SMT組件的焊膏印刷指南（DOC13頁(yè)）

SMT組件的焊膏印刷指南摘要 現(xiàn)在，人們普遍將焊膏印刷作為控制涂飾焊點(diǎn)質(zhì)量的關(guān)鍵工藝。若想獲得優(yōu)質(zhì)的焊膏印刷并不是一件很容易辦得到的事，焊膏印刷工藝涉及到模板設(shè)計(jì)、模板制造、模板組裝、模板清洗和模板壽命，這幾個(gè)環(huán)節(jié)相互作用，相互影響。本文為此為模板的焊膏印刷技術(shù)而制定了一個(gè)指南，旨在幫助技術(shù)人員和生產(chǎn)人員解決實(shí)際生產(chǎn)中存在的一些問題，以確保元器件的印刷質(zhì)量。本文重點(diǎn)論述了SMT組裝中球柵陣列（BGA）和芯片尺寸封裝（CSP）的焊膏印刷及將各種不同的技術(shù)進(jìn)行了比較，從而為制定最佳的印刷工藝奠定了基礎(chǔ)。1模板制造技術(shù)模板制造工藝包括加成方法或減去方法。在加成工藝中，如象；電鑄成型，是通過添加金屬而形成開孔。在減去工藝中，是從模板箔中去除金屬而形成開孔。激光切割和化學(xué)蝕刻的方法就是典型的減去工藝的例子。1.1模板模板類型：通常使用的模板主要有四種類型：化學(xué)蝕刻、激光切割、混合技術(shù)、電鑄成型?；瘜W(xué)蝕刻模板的制造工藝主要是將金屬箔切割成特定尺寸的框架，并用光刻膠成像層壓在金屬箔的兩面。通常用光柵配準(zhǔn)部件將雙面光學(xué)工具精確對(duì)準(zhǔn)、定位，可用雙面光學(xué)工具將模板開孔圖象曝光在光刻膠上。激光切割的模板是通過激光設(shè)備中運(yùn)行的軟件Gerber(r)數(shù)據(jù)而制成的。當(dāng)PCB上應(yīng)用了標(biāo)準(zhǔn)組件和細(xì)間距組件混合技術(shù)時(shí)，就應(yīng)使用激光切割和化學(xué)蝕刻組合模板制造工藝。生產(chǎn)出的模板被定義為激光-化學(xué)組合模板或稱為混合技術(shù)模板。電鑄成形技術(shù)是模板加成的制造方法，這種方法使用了光刻成像和電鍍工藝。建議將激光切割或電鑄成型的模板用于對(duì)均勻釋放焊膏的效果要求最高的應(yīng)用領(lǐng)域中。不過，這些模板成本較高，一項(xiàng)研究說明這類模板的一致性比化學(xué)蝕刻的模板好。 模板開口設(shè)計(jì)：模板設(shè)計(jì)的常見問題是開孔設(shè)計(jì)及開孔設(shè)計(jì)對(duì)印刷性能的影響。在印刷操作過程中，刮刀在模板上推刮時(shí)，焊膏就被擠壓到模板的開孔中。然后，在印刷板脫離模板的過程中，焊膏就自然地流入PCB的焊盤上。擠壓到開孔中的焊膏若能夠完全從開孔壁上釋放出來，粘附到PCB的焊盤上，形成完整的焊料塊，這是最理想的。焊膏從開孔內(nèi)壁釋放出來的能力主要取決于三個(gè)方面的因素：1 模板設(shè)計(jì)的面積比/孔徑比2 開孔側(cè)壁的幾何形狀3 開孔壁的光滑度在外，我們將幾種不同的模板開口設(shè)計(jì)提供于眾，作為生產(chǎn)中之參考，見表。表 SMT通用開孔設(shè)計(jì)指南元件類型 間距 焊盤印腳 開孔寬度 開孔長(zhǎng)度 模板厚度范圍 孔徑比范圍 面積比范圍PLCC 50 25 23 100 810 2.32.9 1.071.17QFP 25 14 12 60 67 1.72.0 0.710.83QFP 20 12 10 50 56 1.72.0 0.690.83QFP 16 10 8 50 45 1.62.0 0.680.86QFP 12 8 6 40 34 1.52.0 0.650.860402 N/A 2030 18 22 56 N/A 0.650.860201 