸范围从6密尔到10密尔。这些小面积比揭示焊膏的印刷极限(图8)。

图8:在极限面积比(AR)线路下印刷焊膏。

 

使用0.4毫米间距的球栅阵列(BGA)测量印刷性能,印刷它的钢网孔的面积比是0.50。钢网孔是10密尔的正方形孔,四个圆角的半径是2密尔(“圆角方形孔”)。在极限面积比下印刷0.4毫米BGA线路,使用焊膏检查系统(SPI)测量印刷的焊膏体积,并进行统计分析,比较焊膏的性能。针对每一种焊膏的面积比下限提出建议。

钢网寿命和暂停响应

对各种焊膏进行印刷与暂停测试,以测量钢网的寿命和暂停响应。测量的过程如图9所示。

图9:印刷和暂停的测试方法

 

比较各个时间的极限面积比线路的焊膏体积数据和0.4毫米BGA线路的焊膏体积数据。在这个测试的过程中,焊膏的体积明显下降,表明焊膏变得浓稠或干燥。可以利用这些数据针对每一种焊膏的钢网寿命提出建议。

用印刷与暂停测试中的前五块电路板测量回流性能和空洞。把印刷与暂停测试中的后两块电路板放在一个计时器上,让它整夜暴露在空气中。第二天(24小时后)对它们进行回流并测量回流性能。

回流温度曲线和性能

在有10个温区的对流回流炉中进行回流。使用线性斜坡上升到峰值(RTS)类型的温度曲线(图10)。

图10:线性斜坡上升到峰值(RTS)的回流温度曲线。

温度曲线的参数见表5。

设置

RTS温度曲线

斜坡上升速率

1.7-1.8℃/秒

回流时间(>220℃)

61-67秒

峰值温度

241-248℃

温度曲线的长度(从25℃到峰值温度)

4.70分钟

表5:回流温度曲线的参数。

测量各种焊膏的润湿、焊锡球和葡萄效应的情况。在这个测量中,焊膏是刚刚印刷的,而电路板是在空气中放置24小时的电路板。图11PR电路板上的润湿线路。

图11:回流前(左图)和回流后(右图)PR电路板的润湿线路。

这个线路包括12条垂直的平行线和12条水平的平行线,每条线上印刷15个焊膏砖。焊膏砖宽0.4毫米(15.7 密尔),间距0.1-0.4 毫米(3.9-15.7密尔)。在回流过程中,焊膏砖沿着每条线一起扩展。计算润湿或扩展百分比的方法是计算桥连在一起的焊膏砖的数量,除以可能桥连的砖的总数。理想的焊膏性能是100%润湿。

使用形成焊锡球、回拉线路测量焊锡粉末形成焊锡球的性能。把焊膏套印在阻焊膜上。在回流这些套印的焊膏时,它会向焊锡球的中心回拉焊锡。随机形成的焊锡球被留在后面的焊膏助焊剂池中(图12)。

图12:PR电路板形成焊锡球/回拉的线路。

套印的焊膏环的尺寸大于焊盘的尺寸,这两个尺寸的百分比(套印百分比)范围从500-1,250%。形成焊锡球的性能通过测量时使用的最大套印百分比来评估,在最大百分比时形成0个焊锡球,少于5个焊锡球,以及少于10个焊锡球。在各种类型的焊膏中,理想的焊膏性能是在套印百分比1250 %.

使用葡萄线路来测量焊膏的葡萄效应。这些线路包括方形和圆形焊盘,有阻焊膜界定的焊盘和无阻焊膜界定的焊盘(即铜焊盘)。焊盘的尺寸范围从0.18毫米(7密尔)到0.30毫米(12密尔),对应的钢网孔面积比分别从0.35到0.60(图13)。

图13:PR电路板的测量形成葡萄状线路。

在回流后评估由涂布的焊锡形成的葡萄效应。葡萄效应通常出现在焊膏涂布得比较少的位置(图13)。葡萄效应的面积百分比通过葡萄效应的总面积除以所有涂布的焊锡总面积来计算。理想的焊膏性能是0%葡萄效应。

