錫膏量與再流焊后焊點(diǎn)形貌關(guān)系分析

表面貼裝技術(shù)中的鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)是決定焊膏沉積量的關(guān)鍵因素，而再流焊后形成的焊點(diǎn)形貌與鋼網(wǎng)的開(kāi)口設(shè)計(jì)有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。從SMT錫膏印刷工藝的理論基礎(chǔ)出發(fā)，結(jié)合實(shí)際PCB（印制線(xiàn)路板）上錫膏印刷量，針對(duì)在不同線(xiàn)寬的高速信號(hào)線(xiàn)衍生形成的焊盤(pán)上印刷不同體積的錫膏量，論證再流焊后形成的焊點(diǎn)形貌。

引言

隨著高頻高速電路的運(yùn)用越來(lái)越廣泛，隨之帶來(lái)的是對(duì)電子裝聯(lián)技術(shù)及測(cè)試技術(shù)的考驗(yàn)。由于高速信號(hào)網(wǎng)絡(luò)無(wú)法添加測(cè)試點(diǎn)，嘗試通過(guò)增加Bead（焊珠）測(cè)試點(diǎn)來(lái)增加對(duì)高速信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試覆蓋。

基于Probe（探針）的特性，對(duì)Bead的形貌有一定的要求：Bead太大可能造成短路或脫落的風(fēng)險(xiǎn)；Bead太小接觸可靠性及穩(wěn)定性有影響；Bead高度在0.10~0.15 mm之間最合適。因此需要針對(duì)不同線(xiàn)寬的高速線(xiàn)選擇適當(dāng)?shù)匿摼W(wǎng)開(kāi)口方案。

本文的目的旨在探討針對(duì)不同尺寸的Bead焊盤(pán)設(shè)計(jì)不同的錫量，再流焊后觀察Bead的形貌，探索合適的錫量滿(mǎn)足針床的測(cè)試要求。

為研究適合可以作為Bead probe使用的焊盤(pán)尺寸及合適的印刷錫量，需要針對(duì)此次試驗(yàn)設(shè)計(jì)不同線(xiàn)寬的焊盤(pán)及不同錫量的鋼網(wǎng)開(kāi)口，通過(guò)逐一驗(yàn)證各條件下的焊點(diǎn)形貌，進(jìn)而判斷和選擇合適的焊盤(pán)及鋼網(wǎng)開(kāi)口設(shè)計(jì)滿(mǎn)足探針?biāo)枰暮更c(diǎn)形貌。

研究方案

1.1 焊盤(pán)設(shè)計(jì)方案

由于高速網(wǎng)絡(luò)無(wú)法添加TP（測(cè)試點(diǎn)）進(jìn)行測(cè)試覆蓋，通過(guò)對(duì)表層的高速信號(hào)線(xiàn)上進(jìn)行綠油開(kāi)窗并與常規(guī)焊盤(pán)一樣進(jìn)行表面處理形成部分非常規(guī)的焊盤(pán)，由于高速線(xiàn)線(xiàn)寬一般只有0.10~0.30 mm左右，常規(guī)開(kāi)窗無(wú)法滿(mǎn)足Probe的接觸要求，需要通過(guò)錫膏印刷及再流焊的工藝方式形成Bead去滿(mǎn)足規(guī)范IPC-A-610G測(cè)試的需求，測(cè)試需求的常規(guī)Bead形貌如圖1所示。

圖1 Probe bead常規(guī)形貌

本次試驗(yàn)板采取單一變量的試驗(yàn)方式進(jìn)行，對(duì)試驗(yàn)單板高速線(xiàn)焊盤(pán)設(shè)計(jì)采用NSMD(非阻焊定義)，焊盤(pán)尺寸：線(xiàn)寬0.50 mm，阻焊開(kāi)窗比線(xiàn)寬大0.025~0.050 mm，本次試驗(yàn)采用的線(xiàn)寬有0.10 mm、0.13 mm、0.23 mm、0.25 mm、0.30 mm，然后印刷不同的錫量觀察再流焊后Bead點(diǎn)的形貌。

