姚長(zhǎng)春，劉洪光

(安波福中央電氣（上海）有限公司，上海201800)

隨著消費(fèi)類(lèi)電子和汽車(chē)類(lèi)電子越來(lái)越小型化，傳統(tǒng)的USB已經(jīng)慢慢被微型化的全新Type C USB（C型連接器）接口形式替代，由于這種接口小巧輕薄，使用方便，還能夠集充電、數(shù)據(jù)傳輸以及視頻輸出于一體，所以越來(lái)越多的設(shè)計(jì)接口優(yōu)先選用Type C。但是，采用fine pitch設(shè)計(jì)的TypeC為了滿足客戶的質(zhì)量要求，怎樣確保Type C的焊接質(zhì)量，這在SMT組裝中遇到了很大的挑戰(zhàn)，本文通過(guò)改善SMT過(guò)程工藝的方法來(lái)提高Type C焊接質(zhì)量，確保達(dá)到客戶的要求，希望為從事本行業(yè)的同事提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

為了提高TYPE C（C型連接器）的焊接質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)SMT過(guò)程工藝的改善，來(lái)達(dá)到客戶質(zhì)量需求的目的和要求。從而為產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性提供解決方案。

2 選型設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)方案

2.1 選型設(shè)計(jì)分析

材料的數(shù)據(jù)分析：TYPE C，貼片引腳數(shù)量12引腳，寬度0.22 mm，每?jī)蓚€(gè)引腳中心距0.5 mm；印刷電路板上引腳孔長(zhǎng)0.28 mm，寬0.15 mm（方形）如圖1所示。

圖1 TYPE C的尺寸圖

PCB焊盤(pán)通孔大小0.65 mm，PCB厚度1.2 mm，如圖2所示。

圖2 PCB焊盤(pán)尺寸和孔徑尺寸

根據(jù)以上數(shù)據(jù)理論計(jì)算PIN的填充率結(jié)果只有68%，如圖3所示。

圖3 理論填充率的計(jì)算

焊接質(zhì)量要求：盡管IPC 610針對(duì)PTH材料的填充率有要求（三級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)是填充率大于等于75%），但是客戶對(duì)Type C的焊接質(zhì)量要求填充率要達(dá)到100%，如圖4所示。

圖4 客戶對(duì)TPYE C的焊接質(zhì)量要求示意圖

根據(jù)原始的鋼網(wǎng)開(kāi)孔和常規(guī)的焊接流程工藝，實(shí)際的焊接結(jié)果為：通過(guò)X-RAY內(nèi)部檢測(cè)和AOI檢測(cè)，再加之人工目檢，都達(dá)不到常規(guī)的IPC三級(jí)要求，更無(wú)法滿足客戶的超高質(zhì)量要求，如圖5所示。

圖5 焊接后質(zhì)量檢測(cè)圖

2.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

客戶要求的是焊接質(zhì)量TYPEC的填充率必須達(dá)到100%，焊接后IC底部散熱焊盤(pán)空洞率不超過(guò)焊接面積的25%，參考符合IPC標(biāo)準(zhǔn)里BGA的焊接質(zhì)量三級(jí)要求，同時(shí)不能有焊接錫珠，但是當(dāng)前的設(shè)備和工藝條件下不能滿足這個(gè)質(zhì)量要求，導(dǎo)致產(chǎn)品遲遲不能量產(chǎn)。

針對(duì)難點(diǎn)，通過(guò)分析，要想達(dá)到焊接質(zhì)量要求，公司的產(chǎn)線軟硬件都需要改進(jìn)。這顆材料的解決困難是具有表面貼裝pin腳和PIH通孔pin腳。如果通孔的錫量太厚，表貼的PIN腳就會(huì)短路。錫量太薄就會(huì)使通孔的填充率不夠。在保證貼裝PIN腳不短路的情況下，增加通孔里面的錫膏量和提高通孔孔壁的焊接潤(rùn)濕性才能得到滿意的焊接質(zhì)量。所以怎樣找到這個(gè)平衡點(diǎn)是非常的關(guān)鍵，從如下幾個(gè)方面通過(guò)重新設(shè)計(jì)鋼網(wǎng)開(kāi)孔，更換錫膏，增加錫膏印刷量等，筆者采取以下解決方案：

