【正文】 1 訂定電子工業(yè)物料檢測標準 — 錫膏測試及評估程序研發(fā) 摘要 在政府推動成為科技島政策帶動下，電子構(gòu)裝及電子組裝產(chǎn)業(yè)已成為國內(nèi)的龍頭產(chǎn)業(yè)。在該產(chǎn)業(yè)競爭激烈的環(huán)境之中，業(yè)者無不積極提升其產(chǎn)品良率及可靠度。而電子業(yè)中錫膏乃是最重要的工業(yè)物料之一，錫膏之特性直接影響產(chǎn)品良率及可靠度。而業(yè)者在篩選適用于其生產(chǎn)環(huán)境與制程參數(shù)的錫膏物料時，往往耗費可觀的時間及金錢嘗試錯誤，卻不一定能找到適用的物料。 本研究旨在制定一套標準的錫膏特性之測試及評估程序，供業(yè)界作為物料篩選的準則。決定各測試項目及其參數(shù)，并評估各種國內(nèi)業(yè)界 普遍使用之錫膏種類，以實驗設(shè)計等統(tǒng)計方法對測試結(jié)果加以驗證。測試結(jié)果將供業(yè)者參考，以縮短物料篩選的時間，并改善其產(chǎn)品良率與可靠度，進一步提升我國電子業(yè)之競爭力。 關(guān)鍵詞：表面黏著技術(shù)、電子構(gòu)裝、電子組裝、錫膏、物料篩選、實驗設(shè)計 壹、緒論 一、研究背景與研究目的 近年來，亞洲電子構(gòu)裝業(yè) (Packaging)及組裝業(yè) (Assembly)已角足全世界。隨著大批主機板代工生產(chǎn)的訂單如排山倒海涌入，表面黏著技術(shù) (Surface Mount Technology / SMT)已成為臺灣業(yè)界耳熟能詳?shù)拿?詞。而 SMT技術(shù)的開發(fā)與研究，乃是電子產(chǎn)業(yè)長期競爭力的基礎(chǔ)。以目前最具潛力的筆記型計算機業(yè)而言，國際著名大廠分別委托國內(nèi)計算機業(yè)者代工生產(chǎn) (OEM)，國內(nèi)業(yè)者并大量提供其自己品牌的計算機。于公元 1999年以后，臺灣將生產(chǎn)并提供全球筆記型計算機總數(shù)量的二分之一強。 SMT制程相對于傳統(tǒng)穿孔式安裝更具挑戰(zhàn)性，因此業(yè)者必須更加謹慎地規(guī)劃其制程與選擇合適的物料，以提升產(chǎn)品良率 (Yield)與可靠度 (Reliability)。隨著產(chǎn)業(yè)外移與國際市場競爭的壓力，過去嘗試錯誤(Trial amp。 Error)并從中 加以改進的對策已不再可行。電子工業(yè)「物料選擇」及「制程優(yōu)化」的 “Know How”將是各國業(yè)界研發(fā)的重點方向。北美及歐洲如 Surface Mount International、 IEEE、 NEPCON等國際專業(yè)學(xué)術(shù)會議，以至臺灣工業(yè)技術(shù)研究院所主持的 SMTA (Surface Mount Technology Associate)，皆旨在提升業(yè)界制程能力，以因應(yīng)未來先進電子組裝 /構(gòu)裝技術(shù)的挑戰(zhàn)。 2 隨著大批代工生產(chǎn)的訂單涌入臺灣，加上本土計算機業(yè)的蓬勃發(fā)展，電子業(yè)已然成為臺灣重點工業(yè)之一。業(yè)者為保持其競爭力 ，無不致力于降低生產(chǎn)成本，并提升制程能力。工業(yè)物料，如錫膏 (Solder Paste)的質(zhì)量乃影響組裝質(zhì)量最重要的一環(huán)。反觀國內(nèi)業(yè)者對錫膏篩選的信息仍舊匱乏。 本研究旨在制定一套標準的錫膏測試 /評估程序，供業(yè)界作為物料篩選的準則。本研究將決定影響產(chǎn)品良率及可靠度的各測試項目及其參數(shù)，并評估各種國內(nèi)業(yè)界普遍使用之錫膏型號，測試結(jié)果將供業(yè)者參考。本研究提供一套 SMT工業(yè)物料篩選的準則，進而幫助業(yè)者改善其組裝良率與可靠度，以提升本國電子組裝業(yè)的競爭力。 二、表面黏著技術(shù)簡介 由于消費者偏好于體積小、重量 輕的電子產(chǎn)品，電子業(yè)者無不絞盡腦汁思考如何在最小面積的印刷電路板 (Printed Circuit Board)上布置最多功能的組件 (Component)，利用表面黏著技術(shù)取代傳統(tǒng)穿孔制程的組裝方式因而日益普遍。 一般而言，表面黏著制程可分為以下三階段 [1, 2]： (1) 鋼板印刷 (Stencil Printing) 以鋼板印刷機上的刮刀將錫膏經(jīng)由鋼板孔洞 (Stencil Aperture)，涂布在印刷電路板上相對應(yīng)的銅墊上。