形成空洞

使用比较大的四方扁平无引线(QFN)元件的热焊盘测量来空洞。这个QFN元件的周边有68条引线,间距0.5毫米,正方形的边长为10毫米,哑光锡表面层(图14)。

图14:QFN(MLF68)哑光元件。

每个QFN位置的钢网设计完全一样(图15)。在每个例子中,焊膏的覆盖面积大约是热焊盘面积的65%。

图15:QFN热焊盘的钢网设计。

印刷QFN热焊盘的钢网设计成有九宫格的窗格型钢网。QFN窗格的钢网孔宽度是0.51毫米(20密尔)。这五块电路板每一块上面放置四个QFN元件,总共有20个QFN和20个用来测量焊膏的无元件区域。用统计分析的方法来比较每种焊膏形成空洞的性能。

标准焊膏测试

进行几种符合行业标准的焊膏测试,对比焊膏的性能。根据J-STD-005[1],进行使用T形杆轴(T-bar spindle)和螺旋泵测试、坍塌测试和形成焊锡球测试。把测试数据和来自行业标准测试的数据进行对比,主要说明这些焊膏的基本差别。

稳定性:黏着力

根据JIS Z 3284 [11]对准备好的新鲜的焊膏样本进行黏着力测试。印刷额外的黏着力的焊膏样本并把它们放在温度为21-24°C(70-75°F)、相对湿度为50-55%的受控环境中。保存黏着力样本,分别保存24、48、72小时后测定黏着力。黏着力随时间的变化提供一些关于焊膏的反应性或稳定性的信息。理想的性能是黏着力在72小时内没有变化。

稳定性:热老化

把焊膏放入密封的广口瓶中,在50-55℃(122-131°F)的温度的烤箱中加热72小时。这个温度远高于存储焊膏的推荐温度。对于大多数焊膏,推荐的标准储存温度是5-10℃(40-50°F)。温度升高会加快焊膏内部的潜在反应。这可能会导致活性下降,焊膏变得浓稠,性能出现整体退化。

把热老化后的焊膏印刷到PR电路板上回流。测量粘度、形成焊锡球性能和黏着力。用这些测量结果和新鲜的焊膏(热老化前)的测量结果进行比较。属于同一家公司生产的焊膏系列产品的性能变化很小,而反应性比较强的焊膏的性能出现性能下降。

统计分析

针对空洞数据集进行Tukey-Kramer的真实显著性差异(HSD)测试,对比不同焊膏的测试数据。Tukey-Kramer HSD分析确定这些众多的数据集是存在明显差别,还是在统计意义上是相似的。这项测试就像用来比较平均值的学生考试成绩。Tukey-Kramer HSD测试的输出是图表,显示数据集和几个数据的计算结果与报告(图16)。

图16:Tukey-Kramer HSD报告。

Tukey-Kramer HSD分析表明比较的数据集是否存在明显差别。用这个分析得出总体结论并说明性能的趋势。

标准焊膏测试的结果与讨论

各种焊膏的粘度使用J-STD-005[1]的T形杆轴和螺旋泵这两种方法测量。测量结果见图17。

图17:使用T形杆轴方法(左图)和螺旋泵方法(右图)得到各种焊膏的粘度。

 

在T形杆轴和螺旋泵这两种测量方法中,免清洗焊膏的粘度随焊锡粉尺寸减小而增大。无论采用哪种方法,不同焊锡粉末尺寸的水溶性焊膏的粘度都很稳定。免清洗SAC T5和T6焊膏的T形杆轴方法的粘度比水溶性焊膏的高,而螺旋泵方法的结果就不一样。

根据IPC-J-STD-005的方法测量各种焊膏的坍塌情况。表6是通过和失败结果。

 

免清洗焊膏

水溶性焊膏

冷坍塌

热坍塌

冷坍塌

热坍塌

SAC T3

通过

通过

通过

通过

SAC T4

通过

通过

通过

通过

SAC T5

通过

通过

通过

失败

SAC T6

通过

失败

通过

失败

表6:每一种锡膏的IPC坍塌的通过和失败结果。

所有的焊膏都通过冷坍塌(25°C)测试,但有一些焊膏无法通过热坍塌(180°C)测度。免清洗的T6焊膏和水溶性的T5和T6焊膏都无法通过热坍塌测试。这些按配方制作的焊膏最初使是用的是T3和T4焊锡粉末,不必对尺寸比较小的焊锡粉末进行优化。

