基于喷印工艺的LGA焊点缺陷原因分析及改进

来源:收集 点击数:1077 更新时间:2017/11/28 15:05:42

干货分享│基于喷印工艺的LGA焊点缺陷原因分析及改进
 摘 要:本文结合生产历史数据,探讨了焊膏喷印方式下LGA封装器件的焊接问题形成原因,发现焊膏喷印量及车间湿度的变化对LGA焊点少锡合并锡珠缺陷的产生影响显著,而回流炉预热升温速率则对其无明显影响。造成该焊接缺陷的机理是: LGA这种封装底部间隙非常小的元器件存在毛细管现象,在回流焊过程中,喷印焊膏飞溅极易产生锡珠。通过调整焊膏喷印参数、车间环境湿度、贴片压力等方式,有效改善了LGA的焊接质量。

 关键词:LGA、喷印焊膏、少锡合并锡珠 


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前言

LGA是一种类似于BGA但底部无焊球的栅格阵列封装,采用在PCB上印刷焊膏并回流焊接的方式完成组装。这种特殊的封装形式使芯片与PCB的距离明显较小,LGA具有更优越的电气性能。此外,由于焊点高度的减小,LGA封装能有效改善弯曲、振动和跌落的可靠性。因此,现代的便携式电子产品及军用电子产品都越来越多的选择应用这种LGA封装器件。但较BGA及其他封装元器件,LGA焊接后的支撑高度很低,清洗困难,而且由于焊剂残留问题,形成空洞和锡珠的几率会增大,空洞和锡珠的形成与焊膏成分又有着密切关系。本文采用的喷印焊膏具有焊粉粒径小、助剂含量高、粘度低等特性,这些特性都将提高LGA焊接缺陷产生的概率,增加了返修成本和难度。 

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LGA焊点缺陷类型

对历史数据进行统计分析,按照LGA器件发生各种缺陷的频次做排列图如下图1。由图1可见,占比达70%的缺陷为少锡合并锡珠缺陷,如下图2为X-Ray检测的LGA锡珠缺陷。由图2可看出,很多焊盘上明显少锡,在焊盘中间还存在或大或小的锡珠。为进一步排查缺陷,对故障LGA器件进行解焊,观察LGA器件焊盘和对应PCB焊盘上焊锡润湿情况,图3所示。图中发现LGA器件部分焊盘上有较多焊锡,部分焊盘则几乎没有焊料润湿,对应的PCB焊盘上也是同样的情况。由于每片板的焊膏涂覆质量均经过SPI检测,并且调取SPI检测数据,焊膏量显示正常。因此,该缺陷直观表现为部分焊盘上的焊锡被偷走至其他焊盘上了,过多的焊锡使得整个器件浮高,从而使得其他焊盘几乎没有焊锡润湿。 

图1  LGA缺陷焊点按照缺陷类型的排列图

图2  LGA焊接缺陷X光检测结果 

图3 故障件PCB焊盘及LGA器件对应焊盘 

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 焊点缺陷原因分析

3.1 初步原因分析

基于如上缺陷的图片信息,根据经验,产生该缺陷的原因应该是多方面的。为了准确、快速的解决问题,从“人、机、料、法、环”生产五要素方面,对可能产生少锡合并锡珠问题的原因进行了分析,见如下图4的因果图。根据各因素可能性大小、测量的难易程度,分为4个分值等级,对各因素进行逐项打分,并进行统计(见表1)。排在前三位的分别是:“焊膏喷印量偏少”、 “回流焊预热升温速率过快”和“车间湿度偏大”; 在所列因素中“焊盘氧化”被一致认为很重要,但是难测量,且在实际批量生产过程中较难去抽样验证,因此要求从源头控制其来料质量。

图4  LGA产生少锡合并锡珠缺陷的因果图

表1 团队对各影响因素打分情况影响因素   


3.2 影响因素分析

采用六西格玛的分析方法,对排名前三的因素分别开展验证试验,并对数据进行统计分析。对这三个影响因素分别取值如下表2,并开展正交试验。

表2  三个影响因素的取值


3.2.1 图形及量化分析

图5  各影响因素的交互作用图

由上交互作用图可见,焊膏喷印量及车间湿度的变化对LGA缺陷焊点的产生影响较为明显,且两个因素之间有一定的交互作用;而回流炉不同的升温速率则无明显影响,且其与另外两个因素之间也没有交互作用。

