深度解析SMT锡膏印刷三要素

在一块典型的 PCB(印刷电路板)上 ,可能有几百个元件, 600 到 1,000
个联接点(即焊盘 pad)。因此这些端点的焊接不合格率必须维持在一个
最小值。一般来说, PCB 不能通过测试而须要返工的有 60%是由于锡膏
(solder paste)丝印质量差而造成的。本文将讨论丝印(screenprinting)的基本要素, 并探讨生产中持续的完美丝印品质所需的技术。
在锡膏丝印中有三个关键的要素,这里叫做三个 S:

Solder paste(锡膏)

 Stencils(丝印模板)

 Squeegees(丝印刮板)

三个要素的正确结合是持续的丝印品质的关键所在。

锡膏(第一个 S)
锡膏是锡珠和松香(resin)的结合物, 松香的功能是在回流(reflowing)焊炉的第一阶段,除去元件引脚、焊盘和锡珠上的氧化 物,这个阶段在 150度 持续大约三分钟。(resin 有时叫做 rosin,严格地说, resin是天然产品,而 rosin 是人造产品。)焊锡是铅、锡和银的合金,在回流焊炉的第二阶段,大约 220 C 时回流。银和松香都起帮助熔化焊锡和湿润(wetting)以达到回流的作用, 即助焊剂的作用。(湿润 wetting:是焊接效果的描述词,被焊物好象被锡所浸“湿”。)球状的焊锡颗粒制造成各种混合尺寸, 然后筛选、 分级, 锡膏是按照锡珠的大小来分级的,如下:
2 型:75~53um
3 型:53~38um
4 型:38~25um(um = 0.001mm )

三球定律
三球定律给生产提供了一个选择丝印模板的简单公式, 锡膏中锡珠的大小必须与丝印模板相匹配,如下所述:
经 验 公 式 :
至少有三个最大直径的锡珠能垂直地排在丝印模板的厚度方向上。
至少有三个最大直径的锡珠能水平地排在丝印模板的最小孔的宽度方向上。
如图中所示为丝印模板及锡珠的截面图:

计算略为复杂,因为锡珠是用M 制 micron()来度量,而丝印模板厚度的工业规范是美国的专用单位 thou!

(1um=1×10-mm,1thou=1x10-3inches,25um-1thou.)

丝印孔的尺寸是由元件引脚间隔(pitch)决定的,焊盘的尺寸一般是引脚间隔的一半。(丝印孔的尺寸实际上可能比焊盘(pad)尺寸小一点),例如,25thou(0.63mm)的间隔,丝印孔为12.5thou。因此锡膏的选用必须满足丝印模板上最小的丝印孔:

因此,丝印模板的厚度通常是决定因素,大多数应用是选择规范的6thou厚的丝印模板,3型的锡膏。

 

粘 度

粘度是锡膏的一个重要特性,从动态方面来说,在丝印行程中,其粘性越低,则流动性越好,易于流入丝印孔内,印到PCB的焊盘上。从静态方面考虑,丝印刮过后,锡膏停留在丝印孔内,其粘性高,则保持其填充的形状,而不会往下塌陷,这一点对于等待贴片前丝印在焊盘上的锡膏更为重要。

锡膏在其容器罐内的粘度是使用一种精巧的、通常很昂贵的实验室粘度计测量而得的。规范的粘度是在大约500kcps~1200kcps范围内,较为典型的800kcps用于模板丝印是理想的。判断锡膏是否具有正确的粘度有一种更为实际和经济的方法,如下:

用刮勺在容器罐内搅拌锡膏约30秒钟,然后挑起一些锡膏,高出容器罐三、四英寸,让锡膏自行往下滴,开始时应该象稠的糖浆一样滑落而下,然后分段断裂落下到容器罐内。如果锡膏不能滑落,则太稠,如果一直落下而没有断裂,则太稀,粘度太低。


丝印模板(第二个S)

历史上,使用一种厚的乳胶丝网,它有别于丝印模板,现在只有少数锡膏丝印机使用。金属模板比乳胶丝网普遍得多,优越得多,并且也不会太贵。下图给出了一个价格比较的概念:

锡膏印刷技术源自于完善建立的工业丝印(silk screen printing)行业,因此术语“丝印”被源用到这种要求较稠沉淀物的锡膏印刷。厚乳胶丝网原本比金属模板经济得多,但使用寿命不长,而且用于密脚(fine pitch)也不实际。

制造过程如下:

在框架上张布一张尼龙、聚酯纤维或不锈钢的丝网。不锈钢丝是最好的,因为其刚性。工业丝印用的网很细密,大约每英寸400丝,这样细小的油墨粒子(2~3um)才可以很流畅地通过丝网。为了使锡珠通过丝网,建议采用一种粗糙得多的丝网,大约每英寸80丝。

丝网上涂盖光敏乳胶,通常约十层以封住网孔,形成一层典型的8thou的厚度。将正趋光性(黑色焊盘)透明玻璃放在上面,然后用很强的紫外光来曝光(如:2kw,几秒钟)。曝光区域变硬,软的地方没曝光,可被洗掉而留下网孔。因此,丝印时锡膏可以通过这些孔来印刷。

