电子厂超实用SMT细间距锡膏印刷及红胶印刷工艺技术分析汇总!

电子厂超实用SMT细间距锡膏印刷及红胶印刷工艺技术分析汇总!
SMT深圳市致远佳科技有限公司 2020-5-28

 

摘要

在电子应用技术智能化,多媒体化,网络化的发展趋势下,SMT技术应运而生。随着各学科领域的发展,SMT在90年代得到迅速发展和普及,并成为电子装联技术的主流。它不仅变革了传统电子电路组装的概念,其高密度化,高速化,标准化等特点在电路组装技术领域占了绝对的优势。对于推动当代电子信息产业的发展起了重要的作用,成为制造现代电子产品必不可少的技术之一。目前,它已经浸透到航空、医疗、汽车、通讯、家用电器、照明等多个行业各个领域,应用十分广泛。

 

 

进入21世纪以来,中国电子信息产品制造业每年都在高速增长,规模已发展成为全球最大电子制造国,且正向电子制造强国迈进 , 在中国电子信息产业快速发展的推动下,中国表面贴装技术SMT和生产线也得到了迅猛的发展 ; SMT表面贴装技术主要包括:锡膏印刷、元件贴装、回流焊接三个主要生产工序。产品质量是所有制造企业最核心的内容,它就像高大建筑中的基石,成就企业走向高峰。其中,锡膏印刷质量对表面贴装的质量影响最大,据业内评测分析,在排除PCB设计和来料质量问题的情况下,60%以上的组装缺陷都是由锡膏印刷不良造成的,因此,提升锡膏印刷质量尤为重要。本文收集了从精密锡膏印刷机品牌、锡膏、钢网、PCB、工艺参数和操作人员的操作技能等方面对锡膏印刷质量的影响进行分析汇总,并提出相应的预防和改善措施。

 

 

 

首先, 对于电子制造业员工SMT基础知识普及,要弄清楚電子廠整个PCBA的生产流程并不容易,为此小编特意把DIP插件与SMT贴片生产线上主要的工位整理成一个流程图,希望大家能够一目了然,清晰的记住生产线分为哪几段以及工位的区分。

随着电子产品向短、小、轻、薄化方向发展,0201、01005等片式元件以及SOIC、QFP、BGA 和CSP等细间距器件得到大量的应用,对锡膏印刷工艺及设备提出了更高的要求。要满足细间距及无铅化的工艺要求,防止回流焊后缺陷的发生,就必须了解印刷的工艺要求、锡膏的基本知识、印刷参数的设定及其内在原理,正确的使用锡膏,做好印刷工艺管控,才能有效的控制和提高锡膏的印刷质量。

业内知名锡膏制造商分析: 随着电子产品向短、小、轻、薄的方向发展,引发封装器件向更小、更薄、更快、更方便和更可靠的结构趋势转变。在此市场发展趋势下,比0201器件更小的01005器件和0.35MM间距的芯片得到推广和应用,这意味着SMT组装的难度将大幅提高。焊盘尺寸和间距的微细化将使锡膏的下锡和焊接难度显著增加,现用4号粉锡膏在01005器件和0.35mm细间距的芯片印刷上将难以满足需求,如何提升品质和提高焊点的可靠性对焊锡膏应用性能提出了新的要求,新一代更细粉---5号粉无铅锡膏的选用将成为行业的趋势。

 

 

 

在行业中企业也都广泛认同要获得的好的焊接,质量上长期可靠的产品,首先要重视的就是焊膏的印刷。生产中不但要掌握和运用焊膏印刷技术,并且要求能分析其中产生问题的原因,并将改进措施运用回生产实践中。

锡膏印刷是一种动态工艺,影响锡膏印刷质量的因素有很多,如印刷机性能、锡膏质量、钢网、PCB表面平整度、以及工艺参数和操作人员的操作技能等都有着密切的关系。因此,首先要确保印刷设备有良好的稳定性,还需要建立一套完整的锡膏印刷工艺控制文件,选择高品质和适合产品工艺要求的锡膏和钢网,并通过验证设定使用最合适的印刷参数,使整个印刷工艺过程稳定、可控并进行标准化。如有条件的公司还可通过在线3D-SPI锡膏测厚仪测试反馈系统,实时将测试结果反馈给印刷机进行自动修正,确保连续稳定的印刷质量。

 

 

 

印刷工艺过程不仅仅受钢网设计、印刷速度、印刷压力和清洗模式等因素的影响,而且其它因素如清洗剂、锡膏补充、钢网涂层、清洗频率以及支撑方式等也会产生显著影响。另外,较小的面积比以及很薄的钢网使得印刷对于一些因素变的更为敏感,例如夹边方式,丝印层等。

 

[锡膏印刷过程示意图]

