黃 鵬 計(jì)孝智 劉 洋 彭彩龍

（四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 綿陽 621000）

0 引言

軍事電子裝備正在向著小型化、輕量化和高集成化的趨勢發(fā)展，各型號(hào)產(chǎn)品在進(jìn)行生產(chǎn)過程中的表面組裝時(shí)，焊膏絲網(wǎng)印刷工藝面臨著如下問題：同一塊印制電路板上的焊盤尺寸大小差異較大時(shí)，焊盤對(duì)焊膏的需求量也不同，采用不同厚度的鋼網(wǎng)工裝，其印刷效果也不同。

焊膏噴印技術(shù)是一種新興的無鋼網(wǎng)噴印工藝技術(shù)，利用其獨(dú)特的噴射器結(jié)構(gòu)在印制板上方以極高的速度噴射焊膏，是完全無接觸的，類似于噴墨打印機(jī)，及時(shí)快速。掌握并應(yīng)用該項(xiàng)新興工藝技術(shù)，能夠有效解決上述軍工產(chǎn)品面臨的問題，并能滿足安裝板復(fù)雜度日益提高的要求和質(zhì)量要求，控制每個(gè)元件引腳所需的焊膏量，以保證獲得最佳的焊點(diǎn)質(zhì)量。

1 焊膏噴印的數(shù)學(xué)模型研究

瑞典的MYCRONIC公司（更名前叫作MYDATA）于2007年前后推出了焊膏噴印技術(shù)，并搭載在其研制生產(chǎn)的焊錫膏噴印機(jī)上，其型號(hào)從MY500發(fā)展到MY700。該文在掌握了焊膏噴印技術(shù)的基本原理后，基于Sn63Pb37型焊膏，開展焊膏噴印的數(shù)學(xué)模型研究。

1.1 建立數(shù)學(xué)模型的思路分析

研究思路是對(duì)比分析絲網(wǎng)印刷技術(shù)和噴印技術(shù)，以絲網(wǎng)印刷技術(shù)為基準(zhǔn)，噴印技術(shù)參照絲網(wǎng)印刷技術(shù)取得的焊膏涂覆效果進(jìn)行研究。

焊膏是將合金焊粉與助焊劑攪拌混合而成的一種膏狀混合物。噴印工藝技術(shù)和絲網(wǎng)印刷工藝技術(shù)采用的錫鉛焊膏型號(hào)相同，均為Sn63Pb37，但助焊劑含量不同。此外，絲網(wǎng)印刷后印制電路板焊盤上焊膏為規(guī)則矩形狀，噴印后印制板上焊膏與焊盤圖形大致相似，轉(zhuǎn)角處為圓弧平滑過渡，兩種工藝技術(shù)中焊膏涂覆后形貌有細(xì)微差別。

焊膏回流焊之后形成焊點(diǎn)，其焊點(diǎn)質(zhì)量可從其焊點(diǎn)形貌和器件引腳和焊料、焊料和印制電路板焊盤之間的金屬間化合物（IMC）厚度來評(píng)價(jià)，其實(shí)質(zhì)是，兩種焊膏涂覆技術(shù)中形成焊點(diǎn)實(shí)體的錫鉛合金質(zhì)量相等，后續(xù)各工序保持相同，即可形成相類似的焊點(diǎn)，確保噴印環(huán)節(jié)和絲網(wǎng)印刷環(huán)節(jié)取得相同的焊膏涂覆效果，進(jìn)而保證焊點(diǎn)質(zhì)量。

1.2 兩種焊膏涂覆技術(shù)體積關(guān)系研究

工廠目前使用的絲網(wǎng)印刷錫鉛焊膏為Alpha公司的OL-107E（Sn63Pb37），其錫鉛合金質(zhì)量比例為90%，助焊劑質(zhì)量比例為10%；使用的噴印錫鉛焊膏為AIM公司的NC 257 MD（Sn63Pb37），其錫鉛合金質(zhì)量比例為86.5%，助焊劑質(zhì)量比例為13.5%。據(jù)查錫鉛合金的密度約為8.6g/cm3，助焊劑的密度約為0.85g/cm3。

