2．不同焊膏性能的比较

第二阶段，对不同焊膏的性能比较如表3所示。主要的观察点之一就是看焊膏的颗粒大小是否对性能有影响。为了计算平均体积和Cp值，测量了六种不同钢网设计（图4）共12168个焊盘上的平均焊膏体积。

在这些样本中未发现少锡缺陷，少锡的判断标准是焊盘上少于5个焊膏颗粒。

从表3中可以看出：所有焊膏的Cp值都超过了1.33的最低要求，另外细颗粒尺寸的脱模效果更好，Cp值也更高。同时，细颗粒尺寸的焊膏的连锡趋势明显，4号粉焊膏会更贵，更容易产生锡珠[2][3]，因此，人们通常会选用3号粉焊膏。在本研究中，用焊膏A进行进一步研究。

3．不同钢网开口的印刷性能比较

对于每种钢网开口，共检查了4000多个焊盘（一半是NSMD类型，一半是SMD类型），收集到的数据如表4所示，在样本中未发现少锡缺陷。

从表4中可以看出，305μm的圆形和方形开口对应的焊膏体积最大，但印刷后的连锡也更多。方形开口通常比圆形开口的印刷稳定性更好，这点在早期研究中也有报道[4]。虽然表4中只有用焊膏A的结果，但这些结果与其它焊膏具有很好的一致性。方形279×279μm开口的整体印刷效果最好。

4．从印刷性能和组装工艺直通率角度，选择0.4mm间距CSP元器件的钢网开口

对于0.5mm（或以上）间距的CSP，如果印刷工艺达到理想的Cp值，同时印刷后没有连锡，应该就满足要求了。方形279μm开口似乎满足这一要求。然而，在本研究中，发现对于0.4mm间距CSP，总焊料体积也非常重要。使用方形279μm钢网开口和焊膏A，虽然在印刷后和贴片后没有出现连锡，但回流后却常有连锡，这就意味着对应于焊点空距，由焊膏和元器件焊球共同组成的总焊料体积太大了。最后，发现用焊膏A焊接0.4mm间距CSP元器件，只有方形250μm和圆形279μm的钢网开口是可行的。

PCB设计

基于从电性能菊花链通断测试得出的组装直通率，对PCB焊盘设计进行了比较，可以看出“开窗”设计的直通率要低一些（如表5所示），原因确认为锡量不足（图8），理由是印刷过程中钢网受衬垫作用的效应，“开窗”设计不像NSMD或SMD设计一样有固体衬垫（阻焊），这会导致焊膏体积上有较大变化。

贴片工艺

目的是确定贴片机贴装细间距CSP元器件所需的贴片精度。为了这一目的，需要研究SnAg4.0Cu0.5焊球在进行SnAgCu焊膏回流焊接时的贴偏CSP器件的自对中能力。CSP贴偏焊盘分别为25％和50％。如果回流后位置重合，没有焊盘悬出或旋转[5]，则认为可以接受。

图9为CSP元器件故意贴偏50％焊盘的X—ray图像。图10是贴偏元器件回流后的X—ray图像，可以看出元器件已经充分地自对中了，因此可以得出以下结论：在贴片工艺中，最大贴偏为50％是可以接受的。然而，要特别注意的是，该结论并非“放之四海而皆准”；举例来说，如果与元器件尺寸或重量相比，焊球的数量很少，其自对中效应就会很弱。

所需的贴偏精度

为了计算满足贴偏50％焊盘准则所需的贴片精度，必须考虑焊盘位置和宽度，以及焊膏印刷工艺的公差。PCB制作后的焊盘宽度公差通常是±30μm，这样焊盘两边就各有±15μm。基于用业界通用的板的基准大小，以及目前PCB量产制作的能力，焊盘的位置公差假设为±45μm。根据大多数常用印刷机的规格，焊膏的印刷位置公差是±25μm。