 

1 . 焊膏的因素

焊膏比单纯的锡铅合金复杂得多,主要成分如下:焊料合金颗粒、助焊剂、流变性调节剂、粘度控制剂、溶剂等。确实掌握相关因素,选择不同类型的焊膏;同时还要选择产品制程工艺完善、质量稳定的大厂。通常选择焊膏时要注意以下因素:

1.1   焊膏的黏度(Viscosity)

焊膏的黏度是影响印刷性能的最重要因素,黏度太大,焊膏不易穿过模板的开孔,印出的线条残缺不全,黏度太低,容易流淌和塌边,影响印刷的分辨力和线条的平整性。

焊膏黏度可以用精确黏度仪进行测量,实际工作中企业如果采购的是进口焊膏,平时生产时可以采用简单的方法为黏度作定性判断:用刮刀挑起焊膏,看是否是慢慢逐段落下,达到黏度适中。同时,我们也认为要使焊膏每次使用都有很好的黏度特性,需要做到以下几点:

(1)从0℃回复到室温的过程,密封和时间一定要保证;

(2)搅拌最好使用专用的搅拌器;

(3)生产量小,焊膏存在反复使用的情况,需要制定严格的规范,规范外的焊膏一定要严格停止使用。

 

 

1.2  焊膏的粘性(Tackiness)

焊膏的粘性不够,印刷时焊膏在模板上不会滚动,其直接后果是焊膏不能全部填满模板开孔,造成焊膏沉积量不足。焊膏的粘性太大则会使焊膏挂在模板孔壁上而不能全部漏印在焊盘上。

焊膏的粘性选择一般要求其自粘能力大于它与模板的粘接能力,而它与模板孔壁的粘接力又小于其与焊盘的粘接力。

 

1.3  焊膏颗粒的均匀性与大小

焊膏焊料的颗粒形状、直径大小及其均匀性也影响其印刷性能,最近行业中由01005器件印发的对3#、4#、5#焊膏的印刷特性研究真是不少,笔者觉得某一类焊膏的焊料颗粒,型号范围内最大颗粒的直径约为或者略小于模板开口尺寸的1/5,再选用适当厚度和工艺打孔的网板就能达到理想的印刷效果。通常细小颗粒的焊膏会有更好的焊膏印条清晰度,但却容易产生塌边,被氧化程度和机会也高。一般是以引脚间距作为其中一个重要选择因素,同时兼顾性能和价格。具体的引脚间距与焊料颗粒的关系如表1所示。

现在很多单位都在对01005元件的焊盘设计规范作考虑,但首要就是结合对应设计的网板开口和选用的焊膏颗粒对印刷质量的影响作评估。

 

表1 引脚间距和焊料颗粒的关系

 

 

 

图上-为0.4mmBGA焊盘布局

 

1.4    焊膏的金属含量

焊膏中金属的含量决定着焊接后焊料的厚度。随着金属所占百分比含量的增加,焊料厚度也增加。但在给定黏度下,随金属含量的增加,焊料的桥连倾向也相应增大。

回流焊后要求器件管脚焊接牢固,焊量饱满、光滑并在器件(阻容器件)端头高度方向上有1/3~2/3高度的爬升。为了满足对焊点的焊锡膏量的要求,通常选用85%~92%金属含量的焊膏,焊膏制作厂商一般将金属含量控制在89%或90%,使用效果更好。

 

 

2   模板的因素

2.1    网板的材料及刻制

通常用化学腐蚀和激光切割两种方法,对于高精度的网板,应选用激光切割制作方式,因为激光切割的孔壁直,粗糙度小(小于3μm)且有一个锥度。有人已经通过实验证实针对盐粒大小的01005器件,焊膏印刷有更高的精度要求,激光切割已经不能满足,需要采用特殊电铸,也叫电镀。

2.2    网板的各部分与焊膏印刷的关系

(1)开孔的外形尺寸

网板上开孔的形状与印刷板上焊盘的形状几何尺寸对焊膏的精密印刷是非常重要的。在贴片的时候,高端的贴片机能精确控制贴装压力,目的也包括尽量不去挤压、破坏焊膏图案,以免在回流出现桥连、溅锡。网板上的开孔主要由印刷板上相对应的焊盘尺寸决定。一般为网板上开孔的尺寸应比相对应焊盘小10%。实际上不少企业在网板制作上采取的是开孔和焊盘比例1:1,小批量、多品种的生产还存在大量的手工焊接,笔者实验焊接过不少QFN器件,用的是手工点焊膏的方法,并且严格控制了每个点的焊膏量,但无论怎么调节回流温度,用X-RAY检测,器件底部都存在或多或少的锡珠。根据实际情况不具备制作网板的条件,最后用器件植球的方法才达到了较好的焊接效果,但这也是满足了特殊条件,并只能在很小批量生产时才能使用。

