王麗榮 朱捷 趙朝輝 張煥鹍

隨著電子制造業(yè)的迅猛發(fā)展，電子焊接的質量與可靠性逐步成為保持市場競爭力的基石，也是電子廠商著重關注的焦點。針對可靠性的評價，從設計到后續(xù)的組裝，再到最終驗收，國際電子工業(yè)聯(lián)接協(xié)會（IPC）、日本工業(yè)標準（JIS）以及國內相關機構均提供了一系列標準。有了共同的標準即制定了交流過程中的共同語言——全球電子行業(yè)的術語，可以很大程度上減少供應商和制造商在溝通上的障礙，加快解決問題的速度，為雙方贏得良好的企業(yè)形象和信譽奠定了基礎。每個公司根據自身特性會參考國內或者國際不同的標準，例如一家錫膏生產商，為了實現(xiàn)最終產品的絕佳品質，需要參考的標準如IPC-J-STD-004、IPC-J-STD-005、IPC-J-STD-006以及IPC-TM-650等。

IPC的測試項目琳瑯滿目，標準均為英文版本，雖然目前TG Asia技術組也在積極的進行標準開發(fā)工作，然而對于一些初入電子行業(yè)或者所生產的產品總是出現(xiàn)問題的客戶來說，采用何種標準以及對標準內容如何解析常常感到困惑。本文就錫膏制造行業(yè)以及電子組裝可接受性的基本測試項目和評判標準做簡要概述。

錫膏的測試可分為基本性能測試、上機運行和可靠性檢測。

一、基本性能測試

錫膏的基本性能測試主要參考IPC-J-STD-005（錫膏要求 Requirements for Soldering Pastes）以及JIS-Z-3284（日本工業(yè)標準）。

1.錫粉粉徑以及粒度分布

錫膏中70%～90%的成分為錫粉，錫粉的性能指標很大程度上決定了錫膏的性能。錫粉檢測關注錫粉形貌以及粉徑粒度分布。錫粉的形貌要求為長寬比不超過1∶1.5的球形。錫粉的90%的形貌必須為球形，粉徑標準見表1、表2。

目前市場上常用的為T3、T4號錫粉，隨著電子元器件的短小化發(fā)展，0201以及01005元器件的快速興起，足夠的焊接強度對下錫量提出了更嚴格的要求。根據焊盤尺寸與錫粉單排數(shù)量的關系，窄粒徑超細粉的應用優(yōu)勢日漸凸顯。01005元器件見圖1。

2.金屬比

金屬比采用質量檢測方法，具體方法見IPC-TM-650，2.2.20，測試值需不超過設定值的±1%。具體的偏差值各個公司有不同的限定標準，在檢測過程中為了防止熔融金屬進一步氧化，通常會添加一定量額外的溶劑進行保護。

3.粘度

粘度測試采用Malcom（單位為Pa·s），也可使用Brookfield（單位為cp），要求測試值不能超過設定值的10%。當采用Malcom測試時，也需關注錫膏的Ti以及R值。Ti值為觸變指數(shù)，反映的是錫膏在外力作用下改變形態(tài)的快慢程度，一般良好的Ti值在0.4～0.6左右。R值為粘度不恢復率，反映的是當外力減小時，錫膏恢復到初始狀態(tài)的能力。R值可為負值，零以及正值。當R為正值時，反映當作用于錫膏的外力減小或消失時，錫膏不能快速或不能恢復到初始狀態(tài)。即常說的隨著印刷時間的延長，錫膏表現(xiàn)為流淌狀，此時容易造成因錫膏流淌到焊盤外而造成錫珠或連錫現(xiàn)象；當R=0時，是最佳的印刷狀態(tài)，即當作用于錫膏的外力減小或消失時，錫膏能快速恢復到初始狀態(tài)；當R為負值時，數(shù)值越大，則隨著印刷時間的延長，錫膏的粘度越大，容易造成錫膏滾動性差，下錫困難，為增加下錫量，常采用加大刮刀力度，卻進一步造成鋼網變形，更容易造成焊接缺陷。

4.坍塌

在坍塌測試方面，IPC以及JIS給出了不同的鋼網結構設計，從鋼網設計結構看，IPC更符合現(xiàn)有產品的結構發(fā)展趨勢，也給錫膏制造商在評價錫膏特性方面提供了更好的技術支持。

