Ron博士如何最大程度减少葡萄珠效应

时近年关，铟泰公司除了向您献上最真挚的祝福以外，还不忘春节前的最后一期推文中为大家带来“技术干货”，下面咱们一睹为快吧！

电子设备小型化持续推动对更小有源和无源器件的需求。这为符合RoHS标准的无铅电子组装带来了更多挑战。

随着锡膏沉积尺寸的减小，暴露在空气中锡粉的表面积显著增加，与之相对的是用于去除锡粉表面氧化物的助焊剂的量却在减少。再加上常用无铅合金回流较锡铅合金需要更高的温度，更容易出现葡萄珠效应缺陷。回流过程中，助焊剂粘度会随着温度提高而降低并向下、四周扩散，使得锡粉暴露在锡膏顶部。如果没有助焊剂保护，在进入回流升温或保温阶段时，这些暴露锡粉被氧化而无法聚合熔入焊点并呈现出类似一串葡萄现象，所以被称为“葡萄珠效应”。如何避免葡萄珠效应的出现呢？

图1：葡萄珠效应

面积比和转移效率

预防葡萄珠效应的第一步，首先要保证有好的印刷结果。而钢网开孔的面积比(AR)是决定印刷质量的关键指标。AR的计算方法是把钢网开孔的面积除以开孔侧壁的总面积。图2列出了正方形、矩形和圆形开孔AR的计算公式。通过简单的计算可以发现，AR计算公式可简化为圆的直径(D)除以4倍的模板厚度(t)或AR=D/4t，这与正方形AR公式是一样的，D就相当于正方形的边长。而矩形开孔的AR公式稍微复杂一点：LW/2(L+W)t，其中L和W是矩形的长和宽。

图2：矩形和圆形孔径的孔径示意图

PS：一般来说，要想获得好的印刷效果，AR值必须大于0.66。经验表明，如果AR0.66，转移效率可能降低且不稳定。但随着锡膏技术的进步，这种情况已经有所改善。

转移效率是另一个关键指标。转移效率的计算方法是用锡膏实际体积除以开孔的理论值。为了满足小型化带来的细间距印刷要求，或优化印刷工艺，越来越多的应用开始（或不得不）使用更细的锡粉（如6号、7号粉）以确保印刷的转移效率。然而，随着锡粉尺寸的减小，暴露在外的锡粉总体的表面积是增加的。随着表面积的增加，总氧化物也增加了。表面氧化物的增加对助焊剂去除氧化物提出更高的要求，并要保护锡粉、元件和电路板焊盘的表面不会再次被氧化。

以3mil厚钢网，6mil正方形开孔和6mil圆形开孔为例，两者的AR都是0.50。方形开孔锡膏体积约为立方密耳，而圆形开孔的锡膏体积只有85立方密耳。使用方形开孔可得到更多的锡膏，进而有助于减少葡萄珠效应。更重要的是方形开孔提高了转移效率，印刷结果更加稳定，进一步降低了因锡膏量不一致而导致的葡萄珠效应的发生。

SMD与NSMD焊盘

实验表明，有阻焊层设计的基板SMD焊盘不易出现葡萄珠效应问题。这是因为阻焊层相当于屏障（类似于坝），限制了助焊剂在加热过程中的扩散，不会发生上文所述因助焊剂量不足而导致去除氧化能力不足和锡粉再次被氧化的问题。阻焊层还可以阻挡锡粉坍塌，使得锡粉免于氧化。

水洗与免洗

免洗助焊剂通常是松香或树脂基（以下简称树脂）。由于树脂难以溶于水，因此，在水洗助焊剂中，通常会使用高分子化合物（如聚合物）。助焊剂配方中的活化剂用于去除焊接面和锡粉表面的氧化物。在回流过程中，焊接面和锡粉不可避免会出再氧化的情况。免洗助焊剂中的树脂具有出色的氧化阻断性能，但水洗助焊剂配方中树脂的缺乏导致在抗氧化性方面存在不足。因此，对于相同的回流条件下，尽管水洗锡膏的活性更强，但由于其在抗氧化性能方面的弱势，使其在长或保温型回流曲线中更为敏感，也会增加葡萄珠缺陷的发生率。

线性与保温型回流曲线

在过去的很多应用中，保温型回流曲线十分常见。现在，工程师开始选择使用线性曲线(RamptoPeak,RTP)。主要原因是无铅焊料需要更高回流温度，因此需要减少锡膏、热敏元件和电路板的总热暴露量。保温型曲线的另一个好处是减少空洞。然而，由于无铅焊料的表面张力增加，对无铅焊料的空洞改善效果十分有限。

为最大程度地减少葡萄珠效应，可以使用相同的液相线以上时间(TAL)和峰值温度，但缩短整体回流时间，如图3所示。保温曲线通常比RTP曲线更容易产生葡萄珠效应。回流总时间的增加，葡萄珠效应会更严重。通常建议采用1°C/秒的升温速率（从室温到峰值温度），约为3分40秒达到°C的峰值温度。

图3：无铅回流曲线

结论

为减少葡萄珠效应，印刷和回流工艺的优化至关重要。使用较高面积开孔的钢网、良好的工艺和设备，以确保转移效率。尽管圆形和方形开孔的面积比是一样的，但由于圆形开孔转移效率低，可能会增加葡萄珠效应的发生。

从回流的角度来看，建议减少总热量输入（或更短整体回流时间）。升温速率约为1°C/秒的RTP型曲线。

锡膏材料本身也会影响葡萄珠效应。比如，随着锡粉尺寸的减小和表面氧化面积的增加，葡萄珠效应更易发生。水洗锡膏由于不含树脂，抗氧化性能较弱，更容易出现葡萄珠效应缺陷。

铟泰公司杜绝葡萄珠效应解决方案

SiPaste?CHF

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SiPaste?CHF采取不吸湿配方，特别适用于SiP封装的细间距印刷；低空洞、高粘力，减缓基板翘曲带来的问题，对不润湿开路（Non-wettingOpen）有很大改善（如倒装芯片,CSP器件非常有帮助)；润湿能力强，杜绝葡萄珠现象；增强了抗坍塌能力，避免在细间距上出现桥接的问题。

LEDPasteNC38HF

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铟泰公司的LEDPasteNC38HF是一款免洗、无卤、专为Mini/MicroLED封装的细间距印刷开发的锡膏产品，具有：

●高转移效率，确保锡膏印刷的一致性；

●低空洞、高粘力、润湿能力强，杜绝葡萄珠现象；

●增强了抗坍塌能力，避免在细间距上出现桥接的问题；

●兼容SnAgCu、SnCu和SnSb等多种合金；

●5号（15~25um）、6号(5~15um)、7号（2~11um）锡粉可选。

Picoshot?NC-5M

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铟泰公司PicoShot?NC-5M锡膏是一款专门与Mycronic喷射点胶系统兼容的免洗无卤材料。且与Indium8.9HF锡膏兼容，是长效喷射点胶（焊锡膏）的最佳选择。PicoShot?NC-5M具有卓越的喷射点胶性能，其独特的抗氧化性能可确保回流过程中锡粉的完全聚结，从而消除葡萄珠及类似的回流问题。