摘 要
欧盟于2002 年10 月通过RoHS 指令，2006 年07 月01 日起电子产品全面禁用含“铅”物质。为确保产业竞争力，业者必须谨慎规划其制程与选择合适的物料，以提升产品良率与可靠度。相关研究指出约莫60%焊接缺点源自于不当锡膏印刷制程控制，本研究运用田口方法针对锡银铜305 焊料进行钢板印刷实验。并透过适合度检定实验数据是否呈常态分布。运用信号杂音比与变异数分析，决定影响制程良率之显著因子。再以验证实验判断最佳制程参数水平组合之再现性。此外，应用反应曲面分析，了解各制程参数对印锡厚度的影响，作为日后制程参数调整之参考依据。最后提供，无铅产品于钢板印刷制程之最佳参数水平组合。
关键词：表面黏着技术、无铅锡膏、钢板印刷、田口实验设计、反应曲面。
一、前 言
随着电子产品功能日益多元化，计算机处理速度提高，并因应产品轻、薄、短、小与高功能、高密度之要求，电子构装技术也朝向高密度化、薄形封装等多样性的趋势发展。集成电路(Integrated Circuit；IC)组件与印刷电路板(Print Circuit Board；PCB)需藉焊锡接合。随着电子产品需求增加，电子产品焊接过程使用铅的量将大增，估计每年铅的用量将近20,000 吨约占全世界铅的总产量的5%[1-3] 。
人类已证实铅中毒会危害人体免疫功能，因此欧盟于2002 年10 月通过RoHS 指令，将于2006 年07 月01 日起电子产品全面禁用含“铅”物质。在世界各大电子工业国家的共识下，无铅电子产品商业化与量产已是一致的目标，对于国内电子产业而言，势将面临重大挑战。为使电子产品量产更迅速、更轻化且更低成本，表面黏着技术(Surface Mount Technology；SMT)的开发与研究，乃是电子产业长期竞争力的基础。为确保产业竞争力，业者必须谨慎规划其制程与选择合适的物料，以提升产品良率(yield)与可靠度(reliability)[4-8]。
SMT 制程包含锡膏钢板印刷、表面黏着组件置放及熔焊等步骤。若印刷锡膏量太少，可能造成焊点强度不足，甚至发生空焊(open)；锡膏量过多，则可能发生桥接现象(bridge)而致短路。相关研究指出约莫60%焊接缺点源自于不当锡膏印刷制程控制[12]。而影响钢板印刷落锡量的参数包括刮刀压力与角度、印刷速度、脱模速度及锡膏种类与印刷环境温度、湿度等众多因素。倘若锡膏印刷质量不佳，后续制程中之组件置放准确度与极佳熔焊温度曲线亦难以弥补潜在焊性质量缺憾。然而，回顾与无铅焊料于钢板印刷制程相关之先期或进行中的研究仍属匮乏，而影响接合良率与质量之参数尚未定义完全[2,3,10,11]。
二、研究目的
本研究采用目前产业公认可能取代含铅焊料之锡银铜305 系列焊料[4,5,8,11]找出钢板印刷最佳制程参数。同时建立一套系统化之运作架构，以期在最短前置时间内完成试产，掌握并优化生产中重要的物料与制程参数，验证产品质量，为投入量产完成准备。
三、研究方法
本研究运用田口质量工程方法，首先，以直交表(orthogonal array)进行因子、水平配置，执行实验并分析数据。以K-S 等方法检定数据是否呈常态分配，此将影响实验结论正确性。再利用S/N 比响应图与变异数分析，分别探讨各参数水平对质量特性的影响。以望目特性而言，参数设计时，需考虑如何度量变异及平均值的变化。了解影响变异之因子，设法将其变异减至最小。再利用调整因子，将平均值调整至目标值。研究中，计算灵敏度(sensitivity)以度量平均值之变化，进而决定调整因子。最后，执行验证实验及制程能力分析以确认最佳参数水平组合之再现性及稳健性[12-16]。
四、研究内容
本研究针对钢板印刷制程，用直交表配置并进行随机实验。将实验结果汇整，进行统计分析并找出最佳制程参数组合，再应用反应曲面分析，了解各制程参数对印锡高度的影响，作为日后制程参数调整之参考依据。本研究流程如图1 所示。