對(duì)絲網(wǎng)印刷錫鉛焊膏，設(shè)錫鉛合金的體積為，助焊劑的體積為，總的體積為，可得出公式（1）和公式（2）。

由公式（1）和公式（2）可得出公式（3）。

對(duì)噴印錫鉛焊膏，設(shè)錫鉛合金的體積為，助焊劑的體積為，總的體積為，可得出公式（4）和公式（5）。

由公式（4）和公式（5）可得出公式（6）。

為保證兩種焊膏涂覆技術(shù)中形成焊點(diǎn)實(shí)體的錫鉛合金質(zhì)量相等，令=，則 8.6=8.6，把公式（3）和公式（6）代入可得公式（7）和公式（8）。

根據(jù)公式（8）可知，兩種焊膏涂覆方式要達(dá)到錫鉛合金質(zhì)量相等的目標(biāo)，噴印焊膏體積量約為絲網(wǎng)印刷焊膏體積量的1.2倍。

1.3 焊膏噴印的數(shù)學(xué)模型建立

首先，絲網(wǎng)印刷的體積量由其鋼網(wǎng)工裝決定，鋼網(wǎng)工裝厚度大，印刷的焊膏體積量多，鋼網(wǎng)工裝厚度小，印刷的焊膏體積量少。絲網(wǎng)印刷的鋼網(wǎng)工裝厚度設(shè)計(jì)參考IPC-7525《鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)原則》執(zhí)行，鋼網(wǎng)工裝厚度與印制電路板上封裝引腳中心間距對(duì)應(yīng)關(guān)系詳見表1。

表1 引腳中心間距和鋼網(wǎng)工裝厚度關(guān)系表

其次，MY700焊膏噴印設(shè)備噴印主要參數(shù)為噴印體積量，當(dāng)噴印體積量設(shè)置為100%，噴印的體積量等效于對(duì)應(yīng)絲網(wǎng)印刷鋼網(wǎng)工裝厚度為0.125mm的印刷體積量。因此，在表1基礎(chǔ)上可得到噴印體積量與引腳中心間距的關(guān)系，見表2。

表2 噴印體積量和引腳中心間距的關(guān)系表

最后，在表2的基礎(chǔ)上，結(jié)合噴印焊膏體積量是絲網(wǎng)印刷焊膏體積量的1.2倍關(guān)系，同時(shí)考慮絲網(wǎng)印刷時(shí)焊膏的轉(zhuǎn)移率約為70%~100%，可建立焊膏噴印體積量和引腳中心間距之間的初步數(shù)學(xué)模型，如下。

該數(shù)學(xué)模型中，Z為焊膏噴印質(zhì)量函數(shù)，p為引腳中心間距（mm），V為焊膏噴印體積設(shè)置值（%）。當(dāng)V的取值在規(guī)定的范圍內(nèi)，Z表征為合格，當(dāng)V取值不在規(guī)定的范圍內(nèi)，Z表征為不合格。

2 噴印用印制電路板工藝樣件設(shè)計(jì)

根據(jù)工廠印制電路板具體設(shè)計(jì)情況，采用了Altium Designer Winter 09以及Cadence 16.6這2個(gè)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行印制電路板設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中包括了工廠主要的表面貼裝式元器件封裝類型，如0402、0603、0805、1206、1210、1812、3025等片式電阻電容，CA45A、CA45B、CA45C、CA45D等鉭電容器件，QFN、BGA、SOP、QFP等集成電路，以及電感器件、二極管和SOT系列晶體管。

