為(wei) 實現電子機器的高性能化，研究人員以印刷電路基板的組件封裝高密度化，以及組件小型化為(wei) 對象的焊接質量提升為(wei) 最終目的，進行對回焊爐製程質量有重大影響的「錫膏印刷量管理」與(yu) 「組件鋪設位置精度管理」檢討與(yu) 各種量測。

　　錫膏印刷量管理是在製程內(nei) ，將管理規格幅度設定成「絕對量」與(yu) 「相對量」，組件鋪設位置精度管理首先確認組件的固定性，再設定組件鋪設位置精度管理手法。

　　此外研究人員今後將針對「錫膏印刷量管理」與(yu) 「組件鋪設位置精度管理」，進行量產(chan) 支持驗證，藉此使印刷電路基板的組件焊接不良降至零。本文將主要為(wei) 大家介紹PCB的錫膏印刷量管理。

　　近幾年隨印刷電路基板(PCB)的封裝密度高密度化，要求提高錫膏網版印刷製程作業(ye) 質量的聲浪與(yu) 日俱增。

　　所謂網版印刷質量是指網版印刷的網孔堵塞造成錫膏未被印刷，或是印刷滲透至網版與(yu) 印刷電路基板之間，與(yu) 鄰近接地(Land)形成牽絲(si) (Bridge)等致命性缺陷，無法達成均勻、無分布不均、長時間連續、穩定的錫膏網版印刷質量，因此作業(ye) 上要求利用專(zhuan) 用錫膏檢查設備，使錫膏印刷量作數量化的定量管理，而不是傳(chuan) 統外觀檢查、目視檢查等定性管理。

　　回焊爐錫膏印的分析

　　圖1是印刷電路基板(PCB)的回焊爐(Reflow)製程質量要因分析圖，如圖所示回焊爐製程會(hui) 發生許多與(yu) 焊接、封裝有關(guan) 的不良;圖2與(yu) 圖3分別是焊接、封裝不良的具體(ti) 內(nei) 容一覽。

　　由圖2可知焊接不良要因之中以焊接不足以及未焊接，等錫膏印刷不良造成的不良最多，約占焊接不良要因整體(ti) 的80%左右。

　　關(guan) 錫膏印刷不良，如圖3所示主要取決(jue) 於(yu) 3個(ge) 重要因子，若以ppm等級要使錫膏印刷穩定下來相當困難，此時若改用定量觀察印刷結果，就可以獲得高水平的焊接質量穩定性。

　　

　　

　　

　　圖4是封裝要因的不良內(nei) 容一覽，由圖可知組件翻翹的比率最高，其中又以組件設置位置分布紛散造成的情況居多。

　　X-Y或是θ偏差很大的場合，進行組件鋪設作業(ye) 時，印刷錫膏未與(yu) 焊接組件的電極接觸，單側(ce) 電極受到焊接零交叉時間(Zero-cross time)的影響。

　　自重較輕的芯片類小型電子組件會(hui) 浮動翻翹，兩(liang) 電極即使接觸錫膏卻有偏位可能，今後基於(yu) 組件封裝的高密度化與(yu) 組件輕量化考慮，必需提高組件鋪設位置精度。

　　

　　錫膏印刷量的管理

　　錫膏印刷檢查設備大致上分成二次元檢查與(yu) 三次元檢查兩(liang) 種，二次元檢查設備隻從(cong) 表麵觀察錫膏印刷形狀，它可以根據表麵觀察結果取得麵積數據，不過卻無法獲得立體(ti) 性體(ti) 積數據與(yu) 錫膏高度數據。

　　相較之下三次元檢查設備可以同時獲得體(ti) 積、麵積、高度等數據，表1是二次元檢查與(yu) 三次元檢查設備的功能比較一覽。

　　

　　表1 檢測儀(yi) 的功能比較

　　以往基於(yu) 檢查方便性、處理速度、價(jia) 格等理由，二次元檢查設備一直是市場主流，最近幾年隨著高密度封裝後的組件小型化，單位銅箔麵積的錫膏印刷減少，立體(ti) 性形狀差異造成微細錫膏量的不同，可能會(hui) 對封裝質量造成致命性問題，因此改用三次元檢查設備的情況似乎有增加的趨勢。