图1 研究流程
1. 钢板印刷制程优化
钢板印刷为无铅产品组装制程首站，在PCB 表面与晶片相对应位置涂布内含锡96.5/银3.0/铜0.5 金属颗粒与助焊剂之锡膏，利用刮刀使其以滚动方式前进，将锡膏挤压入钢板孔洞，以座落于PCB 焊垫表面(图2)。锡膏涂布量与稳定性将直接影响产品质量与良率[3,9,10,17]。
图2 锡膏印刷原理
2. 选定实验参数及水平
实验中考虑四个影响锡膏印刷质量的可控因子及二个不可控因子(误差因子)，实验因子及其水平配置如表一所示。各参数对制程可能发生的影响，叙述如下：
表一 实验因子及其水平配置
(一) 刮刀速度：一般而言，刮刀速度慢可得到较佳的印刷品质；但过慢可能导致印锡形状模糊(smearing)，同时也将影响生产周期时间。印刷速度过快，则可能因锡膏无充裕时间填入钢板孔洞，造成锡量不足。因此，在锡膏能够保持正常滚动状态下，尽可能提高速度，并配合刮刀压力调整，以达良好印刷质量。对于微小间距组件，刮刀速度多在每秒12 mm 至38 mm 范围之间。本研究考虑每秒20 mm、30 mm、40 mm 等三个水平[9,17]。
(二) 刮刀压力：刮刀压力过高会导致较大钢板缝孔内的锡膏被拖出/(scoop)而造成空焊；压力过低则导致印锡不完全。目前业者多设定60N 刮刀压力。本研究考虑50N、60N、70N 等三个水平[9-11,17]。
(三) 脱模速度：指PCB 印锡后钢板底面与PCB 表面分离速度。速度太快可能因钢板孔壁粗糙，使部份锡膏被钢板带走，导致锡膏量不足。目前业者约以每秒0.3mm 脱模速度为生产参数。本研究考虑每秒0.1 mm、0.3 mm、0.5 mm 等三个水平[8、9、17]。
(四) 钢板擦拭频率：擦拭钢板分为印刷机自动擦拭与人工擦拭两种，本实验利用人工擦拭确保擦拭质量。擦拭频率将影响钢板印刷生产周期及钢板孔洞塞孔现象。本研究考虑每印刷五片、八片及十片PCB 擦拭一次钢板等三个水平。
(五) 测试时间（误差因子）：由于整个实验需要长的时间才能完成，而期间气温、湿度等外在因素也可能影响实验结果。故考虑第一天及第二天测试等二个水平。
(六) 量测位置（误差因子）：考虑PCB 平整度，故选取测试板上距离值较远的两个位置做为实验误差因子（图3 所示）。以各测试板上最左下方及中间角落为二个水准。
图3 量测位置图
3. 反应变量(质量特性)
影响制程良率包含组件外型特征，电气特性、PCB 材质，焊接温度曲线…等。相关研究指出约莫60% 焊接缺点源自于不当锡膏印刷制程控制[12]，倘若锡膏印刷质量不佳，即使后制程具高组件黏着准确度与极佳熔焊温度曲线(profile)亦难以弥补在焊性质量缺憾。而印刷锡膏过厚或不足皆可能造成无铅产品SMT 组装制程缺点，所以印锡厚度需为一特定值，故本实验为望目型质量特性。以0.12 mm厚度之钢板而言，锡厚规格界限为132 μm ± 24 μm。
4. 选定实验设计
本研究运用L9(34)×22直交表配置参数进行实验(表二)，每个实验组执行4 个样本(PCB)，实验中于PCB 中间部位0603 被动组件之焊垫上量测2 笔锡膏厚度资料，及最左下方连接器(connector)组件焊垫量测4 笔锡膏厚度资料。实验中，相关固定参数汇整如表三。印刷完毕后，使用雷射轮廓量测仪(laser profile meter)进行锡膏厚度量测。
表二 钢板印刷实验因子水平配置表
表三 钢板印刷实验因子设定值
5. 执行实验
(一) 测试板选定:实验用测试板为快取记忆卡(Compact Flash；CF)（如图4），其焊垫表面处理为镍金，以热膨胀系数较小且价格较低的环氧基树酯为测试基板[9,17]，相关资料如表四所列。
图4 测试板
表四 PCB 相关资料
(二) 钢板选定:采用以激光切割的钢板，其厚度为0.12mm。钢板开孔尺寸、孔壁平整度及开孔形状对印刷的锡量多寡皆有影响，表五为组件钢板规格。
