无铅SMTDIP制程技术工程手册.docx

制程技术与材料分析工程目录1.產品設計之可製造性(DFM)作業31.1.何謂DFM31.2.DFM使用時機31.3.DFM的作業流程（圖1）31.4.DFM檢核表之訂定與使用31.5.關鍵性的PCB DFM準則32.材料選用32.1.間接材料選擇 錫膏選擇32.2.間接材料的選用準則-助焊劑32.3.直接材料的選用準則 印刷電路板 (PCB)32.4.直接材料的選用準則 元件33.PCBA製程管制準則33.1.材料儲存與取用33.1.1.溼氣敏感元件33.1.2.印刷電路板33.1.3.錫膏材料33.2.SMT製程參數之制定準則33.2.1.錫膏印刷33.2.2.印刷機作業流程 (Operation Flow)33.2.3.零件置放33.2.4.迴焊33.3.DIP製程參數之制定33.3.1.波焊33.3.2.壓合製程介紹33.3.3.裁板33.4.PCB重工參數之制定33.4.1.BGA重工33.4.2.溫度設定33.4.3.小錫爐33.4.4.PCB重工參數之制定 -Solder iron34.製程精進與新材料/零件/製程之導入與驗證流程34.1.製程精進與新材料/零件/製程導入34.2.統計資料分析方法35.材料/製程失效分析35.1.材料/製程失效分析作業流程35.2.非破壞性分析35.2.1.顯微鏡35.2.2.X-Ray (X-射線)35.2.3.Side View (側視顯微鏡/3D旋轉視覺檢查系統)35.3.破壞性分析35.3.1.金相製備與破壞性分析35.3.2.D&P (紅墨水染色試驗)35.4.材料特性分析35.4.1.FTIR (Fourier Transform Infrared Spectrometer, 傅立葉轉換紅外線光譜儀)35.4.2.Wetting balance (沾錫能力測試機或沾錫平衡機)35.4.3.Material Tester (微拉力試驗機，外觀如圖63所示)36.ROHS 材料分析36.1.世界環保趨勢36.1.1.環境技術貿易壁壘的起源36.1.2.WEEE和RoHS指令簡介36.2.其他重要環保法規36.3.運 作 流 程(如圖69):36.4.儀器簡介37.ROHS 零件工程37.1.RoHS零件承認37.2.RoHS高風險材料37.3.Green IT GPM系統3參考文獻3目的： 电子组装之制程良率与质量需求日益严苛，加上产品日渐复杂，尤其在无铅制程条件下，提升生产良率并确保PCB及焊点可靠度成为刻不容缓的议题。本工程手册将透过以下方法及流程，增进新产品导入（New Product Introduction；NPI）时之开发流畅度及制程稳定度，预防量产阶段错误发生并缩短制程时间与成本。制程技术与材料分析工程处之主要职责与角色（R & R）为新制程技术之开发、评估、导入及支持，并满足ROHS法规之禁限用环境危害物质。本手册从产品设计之可制造性（DFM）谈起，并说明直接与间接材料之选用及其对于制程质量之影响性。此外，探讨SMT、DIP、PCB Rework 等制程参数制订准则，及制程精进项目与零件/材料之评估流程。最后，介绍制程与材料实验室之分析能力与作业程序，及ROHS禁用物质测试方法，架构如下图所示。本文将作为团队成员执行制程改善或分析之准则及参考依据。1. 产品设计之可制造性(DFM)作业1.1. 何谓DFM DFM (Design for Manufacture)：产品设计之可制造性，为针对各种不同类别的产品，如企业产品（服务器、储存设备等）；可携式产品（笔记型计算机、手机等）；多媒体产品（液晶电视、游戏机等），订定出规范供设计端遵循并评估及提升产品可制造性的一种工具。本文当中所叙述之内容及DFM检核项目仅适用在产品于PCBA（印刷电路板组装）阶段之回流焊及波峰焊制程，并未包含如散热片等其它相关组装之部分。1.2. DFM使用时机 一个新产品从开始被设计到大量生产前，被分为C0C5 六个阶段，其中在C2阶段的 P1.1 meeting (PCB layout placement 1.1)、C3阶段的Lab试产及C4阶段的Eng试产时必须使用DFM，用以评估每一个阶段该产品的可制造性如何？