1.2 鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)方案

試驗(yàn)板使用的錫膏粉粒型號(hào)是4號(hào)（粒徑20~38 μm），采用鋼網(wǎng)的厚度0.12 mm，根據(jù)規(guī)范IPC-7525的錫膏完全轉(zhuǎn)移的最小開(kāi)窗要求，鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)最小開(kāi)窗0.25 mm×0.30 mm，鋼網(wǎng)開(kāi)口要以焊盤(pán)尺寸為計(jì)算依據(jù)，為了進(jìn)行量化研究，這里以與焊盤(pán)等大為1倍錫量，因此以0.25 mm×0.30 mm的測(cè)試點(diǎn)尺寸為例，鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)開(kāi)口見(jiàn)表1。

表1 鋼網(wǎng)開(kāi)口說(shuō)明（以用錫量來(lái)表示)

以上7種錫膏量的鋼網(wǎng)開(kāi)窗方式與5種高速線(xiàn)線(xiàn)寬進(jìn)行組合，研究再流焊后形成焊點(diǎn)的形貌特征。試驗(yàn)板再流焊爐溫借用單板原型爐溫，監(jiān)控SPI（錫膏檢測(cè)）實(shí)際印刷錫量數(shù)據(jù)，便于核算錫膏量。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果

通過(guò)對(duì)SPI數(shù)據(jù)的監(jiān)控及對(duì)再流焊后形成的Bead進(jìn)行三次元測(cè)試和形貌觀察，可以得到7種鋼網(wǎng)開(kāi)窗方式，實(shí)際印刷出來(lái)的錫膏量及再流焊后各線(xiàn)寬條件下Bead的焊點(diǎn)高度及各方案下的焊點(diǎn)的形貌特征。鋼網(wǎng)：SUS304 FG鋼網(wǎng)；印刷設(shè)備：SJ-680S（以下樣本數(shù)據(jù)量＞100）。2.1 SPI監(jiān)控?cái)?shù)據(jù) 整理各開(kāi)口方式的SPI數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 各開(kāi)口方案下SPI數(shù)據(jù)

具體體積比和高度數(shù)據(jù)對(duì)比如圖3和圖4所示。

圖3 各開(kāi)口方式印錫體積比

圖4 各開(kāi)口方式印錫高度

2.2 印錫數(shù)據(jù)分析與結(jié)論

從以上樣本數(shù)據(jù)曲線(xiàn)可知：1）滿(mǎn)足IPC-7527規(guī)范要求的開(kāi)窗尺寸，能夠滿(mǎn)足最小體積沉積率≥75%；2）實(shí)際印錫體積與高度多數(shù)均比理論值偏高，實(shí)際錫膏印刷體積與高度的平均值均超過(guò)業(yè)內(nèi)常用的體積與高度公差在±50%的最大閾值；3）通過(guò)計(jì)算數(shù)據(jù)的離散特性可以得知：1倍開(kāi)口印錫體積離散程度最小，4倍、6倍印刷錫膏高度離散程度最低（如圖5所示）。

圖5 數(shù)據(jù)離散特性

通過(guò)以上數(shù)據(jù)可知，印錫體積/高度與鋼網(wǎng)開(kāi)窗尺寸強(qiáng)相關(guān)，同時(shí)與印刷設(shè)備參數(shù)（刮刀角度、壓力、速度）、錫膏觸變特性、黏度也存在一定的關(guān)聯(lián)，本文暫不做討論。對(duì)比離散特性曲線(xiàn)可知，4倍開(kāi)窗的數(shù)據(jù)（體積/高度）的整體穩(wěn)定性相對(duì)最高。

2.3 再流焊后形貌特征

通過(guò)高倍顯微鏡對(duì)再流焊后Bead焊點(diǎn)的形貌觀察與三次元對(duì)Bead焊點(diǎn)高度的檢測(cè)，可以得到表3~表7和圖6數(shù)據(jù)，本次試驗(yàn)使用的錫膏TAMURA TLF-204-NH HR，由于沒(méi)有有效的手段掃描焊點(diǎn)的體積，焊點(diǎn)體積按實(shí)際SPI測(cè)試體積，結(jié)合錫膏理論，以助焊劑與金屬混合體積比（接近1:1）進(jìn)行計(jì)算。