IPC J-STD-005的形成焊锡球测试使用毛玻璃载片(frosted glass slides)进行测试,热平板的温度设置是245-250℃。表7是测试结果。

 

免清洗焊膏

水溶性焊膏

开始时

4小时后

开始时

4小时后

T3

可接受

可接受

可接受

可接受

T4

可接受

可接受

可接受

可接受

T5

可接受

可接受-不可接受

可接受

可接受

T6

不可接受

不可接受

不可接受

不可接受

表7:各种焊膏形成焊锡球的结果。

所有T3、T4、T5焊膏都得到可接受的焊锡球结果。只有T5免清洗焊膏得到可接受、不可接受的两种结果。所有T6焊膏得到的结果都是不可接受的,在测试中形成的焊锡球环和焊锡球团如图18所示。

图18:IPC J-STD-005的形成焊锡球照片,可接受的结果和不可接受的结果。

 

印刷面积比的极限

PR测试电路板上的印刷线路对焊膏很有挑战性。印刷这些线路时,钢网孔的尺寸范围从6密尔(0.152毫米)到10密尔(0.254毫米),钢网厚度是5密尔(127微米)。这些钢网孔分别对应1.2到2.0的高宽比和0.30到0.50的面积比。对于可接受的焊膏印刷,IPC-7525[2]中给出的指南是高宽比大于1.50,面积比大于0.66。面积比0.30和0.35孔的高宽比分别是1.2和1.4,低于建议的1.50。所有的面积比都低于0.66的行业指南。

在印刷这些线路时,焊膏转移效率(TE%)的范围通常是从5%到60%。图19揭示在各种现场条件下使用不同面积比印刷焊膏的转移效率。

图19:各种焊膏在不同面积比时的转移效率方框图。

图20:各种焊膏在不同面积比时的转移效率曲线。

这些转移效率的数值远低于组装行业普遍接受的80%的最小值,它对钢网设计来说正常的。

总而言之,转移效率随焊锡粉末尺寸减小而增大。这些数据中存在一些不符合这一趋势的异常情况。在面积比是0.30和0.35时,T6免清洗焊膏的转移效率小于其他焊锡粉末尺寸。这是没有预料到的结果。相同的数据集在图20中是一段平滑的曲线。

T5焊膏的转移效率普遍高于其他所有焊锡粉末尺寸,这一结果出人意料。T6焊膏的转移效率要比其他的焊锡粉末高。水溶性T6焊膏的一些TE%值最低。

如果我们对T3焊膏使用0.60的面积比规则,那么,可以根据本研究中的TE差别来估算其他类型焊膏的最小面积比。表8按焊膏列出这些最小的面积比。

焊锡粉末尺寸

免清洗焊膏的最小面积比

水溶性焊膏的最小面积比

T3

0.60

0.60

T4

0.55

0.60

T5

0.50

0.55

T6

必须做更多的工作

必须做更多的工作

表8:各种焊膏与焊锡粉末尺寸的最小面积比。

这些最小面积比规则是根据在这个评估中使用的印刷线路得到的指南。评估T6焊膏的印刷性能必须做更多的工作。这些规则没有考虑到焊点的质量或可靠性。在生产环境中使用这些规则之前,应当验证焊点的质量和可靠性。

印刷与暂停测试的结果和钢网寿命

印刷与暂停测试是一种用来确定焊膏稳定性的方法,因为在印刷时焊膏在印刷机中是暴露在空气中的。转移效率随时间的推移下降,这是估算钢网寿命的一种方法。图21是各种焊膏随时间推移的转移效率。

图21:各种焊膏的印刷与暂停测试结果。左图是免清洗焊膏的结果,右图是水溶性焊膏的结果。

各种免清洗焊膏在印刷与暂停测试中表现出的性能相似。在暂停时间0小时、1小时、2小时、4小时和8小时时,转移效率稳定。在暂停24小时后,转移效率显著下降。焊锡粉末尺寸越小,转移效率下降得越厉害。水溶性焊膏表现出相似的性能。在暂停24小时后TE%显著下降。表9总结了暂停时间从8小时到24小时的TE%下降情况。

