回流焊接技術(shù)中的材料考慮
前言：
在以前的文章中我們討論到技術(shù)整合的主要元素是設(shè)計(jì)、材料、工藝、設(shè)備和品質(zhì)（注一）。本期我們就來(lái)看看‘材料’的部份。
在SMT回流焊接技術(shù)中，牽涉到的材料主要有三方面，就是PCB、器件以及錫膏焊料。目前SMT業(yè)界中使用的材料種類(lèi)很多，隨著無(wú)鉛技術(shù)的到來(lái)更變成十分的複雜。而這些材料，雖然都可以使用在回流焊接技術(shù)中。但他們對(duì)工藝的要求以及個(gè)別的品質(zhì)表現(xiàn)都不完全一樣，有些甚至有相當(dāng)?shù)牟罹?。比如某些需要較大的熱能（較高的溫度，較長(zhǎng)的時(shí)間），而另外一些卻只需少量的熱能，或甚至不能承受大熱能。在這種情況下，如果要確保焊接工作能做得好，我們就必須在材料上進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇和配搭，使需求不同或矛盾的材料不會(huì)同時(shí)被使用上。這就是所謂焊接技術(shù)的材料考慮了。
在本系列文章的第二篇中，我們?cè)劦蕉喾N的回流技術(shù)。由於篇幅的關(guān)係，我們這裏的材料考慮只談和最常用的熱風(fēng)回流技術(shù)相關(guān)的。也因?yàn)槠P(guān)係，在這裏我不想仔細(xì)的分析各種材料的特性，而是通過(guò)一些考慮做法的描述解釋?zhuān)瑏?lái)提供一個(gè)方向，協(xié)助讀者們做得更好。
材料焊接時(shí)的三種模式：
在焊接的過(guò)程中，我們一般借助於以下三種特性中的一種或多種混合模式來(lái)使兩個(gè)焊接面和焊料形成焊點(diǎn)。
1．溶解Melting；
2．溶蝕Dissolution;
3．滲透擴(kuò)散 Diffusion
實(shí)際情況下採(cǎi)用哪一種原理，是看材料（金屬）的特性，例如該金屬的熔點(diǎn)，相對(duì)溶蝕率等等而定。而不同的金屬特性和模式，也就決定了我們必須採(cǎi)用的工藝和設(shè)置的工藝參數(shù)值。例如當(dāng)我們利用第一種的溶解原理時(shí)，我們必須保證焊接溫度達(dá)到或超過(guò)焊接的兩種金屬的熔點(diǎn)（比如Sn37Pb錫鉛合金的熔點(diǎn)為183oC），其焊接的形成是十分迅速的，可以在一兩秒鐘內(nèi)完成（注二）。如果利用的是第二類(lèi)原理，則焊接溫度必須達(dá)到或超過(guò)其中低熔點(diǎn)金屬的熔點(diǎn)溫度，並提供足夠的時(shí)間讓低熔點(diǎn)材料對(duì)高熔點(diǎn)材料的溶蝕完成。在這種工藝中，溫度的高低決定了溶蝕的速度，所以在越高的溫度下，焊接時(shí)間可以較短。而整個(gè)過(guò)程的溫度與時(shí)間的組合控制，要比第一種模式的要求要高些。
前兩種模式一般使用在焊接面的表面保護(hù)層上，而第三種的滲透擴(kuò)散模式，對(duì)每一個(gè)焊接面都是個(gè)必需品。良好的焊接就是依靠這第三種原理，是焊接面之間形成一個(gè)薄層的金屬間合金的（IMC，注三）。
由於各種模式的特性差異，在設(shè)計(jì)焊接系統(tǒng)時(shí)我們就必須考慮到採(cǎi)用怎樣的材料和焊接原理。這樣才不至於出現(xiàn)同一個(gè)PCBA上出現(xiàn)需求差異太大而難以焊接的情況。值得注意的是，對(duì)於焊料（錫膏）來(lái)說(shuō)，由於它也是填充物（填充焊接面間隙），我們都要求它熔化。所以在應(yīng)用中的溫度要求，只要是超過(guò)其熔點(diǎn)溫度就可以了（注四）。在達(dá)到熔化溫度後，它不像器件焊端材料或PCB焊盤(pán)材料那樣對(duì)溫度和時(shí)間有較嚴(yán)格的要求。所以只按照錫膏供應(yīng)商提供的溫度曲線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)置回流焊接工藝，並不是個(gè)正確的做法。以傳統(tǒng)的Sn37Pb焊料而言，超過(guò)183oC（Sn37Pb的熔點(diǎn)溫度）後，焊接工藝參數(shù)就該以考慮到PCBA上器件和焊盤(pán)材料為主了。
回流焊接技術(shù)中的材料：
在進(jìn)行焊接時(shí)，整個(gè)材料系統(tǒng)包括了3個(gè)主要部份。就是器件、基板（PCB）、以及將它們進(jìn)行結(jié)合的焊料（在回流技術(shù)中常用的錫膏）。要確保焊接可以在高品質(zhì)結(jié)果下完成，他們之間必須對(duì)工藝要求有較好的配搭。所以在選擇這些材料時(shí)，不應(yīng)該是各自獨(dú)立考慮的。一般在應(yīng)用上，器件的材料種類(lèi)變化最多。這不只是因?yàn)榭蛇x的材料種類(lèi)原本就多，而也是因?yàn)橛脩?hù)採(cǎi)用的供應(yīng)商多，大家選擇不一的原因。其次是PCB方面。變化最少的應(yīng)該是焊料方面，一般除了加工業(yè)（CM或EMS）由於要滿(mǎn)足個(gè)別客戶(hù)的要求而可能採(cǎi)用較多種類(lèi)的錫膏外，製造自己產(chǎn)品的OEM或ODM都只選用一到兩種焊料。
從工藝和品質(zhì)管制的角度來(lái)看，材料的種類(lèi)和變化是越少越好。所以除非電性能、可靠性或成本方面的壓力大，否則設(shè)計(jì)部應(yīng)該儘量減少材料選擇上的變化。這是DFM/DFR管理上的一個(gè)重要準(zhǔn)則。
材料特性考慮：
從回流焊接的角度來(lái)看，我們對(duì)材料的以下的三種特性最為關(guān)注。
1．可焊性；
2．耐熱性；
3．庫(kù)存壽命。
所有的材料都必須經(jīng)過(guò)以上特性的能力認(rèn)證，才算合格（適合回流焊接工藝）。
在考慮物料如器件或PCB的可焊性時(shí)，其定義必須是較完整的?？珊感詠K不是只指潤(rùn)濕性，或是熔錫可以與焊接面結(jié)合的現(xiàn)象。從工藝和品質(zhì)的考量上，可焊性較完整的定義必須包括以下各點(diǎn)。
? 快速的潤(rùn)濕形成以及足夠的潤(rùn)濕力；
? 可以較低的焊接溫度以及較短的時(shí)間內(nèi)完成；
? 機(jī)械特性較好的IMC；
? 焊接時(shí)不容易出現(xiàn)工藝故障（如氣孔、焊球、吸錫等）
決定以上特性的，是下面的幾個(gè)因素：
? 焊接面各層的材料；
? 焊接面各層材料的厚度；
? 形成各層材料的工藝（如無(wú)極電鍍、浸鍍等）；
? 器件封裝和焊端的形狀結(jié)構(gòu)；
也就是說(shuō)，如果我們要很好的確保回流焊接品質(zhì)，在我們選擇材料時(shí)就必須對(duì)每一個(gè)器件或材料進(jìn)行以上的4個(gè)方面，按先前描述的4個(gè)可焊性定義進(jìn)行評(píng)估考慮。
在回流焊接的過(guò)程中，被焊接的材料必須經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間和相對(duì)高溫的處理。所以材料的耐熱性也是個(gè)重要的考量因素。由於無(wú)鉛技術(shù)一般上需要較高的溫度處理，材料耐熱問(wèn)題在無(wú)鉛技術(shù)到來(lái)後更加被重視。業(yè)界一些機(jī)構(gòu)也以此建議了較明確的規(guī)範(fàn)。例如圖一是IPC和JEDEC聯(lián)合建議的無(wú)鉛器件耐熱性的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)（注五）。
圖一
在筆者的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)中，這樣的規(guī)範(fàn)雖然可以使用在大多數(shù)場(chǎng)合中，但還不是個(gè)精確保險(xiǎn)的規(guī)範(fàn)。這主要有兩方面的考慮。一是標(biāo)準(zhǔn)中不應(yīng)該提供上下限，耐熱特性應(yīng)該只有最低標(biāo)準(zhǔn)而沒(méi)有最高標(biāo)準(zhǔn)。提供上限只會(huì)造成參考和執(zhí)行上的混亂。其二是熱破壞模式其實(shí)和三種不同的熱反應(yīng)有關(guān)，這樣的規(guī)範(fàn)無(wú)法精確的評(píng)估這三方面的能力。對(duì)與那些需要十分重視品質(zhì)的用戶(hù)，筆者建議在材料評(píng)估上按以下的三種評(píng)估來(lái)做較為精確。