N/A 1020 8 16 34 N/A 0.650.86BGA 50 32圓形 30圓形 30圓形 68 N/A 0.931.25BGA 40 15圓形 14方形 14方形 4.55.25 N/A 0.670.78BGA 30 12 14方形 14方形 4.55.25 N/A 0.670.78BGA 20 12圓形 11方形 11方形 34 N/A 0.690.92注意：1） 假設(shè)BGA焊盤不是焊料掩膜 2）BGA開口是方形開孔，14mil的開孔角半徑應(yīng)是3mil，11mil的開孔角半徑應(yīng)是2.5mil。 3）所有的規(guī)格都以mil為單位，圓形用米制，即；0.65mm為25 mil，0.5 mm 為20mil。比率不作為尺寸。 4）N/A只作為面積比。模板開口形狀：就釋放焊膏的效果而言，方形開口要比圓形焊盤或連接的部位好（見圖1所示）。方形模板可使焊膏的釋放更為流暢。為減少開口堵塞的發(fā)生，應(yīng)將角的半徑設(shè)在0010，對(duì)于化學(xué)蝕刻的模板，角半徑應(yīng)與模板厚度一致。 圖1 開口尺寸是如何影響焊膏釋放和圖形的，開口擴(kuò)充后可在焊盤上印刷模板厚度：對(duì)于BGA而言，模板厚度應(yīng)在00050006。對(duì)于柱狀陶瓷柵陣列（CCGA），要求模板的厚度為0007，這樣就可將耗用的焊膏量限制在最低的極限，而對(duì)CSP來說，要求模板厚度在00040005。在使用后一種模板時(shí)要特別小心，因?yàn)樵谳^大的開口模板上施用焊膏可能會(huì)“舀出”焊膏，例如；1206電容或0050間距元件。表所列是推薦使用的模板厚度。 表 推薦使用的模板厚度0050間距001000080025間距000800060020間距000600040016間距000500040012間距00040003 孔徑比和面積比：對(duì)于細(xì)間距元件，開口或孔徑比（寬度/厚度）不應(yīng)小于15，這是很重要的（見圖2所示）。對(duì)于CSP，開口應(yīng)小到0010平方。這與面積比有關(guān)系，焊膏以很小的表面積粘附于側(cè)壁，而不是粘附于PCB，這種現(xiàn)象是很有可能出現(xiàn)的。因此，面積比（長(zhǎng)度寬度/2長(zhǎng)度+寬度厚度）必須大于066。 圖2 孔徑比和面積比細(xì)間距元件的孔徑比不應(yīng)小于15，而面積比必須大于066。許多廠家在印刷BGA和CSP時(shí)都是應(yīng)用1:1的比例。對(duì)于后者來說，印刷比例比焊料凸點(diǎn)尺寸大0.0020003，這是很普遍的，這樣就會(huì)使回流后脫膏高度稍大一些，這樣就可使更大的熱量符合所選用的類型粉末的連續(xù)性、柔性的要求。對(duì)于使用了0012直徑焊料凸點(diǎn)的CSP或BGA封裝而言，建議印刷0.0120.014方形開口。一些研究表明，對(duì)于類型粉末，0.014開口對(duì)于焊膏印刷的一致性和可重復(fù)性方面可能是最小的開口。而0.010或0.012方形或圓形開口的印刷很可能要求使用類型粉末。表所列是常用SMD的開孔設(shè)計(jì)的一些實(shí)際例子的孔徑比/面積比。20mil間距的QFP，使用5mil厚的模板，開孔尺寸為1050mil，其孔徑比為2.0。采用開孔側(cè)壁光滑的模板技術(shù)可達(dá)到優(yōu)良的焊膏釋放和一致性的印刷性能。16mil間距的QFP，可采用厚度為5mil的模板，開孔尺寸為750mil，其孔徑比為1.4，這種模板對(duì)于釋放焊膏來說是非常困難的。即使采用高技術(shù)的模板也是如此。 