这里提供几幅图片,供大家参考。

(2)网板的厚度

网板的厚度与开孔的尺寸对焊膏的印刷以及后面的再流焊有着很大的关系,具体为厚度越薄开孔越大,越有利于焊膏释放。经证明,良好的印刷质量必须要求开孔尺寸与网板厚度比值大于1.5。否则焊膏印刷不完全。一般情况下,对,0.3~0.4mm的引线间距,用厚度为0.12~0.15mm网板,0.3以下的间距,用厚度为0.1mm网板。

(3)网板开孔方向与尺寸

焊膏在焊盘长度方向上的释放与印刷方向一致时,比两者方向垂直时的印刷效果好。具体的网板设计工艺可依据表2来实施。

随着SMT工艺的发展,SMT钢网(SMT模板)还被广泛的应用于胶剂工艺。

 

对于锡膏钢网和红胶钢网,是有很大区别的!

首先,开孔工艺的不同,锡膏钢网,钢网开孔直接按贴片焊盘位置1:1开孔,这样方便锡膏直接漏在PCB焊盘上面,便于焊接!而红胶钢网,特殊一点,它的作用是刷胶水,粘贴器件方便焊接,所以开孔是开在器件焊盘之间的位置。所以,钢网用途开错,就无法返工,只能报废了。

其次,锡膏钢网和红胶钢网,是针对不同的PCB器件贴片加工工艺来决定的!一般PCB同一面,贴片器件比较少,而插件器件比较多的情况,使用红胶钢网工艺会增加。

 

 

1  焊膏印刷过程的工艺控制

焊膏印刷是一个工艺性很强的过程,其涉及到的工艺参数非常多,每个参数调整不当都会对贴装产品质量造成非常大的影响。

 

1.1    丝印机印刷参数的设定调整

(1)刮刀压力

刮刀压力的改变,对印刷来说影响重大。太小的压力,会使焊膏不能有效地到达模板开孔的底部且不能很好地沉积在焊盘上;太大的压力,则导致焊膏印得太薄,甚至会损坏模板。理想状态为正好把焊膏从模板表面刮干净。另外刮刀的硬度也会影响焊膏的厚薄。太软的刮刀会使焊膏凹陷,所以建议采用较硬的刮刀或金属刮刀。

(2)印刷厚度

印刷厚度是由模板的厚度所决定的,当然机器的设定和焊膏的特性也有一定的关系。印刷厚度的微量调整,经常是通过调节刮刀速度及刮刀压力来实现。适当降低刮刀的印刷速度,能够增加印刷至印制板的焊膏量。有一点很明显:降低刮刀的速度等于提高刮刀的压力;相反,提高了刮刀的速度等于降低了刮刀的压力。 

(3)印刷速度

刮刀速度快有利于模板的回弹,但同时会阻碍焊膏向印制板焊盘上传递,而速度过慢会引起焊盘上所印焊膏的分辨力不良。另一方面刮刀的速度和焊膏的黏稠度有很大的关系,刮刀速度越慢,焊膏的黏稠度越大;同样,刮刀速度越快,焊膏的黏稠度越小。通常对于细间距印刷速度范围为12~40mm/s。

(4)印刷方式

模板的印刷方式可分为接触式(on-contact)和非接触式(off-contact)。模板与印制板之间存在间隙的印刷称为非接触式印刷。在机器设置时,这个距离是可调整的,一般间隙为0~1.27mm;而模板印刷没有印刷间隙(即零间隙)的印刷方式称为接触式印刷。接触式印刷的模板垂直抬起可使印刷质量所受影响最小,它尤适用细间距的焊膏印刷。

(5)刮刀的参数

刮刀的参数包括刮刀的材料、厚度和宽度、刮刀相对于到刀架的弹力以及刮刀对于模板的角度等,这些参数均不同程度地影响着焊膏的分配。其中刮刀相对于模板的角度θ为60°~65°时,焊膏印刷的品质最佳。

在印刷的同时要考虑到开口尺寸和刮刀走向的关系。焊膏的传统印刷方法是刮刀沿着模板的x或y方向以90o角运行,这往往导致了器件在开孔不同走向)上焊膏量不同,经实验认证,当开孔长方向与刮刀方向平行时刮出的焊膏厚度比两者垂直时刮出的焊膏厚度多了约60%。刮刀以45°的方向进行印刷,可明显改善焊膏在不同模板开孔走向上的失衡现象,同时还可以减少刮刀对细间距的模板开孔的损坏。