1．最高承受溫度（必須含時(shí)間觀念）；
2．最高承受熱衝擊（升溫和降溫速率）；
3．最高承受總熱能（總溫度和時(shí)間關(guān)係）
以上三種熱反應(yīng)的破壞模式不同而且不存在一定的關(guān)係，也就是說(shuō)具備較高溫度承受能力的一個(gè)器件或材料，未必也具備較高的熱衝擊承受能力。因此我們?cè)谠u(píng)估材料時(shí)都必須進(jìn)行測(cè)試確認(rèn)。用戶(hù)很有可能遇到的問(wèn)題，是許多材料或器件供應(yīng)商並沒(méi)有採(cǎi)用類(lèi)似的認(rèn)證方法。所以也無(wú)從提供這類(lèi)指標(biāo)。這也就是說(shuō)，在很多時(shí)候，要把握材料的這些特性，確保品質(zhì)，用戶(hù)必須靠自己的認(rèn)證。而認(rèn)證需要資源的投入，這在本區(qū)域又是較敏感和管理經(jīng)驗(yàn)較弱的。我的建議是用戶(hù)按自己產(chǎn)品或服務(wù)的品質(zhì)責(zé)任，對(duì)產(chǎn)品的關(guān)鍵以及新封裝器件有選擇性的進(jìn)行評(píng)估。這樣或許能夠有較好的平衡點(diǎn)。
器件材料的第三項(xiàng)考慮重點(diǎn)是庫(kù)存需求和壽命。雖然JIT管理在效率和品質(zhì)上都屬於較好的管理做法，而且可以去除（或至少大大的減少）庫(kù)存問(wèn)題。但實(shí)際上對(duì)好些用戶(hù)來(lái)說(shuō)， 推行JIT的條件並不存在。尤其在是變化日益快速的競(jìng)爭(zhēng)情況下。所以研究和處理器件材料的庫(kù)存問(wèn)題還是個(gè)重要的工作。
在我們研究或考慮庫(kù)存壽命時(shí)，一定要有庫(kù)存條件的因素在內(nèi)。庫(kù)存條件指的是環(huán)境（溫、濕度）和包裝保護(hù)性能。器件焊端和PCB焊盤(pán)鍍層雖然都有保護(hù)層來(lái)確保有較長(zhǎng)的庫(kù)存壽命，但這些保護(hù)層都會(huì)在庫(kù)存期間逐步的退化。所以庫(kù)存是有壽命而非無(wú)限期的。一般而言，在庫(kù)存期間焊端的表面會(huì)起氧化作用而形成對(duì)焊接不利的氧化層。不過(guò)由於氧化層形成後會(huì)降低後期的氧化速度，加上焊接時(shí)我們所使用的助焊劑多能夠去除這氧化層，或者在較嚴(yán)重情況下我們還可以通過(guò)返工或表面處理來(lái)恢復(fù)其可焊性，所以庫(kù)存中的氧化問(wèn)題還不算是最嚴(yán)重。另一方面，在庫(kù)存期間如果焊端鍍層內(nèi)層的合金層（即IMC）增長(zhǎng)過(guò)度而露出表面，或離開(kāi)表面只有十分薄的程度，在焊接時(shí)表層的可焊材料經(jīng)過(guò)溶蝕後焊料和不可焊的IMC接觸，焊接面就無(wú)法良好的形成。在這種情況下我們是無(wú)法返工的，出現(xiàn)不可焊接的器件只能作廢。
以上的IMC增長(zhǎng)問(wèn)題是否會(huì)出現(xiàn)，就看焊端鍍層的材料、厚度以及庫(kù)存條件而定。選擇IMC增長(zhǎng)慢的材料如NiAu，較厚的鍍層，以及較低的庫(kù)存溫度將會(huì)增加器件可焊性的庫(kù)存壽命。不過(guò)正如我們?cè)谄渌夹g(shù)方面所遇到的情況一樣，各種方案總有好與壞的方面同時(shí)給我們提出考驗(yàn)。較厚的鍍層雖然在庫(kù)存上有好處，卻給我們帶來(lái)其他問(wèn)題。如Au的成本高，而且含量太高（鍍層厚）將給焊接後的焊點(diǎn)帶來(lái)金脆化的可靠性問(wèn)題。同時(shí)較厚的鍍層也需要較多的熱能來(lái)焊接，也就是較高的溫度和/或較長(zhǎng)的時(shí)間。這在焊接工藝中都是不利的。因此在考慮和選擇材料時(shí)我們必須給予整合分析。
錫膏的考慮：
在選擇錫膏時(shí)，我們也同樣的考慮到以上所說(shuō)的可焊性、耐熱性和庫(kù)存需求和壽命三方面的特性表現(xiàn)。不過(guò)我們一般採(cǎi)用其焊接中出現(xiàn)的故障模式來(lái)描述前兩方面的能力。例如熱坍塌、焊球/焊珠程度、潤(rùn)濕性等等。一個(gè)良好的錫膏配方，我們?cè)谑褂脮r(shí)對(duì)預(yù)防其工藝故障方面較好處理，這是由於它對(duì)熱的變化的‘容忍性’較強(qiáng)。而摸清楚個(gè)別錫膏的‘容忍性’，就是我們?cè)谶x擇錫膏前必須進(jìn)行的工作。原本錫膏的特性應(yīng)該是由供應(yīng)商來(lái)完整和詳細(xì)的提供給用戶(hù)的。但不幸的是，由於牽涉到產(chǎn)權(quán)秘方等問(wèn)題，用戶(hù)一般並不能夠得到很精確的資料。這就造成用戶(hù)有必要自己進(jìn)行認(rèn)證了。即使不存在以上的問(wèn)題，用戶(hù)對(duì)於供應(yīng)商的技術(shù)資料來(lái)源一般也無(wú)法知道或考證，也因此有可能造成適用上的問(wèn)題。比如年初我在華東協(xié)助一家用戶(hù)提升他們的焊接工藝能力時(shí)就將供應(yīng)商提供的標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行修改了。例如供應(yīng)商指標(biāo)中建議升溫區(qū)的升溫速度應(yīng)該￡2.5oC，但在該客戶(hù)的設(shè)計(jì)規(guī)範(fàn)內(nèi)，這指標(biāo)會(huì)造成熱坍塌過(guò)度的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)實(shí)際試驗(yàn)認(rèn)證，升溫速度￡1.6oC對(duì)這用戶(hù)來(lái)說(shuō)是個(gè)保險(xiǎn)的做法。而我們也發(fā)現(xiàn)，該型號(hào)的錫膏，只要在升溫區(qū)限制好這升溫速度，在回流進(jìn)入其他溫區(qū)後，熱坍塌的情況就十分輕微。這類(lèi)發(fā)現(xiàn)以及對(duì)該錫膏特性的掌握能協(xié)助我們更好的制定我們的工藝規(guī)範(fàn)，預(yù)先排除各種故障。
從焊接的角度來(lái)看，筆者建議用戶(hù)在選擇錫膏前對(duì)以下特性進(jìn)行評(píng)估認(rèn)證（注六）。
? 潤(rùn)濕性
? 冷坍塌、熱坍塌
? 抗氧化能力
? 焊劑助焊能力
? 濺錫特性
? 殘留物的量和特性
? 熱揮發(fā)特性
? 使用壽命（開(kāi)封後壽命、回收次數(shù)、印刷後壽命等）
瞭解錫膏的上述特性有助於我們?cè)O(shè)置正確的溫度曲線(xiàn)和減少工藝故障。這工作雖然在前期的資源投入較多，但是個(gè)十分值得的投入。
器件的考慮：
器件材料的考慮注重於焊端以及封裝本體兩部份。以上我們談到材料的特性考慮時(shí)所提到的可焊性、耐熱性和庫(kù)存三方面，也同樣是器件選擇考慮的重點(diǎn)。不過(guò)器件在這些考慮上還有細(xì)節(jié)必須加以補(bǔ)充。
可焊性的定義在應(yīng)用到器件選擇上就必須做得更細(xì)。我們必須全面的照顧到焊接過(guò)程中下列的5大要求。
1．良好的潤(rùn)濕；
2．適當(dāng)?shù)腻a量；
3．正確的熔錫流向；
4．焊接過(guò)程中焊端靜止；
5．形成適當(dāng)厚度的IMC。
