--- 浅谈无铅焊时代对模板制造商的挑战

1. 无铅焊接对SMT模板设计及制造的新要求 ---浅谈无铅焊时代对模板制造商的挑战 深圳市允升吉电子有限公司 魏志凌

2. 概 述 无铅焊接技术在经过了长时间的宣传和推广之后，已经逐渐进入了实际应用的阶段。作为一项划时代的新技术，其牵涉的面非常广泛。材料、设备、工艺、PCB、元器件、装配等等。但业界主要的精力，似乎集中在无铅材料的组合、PCB的工艺、贴片精度的控制等等方面。而在装配领域，特别是模板设计领域，却甚少涉及。许多无铅焊料的制造商几乎都指出与有铅焊料相比，没有太大的变动。果真如此吗？本文以模板制造商的角度，仅就无铅浸润性较有铅焊料较差这一特性，分析无铅焊料对模板制造商的新挑战！ POWER STENCIL

3. 一. 无铅模板开口设计的常识及制造方法的选择 1.无铅焊膏和有铅焊膏在物理特性上的区别： 1). 众所周知，无铅和有铅最大的物理差别在于无铅焊膏的浸润性远远低于有铅焊膏; 2).无铅焊膏的助焊剂含量通常要高于有铅焊膏; 3).由于缺少铅的润滑作用，焊膏印刷时其下锡能力比有铅焊膏差; 2.无铅焊膏对SMT的新要求: 1).模板开口设计 基于无铅焊膏浸润性较差这一特点，主要考虑印刷后的焊膏要尽可能完全覆盖焊盘。因此，开口设计通常要比有铅大，而不必担心有铅时焊膏量大而引起的短路现象。 POWER STENCIL

4. 一. 无铅模板开口设计的常识及制造方法的选择 ⅰ).对于Pitch>0.5mm的器件 一般采取1:1.02 – 1:1.1的开口，并且适当增大模板厚度，适当放大开口尺寸而不必担心短路。 ⅱ).对于Pitch≤0.5mm的器件 通常采用1：1开口，原则上至少不用缩小. ⅲ).对于0402的器件 通常采用1:1开口，为防止墓碑、回流时旋转等现象，可考虑内侧加开小三角、半圆等； 2).宽厚比和面积比 由于无铅焊膏下锡能力较差，对模板开口孔壁光滑度和宽厚比/面积比要求更高，要求宽厚比＞1.6 面积比＞0.71 ; POWER STENCIL

5. 一. 无铅模板开口设计的常识及制造方法的选择 3).对贴片机的要求 精度要求更高。因为无铅的低浸润力性问题。回流时自校正（Self-align）作用非常小，因此，贴片精度比有铅时要高。 4）对回流焊的要求 ⅰ）温度更高，这是无铅较高溶点的要求; ⅱ）预热区要求更高 ⅲ）冷却效率要高 POWER STENCIL

6. 一. 无铅模板开口设计的常识及制造方法的选择 3.制造方法的选择 众所周知，开口设计是决定宽厚比和面积比从而决定焊膏转印率的关键。因此。科学合理的设计模板是SMT工艺成功的关键。充分和完善的开口设计并考虑到PRC（工艺规则检查和优化）的需求。是整个SMT工艺规划和优化的关键。但是，对于模板而言，其不同的制造方法带来的不同结果，对我们具有非常重要的指导意义。以0201的器件作为例子，有资料显示，蚀刻、激光+电抛光、电铸的转印率在同样开口设计的情况下，分别有5%的差别。也就是说电铸的转印率最高。更为重要的是，在上述情况下，印刷结果的Cpk值，电铸最高。也就是说电铸的印刷质量最为稳定。这也是为什么电铸一直是模板最高制造工艺的原因。对越小的器件，Cpk值也就是印刷的稳定性就越重要。对于无铅焊接来说，电铸的重要性也就不言而喻了。所以，作为一个SMT模板制造商，具备完善的电铸制造工艺，无疑也是为了迎接无铅时代的来临所应具备的基本能力。 POWER STENCIL

