SMT組件的焊膏印刷工藝指南模板

SMT組件的焊膏印刷工藝指南模板資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)或者侵權(quán)，請聯(lián)系改正或者刪除。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、模板制造、模板組裝、模板清洗和模板壽命,這幾個環(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,是經(jīng)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:一般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。一般見光柵配準(zhǔn)部件將雙面光學(xué)工具精確對準(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。激光切割的模板是經(jīng)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,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:模板設(shè)計的常見問題是開孔設(shè)計及開孔設(shè)計對印刷性能的影響。在印刷操作過程中,刮刀在模板上推刮時,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方面的因素:

1．模板設(shè)計的面積比/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ＳＭＴ模板開口設(shè)計提供于眾,作為生產(chǎn)中之參考,見表１。表１SMT通用開孔設(shè)計指南

元件類型

間距

焊盤印腳

開孔寬度

開孔長度

模板厚度范圍

孔徑比范圍

面積比范圍

PLCC

50

25

23

100

8~10

2.3~2.9

1.07～1.17

QFP

25

14

12

60

6~7

1.7~2.0

0.71~0.83

QFP

20

12

10

50

5~6

1.7~2.0

0.69~0.83

QFP

16

10

8

50

4~5

1.6~2.0

0.68~0.86

QFP

12

8

6

40

3~4

1.5~2.0

0.65~0.86

0402

N/A

20×30

18

22

5~6

N/A

0.65~0.86

0201

N/A

10×20

8

16

3~4

N/A

0.65~0.86

BGA

50

32圓形

30圓形

30圓形

6~8

N/A

0.93~1.25

μBGA

40

15圓形

14方形

14方形

4.5~5.25

N/A

0.67~0.78

μBGA

30

12

14方形

14方形

4.5~5.25

N/A

0.67~0.78

μBGA

20

12圓形

11方形

11方形

3~4

N/A

0.69~0.92注意:1)假設(shè)μBGA焊盤不是焊料掩膜

2)μBGA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25mil,0.5mm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0．010″,對于化學(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:對于BGA而言,模板厚度應(yīng)在0．005~0．006″。對于柱狀陶瓷柵陣列(CCGA),要求模板的厚度為0．007″,這樣就可將耗用的焊膏量限制在最低的極限,而對CSP來說,要求模板厚度在0．004~0．005″。在使用后一種模板時要特別小心,因?yàn)樵谳^大的開口模板上施用焊膏可能會”舀出”焊膏,例如;1206電容或0．050″間距元件。表２所列是推薦使用的模板厚度。

表２推薦使用的模板厚度

0．050″間距

0．010~0．008″

0．025″間距

0．008~0．006″

0．020″間距

0．006~0．004″

0．016″間距

0．005~0．004″

0．012″間距

0．004~0．003″

孔徑比和面積比:對于細(xì)間距元件,開口或孔徑比(寬度/厚度)不應(yīng)小于1．5,這是很重要的(見圖2所示)。對于CSP,開口應(yīng)小到0．010″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(長度×寬度/2[長度+寬度]×厚度)必須大于0．66。

圖2

孔徑比和面積比細(xì)間距元件的孔徑比不應(yīng)小于1．5,而面積比必須大于0．66。

許多廠家在印刷BGA和CSP時都是應(yīng)用1:1的比例。對于后者來說,印刷比例比焊料凸點(diǎn)尺寸大0.．002~0．003″,這是很普遍的,這樣就會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Ⅲ粉末的連續(xù)性、柔性的要求。對于使用了0．012″直徑焊料凸點(diǎn)的CSP或μBGA封裝而言,建議印刷0.012~0.014″方形開口。一些研究表明,對于類型Ⅲ粉末,0.014″開口對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Ⅳ粉末。

表３所列是常見SMD的開孔設(shè)計的一些實(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10×50mil,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7×50mil,其孔徑比為1.4,這種模板對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３各種不同表面組裝器件的孔徑/面積比例

例子

開孔設(shè)計

孔徑比

面積比

焊膏釋放

1

QFP20間距10×50×5(厚度)

2.0

0.83

+

2

QFP16間距7×50×5(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

++

5

μBGA30間距11方形5(厚度)

2.2

0.55

+++

6

μBGA30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

一般建議使用金屬刮板,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問題。建議推刮角度為45°～60°,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最佳的角度。在選擇印刷力時,一種與模板平行的矢量推動著焊膏使得焊料滾動。另一個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。經(jīng)過對刮板刃口進(jìn)行一個簡易的顯微掃描檢查可顯示出很大的差別。刮板壓力較小一般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,建議將推刮速度設(shè)置在0.5″/秒。較低的推刮速度一般可使焊膏沉積近似于計算的量。(一般,實(shí)際沉積的焊膏量小于理論上的定量)。由于循環(huán)時間的要求,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,你會逐漸提高推刮速度及快速測量印刷結(jié)果。一般,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”。對于μBGA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爭的焦點(diǎn),有一種方法是提前釋放焊膏工藝,這種方法是經(jīng)過對極小的脫膏距離(0.002～0.003″)編程實(shí)現(xiàn)的,在開始印刷時,用很小的力以小角度將模板與印制板分離。然而,這個距離不足以釋放模板,至少在印刷工藝開始時是這樣。

