回流焊温度下线路板及零配件的共面性测量

By 張興隆

隨著細間距元件應用日趨廣泛，元件與線路板之間的共面性變得愈加重要。過去的標準規定線路板由於翹曲而造成在垂直方向上的偏移不能超過板子對角線的1%，但現在設計人員可能要把這個標準提高至0.3%。不僅如此，線路板上一個焊盤局部的平整度可能更為重要，因為對連接面陣列元件和焊盤的焊球尺寸要求很嚴，而且PCB上某個焊接區域的平面度與整塊板的平均平面度關係並不是很大。

與此同時，人們也逐漸開始關注新型器件的平整度。比如CSP，盡管面積很小但共面性問題已經引起了工程師的注意；另外像倒裝晶片中裸片的中部向上拱起也是一種普遍現象。

生產技術人員現在遇到兩個新問題，都會影響上面提到的共面性。一個是使用無鉛焊料需要更高的焊接溫度：採用常規Sn/Pb焊料時回流焊爐的最高溫度約為225℃，但是無鉛焊料通常要達到260℃左右，而高溫會增加線路板和元件的翹曲程度。

同時線路板材料也在不斷改變以便適應更高的焊接溫度，這個溫度剛好超出FR4材料允許的範圍。雖然這些材料能夠承受260℃高溫，特別像特富龍(teflon)或尼龍材料的翹曲特性似乎還與FR4很相似，但是進一步研究則可能發現它們的性能有很大不同。所以有專門針對高溫設計並具有不同熱位移反應的新型混合材料，它們將來用在各種元件上的機會非常大。

而在生產方面，既面臨著越來越高的間距要求，又要面對新型材料，所以對線路板和元件的共面性進行測量是一個明智的做法。總的來講，由於共面性控制不良而造成的危害主要有兩類：一類是藉由電性能測試即可發現的缺陷，另一類則是因為產生了應力而在正常使用中經歷高低溫變化時出現問題。

如果按照以前對印刷線路板平整度的看法(比如垂直偏移允許不超過板子對角線的1%)，那麼在用到細間距或其他新技術時會很容易引起嚴重誤解，人們會認為某個面陣列元件區域的翹曲與整個板的翹曲度成正比。實際上元件局部區域的偏移不一定與整板平均值相同，而且某個點的翹曲可能會對焊點連接造成嚴重影響。

測量技術

人工測量板子翹曲度的標準方法是將板子的三個角緊貼桌面，然後測量第四個角距桌面的距離。這是一種很有效的粗略計算方法，它可以找出可能引起生產線阻塞的嚴重翹曲板，或者插孔與元件管腳不平行的板子。但是這種粗測的結果精確度太差，例如它不能保証BGA與PCB上與之相連的區域有足夠的共面性能使其焊接均勻並保持長期可靠性。

用固定三個角的方法不能取得精確測試結果的原因很簡單，因為三個角的選擇存在較大的主觀性，對於同一塊板選擇的角不同，測量結果就可能不同。更重要的是，翹曲是一種三維現象，在將三個角固定在一個平面的過程中會有某些力作用於板上，而這些複雜的作用力對沒有固定的第四個角的影響很難估測。因而測量非固定角的高度可以知道板子是否會影響生產，但並不能說明高密度器件可否很好地焊接在板子上。

更有效的方法是應用波紋影像技術。在被測板的上面放置一個每英寸100線的光柵，另設一標準光源在上方以45℃入射角射到光柵與板子上。光線藉由光柵在板上產生光柵影像，然後用一個CCD攝像機在板子的正上方(0℃角)觀察光柵影像。在整個板面上可看到兩個光柵之間產生的几何干涉條紋，這種條紋顯示了Z軸方向的偏移量。

條紋的數量可以數出，然後用下面的公式算出板子的高度：

W=P/(tan a + tan b)

其中P是光柵間距(線與線之間的中心距)，a是照射角度，b是觀察角度。

但是對條紋進行觀察和測量並不能直觀表示出實際的翹曲情況。三維數據要藉由一系列複雜算法計算出，用這種算法可將條紋圖像轉化為偏移數據。附圖顯示了用這種方法觀察線路板、元件及未貼裝元件的翹曲情況。

光柵影像技術還可測量線路板和元件在回流焊溫度下的平面度，藉由模擬回流焊溫度觀察和測量溫度變化時的翹曲情況，而其他方法則無法進行此類測量。

在許多場合，某一個焊盤區或某個元件在回流焊之前及之後的室溫下都非常平整，但仍然會出現焊接問題。圖1是在回流焊溫度下一個40mm BGA器件及其焊盤區域的圖像，這裏PCB(只顯示了相關部份)和元件分別在規定的回流焊曲線(峰值溫度225℃)下單獨觀測，並將結果記錄下來。

從圖中可以看出，回流焊使BGA和焊盤向相反的方向彎曲，所以回流焊過程會在焊球上產生很大的應力。

圖2所示的BGA在腳1處與鄰近焊盤出現大量橋連(焊盤圖像左邊綠色區域)。由於元件和焊盤區域在回流焊前後都是很平整的，所以引起橋連的原因讓人感到非常迷惑。但我們在模擬回流焊溫度(如圖1的做法)條件下對二者進行觀察，就

可以看見焊盤和BGA都出現了翹曲，最大垂直偏移從0.431mm到0.457mm。在多數焊接區域，焊球實際受到一個拉力，但是在腳1附近的焊球卻受到擠壓直到與旁邊的其他焊點連到一起。回流焊完成之後的冷卻過程中，溫度降到183℃時焊接突起開始凝固，橋連就成為永久性的缺陷。圖3表示缺陷形成過程。

知道了元件在回流焊過程中的這種特性後，生產製程人員就可以對製程進行調整以改善線路板和零配件的機械特性，從而優化製程，大大減少缺陷的發生。

光柵影像技術應用範圍非常廣，既適用於實驗室也可用於在線生產，它可以對整個線路板(不論是否已經組裝)、單個焊盤以及JEDEC盤中的元件進行測量。隨著線路板密度越來越高、尺寸越來越小以及無鉛焊料和無溴材料的採用，裝連精度成為影響利潤的重要因素，因此快速地測量這些參數也變得更加重要。