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利用6 Sigma工具提升锡膏印刷工艺水平
  2020-11-17      25

欣旺达电子股份有限公司 制造中心 李志求

摘要:随着5G通信技术、以及电子产品的轻薄化、微型化的发展,电子封装技术的不断提高,PCB制作工艺能力的提升,越来越多的细密间距、微型器件被广泛应用到智能穿戴、智能家居、手机通信、便携式电子产品中;其中,细间距元件组装面临的最大挑战是如何保证高质量的锡膏印刷,而锡膏印刷又是高密度线路板组装过程中最关键的一道工序,对最终产品的质量有很大的影响,根据相关调查分析,SMT组装不良有超过60%以上是由于锡膏印刷不良和不稳定造成的。

  印刷工艺过程不仅仅受印刷机设备硬件、钢网设计、印刷速度、印刷压力和清洗模式等因素的影响,而且其它因素如清洗剂、锡膏类型,以及补充添加方式、钢网涂层、清洗频率以及支撑方式等也会产生显著影响。另外,较小的面积比以及很薄的钢网使得印刷对于一些因素变的更为敏感,例如夹边方式,PCB丝印层厚度等。

  本文利用质量统计工具6sigma分析手法以及结合作者10多年来的SMT设备和工艺知识,从系统层面利用高级品质统计工具,来实现了细间距高密度印制电路板锡膏印刷工艺优化。如下将应用了一系列6sigma的分析方法:如流程映射图、变异分析、假设检验、回归相关分析和实验设计DOE等,确定了显著影响印刷结果的关键因素,并对参数进行针对性优化设计,最终获得了稳定可靠的印刷工艺制程能力。

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关键词  印刷工艺  细密引脚器件  6Sigam  CPK制程能力  DOE实验设计

1.引言:

随着电子装联制造业飞速发展,SMT作为电子装联最先进的工艺技术,直接影响中国制(智)造2025的顺利达成,其发展也越来越受到社会各界人士的重视和关注。如今,电子产品PCBA的焊接缺陷问题,60%以上都是由于锡膏印刷缺陷所引起。因此在锡膏印刷工序必须注意优化印刷参数,以及合理选择合适的锡膏,印刷硬件设备,以及合理的PCB设计等等。而印刷参数是SMT现场工程、工艺人员需要重点了解和掌握的知识和技能,本人将利用6 Sigma 质量统计工具得出最佳工艺组合,以及相关印刷制程参数的交互作用和相互关系。

锡膏印刷是把一定的锡膏量按要求印刷分布到 PCB(印制线路板)上的过程。它为回焊阶段的焊接过程提供焊料,是整个 SMT 电子装联工序中的第一道工序,也是影响整个工序直通率的关键因素之一。印刷工艺涉及的辅料和硬件众多,锡膏印刷是个复杂的工艺系统,是多种技术的整合。 印刷效果的好坏与以下的因素有关: PCB 基板、钢网、锡膏、丝印机(包括刮刀)

2.测试板和关键输出变量

因为在SPI检测工位发现的大部分印刷不良与细间距元件位置上锡膏体积相关,所以定义锡膏体积的CPK为KPOV (关键制程输出变量) 。

如下选用的三种测试板均包含细间距元件。

测试板1: 0.3mm 间距CSP BGA

测试板2: 0.4mm 间距POP BGA

测试板3: 0.4mm 间距LGA(测试板2和测试板3属于实际的产品,因客户保密协议问题,故不能展示PCBA的图片。)

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3.潜在的印刷制程参数关键因子确认

测量系统分析MSA

对于印刷工艺,锡膏检测设备为SPI测量系统。SPI为在线锡膏检测设备,用于印刷质量的管控。在进行分析和实验之前,为保证测量的正确性和精确性,做了重复性和再现性实验。

 GR&R 分析结果如图, Study Var =11.84%<30%, % Tolerance =4.77%<30%, 和 NDC=11>5, 测量系统是可接受的。

