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SMT中的微过孔技术 -- smt拓展  

2013-05-23 15:57:42|  分类: SMT技术文章 |  标签: |举报 |字号 订阅

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由于对低成本、高密度PCB的需求越来越强烈,微过孔技术也就显得更为重要了。形态因素的要求迫使缩小元件间距,这样才能形成微型盲导通孔的焊盘。而盲孔可提高有效布局,其在制造商和板子组装厂家在制造方面展开了一系列的竞争。
第1阶段的设计
在第1阶段中,考虑采用的不同设计参数列在下表中。
1. 微过孔结构
a. 传统未填充的微型盲过孔
b. 倒置的微过孔
c. 填充铜的微过孔
2. 微过孔尺寸(钻孔尺寸)
a. 4mil直径
b. 6mil直径
3. 微过孔形状
a. 浴液容器形状(供应商B)
b. 瓶颈形状(供应商A)
4. 微过孔设计
a. 微过孔对中焊盘(设计1)
b. 在焊盘边缘的微过孔(设计2)
c. 焊盘内局部的微过孔(设计3)
d. 焊盘外的插入微过孔(设计4)
e. 狗骨形微过孔(设计5)
5. PCB表面涂层
a. 有机可焊性保护涂层(OSP)
b. 浸银
c. 化学镀镍浸金(ENIG)
在第1阶段中,所有的测试媒介物都是使用相同的SMT组装工艺组装的。采用通用的再流曲线的免洗焊膏可用于组装中。
[upload=jpg]UploadFile/2005-9/2005989281765.jpg[/upload]
第1阶段的结果
使用自动X射线检验系统对所有的组件进行检验。为了探测到3mil直径(0.3mil/轴线性分辨率)以上的孔洞,应将分辨率设置到最高。当大于3mil孔洞的总数除于检验的焊点总数时,计算出产生孔洞的百分比。每个参数至少有256个数据点。当将任意2个参数进行比较时,其它所有的参数保持不变。
微过孔结构
可以观察到未填充的常规VIP结构的一致性孔洞。不管是倒置的微过孔还是填充铜的微过孔都看不到有明显的孔洞产生(图3b和3c)。不同于传统的VIP,倒置的微过孔还是填充铜的微过孔结构都有平整的焊接表面。
[upload=jpg]UploadFile/2005-9/200598928261.jpg[/upload]
微过孔尺寸
微过孔尺寸对孔洞尺寸有很大的影响。就4mil的微过孔而言,一般孔洞尺寸为3mil。对于6mil的微过孔,可看到较大的孔洞(见图4)。还可观察到球尺寸对孔洞尺寸的影响较小。
微过孔形状
在此项研究中,使用了三家不同供应商提供的PCB。由于采用了不同的镀覆工艺,所以,6mil钻孔尺寸规范的微过孔的涂覆尺寸也是不同的,其范围为2.5-5.0mil。供应商A的PCB的微过孔形状为浴液形容器,而供应商B的PCB的微过孔形状为瓶颈形。当对通孔进行套镀时,就可观察到孔洞较小(图5)。
微过孔设计
在测试媒介物中采用了5种不同的微过孔设计(图6)。正像所预料的那样,传统的狗骨架形和插入形微过孔并没有产生明显的孔洞。因此,这两种设计可用作比较其它设计的基线。图7所示是每种设计的孔洞分布。根据产生的孔洞,设计3(焊盘内的局部微过孔)的结果近似于基线设计的结果。
PCB表面涂层
在三种表面涂层中,就形成孔洞而言,在OSP和浸银之间没有明显的差别。然而,采用ENIG表面涂层,可观察到元件焊料界面上有较大的孔洞。其它两种表面涂层的导通孔旁边也有孔洞(图8)。在0.8mm间距的CSP可看到类似的倾向。