丝印刮板(squeegee)是利用泵作用原理将锡膏压挤通过丝网,因此要使用一种软的橡胶刮板(见刮板部分)。丝印时丝网与PCB之间留有1~3mm的间隙,刮板将丝网压低和PCB接触,随后“撕开”。这种作用是必要的,否则,锡膏会滞留在丝网上而不是在PCB的焊盘上。

厚乳胶丝网的应用, 其局限性主要是由于开孔上有丝网的阻碍, 得到的
丝印沉淀物有限,不可以用于小于 30thou 的密间隔。

 

金 属 模 板
金属模板现在在大多数的锡膏丝印机上使用。其组成是薄金属板上开有小孔, 锡膏从中印出, 解决了前面网印的沉淀物无规律的问题。不要求丝印刮板有泵作用,因为锡膏可以很容易流过开孔。也不要求模板与PCB 之间有间隙。

有三种制造金属模板的方法:化学、激光和电蚀。


化 学 腐 蚀
现时丝印模板主要是这种方法制造的,过程如下:


取薄铜板,或更普遍的不锈钢板,在两面涂盖光敏耐酸物,正趋光性(黑色焊盘)模版分别叠放在两面,用强力紫外光曝光。曝光区域变硬,而软的焊盘区域可以被冲洗掉。然后将板放入酸中洗浴,从两面腐蚀掉所希望孔。

金属板两边的正趋光性模版的相互定位是关键性的,特别是密引脚间隔的元件。如果模版定位不好,孔会形成斜坡,造成丝印不好,出现这种情况的机会通常是十分之一,但在过去几年中,该问题很大成度上被解决了,因为改进的CAD数据和制造技术使失误率下降到大约五十分之一。成功的技术将使得模版如同一个信封,将空板放入,可达到2~20micron的精度。

孔壁不能达到太平整,因为酸是逐步腐蚀到孔内,但也会往板的横向腐蚀。形成一个“8”字形截面。(下图为放大图)

但是,由于丝印模板很薄,所以通常这不是问题。

激光刻制模板

另一个技术是使用电脑控制的CO,或YAG激光从板的一面切割出丝孔,可能要花去大约半个小时来刻制一块模板,开孔区越大,时间就越多,费用也越高。激光机大约成本为400,000美元,因此激光使用时间昂贵,结果通常一块模板费用是化学腐蚀的三倍。

该系统很精密,但除了成本贵外,还有一个缺点:激光将熔化的金属切割出丝孔,同时也容易熔化模板表面,造成表面粗糙。因此需要用沙抛光或用化学方法来清洗表面,留下几个micron的粗糙度,看上去好象表面暗淡,对聚酯刮板有磨损作用,并且使得模板难以清洁,虽然有人认为粗糙度将有助于锡膏的“滚动”。

电蚀模板

电蚀模板现时约占使用的2~3%,其制造过程是加成的,不象其它工艺,模板成形方法如下:

用光敏绝缘乳胶埋盖住芯板(基板),通过负趋光性模版(焊盘区透明,非丝印区不透明)用紫外光曝光。焊盘区域变硬,其它区域被清洗掉,然后将芯板浸浴在酸性电解溶液内,作为阴极联接在电源上,阳极为耗损性镍。经过几个小时,镍就沉淀在导电区域(非焊盘),并可以象一张纸一样撕下,形成丝孔。

这种模板有比其它模板优越的地方,孔的内壁很平滑,可以作成梯形,即底部比上部稍宽,1~2的角度,这有助于锡膏穿过模板印到PCB上。

在孔的底部四周形成10~20micron的“尖头”,在焊盘周围形成一圈边框,丝印时有助于锡膏准确地停留在焊盘上,见下图:

成本大约比化学腐蚀高30%。


刮板(第三个S)

刮板有两种形式:菱形和拖裙形,拖裙形分成聚乙烯(或类似)材料和金属。

菱形

这种形式现在己很不普遍了,虽然还在使用,特别在美国和日本。它由截面为大约10mm×10mm的正方形组成,由夹板夹住,形成两面45的角度:

这种刮板可以两个方向工作,每个行程末都会跳过锡膏条,因此只要一个刮板。可是,这样很容易弄脏,因为锡膏会往上跑,而不是只停留在聚乙烯的很少的暴露部分。其挠性不够意味着不能贴合扭曲变形的PCB,可能造成漏印区域。不可调节。

拖裙形

这种形式很普遍,由截面为矩形的聚乙烯构成,夹板支持,需要两个刮板,一个丝印行程方向一个刮板。无需跳过锡膏条,因锡膏就在两个刮板之间,每个行程的角度可以单独决定。

大约40mm刮板是暴露的,而锡膏只向上走15~20mm,所以这种形式更干净些。

刮板是按硬度范围和颜色代号来区分的,例如:

使用之前,刮板须调节,使其导向边成直线并平行,先检查其边是否成直线,如果不,调节夹板的固定螺丝。

刮板作用

和金属模板比较来看,刮板的动力学要求对乳胶丝网是不同的。

在乳胶丝网上,刮板需要推动其前面的锡膏,将锡膏泵压通过丝网而印到丝印区域,要到达这种作用需使用一种软的刮板(70~75shore,绿色),其自身在与丝网接触的地方发生变形。

甚至可用更软的刮板(60~65shore,红色)来在厚的混合陶瓷基底上丝印油墨。

使用金属模板时,刮板将锡膏在前面滚动,无须泵作用即可流入丝孔内,然后刮去多余锡膏,在PCB焊盘上留下与模板一样厚的锡膏。不需要也不指望刮板的变形,因此可以使用较硬的(即:

80~85 shore,蓝色)或金属的刮板。

刮板硬度与压力必须协调,如果压力太小,刮板将刮不干净模板上的锡膏,如果压力太大,或刮板太软,那么刮板将沉入模板上较大的孔内将锡膏挖出。

压力的经验公式

在金属模板上使用蓝色刮板,为了得到正确的压力,开始时在每50mm的刮板长度上施加1kg压力,例如300mm的刮板施加6kg的压力,逐步减少压力直到锡膏开始留在模板上刮不干净,然后再增加1kg压力。在锡膏刮不干净开始到刮板沉入丝孔内挖出锡膏之间,应该有1~2kg的可接受范围都可以到达好的丝印效果。

金属刮板

在控制较好的情况下,利用聚乙烯刮板可以达到非常好的效果,而金属刮板在生产中也是很好的,同时可解决一些聚乙烯所产生的问题。

但记住,它不适用于乳胶丝网,因为会造成过度的磨损,并且没有泵锡膏的作用。

由金属刀片固定于支架组成,大约40mm的伸出。不象聚乙烯刀片,它有很直的边线,使用前无须调整。相对于聚乙烯的大约3~9个月寿命来说,其寿命是无限的。

虽然整个刀片有短暂的柔性来接纳变形翘起的PCB,但其边不退让和变形沉入丝孔的事实使它具有其几个优点,不管丝孔的大小如何,较大范围的压力(即:4~15kg)都可得到好的丝印效果。6thou的模板决定了丝印厚度也是6thou,这就避免了因操作员和其它条件的不同而产生的变化。可靠的丝印厚度是特别重要的,因为表面贴附元件的同平面度允许误差是4thou,所以丝印厚度至少必须是5thou。

由于金属模板和金属刮板丝印出的锡膏很饱满,一些使用者发现当他们转换时,得到的丝印厚度太厚。这个可以通过减少模板的厚度的方法来纠正,但最好是减少(“微调”)丝孔的长和宽10%,以减少焊盘上锡膏的面积。这样就意味着焊盘的定位变得不很重要了,模板与焊盘之间的框架密封得到改善,减少了锡膏在模板底和PCB之间的“炸开”。丝印模板底面的清洁次数由每5或10次丝印清洁一次减少到每50次丝印清洁一次。

模板与丝印后PCB的分开丝印完后,PCB与丝印模板分开,将锡膏留在PCB上而不是丝印孔内。

对于最细密丝印孔来说,模板的厚度很重要,因为丝孔的孔壁相对于焊盘面积变得很重要,锡膏可能会更容易粘附在孔壁上而不是焊盘上。

焊盘面积=wxd丝孔内壁面积=2(wxh)+2(dxh)

焊盘面积的经验公式,尽可能不小于孔内壁的面积。例如:

PCB上最密引脚间隔是25thou,因此最小的焊盘宽度为12.5thou或3mm,乘以比如说2mm的长度,模板为6thou(0.15mm)厚度。

焊盘面积=0.3mm×2mm=0.6mm2

丝孔内壁面积=2x(0.15mmx0.3mm)+2x(0.15mmx2mm)

=0.69mm2将模板厚度减少为4thou(0.1mm)可将情况得到改善。

丝孔内壁面积=2x(0.10mmx0.3mm)+2x(0.1mmx2mm)

=0.46mm2

不过,有两个因素是有利的,第一,焊盘是一个连续的面积,而丝孔内壁大多数情况分为四面,有助于释放锡膏;第二,重力和与焊盘的粘附力一起,在丝印和分离所花的2~6秒时间内,将锡膏拉出丝孔粘着于PCB上。为最大发挥这种有利的作用,可将分离延时,开始时PCB分开较慢。很多机器允许丝印后的延时,工作台下落的头2~3mm行程速度可调慢。

丝印速度

丝印期间,刮板在丝印模板上的行进速度是很重要的,因为锡膏需要时间来滚动和流入丝孔内。如果允许时间不够,那么在刮板的行进方向,锡

膏在焊盘上将不平。当速度低到每秒20mm时,刮板可能在少于几十毫秒的时间内刮过小的丝孔。

丝印速度的经验公式

对PCB上最密元件引脚的每thou长度,你可以允许每秒1mm的最大速度。因此:

结论:

无论你采用的丝印机的复杂性及特性如何,如果你不能选择正确的锡膏、丝印模板和丝印刮板的结合使用,那么,丝印只是艺术,而不是科学。

 

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