焊锡粉末尺寸

免清洗焊膏TE%的下降

水溶性焊膏TE%的下降

T3

8

5

T4

10

5

T5

18

8

T6

25

6

表9:暂停时间从8小时变到24小时的转移效率下降。

随着时间的推移,在各种焊膏中T3和T4的焊锡粉末的转移效率也有相似的下降。各种焊膏中的T5和T6的焊锡粉末尺寸随时间的推移表现出的转移效率下降比较厉害。和水溶性焊膏相比,免清洗焊膏在降低焊锡粉末尺寸时的稳定性比较差。留在钢网上的免清洗焊膏更容易变干,尤其是有尺寸较小焊锡粉末的焊膏。

焊膏的回流性能

使用ENIG表面层的PR测试电路板测量各种焊膏的润湿或扩展百分率。图22是润湿的测量结果。

图22:焊膏的润湿或扩展。

无论焊锡粉末的尺寸怎样,免清洗焊膏的润湿性能都稳定在70-75%左右。这个润湿趋势中唯一的异常情况是T5焊膏,它的润湿率接近90%。随着焊锡粉末尺寸减小,水溶性焊膏的润湿性能呈下降趋势。水溶性T3焊膏的润湿率是97%,水溶性T6焊膏的润湿率下降到70%以下(图23)。

图23:水溶性T3SAC焊膏和T6SAC焊膏的润湿情况。

使用PR测试电路板上的回拉线路测量焊锡粉末形成焊锡球的情况。对各种焊膏记录零焊锡球的套印最大百分比,少于五个焊锡球及少于十个焊锡球的套印百分比。最大套印百分比是1,250%。表10是可以用这个标准来测量焊膏的测量结果。

焊膏

0个焊锡球的套印百分比

少于5个焊锡球的套印百分比

少于10个焊锡球的套印百分比

T3免清洗

750%

1200%

1200%

T3水溶性

1200%

1250%

T4水溶性

500%

1200%

表10:在测量标准之内的焊膏形成焊锡球性能。

 

在所有的线路上都形成多于10个焊锡球的焊膏在表10中没有列出来。图24是在套印线路中形成焊锡球的代表性照片。

图24:在套印线路中形成的焊锡球。

这些套印线路的套印程度是相当极端的,通常不会用在典型的表面贴装技术(SMT)设计中。T3和T4焊膏形成的焊锡球很少,在大多数电子组件上都被认为是可接受的。从这些图像中可以明显看出,免清洗焊膏中的T5和T6焊锡粉末形成过多的焊锡球。在形成焊锡球上,T5水溶性焊膏的表现比T5免清洗焊膏更好。这可能是由于这些焊膏的相对活性水平的缘故。水溶性焊膏的活性水平比免清洗焊膏的高;因此,水溶性焊膏形成的焊锡球比较少,而且焊锡球是由尺寸比较小的焊锡粉末形成的。T6免清洗和T6水溶性焊膏都形成过多的焊锡球。

焊膏的葡萄效应水平随焊锡粉末的尺寸变化而变化(图25)。

图25:各种焊膏的葡萄效应。

对于T3、T4和T5焊锡粉末,免清洗焊膏和水溶性焊膏的葡萄效应水平非常相似。总的来说,T6焊膏的葡萄效应的程度很高。T6水溶性焊膏的葡萄效应水平比主要焊锡粉末,也是T6的免清洗焊膏,更高。

使用QFN热焊盘为各种焊膏测量空洞。图26是空洞数据。

图26:各种焊膏在QFN热焊盘中形成的空洞;免清洗焊膏(左图),水溶性焊膏(右图)

免清洗焊膏的各种焊锡粉末尺寸在形成空洞的表现从统计结果来看是一样的。水溶性焊膏的焊锡粉末尺寸在形成空洞上的表现存在一些差异。尺寸最大的焊锡粉末(T3)形成的空洞最少,而T6免清洗焊膏形成的空洞最多。可能的解释是免清洗焊膏和水溶性焊膏中的松香含量不一样。免清洗焊膏所含的松香在回流过程中的作用是保护焊锡粉末不会被氧化。理论上的解释是,助焊剂和焊锡氧化物反应的副产品可能会导致空洞。由于有松香的保护,免清洗焊膏在回流过程中产生的氧化物数量要比水溶性焊膏少得多。这就可以解释在这项研究中观察到的形成空洞的表现。

