FPC与陶瓷板高温热压工艺开发

文章类型：SMT

前言

热压是一种在手持产品，模块，打印机和消费电子产品中广泛应用的普通工艺。 但是基于安全和可靠性的原因，在一些特殊的产品应用中需要对陶瓷板和FPC 进行热压并要求承受220℃以上的工作温度。为了解决高温、陶瓷板的破裂、FPC表面炭化和狭窄的工艺窗口等一系列挑战，需要开发特殊的热压工艺。

本文介绍了陶瓷板和FPC的热压工艺开发过程，通过评估选出了一种高温无铅锡膏用于该热压工艺，并通过DoE对工艺窗口进行了优化以确保足够的剥离强度。

一、高温无铅锡膏的评估

根据对现有无铅合金成分的调查， 和实际SMT设备能力以及相应原材料价格评估， 当前只有锡-锑合金成分是最为理想的选择， 它可以满足产品的高温(230ºC~250ºC)使用要求。

两种锡-锑合金成分的锡膏被列为评估对象，其评估内容主要有:

1. 可印刷性测试

2. 塌陷测试

3. 润湿性测试

4. 焊球测试

5. 剥离强度对比

两种锡膏材料A与B均可通过印刷性测试， 塌陷测试， 润湿性测试， 焊球测试， 剥离强度测试， 但材料B剥离强度相对较高，所以确定选用材料B锡膏。

二 、焊盘与网板开口设计

三、锡膏印刷

锡膏体积是衡量印刷状况的关键因素，以 ±50% 网孔体积作为衡量标准。并采用自动锡膏检测仪SPI来监督印刷品质以保证焊接需求。

四、 回流焊接

由于陶瓷板上并无其它电子元件， 所以印刷后锡膏的回流曲线主要参照锡膏本身的规格特性， 尤其是液相线以上的时间， 最高温度， 升降斜率控制等。

五.、焊盘与网板开口设计

 1.热压焊接流程

• 将助焊剂涂抹到陶瓷和FPC焊盘上。所选的助焊剂是一种无卤， 低残留， 无需清洗的ORL0类型助焊剂， 另外为了满足过高的预热要求， 陶瓷板与FPC焊盘都将涂抹助焊剂以保证焊接的活性。

• 使用底部加热器对陶瓷板进行充足的预热。

• 通过定位针和定位孔对FPC与陶瓷板焊盘进行对位。

• 实施热压焊接。

• 品质检验

 2.陶瓷板破裂预防措施

3. FPC表面碳化的解决方案

  4.焊接参数定义/DOE

为了能在狭窄的工艺窗口内获得最佳的工艺参数， DOE的实施必不可少。下图展示了DOE的实验计划， 其响应值为FPC剥离强度。 实验因子主要有温度， 时间， 压力，每个因子各有两种水平。

根据实验计划得到8组不同实验条件下的实验结果， 每组数据都来自16个独立样品的平均值。

由于实验因子间存在交互作用， 所以必须起用优化器进行参数筛选和对相应的实验结果进行预测。

下图是实验的最优参数组合 (压力: 160N， 时间:4s，  温度: 280℃)和实验预测值， 以95%的自信度认为此组参数所获得的样品焊接剥离强度将会在4.02919N到 9.07331N之间。

 5. 确认实验

确认实验的目的是为了验证最优参数是否可靠。 通过对本次确认实验的结果分析， 其剥离强度都落在预测范围内(4.02919N 到9.07331N)， 并且有些样品的剥离模型发生在FPC焊盘上， 说明FPC与陶瓷板之间的焊接强度十分牢固， 最优参数理想可靠。

通过2D响应曲面分析可以得到有效的工艺参数窗口，而且剥离强度达到5N以上(满足相关标准)。

六、焊接质量检查

利用X-Ray、 染色实验、切片分析等方法评估焊接品质，以确保无任何短路，开路，虚焊等焊接缺陷。

 1. X-Ray的观测图象证明焊接无短路和空洞等缺陷。

 2.红墨水染色实验显示焊盘间无颜料污染， 说明FPC与陶瓷焊盘间焊接紧密无任何缝隙存在。

 3.切片分析检测IMC的厚度为2.4um， 证明当前锡-锑合金与ENIG焊盘的焊接良好。

七、结论

• 锡-锑合金锡膏能够运用到一些高发热电子产品，而且可采用热压焊接工艺连接软硬板。

• 采用底部加热器对陶瓷板进行预热，不仅能有效提升焊接质量， 而且可避免陶瓷板的破裂。

• Teflon胶带的缓冲可避免高温热压头直接接触FPC，并均衡热量分布， 可防止FPC表面碳化/分层，提升焊接质量。

• 可使用DOE工具优化工艺窗口， 改善焊接品质。

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