圖6 再流焊后各開(kāi)口焊點(diǎn)高度

2.3.1——0.10 mm線(xiàn)寬下焊點(diǎn)形貌與錫量的關(guān)系

0.10 mm線(xiàn)寬下各開(kāi)口倍數(shù)的形貌見(jiàn)表3。

表3 0.10mm線(xiàn)寬各開(kāi)口倍數(shù)下焊點(diǎn)形貌

從0.10 mm線(xiàn)寬形貌及焊點(diǎn)高度看：

1）所有開(kāi)口方式，焊盤(pán)均有良好的潤(rùn)濕；

2）1倍開(kāi)口方式的焊點(diǎn)形貌基本滿(mǎn)足作為Bead probe的要求；

3）2倍到16倍的開(kāi)口方式焊點(diǎn)寬度方向均有擴(kuò)張，主要由于焊盤(pán)潤(rùn)濕面積小，潤(rùn)濕力無(wú)法抵消焊點(diǎn)的表面張力，焊點(diǎn)隨著錫量的增加逐漸朝著球形變化；

4）從焊點(diǎn)高度曲線(xiàn)上看，1倍到6倍的高度基本呈現(xiàn)線(xiàn)性關(guān)系，從6倍到16倍高度斜率有變緩趨勢(shì)，主要原因是焊錫在熔融狀態(tài)下，表面張力抵消不掉焊錫重力，導(dǎo)致焊點(diǎn)出現(xiàn)坍塌，造成高度降低。

2.3.2——0. 13 mm線(xiàn)寬下焊點(diǎn)形貌與錫量的關(guān)系

0.13 mm線(xiàn)寬下各開(kāi)口倍數(shù)的形貌見(jiàn)表4。

表4 0.13mm線(xiàn)寬各開(kāi)口倍數(shù)下焊點(diǎn)形貌

從0.13 mm線(xiàn)寬形貌及焊點(diǎn)高度看：1）基本與0.10 mm線(xiàn)寬形貌及焊點(diǎn)高度一樣，由于線(xiàn)寬比0.10 mm寬，潤(rùn)濕面積大一點(diǎn)，從高度曲線(xiàn)上看高度稍微比0.10 mm的低一點(diǎn)。2.3.30.23 mm線(xiàn)寬下焊點(diǎn)形貌與錫量的關(guān)系0.23 mm線(xiàn)寬下各開(kāi)口倍數(shù)的形貌見(jiàn)表5。

表5 0.23mm線(xiàn)寬各開(kāi)口倍數(shù)下焊點(diǎn)形貌

從0.23 mm線(xiàn)寬形貌及焊點(diǎn)高度看：1）基本與0.10 mm和0.13 mm線(xiàn)寬形貌及焊點(diǎn)高度一樣：隨著體積增加呈線(xiàn)性增加，由于線(xiàn)寬更寬，潤(rùn)濕面積更大，從高度曲線(xiàn)上看高度稍微比0.13 mm的低一點(diǎn)。2.3.40.25 mm線(xiàn)寬下焊點(diǎn)形貌與錫量的關(guān)系0.25 mm線(xiàn)寬下各開(kāi)口倍數(shù)的形貌見(jiàn)表6。

表6 0.25mm線(xiàn)寬各開(kāi)口倍數(shù)下焊點(diǎn)形貌

從0.25 mm線(xiàn)寬形貌及焊點(diǎn)高度看：

1）基本與0.10 mm和0.13 mm線(xiàn)寬形貌及焊點(diǎn)高度一樣，隨著體積增加基本呈線(xiàn)性增加；

2）由于線(xiàn)寬更寬，潤(rùn)濕面積更大，從高度曲線(xiàn)上看高度稍微比0.10 mm的低一點(diǎn)，比0.13 mm和0.23 mm的要高，原因可能是焊盤(pán)的潤(rùn)濕面積更大，導(dǎo)致焊錫更多的在焊盤(pán)內(nèi)聚集，此時(shí)焊錫的表面張力能夠抵抗焊盤(pán)外的焊錫的重力，抑制了焊錫的坍塌。

2.3.5——0.30 mm線(xiàn)寬下焊點(diǎn)形貌與錫量的關(guān)系

0.30 mm線(xiàn)寬下各開(kāi)口倍數(shù)的形貌見(jiàn)表7。

表7 0.30mm線(xiàn)寬各開(kāi)口倍數(shù)下焊點(diǎn)形貌

從0.30 mm線(xiàn)寬形貌及焊點(diǎn)高度曲線(xiàn)看：

1）基本與0.23 mm和0.25 mm線(xiàn)寬形貌及焊點(diǎn)高度一樣隨著體積增加基本呈線(xiàn)性增加；

2）由于線(xiàn)寬更寬，潤(rùn)濕面積更大，從高度曲線(xiàn)上看高度稍微比0.10 mm的低一點(diǎn)，比0.13 mm和0.25 mm的要高，原因同0.25 mm的。