(6)脱模速度

印制板与模板的脱离速度也会对印刷效果产生较大影响。时间过长,易在模板底部残留焊膏,时间过短,不利于焊膏的直立,影响其清晰度。

    其实每个丝网印刷设备的制造公司,在型号研制的时候都会做大量的印刷实验,设计细节上也都有个各自的特色。当需要购买丝网印刷设备的时候,应该向厂家做详细的咨询,多做比较,把厂家针对上述几个参数的实验和论证过程仔细研究。

(7)模板清洗

在焊膏印刷过程中一般每隔10块板需对模板底部清洗一次,以消除其底部的附着物,通常采用无水酒精作为清洗液。

 

1.1    焊膏使用时的工艺控制

(1)严格在有效期内使用焊膏,平日焊膏保存在冰箱中,使用前要求置于室温6h以上,之后方可开盖使用,用后的焊膏单独存放,再用时要确定品质是否合格;

(2)生产前操作者使用专用设备搅拌焊膏使其均匀,最好定时用黏度测试仪或定性对焊膏黏度进行抽测;

(3)当日当班印刷首块印刷板或设备调整后,要利用焊膏厚度测试仪对焊膏印刷厚度进行测定,测试点选在印制板测试面的上下、左右及中间等5点,记录数值,要求焊膏厚度范围在模板厚度的-10%~+15%;

(4)生产过程中,对焊膏印刷质量进行100%检验,主要内容为焊膏图形是否完整、厚度是否均匀、是否有焊膏拉尖现象;

(5)当班工作完成后按工艺要求清洗模板;

(6)在印刷实验或印刷失败后,印制板上的焊膏要求用超声波清洗设备进行彻底清洗并晾干,以防止再次使用时由于板上残留焊膏引起的回流焊后出现焊球。

 

1.2    常见印刷缺陷及解决办法

焊膏印刷是一项十分复杂的工艺,既受材料的影响,同时又跟设备和参数有直接关系,通过对印刷过程中各个细小环节的控制,可以说是细节决定成败,为防止在印刷中经常出现的缺陷,下面简要介绍焊膏印刷时产生的几种最常见的缺陷及相应的防止或解决办法。

 

 

1.2.1    印刷不完全

印刷不完全是指焊盘上部分地方没印上焊膏。产生原因可能是:

(1)开孔阻塞或部分焊膏黏在模板底部;

(2)焊膏黏度太小;

(3)焊膏中有较大尺寸的金属粉末颗粒;

(4)刮刀磨损。

防止解决办法:清洗开孔和模板底部,选择黏度合适的焊膏,并使焊膏印刷能有效地覆盖整个印刷区域;选择金属粉末颗粒尺寸与开孔尺寸相对应的焊膏;检查更换刮刀。

1.2.2  拉尖

拉尖是印刷后焊盘上的焊膏呈小山峰状,产生的原因可能是刮刀间隙或焊膏黏度太大。防止或解决办法:适当调小刮刀间隙或选择合适黏度的焊膏。

1.2.3  塌陷

印刷后,焊膏往焊盘两边塌陷。产生原因:

(1)刮刀压力太大;

(2)印制板定位不牢;

(3)焊膏黏度或金属含量太低。

防止或解决办法:调整压力;重新固定印制板;选择合适黏度的焊膏。

1.2.4    焊膏太薄

产生的原因:

(1)模板太薄;

(2)刮刀压力太大;

(3)焊膏流动性差。

防止或解决办法:选择合适厚度的模板;选择颗粒度和黏度合适的焊膏;降低刮刀压力。

1.2.5   厚度不一致

印刷后,焊盘上焊膏厚度不一致,产生原因:

(1)模板与印制板不平行;

(2)焊膏搅拌不均匀,使得粒度不一致。

防止或解决办法:调整模板与印制板的相对位置;印前充分搅拌焊膏。

1.2.6    边缘和表面有毛刺

产生的原因可能是焊膏黏度偏低,模板开孔孔壁粗糙。

防止或解决办法:选择黏度略高的焊膏;印刷前检查模板开孔的蚀刻质量。

 

2  结束语

为保证表面贴装产品质量,必须对生产各个环节中的关键因素进行分析研究,制定出有效的控制方法。作为关键工序的焊膏印刷更是重中之重,只有制定出合适的参数,并掌握它们之间的规律,才能得到优质的焊膏印刷质量 ; 操作人员的熟练程度和操作技能对锡膏印刷质量也有很大的影响,主要包括支撑顶针的布置、锡膏的添加和回收、钢网刮刀的安装、检查和回收等。如顶针布置不平整或不均匀,会造成印刷的锡膏厚度不均匀;如钢网刮刀安装不到位或安装不平整,会造成锡膏印刷不干净,锡膏成型不良等缺陷;如操作不当还会损坏钢网和刮刀,因此,需要对操作人员进行必要的上岗培训和加强员工质量意识的提升。

 

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