焊膏的稳定性:黏着力随时间推移的变化

使用JIS方法[11]来测量各种焊膏的黏着力。印刷黏着力样本,把样本放在室温和相对湿度50-55%的容器中保存72小时。在此期间,分别在24小时、48小时和72小时后用新鲜焊膏印刷的样本测量黏着力(图27)。

图27:随时间推移免清洗焊膏的黏着力(左图)和水溶性焊膏的黏着力(右图)。

总的说来,各种类型的焊膏和各种焊锡粉末尺寸的黏着力随时间的推移减小。大多数焊膏在72小时后,黏着力出现明显下降。只有T5和T6水溶性焊膏的结果不一样。T5水溶性焊膏在超过72小时后,黏着力相对稳定。T6水溶性焊膏在72小时时,黏着力有所增强。水溶性焊膏性能的这种差别可能和助焊剂中的比较小尺寸焊锡粉末类型的含量增加有关。

焊膏的稳定性:在空气中暴露24小时后的回流性能

用印刷新鲜焊膏的PR测试电路板测量各种焊膏的回流性能,然后再用印刷后暴露在空气中存放24小时的电路板测量。将印刷好的焊膏暴露在空气中存放,这会增加焊膏中的氧化物含量,降低焊膏的活性。这个测试是展示焊膏稳定性的方法,可以用来确定尺寸比较小的焊锡粉末是否会降低焊膏的稳定性。图28是焊膏润湿的结果。

图28:焊膏存放24小时之前和之后的润湿结果。

印刷的新鲜的免清洗焊膏和存放24小时的免清洗焊膏中,除了T6焊锡粉末外,其他所有焊锡粉末的润湿都相似。T6免清洗焊膏在空气中暴露存放24小时后,它的润湿性能下降。除了T3焊膏外,所有其他的水溶性焊膏在新鲜时和存放24小时后的润湿性能相似,T3焊膏在存放期间润湿性能下降。

使用PR测试电路板上的套印线路测量焊膏形成焊锡球的性能,先用新印刷的焊膏,再用和印刷焊膏后存放24小时的测试板测量(表11)。

焊膏

焊锡球<5个的套印

焊锡球<10个的套印

24小时后焊锡球<5个的套印

24小时后焊锡球<10个的套印

T3免清洗

1200%

1200%

600%

1000%

T3水溶性

1200%

1250%

1150%

1250%

T4水溶性

500%

1200%

无数据

500%

表11:焊膏存放24小时之前和之后形成焊锡球的性能。

印刷的焊膏存放超过24小时后,套印百分比下降。这表明随着存放时间的延长,随机形成的焊锡球数量普遍增多。焊锡粉末尺寸越小,随机形成的焊锡球的增多就越严重。图29是存放24小时之前和之后形成焊锡球的代表性图像。

焊膏存放24小时之前和之后葡萄效应的百分比(图30)。

图30:焊膏存放24小时之前和之后的葡萄效应结果。

免清洗焊膏存放24小时后,T3、T4和T6焊锡粉末尺寸产生的葡萄效应都增多。其中,T3粉末形成的葡萄现象面积增加6%、T4是16%、T6是13%。T5焊膏不受存放24小时的影响。水溶性焊膏在存放24小时之前和之后的葡萄效应水平基本相同。免清洗焊膏的葡萄效应结果表明,尺寸越小的焊锡粉末对存放时间越敏感。

焊膏的稳定性:热老化 

把焊膏密封在容器中,在50°C(122°F)的烤箱中加热老化三天。热老化后,测量焊膏的粘度、IPC焊锡球、黏着力、印刷性能和回流性能。用这些测量结果和新鲜的焊膏的结果进行比较。图31是热老化之前和之后的粘度测量结果。

图31:热老化之前和之后的T形杆轴粘度测试结果。

水溶性焊膏的粘度随热老化明显增加。

水溶性焊膏全部发生反应,直至无法使用的程度。免清洗焊膏在这个测试中表现出一定的稳定性。T3和T4免清洗焊膏的粘度增加大约40-70%,但仍然是可用的。T5和T6免清洗焊膏的粘度增加100%以上。这些老化后的焊膏变得浓稠,但增加叶片压力仍然可以印刷这种焊膏。在加热老化的焊膏上进行IPC焊锡球形成测试,测试结果见表12。