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▶ 制程能指数CPK分析

   根据历史数据分析每一种PCBA产品的当前制程能力CPK,0.3mm 间距的CSP 锡膏体积CPK为0.88,0.4mm 间距 POP 的CPK是 0.98;0.4mm 间距 LGA 的CPK为 0.93,以上的印刷制程能力CPK均<1.33,明显稳定性差,需要提升印刷工艺能力

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▶鱼骨图分析

   为找到对于细间距元件锡膏印刷有潜在影响的关键印刷制程输入因子KPIV,将众多的潜在的因子在鱼骨图上逐一列出。通过之前的经验和实际现场工艺参数验证,逐步找出关键要因,在本次课题研究中,主要关注与制程参数方法相关的因子。

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▶因果矩阵分析

  基于鱼骨图上的因子分析,得出了如下的印刷不良的因果矩阵。根据因果矩阵分析,12个因子被认为是潜在的关键因子,另外增加两个因子作为潜在的关键因子。

▶  潜在的关键制程输入变量(KPIV)

  在下表中列出的14个潜在的关键制程输入变量(KPIV) ,需要对其中每一个因子进行假设检验分析以确认是否为显著因子。

  • 因子1、2、3、4, 只有两种选择,因此使用2-sample T 分析; 

  • 因子5,有多于两种选择,因此选用1 way ANOVA(方差分析);

  • 因子6、7、8 、9是显著因子,因此在测试板上执行DOE来优化印刷工艺;

  • 因子 11是连续数据,使用回归相关分析来研究它的显著性;

  • 对于因子12、13、14,根据其它的项目经验而增加。

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4.显著因子逐一确认

▶  钢网制作工艺类型

    对于常规的PCBA印刷工艺而言,普通的激光抛光钢网即可满足质量要求。但是对于细间距高密度印制电路板组件的印刷工艺,需要应用其他的钢网技术以确保满足更高的质量要求,如电铸钢网,纳米涂层钢网等。

    电铸钢网对印刷工艺的提升作用是显著的;纳米涂层的应用是否能对印刷有显著帮助却取决于不同的处理技术和材料。在本文中,使用电铸钢网为基础,对于是否采用前处理涂层(类似于纳米涂层)在0.4mm间距POP板上进行测试比较。对两种涂层处理样本的比较采用了2-sample T 测试分析方法来检测其显著性。

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   P-value=0<0.05, 说明钢网有涂层与无涂层其印刷性能有显著差异,前处理涂层可以提升锡膏体积的CPK。

▶ 钢网开口形状

  选择0.3mm间距的CSP测试板进行开口方式的比较,一种为四角倒圆的方孔,一种为圆孔。

  方孔设计和圆孔设计两者的面积比相同,都是0.66,但是方孔面积0.04mm2远大于圆孔面积0.03mm2 。方孔设计在焊盘上沉积的锡膏可能大于圆孔设计。

  用2-sample T来测试分析关于这两种开孔方式具备显著性差异的假设。结果表明钢网的开孔形状对于细间距高密度板的印刷工艺有显著地影响。方孔的CPK比圆孔高。

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▶ 锡膏补充量(滚动直径)

  在对0.4间距LGA板的SPI数据进行分析时发现,在班次更换的时候, 印刷质量波动很大。而且波动同印刷过程中锡膏补给量的一致性有关系。因此考虑采用自动锡膏补给方式来克服这个问题。

  通过对人工及自动补给锡膏方式进行对比,各搜集30组数据,然后进行2-Sample T test,结果显示自动补给锡膏的能得到更高的CPK。

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▶ 支撑方式

    在细间距高密度印刷工艺中,PCB支撑方式如普通支撑或真空支撑以及机器夹边方式对印刷结果都会有重大影响。如图所示,由于夹边的厚度为80um,这样对于100um(4mils)和76um (3 mils)的钢网会有大的影响。最好的方案是使用真空支撑块的固定方式,可以完全消除钢网和线路板之间的间隙,提升印刷质量(如下右图所示)。

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   对0.4mm间距PoP测试板采用真空支撑(侧边夹持)和普通支撑(顶部夹持)两种方式各进行对比,收集100块板的沉积锡膏体积数据。2-sample T假设检验分析结果表明支撑方式是影响细间距高密度印刷性能的显著因子。真空支撑方式可以提升锡膏体积的CPK。

