SMT絲印是科學(xué)不是藝術(shù)

1、SM修印是科學(xué),不是藝術(shù)在一塊典型的PCB印刷電路板上,可能有幾百個(gè)元件,600到 1,000個(gè)聯(lián)接點(diǎn)即焊盤(pán)pad.因此這些端點(diǎn)的焊接不合格率必 須維持在一個(gè)最小值.一般來(lái)說(shuō),PCM能通過(guò)測(cè)試而須要返工的有60囑由于錫膏solder paste絲印質(zhì)量差而造成的.本文將討論絲印screen printing 的根本要素,并探討生產(chǎn)中持續(xù) 的完美絲印品質(zhì)所需的技術(shù).在錫膏絲印中有三個(gè)關(guān)鍵的要素,這里叫做三個(gè)S: Solderpaste錫膏,Stencils絲印模板,和Squeegees絲印刮板. 三個(gè)要素的正確結(jié)合是持續(xù)的絲印品質(zhì)的關(guān)鍵所在.錫膏第一個(gè)S錫膏是錫珠和松香resin的結(jié)合物,松香的

2、功能是在回流reflowing焊爐的第一階段,除去元件引腳、焊盤(pán)和錫珠上的 氧化 物,這個(gè)階段在150 C持續(xù)大約三分鐘.(resin有時(shí)叫做 rosin,嚴(yán)格地說(shuō),resin 是天然產(chǎn)品,而 rosin 是人造產(chǎn)品.)焊錫是鉛、錫和銀的合金,在回流焊爐的第二階段,大約 220 C 時(shí)回流.銀和松香都起幫助熔化焊錫和濕潤(rùn)(wetting)以到達(dá)回流的作用,即助焊劑的作用.(濕潤(rùn)wetting :是焊接效果的描 述詞,被焊物好象被錫所浸“濕.)球狀的焊錫顆粒制造成各種混合尺寸,然后篩選、分級(jí),錫膏是 根據(jù)錫珠的大小來(lái)分級(jí)的,如下：2 型：7553 m3 型：53-38 m4 型：3825 m(

3、= micron = 0.001mm )三球定律三球定律給生產(chǎn)提供了 一個(gè)選擇絲印模板的簡(jiǎn)單公式,錫膏中錫珠的大小必須與絲印模板相匹配,如下所述： 經(jīng)驗(yàn)公式：?至少有三個(gè)最大直徑的錫珠能垂直地排在絲印模板的厚度方向上.?至少有三個(gè)最大直徑的錫珠能水平地排在絲印模板的最小孔的寬度方向上.如圖中所示為絲印模板及錫珠的截面圖：計(jì)算略為復(fù)雜,由于錫珠是用米制micron()來(lái)度量,而絲印模板厚度的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是美國(guó)的專(zhuān)用單位thou!(1 m=1x1C3mm,1thou=1x103inches,25 m Ithou.)錫膏類(lèi)型3x最大的錫珠尺寸最接近的模板厚度2型：75533x75 =225 =9.0th

4、ou9 thou3 型：53383x53 =159 =6.4thou6 thou4 型：38253x38 =114 =4.6thou4 thou絲印孔的尺寸是由元件引腳間隔(pitch)決定的,焊盤(pán)的尺寸一般是引腳間隔的一半.(絲印孔的尺寸實(shí)際上可能比焊盤(pán)(pad)尺寸小一點(diǎn)),例如,25thou(0.63mm)的間隔,絲印孔為12.5thou因此錫膏的選用必須滿(mǎn)足絲印模板上最小的絲印孔：元件最小引腳間隔最小絲印孔適宜的錫膏類(lèi)型16 thou8 thou2型：755312 thou6 thou3 型：53-388 thou4 thou4 型：38-25因此,絲印模板的厚度通常是決定因素, 大多

