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摘要
进行无铅焊膏评估时，为了能够进行统计分析，需要先定义以下内容：
1、 定义需要评估工艺的各部分内容：评估范围越小、越简单，结果就越容易进行表征和测量。最好是进行多次小试验，而不是进行涉及许多变量的大试验。
2、 定义需要评估的因子：在钢网印刷工艺，不同的无铅焊膏就是一个因子，其它因子包括不同的印刷速度、印刷间隔时间等。
3、 定义响应变量：我们必须了解哪些工艺特性对某一工艺有着至关重要的作用。这些变量应该进行测量。
一旦收集到试验结果，就可以进行统计分析了。进行无铅焊膏的比较的规则就是：最好焊膏的工艺精确度（结果一致性最好）和准确度最好（与目标值结果接近）。
简介
随着2006年7月1日实施无铅的时间限的日益临近，许多电子制造商都开始启动无铅工艺切换的相关工作，无铅切换涉及的两个最大材料问题就是焊膏和元器件。本文将提供评估无铅焊膏的实战建议，以确保所选择的焊膏与目前锡铅焊膏相比，其组装直通率相当或更好。
统计考虑
因为人们通常认为无铅工艺更难以控制（由于无铅印刷和回流存在更多的限制），所以在无铅焊膏评估时使用统计方法非常必要，没有正确的统计方法，就难以对不同待评估焊膏的性能进行准确地评价和排序。
用户可以使用统计方法对变量进行充分表征分析，在每个工艺过程中都存在变量，但目标结果的变量越多，运作效率就越低。统计可以反映常规因子变量和特殊因子变量的区别，其中常规因子变量是可控并可预期的，特殊因子变量是不可控并不可预期的。在SMT工艺中缺陷产生的原因通常是特殊因子变量。
进行无铅焊膏评估时，为了能够进行统计分析，需要先定义以下内容：
1、 定义需要评估工艺的各部分内容：评估范围越小、越简单，结果就越容易进行表征和测量。最好是进行多次小试验，而不是进行涉及许多变量的大试验。下面将会介绍评估不同无铅焊膏印刷性能的一个例子。
2、 定义需要评估的因子：在钢网印刷工艺，不同的无铅焊膏就是一个因子，其它因子包括不同的印刷速度、印刷间隔时间等。
3、 定义响应变量：我们必须了解哪些工艺特性对某一工艺有着至关重要的作用。这些变量应该进行测量。以钢网印刷工艺为例，印刷体积被研究得最多，同时也是最重要的响应变量。
一旦收集到试验结果，就可以进行统计分析了。进行无铅焊膏的比较的规则就是：最好焊膏的工艺精确度最好（结果一致性最好）和准确度最好（与目标值结果接近）。 合金选择
在启动无铅焊膏评估之前，首要的工作就是为表面组装工艺选择最合适的合金，由于锡银铜（SAC）系列合金具有较好的性能，同时其与铅的内在兼容性好（含Bi合金与铅不兼容），所以业界普遍认为SAC是最好的无铅合金。然而，SAC系列合金目前有许多配方种类，其中银含量为3~4%，铜含量为0.5~1%的SAC合金是近共晶合金，其熔点范围是217~218℃。在该合金配方范围内的SAC合金还是存在一些性能区别，尤其是空洞和墓碑的情况。
根据Indium公司的研究成果，最主流的两种合金的各自优缺点如下：
1、 SAC387（95.5Sn/3.8Ag/0.7Cu）－润湿性最好，SAC合金中产生的空洞最少。
2、 SAC308（96.5Sn/3.0Ag/0.5Cu）－墓碑最少，银含量减少使之可适用于波峰焊（许多制造商希望SMT和波峰焊用同一种合金，以简化返修工艺）。
