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通孔回流焊(PIP)在OSP表面处理PCB无铅工艺中的应用

通孔回流焊(PIP)在OSP表面处理PCB无铅工艺中的应用

摘要

PIP(通孔回流焊)工艺对比传统的通孔插装元件使用波峰焊工艺有着明显的优势,现已被越来越多的公司在应用。PIP工艺使用沉金、喷锡、化锡等表面处理PCB上锡效果较好,OSP(organicsurfaceprotection)表面处理的PCB一般经过一次高温(过炉)后表面的有机保护膜就会受到破坏,失去防氧化的能力,容易氧化,造成第二次回流时比较难焊接,焊点容易露铜,影响焊点的可靠性,上锡外观也很难满足 IPC3 级标准。PIP工艺的使用已有很多相关的资料和文献介绍,该文为了更好的解决在OSP表面处理PCB上使用PIP工艺无铅回流焊上锡的问题,根据OSP表面处理PCB的特点,重点从元件设计要求、焊盘设计、钢网开口三个主要方面进行工艺控制和优化,找出最佳的适合OSP表面处理PCB的工艺参数,使通孔回流焊元件也能在OSP表面处理 PCB无铅工艺上达到良好的上锡效果。

关键词:OSP;PIP工艺;通孔回流焊;模板设计;波峰焊


引   言

随着科技的进步和人们生活水平的提高,人们对电子产品的要求是“轻、薄、小、高性能、多功能”,电子产品的小型化和集成化成了其发展的主流方向。当前汽车电子产品也越来越重视小型化多功能,为了提高元件密度,许多单面板和双面板都以表面贴装元器件(SMC/SMD)为主。但是,由于固有强度、可靠性和适用性等因素,在某些情况下,PIP(Pin-In- Paste)元件仍然较(SMC/SMD)元件具有优势,特别是边缘连接器。如在顶面有很少的PIP元件的双面 SMT板的混合组装中,使用PIP工艺可以减少生产流程,降低制造成本。PIP工艺是用模板印刷的方法将一定量的锡膏印刷在表面贴装件及通孔插装件的通孔和焊盘上,在贴片完成后,一起过高温炉,完成焊接如图1所示。PIP工艺与传统工艺相比具有以下优势:

a、减少了波峰焊这道生产工序,简化了生产和工艺流程;

b、需要的设备、材料和人员较少,节省了车间空间;

c、可降低生产成本和缩短生产周期;

d、可降低因波峰焊而造成的高缺陷率,提高过程直通率。

e、可省去一个或一个以上的热处理步骤,从而改善PCB可焊性和电子元件的可靠性;

f、通孔回流技术还可以减少使用助焊剂,避免了波峰焊使用助焊剂对PCB(印制电路板)的污染,等等。


1、通孔回流焊制造流程


1、OSP表面处理PCB的特点

OSP表面处理的PCB对储存条件要求高(OSP板要求从拆包至回流焊接或与第一次回流焊接完成后的停留时间必须严格控制在24小时之内,否则会影响第二次回流焊接的效果,PCB 经高温reflow后,储存期限<48h),工艺时间短,一般经过一次高温(过炉)后PCB表面的有机保护膜就会受到破坏,失去防氧化的能力,容易氧化,造成第二次回流时比较难焊接;另一方面,OSP表面处理PCB相对其它表面处理的PCB锡膏流动性会差一些,焊点容易露铜,影响焊点的可靠性,上锡外观也很难满足IPC3级标准。一般使用PIP工艺的产品都很少使用OSP表面处理的PCB。但由于OSP表面处理的PCB表面平整度好,PCB制造工艺相对稳定且成本低廉,对比其它表面处理PCB优势明显,因此大多数公司还是比较喜欢使用OSP表面处理的PCB。

2、对元件的要求

2.1 元件耐温要求需要满足回流焊的要求

如无铅制程元件耐温要求≥260℃要10秒以上。因公司的所有产品都是无铅制程,本次验证使用的只是无铅工艺。

2.2 通孔回流焊需要在孔的上面涂覆锡膏(在回流焊接过程时锡膏进入孔中)