移去鋼板后，錫膏便以適當(dāng)?shù)男螤盍粼阢~墊上。 (2) 組件置放 (Component Placement) 組件置放機 (Placement Machine)上的取置吸嘴將組件自供料站 (Feeder)上拾起，經(jīng)過影像對位處理后，以恰當(dāng)?shù)膲毫⒔M件置放在正確的位置上，即使得每一組件接腳皆與相對應(yīng)的錫膏涂布點接觸。 (3) 回流焊接 (Reflow Soldering) 在回流焊爐 (Reflow Oven)中，設(shè)定適當(dāng)?shù)臏囟惹€ (Temperature Profile)，將助焊劑 (Flux)活化、熔化錫膏，冷卻后便能形成一良好焊點 (Solder Joint)。 三、錫膏特性對表面黏 著制程之影響 3 表面黏著制程中，錫膏為最重要的物料之一，錫膏之特性在電子組裝整體制程中扮演極重要的角色。在鋼板印刷制程中，錫膏的黏稠度 (Viscosity)及流動狀態(tài) (Rheology)對其在印刷過程中滲入鋼板孔洞現(xiàn)象有決定性的影響。此外，錫膏應(yīng)能保持固定的幾何形狀，以不至于與相鄰的涂布點接觸而造成短路。于是，錫膏的質(zhì)量將直接影響組裝成品的良率與可靠度。 本研究對國內(nèi)電子組裝大廠進行問卷調(diào)查，選擇六種業(yè)者使用最多或即將采用的錫膏型號進行錫膏檢測實驗。所挑選的錫膏之金屬成份皆為錫：鉛 = 63 :37。 一般工業(yè)標準將錫膏依其金屬顆粒大小之分布分類為六種 (Type)如表 1(1)所示。本研究所探討的六種錫膏為 Type 3 及 Type 4。 TYPE None Large Than Less Than 1% Large Than 80% Minimum Between 10% Maximum Less Than 1 160 150 15075 20 2 80 75 7545 20 3 50 45 4525 20 4 40 38 3820 20 5 30 25 2515 15 6 20 15 155 5 表 1(1) 錫膏中金屬顆粒大小之分類 [1] 四、訂定電子工業(yè)物料檢測標準之重要性 電子業(yè)儼然成為我國的明星產(chǎn)業(yè)，并深刻影響國家政策及經(jīng)濟盛衰。業(yè)者為保有其競爭力，皆致力于降低生產(chǎn)成本，并改善制程能力。但國內(nèi)業(yè)者在評選適用于其生產(chǎn)環(huán)境及制程參數(shù)的工業(yè)物料時，通常只就在生產(chǎn)在線觀察到的現(xiàn)象加以判斷，如此一來，將耗費時間嘗試錯誤，逐漸加以改善。這樣的作法除增加成本，又不一定能從中發(fā)現(xiàn)影響物料特性的變量及其效應(yīng)。針對電子業(yè)中最重要的物料 錫膏而言，業(yè)者常須要耗費大量時間與金 錢由制程上發(fā)生的錯誤及不良品中判斷適用的錫膏型號。雖然業(yè)者可由各錫膏供貨商得到錫膏特性的相關(guān)訊息，但錫膏供貨商為銷售其產(chǎn)品，可想而知，如此的訊息常有夸大之嫌而不能全面采信。由此觀之，必須訂定一套電子工業(yè)物料檢測標準，并衡量其適用性，以供業(yè)者作為評選錫膏物料之參考并進一步提升其競爭力。 貳、實驗設(shè)計 4 目前，國內(nèi)業(yè)者在進行電子物料 (如錫膏特性 )之檢測時，多就在生產(chǎn)在線所觀察到的現(xiàn)象加以判斷，鮮少從事進一步之統(tǒng)計分析。如此一來，將需耗費更時間嘗試錯誤并從中加以改進 (Trial amp。 Error)。為提升國內(nèi) 業(yè)者之生產(chǎn)競爭力，本研究旨在訂定一套電子工業(yè)中錫膏物料檢測標準，并對檢測結(jié)果進一步作統(tǒng)計分析，以了解各錫膏之間的異同，亦可了解各變量對錫膏特性的影響程度及方向。因此，本研究采用實驗設(shè)計與變異數(shù)分析以確保實驗效率以及推論之正確性。 實驗設(shè)計 (Design of Experiments)是利用重復(fù)性 (Replication)與隨機性 (Randomization)，使特定因子以外的其它已知或未知因子的影響相互抵銷，以凈化觀察特定因子之影響效果，故能提高分析結(jié)果之精確度。