所以基于所使用的制造工艺进行合金选择是非常重要的。 焊膏第一次筛选
单板组装工厂一般都没有时间来进行这种评估，因为市场上有几十种无铅焊膏，所以有必要在进行深入的实际评估之前减少评估范围。采用以下排除规则：
1、 焊膏批次一致性：大多焊膏制造商会为潜在客户提供某种焊膏的多个批次（5~10批）的特别质量报告。对于无铅焊膏，最重要的考察参数是焊膏的粘度、焊膏金属含量、粉末的铅污染情况、金属粉末颗粒尺寸分布情况。必须了解这些焊膏参数实际值和供应商所提供的规格范围情况。因为材料的实际评估一般只会对每个供应商的一个批次进行，所以必须要确信每个供应商是否有能力保证一致性，同时有质量测量手段确保可靠的焊膏供应。图1和图2列出了焊膏供应商应有能力提供的数据格式。
2、 焊膏可靠性：最终所选的无铅焊膏用在单板上必须具有长期可靠性。最低要求是：所有的无铅焊膏必须符合IPC/J-STD-004的SIR标准和Telcordia(Bellcore) GR-78的电迁移要求。
3、 供应商技术支持与服务：因为无铅工艺切换不可能没有问题，所以所选择的焊膏供应商必须有足够的支持力量，以确保问题能够得到快速定位并解决。另外技术支持能力强的材料供应商可以协助解决你的工艺问题，即使这些问题不是与焊膏相关的。
应该注意价格不应作为预评估的规则之一。当调查焊膏成本时，通常会发现其不到整个单板成本的0.1%。不同焊膏的常规价格差异，与高品质焊膏带来的直通率提升和可靠性改善的成本相比，基本可以忽略不计。只有在焊膏品质相当的情况下，焊膏价格才会成为决定性考虑因素。
一旦所评估的焊膏通过初次筛选后只剩下五种以下（应有一种是目前使用的锡铅焊膏），就可以开始制定试验计划，以有效地区分不同材料之间的性能差别，然后启动焊膏的评估。下文将重点介绍焊膏的重要参数和实际评估方法，这些评估可以大多数组装线都能进行，而不需要专门的设备。 无铅印刷
有研究表明：所有SMT相关缺陷中，有50~70%是与印刷工艺相关的。因为无铅焊膏中助焊剂体系与锡铅的相比有着很大区别，所以预先不知无铅焊膏印刷的效果是否与锡铅焊膏相同。因此，不论制定什么评估计划，都应重要评估以下焊膏参数：
1、 焊膏钢网寿命：任何焊膏开始放在钢网上必须印刷良好，同样的，焊膏在钢网上已经有几个小时也要印刷良好。随着时间的延迟，当材料暴露在空气中，焊膏粘度会逐渐增加，这主要是由于焊膏中溶剂的挥发。随着溶剂的挥发，焊膏的粘度会快速增加，然后开始下降。基于此，测量焊膏粘度随时间的变化将得到实际钢网寿命情况，如图3所示。如果焊膏的钢网寿命较短，那就需要对印刷参数进行频繁调整，以保证印刷效果。
2、 焊膏“暂停响应”性能：在通常制造环境中，设备需要维修或贴片机需要停机喂料，会有最少1小时的停机时间，这时要求无铅焊膏性能不能下降。焊膏适应这种停机时间并保证停机后再印刷良好的这种能力，被定义为“暂停响应”性能。图4比较了不同焊膏的印刷体积，同时它们有各自可接受“暂停响应”性能，图中清楚地反映了3号焊膏（黄颜色线表示）在启动和停机后的印刷体积不足。
3、 焊膏防“剪切力变小”性能：无铅焊膏必须具备大批量制造能力。焊膏在设计时就保证了焊膏的印刷时具有“剪切力变小”（粘度降低）特性，这一特性保证了焊膏更好地填充钢网开口，印刷行程结束时，焊膏的粘度会回复到原有值，在下次印刷形成过程中，粘度会再次降低。在连续印刷时，有些焊膏的粘度在印刷行程间不能恢复，这就意味着：随着时间的过去，焊膏粘度将持续下降，最终可能导致在细间距印刷产生坍塌和连锡。 无铅焊膏粘附性和元器件贴片
