SMT表面贴片技术指南.doc

表面贴片技术指南無鉛焊錫錫/鉛(Tin/Lead)成分的焊錫是電子裝配中最常用的焊錫， 蓄電池占鉛用量的80%，電子焊錫大約占所有鉛用量的0.5%，即使鉛在電子焊錫中的使用被禁止，也不能解決全部的鉛中毒問題代替鉛的金屬元素:銻(Sb), 鉍(Bi), 銅(Cu), 銦(In), 銀(Ag), 錫 (Sn), 鋅(Zn)無鉛焊錫及其特性:和溫度、機械、蠕變、疲勞特性一樣，熔化溫度點是最重要的焊錫特性之一無鉛焊錫化學成份熔點範圍說明48Sn/52In118℃ 共熔低熔點、昂貴、強度低42Sn/58Bi138℃共熔已制定、Bi的可利用91Sn/9Zn199℃ 共熔渣多、潛在腐蝕性93.5Sn/3Sb/2Bi/1.5Cu218℃ 共熔高強度、溫度疲勞性好95.5Sn/3.5Ag/1Zn218~221℃同上99.3Sn/0.7Cu227℃高強度、高熔點95Sn/5Sb232~240℃剪切強度.溫度疲勞性好65Sn/25Ag/10Sb233℃摩托羅拉專利、高強度97Sn/2Cu/0.8Sb/0.2Ag226~228℃高熔點96.5Sn/3.5Ag221℃ 共熔高強度、高熔點當使用低溫焊錫時，需要特殊的助焊劑，因爲標準的助焊劑可能在低溫下無活性。

由於次共熔溫度下，較低的流動性引起的潤濕特性的減少在波峰焊接中使用高熔點焊錫的關鍵問題之一是，增加電容斷裂的可能性波峰焊接溫度需要保持在大約230~245℃高過錫/鉛焊錫熔點大約45~65℃幾乎所有的無鉛焊錫都比錫/鉛共晶的潤濕性能(擴散性)差，引起不良的焊腳爲了改善潤濕性能，要求特別的助焊劑配方無鉛焊錫的疲勞特性也不好理想的焊錫熔點應在大約180℃，這樣回流溫度爲210~230℃，波峰爐溫爲235~245℃，手工焊接溫度爲345~400℃(650~700℉)電子工業協會(IPC)的標準J-STD-006，提供了詳細的錫/鉛和無鉛焊錫的列表工業還在尋找真正可以替代錫/鉛共晶的正確的無鉛焊錫助焊劑的主要種類----無機助焊劑無機助焊劑具有高腐蝕性，由無機酸和鹽組成，能夠去掉鐵和非鐵金屬的氧化膜層:如鹽酸，氫氟酸，氯化錫，氟化鈉或鉀，和氯化鋅如不銹鋼，鐵鎳鈷合金和鎳鐵，用較弱助焊劑都不能錫焊一般應用於非電子，如銅管的銅焊可是它們有時用於電子工業的鉛鍍錫應用無機助焊劑由於其潛在的可靠性問題，不應該考慮用於電子裝配(傳統或表面貼裝)其主要的缺點是有化學活性殘留物，可能引起腐蝕和嚴重的局部失效有機酸(OA)助焊劑比松香助焊劑要強，但比無機助焊劑要弱。

在助焊劑活性和可清潔性之間，它提供了一個很好的平衡，特別是如果其固體含量低(1-5%)這些助焊劑含有極性離子，很容易用極性溶劑去掉，如水非腐蝕性松香助焊劑也含有鹵化物，如果不適當地去掉，都將引起腐蝕商業、工業和電訊業的其他一些主流公司，把OA應用於波峰焊接板底膠固的表面貼裝片狀元件OA助焊劑材料已成功地用作回流焊接引腳穿孔元件中的環形焊接的助焊劑塗層甚至在通過回流焊接之後，可以很容易地用水清洗現在，水溶性錫膏被廣泛應用松香助焊劑松香助焊劑主要由從松樹樹脂油榨取和提煉的天然樹脂，松香助焊劑在室溫下不活躍，但加熱到焊接溫度是變得活躍它們自然呈酸性(每克當量165-170毫克KOH)它們可溶於許多溶劑，但不溶于水可使用溶劑，半水溶劑或皂化水來清除它們松香的熔點爲172-175℃(342-347℉)，或剛好在焊錫熔點(183℃)之下所希望的助焊劑應該在約低於焊接溫度時熔化並變活躍可是，如果助焊劑在焊接溫度下分解，那將沒有效力這意味著合成助焊劑可以用於比松香助焊劑更高的溫度，因爲前者的分解溫度較高一般，松香助焊劑較弱，爲了改進其活躍性(助焊性能)，需要使用鹵化催化劑松香去氧化物的通用公式：RCO2H + MX = RCO2M + HX,此處RCO2H是助焊劑中的松香(較早提到的C19H29COOH),M = 錫Sn, 鉛Pb或銅Cu,X = 氧化物oxide, 氫氧化物hydroxide或碳酸鹽carbonate松香助焊劑也分類爲松香(R)，適度活性松香(RMA)和活性松香(RA)。