第1阶段概述
通过第1阶段的一些观察概述如下:
1. 采用常规的VIP结构,可以观察到大量的孔洞。铜填料的微过孔和倒置的微过孔结构不会产生任何明显的孔洞。
2. 微过孔尺寸越小,孔洞尺寸也就越小。
3. 由于镀覆工艺的不同,供应商之间的微过孔涂覆尺寸和形状是不同的。
4. 对中心的设计和不对中心的设计都会产生大量的孔洞。局部定位于焊盘内的微过孔(第三种设计)产生的孔洞就少。
5. 采用ENIG表面涂层的PCB,在元件焊接界面旁边可以看到有较大的孔洞。采用OSP和浸银表面涂层的PCB,孔洞一般都是在PCB面上的导通孔周围。
第2阶段的设计
第2阶段设计是第1阶段设计的延续,在第2阶段设计中主要是检测与工艺相关的参数。从第1阶段设计中选择出最差的设计以便实施第2阶段的实验。由于采用了ENIG表面涂层的对中心的微过孔产生的孔洞要比其它的设计多,将这种组合用于第2阶段的所有研究中。第2阶段中的工艺参数列在下面:
1. 焊膏助焊剂类型
a. 免洗
b. 水溶性助焊剂
2. 焊膏合金成分
a. 63Sn37Pb共晶焊料
b. 62Sn/36Pb/2Ag焊料
3. 焊膏粒子尺寸
a. 25-45μm(类型Ⅲ)
b. 20-37μm(类型Ⅳ)
4. 印刷工艺
a. 单程印刷
b. 双程印刷
5. 再流曲线
a. 浸渍区
b. 峰值温度和再流时间
c. 一次再流和二次再流
所有的组件在普通气氛下进行再流。
第2阶段的结果
焊膏助焊剂的类型
根据观察,水溶性助焊剂类型和免洗助焊剂类型产生的孔洞的差别是不易注意到的。
[upload=jpg]UploadFile/2005-9/20059892922272.jpg[/upload]
[upload=jpg]UploadFile/2005-9/20059892958704.jpg[/upload]
焊膏合金成分
与常规的63Sn/37Pb焊料比较,合金成分为62Sn/36Pb/2Ag的焊膏可明显降低孔洞的尺寸(图9)。然而,对于这两种焊膏,球体成分为共晶63Sn/37Pb。62Sn/36Pb/2Ag合金的熔融温度比起63Sn/37Pb合金稍微低一点。这样就可以使焊膏在球坍塌和释放一些截留的气体之前实现再流。
焊膏粒子尺寸
还对含有较细焊料粒子尺寸的焊膏(类型Ⅳ)进行了检验。没有观察到孔洞有什么差别。
印刷工艺
采用双程印刷工艺,往焊盘上沉积更多的焊膏来填充导通孔的办法。然而,这种方法不会减少孔洞。
再流曲线
浸渍区的影响
根据参考的再流曲线,对两个不同的浸渍区进行检查(图11),采用无浸渍的直接升温到峰值温度(RTP)方法,峰值温度的焊点和再流时间保持在恒定状态下(215℃峰值温度和液相以上温度60秒)。为了区分这些曲线,其中之一表示为“冷却浸渍”,而另一个表示为“热浸渍”。
采用冷却浸渍曲线,在130-150℃之前的时间范围为45(通常)-90秒。采用热浸渍曲线,在150-180℃之间的时间范围为60(通常)-120秒。热浸渍曲线可明显降低孔洞的形成(图12)。当在150-180℃之间进行浸渍时,焊膏中的助焊剂在再流之前就有时间熔蚀和逃逸。冷却浸渍曲线的结果要比参考再流曲线(非浸渍)的结果稍差一些。图13所示是X射线检测的这三种曲线的结果。
峰值温度和再流曲线的影响
对不同的峰值温度的6个再流曲线(包括参考曲线)和再流时间进行了测试。非浸渍的所有的曲线升到峰值温度曲线。峰值温度范围为205-225℃,而液相以上的时间为30-90秒。X射线检测结果(图14)说明曲线越高,产生的孔洞就越多。而峰值温度越低,再流时间就越短,在某种程度来说,这对于降低孔洞的产生是有帮助的。