为使这一过程可行,经验证使用PIP工艺时元件体应距板面0.3~0.7mm,在相同条件下(印刷参数、焊盘和孔径设计及线体设备配置一样),沉金及其它表面处理的PCB元件引脚比板厚长1.5mm,底部焊点上锡仍能满足IPC3级要求,但使用OSP表面处理的PCB上锡后焊点会漏铜,外观达不到IPC3级标准。经多次验证发现使用OSP表面处理PCB的元件的引脚长度比板厚长0.5~1.0mm时焊点上锡效果较好如图2所示。为了避免元件插入PCB后引脚将孔内锡膏推出,产生火柴头现象,造成孔内锡量不足,元件PIN脚需进行尖角处理成锥形如图3所示。


2元件PIN脚设计要求

3、元件PIN脚设计要求


2.3 元件来料封装要求与其它表面贴装工艺要求一样

需满足SMT设备自动贴装的要求(如来料包装;元件高度,本文试验所用的设备是SIPLACE DX&SX系列贴片机,要求元件高度不能超过25MM;元件形状;元件PIN脚间距;元件是否可以满足吸咀吸附要求,必须有一个平面供吸嘴吸附如图4所示,否则需制作特殊吸嘴如图5所示,如使用特殊吸咀每次循环到该元件机器需更换吸嘴,效率较低)。


4元件吸附位置

5特殊吸咀——机械手


3、对焊盘设计的要求

OSP表面处理 PCB使用PIP工艺,元件布局要求与其它表面处理的PCB大致相同,需根据双面回流焊的要求,小元件布置在一面(底面), 大的元件布置在另一面(顶面)。PIP元件体周围2mm内不能有元件;如有多个PIP元件, 相邻PIP元件之间的距离建议≥10mm, 防止机器贴装时干涉。

为了防止相邻PIN脚或焊盘相互之间产生连锡从而导致相邻的孔内少锡或短路,相邻的通孔中心间距要求至少2mm以上;相邻焊盘边缘间距要求至少0.6mm以上;焊盘边缘到孔径的距离(即焊盘环宽)至少0.3mm以上。焊盘孔径设计建议比元件引脚直径大0.2~0.4mm。图6所示为PIN脚与通孔设计要求,d为方形插针对角直径,di为通孔直径,dA为通孔外径。因为使用OSP表面处理的PCB对比其它表面处理PCB的工艺窗口相对小一些,回流焊接时焊点容易出现漏铜,所以,通孔直径设计要适当,当di<0.7mm时,由于孔径太小,印刷焊膏时孔内焊膏填充量不足,不建议使用;当0.7mm2mm时,焊膏容易从通孔中漏掉造成空洞、少锡,建议通孔直径di比元件PIN脚直径d大0.2~0.30mm;如果连接器PIN脚数较少,间距较大,通孔直径可以适当加大一点,有利于锡膏印刷时孔内锡膏的填充。


6PIN 脚与通孔设计要求


4、对钢网开口设计的要求

PIP工艺成功的关键是精确计算印刷所需要的锡膏量,焊点所需合金体积必须根据引线形状、通孔直径、和基板厚度来确定要填充的锡膏量,锡膏体积的计算首先应使用理想的固态金属焊点,理想的固态金属焊点是一个完全填充的电镀通孔,在PCB的顶面和底面有焊接圆角如图7所示,固态焊料体积=顶面和底面的焊点体积+(通孔的体积-孔中元件引脚的体积)。PIP工艺由于焊点结构不同,焊点需要的锡膏量比表面贴装元件焊点所需的锡膏量要大。 通常印刷锡膏内的焊料只占大约50%的体积,另外50%的体积是助焊剂等,它们会伴随着焊接过程的完成而挥发消失,造成焊接后焊膏的体积会缩小约50%。要获得良好的焊接效果,就要确保通孔元件各通孔焊盘上要有合适的锡膏量来补偿焊料的不足,否则会出现通孔锡量不足、空洞或气泡等缺陷。目前焊料沉积于PCB焊盘的方法常用的有模板印刷、自动点锡膏及预放置锡焊片。


7理想的焊点图


本文试验使用模板印刷的方式,在模板厚度和开口尺寸一定时,为了解决OSP表面处理 PCB锡量不足及焊点漏铜和润湿不良的问题,根据产品特点和元件布局要求,我们一般在辅面(底面)采用预上锡的方式(钢网开孔需与内孔壁有0.15mm以上的间隙,否则容易出现堵孔)如图8所示,主面(顶面)采用0.13/0.18~0.25mm阶梯钢网(需注意PIP元件周围3mm内不能有密间距的元件,防止旁边的密间距元件连锡短路)如图9所示;还有一种方法是扩大钢网开口增加印刷面积(主面钢网开口外扩,具体外扩多少,应根据PCB厚度,钢网厚度,孔与引线的间隙等因素决定。一般来说,外扩只要不超过2mm,锡膏都会拉回来填充到孔中,但需要注意的是外扩的地方不能被元件本体压住,需避开元件本体,以免形成锡珠)如图10所示。