松香助焊劑的各種類的不同在於催化劑(鹵化物，有機酸，氨基酸，等)的濃度R和RMA類型一般無腐蝕性，因此安全，R和RMA助焊劑儘管沒有劃分爲免洗，在一些應用中甚至不清洗當然，沒有清洗，裝配的可靠性要打折扣，因爲在使用環境中，粘性的松香會吸收灰塵和有害污染物助焊劑分類(Flux Classification)助焊劑可分成高/中/無腐蝕性的，可是，任何的助焊劑種類中都有不同級別的腐蝕性 .助焊劑分類是基於其活性和成分(它決定活性)而助焊劑活性又是其除去表面汙物有效性的指標助焊劑通常分成無機酸、有機酸(OA)、天然松香與人造松香(免洗)J-STD-004按字母從A到Y的順序分類助焊劑基於材料成分和鹵化物含量的助焊劑分類助焊劑類型符號助焊劑成分材料符號助焊劑活性水平(%鹵化物)助焊劑類型A/G/M/TRosin/ Resin/Organic/ InorganicRO/RE/ OA/INLow(0%)L0B/H/N/ULow(<0.5%)L1C/I/P/VModerate(0%)M0D/J/Q/WModerate(0.5~2.0%)M1E/K/R/XHigh(0%)H0F/L/S/YHigh(>2.0%)H1助焊劑的總分類：天然松香(Rosin)、人造松香(Resin)、有機酸(Organic)和無機酸(Inorganic)，有進一步的分類。

助焊劑活性和殘留物的活性為或腐蝕性水平：L = 低或無﹐M = 中性﹐H = 較高 通常，助焊劑可分成高腐蝕性的(無機酸助焊劑)、腐蝕性的(OA)、中等腐蝕性的(基於天然松香的)和非腐蝕性的(免洗或低殘留物助焊劑)可是，在任何助焊劑種類中，有不同等級的腐蝕性任何種類的高腐蝕性的無機酸助焊劑很少在電子工業中使用，而中等腐蝕性的助焊劑通常只使用在商業電子中中等腐蝕性的天然松香和人造松香助焊劑具有與OA助焊劑可比的活性，設計用於溶劑清洗，而OA助焊劑是用於水洗的可是，低殘留物和免洗型的人造松香助焊劑具有的活性很低天然松香助焊劑也叫做R(Rosin)，RMA(Rosin Mildly Activated)和RA(Rosin Activated)天然松香助焊劑可以用水洗或溶劑方法來清洗RA助焊劑很少在錫膏中使用用於回流焊接，除了天然松香，也可使用OA和免洗焊膏可是，對波峰焊接，RMA、RA、OA和免洗助焊劑都可使用不管使用的助焊劑類型，都必須提供工作所需的活性水平與板的清潔度要求之間的良好平衡SMT絲印(screen printing)是科學, 不是藝術在一塊典型的PCB(印刷電路板)上 ，可能有幾百個元件，600到1,000個聯接點(即焊盤pad)。