 

免清洗

水溶性

最初状态

热老化4小时后

最初状态

热老化4小时后

T3

可接受

可接受

可接受

可接受

T4

可接受

可接受

可接受

不可接受

T5

可接受

不可接受

可接受

不可接受

T6

不可接受

不可接受

不可接受

不可接受

表12:焊膏热老化后IPC形成焊锡球的性能。

最初,所有焊锡粉末尺寸的新鲜焊膏形成的焊锡球都是可接受的,只有T6焊锡粉末形成的焊锡球是不可接受的。热老化后,T5和T6免清洗焊膏的结果是不可接受的。T4、T5和T6水溶性焊膏的结果都不可接受。从这个测试中可以明显看出,随着时间的推移,比较小的焊锡粉末尺寸更容易发生反应,这些反应可能会使焊膏的保存时间变得更短。

在经过热老化的焊膏上进行JIS黏着力测试。图32是新鲜焊膏和经过热老化的焊膏的黏着力数据。

图32:热老化之前和之后的JIS黏着力。

T3免清洗焊膏在热老化后,黏着力略微下降。T4和T6免清洗焊膏的黏着力在热老化后变大。T5焊膏的黏着力在热老化后相对稳定。T3和T4水溶性焊膏的黏着力在热老化后下降。T5和T6水溶性焊膏的黏着力在热老化后的变化非常小。这表明热老化对黏着力的影响并不确定,热老化可能不会改变焊膏的保存时间。

在热老化之前和之后测量焊膏的印刷性能。水溶性焊膏的粘性太强而无法印刷,因此,图33中只有免清洗焊膏的数据。

图33:免清洗焊膏在热老化之前和之后的印刷性能。

这些焊膏的转移效率值在热老化之前和之后从统计结果看是相同的。热老化增加免清洗锡膏的粘度,但不影响焊膏的印刷性能。相比之下,热老化使水溶性焊膏的粘度增加到无法印刷的程度。

使用PR测试电路板测试热老化的免清洗焊膏的回流性能,并与新鲜的免清洗焊膏进行比较。图34是焊膏的润湿数据。

图34:免清洗焊膏在热老化之前和之后的润湿情况。

各种经过热老化的免清洗焊膏的润湿性能都会因热老化而下降。下降最多的是T5和T6焊膏。表13是形成焊锡球性能和热老化的关系。

焊膏

有<5个焊锡球的套印

有<10个焊锡球的套印

焊膏热老化后有<5个焊锡球的套印

焊膏热老化后有<10个焊锡球的套印

T3免清洗

1200%

1200%

1100%

1250%

表13:在焊膏热老化之前和之后形成焊锡球的性能。

使用T4、T5和T6焊锡粉末的免清洗焊膏不能用这些标准进行测量,因此没有出现在此表中。免清洗焊膏的热老化对形成焊锡球的性能没有明显的影响。形成焊锡球的典型图像如图35所示。

图35:在热老化之前和之后免清洗焊膏形成的焊锡球。

在热老化后测量葡萄现象的百分比,并与新鲜的免清洗焊膏对比(图36)。

图36:热老化之前和之后免清洗焊膏形成的葡萄现象。

新鲜和热老化的T3、T4和T5免清洗焊膏形成葡萄现象的百分比相近。T6免清洗焊膏由于热老化导致的葡萄现象稍微增多。

润湿性能和葡萄效应性能因热老化而下降,说明焊锡粉末尺寸越小的焊膏会更快地失去活性。使用较小焊锡粉末尺寸制造的焊膏的储存期限可能会比较短。

结论与建议

焊锡粉末的尺寸对焊膏性能有一定的影响。众所周知,不能将每种尺寸的焊锡粉与特定的焊锡膏一起使用。焊膏必须按照配方生产,用配方所需要的焊锡粉末尺寸使焊膏正常工作。在这项工作中,根据焊膏在测试中的表现,针对测试的各种焊膏和焊锡粉末尺寸大小提出最佳使用建议。