IPC的坍塌鋼網結構設計分為不同鋼板厚度，包括IPC-A-21（0.2mm厚）以及IPC-A-20（0.1mm厚），見圖2。測試同時關注冷熱坍塌。冷坍塌代表的是錫膏在印刷時，保持印刷形態(tài)的能力。對于某些細間距的管腳元器件，若冷坍塌差，則直接出現(xiàn)未焊接前的連錫，則必然在回流后造成大面積的短路現(xiàn)象。相對冷坍塌而言，實驗室更側重的是冷坍塌優(yōu)異的熱坍塌表現(xiàn)。熱坍塌的焊接條件是150±10℃條件下，烘烤10min。在烘烤過程中，錫膏內的助焊劑會持續(xù)揮發(fā)，在揮發(fā)過程中，錫膏自身的重力和保持形狀的力成反作用力。當錫膏保持形態(tài)的力小于自身重力時，發(fā)生坍塌現(xiàn)象；當錫膏保持形態(tài)的力大于自身重力時，則錫膏不發(fā)生坍塌或者微小的坍塌。隨著元器件間距越來越細微化，熱坍塌值成為足夠下錫量后又一重要指標（見表3）。

5.錫珠

針對錫珠，IPC以及JIS有不同的評判標準。IPC根據錫粉的粉徑范圍制定了錫珠檢測標準。如T1-T4錫粉，要求不能有超過75μm的錫珠，而針對T5-T6，則要求不能超過50μm的錫珠出現(xiàn)（見圖3）。

JIS提出更高的測試要求，按照等級劃分，可以分為4個等級，等級1要求無錫珠，與IPC中目標值相同，而針對2級，JIS明確提出，錫珠數(shù)量必須小于3個，且尺寸不能超過75μm。三級為錫珠數(shù)量超過3個，但不成環(huán)，且尺寸要求不超過75μm（見表4）。

IPC錫珠測試分為2種樣品，一種為錫膏印刷后在室溫放置15min，另一種為在室溫放置4h。這里放置4h后錫珠的檢測對錫膏提出更高的要求。當某些錫膏存在吸濕問題時，隨著放置時間的增長，吸濕量加重，容易造成在后續(xù)焊接過程中的炸錫現(xiàn)象。另外當錫膏中的助焊劑容易揮發(fā)時，隨著放置時間的延長，助焊劑中的活性物質電離環(huán)境被破壞，進而造成錫膏的活性降低，影響焊接效果，若揮發(fā)物質過多，則造成錫膏表面發(fā)干。

6.潤濕

目前印制電路板（PCB）板面基材主要包含OSP銅、鍍錫、鎳金等幾種基材。IPC-TM-650對潤濕的要求為不能出現(xiàn)明顯的退或不潤濕現(xiàn)象，該標準可以滿足SMT生產廠商對最終產品的評判，然而，當錫膏生產廠商在對其錫膏的活性強弱評判時，僅通過在銅板表面的滿潤濕現(xiàn)象，很難對其活性強弱進行進一步判斷。據此，筆者所在公司結合IPC以及JIS對潤濕的測試方法，采取多種基材評判錫膏的潤濕能力（見圖5）。

根據現(xiàn)有行業(yè)中所用到的板材以及某些氧化嚴重的基材，采用銅板、鎳板、鍍鎳版、黃銅板幾種板材進行潤濕評判。從而在板材材質以及板材的氧化程度上，多方面檢測錫膏的活性以及鋪展能力。

7.助焊膏顆粒度

針對助焊劑的檢測主要包括顆粒度、粘度、固含量、酸值、鹵素等。助焊膏的粘度、固含量、鹵素含量、酸值由助焊膏配方設計決定，其值設定后，錫膏表現(xiàn)出來的性能參數(shù)是一定的，但是助焊膏的顆粒度則能在很大程度上影響錫膏的性能，如錫膏的粘度、下錫、穩(wěn)定性等。當一款助焊膏的顆粒度較大時，硬顆粒會充當錫粉的作用，從而增大錫膏粘度。另外錫膏外觀狀態(tài)發(fā)粗，整體印刷時滾動性差，間接影響下錫量，導致焊接缺陷。

以上僅列舉出幾種錫膏的基礎檢測方法。在評判一款錫膏的適用窗口時，會進行20多項性能測試，確保在客戶端的高滿意度。

二、上機運行

該項目建立在錫膏的基礎性能檢測通過的基礎上，進行上機檢測。機測的目的在于檢測錫膏的下錫、脫模、以及對印刷速度的工藝窗口寬度，同時也通過長時間的印刷，檢測錫膏的物化穩(wěn)定性。

