改善SMT過程工藝對提高Type C焊接質(zhì)量的影響研究

姚長春，劉洪光

(安波福中央電氣（上海）有限公司，上海201800)

隨著消費類電子和汽車類電子越來越小型化，傳統(tǒng)的USB已經(jīng)慢慢被微型化的全新Type C USB（C型連接器）接口形式替代，由于這種接口小巧輕薄，使用方便，還能夠集充電、數(shù)據(jù)傳輸以及視頻輸出于一體，所以越來越多的設計接口優(yōu)先選用Type C。但是，采用fine pitch設計的TypeC為了滿足客戶的質(zhì)量要求，怎樣確保Type C的焊接質(zhì)量，這在SMT組裝中遇到了很大的挑戰(zhàn)，本文通過改善SMT過程工藝的方法來提高Type C焊接質(zhì)量，確保達到客戶的要求，希望為從事本行業(yè)的同事提供參考。

1 實驗目的

為了提高TYPE C（C型連接器）的焊接質(zhì)量，實驗通過對SMT過程工藝的改善，來達到客戶質(zhì)量需求的目的和要求。從而為產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性和長期穩(wěn)定性提供解決方案。

2 選型設計和實驗方案

2.1 選型設計分析

材料的數(shù)據(jù)分析：TYPE C，貼片引腳數(shù)量12引腳，寬度0.22 mm，每兩個引腳中心距0.5 mm；印刷電路板上引腳孔長0.28 mm，寬0.15 mm（方形）如圖1所示。

圖1 TYPE C的尺寸圖

PCB焊盤通孔大小0.65 mm，PCB厚度1.2 mm，如圖2所示。

圖2 PCB焊盤尺寸和孔徑尺寸

根據(jù)以上數(shù)據(jù)理論計算PIN的填充率結(jié)果只有68%，如圖3所示。

圖3 理論填充率的計算

焊接質(zhì)量要求：盡管IPC 610針對PTH材料的填充率有要求（三級的標準是填充率大于等于75%），但是客戶對Type C的焊接質(zhì)量要求填充率要達到100%，如圖4所示。

圖4 客戶對TPYE C的焊接質(zhì)量要求示意圖

根據(jù)原始的鋼網(wǎng)開孔和常規(guī)的焊接流程工藝，實際的焊接結(jié)果為：通過X-RAY內(nèi)部檢測和AOI檢測，再加之人工目檢，都達不到常規(guī)的IPC三級要求，更無法滿足客戶的超高質(zhì)量要求，如圖5所示。

圖5 焊接后質(zhì)量檢測圖

2.2 實驗方案設計

客戶要求的是焊接質(zhì)量TYPEC的填充率必須達到100%，焊接后IC底部散熱焊盤空洞率不超過焊接面積的25%，參考符合IPC標準里BGA的焊接質(zhì)量三級要求，同時不能有焊接錫珠，但是當前的設備和工藝條件下不能滿足這個質(zhì)量要求，導致產(chǎn)品遲遲不能量產(chǎn)。

針對難點，通過分析，要想達到焊接質(zhì)量要求，公司的產(chǎn)線軟硬件都需要改進。這顆材料的解決困難是具有表面貼裝pin腳和PIH通孔pin腳。如果通孔的錫量太厚，表貼的PIN腳就會短路。錫量太薄就會使通孔的填充率不夠。在保證貼裝PIN腳不短路的情況下，增加通孔里面的錫膏量和提高通孔孔壁的焊接潤濕性才能得到滿意的焊接質(zhì)量。所以怎樣找到這個平衡點是非常的關鍵，從如下幾個方面通過重新設計鋼網(wǎng)開孔，更換錫膏，增加錫膏印刷量等，筆者采取以下解決方案：

（1）重新設計鋼網(wǎng)的表面處理要求，為了增加錫膏脫模效率，鋼網(wǎng)表面處理從原來的普通處理轉(zhuǎn)為納米涂層處理；

（2）重新設計鋼網(wǎng)開孔，對于TYPE C的問題在有限的PCB焊盤上盡量的擴大開孔面積；對于焊接后空洞和錫珠問題通過優(yōu)化鋼網(wǎng)開孔大小來解決；

（3）從當前的幾款無鉛錫膏品牌中選擇三款性價比好的錫膏作為對比；

（4）為了增加印刷錫膏通孔里的錫量，印刷刮刀從原來的60°斜角改為45°斜角，使印刷錫膏向下的剪切力增大，增加通孔里面的錫膏貫通量；

（5）回流焊爐由原來的空氣爐回流焊換為氮氣爐，通過減少通孔內(nèi)壁的氧化，提高通孔孔壁的潤濕性等來增大通孔的填充率。

2.3 實驗設備及參數(shù)