表 各種不同表面組裝器件的孔徑/面積比例 例子開孔設(shè)計(jì) 孔徑比 面積比 焊膏釋放1 QFP 20間距10505（厚度） 2.0 0.83 +2 QFP 16間距7505（厚度） 1.4 0.61 +3 BGA50間距25圓形6（厚度） 4.2 1.04 +4 BGA40間距15圓形5（厚度） 3.0 0.75 +5BGA30間距11方形5（厚度） 2.2 0.55 +6 BGA30間距13方形5（厚度） 2.6 0.65 + + 表示難度2印刷操作2.1刮板刃口通常建議使用金屬刮板，金屬刮板比聚氨酯刮板好。不過，從聚氨酯刮板的開口中擠出焊膏是個(gè)問題。建議推刮角度為4560，一般都是用45進(jìn)行推刮。將刮板向下壓使金屬刮板的刮刀彎曲形成一個(gè)最佳的角度。在選擇印刷力時(shí)，一種與模板平行的矢量推動(dòng)著焊膏使得焊料滾動(dòng)。另一個(gè)矢量是直接往下施加壓力于模板的開口，將焊膏擠入開口中。改變模板的壓力，推刮角度隨之改變。另一個(gè)常被忽略的因素是刮板的鋒利度。一般來說，刮板越鈍，要求推刮整個(gè)模板頂部所需的壓力就越大；刮板刃口越鋒利，需用的力就越小。通過對(duì)刮板刃口進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)易的顯微掃描檢查可顯示出很大的差別。刮板壓力較小通常意味著模板推刮頻率較低，這是決定因素。2.2推刮速度在首次開始印刷時(shí)，建議將推刮速度設(shè)置在0.5/秒。較低的推刮速度通?？墒购父喑练e近似于計(jì)算的量。（通常，實(shí)際沉積的焊膏量小于理論上的定量）。由于循環(huán)時(shí)間的要求，你不得不以較高的推刮速度操作。不過，在采用較慢的速度推刮取得成功后，你會(huì)逐漸提高推刮速度及快速測(cè)量印刷結(jié)果。通常，隨著推刮速度的提高，必須加大施加于刮板的力度。2.3接觸與脫膏距離一般，較受歡迎的印刷方法是接觸印刷，這種方法有助于降低模板底部焊膏的“滲出”。對(duì)于BGA這樣的小面積比印刷，實(shí)現(xiàn)一致性的模板焊膏漏印是競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，有一種方法是提前釋放焊膏工藝，這種方法是通過對(duì)極小的脫膏距離（0.0020.003）編程實(shí)現(xiàn)的，在開始印刷時(shí)，用很小的力以小角度將模板與印制板分離。然而，這個(gè)距離不足以釋放模板，至少在印刷工藝開始時(shí)是這樣。3焊膏粉末的選擇對(duì)于釋放焊膏是關(guān)鍵因素。為避免開口堵塞，在整個(gè)開口上可使用標(biāo)準(zhǔn)的3.5粒子，而方形開口對(duì)保持一致性方面很有幫助。表所列是目尺寸和粉末尺寸。 表 焊膏分類和目尺寸分類 目尺寸類-100/+200100（150m）0.0059類-200/+325200（75m）0.030類-325/+500325（45m）0.0018類-400/+500400（38m）0.0015類-500/+635500（25m）0.0010635（20m）0.0008焊膏流變性：使印刷工藝失控的因素有很多。例如；有時(shí)焊膏會(huì)干涸在模板表面，形成可堵塞開口的較大凝結(jié)塊。如果印刷機(jī)閑置5分鐘，對(duì)下一次印刷的控制達(dá)不到可接受的要求，這是很有可能的。此外，印刷循環(huán)周期延遲，也會(huì)造成殘余焊膏或焊劑干涸在孔徑側(cè)壁上，這樣會(huì)縮小開口尺寸，減少焊膏量。單憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析表明，當(dāng)模板上的焊膏閑置5分鐘以上，在實(shí)施下一步印刷之前，應(yīng)對(duì)模板的底部進(jìn)行擦拭。 