1.物理穩(wěn)定性

錫膏在印刷過程中始終處于裸漏的空氣環(huán)境中，錫膏的每一次滾動，都會將新的膏層暴露在空氣中，加快了溶劑的揮發(fā)以及活性物質與錫粉的反應速度。一旦溶劑揮發(fā)過快，則錫膏會出現(xiàn)發(fā)干的現(xiàn)象，影響錫膏滾動性。除了錫膏的形態(tài)不能發(fā)生變化外，8h內冷坍塌值均不違反IPC測試要求，錫膏的下錫性波動在允許范圍內，錫膏對鋼網的粘附性遠遠小于錫膏對焊盤的粘附性等。

2.化學穩(wěn)定性

焊接過程就是助焊膏與錫粉的化學反應過程，一旦在印刷過程中錫粉與助焊膏發(fā)生快速反應，消耗掉部分助焊膏的活性，則在后續(xù)的焊接過程中，助焊膏中的活性物質無法充分去除掉接觸材料表面的氧化物，容易造成退潤濕、錫珠等一系列焊接問題。

一款性能優(yōu)異的錫膏需要保證在8h印刷過程中，始終保持良好的性能參數(shù)。

三、可靠性測試

無論是錫膏的基礎性能測試還是上機運行，所有的檢測項目均為焊接可靠性服務。產品質量是一個企業(yè)的中樞神經，而對每個環(huán)節(jié)質量的管控與標準的評測才能生產出一款合格的產品。在可靠性檢測方面，常規(guī)的有表面絕緣阻抗（SIR）、電遷移、空洞率等。

1.BGA-球柵陣列結構元件

一般的PCB板都帶有BGA元件，針對BGA空洞率大，一直困擾著錫膏制造商以及SMT廠商?？斩吹拇嬖谥饕绊憣釋щ娦浴？斩吹男纬蓹C理目前形成了比較成熟的觀點，主要為錫膏內部的助焊劑在發(fā)揮作用時候產生的氣體或助焊劑中較粘稠的物質在焊料融化過程中不能完全排除，在后續(xù)的焊料凝固時將氣體或者殘留封鎖在焊點內部，從而形成空洞（void）。一般而言空洞存在的位置對于后續(xù)的焊接穩(wěn)定性存在不一樣的影響，因BGA空洞只能通過X-Ray觀測，且X-Ray僅能反饋空洞的大小，不能反饋空洞的位置。因此3D立體式X-Ray越發(fā)體現(xiàn)出其應用的價值，IPC-7095對不同位置的空洞做出了等級評判，以IPC Class III為最高級別。

改善BGA空洞的幾種方法建議如下：

（1）錫膏本身活性

錫膏本身活性高，去除氧化物能力強，有利于降低空洞率。

（2）元器件（BGA）

元器件在使用前需要進行烘烤，未經烘烤的元器件可能因為水汽等問題造成空洞率大，甚至會造成BGA球炸裂。

（3）曲線設置

每款錫膏都匹配自己的TDS，TDS中會提供該錫膏的最佳焊接工藝窗口。通常將保溫區(qū)時間適當延長，使產生的氣體或者粘稠的物質有足夠的時間排除，從而降低空洞率。

2. 貼片元件封裝形式（DPAK）

DPAK元器件底部焊盤較大，很容易造成空洞大的問題。一般可以從焊盤設計以及鋼網設計著手。

3.方形扁平無引腳封裝（QFN）

根據IPC-A-610E中8.3.13中明確提出，針對QFN類扁平式元器件，在側面沒有連續(xù)的可焊表面，不要求趾部（末端）填充，且I/O存在于底面，既接地焊接符合要求，即可滿足電子組裝的可接受性，而對側面的焊接高度并無要求。由于焊接面在底部，焊接情況的判定只能通過X-Ray檢測，因此行業(yè)中為間接保證焊接牢固性，提出QFN側面爬升高度2/3的要求。圖5（a）中箭頭所指的地方為不連續(xù)可焊面，圖5（b）為QFN側面管腳爬升性完整。

四、結語

一款錫膏的性能由配方體系、使用工藝環(huán)境等多方面因素共同決定。因此在判定一款錫膏性能參數(shù)時，完善的評測體系以及配套的檢測設備，才能有效協(xié)助找到適合該產品的工藝窗口。隨著電子制造業(yè)向著輕薄短小化發(fā)展，標準的更新也在與時俱進，希望越來越多的中國電子制造業(yè)精英加入到國際標準制定中來，為中國的電子行業(yè)盡一份力量。