5、數(shù)應(yīng)用是選擇標(biāo)準(zhǔn)的6thou厚的絲印模板,3型的錫膏.粘度粘度是錫膏的一個(gè)重要特性,從動(dòng)態(tài)方面來(lái)說(shuō),在絲印行程中,其粘性越低,那么流動(dòng)性越好,易于流入絲印孔內(nèi),印到PCB勺焊盤(pán)上.從靜態(tài)方面考慮,絲印刮過(guò)后,錫膏停留在絲印孔內(nèi),其粘性高,那么保持其填充的形狀,而不會(huì)往下塌陷,這一點(diǎn)對(duì)于等待貼片前絲印在焊盤(pán)上的錫膏更為重要.錫膏在其容器罐內(nèi)的粘度是使用一種精巧的、通常很昂貴的實(shí)驗(yàn)室粘度計(jì)測(cè)量而得的.標(biāo)準(zhǔn)的粘度是在大約500kcps1200kcps范圍內(nèi),較為典型的800kcps用于模板絲印是理想的. 判斷錫膏 是否具有正確的粘度有一種更為實(shí)際和經(jīng)濟(jì)的方法,如下：用刮勺在容器罐內(nèi)攪拌錫膏約 30秒

6、鐘,然后挑起一些錫膏,高 出容器罐三、四英寸,讓錫膏自行往下滴,開(kāi)始時(shí)應(yīng)該象稠的糖 漿一樣滑落而下,然后分段斷裂落下到容器罐內(nèi).如果錫膏不能滑落,那么太稠,如果一直落下而沒(méi)有斷裂,那么太稀,粘度太低.絲印模板第二個(gè)S歷史上,使用一種厚的乳膠絲網(wǎng),它有別于絲印模板,現(xiàn)在只有 少數(shù)錫膏絲印機(jī)使用.金屬模板比乳膠絲網(wǎng)普遍得多, 優(yōu)越得多, 弁且也不會(huì)太貴.下列圖給出了一個(gè)價(jià)格比擬的概念：學(xué)扎面秋先 1叩厚乳膠絲網(wǎng) 錫膏印刷技術(shù)源自于完善建立的工業(yè)絲印silk screen printing 行業(yè),因此術(shù)語(yǔ)“絲印被源用到這種要求較稠沉淀物的錫膏印刷.厚乳膠絲網(wǎng)原本比金屬模板經(jīng)濟(jì)得多,但使用壽命不長(zhǎng),而

7、且用于密腳 fine pitch 也不實(shí)際.制造過(guò)程如下：在框架上張布一張尼龍、聚酯纖維或不銹鋼的絲網(wǎng).不銹鋼絲是最好的,由于其剛性.工業(yè)絲印用的網(wǎng)很細(xì)密,大約每英寸 400 絲,這樣細(xì)小的油墨粒子23以m才可以很流暢地通過(guò)絲網(wǎng). 為 了使錫珠通過(guò)絲網(wǎng),建議采用一種粗糙得多的絲網(wǎng), 大約每英寸80絲.絲網(wǎng)上涂蓋光敏乳膠,通常約十層以封住網(wǎng)孔, 形成一層典型的 8thou的厚度.將正趨光性黑色焊盤(pán)透明玻璃放在上面,然后用很強(qiáng)的紫外光來(lái)曝光如：2kw,幾秒鐘.曝光區(qū)域變硬,軟 的地方?jīng)]曝光,可被洗掉而留下網(wǎng)孔.因此,絲印時(shí)錫膏可以通 過(guò)這些孔來(lái)印刷. 絲印刮板(squeegee)是利用泵作用原理將

8、錫膏壓擠通過(guò)絲網(wǎng), 因 此要使用一種軟的橡膠刮板(見(jiàn)刮板局部).絲印時(shí)絲網(wǎng)與PCB之 間留有13mm勺間隙,刮板將絲網(wǎng)壓低和PC眼觸,隨后“撕開(kāi). 這種作用是必要的,否那么,錫膏會(huì)滯留在絲網(wǎng)上而不是在 PCB的 焊盤(pán)上.厚乳膠絲網(wǎng)的應(yīng)用,其局限性主要是由于開(kāi)孔上有絲網(wǎng)的阻礙, 得到的絲印沉淀物有限,不可以用于小于30thou的密間隔.金屬模板金屬模板現(xiàn)在在大多數(shù)的錫膏絲印機(jī)上使用.具組成是薄金屬板上開(kāi)有小孔,錫膏從中印出,解決了前面網(wǎng)印的沉淀物無(wú)規(guī)律的 問(wèn)題.不要求絲印刮板有泵作用,由于錫膏可以很容易流過(guò)開(kāi)孔. 也不要求模板與PCB之間有間隙.有三種制造金屬模板的方法：化學(xué)、激光和電蝕.化學(xué)腐