有哪些地方尚须修改设计，以达到制造端的需求。1.3. DFM的作业流程（图1） (1) P1.1阶段（图1 绿色）：产品于线路图初版定稿前会举行一个P1.1 Meeting，此时须把即将定稿之图面利用DFM检核表对焊垫间距、PCB传送限制区、拼版方式等可检核项目做检查并评出Pre-score百分比分数。 (2) Lab试产阶段（图1紫色）：产品在过C2后进入C3阶段，此时会进行Lab试产，试产后须利用DFM检核表对可检核项目做检查并评出Pre-score百分比分数。 (3) Eng试产阶段（图1黄色）：产品在进入C4阶段前会进行Eng试产，试产后须利用DFM检核表对可检核项目做检查并评出Final-score百分比分数。图11.4. DFM检核表之订定与使用 DFM检核表之订定是节录印刷电路板DFM规范 for Server, Desktop & LCD-TV 707-F202及印刷电路板DFM规范 for 可携式计算机产品707-F002中重要内容汇整而成，检核表内容随设计规范修订内容而修正之，若于生产过程中发现任何设计上缺失亦可加入DFM检核表中供检核新产品使用。图2 使用时根据DFM内容对应产品判定是否有使用该项设计，若没有则于Compliance Points字段中（图2）键入 "NA" 该项将不列入评比百分比中；若产品有使用检核表中该项设计，则须判定是否有符合要求，若有则键入 "Y" ，反之则键入 "N" 。当所有项目均完成检核并键入参数后，表格上方会出现一百分比分数，用于表示该产品某阶段可制造性的程度。1.5. 关键性的PCB DFM准则 下面列举关键性的PCB DFM检核项目并说明其意义及重要性。 下面列举关键性的PCB DFM检核项目并说明其意义及重要性。(1) 定位孔的相对应尺寸及公差必须正确，而且为NPTH (Non-Plating Through Hole)：定位孔必须符合机台需求，若其尺寸及公差不正确将无法被机台所利用形同虚设！(2) 在板边至少留出 4 的限制区，不得置放任何零件以利搬运及传送：若有任何零件距离版边（尤其是传送边）过近的话将造成PCB无法传送而不能生产！(3) BGA型式的零件(包括CPU socket)，需在其周围保留 2.0 的带状限制区,同时BGA下方最好不要置放外形大于3216的零件：BGA形式零件四周必须有限制区供维修时风罩置放使用！(4) 在对角线需有三个光学点，且遵照设计规范中所规定的尺寸（如图3）： 所有机台都必须有光学点作校正的工作，所以PCB上一定 图3 要存在有光学点，否则将无法顺利生产！(5) 两RLC chip间（指pad 至pad 间）距离最小为16 mil：以服务器产品为例，两0402零件间距牵涉到机台置放极限的问题，如果距离过近将严重影响良率！(6) 置放零件外框不可互相重迭：零件置放外框为目视检验及产品生产前参考判定用的重要依据，所以零件的外框不可重迭，以免造成目检人员困扰及制程人员困扰！(7) 为了适用波焊制程，贯穿孔与焊接面SMT零件pad之间需保留 3.0 的距离：若该产品为双面板设计，则须制作过波峰焊锡炉承载治具，若焊接面SMT零件pad与贯穿孔距离过近的话会无法制作治具，导致无法顺利生产！2. 材料选用2.1. 间接材料选择 锡膏选择2.1.1. 何谓锡膏锡膏的组成是由金属合金的锡粉（Solder Powder），再混以特殊高黏度的助焊膏混合物（称为助焊性黏合剂Flux Binder）而成灰色的膏体，可供印刷黏着或其它方式施工，而在板面焊垫上予以适量分布配给，做为多点同时熔焊的焊料用途。锡膏合金的评估中，必须考虑不同材料组合，常见的合金成分包括传统锡(63)铅(37)合金及无铅合金如锡(96.5)/银(3.5)及锡(99.3)/铜(0.7)两种元素合金及锡(96.5)/银(3.0)/铜(0.5)及锡(91.8)/银(3.3)/铋(4.8)三种元素合金等。2.1.2. 锡膏的选用准则锡膏配置时须订定其选用粒径大小（Particle size），与其重量百分比分配两种参数，以适应印刷时开口的大小及减少不良锡球产生。