為了減少各個因素的影響因子，所有工藝流程的設備，參數(shù)全部使用同一數(shù)據(jù)和參數(shù)，包括印刷機，貼片機，回流焊。爐溫曲線應在供應商推薦的范圍內(nèi)。所以，針對客戶的質(zhì)量要求和考慮實際影響較明顯的因素，盡量減少驗證測試時間，針對其工藝參數(shù)做相應的改善驗證。

3 實驗過程與數(shù)據(jù)分析

3.1 對鋼網(wǎng)開孔的設計改善

通過計算，原始鋼網(wǎng)開孔面積不能滿足通孔內(nèi)焊接需要的錫膏量，所以，只能盡量外擴印刷面積（由于Fine pitch的貼片引腳影響，鋼網(wǎng)厚度超過0.12 mm以上容易短路），所以在不能增加鋼網(wǎng)厚度的條件下，鋼網(wǎng)開孔只能增大開孔面積，原始鋼網(wǎng)數(shù)據(jù)的Type C的開孔方式如圖6所示：但是焊接后效果如圖5所示。考慮到焊盤上有很多通孔影響到標準規(guī)則形狀的開法，為了避免焊接錫膏被盜錫流入孔內(nèi)，所以開孔盡量避免通孔并且在有限的區(qū)域內(nèi)盡量外擴，同時需要保證焊錫膏能夠在回流后收回到焊點上。

圖5 利用布局驅(qū)動設計的凸輪

圖6 原始鋼網(wǎng)開孔示意圖

圖7為改善后鋼網(wǎng)的開孔方式和改善后開孔印刷錫膏后的圖片。

圖7 改善后鋼網(wǎng)的開孔和印刷錫膏后的示意圖

盡管增大了印刷錫膏的面積，在過完回流完成焊接后，通過x-ray的檢測，發(fā)現(xiàn)填充率仍然達不到100%的要求。僅僅是比原始開孔提高了一點，填充率達到60%～70%，由此可以看出，只是增加開孔面積并不能達到焊接質(zhì)量100%填充率的效果，X-RAY檢測結(jié)果如圖8所示。

圖8 焊接質(zhì)量檢測結(jié)果

3.2 對印刷刮刀傾角的選型改善

由上可以看到增大錫膏開孔面積并不能完全解決填充率的問題，當前業(yè)界常用的錫膏印刷用刮刀，主要有45°和60°的傾斜角的鋼片刮刀，在印刷機設定同一壓力數(shù)值下，由于45°和60°的刮刀在鋼網(wǎng)刮動錫膏向下的壓力不同會導致通孔里面錫膏的填充量不同，所以為了增大通孔在印刷時的錫膏填充量，選用45°和60°傾斜角的印刷刮刀做對比，在同種錫膏和不同種錫膏驗證的情況下，來評估刮刀對TYPEC這種零件的影響。