3 Sn63Pb37焊膏噴印試驗(yàn)

工廠目前已配備最新型號(hào)的MY700噴印設(shè)備，為實(shí)際噴印應(yīng)用建立了試驗(yàn)基礎(chǔ)。

工廠配備的MY700噴印設(shè)備可調(diào)節(jié)的參數(shù)為焊膏噴印體積量（%）、噴印圖形尺寸（mm）、噴印高度（μm），其中噴印圖形尺寸默認(rèn)選用導(dǎo)入的gerber文件外形尺寸，噴印高度（μm）選用默認(rèn)最佳高度值0.65 mm，具體最重要可調(diào)節(jié)的參數(shù)只有焊膏噴印體積量，可為不同封裝引腳中心間距適配不同的噴印體積量參數(shù)，以滿足不同封裝的需求。

根據(jù)上述建立的初步數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)焊膏噴印試驗(yàn)方案，見表3。由于MY700噴印設(shè)備本身的特點(diǎn)，設(shè)置噴印體積量約10%的變化，否則對(duì)噴印體積量幾乎無影響，因此對(duì)數(shù)學(xué)模型中的噴印體積量進(jìn)行取整，并每間隔10%進(jìn)行噴印試驗(yàn)。如8個(gè)引腳、引腳中心間距為1.25mm的SOP器件，第一個(gè)器件左邊從上到下，2個(gè)焊盤為一組，共2組，分別噴印100%、110%體積量。同理，右邊焊盤，共2組，分別噴印120%、130%體積量。以此類推，第二個(gè)器件，分別噴印140%、150%、160%和170%的體積量，直至所有該封裝的器件焊盤噴印完畢，覆蓋數(shù)學(xué)模型中的所有參數(shù)范圍。按照此設(shè)計(jì)方案進(jìn)行噴印試驗(yàn)，SOP的最終噴印效果如圖1所示。

表3 QFP、SOP、BGA等器件噴印試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

圖1 S0P噴印效果圖

同理，其他封裝類型按照該思路設(shè)計(jì)噴印試驗(yàn)方案。同時(shí)阻容器件和QFN器件噴印參數(shù)參考PLCC、QFP的引腳中心間距執(zhí)行，QFN器件中間散熱焊盤參照IPC-7093《底部端子元器件（BTC）設(shè)計(jì)和組裝工藝的實(shí)施》，印制電路板上的散熱焊盤應(yīng)該有75%以上的焊料覆蓋率。因此，QFN器件中間散熱焊盤焊膏噴印體積量設(shè)計(jì)噴印80%~90%。具體設(shè)計(jì)方案見表4。

表4 阻容及QFN器件噴印試驗(yàn)表

4 焊膏噴印檢測（SPI）

工廠絲網(wǎng)印刷焊膏的體積比、面積比的檢測標(biāo)準(zhǔn)均為60%~200%，考慮公式（8）表明的噴印焊膏體積量是絲網(wǎng)印刷焊膏體積量的1.2倍關(guān)系，在絲網(wǎng)印刷焊膏檢測標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上增加至1.2倍，得出適用于焊膏噴印工藝焊膏體積比、面積比的檢測標(biāo)準(zhǔn)為70%~240%。

按照上述設(shè)計(jì)的焊膏噴印試驗(yàn)方案對(duì)各類封裝焊盤完成焊膏噴印后，采用3D焊膏檢測設(shè)備（型號(hào)為S8030L，廠家為深圳思泰克科技公司）對(duì)噴印試驗(yàn)板樣件檢測噴印的焊膏體積比、面積比是否合適，檢測結(jié)果均為“通過”，表明噴印的焊膏體積比、面積比符合要求。

5 貼片及回流溫度曲線設(shè)置

噴印焊膏推薦的回流焊溫度曲線如圖2所示，采用的回流爐為BTU Pyramax100A（八溫區(qū)回流爐），根據(jù)圖2推薦的溫度曲線設(shè)置的各溫區(qū)溫度詳見表5。按該設(shè)置溫度，把溫度傳感器黏貼在試驗(yàn)板樣件具有代表性的位置處，并把大熱容器件（如BGA）黏貼在試驗(yàn)板樣件上，完成實(shí)際溫度曲線采樣，采樣結(jié)果在圖2所示的回流窗口內(nèi)，表5設(shè)置溫度值滿足該焊膏的推薦回流焊溫度。