一般建议焊球直径应小于金属印刷范本厚度的三分之一，最小孔径宽度的五分之一（厂内建议为七分之一），而目前较常使用锡膏粒径大小为20-38 Microns（-500目或Type 4)锡膏颗粒适用于0.4 mm间距以上之组件焊垫，及25-45 Microns（-325+500目或Type 3）锡膏颗粒则适用于0.65 mm 间距以上之组件焊垫 J-STD 005、705-F201。印刷用的锡膏黏度范围是800-1000 kcps，当锡膏黏度太低时，不但所印膏体定位困难（至少保持23小时不变形），且很容易造成坍塌及熔焊后的搭桥短路。由于其黏度又与环境温度有直接的关系，故未操作使用时，应储存在冰箱中。文献指出温度每上升4时其黏度值即下降10 716F-204。且零件放置前及引脚黏妥后的预热温度与时间均不宜过度，以减短路与锡球的发生。再者溶剂含量也是造成不良锡球原因之一，溶剂太多自然容易出现搭桥。而当助焊剂之软化点（Softening Point）太低时搭桥比例也会增大；但若其软化点太高时则分子量必大，在内聚力加强之下，将使之不易分散及清洗 2006, 林定晧。2.1.3. 锡膏的评估验证流程为求使SMT锡膏之导入流程明确，并确保导入后之使用与信赖性，故需针对锡膏之焊锡性及各项可靠度验证作业订定标准之测试流程与方法。新锡膏（新合金成份/新厂牌）选用需通过下列评估项目，详如表1所示，测试规范请参照SMT之锡膏制程验证标准705-F201 10。(1) 可靠度特性验证：需执行铜镜、铬酸银、表面绝缘阻抗、电子迁移、锡珠等测试。(2) 物料特性验证：需执行扩散性、湿润性、黏度、黏着力、崩塌性等测试。(3) 印刷性测试：确保印刷开始后之印刷初期及连续印刷时的安定性。(4) 上锡性测试：确保组装后之良好焊锡性及焊点可靠度（良率、X-Ray、推力及切片）(5) 可靠度验证：利用温度循环测试及震动等测试，进行焊点质量及可靠度验证。(6) 功能测试：协助确认ICT，ATE等测试稳定度问题。(7) 评估供货商的技术/服务能力，供货给各WW/Sites能力，成本，市场占有率、AVL，锡膏合金成份专利授权文件.等等。表1锡膏测试项目及测试准则1铬酸银试验规范:IPC-TM-650 2.3.33.D目的:测试锡膏之助焊剂是否含有过卤化物标准:观察铬酸银试纸是否变色2铜镜试验 规范:IPC-TM-650-2.3.32 C目的:测试锡膏之助焊剂是否具有腐蚀性标准:观察铜镜是否因侵蚀而透光或变色3表面绝缘组抗测试规范:IPC-TM-650之2.6.3.3目的:在免洗制程中测试锡膏中助焊剂残在印刷电板上，接触高温高湿环境下对表面的阻抗影响标准:免洗锡膏的电阻值必须高于1084电子迁移测试 规范:Bellcore-TR-NWT-000078-13.5.1目的:在免洗制程中测试锡膏中助焊剂残在印刷电板上，接触高温高湿环境下电子迁移的影响标准:所有电阻值必须高于1095锡珠测试 规范:IPC-TM-650-2.4.43目的:测试锡膏的焊锡颗凝聚成球形之能与是否会喷锡珠标准:焊锡应没有喷锡珠现象，外形形成好的球形，且直径合乎要求。6扩散性试验规范:JIS-Z-3197-6.10目的:测试锡膏在铜面上去除氧化物的能与扩散能标准:本规范并无定，一般以大于70%以上即可，特殊用途锡膏可以达85%7湿润性试验规范:IPC-TM-650-2.4.45目的:测试锡膏在氧化铜面上之润湿能标准:焊锡应均匀覆盖铜面，没有拒焊或未润湿之缺陷发生、润湿角越小代表有越佳之润湿性。8黏度测试规范:JIS-Z-3284目的:得知锡膏印刷时的下锡能标准:是否符合厂商所附规格的内容9黏着力测试 规范:IPC-TM-650-2.44.4目的:测试干燥后之锡膏与基板间的黏着标准:比较达到80%作用峰值所需之时间、比较作用峰值10坍塌性测试规范:IPC-TM-650-2.4.35目的:测试锡膏在水平与垂直方向之坍塌性标准:可有桥接发生2.2. 间接材料的选用准则-助焊剂2.2.1. 何谓助焊剂各种焊接进行前，被焊的金属表面皆必须先行喷涂助焊剂(flux)，再经预热之能量激发出助焊剂中的活性成分(activator，即某些酸类或盐类)，而将待焊表面(如铜面、焊锡面、纯锡面、银面等)之轻度氧化物与污着物予以清除，也就是使之产生还原反应，使氧化物被分解而得以被移除。