SMT絲印是科學(xué)不是藝術(shù)(doc18).doc

1、 SMT絲印是科學(xué) ,不是藝術(shù)在一塊典型的PCB(印刷電路板 ) 上 ，可能有幾百個元件，600 到 1,000個聯(lián)接點 ( 即焊盤 pad) 。因此這些端點的焊接不合格率必須維持在一個最小值。一般來說，PCB不能通過測試而須要返工的有60%是由于錫膏(solder paste)絲印質(zhì)量差而造成的。本文將討論絲印(screenprinting)的基本要素，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關(guān)鍵的要素，這里叫做三個S：Solder paste(錫膏 ) ，Stencils( 絲印模板 ) ，和 Squeegees( 絲印刮板 ) 。三個要素的正確結(jié)合是持續(xù)的絲印品質(zhì)的關(guān)

2、鍵所在。錫膏 ( 第一個 S)錫膏是錫珠和松香(resin)的結(jié)合物，松香的功能是在回流(reflowing)焊爐的第一階段，除去元件引腳、焊盤和錫珠上的氧化物，這個階段在 150 C 持續(xù)大約三分鐘。 (resin 有時叫做 rosin, 嚴(yán)格地說， 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 時回流。銀和松香都起幫助熔化焊錫和濕潤 (wetting)以達(dá)到回流的作用， 即助焊劑的作用。 ( 濕潤 wetting ：是焊接效果的描述詞，被焊物好象被錫所浸“濕”。)1 球狀的焊錫顆粒制造成各種混合尺寸，然后篩選、 分級，錫膏

3、是按照錫珠的大小來分級的，如下：2 型： 7553 m3 型： 5338 m4 型： 3825 m(= micron = 0.001mm )三球定律三球定律給生產(chǎn)提供了一個選擇絲印模板的簡單公式，錫膏中錫珠的大小必須與絲印模板相匹配，如下所述：經(jīng)驗公式：? 至少有三個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：計算略為復(fù)雜，因為錫珠是用米制micron() 來度量，而絲印模板厚度的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是美國的專用單位thou!2 -3-3inches,25 m 1thou.)(1 m=1x10 m

4、m,1thou=1x10錫膏類型3x 最大的錫珠尺寸最接近的模板厚度2 型： 75533x75 =225 =9.0thou9 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，焊盤的尺寸一般是引腳間隔的一半。 ( 絲印孔的尺寸實際上可能比焊盤(pad) 尺寸小一點 ) ，例如， 25thou(0.63mm) 的間隔，絲印孔為12.5thou 。因此錫膏的選用必須滿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合適的錫膏類型16 thou8 thou2

5、 型： 755312 thou6 thou3 型： 53388 thou4 thou4 型： 3825因此，絲印模板的厚度通常是決定因素，大多數(shù)應(yīng)用是選擇標(biāo)準(zhǔn)的6thou 厚的絲印模板， 3 型的錫膏。3 粘 度粘度是錫膏的一個重要特性，從動態(tài)方面來說， 在絲印行程中， 其粘性越低，則流動性越好，易于流入絲印孔內(nèi)，印到PCB的焊盤上。從靜態(tài)方面考慮，絲印刮過后，錫膏停留在絲印孔內(nèi)，其粘性高，則保持其填充的形狀， 而不會往下塌陷， 這一點對于等待貼片前絲印在焊盤上的錫膏更為重要。錫膏在其容器罐內(nèi)的粘度是使用一種精巧的、通常很昂貴的實驗室粘度計測量而得的。標(biāo)準(zhǔn)的粘度是在大約500kcps1200k

6、cps 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際和經(jīng)濟的方法，如下：用刮勺在容器罐內(nèi)攪拌錫膏約30 秒鐘，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，開始時應(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，則太稠，如果一直落下而沒有斷裂，則太稀，粘度太低。絲印模板(第二個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)錫膏絲印機使用。 金屬模板比乳膠絲網(wǎng)普遍得多，優(yōu)越得多， 并且也不會太貴。下圖給出了一個價格比較的概念：4 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