　　圖5是該問題的模式說明範例，若從(cong) 側(ce) 麵觀察圖示兩(liang) 種錫膏形狀，可以發現兩(liang) 者的錫膏印刷量截然不同，然而從(cong) 上方觀察時卻無法區隔兩(liang) 者的差異，換句話說傳(chuan) 統二次元檢查設備針對這兩(liang) 種錫膏印刷量，可能會(hui) 判定成完全相同形狀，因此研究人員分別使用二次元與(yu) 三次元檢查設備進行錫膏印刷量量測，證實二次元檢查設備無法獲得的數據超過預期，最後決(jue) 定改用三次元檢查設備。

　　

　　圖6是三次元錫膏檢查儀(yi) VP100的實際外觀，檢查項目分別是:

　　‧體(ti) 積

　　‧麵積

　　‧高度

　　‧偏位

　　‧牽絲(si)

　　‧異常突出

　　‧體(ti) 積過大

　　‧體(ti) 積不足

　　

　　等等。表2是利用VP100三次元檢查儀(yi) 、雷射偏位傳(chuan) 感器、顯微鏡等各種量測器的錫膏量測結果，根據量測結果顯示上述檢查儀(yi) 的錫膏量測外觀形狀幾乎完全相同，三次元檢查儀(yi) 與(yu) 雷射偏位傳(chuan) 感器，可以獲得最大高度數據，不過兩(liang) 者相當接近。

　　接著針對12片連續錫膏印刷的基板，利用VP100三次元檢查儀(yi) 進行體(ti) 積與(yu) 重量量測，其結果如圖7所示。此處所謂的體(ti) 積(%)是根據網印刷罩的設計資料，將求得的理想錫膏印刷量當作100%時的相對比率。

　　由圖可知錫膏的體(ti) 積增減與(yu) 錫膏重量的增減完全一致，雖然它是針對複數組合的錫膏、印刷基板進行評鑒，不過實驗結果都顯示良好的相關(guan) 性，證實VP100三次元檢查儀(yi) 符合預期的量測特性。

　　

　　

　　通過測試能力認定的VP100三次元檢查儀(yi) ，接著進行生產(chan) 線錫膏印刷量實機測試。

　　圖8是某量產(chan) 印刷電路基板(PCB) 的錫膏印刷量(體(ti) 積)與(yu) 分布不均(3σ)的變化測試結果，若仔細觀察體(ti) 積與(yu) 分布不均(σ)，可以確認變動很少的錫膏印刷量反複被印刷，體(ti) 積

(%)與(yu) 分布不均(σ)每隔5次印刷次數稍為(wei) 降低，不過它卻符合「每隔5次印刷，必需清洗印刷模版」的規定，圖中藍色曲線是印刷模版清洗後的錫膏印刷量測試結果。

 

　　通常錫膏連續印刷時，金屬材質印刷模版的開口部位與(yu) 內(nei) 側(ce) 會(hui) 逐漸堆積錫膏，造成錫膏印刷量變成不穩定，為(wei) 徹底解決(jue) 該問題，國外業(ye) 者導入印刷模版清洗製度，根據以上測試結果證實「每隔5片清洗印刷模版1次」的作業(ye) 規定，確實對錫膏印刷質量有正麵效益。

　　

　　錫膏印刷製程印刷時大多使用端子或是平板支撐基板下方，下方支撐不足時受到印刷橡膠刮刀(Squeegee)壓力影響，印刷模版與(yu) 印刷基板會(hui) 出現微細歪斜，其結果造成錫膏印刷質量降低。

　　圖9是基板下方支撐的設置與(yu) 印刷質量的關(guan) 係，以往數據化管理基板下方支撐的適宜性很困難，改用三次元檢查儀(yi) 之後，可以根據錫膏印刷量檢討基板下方支撐的適宜性。

　　

　　圖10是基板下方支撐的設置與(yu) 某量產(chan) 印刷電基板表麵錫膏體(ti) 積的分布關(guan) 係，圖中黃色、紅色等暖色係線條表示錫膏體(ti) 積分布在適當位置，藍色、綠色等冷色係線條表示錫膏體(ti) 積分布在較大位置，由圖可知遠離基板下方支撐的部位，錫膏體(ti) 積有若幹增加傾(qing) 向。