此种有效的清洁功用，可让焊料(solder)与待焊表面迅速产生介金属化合物(IMC)而沾锡(wetting)焊牢Shenmao。若助焊剂按其主成份的属性作区别ISO-9454-1，可分为(1)树脂型(resin)、(2)有机型(organic)与(3)无机型(inorganic)等三类。2.2.2. 助焊剂的选用准则助焊剂的选用须注意固形物(solid content)含量(溶剂与挥发物以外的固形本体化学品，如卤化物或固酸类)，一般现场管控系采测比重的方式。通常常助焊剂之固形物约15-35%，另有新式低固形物者只有2-8% (一般5%以下)，焊后几乎没有残渣，亦称为免洗flux。助焊剂酸性值(acid value)系固形物所能提供"活性"指标之一，无铅制程酸价一般为1535 mg KOH/g，有铅制程为1014 mg KOH/g 710-F204, IPC-TM-650 2.3.13。助焊剂之固形物成分过低可能使氧化物清除不完全，造成焊锡性不良，过高则使板面flux残留过多，可能是后续板面腐蚀的来源。其它助焊剂选用需通过的项目与制程测试标准，如卤素含量、铜镜、铬酸银、表面绝缘阻抗、腐蚀、电子迁移等，可依序参考规范IPC-TM-650 2.3.35, 2.3.32, 2.3.33, 2.6.3.3, 2.6.15, Bellcore GR-78-CORE Issue 3, and 710-F201波焊之免洗Flux制程测试标准所示。在可靠度试验方面，如铜镜腐蚀试验，合格为铜镜未透光；铬酸银试纸试验，合格为试纸未变色；腐蚀试验，合格为铜片未腐蚀；表面绝缘阻抗试验，合格为不清洗，规范要求：测试板: 1.0×108 ，空板: 1.0×109 ；电子迁移试验，合格为规范要求：不可有腐蚀现象，不可有电子迁移现象(板面未清洗达1010 )。在功能试验方面，如利用ICT及ATE等功能测试进行产品之稳定度验证，探针需扎三次，并且能刺穿flux残留物进而连结到焊垫；确认PCBA外观助焊剂残留干净度，焊锡性等相关质量问题。以上所述助焊剂为液态助焊剂(liquid flux)，适用于波焊锡炉作业(DIP)，另有溶剂比例不同之固态助焊膏(paste flux)，功能与助焊剂近似，适用于BGA修护等。助焊剂应储存于室温下，密封置于阴凉通风处，避免阳光直晒，其通常属易燃，作业、储存须远离火焰、火花。2.3. 直接材料的选用准则 印刷电路板 (PCB)2.3.1. 何谓印刷电路板印刷电路板（Printed Circuit Board；PCB）为承载并连接电子零件间线路之基础组件，依其使用之基材可分为硬式、软式及软硬复合板；而依内层结构层的多寡可分为单层板、双层板及多层板。电路板表面由线路（Trace）、贯穿孔（Painting Trough Hole；PTH）、焊垫（SMD pad）、防焊漆（Solder mask）及文字漆（Silk）共同构成（图4），以利电子零件之组装及焊接作业。而电路板制造时，首先利用曝光、显影、蚀刻及黑棕化等程序制作内层线路，再将线路层间加入绝缘胶片（Prepreg）进行压合动作，接着进行钻孔与电镀作业使各层互相连接，待外层线路完成后则覆盖防焊漆并印刷文字漆，最后执行焊垫表面处理作业并确认无误后真空包装出货。图4 电路板表面2.3.2. 电路板材料特性图5印刷电路板基板材料主要是由玻璃纤维（Glass fiber）及环氧树脂（Epoxy resin）组成，其特性必须满足无铅制程高温之需求，若耐温性不佳则常造成分层如图5 （Delamination）、断裂（Crack）及内层线路失效（Inner Connection Defect；ICD）等情形，主要之材料特性有下列四点：(1) 硬化剂（Curing agent）：在环氧树脂硬化的过程会使用硬化剂进行硬化及聚合的反应，而硬化剂又可分为双氰胺（Dicyanidiamlde；Dicy）与酚醛树脂（Phenol Novalac；Phenolic）两类。Dicy硬化剂极性强，吸水性大，不耐热；Phenolic材质之硬化剂极性不强，吸水性小，耐热性较好。