器件的整體結(jié)構(gòu)，包括焊端和封裝本體，焊端的材料和鍍層厚度，都會(huì)對(duì)以上各要求有一定的影響。在我們選擇或認(rèn)證器件的工藝性時(shí)，就應(yīng)該仔細(xì)的給予考慮。這工作如果做得足夠完整精確，我們離開(kāi)零缺陷的目標(biāo)就越近。這工作是屬於技術(shù)整合中可製造性設(shè)計(jì)的部份，我將來(lái)會(huì)有論文更詳細(xì)的和大家分享。這裏想先提一提的是，業(yè)界負(fù)責(zé)封裝技術(shù)的半導(dǎo)體行業(yè)，他們的關(guān)注點(diǎn)主要在於電性考慮。因?yàn)椤覀兤骷碾娦宰詈谩隙ㄊ莻€(gè)比‘我們的器件最容易組裝’來(lái)得好的賣(mài)點(diǎn)。加上從事封裝設(shè)計(jì)的人對(duì)於SMT組裝工藝未必瞭解得夠，所以設(shè)計(jì)出來(lái)的封裝有時(shí)候都是不利於組裝工作的。例如BGA，DirectFETTM，某些DFN封裝等等，其設(shè)計(jì)都有很好的電性表現(xiàn)，但對(duì)於組裝工程師來(lái)說(shuō)，卻給他們帶來(lái)了難度和挑戰(zhàn)。
目前電子業(yè)界中使用的許多器件，都還是屬於非氣密式封裝。非氣密式的封裝材料在庫(kù)存過(guò)程中是會(huì)吸潮的。而這種特性就會(huì)給焊接工藝帶來(lái)‘爆米花’的故障風(fēng)險(xiǎn)。所以在選擇材料中我們必須給予關(guān)注。不過(guò)由於成本和重量的問(wèn)題，我們目前的做法並非捨棄非氣密式的封裝不用，而較多是選擇控制的做法。也就是防潮和受潮後的處理。這方面不論是在供應(yīng)商那裏或用戶(hù)處，業(yè)界都已經(jīng)有規(guī)範(fàn)做法。例如供應(yīng)商必須按照該封裝的潮敏程度，在完成封裝工藝某時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行某程度防潮性能的包裝。而在用戶(hù)處則必須按照供應(yīng)商所標(biāo)示的防潮等級(jí)，在開(kāi)封後某時(shí)間段內(nèi)完成組裝焊接?；蛟跓o(wú)法實(shí)施時(shí)進(jìn)行烘烤等除潮處理（注七）。
PCB的考慮：
在電子業(yè)中所使用的PCB焊盤(pán)基材主要是Cu（銅）材料。銅雖然適合於焊接和形成可靠的焊點(diǎn)，但銅是很容易氧化的金屬，氧化後的銅可焊性很差。雖然一些酸性強(qiáng)的助焊劑可以將一般的氧化銅清除，但卻會(huì)留下了對(duì)PCBA不利的腐蝕後遺癥。所以設(shè)法制止銅的氧化是PCB業(yè)界中一個(gè)主要的技術(shù)工作。一般的做法就是將銅和氧隔離，也就是在銅上加上一層不容易氧化的‘保護(hù)層’。但必須確保這層材料在提供保護(hù)的同時(shí)，不會(huì)給焊接工藝或過(guò)後焊點(diǎn)的可靠性帶來(lái)不良的影響。目前多數(shù)採(cǎi)用的做法有三類(lèi)，一是使保護(hù)層材料在焊接前被熱或焊劑除去，例如OSP保護(hù)層技術(shù)。第二種做法是使保護(hù)層材料和焊料一起溶解，例如表層鍍Sn或SnPb熱風(fēng)整平技術(shù)。第三種是利用熔化的焊料將表層保護(hù)材料溶蝕後基層焊接，例如鍍Ni/Au的技術(shù)。
常用的焊盤(pán)鍍層材料有很多種，例如Sn，Ag，Pd或Pd合金，SnAg合金，Ni/Sn或Ni/SnPb層，Ni/Au層，Ni/Pd層，還有OSP（有機(jī)保護(hù)層）等。不同的材料在工藝和品質(zhì)上會(huì)有不同的特性。除此之外，PCB製造商在製造焊盤(pán)的表面保護(hù)層時(shí)會(huì)有不同的工藝供選擇。例如常見(jiàn)的鍍層工藝有：有極電鍍、無(wú)極電鍍和浸鍍工藝。這些不同的工藝配合不同的材料也會(huì)帶來(lái)可能影響焊接工藝或焊點(diǎn)品質(zhì)的不同影響。而這是從事PCBA加工廠家所必需掌握的。比如當(dāng)使用Ni/Au鍍層時(shí)，我們可以有不同的電鍍工藝選擇。常用的有ENEG和ENIG（注八）。ENIG雖然有成本和工藝控制上的優(yōu)勢(shì)，但卻會(huì)有‘黑盤(pán)’故障（注九）以及焊點(diǎn)壽命較差等問(wèn)題。而ENEG卻有另外的一些問(wèn)題如不能和所有的綠油（阻焊層）材料相容、成本較高以及供應(yīng)商少等等。用戶(hù)以此必須按本身情況和要求進(jìn)行選擇。
又比如越來(lái)越普遍的OSP技術(shù)，許多用戶(hù)把所有OSP當(dāng)作只有一種材料，幾乎從未去研究不同供應(yīng)商之間的差異。OSP技術(shù)已經(jīng)最少經(jīng)過(guò)了5代的發(fā)展，而每一代的工藝條件和能力都不一樣。即使屬於同一代技術(shù)，也會(huì)因?yàn)椴煌?yīng)商配方上的差異而有所不同。這情況就像錫膏或焊劑一樣。也就是說(shuō)，雖然都稱(chēng)為OSP，不同來(lái)源的OSP對(duì)焊接工藝中的溫度、時(shí)間要求，以及和不同錫膏焊劑的相容性都可能不同。選擇配搭不當(dāng)就會(huì)造成工藝上較困難，甚至無(wú)法焊接好。
和器件的情況一樣，用戶(hù)將面對(duì)許多不同材料和工藝的選擇。但在PCB材料的處理上要比器件容易得多。因?yàn)槲覀兛梢暂^好的限制其種類(lèi)和供應(yīng)商。比如說(shuō)只選用OSP和ENEG各兩家供應(yīng)商。這在評(píng)估和品質(zhì)管制的投入上都會(huì)節(jié)省不少。避免使用太多不同的材料、不同的工藝以及不同的供應(yīng)商（包括同一供應(yīng)商不同的廠）。這將減少您的品質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。
對(duì)PCB的另外一個(gè)要求，是它必須能夠經(jīng)受多次的焊接。除非您採(cǎi)取的是免修策略。否則就必須考慮到PCB在組裝加工中可能出現(xiàn)的多次焊接加返修後的可靠性。從品質(zhì)的角度來(lái)看，任何形式的返修對(duì)焊點(diǎn)的可靠性都是不利的。而且次數(shù)越多品質(zhì)的損害程度也越大。
PCB受潮也是個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題。所以防潮工作也必須做到位。最好的做法是有合理的設(shè)計(jì)，配合評(píng)估和選擇能力強(qiáng)的供應(yīng)商（因?yàn)樵S多受潮問(wèn)題是供應(yīng)商工藝能力或品質(zhì)管制較差所造成的）。 其次是在採(cǎi)購(gòu)流程上進(jìn)行控制，使用‘新鮮’的PCB。使用前烘烤的做法應(yīng)該是個(gè)不得已的補(bǔ)救做法，而不是個(gè)正常工藝或手段。因?yàn)楹婵倦m然可以解決或改善受潮問(wèn)題，但卻可能帶來(lái)了其他風(fēng)險(xiǎn)。比如對(duì)OSP的破壞、對(duì)焊盤(pán)IMC的助長(zhǎng)等等。
技術(shù)整合考慮：
以上談到錫膏、器件、以及PCB材料的個(gè)別選擇考慮原理。這裏我想強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)，是在實(shí)際工作中它們必須是綜合考慮的。也就是我們必須對(duì)這三者進(jìn)行技術(shù)整合。以下的例子可能可以協(xié)助讀者瞭解這做法的重要性。
比如在一個(gè)器件焊端為42合金鍍Sn40Pb，PCB焊盤(pán)為OSP保護(hù)，和錫膏為傳統(tǒng)Sn37Pb合金類(lèi)的組合下，出現(xiàn)了因?yàn)橐_吸錫問(wèn)題而形成焊點(diǎn)少錫的故障現(xiàn)象。我們可以通過(guò)不同的材料選擇組合來(lái)解決或減少這問(wèn)題程度。如果程度不嚴(yán)重，我們可以通過(guò)採(cǎi)用性能更好的OSP或ENIG獲得解決。如果問(wèn)題較大，我們可能有必要將器件的鍍層改用Sn90Pb或Sn85Pb來(lái)獲得解決。但如果使用的錫膏是無(wú)鉛的SAC合金的話(huà)，使用Sn90Pb或Sn85Pb有可能造成器件移位元的另外一種故障現(xiàn)象。而必須使用如Ni/Pd/Au鍍層的這一器件才能避免位移。所以良好的選擇，是必須綜合考慮所有三種物料的配合的。這也就是為什麼我常告訴用戶(hù)朋友們，在SMT中似乎沒(méi)有絕對(duì)的好壞，而是看你如何配合及掌握它們。
