在SMT组装中，在组装完成后发现的缺陷有60%以上原因在于焊膏和印刷工艺。另外，有15%的缺陷是在再流焊过程中出现的。利用事先设计好的实验以及严格的焊膏工艺测试方法，制定出焊膏评估程序，以最少的实验来得到更多关于焊膏及其工艺性的信息。
作者：Timothy Jensen、Ronald C. Lasky博士

        研究表明，在SMT组装中，在组装完成后发现的缺陷有60%以上原因在于焊膏和印刷工艺[1]。另外，有15%的缺陷是在再流焊中出现的。迫切需要一个简化的、高效率的焊膏评估方法。已经利用设计好的实验和焊膏测试方法，制定了一套焊膏评估方法，来得到更多关于焊膏及其工艺性的信息，同时减少实验的工作量。
        使用十二块印刷线路板（PWB），用模板印刷焊膏，得到了大量的统计结果，据此来评定焊膏的等级。通过试验可得到作业间隙前后的印刷体积和精度、挂在刮刀上的焊膏、塌落、粘度、开孔释放和焊点质量等数据。
        焊膏的费用在最终电子产品的成本中只占0.05%[2]，不过，它对产品的性能及可靠性的影响却非常大。考虑到焊膏对产品组装的重要性，系统地评估焊膏的性能，是十分重要的。印刷性、粘度、再流焊特性、表面绝缘电阻（SIR）、形成球形焊点的能力和湿润性是评价焊膏性能的几个最基本指标。在某些组装工艺中，还需要考虑到可以进行测试和清洁的能力。

印刷性能
        形状良好、体积一致的焊膏印刷块，是预测高水平生产线的成品率的最好指标。焊膏过多，可能会造成短路，焊膏太少，则可能造成开路。制定关于焊膏体积的技术规范，监测印刷工艺与技术规范是否保持一致，能够最有效地提高成品率。做到这点的一个有效方法是统计工艺控制（SPC）程序，它可以有效地控制印刷块的体积，把它保持在技术规范规定的范围之内[3]。

再流焊特性
        大多数通用的含铅焊膏，它们的再流焊性能相对较好一些。再流焊性能不像印刷性能那样会有很大的变化。然而，如果使用无铅焊膏，再流焊性能可能会出现较大的变化。对无铅焊膏，下面两个再流焊性能指标非常重要： 焊膏在温度高于液相线时要能够在一个很宽的时间窗口里很好地运作，再流焊之后要能够形成良好的焊点[4]。
        在无铅组装中，元件要能够承受更高的再流焊温度，需要做更多的探索，保证以最低的温度成功地进行再流焊。图1为Sn3.8Ag0.7Cu焊膏（Tm=217℃）的九种不同的再流焊温度曲线。其中有一种焊膏在使用这九种温度曲线的再流焊过程中表现出良好的湿润性，形成焊点的能力也很好[4]。

粘度
        在粘度为最佳时，能够把元件粘住。但是粘度会随着时间的推移而变化。已经提出一个对它进行分类的办法[5]。

表面绝缘电阻、形成球状焊点、塌落、湿润和电迁移
        J-STD-004和J-STD-005（IPC-TM-650）包含了关于表面绝缘、形成球状焊点、塌落、湿润和电迁移的各种测试。我们并不是要降低这些测试的重要性。不过，大部份从事焊膏生产和销售的公司都已经完整地按照标准做了测试，我们可以使用焊膏说明书中列出的信息，在筛选焊膏的过程中用于评估焊膏。通过比较选出最适用的焊膏，然后，对最后选定的焊膏做若干测试，这是明智的做法。