(2) 玻璃转换温度（Glass Transition Temperature；Tg）：Tg为电路板内层之玻璃基板从玻璃态转成橡胶态时的温度点，橡胶态比玻璃态之热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion；CTE）约3到4倍，在高温的强烈Z轴膨胀应力下，PCB易产生孔铜壁断裂或爆板的情形。(3) 裂解温度（Decomposition Temperature；Td）：Td系指利用热重分析法（Thermal Gravity Analysis；TGA）将树脂加热中失重5（Weight Loss）之温度点称为裂解温度，可判断板材之耐热性。(4) 热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion；CTE）：在电路板组装中，材料受到温度高低所造成体积增减的因子称为热膨胀系数，电路板基材树脂于Tg点前后的热膨胀系数差异甚大，尤其以Z轴方向之膨胀差异最为显著，易造成断裂或分层。(5) 无铅制程之电路板建议以Phenolic硬化之电路板材质、Tg温度一般则须大于150（170以上最佳）、Td温度大于320，并选择加入有机性填充颗粒（Filler）的产品可有效降低CTE，应可符合无铅制程高温的冲击与可靠度的要求（IPC-4101B）。2.3.3. 电路板评选准则一般在设计电路板时，使用CAD软件进行PCB导线设计，包括线路间的最小保留空隙、最小线路宽度和其它类似的实际限制等都须符合规定。接着建立制作档案Gerber files，包括各讯号、电源以及地线层的平面图，防焊层与网板印刷面的平面图，以及钻孔等指定档案，最后利用电路板厂商依照Gerber文件进行电路板制作。在完成品中除了要符合相关的尺寸规格外，不可有线路断路、短路、线宽不符的情形，且板弯程度需小于0.7%（1.2mm以内），其它相关规定说明如下：(1) 贯穿孔粗糙度镀铜厚度 PTH roughness & Cu thickness在电路板压合后会进行钻孔及镀铜作业连接各层线路，在钻孔时所造成的粗糙情形（Roughness）、突起物（Nodules）或是喇叭口（Flare）不可减少孔壁厚度或造成孔径低于最小的要求，孔壁粗糙度需小于1.0 mil，而孔铜镀层厚度单点不得少于0.7mil，平均不可低于0.8mil，表面铜厚须在1.4mil以上并符合IPC-6010系列规格，孔中也不可超过5%以上的空洞，一切均需符合规范及客户要求（IPC-A-600G、807-F002）。(2) 绿漆效能Solder mask performance图6PCB在线路完成后需覆盖绿漆（Solder mask），用以防焊及保护线路防止湿气及各种电解质的侵害使线路氧化而危害电气性质。绿漆必须具有良好的热与化学稳定性并须符合规范IPC-SM-840B，必需要均匀且不可有刮痕、孔洞、脱离、露铜等缺陷(如图6)，并具有良好的黏着性与承受焊接与清洗制程的温度变化与化学侵蚀等特性（组装的过程中须考虑绿漆与助焊剂的匹配性），厚度应介于0.30.7mil(7.617.7um)。(3) 表面涂层pad metallurgy目前各种常用于PCB可焊表面的处理有有机保焊剂（Organic Solder-ability Preservative；OSP）、喷锡（Hot Air Solder Leveling；HASL）、浸银（Immersion Silver； Im-Ag）、浸锡（Immersion Tin；Im-Sn）、化镍浸金（Electroless Nickel Immersion Gold；ENIG）、电镀镍金（Electrolytic Ni/Au）等，其中OSP成本较低平整度佳但保存性较差易受污染，常因残留造成铜绿而产生测试失效；喷锡保存性较佳但平整度差且多受热一次；而化镍浸金导电性佳且不易氧化是按键用产品（如手机）最佳选择，但焊锡强度最差，容易产生黑垫（Black Pad），易造成焊接后的裂痕。2.4. 直接材料的选用准则 组件 本节将依据主动组件(BGA & QFP)、被动组件(电阻、电容与电感)与连结器组件(DIP 连结器与PIP连结器)之组件特性，详述其选用准则，并说明该类组件拿取的注意事项与储存条件。