图6  主效应图

由上主效应图可看出:车间湿度对LGA缺陷焊点的影响要高于焊膏喷印量的影响。

图7  回流炉升温速率的对LGA缺陷焊点产生的箱线图

由上图7可见,通过调整回流炉升温速率,随着其他参数的变化,LGA焊点缺陷数的变化范围一致。可见,该因素的影响并不显著。

双因子方差分析结果显示:焊膏喷印量及车间湿度的P值均等于0.000,小于0.01,说明两个因素的影响均高度显著。3050.1/10236.3=29.8%,说明焊膏喷印量的影响大约为29.8%左右;6004.1/10236.3=59.65% ,说明车间湿度的影响大约为59.65%左右;R-Sq(调整) = 99.33%,说明两个因素及其交互作用的影响达到了99.33%

 

3.2.2 机理分析

针对本文中出现的LGA少锡合并锡珠缺陷,结合上述分析结果,从焊接机理上进行分析。

对于LGA等这种封装底部间隙非常小的元器件,在回流焊接时,熔融的焊膏被挤到元件底部,较容易凝结成锡珠。其作用机理为元件贴装后在元件下形成毛细管间隙,由于毛细管力和助剂的扩散特点渗入毛细管间隙,一些焊料颗粒随着助焊剂流渗到毛细管中。在回流焊接中,元件下的间隙由于开始润湿和重力作用变得很窄,导致已经变成液体的焊料颗粒从元件下方被压出来。当可焊性变差、飞溅剧烈等因素加剧作用时,焊膏回流过程中的流动加剧,甚至流动至其他焊盘上,出现个别焊盘焊锡量非常多,而其他焊盘无焊锡润湿的现象。

为获得稳定、优良的喷印效果,喷印焊膏较普通印刷焊膏的助焊剂含量高。而焊膏助剂含量越高、助剂活性越强、焊膏受潮严重及焊接时预热速度过快等都将加剧焊膏的飞溅。且喷印焊膏至少为5#粉,增大了焊粉的比表面积,较容易氧化,焊粉氧化后表面张力也增大,导致焊料颗粒间不易熔合,从而加剧锡珠缺陷的产生。 

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解决措施

(1) 焊膏喷印量

对于喷印工艺而言,由于其焊膏体系的特性与印刷焊膏有明显不同。印刷工艺条件下,70%的焊接缺陷均由印刷不良导致,因此,焊膏喷印参数的设置也显得尤为关键。针对不同封装类型的元器件,一方面是通过可制造性设计分析,促进设计的规范化、标准化,为批量生产打好坚实的基础;第二方面,规范设计后,喷印参数即可根据标准封装同样建立参数库,解决所有产品的参数设置问题。

(2) 车间湿度

IPC标准中对SMT车间湿度的要求是:一般要求低于70%RH。通过上述试验验证得出:基于喷印工艺的喷印焊膏的助焊剂系统对空气湿度尤为敏感,对车间湿度的控制要求更高。采用喷印工艺时,要求车间湿度最好控制在50%RH以下。

(3) 其他改进措施

由于喷印焊膏助焊剂含量偏多,且焊膏喷印后堆叠的形状与印刷工艺的不同,因此,可适当减小贴装压力以较少锡珠、桥连缺陷的产生。

 

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总结

通过试验验证得出,通过优化焊膏喷印量、降低车间空气湿度等措施,有效解决了基于喷印工艺的LGA器件的焊接缺陷问题。

焊膏喷印技术有其优势也有着特殊性,新技术的出现也将带来新的工艺问题,需要进行更多的探索工作。造成此次LGA器件较多缺陷的主要原因与焊膏喷印参数、喷印焊膏体系及其对环境湿度的高敏感性相关,但是贴片压力、回流焊温度曲线设置不合理也会导致其他缺陷的产生。 


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