如何提高PCB的焊接质量

最近几年随印刷电路基板(PCB)的封装密度高密度化，要求提高锡膏网版印刷制程作业质量的声浪与日俱增。

所谓网版印刷质量是指网版印刷的网孔堵塞造成锡膏未被印刷，或是印刷渗透至网版与印刷电路基板之间，与邻近接地(Land)形成牵丝(Bridge)等致命性缺陷，无法达成均匀、无分布不均、长时间连续、稳定的锡膏网版印刷质量，因此作业上要求利用专用锡膏检查设备，使锡膏印刷量作数量化的定量管理，而不是传统外观检查、目视检查等定性管理。

此外支持高密度封装的电子组件固定器(Mounter)也进行高精度化度革命，目前电子组件固定器的装密精度已经实现±50μm量产要求水平。

虽然电子组件固定器已经达成高精度封装水平，然而实际上生产线充分维持该能力的条件却很困难，因此本文要探讨利用专用锡膏检查设备，使锡膏印刷量作数量化的管理手法，以及电子组件固定器简易的确认手法。

回焊炉锡膏印的分析

图1是印刷电路基板(PCB)的回焊炉(Reflow)制程质量要因分析图，如图所示回焊炉制程会发生许多与焊接、封装有关的不良；图2与图3分别是焊接、封装不良的具体内容一览。

由图2可知焊接不良要因之中以焊接不足以及未焊接，等锡膏印刷不良造成的不良最多，约占焊接不良要因整体的80%左右。

有关锡膏印刷不良，如图3所示主要取决于3个重要因子，若以ppm等级要使锡膏印刷稳定下来相当困难，此时若改用定量观察印刷结果，就可以获得高水平的焊接质量稳定性。
　
 
 
图4是封装要因的不良内容一览，由图可知组件翻翘的比率最高，其中又以组件设置位置分布纷散造成的情况居多。

X-Y或是θ偏差很大的场合，进行组件铺设作业时，印刷锡膏未与焊接组件的电极接触，单侧电极受到焊接零交叉时间(Zero-cross time)的影响。

自重较轻的芯片类小型电子组件会浮动翻翘，两电极即使接触锡膏却有偏位可能，今后基于组件封装的高密度化与组件轻量化考虑，必需提高组件铺设位置精度。
　
锡膏印刷量的管理

锡膏印刷检查设备大致上分成二次元检查与三次元检查两种，二次元检查设备只从表面观察锡膏印刷形状，它可以根据表面观察结果取得面积数据，不过却无法获得立体性体积数据与锡膏高度数据。

相较之下三次元检查设备可以同时获得体积、面积、高度等数据，表1是二次元检查与三次元检查设备的功能比较一览。
　
表1 检测仪的功能比较

以往基于检查方便性、处理速度、价格等理由，二次元检查设备一直是市场主流，最近几年随着高密度封装后的组件小型化，单位铜箔面积的锡膏印刷减少，立体性形状差异造成微细锡膏量的不同，可能会对封装质量造成致命性问题，因此改用三次元检查设备的情况似乎有增加的趋势。

图5是该问题的模式说明范例，若从侧面观察图示两种锡膏形状，可以发现两者的锡膏印刷量截然不同，然而从上方观察时却无法区隔两者的差异，换句话说传统二次元检查设备针对这两种锡膏印刷量，可能会判定成完全相同形状，因此研究人员分别使用二次元与三次元检查设备进行锡膏印刷量量测，证实二次元检查设备无法获得的数据超过预期，最后决定改用三次元检查设备。
　
图6是三次元锡膏检查仪VP100的实际外观，检查项目分别是:

‧体积
‧面积
‧高度
‧偏位
‧牵丝
‧异常突出
‧体积过大
‧体积不足
　
等等。表2是利用VP100三次元检查仪、雷射偏位传感器、显微镜等各种量测器的锡膏量测结果，根据量测结果显示上述检查仪的锡膏量测外观形状几乎完全相同，三次元检查仪与雷射偏位传感器，可以获得最大高度数据，不过两者相当接近。

接着针对12片连续锡膏印刷的基板，利用VP100三次元检查仪进行体积与重量量测，其结果如图7所示。此处所谓的体积(%)是根据网印刷罩的设计资料，将求得的理想锡膏印刷量当作100%时的相对比率。

由图可知锡膏的体积增减与锡膏重量的增减完全一致，虽然它是针对复数组合的锡膏、印刷基板进行评鉴，不过实验结果都显示良好的相关性，证实VP100三次元检查仪符合预期的量测特性。
　
 
通过测试能力认定的VP100三次元检查仪，接着进行生产线锡膏印刷量实机测试。

图8是某量产印刷电路基板(PCB) 的锡膏印刷量(体积)与分布不均(3σ)的变化测试结果，若仔细观察体积与分布不均(σ)，可以确认变动很少的锡膏印刷量反复被印刷，体积(%)与分布不均(σ)每隔5次印刷次数稍为降低，不过它却符合「每隔5次印刷，必需清洗印刷模版」的规定，图中蓝色曲线是印刷模版清洗后的锡膏印刷量测试结果。
通常锡膏连续印刷时，金属材质印刷模版的开口部位与内侧会逐渐堆积锡膏，造成锡膏印刷量变成不稳定，为彻底解决该