在以下计算中，未考虑CSP焊球尺寸公差，因为我们假设，只要CSP焊球中央接触到PCB焊盘边缘，CSP就能自对中。为了简便起见，其它可能的公差，如PCB上基准点的变形被认为是次影响因素，本次研究暂不考虑（如果想计算值更准确，就需要考虑这些影响因素）；阻焊的位置公差也没有考虑，因为本研究主要考虑的是NSMD或“开窗”焊盘设计方案。

对于0.4mm间距CSP，贴片精度的容限由焊盘尺寸决定，在以下计算中，焊盘尺寸为200μm，贴偏50％焊盘(图11)，相应的容差上限（ΜTL）为＋100μm，容差下限(LTL)为－100μm。

为了确保工艺稳定性，Cp值必须达到1.33。达到Cp值所需的公差可计算如下：

所需公差=容限／Cp（1）对于焊盘尺寸为200μm的0.4mm间距CSP而言，可得：

所需公差=±100μm／1.33＝±75μm （2）所需公差包括各种不同公差的共同作用。在ENIG表面处理的PCB上，锡铅和SnAgCu焊膏通常都会与焊盘自对中，这种情况下，焊膏的自对中公差可以忽略，这样总公差就包括焊盘宽度公差（Tol1）、焊盘位置公差（Tol2）和贴片公差（Tol3），所需公差可以表达如下：

所需公差＝

最后，得到贴片公差如下：

以上分析表明：0.4mm间距CSP组装在ENIG表面处理PCB上，要求贴片机的贴片精度为±58μm@3σ。

在OSP表面处理的PCB上，用SnAgCu焊膏进行焊接，除了要考虑焊盘宽度公差（Tol1）、焊盘位置公差（Tol2）和贴片公差（Tol3），还要考虑焊膏的自对中公差（Tol4）；因为焊膏不会与焊盘自对中，而是停留在所印位置[6]，这种情况下，所需公差可以表达如下：

相应的，贴片公差如下：

以上分析表明：0.4mm间距CSP组装在OSP表面处理PCB上，要求贴片机的贴片精度为±52μm@3σ。

影响贴片机的贴片能力有许多，其中之一就是相机的解析度，通常相机定位一个焊球在X和Y方向上需要 4-5 个像素（图12）。0.4mm间距CSP的焊球尺寸通常约为200μm。这样相机的最小解析度应为50μm／像素。如果相机的解析度太低，设备就不能定位焊球，从而会抛料，影响抛料率及产能。

结论

本文研究表明，需要用新方法优化0.4mm间距CSP元器件的印刷工艺，对于这一细间距器件，只优化印刷工艺能力和减少印刷缺陷（如连锡和少锡）是不够的，必须同时考虑焊膏和CSP焊球共同组成的焊料体积与焊点之间空距的关系。虽然方形279μm钢网开口对应的印刷工艺直通率最佳，但方形250μm和圆形279μm的钢网开口可实现最佳的最终工艺直通率。

贴偏CSP回流时的自对中能力决定了贴片机所需的贴片精度。在本研究中，SnAgCu焊球的CSP元器件在SnAgCu焊膏上故意贴偏焊盘约50％。回流后，X—ray检测表明元器件与焊盘实现了自对中。通过考虑PCB焊盘尺寸／位置公差、焊膏印刷公差和基于目标Cp值计算得到的总许可工艺公差，可计算得出贴片机所需的贴片精度为±52μm@3σ。

致谢感谢伟创力Alington Lewis和Hoang Phan为本研究中试验提供的帮助。

参考文献

1 Vincent, J.H., “Lead-Free Solders for Electronic Assembly”, GEC Journal of Research,Vol. 11, No. 2 (1994), pp. 76-89.

6 Arra, M., Shangguan, D., Xie, D., Sundelin, J., Lepistö, T., and Ristolainen, E., “Studyof Immersion Silver and Tin PCB Surface Finishes in Lead-Free Solder Applications”,Proceedings of the International Conference on Lead-Free Electronics “TowardsImplementation of the RoHS Directive”, Brussels, Belgium, June 11-12, 2003, pp.423-446.