2.4.1. RLC组件RLC组件介绍(1) 电阻：电阻常用R表示。导体的阻值由导体的材料、横截面积和长度决定。使用时可依尺寸、精密度、功率、频率与功能做选用。电阻器是电路组件中应用最广泛的一种，约占组件总数的30%以上，主要用途为稳定和调节电路中的电流和电压。图7 RLC 组件破裂沿45度角向下延伸(2) 电容：电容是衡量导体储存电荷能力的物理量。在两个相互绝缘的导体上，加上一定的电压，它们就会储存一定的电量。陶瓷电容片式层迭架构导致了它本身很脆，对机械应力和温度应力非常敏感。一般裂纹都发生在焊端和陶瓷基体连接部位，从焊接点沿45度角向下延伸(图7)。(3) 电感：衡量线圈产生电磁感应能力的物理量，给一个线圈通入电流，线圈周遭就会产生磁场。通入线圈的电源越大磁场就越强，磁通量就越大。电感经由电磁的互相转换，是具备储存、释放能量并稳定电流的组件。RLC组件选用准则：(1) 电容组件的耐温极限不能超过260度(2) 升温速率不能太快(1.5度到3度每秒)，升温太快会导致电容裂开(3) 重工次数也不能过多，铬铁温度不能太高。2.4.2. 连结器组件连结器组件制程介绍： 穿孔式组件有以下三道主要制程(1) 塑料射出连结器外壳(2) 金属冲压制作成组件端子，(3) 电镀防止接触组抗、抗磨耗防腐蚀与助焊功能，涂层的污染会造成上锡不易(图8)。最后，经由组立与测试完成成品。SMT连接器选用准则：图8 连结器组件上锡不良(1) 塑料外壳材料应为以下几种 LCP、PBT、Nylon6T、Nylon9T、PC与PPS等六种，而吸湿率较高与耐温较低之Nylon64则不建议使用。(2) 金属端子之材料，应考虑机械强度、导电性、耐热性等因素，主要以黄铜和磷青铜为主要的金属制造端子原料。图9 连结器组件起泡(3) 电镀材料考虑导电性及插拔次数，主要以镀金、镀锡、镀银为主，而钯镍合金常为金的替代品，具低孔隙度、较佳的延展性、耐磨耗与焊接性，成本与密度都比金低但耐磨性比硬金低。PIP连接器选用准则：图10 锡膏挤出PTH 塑料材料若吸湿率太高易在过回焊炉时产生气泡(图9)，PIP 组件外壳应能耐高温，并具备Stand off以容纳印刷时溢出之锡膏。组件脚不应过长(不应超出PCB板1.5mm)，以免将多印之锡膏推挤出PTH外造成锡不足(图10)。2.4.3. QFP(Quad Flat Package)方形扁平式封装QFP组件介绍：图11 QFP；方形扁平式封装 方形扁平式封装QFP (如图11)的芯片的四周均有引脚，其引脚一般在100 以上，组件之引脚细且间距小，具有操作方、可靠性高、芯片面积与封装面积比值较小等优点。焊垫长度取决于组件引线端焊高度和宽度，以及引脚与焊垫接触面积。就焊接之强度而言，焊垫长度比焊垫宽度起更大作用。QFP组件挑选准则：(1) QFP组件首重组件引脚之共平面性，量测组件之平整性亦即组件脚最高与最低之相对高度差距，不应超过于0.08mm。图12 引脚度亮锡长出锡须(2) 组件引脚过细容易造成弯曲、质脆而易断，受到加工精度、可生产性、成本和组装制程的限制，一般认为 QFP组件脚间距的极限为0.3mm。(3) QFP组件脚之镀层应为雾锡，亮锡易产生锡须(如图12)造成细间距QFP组件之短路。2.4.4. BGA(Ball Grid Array)球栅阵封装介绍BGA组件介绍：图13 BGA组件剖面图 BGA（图13）封装为底面引出小球的形式，看到的外观为芯片经封装后之外型而非工作芯片大小。此一封装对芯片是必需的，芯片必须与外界隔，防止空气中的异物与湿气对芯片电的腐蚀而造成电气性能下。另一方面，封装后的芯片也于安装和运输。 BGA 封装的面积只有芯片表面积的1.5 倍左右。使用BGA 封装但体积较小，同时也薄(封装高小于0.8mm)黄孟槺。BGA 拥有高的热传导效，非常适宜用于长时间运的系统、稳定性极佳。BGA 封装的I/O 引脚虽然增多，但引脚间距远大于QFP，从而提高组装成品。具有信号传输延迟小，可靠性高等优点，使用频大大提高。