8 辅面(底面)进行预上锡

9主面(顶面)使用阶梯钢网增加锡膏厚度

10使用钢网开口外扩的方式增加锡膏量


5、其它工艺要求

5.1 印刷工艺参数

印刷参数对通孔锡膏的填充量有一定的影响。本文试验使用的印刷设备为DEK全自动印刷机,验证参数如表1所示。锡膏印刷的主要参数有刮刀压力、印刷速度、分离速度、刮刀与钢网的印刷角度及钢网清洗模式与清洗频率。刮刀压力和印刷速度会影响印刷质量, 压力太大或速度太快都会造成通孔填锡不够少锡;分离速度会影响到印刷后锡膏边缘的清晰度;印刷角度会影响通孔的锡膏填充量如图11所示,在相同条件下减小印刷角度可以增加通孔的锡膏填充量。特别是OSP表面处理的PCB如要达到好的焊接效果,印刷后通孔的锡膏填充量要达到90%以上(如填充锡量达不到要求可以减少印刷角度或在不影响PCB强度的情况下减少PCB厚度,也可以适当的加大孔径)。最理想的通孔锡膏填充量是印刷后通孔的锡量超出底面焊盘0.5~1mm如图12所示。如PIP工艺元件周边没有密间距的元件(0.5mmPitch 的元件),优选45度的刮刀。


11印刷角度与通孔锡膏填充量的关系

12印刷后通孔锡膏填充量

1 锡膏印刷参数设定


5.2 贴装工艺要求

使用PIP工艺的元件一般外形奇特、元件本体较高大、重量较大,这种元件要求贴片设备要有很宽的贴装处理能力,如精确的贴装定位和影像处理能力,吸咀要具有足够的真空吸附力等。OSP表面处理的PCB使用PIP工艺对贴装的精度要求较高,需确保每次贴装的稳定性,否则容易出现贴装不良,导致少锡的问题。

5.3 炉温设置要求

回流焊接技术的热传输方式主要有红外辐射、热风对流和红外加热风三种。本文试验使用的回流炉为热性能良好的BTU10温区热风对流高温炉。正确设置回流焊温度曲线,是确保焊点焊接质量的保障。PIP工艺炉温曲线设置方法与其它回流焊炉温设置方法相同,主要依据是根据锡膏、PCB材质、热敏感元件和贵重元件的热性能参数来综合考虑。实测表明,PIP元件的底部焊点与元件表面之间有3~5度的温差,通孔内因焊锡较多需要更多的热能,又因为此类元件较大,需要的热量较多,造成元件底部焊点和通孔内的焊点升温较慢。如OSP 表面处理PCB底面使用预上锡的方式,因底部焊盘已预上锡,二次回流时液化温度会高一些,使用上下温区的回流炉,在允收制程窗口内,可以适当的提高下温区回流区的温度(下温区回流温度比上温区回流区温度略高5~10度),可以达到更好的焊接效果。

5.4 焊点质量的检查和判断标准

PIP 工艺元件炉后焊点质量的检查与普通的表面贴装元件有些不同,此类元件检查焊点质量主要看两处:通孔被填满的程度及焊料球形区域外围浸润性。IPC-A-610E电子组件的可接受性规定:理想的通孔再流焊点应该达到100%或至少75%的填充率如图13所示;焊料外围浸润性的最低条件是焊料球和外围浸润都需要检查,对于底面引脚的焊点可通过外观检查,理想焊点的要求是焊点形态饱满符合相关规定,焊点表面360充分润湿引脚与焊盘之间的焊锡连接形成圆润的弯月形焊点,且焊点周围干净,无锡珠或助焊剂残留。对于顶面隐藏在元件本体下面的引脚和通孔焊点,目视方法无法检查,则只能采用X-RAY进行检测,但这种方法只能用于抽检。试验时还可以抽取样品进行切片分析,检查焊点的内部结构和焊接情况。在使用前期还需要对使用的工艺参数进行验证,确保生产过程的稳定性,有条件的可引入在线AXI检测设备。


