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室温储存锡膏的应用研究及其高性能可靠性
材料来源:SMT CHINA           录入时间:2017/8/14 10:17:55

(本文摘自《SMT China表面组装技术》杂志2017年6/7月刊技术文章,仅限于SMTC读者及业内人士参考,不得作为商业用途!版权所有,违者必究!)

摘要

汉高乐泰公司2015年3月正式推出了全球首发室温存储锡膏,改变了过往30年SMT历史演变过程中 - 锡膏作为SMT工艺里面最重要关键的底层电子材料,必须使用冰箱环境(0-10摄氏度)存储以得最大化寿命仅6个月,使用的困难、操作的困难,以及供应的困难。

GC10配方室温锡膏,兼顾无铅和无卤的优点,关键能在室温26.5度,50%相对湿度下存放12个月。无论有铅锡膏、无铅锡膏、低温锡膏、无卤锡膏等,储存寿命均是客户经常提出的问题。到底过期的锡膏还能不能使用? 室温存储锡膏,不仅在最大化的锡膏储存寿命和最大化印刷性能方面提高客户工艺性,提升制程能力指数,解决和改善超微小元器件焊盘的印刷性能,同时在热坍塌,耐环境(高温40摄氏度,高湿度环境及低湿度环境80%RH,30%RH),锡珠测试环节都能得到非常优异效果。更重要的是,在回流过程中,高活性室温储存锡膏GC10配方,在超微小元器件的组装过程中,如01005,帮助客户免除氮气带来的高额成本,并同时得到超强活性带来的高亮度焊点和超强润湿和爬锡性能,足以改善解决超微空洞比例等回流特性,充分改善和解决焊点可靠性以及焊点头枕现象,这些特性都是业界最值得期待的优质特点。

1.
引言

随着电子制造行业近30年的演变进程,客户对于锡膏的要求变得越来越苛刻,越来越多挑战。无论是技术上,产品品质上还是成本价值链上,都在迫使锡膏研发生产厂商孜孜不断地研发和生产更高规格更高技术特质的产品,以满足和答复最苛刻客户的两种声音。一是来自生产运营部门,最大的声音是锡膏必须长期稳定存储,无论在冰箱还是在回温后的钢网上,都要长期保持一致,无论是物理性能还是化学性能,在长期大批量生产过程中,“我们无法保证工人每一次锡膏的使用100%正确。因为是人就有可能会出错,有可能会出现锡膏在过保质期后工人还在使用,有可能出现锡膏在超过钢网寿命后依然还在使用,此时已经出现印刷拖尾、少锡等问题,但是并未引起足够重视,从而导致SMT后段锡量少引起的焊点不可靠,焊点焊锡不均匀,焊盘焊接后空洞明显增加,功能测试焊点失效(头枕现象),风险还有比如在功能测试端测试合格,但在出货到终端使用客户端因为机械应力热冲击带来的潜在关键元器件失效,如细密间距的CSP封装焊点失效和LGA失效,以及QFN失效,都有可能给客户带来重大的成本困难和技术挑战困境”。第二种声音是降低单位电路板焊盘的锡膏使用量和成本。过去,在大批量的上千万台电子产品组装过程中,锡膏,由于本身技术的局限性 - 只能在钢网上使用6-8小时,由于黏度增加剧烈,在这个时间段即将结束之际,就需要工人特别小心,必须要把钢网上的刮刀及时收回,因此必将让客户在焊盘锡量和生产效率上受到影响,在单位PCB上面如果需要得到在钢网寿命更长的锡膏必须要重新设计和研发新的平台和配方体系,使得其在钢网上和刮刀上面使用的寿命接近72小时3天,最大化其使用效率得到最低的应用工艺成本。过去,6-8小时的锡膏使用寿命,带来的报废率多达25%。现在,72小时的锡膏使用寿命,得到接近95%的锡膏使用效率,得到最大化的锡膏附加价值,带来最大化的成本优化。

2.1
工程实验分析

2.1.1
印刷性能

锡膏样品准备

GC10助焊剂配方配合SAC305合金锡膏

无卤素助焊剂:样品采用IPC-TM-6502.3.34/EN14582预处理,通过离子色谱测试法分析。

无卤素助焊剂分类:采用ANSI/J-STD-004(版本B)活性为ROL0级。

印刷条件:

  • 印刷机: DEK EUROPA
  • 钢网厚度: 0.10mm
  • 0.80mm直径圆孔CSP
  • 0.50mm直径圆孔 CSP
  • 0201 贴片电阻印刷窗口

从25mm/s 到 125 mm/s 印刷速度下,颜色代表不同区域范围的印刷制程指数。

印刷条件包括:

  • 印刷机:DEK EUROPA
  • 支撑台:真空
  • 刮刀:250mm长,60度刮刀
  • AOI,SPI:Kohyoung,KY-8020T
  • 钢网厚度: 0.10mm
  • 0.22mm直径圆孔尺寸CSP
  • 0.20mm直径圆孔尺寸CSP
  • 0.18mm 直径圆孔尺寸CSP
  • 以及0.15mm直径圆孔尺寸CSP
  • 0201 贴片电阻印刷窗口

从25mm/s 到 125 mm/s 印刷速度下,颜色代表不同区域范围的印刷制程指数。

实验结果说明:GC10配方锡膏配合4号粉完全可以用在细密间距如0201,01005 以及0.4mm 间距和0.3mm 间距的CSP的印刷能力上完全可以保证,但是必须调整适合的印刷参数比如适合的印刷速度,印刷压力下,有时在根据元器件的焊盘的特殊设计在适合的脱膜速度下进行调整。

对于脱膜速度的DOE分析,用0.18mm圆孔进行印刷,分别选择快速(20mm/s的脱膜速度),中速,慢速三种脱膜速度进行,从0.18mm到0.80mm圆孔范围内得到4号粉不同的圆孔印刷能力CPK,结论是快速的脱膜速度为首选。

2.1.2
印刷实际实验室质量




印刷参数:

  • 印刷速度:250mm/s
  • 印刷压力:8 kgs
  • 脱膜速度:快速脱膜
  • 刮刀长度:250mm





工作参数:

热坍塌:J-STD-005A,IPC TM 650 2.4.35 进行坍塌评估在182度 10分钟,记录第一个未桥连的间距。

2.1.3 连续长期印刷后回流性能


2.1.4 黏性寿命测试

实验条件:

实验设备:Malcom TK1黏性测试仪

  • 预加载               300
  • 预加载时间           5
  • 测试速度             2.5毫米/秒
  • 测试锡膏直径         5.1毫米
  • 测试锡膏厚度         0.25毫米




2.1.5 锡球测试

IPCTM650 2.4.4.3 观察助焊剂残留是否清晰无色


2.1.6 回流窗口







2.1.7 切片分析(01005和0.50mm CSP和0.40mm QFP焊点图)


2.1.8  01005 客户端实际苛刻测试分析

图19显示GC10配方助焊剂,5号粉径,OSP镀层二次过炉,高温260C峰值回流焊接曲线,无葡萄珠现象,焊盘均匀分布焊锡,润湿良好,助焊剂残留少,无明显堆积,且无色透明支持探针可测试。


2.1.9 空洞测试

图20 显示四种回流曲线测试空洞百分比分别测试浸锡和OSP铜:GC 10满足了IPC7095B等级3,空洞均小于5%。


2.1.10 助焊剂的可探针测试

实验条件:

  • 钢网:0.10mm
  • 焊盘:每PCB测试500 焊盘数量,分别测试2块PCB
  • 探针:0.90mm 4点普通皇冠探针 100g 弹簧弹力
  • 曲线:4条回流曲线
  • 回流数目:4条通道通过回流炉
  • 环境:空气和氮气环境分别测试(1000 ppm 氧气)
  • 回流后时间:1天和1周

连续测试1000次持续探针测试后的结果:



实验条件以及实验设备以及方法:

  • 在铜板上印刷锡膏,0402焊盘,钢网125um。
  • 当锡膏开始在250C温度下开始熔融过程中,把印刷的锡膏上部放置SAC305合金锡球,直径0.76mm)。
  • 在3秒,6秒,9秒后分别放置另一个锡球,知道锡球在锡膏高温熔融后助焊剂全部挥发后不与锡球融合为止。


3.
总结

综上所述,结合实验室和客户端SMT实证分析表明:

(1)GC10配方室温存储锡膏在长期室温存储,配方稳定,不仅在常温环境里面26.5C环境面存储1年,更可以在40度环境里面存储2月。

(2)GC10配方室温存储锡膏较好的流变性能得到异常好印刷表现,无论在低速印刷和高速印刷上面均能得到优异的印刷表现。

(3)GC10 配方室温存储锡膏异常稳定的可持续性能在有1000次长期不间断印刷和2000次长期不间断印刷得到最好的粘度物理特性稳定结果-粘度,抗坍塌性能,锡珠抗环境能力,还能在各种高温,低温和平台和线性曲线上面得到非常优秀表现的回流性能。

(4)GC10 配方室温存储锡膏异常稳定的助焊剂平台不仅能达到IPC 7095B 3级要求还能在超低空洞平台上面能够得到异常优秀的表现, 还能在助焊剂高温活性保持以及残留的可探针测试性上面的到超过1000次以上的无残渣破裂能力,充分说明GC10配方助焊剂锡膏超稳定的物理化学性能。(SMTC@ACT)

参考文献

1.  GC10 TDS 技术资料

2.  GC10 研发操作手册


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