9、蝕 現(xiàn)時(shí)絲印模板主要是這種方法制造的,過(guò)程如下: 取薄銅板,或更普遍的不銹鋼板,在兩面涂蓋光敏耐酸物,正趨 光性黑色焊盤(pán)模版分別疊放在兩面,用強(qiáng)力紫外光曝光.曝光 區(qū)域變硬,而軟的焊盤(pán)區(qū)域可以被沖洗掉. 然后將板放入酸中洗 浴,從兩面腐蝕掉所希望孔.金屬板兩邊的正趨光性模版的相互定位是關(guān)鍵性的,特別是密引腳間隔的元件.如果模版定位不好,孔會(huì)形成斜坡,造成絲印不 好,出現(xiàn)這種情況的時(shí)機(jī)通常是十分之一,但在過(guò)去幾年中,該 問(wèn)題很大成度上被解決了,由于改良的CAD數(shù)據(jù)和制造技術(shù)使失誤率下降到大約五十分之一. 成功的技術(shù)將使得模版如同一個(gè) 信封,將空板放入,可到達(dá) 220micron的精度.孔壁不能到

10、達(dá)太平整,由于酸是逐步腐蝕到孔內(nèi),但也會(huì)往板的 橫向腐蝕.形成一個(gè)“ 8字形截面.下列圖為放大圖但是,由于絲印模板很薄,所以通常這不是問(wèn)題.激光刻制模板另一個(gè)技術(shù)是使用電腦限制的 CO或YAG激光從板的一面切割出絲孔,可能要花去大約半個(gè)小時(shí)來(lái)刻制一塊模板,開(kāi)孔區(qū)越大,時(shí)間就越多,費(fèi)用也越高.激光機(jī)大約本錢(qián)為400,000美元,因此激光使用時(shí)間昂貴,結(jié)果通常一塊模板費(fèi)用是化學(xué)腐蝕的三 倍.該系統(tǒng)很精密,但除了本錢(qián)貴外,還有一個(gè)缺點(diǎn)：激光將熔化的 金屬切割出絲孔,同時(shí)也容易熔化模板外表,造成外表粗糙.因 此需要用沙拋光或用化學(xué)方法來(lái)清洗外表,留下幾個(gè)micron的粗糙度,看 上去好象外表暗淡,對(duì)聚

11、酯刮板有磨損作用,弁且 使得模板難以清潔,雖然有人認(rèn)為粗糙度將有助于錫膏的“滾 動(dòng).電蝕模板電蝕模板現(xiàn)時(shí)約占使用的 23%其制造過(guò)程是加成的,不象其 它工藝,模板成形方法如下：用光敏絕緣乳膠埋蓋住芯板基板,通過(guò)負(fù)趨光性模版焊盤(pán)區(qū) 透明,非絲印區(qū)不透明用紫外光曝光.焊盤(pán)區(qū)域變硬,其它區(qū) 域被清洗掉,然后將芯板浸浴在酸性電解溶液內(nèi),作為陰極聯(lián)接在電源上,陽(yáng)極為耗損性錦.經(jīng)過(guò)幾個(gè)小時(shí),錦就沉淀在導(dǎo)電區(qū) 域非焊盤(pán),弁可以象一張紙一樣撕下,形成絲孔.這種模板有比其它模板優(yōu)越的地方,孔的內(nèi)壁很平滑,可以作成梯形,即底部比上部稍寬,12的角度,這有助于錫膏穿過(guò)模板 印到PCB上.在孔的底部四周形成1020m