由于无铅和锡铅焊膏的配方区别很大，所以需要确定无铅焊膏具有较好的粘附性或保持元器件能力，在IPC/J-STD-005标准中，有测量焊膏粘附性的试验方法。然而，Indium公司认为焊膏的粘附性不一定能反映焊膏保持元器件的能力，印刷后进行元器件贴片/过贴片机将有助于了解其保持元器件的实际能力情况。随着时间的过去，焊膏性能的变化也会影响其保持元器件的能力。 无铅回流
回流工艺通常是在切换到无铅时，SMT工艺中被评估最多的工序。无铅焊料的熔点大约为217℃（比常规锡铅焊料高35℃）。在分析某一焊膏的回流能力之前，必须先做一些重要的决定。
第一，必须明确试验基板的表面处理方式。如果已经确定了表面处理方式，这就需要评估这种处理方式。如果需要考虑多种表面处理方式，就必须对它们都进行评估。因为这一评估超过了本试验范围，所以时间限制不允许进行多种表面处理方式进行评估。既然这样，就应考虑表面处理方式所带来的焊料润湿影响。无铅表面处理方式的可焊性从好至差的排序为：1.化学镍金；2.化学锡；3.化学银；4.OSP。
第二要考虑的是PCB或元器件带来的温度限制。正是由于这些温度限制，无铅组装的回流工艺窗口大大地变窄。所选择的焊膏应有能力在较低的峰值回流温度下工作。
应分析回流曲线的三个主要参数，包括1.均热时间，2.超过液相线时间，3.峰值温度。在使用SAC合金的无铅焊接中，均热时间是指在150～217℃温度范围内的时间。图5图示了无铅回流曲线的三个主要参数。 需要进行组合这三个关键变量的试验设计（DOE），以评估无铅焊膏，从而决定每种焊膏的回流变量满足单板和元器件要求的适应能力。 焊膏评估方法
Indium公司已经开发了一套无铅焊膏的评估方法，这套方法包括了对前面讨论的印刷、贴片和回流参数的评估。这套方法设计得尽可能简单和实用，同时保证选到最好的无铅焊膏。它一共包括四个步骤，每个步骤都能排除表现不好的焊膏（这样就简化了后续的评估）。 步骤1：印刷机设置
假定已经完成了焊膏的预筛选过程，成功评估的第一步就是进行试验，以保证每种焊膏的初始印刷机设置达到最佳，印刷机优化的关键变量是印刷速度、印刷压力和分离速度（有时也称Snap-off速度）。大多数情况下，不同的焊膏需要不同的优化初始设置，如果对所有的焊膏都使用同一设置，那就会把那些不合适该工艺设置的焊膏给排除掉了，每个因素的评估水平数取决于生产经验，焊膏厂家推荐和时间/资源。需测量的响应变量应为印刷体积。
对每个待评估焊膏的每个因子都进行试验不太可能，因此，评估的印刷参数应基于特定产品需求或DOE方法，DOE可以减少试验次数，同时得到试验结果。这种DOE方法的例子有Taguchi或部分因子DOE。 步骤2：回流窗口
因为不同无铅焊膏之间的一些重要区别就是在回流表现上，所以这应当是第二个要进行评估项目，在这一阶段，目标不是设置优化回流曲线，而是了解掌握每种焊膏的回流稳定性，因此，要得到理想的结果是不需要进行DOE试验的。
有些公司，如摩托罗拉，已经发现无铅焊膏的最大挑战就是回流工艺的峰值温度要较低，超过液相线时间要较短，因为这种回流曲线对于板上元器件和单板是有好处的，所以在试验焊膏的回流窗口时，一定有用这样的一种回流曲线。虽然实际评估的回流曲线应该基于生产和产品需求，但通常推荐评估使用图5所示的回流曲线设置。