傳統(tǒng)上，人們注重的是焊膏的粘性或觸變指數(shù)，將觸變性定義為在應(yīng)力的作用下，會(huì)變成液體的某種膏狀或類似膠狀材料在靜止?fàn)顟B(tài)下的質(zhì)量。觸變指數(shù)較高，焊膏就易于稀釋，并能流到模板中。缺點(diǎn)是更易于使再流爐中產(chǎn)生“熱潤(rùn)滑淤渣”，除非制造廠家認(rèn)為應(yīng)對(duì)配方進(jìn)行必要的重新配制。3.1焊膏量 下面用一個(gè)簡(jiǎn)單等式來說明所需的焊膏量，見表所列。應(yīng)盡可能使環(huán)繞通孔的環(huán)形焊盤小一些是較理想的。還應(yīng)使引腳和通孔之間的容差及引腳的長(zhǎng)度盡量小一些。在實(shí)際操作中，需要施用少量的焊膏。應(yīng)用下列三種模板設(shè)計(jì)為板上的通孔印刷焊膏：（1） 無臺(tái)階的模板。圖3（2） 有臺(tái)階的模板。圖4（3） 兩種印刷模式的模板。圖5表 浸錫通孔等式 V=Ts（LoWo） 1 = sTB（AH-AP）+（FT+FB）+VP-VH其中：V 是所需的焊膏量 VP是留在板焊盤上面和/或底部的焊料量 S 是焊膏減縮的因素 AH是通孔的橫截面積 AP是通孔針腳的橫截面積 TB是印制板的厚度 FT+FB是所需的總填料量 Ts是模板的厚度 Lo是套印開孔的長(zhǎng)度 圖3 略 圖3 無臺(tái)階的套印刷 圖4 略 圖4 有臺(tái)階的套印刷（刮板一面） 圖5 略 圖5 兩種印刷模式的通孔模板4 印刷質(zhì)量檢驗(yàn) 對(duì)于模板印刷質(zhì)量的檢測(cè)目前采用的方法主要有目測(cè)（使用裝有光源的顯微鏡）、二維檢測(cè)、三維檢測(cè)設(shè)備、X光檢測(cè)設(shè)備及帶有視覺系統(tǒng)的自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)設(shè)備。在檢測(cè)焊膏印刷質(zhì)量時(shí)，可根據(jù)元件類型采用不同的檢測(cè)工具和方法。4.1 人工檢驗(yàn)與自動(dòng)化檢驗(yàn)的比較采用視覺檢測(cè)的方法來檢驗(yàn)印刷的元件合格與不合格，一般都是操作員使用環(huán)形照明器或顯微鏡對(duì)樣品板進(jìn)行檢查（在某些情況下，檢驗(yàn)整批板子），而且只在必要時(shí)，實(shí)施校正操作。這是監(jiān)控工藝成本最低的一種方法，但是，反饋回來的結(jié)果是合格率很低。印刷后的視覺檢測(cè)，通過在成本最合理的印刷工藝中應(yīng)用校正操作，可以減少返修量。不過，視覺檢驗(yàn)只是憑主觀意識(shí)，對(duì)視覺檢測(cè)的產(chǎn)品進(jìn)行的測(cè)試表明，只有80%是可靠的。借助臺(tái)式儀器的視覺檢測(cè)，即；臺(tái)式視覺檢測(cè)儀。用這種儀器測(cè)量焊膏的高度，計(jì)算焊膏的施用量，提高了可重復(fù)性，但是不能完全排除人為的非一致性。目前，仍有許多生產(chǎn)廠家采用目測(cè)的方法進(jìn)行檢測(cè)。視覺檢測(cè)、脫機(jī)檢測(cè)和自動(dòng)在線檢驗(yàn)之間的主要差別在于在板子從印刷設(shè)備上卸載下來之前，自動(dòng)在線檢驗(yàn)設(shè)備查出的缺陷比前兩種設(shè)備的多。自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備可實(shí)施達(dá)100%的各種不同等級(jí)的檢測(cè)。