在选择焊膏时使用的试验方法
        考虑到模板印刷的重要性，同时，由于大部分焊膏销售商都能够如实地按照J-STD-004和J-STD-005（IPC-TM-650）进行焊膏测试，并且提供测试报告，因此，对印刷焊膏体积一致性进行测试，用目视方法分析检查塌落、桥接等印刷特性，就可以很快地从备选焊膏中选出性能最理想的产品。过去所推荐的方法，不包含印刷块积体[6]的测试。它还需要印刷二十七块电路板。我们建议的评估方法只需要印刷十二块电路板，在评估中主要是检查焊膏体积的一致性（图 2）。
        在用十二块电路板对焊膏进行评价时，首先就要准备好用于十二块电路板所需要的充足焊膏。在印刷之前不要对焊膏进行搅拌。然后，在第一步中，印刷出四块电路板（图2）。
图2 用十二块电路板对焊膏进行评价。
在印刷过程中不要擦拭模板。测量印刷的焊膏体积、印刷精度、开孔释放、挂在刮刀上的焊膏数量。在四块电路板中，其中有两块需要平放两个小时，另外两块需要平放六个小时。然后，把元件贴上去。接着测量粘度。接着，在第一组电路板中，一块平放一个小时，另一块平放三个小时，然后进行再流焊。同样地，另两块电路板也按照这个程序进行。
        图2的第二个步骤中，把焊膏先放一个小时不用，然后重复上一段所说的步骤。第三步，把焊膏再放一个小时不用，然后，再重复刚才的那个步骤。在进行最初的筛选时，在测量印刷焊膏体积一致性和精度时，这个过程可能会停下来。这个方法可能会因为它减少了工作量而为人们所接受，这样，我们可以把印刷体积一致性或者印刷精度较差的焊膏淘汰掉。
        对于印刷体积一致性、粘度、形成焊点的能力、再流焊工艺窗口大小（越大越好）、焊点质量，以及J-STD-004 和J-STD-005标准测试等各方面都出色的备选焊膏，需要进行检验。在这个评价方法中，没有考虑到焊膏的耐剪切性。通常只有在产量高/品种少的生产中，焊膏的
耐剪切性的重要性才会表现出来，这类生产不停地印制焊膏，基本上不会有中断或者停顿。根据设计，焊膏本身具有触变性，当有剪切力时，粘性就会随之下降，而当剪切力消失时，粘性又恢复到原来的状态。在模板印刷中刮刀把剪切力加在焊膏上，焊膏的粘性下降，就可以更好地填充模板的开孔。在印刷行程结朿时，焊膏又恢复到最初的粘性水平。一些焊膏的恢复能力可能会跟不上持续印刷的要求，而且没有留出足够的时间让粘性恢复得到原先的水平，一旦出现这种情况，焊膏的粘性就会变得越来越差，最终会造成印刷上去的焊膏出现塌落和桥接。为了评估这种现象，必须印刷几块电路板。然而，我们可以通过多次（50到100次）重复运行模板印刷机的搅拌功能来模拟这种现象。在经过搅拌之后，用目视检查的方法检查印刷上去的焊膏体积和形状。
        对三种免清洗焊膏进行了分析，看看在使用十二块电路板焊膏评测方法时，这三种焊膏的性能。用一块6密耳的模板来印刷用于安装208脚、0.5mm的QFP元件的孔。二十个孔用来测量印刷焊膏，开孔的平均容积为7,968密耳3。印刷上去的焊膏体积一致性很好（图3）。
图3 使用三种不同焊膏时，印刷到板上二十个孔的焊膏体积。
每个数据代表上述的20个开孔（按印刷编号））的平均焊膏体积。
        从图3可以看到，第三种焊膏的印刷体积一致性最差。它在5,400密耳3至9,050密耳3之间变动。还可以从这个幅图可以看到对暂停的响应是无法接受的，随着每一次历时一小时的暂停之后，第一次的印刷焊膏体积会明显减少。焊膏的平均体积是8,206密耳3（平均转印率为1.03），而标准差为1,047密耳3。第一种焊膏的一致性最好，平均体积为8,616密耳3（平均转印率为1.08），但是，它的标准差比较低，仅279密耳3。第二种焊膏紧随其后排在第二，平均印刷体积为8,745密耳3（平均转印率为1.10），标准差为485密耳3。
        大部分SPC设置限制在标准差的±3倍。根据这些判据，表现最佳的是第一种焊膏，它的控制范围为8,616 ±837密耳3，不到±10%。在通常情况下，有必要把焊膏体积控制在±20-30%的范围。有了这些标准，第二种焊膏的控制范围为8,745 ±1455密耳3，即±16.6%，这还是可以接受的。从筛选的角度来看，我们已经把一种焊膏淘汰掉了，可以把现有资源全部投入到评估第一种焊膏和第二种焊膏的其他参数上。印刷体积的一致性不仅是焊膏最重要的标准，而且，它还可能是焊膏中最容易变化的参数。因此，把它作为首要的要求，就可以节约选择焊膏的时间。

对于无铅，更担心空洞？
        在一项关于无铅焊料空洞的研究[7]中，与锡铅工艺相比，无铅焊料在熔化状态时的表面张力较大，湿润性较差，增加出现空洞的可能性。考虑到会出现更多的空洞，问题就变成它是否会影响产品的性能和可靠性。IPC焊料产品价值委员会（SPVC）根据产品测试得出结论[8]，空洞数量、大小和热循环可靠性三者之间没有任何直接的关系[8]。这表明简单的X射线分析不足以评价产品的可靠性。
        有一种情况是，对于使用焊盘内微孔技术（Microvia-In-Pad）的μBGA与CSP产品，空洞的增加可能会带来巨大的影响。由于无铅焊点的空洞增加了，如果两个相邻的球脚都有大的空洞，那么它们可能会出现桥接和短路。这个现象会大量增加需要返工的元件。通过优化再流焊曲线可以减少空洞，因此，在选择焊膏时，焊膏评估的工艺曲线窗口非常重要。

结论
        本文提出用十二块电路板对焊膏进行评估。尽管焊膏评估包含了所有重要的评估标准，但是，首先要评估的是焊膏的印刷体积一致性。对高水平流水线的合格率来说，焊膏印刷体积的一致性是最重要的标准，这个评估法的这一部份可以作为选择焊膏的试验。
        笔者特别感谢Daryl Santos教授和Aniket Bhave在撰写本文时给予的帮助。

参考文献
1. Jensen, Timothy,“Solder Paste Printing and Reflow” workshop, 2003.
2. Lasky, Ronald,“An Overview of the Electronics Industry,”2003.
3. Lasky, Ronald,“SPC Workshop,”2003.
4. Goudarzi, Vahid,“Lead-free Workshop,”Plantation, FL, 2003; con- tact rlasky@indium.com for a copy of the proceedings.
5. Lee, Ning-Cheng,“R&D Test Requirement for Solder Pastes,” Indium Corporation, 2003.
6. Herber, Rob, et al.,“The 27 Board Challenge,”presented at SMT workshop, Toronto, Canada, 1998.
7. Jo, Hyoroon, et al.,“Voiding of Lead-free Soldering at Microvia,”SMTAI, 2003.
8. “The Effect of Voiding in Solder Interconnections Formed from Pb-free Solder Pastes with Sn/Ag/Cu.”This paper is available for download at www.ipc.org.