回流曲线1和3是为了试验推荐回流曲线的极端情况，回流曲线2是典型的推荐无铅回流曲线。
待评估的每种焊膏应用钢网印刷在单板上（使用步骤1得到的优化参数），然后进行贴片，然后分别用三种回流曲线进行回流。为了减少不可空变量对结果的影响，每种焊膏在每一种回流曲线设置下的试验单板样本数为3～5块。单板回流后进行检验，因为表观较为感性（如焊点的光泽度/光滑、元器件润湿、焊盘铺展、焊球数量等），所以设计完整的检测规则是一个挑战。有一些是可测量的响应变量，如短路数量、墓碑数量，面阵列焊点空洞百分比等，需设计与锡铅对比的排序方法来作为控制手段。 在这一阶段，非常容易筛选出不合格的待评估焊膏，从而简化后续的评估。如果待评估焊膏在某一回流曲线不能熔合或润湿，那它就不适合无铅应用。图6表示了两种焊膏在回流后的表现，其中一种表现出很差的熔合，另一种则表现出较好的可焊性和润湿能力。
步骤3： 12板评估法
评估的第三个步骤是整线SMT工艺中实际评估焊膏性能的第一步。Indium公司开发了12板评估法（如图7所示），用简单而方便的方法考察几个响应变量的情况。
12板评估法的主要优势在于：它模拟再现了许多现实生产环境会遇到的问题，同时所需的试验时间最少。从物流角度考虑，占用印刷机4小时是合理的。贴片机和回流炉将需要设置更长时间，以模拟各种停机情况。12板评估法将试验出无铅焊膏的钢网寿命、暂停响应性能、粘附力稳定性和停工后的回流表现等。最好的衡量响应变量是印刷焊膏体积、贴片过程中元器件掉件、回流后焊点质量的外观检测和缺陷总数。 步骤4：防“剪切力变小”性能
由于图7中的评估方法所用的单板数量有限，所以没有评估焊膏的防“剪切力变小”性能。为了实际了解焊膏的防“剪切力变小”性能，必须进行批量印刷，一般地，在评估中进行批量印刷是不太现实的，因为这会影响正常的生产。然而又不能不进行焊膏的防“剪切力变小”性能评估，如果在生产中发现焊膏该性能较差，将会导致生产停机时间大幅增加。Indium公司开发了一种防“剪切力变小”性能的评估方法，该方法可以最大程度地减少对生产的影响，建议的方法如下：
● 将新鲜焊膏放在钢网上。
● 设置印刷机进行30次空印，对钢网底部进行擦网。
● 印刷一块单板。
● 设置印刷机进行50次空印，对钢网底部进行擦网。
● 印刷一块单板。
● 设置印刷机进行100次空印，对钢网底部进行擦网。
● 印刷一块单板。
● 测量每块单板的响应变量。
通过进行空印而不是实际印刷，所需的实际试验单板数量大大减少，同时焊膏仍然像大规模生产一样被剪切了。与前面的评估步骤一样，测量的响应变量仍然是印刷体积。一旦焊膏被剪切，实际的焊膏体积会产生较大的变化，另外印刷外形不太容易定义，在批量制造环境中，它是某些焊膏产生坍塌和连锡的一种表现。 总结
使用无铅焊膏是大势所趋，必须正确地评估无铅焊膏。本文提出的4步评估法提供了系统性的焊膏评估方法，同时它所需时间和资源最小。这一有效而又简练的方法可以完整地评估焊膏的各种性能，保证选到最好的焊膏。由于焊后缺陷中有50~70%是与钢网印刷工艺相关的，所以绝大多数的评估应当放在印刷工艺上。选择最好的焊膏将确保最高的直通率，并为成功进行无铅切换提供最好的保障
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