（1）重新設(shè)計(jì)鋼網(wǎng)的表面處理要求，為了增加錫膏脫模效率，鋼網(wǎng)表面處理從原來(lái)的普通處理轉(zhuǎn)為納米涂層處理；

（2）重新設(shè)計(jì)鋼網(wǎng)開(kāi)孔，對(duì)于TYPE C的問(wèn)題在有限的PCB焊盤(pán)上盡量的擴(kuò)大開(kāi)孔面積；對(duì)于焊接后空洞和錫珠問(wèn)題通過(guò)優(yōu)化鋼網(wǎng)開(kāi)孔大小來(lái)解決；

（3）從當(dāng)前的幾款無(wú)鉛錫膏品牌中選擇三款性?xún)r(jià)比好的錫膏作為對(duì)比；

（4）為了增加印刷錫膏通孔里的錫量，印刷刮刀從原來(lái)的60°斜角改為45°斜角，使印刷錫膏向下的剪切力增大，增加通孔里面的錫膏貫通量；

（5）回流焊爐由原來(lái)的空氣爐回流焊換為氮?dú)鉅t，通過(guò)減少通孔內(nèi)壁的氧化，提高通孔孔壁的潤(rùn)濕性等來(lái)增大通孔的填充率。

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及參數(shù)

為了減少各個(gè)因素的影響因子，所有工藝流程的設(shè)備，參數(shù)全部使用同一數(shù)據(jù)和參數(shù)，包括印刷機(jī)，貼片機(jī)，回流焊。爐溫曲線應(yīng)在供應(yīng)商推薦的范圍內(nèi)。所以，針對(duì)客戶的質(zhì)量要求和考慮實(shí)際影響較明顯的因素，盡量減少驗(yàn)證測(cè)試時(shí)間，針對(duì)其工藝參數(shù)做相應(yīng)的改善驗(yàn)證。

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與數(shù)據(jù)分析

3.1 對(duì)鋼網(wǎng)開(kāi)孔的設(shè)計(jì)改善

通過(guò)計(jì)算，原始鋼網(wǎng)開(kāi)孔面積不能滿足通孔內(nèi)焊接需要的錫膏量，所以，只能盡量外擴(kuò)印刷面積（由于Fine pitch的貼片引腳影響，鋼網(wǎng)厚度超過(guò)0.12 mm以上容易短路），所以在不能增加鋼網(wǎng)厚度的條件下，鋼網(wǎng)開(kāi)孔只能增大開(kāi)孔面積，原始鋼網(wǎng)數(shù)據(jù)的Type C的開(kāi)孔方式如圖6所示：但是焊接后效果如圖5所示?？紤]到焊盤(pán)上有很多通孔影響到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則形狀的開(kāi)法，為了避免焊接錫膏被盜錫流入孔內(nèi)，所以開(kāi)孔盡量避免通孔并且在有限的區(qū)域內(nèi)盡量外擴(kuò)，同時(shí)需要保證焊錫膏能夠在回流后收回到焊點(diǎn)上。

圖5 利用布局驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的凸輪

圖6 原始鋼網(wǎng)開(kāi)孔示意圖

圖7為改善后鋼網(wǎng)的開(kāi)孔方式和改善后開(kāi)孔印刷錫膏后的圖片。

圖7 改善后鋼網(wǎng)的開(kāi)孔和印刷錫膏后的示意圖

盡管增大了印刷錫膏的面積，在過(guò)完回流完成焊接后，通過(guò)x-ray的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)填充率仍然達(dá)不到100%的要求。僅僅是比原始開(kāi)孔提高了一點(diǎn)，填充率達(dá)到60%～70%，由此可以看出，只是增加開(kāi)孔面積并不能達(dá)到焊接質(zhì)量100%填充率的效果，X-RAY檢測(cè)結(jié)果如圖8所示。