圖2 噴印焊膏推薦回流焊溫度曲線

表5 回流溫度各溫區(qū)設(shè)定表/℃

焊膏噴印檢測（SPI）合格后，采用MYDATA MY100SXe-14高精度貼片設(shè)備進(jìn)行各種類型器件的機(jī)器貼片，并按表5設(shè)置的溫度值完成試驗(yàn)板樣件的回流焊。

6 焊點(diǎn)形貌分析

回流焊完成后，采用SMT3500LD清洗設(shè)備對(duì)試驗(yàn)板進(jìn)行清洗，清除助焊劑殘留物、污染物及各種雜質(zhì)。

清洗完成后，依據(jù)GJB3243《電子元器件表面安裝要求》、GJB4907《球柵陣列封裝器件組裝通用要求》和QJ165B《航天電子產(chǎn)品安裝通用技術(shù)要求》中相關(guān)要求對(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量進(jìn)行判斷，判斷具體標(biāo)準(zhǔn)如下。1） CHIP器件焊點(diǎn)的爬升高度大于三分之一元件體的厚度，不超過器件本體。2） LCC、QFP焊料的爬升高度不小于四分之一焊端的高度。3） 單個(gè)BGA焊球空洞率≤15%，轉(zhuǎn)換為面積空洞率為約25%。4）QFN器件單個(gè)焊盤空洞率≤15%。

采用視頻放大系統(tǒng)對(duì)樣件焊點(diǎn)外觀形貌進(jìn)行觀測，應(yīng)用X-ray設(shè)備對(duì)BGA、QFN單個(gè)焊點(diǎn)的空洞率進(jìn)行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果對(duì)建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行反饋修改。

7 切片分析

根據(jù)上述焊點(diǎn)形貌分析，可驗(yàn)證建立的初步數(shù)學(xué)模型中噴印參數(shù)的正確性。為了完成切片分析，取各范圍參數(shù)的中間值進(jìn)行產(chǎn)品樣件進(jìn)行焊膏噴印、貼片、回流焊和清洗工序，并進(jìn)行自檢。對(duì)檢驗(yàn)合格的樣件寄送中國賽寶實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行切片分析，對(duì)U5位號(hào)進(jìn)行單個(gè)焊球面積空洞率及切片分析，空洞率按單個(gè)BGA焊球空洞率≤25%檢測標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，檢測結(jié)果均為合格；對(duì)U19位號(hào)、U25位號(hào)進(jìn)行切片及IMC層厚度分析，IMC層厚度按1μm~4μm檢測標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，檢測結(jié)果均為合格。

8 結(jié)論

該文基于Sn63Pb37焊膏進(jìn)行噴印應(yīng)用系統(tǒng)的研究，通過后續(xù)焊點(diǎn)質(zhì)量檢測合格驗(yàn)證了建立的數(shù)學(xué)模型的正確，總結(jié)如下。1） 通過噴印試驗(yàn)，反饋修改建立的最終數(shù)學(xué)模型為

其中，為焊膏噴印質(zhì)量函數(shù)，為引腳中心間距（mm），為焊膏噴印體積設(shè)置值（%）。當(dāng)?shù)娜≈翟谝?guī)定的范圍內(nèi)，表征為合格，當(dāng)取值不在規(guī)定的范圍內(nèi)，表征為不合格。2） 本次焊膏噴印試驗(yàn)樣本數(shù)量有限，需要積累大量產(chǎn)品使用的效果數(shù)據(jù)，對(duì)該模型進(jìn)行反饋完善。3） 該研究方法及思路可指導(dǎo)無鉛焊膏（SAC305）、低溫焊膏的噴印應(yīng)用研究，以及在印制電路板大面積噴印焊膏、深腔體內(nèi)部細(xì)間距器件噴印焊膏和印制板組件返修時(shí)焊膏噴印等方面的應(yīng)用研究，具有較大指導(dǎo)意義。