一般來說，PCB60%的不良是由於錫膏(solder paste)絲印質量差而造成的在錫膏絲印中有三個關鍵的要素，叫做三個S：Solder paste(錫膏)，Stencils(絲印模板)，和Squeegees(絲印刮板)錫膏(第一個S)是錫珠和松香(resin)的結合物，松香的功能是在回流(reflowing)焊爐的第一階段，除(去元件引腳、焊盤和錫珠上的)氧化物，這個階段在150° C持續大約三分鐘樹脂resin有時叫做rosin,嚴格地說，resin是天然産品，而rosin是人造産品)焊錫是鉛、錫和銀的合金，在回流焊爐的第二階段，大約220° C時回流銀和松香都起幫助熔化焊錫和濕潤(wetting)以達到回流的作用，即助焊劑的作用濕潤wetting：是焊接效果的描述詞，被焊物好象被錫所浸“濕”)球狀的焊錫顆粒製造成各種混合尺寸，然後篩選、分級，錫膏是按照錫珠的大小來分級的，如下：2型：75~53mm﹔3型：53~38mm﹔4型：38~25mm(m = micron = 0.001mm )三球定律:給生産提供了一個選擇絲印模板的簡單公式，錫膏中錫珠的大小必須與絲印模板相匹配，經驗公式：至少有三個最大直徑的錫珠能垂直地排在絲印模板的厚度方向上。

至少有三個最大直徑的錫珠能水平地排在絲印模板的最小孔的寬度方向上 絲印模板及錫珠的截面圖：計算略爲複雜，因爲錫珠是用米制micron(m)來度量，而絲印模板厚度的工業標準是美國的專用單位thou! (1mm=1x10-3mm, 1thou=1x10-3inches, 25mm»1thou.)錫膏類型3X最大的錫珠尺寸最接近的模板厚度2型：75~53m3x75m=225m=9.0thou9 thou3型：53~38m3x53m=159m=6.4thou6 thou4型：38~25m3x38m=114m=4.6thou4 thou絲印孔的尺寸是由元件引腳間隔(pitch)決定的，焊盤的尺寸一般是引腳間隔的一半絲印孔的尺寸實際上可能比焊盤(pad)尺寸小一點)，例如，25thou(0.63mm)的間隔，絲印孔爲12.5thou因此錫膏的選用必須滿足絲印模板上最小的絲印孔：元件最小引腳間隔最小絲印孔合適的錫膏類型16 thou8 thou2型：75~53m12 thou6 thou3型：53~38m8 thou4 thou4型：38~25m因此，絲印模板的厚度通常是決定因素，大多數應用是選擇標準的6thou厚的絲印模板，3型的錫膏。

粘 度----是錫膏的一個重要特性，從動態方面來說，在絲印行程中，其粘性越低，則流動性越好，易於流入絲印孔內，印到PCB的焊盤上從靜態方面考慮，絲印刮過後，錫膏停留在絲印孔內，其粘性高，則保持其填充的形狀，而不會往下塌陷錫膏的標準的粘度大約500kcps~1200kcps，較爲典型的800kcps用於模板絲印是理想的判斷錫膏是否具有正確的粘度有一種更爲實際和經濟的方法，如下：用刮勺在容器罐內攪拌錫膏約30秒鐘，然後挑起一些錫膏，高出容器罐三、四英寸，讓錫膏自行往下滴，開始時應該象稠的糖漿一樣滑落而下，然後分段斷裂落下到容器罐內如果錫膏不能滑落，則太稠，如果一直落下而沒有斷裂，則太稀，粘度太低絲 印 模 板 (第 二 個 S)歷史上，使用一種厚的乳膠絲網，它有別于絲印模板，現在只有少數錫膏絲印機使用金屬模板比乳膠絲網普遍得多，優越得多，並且也不會太貴下圖給出了一個價格比較的概念： 厚 乳 膠 絲 網---錫膏印刷技術源自于完善建立的工業絲印(silk screen printing)行業，因此術語“絲印”被源用到這種要求較稠沈澱物的錫膏印刷厚乳膠絲網原本比金屬模板經濟得多，但使用壽命不長，而且用於密腳(fine pitch)也不實際。

制 造 過 程 如 下 ：在框架上張布一張尼龍、聚酯纖維或不銹鋼的絲網(最好)工業絲印用的網很細密，大約每英寸400絲，這樣細小的油墨粒子(2~3μm)才可以很流暢地通過絲網爲了使錫珠通過絲網，建議採用一種粗糙得多的絲網，大約每英寸80絲絲網上塗蓋光敏乳膠，通常約十層以封住網孔，形成一層典型的8thou的厚度將正趨光性(黑色焊盤)透明玻璃放在上面，然後用很強的紫外光來曝光(如：2kw，幾秒鐘)曝光區域變硬，軟的地方沒曝光，可被洗掉而留下網孔因此，絲印時錫膏可以通過這些孔來印刷絲印刮板(squeegee)是利用泵作用原理將錫膏。