圖8 焊接質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果

3.2 對(duì)印刷刮刀傾角的選型改善

由上可以看到增大錫膏開(kāi)孔面積并不能完全解決填充率的問(wèn)題，當(dāng)前業(yè)界常用的錫膏印刷用刮刀，主要有45°和60°的傾斜角的鋼片刮刀，在印刷機(jī)設(shè)定同一壓力數(shù)值下，由于45°和60°的刮刀在鋼網(wǎng)刮動(dòng)錫膏向下的壓力不同會(huì)導(dǎo)致通孔里面錫膏的填充量不同，所以為了增大通孔在印刷時(shí)的錫膏填充量，選用45°和60°傾斜角的印刷刮刀做對(duì)比，在同種錫膏和不同種錫膏驗(yàn)證的情況下，來(lái)評(píng)估刮刀對(duì)TYPEC這種零件的影響。

綜上，針對(duì)不同品牌的錫膏的選型和回流焊中氮?dú)獾氖褂玫戎饕绊懸蛩?，設(shè)計(jì)一個(gè)DOE的實(shí)驗(yàn)來(lái)確定最佳的工藝參數(shù)。

3.3 刮刀和氮?dú)獾脑O(shè)計(jì)選型

刮刀和氮?dú)獾脑O(shè)計(jì)選型如表1、表2所示。

表1 刮刀類(lèi)型

表2 氮?dú)膺x型

錫膏型號(hào)和刮刀，氮?dú)鈪?shù)的搭配組合：

Alpha 390 60°刮刀

Alpha 390 45°刮刀

SENJU M705-GWS 60°刮刀

SENJU M705-GWS 45°刮刀

Alpha 390 45°刮刀，氮?dú)?/p>

SENJU M705-GWS 45°刮刀，氮?dú)?/p>

Alpha OM 338PT 45°刮刀，氮?dú)?/p>

AIM M8 45°刮刀

3.4 數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)

通過(guò)測(cè)試分析，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

Alpha 390 60度刮刀焊接后填充率的統(tǒng)計(jì)如圖9所示。

圖9 Alpha 390 60度刮刀焊接后填充率統(tǒng)計(jì)

Alpha 390 45°刮刀焊接后填充率的統(tǒng)計(jì)如圖10所示。

圖10 Alpha 390 45°刮刀焊接后填充率統(tǒng)計(jì)

SENJU M705-GWS 60°刮刀焊接后填充率的統(tǒng)計(jì)如圖11所示。

圖11 SENJU M705-GWS 60°刮刀焊接后填充率的統(tǒng)計(jì)

SENJU M705-GWS 45°刮刀焊接后填充率的統(tǒng)計(jì)如圖12所示。

圖12 SENJU M705-GWS 45°刮刀焊接后填充率的統(tǒng)計(jì)

Alpha 390 45°刮刀，使用氮?dú)夂附雍筇畛渎实慕y(tǒng)計(jì)如圖13所示。

圖13 Alpha 390 45°刮刀焊接后填充率統(tǒng)計(jì)

Senju M705-GWS 45°刮刀，使用氮?dú)夂附雍筇畛渎实慕y(tǒng)計(jì)如圖14所示。

圖14 SENJU M705-GWS 45°刮刀焊接后填充率的統(tǒng)計(jì)

Alpha OM 338PT 45°刮刀焊接后填充率的統(tǒng)計(jì)如下圖15所示。

圖15 Alpha OM 338PT 45°刮刀焊接后填充率的統(tǒng)計(jì)

AIM M8 45°刮刀焊接后填充率的統(tǒng)計(jì)如圖16所示。

圖16 AIM M8 45°刮刀焊接后填充率的統(tǒng)計(jì)

3.5 匯總統(tǒng)計(jì)

全部錫膏填充率數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 錫膏焊接后填充率統(tǒng)計(jì)表

匯總后統(tǒng)計(jì)圖如圖17所示。

圖17 每種錫膏焊接后平均填充率統(tǒng)計(jì)圖

3.6 不同實(shí)驗(yàn)條件下的X-RAY測(cè)試統(tǒng)計(jì)圖

Alpha錫膏OM 390焊接后的x-ray照片：盡管大部分都超過(guò)90%的填充率，但是極個(gè)別的PIN腳通孔氣泡比較大，部分達(dá)到75%的極限點(diǎn)，如下圖18所示。