[upload=jpg]UploadFile/2005-9/20059893024876.jpg[/upload]
单再流和双再流
一些组件可以通过第二次再流(在第二次再流时元件面朝下)。令人惊奇的是,剖面的图片呈现出在第二次再流后板子焊盘上的孔洞。而在一次性再流后的剖面的图片则呈现出元件焊接界面存在有孔洞(图15)。0.5mm和0.8mm间距的CSP具有同样的现象。

传统的焊盘中的通孔(VIP)组装的主要问题之一是焊点中会产生孔洞。在再流过程中,微过孔中截留的气体不能排除时,就会产生孔洞。本文主要论述不同微过孔结构及其对组装工艺的影响。设计了一个实验(DOE),以便了解通孔尺寸、通孔位置、通孔类型和其它工艺参数的影响。此外,还对其它关键系数的影响,如像印制电路板(PCB)表面涂层和焊膏沉积进行了检测。
为减少孔洞而优化再流参数。为了对结果进行量化评估,使用自动X射线检测(AXI)系统记录形成孔洞的数据。实施横剖面以便对X射线检验结果进行确认。传统狗骨形和插入式微过孔的数据用作为评估新的微过孔设计的基线。除了传统的微过孔结构外,还论述了填充的微过孔和倒置的微过孔的组装结果。本文重点论述了在组装过程中形成孔洞和论述了几种控制孔洞形成的方法。这项研究分为两个部分。前半部分论述了与设计相关的问题,后半部分论述了组装工艺的优化。
实验设计
此项研究分两个阶段进行的,在第Ⅰ个阶段,对不同的设计参数进行评估,使SMT组装工艺保持恒定不变。在第Ⅱ个阶段中,对最差的微过孔设计的工艺参数进行优化。图1所示是为此项研究设计的测试媒介物。即使其它不同的封装被贴装到测试媒介物上,在数据分析中,芯片级封装(CSP)间距严格地限制在0.5mm和0.8mm,因为这些封装极易产生孔洞。0.5mm和0.8mm间距CSP的焊料球直径分别为0.30mm和0.46mm。
结论
本文研究的结果清楚地说明有几种方法可以降低或消除VIP PCB的孔洞的产生。通过本文的研究,主要影响概括如下:
1.在降低孔洞方面,填铜的微过孔和倒置的微过孔展示出最佳的效果。这些设计可获得平整光滑的焊接表面,其有助于消除孔洞。
2. 对准中心和脱离中心的设计会形成大量的孔洞。当在焊盘内局部贴装时微过孔(设计3)显示出产生的孔洞较少。
3.与浸银和OSP涂层比较,采用ENIG涂覆的PCB会产生更多的孔洞。
4.微过孔越小,孔洞就越少。一般来说,4mil和6mil微过孔,可观察到的孔洞分别为3mil和5mil。
5.镀覆的微过孔可缩小涂饰的导通孔的尺寸,其对缩小孔洞尺寸是有帮助的。
1. 当将合金为62Sn/36Pb/2Ag的焊膏与常规的共晶63Sn37Pb球形元件使用到一起时,孔洞尺寸可大大地下降。
2. 对再流曲线的影响最大的参数是浸渍区。在150℃以上的温度下延长浸渍时间,可观察到使用的特定焊膏的孔洞会大大地降低。
3. 从某种程度来说,较短的再流时间和较低峰值温度对减少孔洞是有帮助的。
4. 采用ENIG涂覆的PCB,发现在第一次再流后元件面的孔洞,而在第二次再流后会观察到PCB面上的孔洞(在第二次再流中元件面朝下)。
5. 焊膏中助焊剂类型、焊料粒子和二次的焊膏印刷的影响都降低了。
紧接着可制造性的研究,某些设计的可靠性测试正在进行中。

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