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▶ 清洗剂

   钢网的清洗剂对于锡膏转印效率也有影响,在0.4mm LGA的测试板上,测试了3种不同的水基清洗剂及普通IPA。并使用1 way ANOVA的假设检验方法来进行显著性检验分析。结果表明清洗溶剂对细间距高密板的锡膏印刷有显著影响,其中溶剂B的性能明显优于其他溶剂。

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▶ 清洁方式(本次不做详细分析和验证)

  显著因子,根据经验设定为湿擦/真空擦/干擦。

▶ 印刷机器内部温度

   印刷机内部温度对锡膏的粘度有影响,进而影响锡膏的转印效率。对于细间距高密度板的印刷,需要对印刷机内部温度的影响进行评估。

   连续收集6天的机器内部温度和SPI数据,通过回归分析来研究其相关性。分析结果表明当机器内部温度为20.7~27.9°C时,温度与SPI良率之间没有很强的相关性。

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▶ 锡膏

   通过对比分析可以看出,A,B两款锡膏的印刷效果存在明显差别,A款锡膏能获得更好的效果。所以,对于0.3 mm间距的CSP印刷,锡膏是显著因素。

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▶ PCB丝印层Silk Layer

  丝印层厚度接近20+um,对于4 mil 钢网(针对0.4 mm间距 BGA使用的100um钢网 ) and 3 mil钢网(针对0.3 mm 间距 CSP使用的80um钢网)来说,它是一个不小的数值。因此对于细间距高密板需要去除丝印层。

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5.工艺参数优化DOE—改善

  印刷工艺参数设定对印刷品质有重大影响,不同的参数组合会产生不同的印刷效果。选择印刷速度,刮刀压力和脱模速度、清洗频率来定义进行四因子两水平的DOE,以寻求最佳的参数设置。SPI良率和锡膏厚度值和稳定性定义为输出响应,通过样本数量计算得出样本数为100。实验结果发现印刷速度和压力、脱模速度均为显著因子,清洗频率和脱模速度对印刷压力有交互作用。

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6. 结果分析:

从显著因子实验得出的最好的方案如图所示,同时参照DOE结果进行印刷参数设定,这样对于三款细间距高密度的产品得到了最优化的工艺参数。

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0.3mm Pitch CSP BGA测试板改善后的CPK值为 1.48;0.4mm 间距 POP 测试板改善后的CPK值为 1.35;0.4mm 间距 LGA 测试板CPK值为1.50;都满足CPK>1.33的基本要求。

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7.结论

Ø与传统印刷工艺相比,细间距高密度产品的印刷工艺受到更多的显著因素影响和交互作用,DOE实施有更多的难度和挑战;

Ø6 Sigma 统计工具能从收集数据中找到显著因子和关键因子,从而从统计工具和大数据分析上面提供改善依据;

Ø利用DOE实验设计方案可以优化主要的印刷参数,从而实现高品质/稳定性的印刷制程能力;

Ø细密间距(Fine Pitch)元件的锡膏印刷比一般元件更具难度和挑战性,要获得稳定可靠的印刷工艺品质,要求SMT工艺设备技术人员对工艺材料、印刷设备和工具性能及影响印刷品质的关键因素,有全面深刻系统的了解;

Ø利用6 sigma 质量工具结合实际工艺参数,利用极差分析和Mintab软件分析法,通过建立和模拟最优响应模型,得出了最佳参数的相近值,能够有效提高SMT的综合良率,是SMT工程和工艺人员后续需要学习和使用的方法和工具。

Some of IPC standards and References (IPC标准文件和参考资料)

IPC-7525       Stencil Design Guidelines

IPC-2222       Sectional Design Standard for Rigid Organic Printed Boards

IPC-2221       Generic Standard on Printed Board Design

金茜、钱晓耀等  DOE在SMT丝网印刷中质量改进的应用  PDF

DEK咨询(上海)  李忆  精细间距元件获得稳定可靠印刷品质的关键因素 PDF

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