坍塌(IPC

在IPC坍塌测试中,除了T6免清洗焊膏、T5和T6水溶性焊膏没有通过热坍塌测试,其他所有的焊膏的表现都很好。T6免清洗焊膏、T5和T6水溶性焊膏的助焊剂中的焊锡粉末尺寸比较小,因此浓度相当高,这一情况改变焊膏的流变特性。这说明在回流时尺寸比较小的焊锡粉末可能会增加焊锡桥连的可能性。

形成焊锡球(IPC

在IPC测试中,T3、T4和T5水溶性焊膏和免清洗焊膏形成焊锡球的结果是可接受的。T6免清洗和水溶性焊膏都无法通过IPC形成焊锡球的测试。和其他焊锡粉末尺寸相比,T6焊锡粉末的氧化物含量相对较多。T6焊膏比其他焊膏更容易形成焊锡球。

印刷最小面积比

总而言之,印刷的焊膏体积随焊锡粉末尺寸减小而增加。焊锡粉末的尺寸每减小5%,转移效率就提高约5%,这对应的是0.05的面积比的变化。以下是针对各种类型焊膏建议的最小面积比:

•T3免清洗焊膏:0.60 AR

•T4免清洗焊膏:0.55 AR

•T5免清洗焊膏:0.50 AR

•T3和T4水溶性焊膏:0.60 AR

•T5型水溶性焊膏:0.55 AR

请记住,印刷参数、钢网技术和设计将影响可印刷能力和这些最小面积比。

印刷中的暂停与钢网寿命

T5和T6免清洗焊膏在钢网上暂停16小时后,转移效率下降幅度比较大。T5和T6水溶性焊膏在钢网上暂停16小时后,转移效率下降比较少。不建议焊膏在钢网上暂停16小时和24小时后再印刷。所有测试的焊膏在印刷暂停1小时、2小时和4小时后,反应良好,在钢网上停留8小时后可印刷能力的表现仍然不错。根据这项工作,所有测试的焊膏推荐的钢网寿命是8小时。环境条件、新鲜焊膏的添加比例和其他的因素都会影响钢网的寿命。

回流性能(PR测试电路板)

各种免清洗焊膏的润湿或扩展都是一致的,和焊锡粉末的尺寸大小没有关系。水溶性焊膏的润湿或扩展随焊锡粉末尺寸变小而减弱,但总体上比免清洗焊膏高。对于大多数电子组件,T3、T4和T5免清洗焊膏和水溶性焊膏形成焊锡球的性能是可以接受的。正如在IPC焊锡球形成测试中可以看到,T6免清洗焊膏和水溶性焊膏形成的焊锡球过多。对于T3、T4、T5免清洗焊膏和水溶性焊膏,葡萄效应的表现良好。而两种T6焊膏的葡萄效应性能是不可接受的。在焊膏中使用T6焊锡粉末也许会导致过多的焊锡球和葡萄效应。

形成空洞的性能

所有免清洗焊膏都表现出相同的低空洞状态。随着焊锡粉末尺寸减小,水溶性焊膏形成的空洞随之增多。焊锡粉末尺寸和其他因素对形成空洞的性能有一定影响。形成空洞的表现可能随焊锡粉末尺寸的改变而变化,并且可能需要控制回流工艺,尽可能少地形成空洞。

焊膏的稳定性 

所有焊膏的黏着力在48小时内保持稳定,但时间一旦超过72小时后就会下降。黏着力保持稳定的时间远超过印刷和回流之间的正常时间间隔。对于T3、T4和T5焊膏,在钢网上保持24小时后的回流性能是稳定的。T6焊膏在钢网保持24小时之前和之后的回流性能都存在问题。不建议回流之前让焊膏在钢网上保持24小时,但这也说明T3、T4、T5焊膏在各种环境下都是稳定的。不过,比较极端的环境条件会改变焊膏的稳定性。

焊膏的热老化

T3和T4免清洗焊膏的粘性会随着热老化而增大,但它们易于印刷。T5和T6免清洗焊膏粘度显著增加,但可以通过调整印刷参数来印刷。所有水溶性焊膏的粘度都会随着热老化而急剧增大,而且焊膏无法印刷。免清洗焊膏的印刷性能基本上不会随热老化而改变。热老化导致T5和T6免清洗焊膏,以及T4、T5、T6水溶性焊膏在IPC形成焊锡球测试中都得到失败的结果。