這種設(shè)備不僅能夠監(jiān)控工藝，還能夠搜集工藝控制所需的真實(shí)數(shù)據(jù)。自動(dòng)在線3D焊膏檢測(cè)設(shè)備提供了不同檔次的速度、性能和價(jià)格，不過只能測(cè)量板子上的焊膏高度、焊膏量和面積。有幾家模板印刷機(jī)制造廠家推出了內(nèi)置2D面積檢測(cè)，還有一些制造廠家推出了現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)設(shè)備，可檢驗(yàn)焊料高度和焊料量。4.2 3D檢測(cè)焊膏量是體現(xiàn)板子質(zhì)量的最好的一個(gè)參數(shù)。競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)也是在保持焊膏量一致性上。（一家組裝承包商報(bào)導(dǎo)當(dāng)對(duì)印刷中的一批裝有352引腳的BGA的2000塊板子進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，當(dāng)對(duì)板子上的焊膏進(jìn)行檢驗(yàn)后，在最后一次測(cè)試中沒有發(fā)現(xiàn)板子有缺陷，）在檢驗(yàn)中可參照表中提供的檢驗(yàn)結(jié)果的詳細(xì)資料。表跡象可能的原因及對(duì)策體積大、高度高1） 電路板上的雜質(zhì)抬起了模板 a）清洗電路板表面 b）清洗模板的底部2） 模板有壓印 a）更換模板 b）用膠帶粘附受損表面并用手工焊接受影響的區(qū)域3） 實(shí)施HASL工藝時(shí)焊球留在印制板表面 4） 由于通孔堵塞抬起了模板使得環(huán)氧樹脂過多 a）去除多余焊膏 b）將印制板退給供應(yīng)商體積小、高度正好1） 刮板速度太快2） 模板釋放太快，造成局部焊膏截留在模板上體積正好、高度高1） 焊膏過度擴(kuò)散 a）降低提起的速度 b）延遲落下速度 c）降低脫模速度2） 開口毛刺太多 a）比較開口的圓形和方形端口，評(píng)估模板設(shè)計(jì)面積小、高度正好1） 開口末端出現(xiàn)局部焊膏坍塌2） 模板上焊料球太小面積小、高度低1） 開口中的焊膏局部釋放2） 焊膏干涸 a）更換焊膏 b）空氣太干，增加濕度3） 過度坍塌 a）刮板速度過快 b）焊膏的溫度太高 c）焊膏吸收的濕氣太多4） 模板中已沒有焊膏a）填加焊膏面積大、高度正好1） 模板底部變臟a） 清洗模板2） 開口一邊焊料流淌a） 刮板壓力大，調(diào)整壓力3） 焊盤之間的模板開口間隔破裂a(bǔ)）更換模板工藝監(jiān)控的目的是為了揭示在焊膏印刷不良導(dǎo)致橋接之前或直到在最后的檢測(cè)中才確定焊料不充分的潛在的令人不滿意的焊膏參數(shù)。發(fā)現(xiàn)缺陷越遲，返修的成本就越高。如果在再流之前找出缺陷，就不會(huì)給焊點(diǎn)可靠性帶來不利后果。因此，脫機(jī)檢查或自動(dòng)在線監(jiān)控避免了有問題的印刷板被返送回到生產(chǎn)線上，即節(jié)省了資金，又提高了可靠性。正象一家合同制造廠家指出的那樣，組裝廠家期望增加利潤(rùn)，在電路測(cè)試（ICT）中查出的缺陷必須經(jīng)由15個(gè)步驟，包括工作記錄、返修和組裝板反饋到生產(chǎn)線之前的重新測(cè)試。通常，對(duì)于印刷工藝中每一階段產(chǎn)生的缺陷或廢品的成本估算通常采用一種快速計(jì)算方程式：印刷缺陷，再流后$050；ICT$5.00及現(xiàn)場(chǎng)故障$350.00。在第一階段查出缺陷，使得節(jié)約的資金自然增長(zhǎng)，很清楚地說明工藝控制設(shè)備的成本。4.3 X光檢驗(yàn)長(zhǎng)期以