我們平時(shí)在診斷生產(chǎn)線(xiàn)上出現(xiàn)的故障問(wèn)題時(shí)，多數(shù)時(shí)候?qū)Σ牧系恼J(rèn)證是比較困難的。技術(shù)整合理念告訴我們，材料、工藝、設(shè)計(jì)和設(shè)備是個(gè)配搭的關(guān)係，一個(gè)因素中的問(wèn)題，可能通過(guò)調(diào)整另外原本沒(méi)有問(wèn)題的因素來(lái)獲得補(bǔ)償。比如現(xiàn)場(chǎng)的工藝參數(shù)調(diào)整就是提供這種作用。而往往卻是這原因使得許多工程師經(jīng)常將現(xiàn)場(chǎng)的問(wèn)題定位為‘物料’問(wèn)題。這類(lèi)例子在我實(shí)際工作中見(jiàn)得不少。例如有個(gè)用戶(hù)在工藝參數(shù)定得不好的情況下，經(jīng)過(guò)更換一批來(lái)自不同供應(yīng)商的物料（SOJ封裝的IC）後故障大量減少而將問(wèn)題定位為物料問(wèn)題。而實(shí)際上這兩種來(lái)自不同廠家的物料的鍍層材料不同（都是SnPb，但成份比例不同），可焊性有所差別。當(dāng)時(shí)的工藝參數(shù)設(shè)置不好使得可焊性較強(qiáng)的引腳產(chǎn)生吸錫狀況。其實(shí)在實(shí)際工作中，器件或材料的認(rèn)證是比較難的，不論在測(cè)試認(rèn)證手段上，或是在數(shù)量統(tǒng)計(jì)上都常存在問(wèn)題。一般較有效的做法是先認(rèn)證和排除設(shè)計(jì)、工藝以及設(shè)備的問(wèn)題，而後才推斷為物料相關(guān)問(wèn)題。
我在工作上還經(jīng)常遇到一個(gè)情況，就是物料的供應(yīng)商對(duì)本身的問(wèn)題不承認(rèn)而又缺乏可靠的依據(jù)理由。許多供應(yīng)商的解釋是：“我們其他的用戶(hù)都沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題”（意思當(dāng)然是“只有你有問(wèn)題，所以是你的錯(cuò)”）。須知SMT的整合狀況複雜，很難有兩家工廠的應(yīng)用條件是完全一致的。這也就是說(shuō)我們普遍存在可比性的問(wèn)題。所以在沒(méi)有足夠和仔細(xì)瞭解用戶(hù)的各方面情況下，我們是無(wú)法斷定責(zé)任是否在於供應(yīng)商方面。這種工作心態(tài)和觀念有必要更正過(guò)來(lái)。當(dāng)然用戶(hù)方面也常會(huì)出錯(cuò)，而主要的錯(cuò)誤就在於對(duì)物料缺乏認(rèn)證和明確的技術(shù)指標(biāo)。如果要做到預(yù)防性的品質(zhì)管制，用戶(hù)必須要提供明確的指標(biāo)要求，並和供應(yīng)商達(dá)成認(rèn)證方法協(xié)定。
無(wú)鉛技術(shù)帶來(lái)的影響和問(wèn)題：
在我們電子製造業(yè)步向無(wú)鉛技術(shù)而將焊料中的鉛給排除後，很不幸的至今沒(méi)有能夠找到完全適合的替代品。不過(guò)多年來(lái)的也就卻出現(xiàn)了許許多多的‘可用品’。這些‘可用品’不但在工藝上給我們帶來(lái)了更高的要求和難度，也因?yàn)榉N類(lèi)繁多、實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)的不足而使我們面對(duì)許多選擇的問(wèn)題。無(wú)鉛技術(shù)中出現(xiàn)更多的材料種類(lèi)，本來(lái)我們更需要投入更多的資源來(lái)進(jìn)行研究、測(cè)試、認(rèn)證和選擇。但實(shí)際上或許不會(huì)如此。至少我還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有這樣做法的例子。這是因?yàn)槟壳暗臓顩r存在一些不利的因素。例如電子製造業(yè)從以技術(shù)為主要關(guān)注的較先進(jìn)工業(yè)國(guó)，轉(zhuǎn)移到以就業(yè)、成本為主要關(guān)注的發(fā)展中國(guó)家。使我們較缺乏條件來(lái)做好選擇的工作。更甚的是，在本地區(qū)的一般企業(yè)中，材料的考慮和選擇都是由工藝知識(shí)掌握不足的設(shè)計(jì)部和採(cǎi)購(gòu)部人員在執(zhí)行。加上技術(shù)整合管理的缺乏，DFM/DFR系統(tǒng)的不健全等等管理問(wèn)題，將使我們無(wú)法很好的從材料的評(píng)估、選擇和控制上保證我們的品質(zhì)。也就是說(shuō)我們很可惜的無(wú)法利用一個(gè)能預(yù)防問(wèn)題的重要手段。或許只好將品質(zhì)的保證一部份交給運(yùn)氣了。
後語(yǔ)：
材料的考慮和選擇是個(gè)大課題。也是個(gè)十分重要的技術(shù)工作。雖然我們目前在這方面還做得很不足，而且一般企業(yè)的條件，包括管理意識(shí)理念、資源和知識(shí)等都屬於對(duì)這門(mén)工作支持不足的不理想狀況，但我希望讀者中有能領(lǐng)悟和努力去推行的。在我的事業(yè)生涯中，見(jiàn)到材料所帶來(lái)的問(wèn)題以及通過(guò)材料知識(shí)所能預(yù)防的問(wèn)題的例子占了很大的比重。記得在十一、十二年前的一次歐洲電子製造業(yè)會(huì)議上，業(yè)界就已經(jīng)提出了“正視材料工程師缺乏的問(wèn)題”的狀況。我個(gè)人覺(jué)得這一直以來(lái)還是沒(méi)有受到應(yīng)有的重視。或許這段時(shí)間正逢製造業(yè)在轉(zhuǎn)移的時(shí)代，類(lèi)似這樣的管理問(wèn)題沒(méi)有得到應(yīng)有的優(yōu)先關(guān)注。不過(guò)，即使看在解決自身問(wèn)題的份上，讓我們用點(diǎn)心思做得更好。我也希望本文能在理念上起作點(diǎn)啟發(fā)的作用。祝大家做得更好！
SMT技術(shù)兼管理顧問(wèn)
薛競(jìng)成
2006年10月
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注一：品質(zhì)元素在技術(shù)整合中其實(shí)是個(gè)‘輸出’或‘結(jié)果’。但我們對(duì)品質(zhì)的要求會(huì)決定我們必須使用的工藝、設(shè)備、設(shè)計(jì)和材料。所以在工作上品質(zhì)（規(guī)範(fàn)）也屬於整合元素之一。
注二：這裏指焊接時(shí)間，不包括焊接前的助焊和潤(rùn)濕的形成等考慮。
注三：IMC是英文Inter-Metallic Compound，金屬間化合物或金屬間合金的縮寫(xiě)。
注四：實(shí)際應(yīng)用上我們會(huì)使焊接溫度高於熔點(diǎn)許多（約20度以上）。目的是為了確保較好的潤(rùn)濕能力。
注五：有關(guān)圖中的指標(biāo)值和注解，讀者可以參照IPC/JEDEC標(biāo)準(zhǔn)J-STD-020C。
注六：錫膏的評(píng)估分庫(kù)存、可印性和可焊性評(píng)估三部份。這裏我們只談可焊性的關(guān)鍵部份。
注七：關(guān)於防潮管理，讀者可以參考JEDEC的標(biāo)準(zhǔn)J-STD-033。
注八：ENEG是採(cǎi)用無(wú)極電鍍Ni和Au層的技術(shù)，ENIG則是採(cǎi)用無(wú)極電鍍Ni和浸鍍Au的技術(shù)。這兩種技術(shù)在目前Ni/Au材料技術(shù)中較多被使用。尤其是ENIG的供應(yīng)商較多。
注九：‘黑盤(pán)’指的是焊盤(pán)上出現(xiàn)發(fā)黑的現(xiàn)象。這問(wèn)題一般是ENIG工藝中Ni層電鍍液的磷含量不對(duì)的原因（過(guò)多或過(guò)少都會(huì)，但原理不同，一是浸鍍Au工藝造成，另一是庫(kù)存期SnNi的IMC增長(zhǎng)造成）。使Ni和SnPb焊點(diǎn)介面脆弱，斷裂後露出含磷高的‘黑灰’層面。