3焊膏

粉末的選擇對于釋放焊膏是關(guān)鍵因素。為避免開口堵塞,在整個開口上可使用標(biāo)準(zhǔn)的3.5粒子,而方形開口對保持一致性方面很有幫助。表４所列是目尺寸和粉末尺寸。

表４

焊膏分類和目尺寸

分類

目尺寸

Ⅰ類-100/+200

100(150μm)0.0059

Ⅱ類-200/+325

200(75μm)0.030″

Ⅲ類-325/+500

325(45μm)0.0018″

Ⅳ類-400/+500

400(38μm)0.0015″

Ⅴ類-500/+635

500(25μm)0.0010″635(20μm)0.0008″焊膏流變性:使印刷工藝失控的因素有很多。例如;有時焊膏會干涸在模板表面,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。另外,印刷循環(huán)周期延遲,也會造成殘余焊膏或焊劑干涸在孔徑側(cè)壁上,這樣會縮小開口尺寸,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”熱潤滑淤渣”,除非制造廠家認(rèn)為應(yīng)對配方進(jìn)行必要的重新配制。

3.1焊膏量

下面用一個簡單等式來說明所需的焊膏量,見表５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)計為板上的通孔印刷焊膏:

(1)無臺階的模板。圖3

(2)有臺階的模板。圖4

(3)兩種印刷模式的模板。圖5表５

浸錫通孔等式

V=Ts(Lo×Wo)

1

=s{TB(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是套印開孔的長度

圖3

略

圖3無臺階的套印刷

圖4

略

圖4有臺階的套印刷(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)

對于模板印刷質(zhì)量的檢測當(dāng)前采用的方法主要有目測(使用裝有光源的顯微鏡)、二維檢測、三維檢測設(shè)備、X光檢測設(shè)備及帶有視覺系統(tǒng)的自動光學(xué)檢測設(shè)備。在檢測焊膏印刷質(zhì)量時,可根據(jù)元件類型采用不同的檢測工具和方法。

4.1人工檢驗(yàn)與自動化檢驗(yàn)的比較

采用視覺檢測的方法來檢驗(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,實(shí)施校正操作。這是監(jiān)控工藝成本最低的一種方法,可是,反饋回來的結(jié)果是合格率很低。印刷后的視覺檢測,經(jīng)過在成本最合理的印刷工藝中應(yīng)用校正操作,能夠減少返修量。不過,視覺檢驗(yàn)只是憑主觀意識,對視覺檢測的產(chǎn)品進(jìn)行的測試表明,只有80%是可靠的。借助臺式儀器的視覺檢測,即;臺式視覺檢測儀。用這種儀器測量焊膏的高度,計算焊膏的施用量,提高了可重復(fù)性,可是不能完全排除人為的非一致性。當(dāng)前,仍有許多生產(chǎn)廠家采用目測的方法進(jìn)行檢測。

視覺檢測、脫機(jī)檢測和自動在線檢驗(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,自動在線檢驗(yàn)設(shè)備查出的缺陷比前兩種設(shè)備的多。自動檢測設(shè)備可實(shí)施達(dá)100%的各種不同等級的檢測。這種設(shè)備不但能夠監(jiān)控工藝,還能夠搜集工藝控制所需的真實(shí)數(shù)據(jù)。

自動在線3D焊膏檢測設(shè)備提供了不同檔次的速度、性能和價格,不過只能測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,還有一些制造廠家推出了現(xiàn)場檢驗(yàn)設(shè)備,可檢驗(yàn)焊料高度和焊料量。

4.23D檢測

焊膏量是體現(xiàn)板子質(zhì)量的最好的一個參數(shù)。競爭焦點(diǎn)也是在保持焊膏量一致性上。(一家組裝承包商報導(dǎo)當(dāng)對印刷中的一批裝有352引腳的BGA的塊板子進(jìn)行檢驗(yàn)時,當(dāng)對板子上的焊膏進(jìn)行檢驗(yàn)后,在最后一次測試中沒有發(fā)現(xiàn)板子有缺陷,)在檢驗(yàn)中可參照表６中提供的檢驗(yàn)結(jié)果的詳細(xì)資料。

表６

跡象

可能的原因及對策

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,評估模板設(shè)計

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)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,就不會給焊點(diǎn)可靠性帶來不利后果。因此,脫機(jī)檢查或自動在線監(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,在電路測試(ICT)中查出的缺陷必須經(jīng)由15個步驟,包括工作記錄、返修和組裝板反饋到生產(chǎn)線之前的重新測試。一般,對于印刷工