變異數(shù)分析 (Analysis of Variance/ANOVA)是探討介于一個反應(yīng)變量 (Response Variable)與一個或多個解釋變量 (Explanatory Variable)或預(yù)測變量 (Predictor Variable)之間的關(guān)系 [4]。而所謂因子 (Factor)就是實驗者在研究中所要研究的解釋變量或預(yù)測變量。許多實驗牽涉到研究兩個或更多因子的效應(yīng) (Effect)。一般而言，因子設(shè)計 (Factorial Designs)對多因子 (Multifactor)研究最具效率。一個因子的主效應(yīng) (Main Effect)乃是由此因子之層級 (Level)改變，所造成反應(yīng)變量的改變。因子之層級即為該因子的特殊形式。在單因子研究中，一個處理 (Treatment)對應(yīng)到一個因子層級；而在多因子研究中，一個處理是各個因子層級的一種組合。另外在一些實驗中，某因子層級間反映變量的差異在其它因子的各層級下是不一致的，此稱為因子間具有交互作用 (Interaction)[3]。 一、樣本大小的選擇 業(yè)者在評選錫膏物料時，通常僅就在生產(chǎn)在線所觀察到的現(xiàn)象加以判斷，如此將耗費時間從嘗試錯誤中加以改善。如此造成成本的增加，又不一定能發(fā)現(xiàn)影響錫膏特性的變量及其效 應(yīng)。另一方面，若實驗樣本數(shù)不足，則所搜集的數(shù)據(jù)根本不具代表性。因此，在從事實驗之前，需決定適當(dāng)?shù)臉颖緮?shù)，方能以最少的時間及成本獲得最多的信息。 在任何實驗設(shè)計問題中，決定樣本大小 (Sample Size)乃是一關(guān)鍵決策。所謂決定樣本大小即決定實驗之重復(fù)次數(shù) (Replication)。一般而言，為檢測較小的效應(yīng)之實驗所需樣本數(shù)多于檢測較大效應(yīng)所需的樣本數(shù)。本研究采用信賴區(qū)間估計法 (Confidence Interval Estimation Method)[3]以決定實驗所需的樣本數(shù)。任何兩個層級或處理的平 均值之差，如 ji ??? 的一個 100(1－α )%信賴區(qū)間為 nM S Etyy aNji 2,2.. ??? ? (1) 其中.iy為第 i個層級或處理的觀測值之平均值，而 .jy 為第 j個層級或處理的觀測值之平均值， N = a n為觀測值之總個數(shù)， a為層級或處理之個數(shù)， n為樣本數(shù)， MSE(Mean Square for Error)為誤差平方和 5 (Sum of Square for Error/SSE)之均方。利用 (1)式，可得信賴區(qū)間準確度為 nMSEt aN 2,2 ?? ? (2) 在實驗之前，希望任何兩層級平均數(shù)之差異的信賴區(qū)間為177。 P，而在先行試驗 (Pilot Test)之觀測值中得到標準差之估計值為 PT? 。首先任意指定 n = ni，以 22 PT?? ? 作為 MSE的一個估計值，則信賴區(qū)間準確度成為 iPTaan Pnt i ??? ??2,22?? (3) (3)式中，若 Pi P，即依此樣本數(shù) ni所得到之信賴區(qū)間大于所希望之信賴區(qū)間。于是繼續(xù)嘗試 n = ni＋ 1，同理得到信賴區(qū)間準確度為 iiPTaan Pnt i ??? ???2)1(,22?? (4) 重復(fù)相同步驟直到 n = nx，而 Pi P，即樣本數(shù)為 nx時，信賴區(qū)間將小于預(yù)期之信賴區(qū)間。 若在 (3)式中 Pi P，即依此樣本數(shù) n = ni所得到之信賴區(qū)間小于所期望之信賴區(qū)間，亦即較所要求的更加精確，但考慮實驗所需之總樣本數(shù)、成本與時間，以足夠多的樣 本滿足實驗之要求即可。故再嘗試 n = ni－ 1 直到 n = nx＋ 1，即此時 Px＋ 1 P，則取 n = nx可滿足預(yù)期之信賴區(qū)間。 二、變異數(shù)分析 變異數(shù)分析是利用 F 統(tǒng)計量作檢定，應(yīng)用于基于母體為常態(tài)分配，以及各小母體的變異數(shù)相等的基本假定。但事實上，只要母體分配不呈現(xiàn)極端偏斜，各小母體變異數(shù)相差不多，則 F 檢定的結(jié)果會相當(dāng)合理且有效率。在本研究中，以訂定之檢測程序搜集錫膏特性之相關(guān)數(shù)據(jù)，并應(yīng)用變異數(shù)分析對各種影響錫膏特性的因素加以推論，以探討各因素對錫膏特性的影響性是否顯著。