在以前的文章中我們討論到技術(shù)整合的主要元素是設(shè)計(jì)、材料、工藝、設(shè)備和品質(zhì)（注一）。本期我們就來(lái)看看‘材料’的部份。
在SMT回流焊接技術(shù)中，牽涉到的材料主要有三方面，就是PCB、器件以及錫膏焊料。目前SMT業(yè)界中使用的材料種類(lèi)很多，隨著無(wú)鉛技術(shù)的到來(lái)更變成十分的複雜。而這些材料，雖然都可以使用在回流焊接技術(shù)中。但他們對(duì)工藝的要求以及個(gè)別的品質(zhì)表現(xiàn)都不完全一樣，有些甚至有相當(dāng)?shù)牟罹?。比如某些需要較大的熱能（較高的溫度，較長(zhǎng)的時(shí)間），而另外一些卻只需少量的熱能，或甚至不能承受大熱能。在這種情況下，如果要確保焊接工作能做得好，我們就必須在材料上進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇和配搭，使需求不同或矛盾的材料不會(huì)同時(shí)被使用上。這就是所謂焊接技術(shù)的材料考慮了。
在本系列文章的第二篇中，我們?cè)劦蕉喾N的回流技術(shù)。由於篇幅的關(guān)係，我們這裏的材料考慮只談和最常用的熱風(fēng)回流技術(shù)相關(guān)的。也因?yàn)槠P(guān)係，在這裏我不想仔細(xì)的分析各種材料的特性，而是通過(guò)一些考慮做法的描述解釋?zhuān)瑏?lái)提供一個(gè)方向，協(xié)助讀者們做得更好。
材料焊接時(shí)的三種模式：
在焊接的過(guò)程中，我們一般借助於以下三種特性中的一種或多種混合模式來(lái)使兩個(gè)焊接面和焊料形成焊點(diǎn)。
1．溶解Melting；
2．溶蝕Dissolution;
3．滲透擴(kuò)散 Diffusion
實(shí)際情況下採(cǎi)用哪一種原理，是看材料（金屬）的特性，例如該金屬的熔點(diǎn)，相對(duì)溶蝕率等等而定。而不同的金屬特性和模式，也就決定了我們必須採(cǎi)用的工藝和設(shè)置的工藝參數(shù)值。例如當(dāng)我們利用第一種的溶解原理時(shí)，我們必須保證焊接溫度達(dá)到或超過(guò)焊接的兩種金屬的熔點(diǎn)（比如Sn37Pb錫鉛合金的熔點(diǎn)為183oC），其焊接的形成是十分迅速的，可以在一兩秒鐘內(nèi)完成（注二）。如果利用的是第二類(lèi)原理，則焊接溫度必須達(dá)到或超過(guò)其中低熔點(diǎn)金屬的熔點(diǎn)溫度，並提供足夠的時(shí)間讓低熔點(diǎn)材料對(duì)高熔點(diǎn)材料的溶蝕完成。在這種工藝中，溫度的高低決定了溶蝕的速度，所以在越高的溫度下，焊接時(shí)間可以較短。而整個(gè)過(guò)程的溫度與時(shí)間的組合控制，要比第一種模式的要求要高些。
前兩種模式一般使用在焊接面的表面保護(hù)層上，而第三種的滲透擴(kuò)散模式，對(duì)每一個(gè)焊接面都是個(gè)必需品。良好的焊接就是依靠這第三種原理，是焊接面之間形成一個(gè)薄層的金屬間合金的（IMC，注三）。
由於各種模式的特性差異，在設(shè)計(jì)焊接系統(tǒng)時(shí)我們就必須考慮到採(cǎi)用怎樣的材料和焊接原理。這樣才不至於出現(xiàn)同一個(gè)PCBA上出現(xiàn)需求差異太大而難以焊接的情況。值得注意的是，對(duì)於焊料（錫膏）來(lái)說(shuō)，由於它也是填充物（填充焊接面間隙），我們都要求它熔化。所以在應(yīng)用中的溫度要求，只要是超過(guò)其熔點(diǎn)溫度就可以了（注四）。在達(dá)到熔化溫度後，它不像器件焊端材料或PCB焊盤(pán)材料那樣對(duì)溫度和時(shí)間有較嚴(yán)格的要求。所以只按照錫膏供應(yīng)商提供的溫度曲線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)置回流焊接工藝，並不是個(gè)正確的做法。以傳統(tǒng)的Sn37Pb焊料而言，超過(guò)183oC（Sn37Pb的熔點(diǎn)溫度）後，焊接工藝參數(shù)就該以考慮到PCBA上器件和焊盤(pán)材料為主了。
回流焊接技術(shù)中的材料：
在進(jìn)行焊接時(shí)，整個(gè)材料系統(tǒng)包括了3個(gè)主要部份。就是器件、基板（PCB）、以及將它們進(jìn)行結(jié)合的焊料（在回流技術(shù)中常用的錫膏）。要確保焊接可以在高品質(zhì)結(jié)果下完成，他們之間必須對(duì)工藝要求有較好的配搭。所以在選擇這些材料時(shí)，不應(yīng)該是各自獨(dú)立考慮的。一般在應(yīng)用上，器件的材料種類(lèi)變化最多。這不只是因?yàn)榭蛇x的材料種類(lèi)原本就多，而也是因?yàn)橛脩?hù)採(cǎi)用的供應(yīng)商多，大家選擇不一的原因。其次是PCB方面。變化最少的應(yīng)該是焊料方面，一般除了加工業(yè)（CM或EMS）由於要滿(mǎn)足個(gè)別客戶(hù)的要求而可能採(cǎi)用較多種類(lèi)的錫膏外，製造自己產(chǎn)品的OEM或ODM都只選用一到兩種焊料。
從工藝和品質(zhì)管制的角度來(lái)看，材料的種類(lèi)和變化是越少越好。所以除非電性能、可靠性或成本方面的壓力大，否則設(shè)計(jì)部應(yīng)該儘量減少材料選擇上的變化。這是DFM/DFR管理上的一個(gè)重要準(zhǔn)則。
材料特性考慮：
從回流焊接的角度來(lái)看，我們對(duì)材料的以下的三種特性最為關(guān)注。
1．可焊性；
2．耐熱性；
3．庫(kù)存壽命。
所有的材料都必須經(jīng)過(guò)以上特性的能力認(rèn)證，才算合格（適合回流焊接工藝）。
在考慮物料如器件或PCB的可焊性時(shí)，其定義必須是較完整的?？珊感詠K不是只指潤(rùn)濕性，或是熔錫可以與焊接面結(jié)合的現(xiàn)象。從工藝和品質(zhì)的考量上，可焊性較完整的定義必須包括以下各點(diǎn)。
? 快速的潤(rùn)濕形成以及足夠的潤(rùn)濕力；
? 可以較低的焊接溫度以及較短的時(shí)間內(nèi)完成；
? 機(jī)械特性較好的IMC；
? 焊接時(shí)不容易出現(xiàn)工藝故障（如氣孔、焊球、吸錫等）
決定以上特性的，是下面的幾個(gè)因素：
? 焊接面各層的材料；
? 焊接面各層材料的厚度；
? 形成各層材料的工藝（如無(wú)極電鍍、浸鍍等）；
? 器件封裝和焊端的形狀結(jié)構(gòu)；
也就是說(shuō)，如果我們要很好的確保回流焊接品質(zhì)，在我們選擇材料時(shí)就必須對(duì)每一個(gè)器件或材料進(jìn)行以上的4個(gè)方面，按先前描述的4個(gè)可焊性定義進(jìn)行評(píng)估考慮。
在回流焊接的過(guò)程中，被焊接的材料必須經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間和相對(duì)高溫的處理。所以材料的耐熱性也是個(gè)重要的考量因素。由於無(wú)鉛技術(shù)一般上需要較高的溫度處理，材料耐熱問(wèn)題在無(wú)鉛技術(shù)到來(lái)後更加被重視。業(yè)界一些機(jī)構(gòu)也以此建議了較明確的規(guī)範(fàn)。例如圖一是IPC和JEDEC聯(lián)合建議的無(wú)鉛器件耐熱性的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)（注五）。
圖一
在筆者的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)中，這樣的規(guī)範(fàn)雖然可以使用在大多數(shù)場(chǎng)合中，但還不是個(gè)精確保險(xiǎn)的規(guī)範(fàn)。這主要有兩方面的考慮。一是標(biāo)準(zhǔn)中不應(yīng)該提供上下限，耐熱特性應(yīng)該只有最低標(biāo)準(zhǔn)而沒(méi)有最高標(biāo)準(zhǔn)。提供上限只會(huì)造成參考和執(zhí)行上的混亂。其二是熱破壞模式其實(shí)和三種不同的熱反應(yīng)有關(guān)，這樣的規(guī)範(fàn)無(wú)法精確的評(píng)估這三方面的能力。對(duì)與那些需要十分重視品質(zhì)的用戶(hù)，筆者建議在材料評(píng)估上按以下的三種評(píng)估來(lái)做較為精確。