12、icron的“尖頭,在 焊盤(pán)周?chē)纬梢蝗吙?絲印時(shí)有助于錫膏準(zhǔn)確地停留在焊盤(pán) 上,見(jiàn)下列圖：本錢(qián)大約比化學(xué)腐蝕高30 % .刮板第三個(gè)S刮板有兩種形式：菱形和拖裙形,拖裙形分 成聚乙烯或類(lèi)似材料和金屬.菱形這種形式現(xiàn)在已很不普遍了,雖然還在使 用,特別在美國(guó)和日本.它由截面為大約10mmx 10 mm的正方形組成,由夾板夾住,形成兩面45 的角度：這種刮板可以?xún)蓚€(gè)方向工作,每個(gè)行程末都 會(huì)跳過(guò)錫膏條,因此只要一個(gè)刮板.可是, 這樣很容易弄臟,由于錫膏會(huì)往上跑,而不 是只停留在聚乙烯的很少 的暴露局部.其撓 性不夠意味著不能貼合扭曲變形的PCB ,可 能造成漏印區(qū)域.不可調(diào)節(jié).拖裙形 這種形式

13、很普遍,由截面為矩形的聚乙烯構(gòu) 成,夾板支持,需要兩個(gè)刮板,一個(gè)絲印行 程方向一個(gè)刮板.無(wú)需跳過(guò)錫膏條,因錫膏 就在兩個(gè)刮板之間,每個(gè)行程的角度可以單 獨(dú)決定大約40 mm刮板是暴露的,而錫膏只向上走1520 mm,所以這種形式更干凈些刮板是按硬度范圍和顏色代號(hào)來(lái)區(qū)分的,例如：6065shorevery soft紅色7075shoresoft綠色8085shorehard藍(lán)色90 + shorevery hard白色使用之前,刮板須調(diào)節(jié),使其導(dǎo)向邊成直線 弁平行,先檢查其邊是否成直線,如果不, 調(diào)節(jié)夾板的固定螺絲.s cr ew O O O O O O刮板作用和金屬模板比擬來(lái)看,刮板的動(dòng)力學(xué)要

14、求對(duì)乳膠絲網(wǎng)是不同的在乳膠絲網(wǎng)上,刮板需要推動(dòng)其前面的錫 膏,將錫膏泵壓通過(guò)絲網(wǎng)而印到絲印區(qū)域, 要到達(dá)這種作用需使用一種軟的刮板7075 shore ,綠色,其自身在與絲網(wǎng)接觸的地方發(fā) 生變形./',前缶敬丸屆座能錫曾歲海磅痼度產(chǎn)生商施桑作用 呼乳眠絲闖甚至可用更軟的刮板6065 shore, 紅色來(lái)在 厚的混合陶瓷基底上絲印油墨.使用金屬模板時(shí),刮板將錫膏在前面滾動(dòng), 無(wú)須泵作用即可流入絲孔內(nèi),然后刮去多余 錫膏,在PCB焊盤(pán)上留下與模板一樣厚的錫 膏.不需要也不指望刮板的變形,因此可以 使用較硬的即：8085 shore ,藍(lán)色或金屬的 刮板.刮板硬度與壓力必須協(xié)調(diào),如果壓力太小

15、, 刮板將刮不干凈模板上的錫膏,如果壓力太大,或刮板太軟,那么刮板將沉入模板上較 大的孔內(nèi)將錫膏挖出.壓力的經(jīng)驗(yàn)公式在金屬模板上使用藍(lán)色刮板,為了得到正確 的壓力,開(kāi)始時(shí)在每50 mm的刮板長(zhǎng)度上施加 1 kg壓力,例如300 mm的刮板施加6 kg的壓力, 逐步減少壓力直到錫膏開(kāi)始留在模板上刮 不干凈,然后再增加1 kg 壓力.在錫膏刮不 干凈開(kāi)始到刮板沉入絲孔內(nèi)挖出錫膏之間, 應(yīng)該有12 kg 的可接受范圍都可以到達(dá)好的 絲印效果.金屬刮板在限制較好的情況下,利用聚乙烯刮板可以 到達(dá)非常好的效果,而金屬刮板在生產(chǎn)中也 是很好的,同時(shí)可解決一些聚乙烯所產(chǎn)生的但記住,它不適用于乳膠絲網(wǎng),由于會(huì)