7. 二. 无铅模板面临的新问题 以上简述了业界现行的针对无铅焊膏而采取的一些通常做法。但是否万事大吉了呢？让我们来分析一下模板制造过程中的问题： 1.模板制造设备的精度 在业界制造模板的设备几乎都是德国LPKF制造的激光切割机，从设备标称精度来看， 1).定位精度：≤3μm，重复精度≤1μmm； 2)开口精度未作描述 象贴片机的精度描述一样，一般规格标称±0.03mm（3σ下）可以用于Pitch 0.3mm的IC的贴片。也就是说规格标称精度与实际操作精度是有一个数量级的偏差的。模板切割设备也有相似的规律。至于开口精度为什么厂家未做明确说明，个中原因其实是设备参数的调整直接影响开口尺寸的最终精度，可控因素太多的原因。 POWER STENCIL

8. 二. 无铅模板面临的新问题 本文仅以一个例子来说明实际模板定位精度的偏差。在切割过程中，考虑到电抛光等后工序的原因，通常采用切割时夹持钢片切割，然后后处理，最后绷网的工艺。而不采用先绷网后切割的流程，而切割机夹持钢片是两个方向气动夹持而非四个方向气动夹持。另外两个方向处于自然松弛状态，但后工序绷网时，是四个方向且张力达到38N/cm以上。因此，模板在两个方向最终的定位精度是有较大差别的。我们经过测量，最大的差别可达到40μm，这就是我们所说的最终产品误差。这样数量级的误差，对于有铅焊接来说，因为其较大的浸润力，不会带来太大的影响。但对于无铅，也许就是致命的问题了。因为模板的定位误差以及贴片的综合误差是不可能指望回流时的焊膏浸润力和Self-align来自动调整的。 POWER STENCIL

9. 二. 无铅模板面临的新问题 再谈谈开口尺寸的精度问题。模板制造商通常采用分辨率10μm的刻度显微镜来检验开口尺寸。这种方法人为因素很大，不足以满足无铅的要求。我们用二维坐标仪来检测刻度显微镜的误差，可达到20μm以上。如果这个误差和上述的定位精度叠加，后果更是不可想象。 POWER STENCIL

10. 三. 模板制造的过程控制和管理问题 模板制造的特点： 1) 客户多 2) 多品种、单件生产 3) 特殊要求多 上述特点决定了模板制造商必须具备以下能力： 1）灵活的工艺管理能力； 2）严格、有效的流程控制体系 3）针对多客户以及单客户多要求的无差错管理模式 上述能力对无铅的高精度要求更为突出。 POWER STENCIL

11. 四. 无铅模板对质量控制方法和手段的新要求 为了达到无铅模板更高精度的要求，传统的质量控制方法显然已经不能满足要求，而下述的基于统计的闭环质量控制体系是必不可少的手段。 1)测量系统的评估MCA（Measurement Capability Analysis 以前的测量设备和系统仅一年一次送国家计量局检验的做法，是远远不够的。我们还需要更科学的、统计的方法。必须对由测量仪器/测量软件/测量操作人员/被测量物/测量方法/测量环境组成的整个测量系统进行综合评估，用统计数据来验证我们的测量设备适用于测量的要求。测量能力分析MCA指标包含准确度（Accuracy / Bias）/重复度（Repeatability）/再现度（Reproducibility）/GAGE R&R。 POWER STENCIL

12. 四. 无铅模板对质量控制方法和手段的新要求 2)测量系统的控制MCS（Measurement Control System） 经过上述评估验证的测量系统和设备是否稳定，它们能用于日常生产的测量吗？ MCS同样是以数据为基础的评估与管理体系，内建于日常生产的管理当中。而不是传统的测量设备定期送计量所计量，而本次计量和下次计量之间对该测量设备的能力和状况处于“开放”的状态。 MCA和MCS是测量系统的评估、论证和控制的闭环体系，是基于统计数据的、与管理者无关的重要质量控制手段，测量系统的稳定性等状态处于时时受控状态。对于无铅模板来说，用这样的测量系统来进行产品控制才能做到心中有数。 POWER STENCIL

13. 四. 无铅模板对质量控制方法和手段的新要求 3).统计过程控制SPC（Statistical Process Control） 不少企业已经开始引入SPC，作为模板制造商，为了更好的配合上游用户的管理发展，SPC的引入也是必须的。设想一下，经过SPC培训的模板用户，能相信一个传统的模板销售员跟他介绍：我们的模板精度比别人的高，能达到1μm的精度。这样的陈述实际上是不科学的，也是没有说服力的,只能是贻笑大方。在讲任何参数指标时，应提供测量仪器评估结果及现状，以及参数的规格限（USL/LSL）/控制限（UCL/LCL）/Cpk等相关说明，现代质量管理体系，强调的是DBD（Data-Base Decision）即以数据为基础的决策。数据来源的真实性由上述的MCA和MCS保证，而对这些数据的分析，则是基于统计学的基础。这样的分析才是科学的，由此而产生的决策才是正确的，完善的。 POWER STENCIL