1．最高承受溫度（必須含時(shí)間觀念）；
2．最高承受熱衝擊（升溫和降溫速率）；
3．最高承受總熱能（總溫度和時(shí)間關(guān)係）
以上三種熱反應(yīng)的破壞模式不同而且不存在一定的關(guān)係，也就是說(shuō)具備較高溫度承受能力的一個(gè)器件或材料，未必也具備較高的熱衝擊承受能力。因此我們?cè)谠u(píng)估材料時(shí)都必須進(jìn)行測(cè)試確認(rèn)。用戶(hù)很有可能遇到的問(wèn)題，是許多材料或器件供應(yīng)商並沒(méi)有採(cǎi)用類(lèi)似的認(rèn)證方法。所以也無(wú)從提供這類(lèi)指標(biāo)。這也就是說(shuō)，在很多時(shí)候，要把握材料的這些特性，確保品質(zhì)，用戶(hù)必須靠自己的認(rèn)證。而認(rèn)證需要資源的投入，這在本區(qū)域又是較敏感和管理經(jīng)驗(yàn)較弱的。我的建議是用戶(hù)按自己產(chǎn)品或服務(wù)的品質(zhì)責(zé)任，對(duì)產(chǎn)品的關(guān)鍵以及新封裝器件有選擇性的進(jìn)行評(píng)估。這樣或許能夠有較好的平衡點(diǎn)。
器件材料的第三項(xiàng)考慮重點(diǎn)是庫(kù)存需求和壽命。雖然JIT管理在效率和品質(zhì)上都屬於較好的管理做法，而且可以去除（或至少大大的減少）庫(kù)存問(wèn)題。但實(shí)際上對(duì)好些用戶(hù)來(lái)說(shuō)， 推行JIT的條件並不存在。尤其在是變化日益快速的競(jìng)爭(zhēng)情況下。所以研究和處理器件材料的庫(kù)存問(wèn)題還是個(gè)重要的工作。
在我們研究或考慮庫(kù)存壽命時(shí)，一定要有庫(kù)存條件的因素在內(nèi)。庫(kù)存條件指的是環(huán)境（溫、濕度）和包裝保護(hù)性能。器件焊端和PCB焊盤(pán)鍍層雖然都有保護(hù)層來(lái)確保有較長(zhǎng)的庫(kù)存壽命，但這些保護(hù)層都會(huì)在庫(kù)存期間逐步的退化。所以庫(kù)存是有壽命而非無(wú)限期的。一般而言，在庫(kù)存期間焊端的表面會(huì)起氧化作用而形成對(duì)焊接不利的氧化層。不過(guò)由於氧化層形成後會(huì)降低後期的氧化速度，加上焊接時(shí)我們所使用的助焊劑多能夠去除這氧化層，或者在較嚴(yán)重情況下我們還可以通過(guò)返工或表面處理來(lái)恢復(fù)其可焊性，所以庫(kù)存中的氧化問(wèn)題還不算是最嚴(yán)重。另一方面，在庫(kù)存期間如果焊端鍍層內(nèi)層的合金層（即IMC）增長(zhǎng)過(guò)度而露出表面，或離開(kāi)表面只有十分薄的程度，在焊接時(shí)表層的可焊材料經(jīng)過(guò)溶蝕後焊料和不可焊的IMC接觸，焊接面就無(wú)法良好的形成。在這種情況下我們是無(wú)法返工的，出現(xiàn)不可焊接的器件只能作廢。
以上的IMC增長(zhǎng)問(wèn)題是否會(huì)出現(xiàn)，就看焊端鍍層的材料、厚度以及庫(kù)存條件而定。選擇IMC增長(zhǎng)慢的材料如NiAu，較厚的鍍層，以及較低的庫(kù)存溫度將會(huì)增加器件可焊性的庫(kù)存壽命。不過(guò)正如我們?cè)谄渌夹g(shù)方面所遇到的情況一樣，各種方案總有好與壞的方面同時(shí)給我們提出考驗(yàn)。較厚的鍍層雖然在庫(kù)存上有好處，卻給我們帶來(lái)其他問(wèn)題。如Au的成本高，而且含量太高（鍍層厚）將給焊接後的焊點(diǎn)帶來(lái)金脆化的可靠性問(wèn)題。同時(shí)較厚的鍍層也需要較多的熱能來(lái)焊接，也就是較高的溫度和/或較長(zhǎng)的時(shí)間。這在焊接工藝中都是不利的。因此在考慮和選擇材料時(shí)我們必須給予整合分析。
錫膏的考慮：
在選擇錫膏時(shí)，我們也同樣的考慮到以上所說(shuō)的可焊性、耐熱性和庫(kù)存需求和壽命三方面的特性表現(xiàn)。不過(guò)我們一般採(cǎi)用其焊接中出現(xiàn)的故障模式來(lái)描述前兩方面的能力。例如熱坍塌、焊球/焊珠程度、潤(rùn)濕性等等。一個(gè)良好的錫膏配方，我們?cè)谑褂脮r(shí)對(duì)預(yù)防其工藝故障方面較好處理，這是由於它對(duì)熱的變化的‘容忍性’較強(qiáng)。而摸清楚個(gè)別錫膏的‘容忍性’，就是我們?cè)谶x擇錫膏前必須進(jìn)行的工作。原本錫膏的特性應(yīng)該是由供應(yīng)商來(lái)完整和詳細(xì)的提供給用戶(hù)的。但不幸的是，由於牽涉到產(chǎn)權(quán)秘方等問(wèn)題，用戶(hù)一般並不能夠得到很精確的資料。這就造成用戶(hù)有必要自己進(jìn)行認(rèn)證了。即使不存在以上的問(wèn)題，用戶(hù)對(duì)於供應(yīng)商的技術(shù)資料來(lái)源一般也無(wú)法知道或考證，也因此有可能造成適用上的問(wèn)題。比如年初我在華東協(xié)助一家用戶(hù)提升他們的焊接工藝能力時(shí)就將供應(yīng)商提供的標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行修改了。例如供應(yīng)商指標(biāo)中建議升溫區(qū)的升溫速度應(yīng)該￡2.5oC，但在該客戶(hù)的設(shè)計(jì)規(guī)範(fàn)內(nèi)，這指標(biāo)會(huì)造成熱坍塌過(guò)度的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)實(shí)際試驗(yàn)認(rèn)證，升溫速度￡1.6oC對(duì)這用戶(hù)來(lái)說(shuō)是個(gè)保險(xiǎn)的做法。而我們也發(fā)現(xiàn)，該型號(hào)的錫膏，只要在升溫區(qū)限制好這升溫速度，在回流進(jìn)入其他溫區(qū)後，熱坍塌的情況就十分輕微。這類(lèi)發(fā)現(xiàn)以及對(duì)該錫膏特性的掌握能協(xié)助我們更好的制定我們的工藝規(guī)範(fàn)，預(yù)先排除各種故障。
從焊接的角度來(lái)看，筆者建議用戶(hù)在選擇錫膏前對(duì)以下特性進(jìn)行評(píng)估認(rèn)證（注六）。
? 潤(rùn)濕性
? 冷坍塌、熱坍塌
? 抗氧化能力
? 焊劑助焊能力
? 濺錫特性
? 殘留物的量和特性
? 熱揮發(fā)特性
? 使用壽命（開(kāi)封後壽命、回收次數(shù)、印刷後壽命等）
瞭解錫膏的上述特性有助於我們?cè)O(shè)置正確的溫度曲線(xiàn)和減少工藝故障。這工作雖然在前期的資源投入較多，但是個(gè)十分值得的投入。
器件的考慮：
器件材料的考慮注重於焊端以及封裝本體兩部份。以上我們談到材料的特性考慮時(shí)所提到的可焊性、耐熱性和庫(kù)存三方面，也同樣是器件選擇考慮的重點(diǎn)。不過(guò)器件在這些考慮上還有細(xì)節(jié)必須加以補(bǔ)充。
可焊性的定義在應(yīng)用到器件選擇上就必須做得更細(xì)。我們必須全面的照顧到焊接過(guò)程中下列的5大要求。
1．良好的潤(rùn)濕；
2．適當(dāng)?shù)腻a量；
3．正確的熔錫流向；
4．焊接過(guò)程中焊端靜止；
5．形成適當(dāng)厚度的IMC。