表五 组件钢板规格
6. 实验资料分析
(一) 适合度检定
本阶段之目的以Kolmogorov-Smirnov 方法检定所搜集实验数据，是否是田口静态望目型质量特性，连续型数据常态分布之假设[1,4,13]。对数据做常态分布检定。结果显示，当显著水平为0.05 时， 连接器组件焊垫有四笔及0603 被动组件焊垫有二笔实验数据大于临界值0.624(D4,0.05)。而显著水平为0.01 时，所有实验数据皆小于临界值0.733(D4,0.01)，表锡膏厚度数据呈常态分配。
(二) S/N 比与回应图
探讨钢板印刷实验中，各参数水平对锡膏厚度之影响，进而决定钢板印刷制程最佳参数组合。首先，以公式(1)计算各实验S/N 比(如表六所列)，计算参数水准平均S/N 比值，以了解各参数水平效应之显著性(如表七所列) ， 并绘制S/N 比回应图如图5 所示[13-16,19]，以各参数水平之斜率判定其对于锡厚影响之显著性。而参数水平S/N 比值大者即为最理想之制程参数，结果显示最佳参数组合为A1、B2、C3、D3。
表六 钢板印刷实验之S/N 比及灵敏度
表七 焊垫锡厚之因子效果 (S/N 比)
图5 S/N 比回应图
其中，η为S/N 比，Y 为观测平均值，S2 为样本变异
数
(三) 变异数分析
目的在了解各因子水平下实验数据变异大小。焊垫锡厚SN 比ANOVA 表(如表八所示)指出，因子D 变异数分析之P 值皆小于0.05 之显著水平，表示该因子有显着性影响。并以贡献率柏拉图(图6)，表示各因子对整体实验影响之贡献比率。结果显示，因子D 最为显著，其贡献率为41.1%。而实验变异误差项贡献率百分比为7.6%，低于经验值50%，故实验结果属合理[12,16,19-22]。
表八 焊垫锡厚SN 比之ANOVA 表
图6 锡厚(SN 比)变异性贡献率柏拉图
(四) 灵敏度分析
此在探讨各因子水平对锡膏厚度平均值变化之影响，进而将实验中锡膏厚度平均值“ 调整” 至目标值[10,13,16-17]，并决定实验因子中锡厚变异性最小及平均锡厚最接近目标值之〝最佳〞因子水平组合。计算灵敏度，即锡膏厚度平均值变化(表九及图7)，再进行灵敏度之变异数分析(如表十所列)。表中参数A、B 及C 值之P 值皆小于显著水平α (0.05)，故判定上述因子为显著因子。并计算各因子贡献率，绘制贡献率柏拉图(如图8 所示)。结果显示，影响平均锡厚之显著参数为A、B、C，其累积贡献率为97.21%，误差项贡献率百分比为2.79%，低于经验值50%，故实验结果属合理。
表九 焊垫锡厚之因子效果(灵敏度)
图7 灵敏度回应图
表十 焊垫锡厚灵敏度之ANOVA 表
图8 锡厚(灵敏度)变异性贡献率柏拉图
(五) 调整平均值至目标值
本研究所选定之反应变数“锡厚”属于田口质量工程之“望目型”特性，S/N 比回应图(图五)指出变异性最小之因子水平组合[13,15-17,22]。本阶段则将锡膏厚度之平均值“调整”至目标值，依照ANOVA 分析结果，所决定的显著因子及其相对应之最佳水平组合，以公式(2)求得未调整时平均值推定值。
其中A2 、B1 、C3 分别为各因子水平下之平均值，μ 为总平均值。而未调整之锡膏厚度平均值由公式(2)求得为141.63μm，大于目标值132.0μm，故须决定调整因子以达到目标质量特征。
影响锡厚平均值及变异性之显著因子分别为A、B、C 与D (如表八、表十所列)。因子D 仅对变异有影响；对于平均值则无。因此选择SN 比最大的控制因子水平，即D3。因子A、B 及C 皆影响平均值，但不影响变异程度，故可用以调整平均值至目标值。经调整后之锡膏厚度平均值为130.92 μm(公式(3))，较接近目标值132.0 μm，故本研究建议最佳因子水平组合为A1、B3、C1、D3。
(六) 验证实验