2.4 焊點(diǎn)形貌與數(shù)據(jù)分析

1）從印錫數(shù)據(jù)上看，4倍開(kāi)口的印刷錫量穩(wěn)定性更高，但所有開(kāi)口方式理論錫量與實(shí)際錫量差距較大；

2）從焊點(diǎn)形貌上看，0.10 mm線(xiàn)寬1倍開(kāi)口錫量勉強(qiáng)可以作為Bead probe使用，0.13 mm線(xiàn)寬1倍開(kāi)口適合作為Bead probe使用，0.23 mm、0.25 mm、0.30 mm線(xiàn)寬1、2倍開(kāi)口均可以作為Bead probe使用，不同點(diǎn)在于焊點(diǎn)高度不一樣，對(duì)高度有要求的情況下可以選擇使用；

3）不同倍數(shù)及不同線(xiàn)寬的開(kāi)口均有較多的助焊劑殘留，如果作為Bead probe使用，需要對(duì)助焊劑殘留進(jìn)行清理，不然會(huì)存在接觸不到金屬部分造成誤測(cè)試；

4）4倍以上的開(kāi)口方式，從形貌上和焊點(diǎn)高度上看，均不適合作為Bead probe使用，焊點(diǎn)高度過(guò)高存在撞掉焊點(diǎn)及拉起信號(hào)線(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。

2.5 切片結(jié)果分析

1）從焊點(diǎn)切片結(jié)果看，IMC厚度在1~5 μm（業(yè)界默認(rèn)正常IMC厚度），平均厚度在3.5 μm左右，滿(mǎn)足ENIG（化鎳沉金）表面處理方式下IMC的厚度；

2）從切片測(cè)量的焊點(diǎn)高度數(shù)據(jù)上看，焊點(diǎn)高度與三次元測(cè)試的高度基本一致，部分切片結(jié)果見(jiàn)表8和表9。

表8 0.13mm線(xiàn)寬下部分切片試驗(yàn)結(jié)果

表9 0.23mm線(xiàn)寬下部分切片試驗(yàn)結(jié)果

2.6 ICT測(cè)試結(jié)果分析

1）從單板ICT（In Circuit Test）測(cè)試驗(yàn)證來(lái)看，10塊試驗(yàn)單板各形態(tài)焊點(diǎn)下針床測(cè)試結(jié)果均合格，均能較好的扎破助焊劑殘留物，達(dá)到良好的電氣連接；

2）從ICT測(cè)試探針扎到的焊點(diǎn)形貌來(lái)看，由于Sn的延展性較好，強(qiáng)度較低，焊點(diǎn)被探針扎過(guò)后存在較大的坑洞，物理形變量大，不適合多次針點(diǎn)測(cè)試，否則存在焊點(diǎn)被扎爛的情況。

結(jié)論

通過(guò)本次試驗(yàn)可以看到，0.10~0.30 mm的Beadprobe焊盤(pán)的基本鋼網(wǎng)開(kāi)口在1倍到2倍就能夠達(dá)到很好的焊點(diǎn)形貌，開(kāi)口過(guò)大反而容易導(dǎo)致焊點(diǎn)坍塌和延展進(jìn)而產(chǎn)生單板撞件風(fēng)險(xiǎn)，而且所有開(kāi)口均有較多的助焊劑殘留。

從測(cè)試驗(yàn)證效果看，單板均能良好地接觸到金屬成分達(dá)到電氣連通，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，存在一定幾率使得絕緣性質(zhì)的助焊劑殘留影響接觸，因此建議使用這些焊點(diǎn)前需要對(duì)單板進(jìn)行清洗去除殘留的助焊劑。

本次試驗(yàn)Bead probe采用的是ENIG的表面處理，從焊點(diǎn)上看潤(rùn)濕效果較好，對(duì)于OSP(有機(jī)焊接保護(hù)膜)的表面處理的Bead probe具有一定的參考意義。

審核編輯：湯梓紅