綜上，針對不同品牌的錫膏的選型和回流焊中氮氣的使用等主要影響因素，設計一個DOE的實驗來確定最佳的工藝參數(shù)。

3.3 刮刀和氮氣的設計選型

刮刀和氮氣的設計選型如表1、表2所示。

表1 刮刀類型

表2 氮氣選型

錫膏型號和刮刀，氮氣參數(shù)的搭配組合：

Alpha 390 60°刮刀

Alpha 390 45°刮刀

SENJU M705-GWS 60°刮刀

SENJU M705-GWS 45°刮刀

Alpha 390 45°刮刀，氮氣

SENJU M705-GWS 45°刮刀，氮氣

Alpha OM 338PT 45°刮刀，氮氣

AIM M8 45°刮刀

3.4 數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計

通過測試分析，對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。

Alpha 390 60度刮刀焊接后填充率的統(tǒng)計如圖9所示。

圖9 Alpha 390 60度刮刀焊接后填充率統(tǒng)計

Alpha 390 45°刮刀焊接后填充率的統(tǒng)計如圖10所示。

圖10 Alpha 390 45°刮刀焊接后填充率統(tǒng)計

SENJU M705-GWS 60°刮刀焊接后填充率的統(tǒng)計如圖11所示。

圖11 SENJU M705-GWS 60°刮刀焊接后填充率的統(tǒng)計

SENJU M705-GWS 45°刮刀焊接后填充率的統(tǒng)計如圖12所示。

圖12 SENJU M705-GWS 45°刮刀焊接后填充率的統(tǒng)計

Alpha 390 45°刮刀，使用氮氣焊接后填充率的統(tǒng)計如圖13所示。

圖13 Alpha 390 45°刮刀焊接后填充率統(tǒng)計

Senju M705-GWS 45°刮刀，使用氮氣焊接后填充率的統(tǒng)計如圖14所示。

圖14 SENJU M705-GWS 45°刮刀焊接后填充率的統(tǒng)計

Alpha OM 338PT 45°刮刀焊接后填充率的統(tǒng)計如下圖15所示。

圖15 Alpha OM 338PT 45°刮刀焊接后填充率的統(tǒng)計

AIM M8 45°刮刀焊接后填充率的統(tǒng)計如圖16所示。

圖16 AIM M8 45°刮刀焊接后填充率的統(tǒng)計

3.5 匯總統(tǒng)計

全部錫膏填充率數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)計如表3所示。

表3 錫膏焊接后填充率統(tǒng)計表

匯總后統(tǒng)計圖如圖17所示。

圖17 每種錫膏焊接后平均填充率統(tǒng)計圖

3.6 不同實驗條件下的X-RAY測試統(tǒng)計圖

Alpha錫膏OM 390焊接后的x-ray照片：盡管大部分都超過90%的填充率，但是極個別的PIN腳通孔氣泡比較大，部分達到75%的極限點，如下圖18所示。

圖18 Alpha 390焊接后的X-RAY檢測圖

Alpha 338PT錫膏焊接后的x-ray照片：從圖19中可以看出焊接后空洞率完全滿足IPC 3級的標準。

圖19 Alpha 338PT焊接后填充率X-RAY檢測圖

焊接后的外觀檢測如圖20所示：外觀填充率達到100%的焊接質(zhì)量要求。

圖20 Alpha 338PT焊接后填充率外觀檢測圖

AIM M8的焊接錫膏焊接后的X-RAY照片如圖21所示。盡管大部分都超過40%的填充率，但是極個別的PIN腳通孔氣泡比較大，部分達到50%的極限點。

圖21 M8錫膏焊接后X-RAY檢測示意圖

4 實驗結(jié)論

通過驗證得出以下結(jié)論：

（1）鋼網(wǎng)的表面處理和開孔大小尺寸的改善雖然不是萬能的，但是在短期內(nèi)設計來不及更改以及生產(chǎn)時間要求緊急的情況下，也是解決問題的一個常用的有效方法，可以解決由于材料和設計引起的很多質(zhì)量問題，為樣品的生產(chǎn)及其準時交付減少了大量的時間。

（2）45°的刮刀的工藝改善具有兩面性，雖然對通孔填充率有幫助，但是在fine pitch的材料上會導致錫膏量過多而短路，所以在常規(guī)生產(chǎn)中很少使用，或不建議使用，即使使用，鋼網(wǎng)的厚度也不能定義太厚，具體還要根據(jù)PCB上零件的情況來決定。

（3）氮氣的選用對幫助焊錫膏在通孔內(nèi)的潤濕性有很大的幫助，從而增大錫膏的浸潤焊盤的能力。

（4）錫膏的因素是最主要的，不同品牌的錫膏由于助焊劑不同，會有不同的特性。選擇一款適合產(chǎn)品的錫膏是關鍵和必要的，這不僅會保證產(chǎn)品的質(zhì)量，還會提供良好的工藝窗口。當然，選擇性價比最后的錫膏才是節(jié)省成本和時間的關鍵。

通過測試驗證統(tǒng)計的外觀和X-RAY的數(shù)據(jù)表明，通過以上幾種措施的改善，成功解決了TYPE C的焊接填充率達到100%的客戶需求，同時解決了焊接空洞和焊接錫珠問題，通過焊接后X-RAY照片的檢測以及質(zhì)量部門全面檢測，完全符合客戶要求，并且同時從中選出一組最佳的解決問題的工藝流程，為尼桑產(chǎn)品的兩條線的順利量產(chǎn)提供了最佳解決問題的工藝方案。

通過測試驗證得知，影響焊接質(zhì)量的因素有很多，單純地考慮某一個主要因素并不能完全解決問題，所以使用魚骨圖的分析方法，從人、機、料、法、環(huán)方面進行分析，按照SMT的流程工藝，分別從最常用的方法、從鋼網(wǎng)開孔的改善、印刷刮刀角度的選型、回流焊中氮氣的使用以及錫膏的選型等幾個方面進行工藝補償，短期內(nèi)解決了焊接質(zhì)量問題，節(jié)省了樣品生產(chǎn)的時間，節(jié)省了大量的成本，為解決問題設計不同測試驗證方法，從而達到設計需要的目的。為遇到過或可能會遇到同類問題的同事提供參考依據(jù)，避免走更多的彎路，節(jié)省時間和費用。