本阶段目的在验证上述钢板印刷实验所决定之最佳因子组合，是否具有再现性[13、16、22]。首先，运用加法模式计算最佳因子水平下S/N 比之估计值26.22(db)(公式(4))，其中η=24.39(db)为S/N 比总平均值。为避免过度预估，故于预估模式中，仅考虑影响性显著之因子。其次，计算验证实验之信赖区间(Confident Interval；CI)，如公式(5)及公式(6)。
其中Ffe 为合并误差项自由度，α 为显著水平，Ve 为合并误差变异，ne 为有效观测数，r 为验证实验样本数。当合并误差项自由度为2、显著水平为0.05、合并误差变异为0.4251(如表八所列)，有效观测数为9/（2 1）=3，验证实验样本数为5，对于SN 比平均值之95%信赖区间为2.042（公式(7)）。
验证实验S/N 比之信赖区间范围如公式(8)所示，将μ及CI 值代入公式(8)，即得信赖区间范围24.19＜η＜28.26。而验证实验之S/N 比值计算为27.5(db)(如表十一所列、公式(1))，落于该范围内，并大于上述最佳参数组合预测值24.39(db)，表示在95%信心水平下，钢板印刷实验之最佳参数水平组合下之印刷锡厚具有再现性。
表十一 确认实验锡厚原始数据表 单位：μm
在上述最佳参数组合下，重复执行5 次印锡实验，计算得SN 比为27.99 dB；平均值为134.65 μm。此二个测量值皆落在其相对应的信赖区间之内，表示实验成功。
(七) 回归分析
目的乃是探讨反应变数（锡厚）与刮刀速度、刮刀压力，脱模速度及擦拭频率等四个自变量间之关联，透过公式(11)、公式(12)等复回归方程式，显示其相关程度。利用最小平方极小化估计向量βˆ ，如公式(13)所示。以判定系数（Coefficient of Determination；R2）衡量回归关系强度及模型解释能力(公式(14))，R2 愈大表示相关程度愈大或解释能力愈高，反之愈小[9,14,16]。因此，最小平方配适如公式(15)所示，且x 等变量对y 的解释变异能力指标R2 为47.1%。
(八) 反应曲面分析
研究中，针对钢板印刷的二个最显著参数之间反应曲面方程式进行讨论[14,16,17,20,21]，图9 及公式(16)为脱膜速度 x1 与擦拭频率x2 对印刷锡厚之反应曲面。结果显示，当脱膜速度大于0.45 mm/sec、擦拭频率高于9 次，相对应之S/N 比值将大于29.557（db）。且擦拭频率在8 至10 之间的等高线密度较大，表示在此范围内改变参数水平可有效提升S/N 比值；而脱膜速度之等高线密度均等，表示其影响有限。
图9 脱模速度与擦拭频率反应曲面图
五、总 结
本研究针对环保焊料锡银铜305 锡膏进行钢板印刷实验。根据田口直交表规划、执行实验并以统计方法分析实验数据。结果指出，最佳之钢板印刷制程参数组合为每秒20mm 刮刀速度、70N 刮刀压力、每秒0.1 mm 脱模速度、每印刷10 片PCB 擦拭钢板之擦拭频率。综而言之，本研究对于质量工程理论之应用与无铅环保电子构装实务上之贡献，可归纳为以下三点：
1. 以SN 比分析方法降低钢板印刷锡厚之变异性，配合灵敏度分析调整实验中量测锡厚平均值至目标值，决定并建议使锡厚变异性最小且平均值最接近目标值之钢板印刷制程最佳因子水平组合，以提升制程良率及产品质量。
2. 藉由验证实验确认钢板印刷制程资料分析，所得结论之正确性。
3. 利用回归与反应曲面分析，了解各制程因子对印锡厚度的影响，作为日后制程因子调整之参考依据。
符号索引
CI 信赖区间
ne 有效观测数
r 验证实验之样本数
R2判定系数
S2样本变异数
Sm 平均变动
Ve 合并误差变异数 (pooled error variance)
Ve 样本变异数
α 显著水平
η S/N比
ν2 合并误差变异数之自由度
βˆ最小平方估计量
Y 观测平均值
Fα;1;ν2 具显著水平α的F 值