7、 screen printing)行業(yè)，因此術(shù)語“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)濟得多， 但使用壽命不長， 而且用于密腳 (fine pitch) 也不實際。制造過程如下：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，因為其剛性。 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 m)才可以很流暢地通過絲網(wǎng)。為了使錫珠通過絲網(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 ) 透明玻璃放在上面， 然后用很強的

8、紫外5 光來曝光 ( 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，絲印時錫膏可以通過這些孔來印刷。絲印刮板 (squeegee) 是利用泵作用原理將錫膏壓擠通過絲網(wǎng)，因此要使用一種軟的橡膠刮板( 見刮板部分 ) 。絲印時絲網(wǎng)與PCB之間留有 13mm的間隙， 刮板將絲網(wǎng)壓低和PCB接觸，隨后“撕開”。 這種作用是必要的，否則，錫膏會滯留在絲網(wǎng)上而不是在PCB的焊盤上。厚乳膠絲網(wǎng)的應(yīng)用， 其局限性主要是由于開孔上有絲網(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)的錫膏絲印機上使用。其組成是薄金屬板上開有小

9、孔，錫膏從中印出， 解決了前面網(wǎng)印的沉淀物無規(guī)律的問題。不要求絲印刮板有泵作用，因為錫膏可以很容易流過開孔。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)腐蝕現(xiàn)時絲印模板主要是這種方法制造的，過程如下：6 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 ) 模版分別疊放在兩面，用強力紫外光曝光。曝光區(qū)域變硬，而軟的焊盤區(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，孔會形成斜坡，造成絲印不好，出現(xiàn)這種情況的機會通常是十分之一，但

10、在過去幾年中，該問題很 大成度上被解決了，因為改進的 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信封，將空板放入，可達(dá)到220micron 的精度?？妆诓荒苓_(dá)到太平整，因為酸是逐步腐蝕到孔內(nèi)，但也會往板的橫向腐蝕。形成一個“ 8”字形截面。 ( 下圖為放大圖 )但是，由于絲印模板很薄，所以通常這不是問題。激光刻制模板另一個技術(shù)是使用電腦控制的CO2 或 YAG激光從板的一面切割出絲孔，可能要花去大約半個小時來刻制一塊模板，開孔區(qū)越大，時間就越多，7 費用也越高。激光機大約成本為400,000 美元，因此激光使用時間昂貴，結(jié)果通常一塊模板費用是化學(xué)腐蝕的三倍。

11、該系統(tǒng)很精密， 但除了成本貴外， 還有一個缺點： 激光將熔化的金屬切割出絲孔， 同時也容易熔化模板表面，造成表面粗糙。 因此需要用沙拋光或用化學(xué)方法來清洗表面，留下幾個 micron 的粗糙度，看 上去好象表面暗淡， 對聚酯刮板有磨損作用，并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”。電蝕模板電蝕模板現(xiàn)時約占使用的23%，其制造過程是加成的，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 ) ，通過負(fù)趨光性模版( 焊盤區(qū)透明，非絲印區(qū)不透明 ) 用紫外光曝光。焊盤區(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，陽極為耗損性鎳

12、。 經(jīng)過幾個小時， 鎳就沉淀在導(dǎo)電區(qū)域( 非焊盤 ) ，并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，這有助于錫膏穿過模板印到PCB上。8 在孔的底部四周形成1020micron 的“尖頭”，在焊盤周圍形成一圈邊框，絲印時有助于錫膏準(zhǔn)確地停留在焊盤上，見下圖：成本大約比化學(xué)腐蝕高30%。刮板(第三個S)刮板有兩種形式：菱形和拖裙形，拖裙形分成聚乙烯(或類似)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 和 日 本 。 它 由 截 面 為 大 約 10 mmx 10 mm的 正方形組成