器件的整體結(jié)構(gòu)，包括焊端和封裝本體，焊端的材料和鍍層厚度，都會(huì)對(duì)以上各要求有一定的影響。在我們選擇或認(rèn)證器件的工藝性時(shí)，就應(yīng)該仔細(xì)的給予考慮。這工作如果做得足夠完整精確，我們離開(kāi)零缺陷的目標(biāo)就越近。這工作是屬於技術(shù)整合中可製造性設(shè)計(jì)的部份，我將來(lái)會(huì)有論文更詳細(xì)的和大家分享。這裏想先提一提的是，業(yè)界負(fù)責(zé)封裝技術(shù)的半導(dǎo)體行業(yè)，他們的關(guān)注點(diǎn)主要在於電性考慮。因?yàn)椤覀兤骷碾娦宰詈谩隙ㄊ莻€(gè)比‘我們的器件最容易組裝’來(lái)得好的賣(mài)點(diǎn)。加上從事封裝設(shè)計(jì)的人對(duì)於SMT組裝工藝未必瞭解得夠，所以設(shè)計(jì)出來(lái)的封裝有時(shí)候都是不利於組裝工作的。例如BGA，DirectFETTM，某些DFN封裝等等，其設(shè)計(jì)都有很好的電性表現(xiàn)，但對(duì)於組裝工程師來(lái)說(shuō)，卻給他們帶來(lái)了難度和挑戰(zhàn)。
目前電子業(yè)界中使用的許多器件，都還是屬於非氣密式封裝。非氣密式的封裝材料在庫(kù)存過(guò)程中是會(huì)吸潮的。而這種特性就會(huì)給焊接工藝帶來(lái)‘爆米花’的故障風(fēng)險(xiǎn)。所以在選擇材料中我們必須給予關(guān)注。不過(guò)由於成本和重量的問(wèn)題，我們目前的做法並非捨棄非氣密式的封裝不用，而較多是選擇控制的做法。也就是防潮和受潮後的處理。這方面不論是在供應(yīng)商那裏或用戶(hù)處，業(yè)界都已經(jīng)有規(guī)範(fàn)做法。例如供應(yīng)商必須按照該封裝的潮敏程度，在完成封裝工藝某時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行某程度防潮性能的包裝。而在用戶(hù)處則必須按照供應(yīng)商所標(biāo)示的防潮等級(jí)，在開(kāi)封後某時(shí)間段內(nèi)完成組裝焊接?；蛟跓o(wú)法實(shí)施時(shí)進(jìn)行烘烤等除潮處理（注七）。
PCB的考慮：
在電子業(yè)中所使用的PCB焊盤(pán)基材主要是Cu（銅）材料。銅雖然適合於焊接和形成可靠的焊點(diǎn)，但銅是很容易氧化的金屬，氧化後的銅可焊性很差。雖然一些酸性強(qiáng)的助焊劑可以將一般的氧化銅清除，但卻會(huì)留下了對(duì)PCBA不利的腐蝕後遺癥。所以設(shè)法制止銅的氧化是PCB業(yè)界中一個(gè)主要的技術(shù)工作。一般的做法就是將銅和氧隔離，也就是在銅上加上一層不容易氧化的‘保護(hù)層’。但必須確保這層材料在提供保護(hù)的同時(shí)，不會(huì)給焊接工藝或過(guò)後焊點(diǎn)的可靠性帶來(lái)不良的影響。目前多數(shù)採(cǎi)用的做法有三類(lèi)，一是使保護(hù)層材料在焊接前被熱或焊劑除去，例如OSP保護(hù)層技術(shù)。第二種做法是使保護(hù)層材料和焊料一起溶解，例如表層鍍Sn或SnPb熱風(fēng)整平技術(shù)。第三種是利用熔化的焊料將表層保護(hù)材料溶蝕後基層焊接，例如鍍Ni/Au的技術(shù)。
常用的焊盤(pán)鍍層材料有很多種，例如Sn，Ag，Pd或Pd合金，SnAg合金，Ni/Sn或Ni/SnPb層，Ni/Au層，Ni/Pd層，還有OSP（有機(jī)保護(hù)層）等。不同的材料在工藝和品質(zhì)上會(huì)有不同的特性。除此之外，PCB製造商在製造焊盤(pán)的表面保護(hù)層時(shí)會(huì)有不同的工藝供選擇。例如常見(jiàn)的鍍層工藝有：有極電鍍、無(wú)極電鍍和浸鍍工藝。這些不同的工藝配合不同的材料也會(huì)帶來(lái)可能影響焊接工藝或焊點(diǎn)品質(zhì)的不同影響。而這是從事PCBA加工廠家所必需掌握的。比如當(dāng)使用Ni/Au鍍層時(shí)，我們可以有不同的電鍍工藝選擇。常用的有ENEG和ENIG（注八）。ENIG雖然有成本和工藝控制上的優(yōu)勢(shì)，但卻會(huì)有‘黑盤(pán)’故障（注九）以及焊點(diǎn)壽命較差等問(wèn)題。而ENEG卻有另外的一些問(wèn)題如不能和所有的綠油（阻焊層）材料相容、成本較高以及供應(yīng)商少等等。用戶(hù)以此必須按本身情況和要求進(jìn)行選擇。
又比如越來(lái)越普遍的OSP技術(shù)，許多用戶(hù)把所有OSP當(dāng)作只有一種材料，幾乎從未去研究不同供應(yīng)商之間的差異。OSP技術(shù)已經(jīng)最少經(jīng)過(guò)了5代的發(fā)展，而每一代的工藝條件和能力都不一樣。即使屬於同一代技術(shù)，也會(huì)因?yàn)椴煌?yīng)商配方上的差異而有所不同。這情況就像錫膏或焊劑一樣。也就是說(shuō)，雖然都稱(chēng)為OSP，不同來(lái)源的OSP對(duì)焊接工藝中的溫度、時(shí)間要求，以及和不同錫膏焊劑的相容性都可能不同。選擇配搭不當(dāng)就會(huì)造成工藝上較困難，甚至無(wú)法焊接好。
和器件的情況一樣，用戶(hù)將面對(duì)許多不同材料和工藝的選擇。但在PCB材料的處理上要比器件容易得多。因?yàn)槲覀兛梢暂^好的限制其種類(lèi)和供應(yīng)商。比如說(shuō)只選用OSP和ENEG各兩家供應(yīng)商。這在評(píng)估和品質(zhì)管制的投入上都會(huì)節(jié)省不少。避免使用太多不同的材料、不同的工藝以及不同的供應(yīng)商（包括同一供應(yīng)商不同的廠）。這將減少您的品質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。
對(duì)PCB的另外一個(gè)要求，是它必須能夠經(jīng)受多次的焊接。除非您採(cǎi)取的是免修策略。否則就必須考慮到PCB在組裝加工中可能出現(xiàn)的多次焊接加返修後的可靠性。從品質(zhì)的角度來(lái)看，任何形式的返修對(duì)焊點(diǎn)的可靠性都是不利的。而且次數(shù)越多品質(zhì)的損害程度也越大。
PCB受潮也是個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題。所以防潮工作也必須做到位。最好的做法是有合理的設(shè)計(jì)，配合評(píng)估和選擇能力強(qiáng)的供應(yīng)商（因?yàn)樵S多受潮問(wèn)題是供應(yīng)商工藝能力或品質(zhì)管制較差所造成的）。 其次是在採(cǎi)購(gòu)流程上進(jìn)行控制，使用‘新鮮’的PCB。使用前烘烤的做法應(yīng)該是個(gè)不得已的補(bǔ)救做法，而不是個(gè)正常工藝或手段。因?yàn)楹婵倦m然可以解決或改善受潮問(wèn)題，但卻可能帶來(lái)了其他風(fēng)險(xiǎn)。比如對(duì)OSP的破壞、對(duì)焊盤(pán)IMC的助長(zhǎng)等等。
技術(shù)整合考慮：
以上談到錫膏、器件、以及PCB材料的個(gè)別選擇考慮原理。這裏我想強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)，是在實(shí)際工作中它們必須是綜合考慮的。也就是我們必須對(duì)這三者進(jìn)行技術(shù)整合。以下的例子可能可以協(xié)助讀者瞭解這做法的重要性。
比如在一個(gè)器件焊端為42合金鍍Sn40Pb，PCB焊盤(pán)為OSP保護(hù)，和錫膏為傳統(tǒng)Sn37Pb合金類(lèi)的組合下，出現(xiàn)了因?yàn)橐_吸錫問(wèn)題而形成焊點(diǎn)少錫的故障現(xiàn)象。我們可以通過(guò)不同的材料選擇組合來(lái)解決或減少這問(wèn)題程度。如果程度不嚴(yán)重，我們可以通過(guò)採(cǎi)用性能更好的OSP或ENIG獲得解決。如果問(wèn)題較大，我們可能有必要將器件的鍍層改用Sn90Pb或Sn85Pb來(lái)獲得解決。但如果使用的錫膏是無(wú)鉛的SAC合金的話(huà)，使用Sn90Pb或Sn85Pb有可能造成器件移位元的另外一種故障現(xiàn)象。而必須使用如Ni/Pd/Au鍍層的這一器件才能避免位移。所以良好的選擇，是必須綜合考慮所有三種物料的配合的。這也就是為什麼我常告訴用戶(hù)朋友們，在SMT中似乎沒(méi)有絕對(duì)的好壞，而是看你如何配合及掌握它們。