圖18 Alpha 390焊接后的X-RAY檢測(cè)圖

Alpha 338PT錫膏焊接后的x-ray照片：從圖19中可以看出焊接后空洞率完全滿足IPC 3級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)。

圖19 Alpha 338PT焊接后填充率X-RAY檢測(cè)圖

焊接后的外觀檢測(cè)如圖20所示：外觀填充率達(dá)到100%的焊接質(zhì)量要求。

圖20 Alpha 338PT焊接后填充率外觀檢測(cè)圖

AIM M8的焊接錫膏焊接后的X-RAY照片如圖21所示。盡管大部分都超過(guò)40%的填充率，但是極個(gè)別的PIN腳通孔氣泡比較大，部分達(dá)到50%的極限點(diǎn)。

圖21 M8錫膏焊接后X-RAY檢測(cè)示意圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)驗(yàn)證得出以下結(jié)論：

（1）鋼網(wǎng)的表面處理和開(kāi)孔大小尺寸的改善雖然不是萬(wàn)能的，但是在短期內(nèi)設(shè)計(jì)來(lái)不及更改以及生產(chǎn)時(shí)間要求緊急的情況下，也是解決問(wèn)題的一個(gè)常用的有效方法，可以解決由于材料和設(shè)計(jì)引起的很多質(zhì)量問(wèn)題，為樣品的生產(chǎn)及其準(zhǔn)時(shí)交付減少了大量的時(shí)間。

（2）45°的刮刀的工藝改善具有兩面性，雖然對(duì)通孔填充率有幫助，但是在fine pitch的材料上會(huì)導(dǎo)致錫膏量過(guò)多而短路，所以在常規(guī)生產(chǎn)中很少使用，或不建議使用，即使使用，鋼網(wǎng)的厚度也不能定義太厚，具體還要根據(jù)PCB上零件的情況來(lái)決定。

（3）氮?dú)獾倪x用對(duì)幫助焊錫膏在通孔內(nèi)的潤(rùn)濕性有很大的幫助，從而增大錫膏的浸潤(rùn)焊盤(pán)的能力。

（4）錫膏的因素是最主要的，不同品牌的錫膏由于助焊劑不同，會(huì)有不同的特性。選擇一款適合產(chǎn)品的錫膏是關(guān)鍵和必要的，這不僅會(huì)保證產(chǎn)品的質(zhì)量，還會(huì)提供良好的工藝窗口。當(dāng)然，選擇性?xún)r(jià)比最后的錫膏才是節(jié)省成本和時(shí)間的關(guān)鍵。

通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)的外觀和X-RAY的數(shù)據(jù)表明，通過(guò)以上幾種措施的改善，成功解決了TYPE C的焊接填充率達(dá)到100%的客戶需求，同時(shí)解決了焊接空洞和焊接錫珠問(wèn)題，通過(guò)焊接后X-RAY照片的檢測(cè)以及質(zhì)量部門(mén)全面檢測(cè)，完全符合客戶要求，并且同時(shí)從中選出一組最佳的解決問(wèn)題的工藝流程，為尼桑產(chǎn)品的兩條線的順利量產(chǎn)提供了最佳解決問(wèn)題的工藝方案。

通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證得知，影響焊接質(zhì)量的因素有很多，單純地考慮某一個(gè)主要因素并不能完全解決問(wèn)題，所以使用魚(yú)骨圖的分析方法，從人、機(jī)、料、法、環(huán)方面進(jìn)行分析，按照SMT的流程工藝，分別從最常用的方法、從鋼網(wǎng)開(kāi)孔的改善、印刷刮刀角度的選型、回流焊中氮?dú)獾氖褂靡约板a膏的選型等幾個(gè)方面進(jìn)行工藝補(bǔ)償，短期內(nèi)解決了焊接質(zhì)量問(wèn)題，節(jié)省了樣品生產(chǎn)的時(shí)間，節(jié)省了大量的成本，為解決問(wèn)題設(shè)計(jì)不同測(cè)試驗(yàn)證方法，從而達(dá)到設(shè)計(jì)需要的目的。為遇到過(guò)或可能會(huì)遇到同類(lèi)問(wèn)題的同事提供參考依據(jù)，避免走更多的彎路，節(jié)省時(shí)間和費(fèi)用。