14. 四. 无铅模板对质量控制方法和手段的新要求 4).缺陷模式及其影响分析（Failure Mode & Effect Analysis）及结构化的RFC（Response Flow Chart） 整个模板制造过程的潜在缺陷模式的建立以及对其定量的分析评估体系，是保证模板质量长期稳定的有效手段，由FMEA而产生的结构化的RFC及纠正预防体系的维护、跟踪的闭环控制体系，是整个质量体系的重要实施保障。 POWER STENCIL

15. 四. 无铅模板对质量控制方法和手段的新要求 例如：针对激光切割机激光灯管坏这种缺陷模式的RFC如下图: 缺陷模式 可能的原因 行 动 更换灯管 调Focus，切割样品，QC确认 灯管使用寿命到 激光灯管坏 通知采购 采购通知供应商，并改善措施及效果 灯管质量有问题 。。。。。。 POWER STENCIL

16. 四. 无铅模板对质量控制方法和手段的新要求 5）严格的、行之有效的更改控制体系CCB（Change Control Board） 质量体系和制造过程、原材料的控制体系一旦建立，对其所做的任何更改必须同样建立在DBD的基础之上，而不是各级管理者的随意行为。因此，必须建立严格的，行之有效的CCB系统。这样才能保证长期稳定的质量和安全可靠的更改。 POWER STENCIL

17. 五.无差错的模板制造过程控制体系的建立 针对模板产品的多客户、单件定制的特点，必须抛弃传统的人为管理模式。而先进的以计算机数据库为基础的工艺知识库的管理以及模式识别算法是必要的手段，这包涵两方面的内容和涵义： 1.客户通用制造要求的管理 为防止客户太多，管理人员的人为错误，对客户的通用规范，如：铝框尺寸、钢片大小、丝网材料、张网工艺、清洗要求以及商务要求如：联系人、收货人、发票类型、付款方式等进行以数据库为基础的工艺知识库管理，用客户代码就可以准确无误地对这些通用规范进行查询、操作及维护，防止张冠李戴等低级的人为的错误。 POWER STENCIL

18. 五.无差错的模板制造过程控制体系的建立 2.客户开口方案的工艺知识库管理及计算机模式识别算法 准确无误地按客户的要求制造出客户所要求的模板是对模板制造商最重要也是最基本的要求。但不幸的是由于模板多客户单件生产的特殊性，往往容易造成整个环节的质量事故。究其原因，根本还是在于缺乏行之有效的先进手段，再加上人员的流动，传统意义上的模板制造商对客户的资料和要求几乎全是人为的管理，这是模板制造商必须攻克的难关。 这个问题的解决，如果仅仅立足于管理和对员工的教育几乎是不可能的。特别是无铅时代的来临，模板开口多样化及高准确性的要求，使得光靠员工的自觉性和认真程度永远是低级而且被动的管理手段。因此，必须采取先进的手段和方法来解决问题。 POWER STENCIL

19. 五.无差错的模板制造过程控制体系的建立 1)网络环境的计算机图形数据库的引入和建立 建立网络环境下的图形化的、开放的、多重的开口方案工艺知识库，以客户代码为索引，建立不同客户的开口方案库。该工艺知识库库是多重定义的，即针对同一种器件可以有多种模板的开口设计。比如0402的器件，可以定义电阻、电容、MELF等不同的开口方案，甚至同一种封装的同种器件，还可针对不同的生产厂家进行开口方案的定义。也可以跟客户的MRP系统接口，直接按客户的PN（Part Number）来定义开口方案，绝对准确无误。 2)计算机模式识别算法的引入 建立了上述的工艺知识库以后，用计算机模式识别的手段，自动识别客户的模板数据文件中的器件封装并用上述开口方案工艺知识库中的图形自动替换模板数据文件中的器件，整个过程无须人工干预，全自动准确无误的完成。整个过程可用下述流程进行比较： POWER STENCIL