我們平時(shí)在診斷生產(chǎn)線(xiàn)上出現(xiàn)的故障問(wèn)題時(shí)，多數(shù)時(shí)候?qū)Σ牧系恼J(rèn)證是比較困難的。技術(shù)整合理念告訴我們，材料、工藝、設(shè)計(jì)和設(shè)備是個(gè)配搭的關(guān)係，一個(gè)因素中的問(wèn)題，可能通過(guò)調(diào)整另外原本沒(méi)有問(wèn)題的因素來(lái)獲得補(bǔ)償。比如現(xiàn)場(chǎng)的工藝參數(shù)調(diào)整就是提供這種作用。而往往卻是這原因使得許多工程師經(jīng)常將現(xiàn)場(chǎng)的問(wèn)題定位為‘物料’問(wèn)題。這類(lèi)例子在我實(shí)際工作中見(jiàn)得不少。例如有個(gè)用戶(hù)在工藝參數(shù)定得不好的情況下，經(jīng)過(guò)更換一批來(lái)自不同供應(yīng)商的物料（SOJ封裝的IC）後故障大量減少而將問(wèn)題定位為物料問(wèn)題。而實(shí)際上這兩種來(lái)自不同廠家的物料的鍍層材料不同（都是SnPb，但成份比例不同），可焊性有所差別。當(dāng)時(shí)的工藝參數(shù)設(shè)置不好使得可焊性較強(qiáng)的引腳產(chǎn)生吸錫狀況。其實(shí)在實(shí)際工作中，器件或材料的認(rèn)證是比較難的，不論在測(cè)試認(rèn)證手段上，或是在數(shù)量統(tǒng)計(jì)上都常存在問(wèn)題。一般較有效的做法是先認(rèn)證和排除設(shè)計(jì)、工藝以及設(shè)備的問(wèn)題，而後才推斷為物料相關(guān)問(wèn)題。
我在工作上還經(jīng)常遇到一個(gè)情況，就是物料的供應(yīng)商對(duì)本身的問(wèn)題不承認(rèn)而又缺乏可靠的依據(jù)理由。許多供應(yīng)商的解釋是：“我們其他的用戶(hù)都沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題”（意思當(dāng)然是“只有你有問(wèn)題，所以是你的錯(cuò)”）。須知SMT的整合狀況複雜，很難有兩家工廠的應(yīng)用條件是完全一致的。這也就是說(shuō)我們普遍存在可比性的問(wèn)題。所以在沒(méi)有足夠和仔細(xì)瞭解用戶(hù)的各方面情況下，我們是無(wú)法斷定責(zé)任是否在於供應(yīng)商方面。這種工作心態(tài)和觀念有必要更正過(guò)來(lái)。當(dāng)然用戶(hù)方面也常會(huì)出錯(cuò)，而主要的錯(cuò)誤就在於對(duì)物料缺乏認(rèn)證和明確的技術(shù)指標(biāo)。如果要做到預(yù)防性的品質(zhì)管制，用戶(hù)必須要提供明確的指標(biāo)要求，並和供應(yīng)商達(dá)成認(rèn)證方法協(xié)定。
無(wú)鉛技術(shù)帶來(lái)的影響和問(wèn)題：
在我們電子製造業(yè)步向無(wú)鉛技術(shù)而將焊料中的鉛給排除後，很不幸的至今沒(méi)有能夠找到完全適合的替代品。不過(guò)多年來(lái)的也就卻出現(xiàn)了許許多多的‘可用品’。這些‘可用品’不但在工藝上給我們帶來(lái)了更高的要求和難度，也因?yàn)榉N類(lèi)繁多、實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)的不足而使我們面對(duì)許多選擇的問(wèn)題。無(wú)鉛技術(shù)中出現(xiàn)更多的材料種類(lèi)，本來(lái)我們更需要投入更多的資源來(lái)進(jìn)行研究、測(cè)試、認(rèn)證和選擇。但實(shí)際上或許不會(huì)如此。至少我還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有這樣做法的例子。這是因?yàn)槟壳暗臓顩r存在一些不利的因素。例如電子製造業(yè)從以技術(shù)為主要關(guān)注的較先進(jìn)工業(yè)國(guó)，轉(zhuǎn)移到以就業(yè)、成本為主要關(guān)注的發(fā)展中國(guó)家。使我們較缺乏條件來(lái)做好選擇的工作。更甚的是，在本地區(qū)的一般企業(yè)中，材料的考慮和選擇都是由工藝知識(shí)掌握不足的設(shè)計(jì)部和採(cǎi)購(gòu)部人員在執(zhí)行。加上技術(shù)整合管理的缺乏，DFM/DFR系統(tǒng)的不健全等等管理問(wèn)題，將使我們無(wú)法很好的從材料的評(píng)估、選擇和控制上保證我們的品質(zhì)。也就是說(shuō)我們很可惜的無(wú)法利用一個(gè)能預(yù)防問(wèn)題的重要手段。或許只好將品質(zhì)的保證一部份交給運(yùn)氣了。
後語(yǔ)：
材料的考慮和選擇是個(gè)大課題。也是個(gè)十分重要的技術(shù)工作。雖然我們目前在這方面還做得很不足，而且一般企業(yè)的條件，包括管理意識(shí)理念、資源和知識(shí)等都屬於對(duì)這門(mén)工作支持不足的不理想狀況，但我希望讀者中有能領(lǐng)悟和努力去推行的。在我的事業(yè)生涯中，見(jiàn)到材料所帶來(lái)的問(wèn)題以及通過(guò)材料知識(shí)所能預(yù)防的問(wèn)題的例子占了很大的比重。記得在十一、十二年前的一次歐洲電子製造業(yè)會(huì)議上，業(yè)界就已經(jīng)提出了“正視材料工程師缺乏的問(wèn)題”的狀況。我個(gè)人覺(jué)得這一直以來(lái)還是沒(méi)有受到應(yīng)有的重視。或許這段時(shí)間正逢製造業(yè)在轉(zhuǎn)移的時(shí)代，類(lèi)似這樣的管理問(wèn)題沒(méi)有得到應(yīng)有的優(yōu)先關(guān)注。不過(guò)，即使看在解決自身問(wèn)題的份上，讓我們用點(diǎn)心思做得更好。我也希望本文能在理念上起作點(diǎn)啟發(fā)的作用。祝大家做得更好！
SMT技術(shù)兼管理顧問(wèn)
薛競(jìng)成
2006年10月
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注一：品質(zhì)元素在技術(shù)整合中其實(shí)是個(gè)‘輸出’或‘結(jié)果’。但我們對(duì)品質(zhì)的要求會(huì)決定我們必須使用的工藝、設(shè)備、設(shè)計(jì)和材料。所以在工作上品質(zhì)（規(guī)範(fàn)）也屬於整合元素之一。
注二：這裏指焊接時(shí)間，不包括焊接前的助焊和潤(rùn)濕的形成等考慮。
注三：IMC是英文Inter-Metallic Compound，金屬間化合物或金屬間合金的縮寫(xiě)。
注四：實(shí)際應(yīng)用上我們會(huì)使焊接溫度高於熔點(diǎn)許多（約20度以上）。目的是為了確保較好的潤(rùn)濕能力。
注五：有關(guān)圖中的指標(biāo)值和注解，讀者可以參照IPC/JEDEC標(biāo)準(zhǔn)J-STD-020C。
注六：錫膏的評(píng)估分庫(kù)存、可印性和可焊性評(píng)估三部份。這裏我們只談可焊性的關(guān)鍵部份。
注七：關(guān)於防潮管理，讀者可以參考JEDEC的標(biāo)準(zhǔn)J-STD-033。
注八：ENEG是採(cǎi)用無(wú)極電鍍Ni和Au層的技術(shù)，ENIG則是採(cǎi)用無(wú)極電鍍Ni和浸鍍Au的技術(shù)。這兩種技術(shù)在目前Ni/Au材料技術(shù)中較多被使用。尤其是ENIG的供應(yīng)商較多。
注九：‘黑盤(pán)’指的是焊盤(pán)上出現(xiàn)發(fā)黑的現(xiàn)象。這問(wèn)題一般是ENIG工藝中Ni層電鍍液的磷含量不對(duì)的原因（過(guò)多或過(guò)少都會(huì)，但原理不同，一是浸鍍Au工藝造成，另一是庫(kù)存期SnNi的IMC增長(zhǎng)造成）。使Ni和SnPb焊點(diǎn)介面脆弱，斷裂後露出含磷高的‘黑灰’層面。