16、造成 過(guò)度的磨損,并且沒(méi)有泵錫膏的作用.由金屬刀片固定于支架組成,大約40 mm的伸 出.不象聚乙烯刀片,它有很直的邊線,使用 前無(wú)須調(diào)整.相對(duì)于聚乙烯的大約39個(gè)月 壽命來(lái)說(shuō),其壽命是無(wú)限的.雖然整個(gè)刀片有短暫的柔性來(lái)接納變形翹 起的PCB ,但其邊不退讓和變形沉入絲孔的 事實(shí)使它具有其幾個(gè)優(yōu)點(diǎn),不管絲孔的大小 如何,較大范圍的壓力即：415 kg都可得到 好的絲印效果.6 thou 的模板決定了絲印厚 度也是6 thou ,這就防止了因操作員和其它 條件的不同而產(chǎn)生的變化.可靠的絲印厚度 是特別重要的,由于外表貼附元件的同平面 度允許誤差是4 thou ,所以絲印厚度至少必 須是5 tho

17、u .由于金屬模板和金屬刮板絲印出的錫膏很 飽滿(mǎn),一些使用者發(fā)現(xiàn)當(dāng)他們轉(zhuǎn)換時(shí),得到的絲印厚度太厚這個(gè)可以通過(guò)減少模板的厚度的方法來(lái)糾正,但最好是減少“微調(diào) 絲孔的長(zhǎng)和寬10 %,以減少焊盤(pán)上錫膏的面 積.這樣就意味著焊盤(pán)的定位變得不很重要 了,模板與焊盤(pán)之間的框架密封得到改善, 減少了錫膏在模板底和PCB之間的“炸開(kāi). 絲印模板底面的清潔次數(shù)由每5或10次絲印 清潔一次減少到每50次絲印清潔一次.模板與絲印后PCB的分開(kāi)絲印完后,PCB與絲印模板分開(kāi),將錫膏留在 PCB上而不是絲印孔內(nèi).對(duì)于最細(xì)密絲印孔來(lái)說(shuō), 模板的厚度很重要,由于絲孔的孔壁相 對(duì)于焊盤(pán)面積變得很重要,錫膏可能會(huì)更容易粘附在孔

18、壁上而不 是焊盤(pán)上.WW焊盤(pán)面積=w x d 絲孔內(nèi)壁面積=2(w x h) + 2(d xh)焊盤(pán)面積的經(jīng)驗(yàn)公式,盡可能不小于孔內(nèi)壁的面積.例如：PCB上最密引腳間隔是25 thou ,因此最小的焊 盤(pán)寬度為12.5 thou 或3 mm , 乘以比方說(shuō)2 mm 的 長(zhǎng)度,模板為6 thou (0.15 mm) 厚度.焊盤(pán)面 積=0.3 mm x 2 mm = 0.6 mm 2絲孔 內(nèi)壁面 積=2 x (0.15 mm x 0.3 mm) + 2 x(0.15 mm2x 2 mm) = 0.69 mm將模板厚度減少為4 thou (0.1 mm) 可將情況得 到改善.絲孔內(nèi)壁面積=2 x (0.10 mm x 0.3 mm) + 2 x(0.1 mm x 22 mm) = 0.46 mm不過(guò),有兩個(gè)因素是有利的,第一,焊盤(pán)是 一個(gè)連續(xù)的面積,而絲孔內(nèi)壁大多數(shù)情況分 為四面,有助于釋放錫膏；第二,重力和與 焊盤(pán)的粘附力一起,在絲印和別離所花的 26秒時(shí)間內(nèi),將錫膏拉出絲孔粘著于PCB 上.為最大發(fā)揮這種有利的作用,可將別離 延時(shí),開(kāi)始時(shí)PCB分開(kāi)較慢.很多機(jī)器允許絲 印后的延時(shí),工作臺(tái)下落的頭23 mm行程速 度可調(diào)慢.絲印速度絲印期間,刮板在絲印模板上的