BGA组件选用准则： BGA球遭手指或其它有机物、外物污染以及氧化会造成组件拒焊无IMC层产生，BGA应做好防潮防护或Profile升温斜率不宜过高，以免造成组件胶体分层(图14)或爆米花(Popcorn)效应。1. 为确保组件能长期在严苛环境下使用，要能承受-55-125°C，500个循环以上热冲击试验 2. 为确保组件置放时锡球皆能与焊垫上锡膏接触，需维持良好的共平面性，一般来说BGA应维持0.1 mm 或1%以下的变形。3. 组件应能承受足够之剪切力(1000G) 王豫明图14 BGA组件胶体分层4. BGA胶体中中不能有空气，以避免过回焊炉时胶体破裂3. PCBA制程管制准则3.1. 材料储存与取用3.1.1. 湿气敏感组件SMT组件是一种湿度敏感组件，故组件须在恒温干燥的条件下保存，作业员应严格遵守操作流程，避免组件在组装前受到影响。湿气敏感零件之受潮与拆封曝露时间限制，因零件特性而异，将零件依湿气敏感度不同区分为：Level1Level6 如表12所示。纬创内部管理一律以Level 5a (24hr)管制，Level6之零件则以各厂家建议之暴露拆封时间项目管理。表2 湿度敏感等级。图153.1.1.1. 湿气敏感组件储存条件： 所有湿气敏感组件皆须防潮保存，零件于IQC拆封检验后，应立即予以重新真空包装保存。湿气敏感组件在真空封包时，一律在真空包装袋内置入干燥剂与湿度指示卡(图15)，并在真空包装袋外注明已曝露时间。零件上线前需检查零件残留时间，零件残留时间=曝露时间限制-累计暴露时间。厂房内温度与湿度控制条件为：温度：23±5，湿度：30%RH 60%RH716F-204。库房与生产单位应每2小时固定检查并记录其环境温度与湿度。厂房湿度超过60%RH时，非正在机台上线使用之湿敏零件，一律真空封存。 真空包装日期不可超过一年，如超过必须烘烤后再真空包装，湿度指示卡在30%R.H.处未呈蓝色。生产单位领料后如发现真空不良，应立即通知发料单位处理。拆封真空包装后检视湿度指示卡在30%R.H.处，未呈现蓝色者一律送烘烤作业。(2)未使用完之物料退库必须原封箱或烘烤后真空包装(必须包含湿度卡及干燥剂)经IQC检验入库。3.1.1.2. 组件烘烤条件： 烘烤温度不应过高，温度过高会造成锡球与组件连接处金相组织变化，当这些组件进入回焊阶段时，易引起锡球与元器件封装处的脱落，造成SMT组装质量问题。若烘烤温度过低，则无法达到除湿作用。在条件允许情况下，建议在装配前烘烤组件，有利消除BGA的内部湿气，并且提升BGA的耐热性，减少组件进入回流焊受到的热冲击对组件的影响。BGA组件在烘烤后取出，自然冷却半小时方能进行装配作业。低温烘烤：烘烤温度40±5，相对湿度固定在5%R.H.以下，烘烤时间192Hrs正常烘烤：烘烤温度125±5，烘烤时间24Hrs。将待烘烤零件置于耐温>150以上之Tray盘后，始可送入烤箱烘烤。烘烤后，将该零件立即置入干燥剂与湿度指示卡，并真空封包保存。716F-2043.1.1.3. 组件拿取准则：任何情况下若要拿取IC组件，应在ESD-safe情况下方可拿取(静电帽、静电服与静电手环等释放静电)。拿取组件时应该拿取组件之四周以避免手指直接接触到导电处(锡球或pin脚)。3.1.2. 印刷电路板印刷电路板及其表面涂层对于暴露环境中的温度及湿气相当敏感，易造成焊点氧化或基材吸湿等问题。因此，需随时以真空封装状态存放于恒温恒湿的环境内，以免造成未来生产时的影响。3.1.2.1. 印刷电路板储存/取用在电路板进料时、检验后及生产前，均需使用真空包装，并储存于温2030、湿度60% RH 以下的环境，避免吸湿及氧化现象的产生（可参照707-F201 PCB空板库存管理作业程序）。另外由于储放时间的限制，电路板也需确实落实先进先出（First In First Out，FIFO）物料管理制度，且当PCB拆封后超过24小时或未开封置放超过六个月，即须需进行烘烤作业（条件为温度110±5，4小时），以确保将电路板中的湿气充分排出，避免未来生产时造成不良的影响，进行烘烤前，需考虑焊垫表面涂层是否合适（可参照904-F212 PCB烘烤作业标准）。3.1.2.2. 