13焊点润湿要求及可接受标准和理想焊点要求


6、结论

为了提高自动化程度,PIP工艺已成为公司未来应用的重点,特别是PIP工艺在OSP表面处理PCB中的应用,之前一直未找到较好的工艺参数来满足焊点上锡露铜的问题,通过多次的验证对比,发现只要PCB设计和元件符合相关工艺要求,通过可制造性设计和工艺过程控制,优化元件结构、焊盘设计和钢网开口(如底面焊盘预上锡、使用阶梯钢网或扩大钢网开口面积、孔径大于元件引脚直径0.2~0.4mm、元件引脚长度比板厚0.5~1.0mm,使用45的刮刀)等方法,PIP元件在OSP表面处理PCB工艺中也可以达到良好的焊接质量如图14~16所示。



OSP处理后在制品上的厚度要如何分析?

【问】

请问有人知道OSP处理后在制品上的厚度要如何分析?还是说有什么仪器可以量测的?


【答】

目前OSP测试方法,多数厂商还是用标准片试作,之后用酸溶解将表面沈积的OSP溶下来进行测量。测量方式是用UV-Cell进行检量线标定,之后用浓度比对法测量。


目前已经有专业公司发表可直接测量OSP厚度的设备,主要原理是利用光学反射概念进行厚度侦测,这种作法理论上相当好,可以不用进行破坏性测试就知道OSP沈积厚度。但实务上仍有些盲点需要厘清,依据经验这种设备是针对特定OSP产品为发展基础开发的,因此要面对多种不同OSP产品进行检测有困难。


除了OSP种类外,这类设备对小面积区域也没办法顺利侦测,但目前多数电路板最关心的却是单点小区域OSP厚度问题。除此之外更麻烦的是,电路板铜面不是完美平面,尤其现在有许多超粗化药水是用来加强绿漆结合力的,这些粗化药水产生的凸点处所成长的OSP厚度可能低于平均值很多,但这却是OSP容易出问题的位置,这些问题设备也无法侦测处理。


有特定厂商利用EDX进行金属面的含碳量标定,并进行切片做相关厚度关系曲线,依据这种作法宣称重复性相当不错,但是这种方法仍然仅限于侦测平均值,无法对非常小的区域进行标定。


现有检验方式不过是让业者能了解OSP平均成长厚度,但实际的小区域状况仍然必须作适当管控,没有太直接方式可以检查,以上供您参考。

化银板及OSP板之塞孔最好不塞,为何?

【问】

我之前听板厂告知化银板及OSP板之塞孔最好是采取不塞,因为会有信赖度考虑。即化学药水在塞孔后可能会残留于孔内,形成铜厚会被侵蚀,对PCBA会有很大影响。但我想请问这种论点是否有更强的文献或实验来证明?


【答】

您应该可以理解除非能完全将孔塞满,否则电路板经过绿漆制程后的任何湿制程,都有机会让药液进入板子半填孔内。如果裸铜面在药水进入后,没有将残留腐蚀性物质完全去除,就算是后来有幸能够让金属处理面完成作用,也可能会在后续储存中受伤。更何况在还没有完成制程处理前,有可能孔内铜面已经受到攻击而穿透,这时连短断路都通不过又如何能顺利制作出没问题产品。


早期日本某家知名个人计算机厂采用一种名为Super Juffit的制程制作电路板表面的焊锡,但也因为采用半填孔结构而产生潜在腐蚀物质残留问题。在电路板完成当时并没有检验出,但在组装出货后经过一段时间电路板才出现问题。经过检验发现,这些断路问题就是因为有半填孔腐蚀液残留,而导致潜在问题存在,也因此该公司不再使用这个制程,直到后来制程改变才又重新认证。


通常这类产品如果采用湿制程垂直线制作,因为设备设计特性不容易在制程中将半填孔内液体完全交换,因此每段制程都会有潜在液体残留问题,如果制程中有微蚀等攻击铜金属的步骤,就会对孔铜产生破化风险。因为业者知道这种问题,所以在面对这种产品时都会尽量采用水平设备制作,而且喷压也会强化来降低风险。OSP与化银处理大部分制程都采用浸泡方式,如果有大量半填孔相对风险也较大。当然还是有些厂商成功的改善了设备,顺利进行这类产品生产,但如果可能还是尽量避免这种处理方式,以上供您参考。

 

 

 


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