所有的焊膏在热老化之前和之后的黏着力都是稳定的。只有免清洗焊膏在热老化后进行印刷和回流。热老化导致所有免清洗焊膏的润湿性能下降。免清洗焊膏形成焊锡球的性能因热老化而稍微恶化。免清洗焊膏葡萄效应的性能在热老化后保持不变。

这些结果表明,焊锡粉末尺寸减小时,焊膏的反应性增大。这说明使用较小的焊锡粉末尺寸制造出来的焊膏的保存期限比较短,特别是用T5和T6焊锡粉末制造的焊膏。

总结

这项研究表明,对于使用T3、T4、T5和T6SAC305焊锡粉末的免清洗和水溶性焊膏,焊膏的性能差别很大。使用焊锡粉末尺寸比较小的焊膏时,用户应当关注这些性能差别,这样,就可以根据焊膏的性能来调整SMT工艺。

焊膏制造商正在为电子行业未来的需求做准备。比较小的焊锡粉末尺寸在微型化的电子应用中变得越来越普遍。焊膏制造商正在配制各种使用较小焊锡粉末尺寸的产品来满足这些要求。

参考文献

1. Solder Paste Task Group (5-24b), “Requirements for Soldering Pastes,” J-STD-005A, February 2012.

2. Stencil Design Task Group (5-21e), “Stencil Design Guidelines,” IPC-7525B, October 2011.

3. T. O’Neill, C. Tafoya, G. Ramirez, “The Impact of Reduced Solder Alloy Powder Size on Solder Paste Print Performance,” Proceedings of IPC APEX EXPO, 2016.

4. R. Gray, “Development of a Robust 03015 Process,” Proceedings of IPC APEX EXPO, 2015.

5. B. Roggeman, B. Keser, “Improved SMT and BLR of 0.35-mm Pitch Wafer Level Packages,” Proceedings of SMTA International, 2015.

6. S. Harter, J. Franke, C. Lantzsch, “Evaluation of the Stencil Printing for Highly Miniaturized SMT Components with 03015 mm in Size,” Proceedings of SMTA International, 2015.

7. Nobari, S. St-Laurent, “Solder Powder characteristics and Their Effect on Fine Pitch Printing of Solder Paste,” Proceedings of SMTA International, 2017.

8. E. Bastow, “Does Solder Particle Size Impact the Electrical Reliability of a No-Clean Solder Paste Flux Residue?” Proceedings of IPC APEX EXPO, 2016.

9. Nobari, S. St-Laurent, “Effect of Fine and Ultra-Fine Lead-Free Solder Powder characteristics on The Reflow Property of Pastes,” Proceedings of SMTA International, 2016.

10. Nobari, S. St-Laurent, “Investigation of characteristics of Lead-Free Powders for Solder Paste Application,” Proceedings of IPC APEX EXPO, 2017.

11. Japanese Standards Association, “Japanese Industrial Standard Solder Paste,” JIS Z 3284, 1994.

这篇论文最早在IPC APEX EXPO 2019技术研讨会上提出,并在2019技术研讨会论文集中公开发表。

作者简介:Tony Lentz是ECT 组装公司的化学工程师/现场工程师,FCT 组装公司设在美国科罗拉多州Greeley。


上一篇:焊锡膏自动添加闭环控制技术及其应... 下一篇:第一次在企业内部进行SMT组装—...

《SMT China 表面组装技术》官方微信服务号

SbSTC服务号

actSMTC订阅号
版权声明:
《SMT China 表面组装技术》网站的一切内容及解释权皆归《SMT China 表面组装技术》杂志社版权所有,未经书面同意不得转载,违者必究!
《SMT China 表面组装技术》杂志社。

        

2019 LEAP Expo 视频专访


 
 
 
 
友情链接
   

SMT China

洁净室

激光世界

微波杂志

视觉系统设计

化合物半导体

工业激光应用

半导体芯科技

  首页 | 关于我们 | 联络我们
Copyright© 2020: 《SMT China 表面组装技术》; All Rights Reserved.
请用 Microsoft Internet Explorer 6.0 或以上版本。
Please use Microsoft Internet Explorer 6.0 or higher version.
备案序号:粤ICP备12025165号