　　

　　如上所述使用三次元檢查儀(yi) ，可以根據錫膏印刷量量測管理基板下方支撐的適宜性，透過基板下方支撐的適宜性管理，除了定位之外決(jue) 定印刷壓力之外，對印刷速度、接觸角等印刷條件設定也非常有效，圖11是影響錫膏印刷質量的要因圖。

　　

　　檢查設備可以獲得各式各樣的數據，這類設備透過優(you) 秀的影像處理能力，提供高精度三次元外觀形狀等數據。

　　為(wei) 了使這些信息對實際質量管理發揮效益，必需充分掌握檢查設備提供的數據與(yu) 實際製品質量的互動關(guan) 係。錫膏印刷量製程上設定規格管理，大致上可以分成絕對量管理與(yu) 相對量管理2種。圖12是絕對量管理與(yu) 相對量管理的基本概念圖，所謂「絕對量管理」是將錫膏印刷量以及與(yu) 其它要因接合部位的可靠性模型化，再透過實驗導出確保接合部位可靠性要求的最低限度錫膏印刷量，最後將此錫膏印刷量設定成規格管理的下限值。「相對量管理」則是根據基板的錫膏印刷量變化資料，以統計學手法求出基板常態時獲得的錫膏印刷量，再衣此錫膏印刷量設定成容許管理幅度。

　　換句話說利用「絕對量管理」的規格值不依賴基板取一定的數據，利用「相對量管理」的規格幅度，則取各固有數據，由於(yu) 規格值與(yu) 規格幅度有「and」的關(guan) 係，因此實際操作隻要抵觸其中一個(ge) 規格，結果就會(hui) 被判定成不良。

　　

　　絕對量的管理是調查錫膏印刷量與(yu) 接合可靠性的相互關(guan) 係，以及可靠性不會(hui) 發生問題，而且可以實現焊錫接合的錫膏量。

　　除此之外基板材質、接地(Land)材質、形狀、組件固定時的偏異影響、環境影響，等各種要因都有直接關(guan) 連，其中最直接的評審內(nei) 容是錫膏印刷量與(yu) 接合強度的部份相關(guan) 資料，表3是選用的錫膏特性一覽，選用的錫膏分別是有鉛錫膏、高融點無鉛錫膏、低融點無鉛錫膏三種。接著備妥4片厚度相異的印刷版膜(Printing Mask)，依此調整錫膏印刷量，並且進行預定基板的錫膏印刷，再使用印刷檢查設備量測各焊點(Pad)的錫膏印刷量。組件鋪設後則進行標準回焊爐封裝，最後依照圖13的條件進行接合強度量測。

　　

　　

　　圖14是錫膏印刷量與(yu) 接合強度的量測結果範例，由圖可知不論哪種錫膏與(yu) 哪種組件組合，一直到錫膏印刷量50%為(wei) 止，接合強度會(hui) 急遽上升，接著隨著錫膏印刷量的增加，接合強度呈現緩和上升。

　　主要原因是錫膏印刷量較少時，大部份的錫膏會(hui) 在接合部位形成半圓角(Fillet)，相較之下錫膏印刷量很多的場合，錫膏擴展至接地周圍，端子上麵浸潤的錫膏量相對增加，其結果造成接合強度降低。

　　

　　根據以上結果試算可靠性不會(hui) 發生問題，而且可以實現焊錫接合的最低限定錫膏量。

　　此處首先計算理想狀態時的錫膏印刷量，亦即錫膏體(ti) 積100%時的接合強度，計算值如圖15的①所示。

　　接著針對錫膏體(ti) 積100%時的接合強，判斷容許%的接合強度降低，逆向計算實現該接合強度時必要的錫膏印體(ti) 積，其結果如圖15的②所示。

　　換句話說實際上錫膏體(ti) 積100%時的接合強度，允許幾%接合強度降低，隨著組件規格、基板用途、成品規格不同。

　　在此前提下製定規格管理幅度，除了量測分布與(yu) 各種規格之外，還需設定環境試驗造成的接合強度降低成份，因此研究人員根據以上順序，製定包含規範規格管理幅度的印刷管理量。