13、，由夾板夾住，形成兩面45的角度：這種刮板可以兩個方向工作，每個行程末都會跳過錫膏條，因此只要一個刮板?？墒?，這樣很容易弄臟，因為錫膏會往上跑，而不是只停留在聚乙烯的很少的暴露部分。其撓性不夠意味著不能9 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 形這種形式很普遍，由截面為矩形的聚乙烯構(gòu)成，夾板支持，需要兩個刮板，一個絲印行程方向一個刮板。無需跳過錫膏條，因錫膏就在兩個刮板之間，每個行程的角度可以單獨決定。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來區(qū)分的，例如：6065shor

14、every soft紅 色7075shoresoft綠 色8085shorehard藍(lán) 色90 + shorevery hard白 色10 使用之前，刮板須調(diào)節(jié)，使其導(dǎo)向邊成直線并平行，先檢查其邊是否成直線，如果不，調(diào)節(jié)夾板的固定螺絲。刮板作用和金屬模板比較來看，刮板的動力學(xué)要求對乳膠絲網(wǎng)是不同的。在乳膠絲網(wǎng)上，刮板需要推動其前面的錫膏，將錫膏泵壓通過絲網(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。甚 至 可 用 更 軟 的 刮 板 ( 6065 shore,紅 色 )來 在 厚 的混合陶

15、瓷基底上絲印油墨。使用金屬模板時，刮板將錫膏在前面滾動，無須泵作用即可流入絲孔內(nèi)，然后刮去多余錫膏，在11 PCB焊盤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，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 始 時 在 每 50 mm的 刮 板 長 度 上 施 加 1 kg 壓 力 ，例 如 300 mm 的 刮 板 施 加 6 kg 的 壓 力 ，

16、 逐 步 減 少 壓 力直到錫膏開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 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12 在控制較好的情況下，利用聚乙烯刮板可以達(dá)到非常好的效果，而金屬刮板在生產(chǎn)中也是很好的，同時可解決一些聚乙烯所產(chǎn)生的問題。但記住，它不適用于乳膠絲網(wǎng)，因為會造成過度的磨損，并且沒有泵錫膏的作用。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，使用前無須調(diào)整。相對于聚乙烯

17、的大約39個月壽命來說，其壽命是無限的。雖然整個刀片有短暫的柔性來接納變形翹起的PCB，但其邊不退讓和變形沉入絲孔的事實使它具有其幾個優(yōu)點，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 。 6thou的 模 板 決 定 了 絲 印 厚 度 也 是 6 thou， 這 就 避 免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，因為表面貼附元件的 同 平 面 度 允 許 誤 差 是 4 thou， 所 以 絲 印 厚 度 至少 必 須 是 5 thou。13 由于金屬模板和金屬刮板絲印出的錫膏很飽滿，一些使用者發(fā)現(xiàn)當(dāng)

18、他們轉(zhuǎn)換時，得到的絲印厚度太厚。這個可以通過減少模板的厚度的方法來糾正，但最好是減少(“微調(diào)”)絲孔的長和寬10%，以減少焊盤上錫膏的面積。這樣就意味著焊盤的定位變得不很重要了，模板與焊盤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”。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的分開絲印完后，PCB與絲印模板分開，將錫膏留在PCB上而不是絲印孔內(nèi)。對于最細(xì)密絲印孔來說，模板的厚度很重要， 因為絲孔的孔壁相對于焊盤面積變得很重要，錫膏可能會更容易粘附在孔壁上而不是焊盤上。焊 盤 面 積 = w x d絲 孔 內(nèi) 壁 面 積 = 2(w x h) + 2(d x h)14 焊盤面積的經(jīng)驗公式，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， 因此最小的焊盤寬度 為 12.5thou 或 3mm， 乘 以 比 如 說 2mm的 長 度 ， 模 板為 6 thou (0.15 mm)厚 度 。焊 盤 面 積 = 0.3 mm x 2 mm = 0.6 mm2絲 孔 內(nèi) 壁 面 積 = 2 x (0.15 mm x 0.3 mm) + 2 x(0.15 mm x 2 mm)= 0.69 mm2將 模 板 厚 度 減 少 為 4 thou (0.1 mm