电路板组装制程搬运准则在生产开始前，须确认是否所有PCB有保持原真空包装，生产前才可将电路板拆封，且数量以生产2个小时的用量为限，并确认正反两面料齐始可上线，不可第一面先行组装，而暂存等待第二面上线。生产作业环境之温度需控制于1828、相对湿度3060%之间，生产中若因印刷不良或其它因素，需清洗的生产用板，必须在30分钟内完成清洗，并于8小时内需完成SMT 制程。对无铅焊接而言，回焊炉温度中电路板最高温度需介于230250。所有需拿持 PCB 之人员，均需穿戴静电防护手套，防止静电对电子组件产生不良影响。搬运时以拿持电路板长板边为原则，不可直接触摸板内焊垫，避免板弯及污染的发生。（904-F204纬创新竹厂有机焊锡性保护剂电路板生产作业规范）3.1.3. 锡膏材料锡膏对于暴露环境中的热、空气、潮湿都相当敏感，热会引起助焊剂与锡粉间的反应，也会导致助焊剂与锡粉分离，易产生干燥、氧化、吸湿等问题，而造成锡膏表面发生结块。因此，需以密封状态存放在恒温，恒湿的冰箱内。存放温度太高，锡膏中的合金粉未和助焊剂起化学反应后，使黏度上升而影响其印刷，温度过低，助焊剂中的松香成份会产生结晶现象，使得锡膏恶化。在暴露到空气前温度应该与周遭环境温度平衡再行开启，这样可以避免发生结露。如发生结露锡膏回焊时易产生锡珠，但也不可用加热的方法使其回到室温，这会使锡膏质量劣化 2006, 林定晧。3.1.3.1. 锡膏中黏度(Viscosity)之影响锡膏是一种具有抗垂流性（Thixotropy）的流体；当所受之剪应力增加，其黏稠度便降低；而当剪应力移去，其黏稠度又逐渐回复原本的状态。影响锡膏之黏稠度的因素包括助焊剂中之固体成份、焊锡颗粒的数量、大小及形状、及添加在锡膏中使其具抗垂流性的物质。黏稠度是一种对温度变化敏感的特性，当在较高温环境下，黏稠度会显著地较低。因此，锡膏之涂布必须在控制温度的环境下进行，以控制其黏稠度的变化。若黏稠度太高，便不易印刷适量的锡膏，而造成入锡量不足，在回流焊接时便会发生空焊；若黏稠度太低，则易印刷过量的锡膏，过量的锡膏在回流焊接时容易造成相邻的焊点接触，发生锡桥而造成短路 1998,高正翰。3.1.3.2. 锡膏中黏滞力（Tackiness）之影响黏滞力（Tackiness）乃是锡膏在置放上组件后到回流焊接前抓住（黏住）组件的能力。锡膏的黏滞度可作为锡膏涂布后之寿命的一项指标。在表面黏着制程中，若锡膏涂布后到回流焊接的时间过长，则应清除旧的锡膏，重新印刷新鲜的锡膏 1998,高正翰。3.1.3.3. 作业注意事项锡膏进厂管制应即贴上锡膏使用管制Label并保存于28冰箱中，使用时应先进先用依序号取用和填写锡膏冰箱储存记录表。锡铅锡膏之成份须加以标示，并需与无铅锡膏区隔储存。未开瓶之锡膏在防潮箱内可保存1个月。若因停线使得取出之锡膏未用完，则应转线用掉，无法转线则须标记，放回防潮箱待下次上线优先使用，若超过24小时，即应报废。锡膏使用前必须取出于防潮箱中回温，依先进先用之顺序拿取一瓶，回温至少四小时，使用锡膏搅拌机适当之搅拌（请参阅搅拌机操作标准）。搅拌时间不可过长，因锡粉末中粒间摩擦，使锡膏温度上升，而引起粉未氧化，其质量特性变化，黏度降低。锡膏设定搅拌时间分别为Shenju 1.5 min；Kester 0.5 min；Shenmao 1.5 min；Ishikawa 0.5 min，详细作业注意事项请参照SMT制程管制办法702-F208。3.2. SMT制程参数之制定准则3.2.1. 锡膏印刷锡膏印刷是表面黏着(SMT)过程中，透过印刷机快速且一致的将焊接材料经由钢板开孔转印至电路板(Printed Circuit Board；PCB)上，后续经由零件置放与回焊制程即可完成简易之电路板组装制程，详细请参考新竹厂SMT设备操作作业规范901-F214。3.2.1.1. 影响锡膏印刷之因素SMT之锡膏印刷为影响产品组装质量的重要制程之一，焊锡性不良除了焊锡材料及零件以外，其它大部分是锡膏印刷制程(Solder Paste Printing Process)。其主要影响锡膏印刷之因素为：1. 锡膏印刷机，2. 锡膏(锡粉与助焊膏)，3. 钢板，4. 印刷电路板，5. 制程参数，6. 作业环境(温度与湿度)。3.2.1.2.