20. 五.无差错的模板制造过程控制体系的建立 传统的软件工具逐一器 件修改 客户数据 输出模板数据 所有修改不具备电子文档化的可追溯性及共享性 传统的人工修改及方法 客户工艺知识库维护 客户模板数据 自动识别 输出模板数据 一经维护，具有可追溯性和共享性 工艺知识库为基础的模式识别 POWER STENCIL

21. 五.无差错的模板制造过程控制体系的建立 3、先进的模板制造过程控制 模板工艺的多重性加上其单件定制的特点，使得模板制造的过程控制难度非常大。一个模板制造商一天要完成几十甚至上百的不同要求的产品，完全靠员工人为的完成是很难达到高质量、高准确性要求的。因此必须建立先进的、完善的过程控制模式和手段，尽量避免单件多品种的人为错误，确保每一件产品一次成功。 1）完备的客户制作要求确认流程，根据客户的已有规范和工艺知识库的记录，结合本次产品的特殊要求，确认本次产品的所有制作要求。 2）确定工艺流程 建立工艺流程规范，并且可根据客户要求而灵活调整。一经确定，各工序自动获取相关信息、完成时间等等。 POWER STENCIL

22. 五.无差错的模板制造过程控制体系的建立 3）背靠背的过程控制 上述客户制作要求和工艺流程，一经确认，将形成一整套背靠背的流程图。使产品在不同工序流动时，操作员工将看不到已经经过确认的客户确认表。但可以调出客户的工艺知识库和本次产品的要求。根据这些信息，操作员工作出相应的反应和操作动作，并输入计算机。如果这些反应和动作与上述的客户资料确认表完全匹配，则该次操作有效。而一旦不匹配，则流程暂停，并且产生一个记录，相关人员再次检查确认后方可继续进行。每一个相关工序都会经过这样的过程，使得工序之间的检验和核准成为可能。至于最为关键的FQC，更是对整个客户确认表的最终背靠背检验，其针对实际最终产品的检验的结果自动跟质量管理体系中的合格率管理（Yield Management），纠正预防措施体系Correction & Prevention Management)、FMEA及员工奖惩体系自动关联。真正实现了先进的计算机网络环境下的模板制造无缝管理。也是为了迎接无铅时代对模板设计、制造的高标准、严要求的迫切需求而进行的必要准备。 POWER STENCIL

23. 结束语 1.限于篇幅，本文对质量管理体系的论证不可能过于详尽，其本身就具有一整套完整的理论与实践相结合的内容。本文仅就跟无铅有关联的要求进行了简短的阐述; 2. 关于网络环境下的模板开口设计工艺知识库的内容以及图形环境下的计算机模式识别方面的内容，可访问我公司的网站中关于PowerCAM和 StenCIM3软件的介绍； 3. 关于模板过程控制方面的内容也是我公司针对模板制造的特点结合PowerCAM和StenCIM3开发的SMT模板先进制造系统PowerManager里的内容，限于篇幅也不可能详尽介绍，欢迎有兴趣的同仁来我公司参观访问并提宝贵意思。 POWER STENCIL

24. 结束语 4.针对无铅模板设计方面的更高层次的论述。例如，模板设计的工艺规则检查（PRC：Process Rule Check）以及针对模板设计过程中有关IPC7525标准的自动检查与分析，请参阅作者论文：《工艺规则检查在SMT模板设计制造中的重要性及其应用》，（请访问网站：www.powerstencil.com并下载）。 附录一：无铅模板质量控制体系 附录二：先进的模板制造过程控制体系 POWER STENCIL

25. 附录一：无铅模板质量控制体系 MCS测量控制系统 MCA测量能力评估 MCS测量系统监控 PCS 过程控制系统 -FMEA缺陷模式影响分析 -EPC 零漂移控制 -CCB 更改控制 -CAR纠正行动 -SPC统计过程控制 -PCP 过程统计计划 -OOCAP OOC 行动计划 -RFC 响应流程图 -能力cpk ooc(out of control -稳定A Stable System -合格率yield management POWER STENCIL

26. 附录二：先进的模板制造过程控制体系 Process control system 制程控制系统 Quality management system 质量管理系统 Material management system 物料管理系统 Order management system 定单管理系统 Statistical analysis system 统计分析系统 Purchase management system 采购管理系统 Store management system 仓库管理系统 StenCIM3 模板制造管理专家系统 Equipment Management system 设备管理系统 POWER STENCIL