锡膏印刷影响因素研究

SMT 是表面组装技术的缩写,它是通过印刷的方式将膏体状的锡膏印刷到印制板相应的焊盘上,然后通过在回流炉中加热,使锡膏熔化和凝聚,进而使焊盘和元器件牢固结合的过程。SMT 具有自动化程度高、印刷密度高、体积小、产品一致性好等特点。

锡膏印刷处于SMT 工艺的前端部分,是整个SMT 工艺过程中的关键工序之一。据统计,SMT 组装过程中70% 以上的缺陷来自锡膏印刷工序,特别是高密度组装板更加明显。锡膏印刷工序中常见的缺陷有锡膏量少、渗透、塌陷、偏移、拉尖、厚度不均,能够引发SMT 桥连、空洞、焊料不足、开路等缺陷。

 

一、锡膏印刷影响因素

影响锡膏印刷质量的因素包含印刷设备,网板质量、刮刀、锡膏、PCB 基板、印刷工艺参数、操作环境等因素。在SMT 生产线实际操作中,由于购买的印刷设备参数已定,刮刀的材质、类型、形状、硬度等已确定,温湿度、洁净度已确定。因此主要从网板、锡膏、PCB 板以及印刷参数的调整等方面分析影响锡膏印刷的因素。

 

1.网板设计、制造及使用

网板影响锡膏的具体表现为影响锡膏的印刷释放率。锡膏印刷释放率定义为: 释放到焊盘上的锡膏体积和网板开孔体积之比。

锡膏印刷释放率=释放到焊盘上的锡膏体积/网板开孔体积网板设计最重要的控制参数为: 开孔尺寸和模板厚度。因为开孔尺寸和网板厚度直接影响锡膏释放率。影响锡膏释放率的其它因素有: 网板开孔孔壁的几何形状; 网板开孔孔壁的光滑程度; 网板和PCB 板的分离速度; 网板和PCB 板的间隙;网板开孔尺寸的精度。网板的面积比为垂直网板的面积和侧壁面积的比值。宽厚比为开孔宽度和网板厚度的比值。网板开孔示意图如图1所示。

面积比= 开孔面积/开孔壁面积= ( L × W) /[2 × ( L + W)× T]宽厚比= 开孔宽度/网板厚度= W /T

由于电子元器件的集成度越来越高,引脚间距也随之减小,对应的焊盘尺寸也更小,相应的网板开孔尺寸也越来越小。网板开孔的微小型化导致对网板的性能要求非常苛刻。因此在设计网板时,为保证网板达到75% 的焊膏释放率,必须要使宽厚比> 1. 5,面积比≥0. 66。IPC-7525B 标准中明确了各种类型元器件的开孔尺寸,但是,实际生产中应该综合考虑印制板组装的具体元器件引脚间距,并做出合理的优化才能满足整板的锡膏释放率。

网板制造方式对网板的侧壁光滑程度,精度等具有重要影响。目前网板制造方式有: 化学蚀刻、激光切割和电铸成形。前两种属于减成工艺,最后一种属于加成工艺。两种工艺价格差异较大,目前在实际生产中,考虑成本和周期因素,主要采用激光切割方式,特别是间距小于0. 5mm 的网板生产。激光切割的优点是没有图像转移步骤,位置精度高,出错概率小。激光切割网板的孔壁可以形成大约2°的锥角,即形成底面开孔比刮刀面稍微大一点的锥形孔,以利于锡膏释放。

 

2.锡膏及使用

锡膏是由焊料合金粉、糊状助焊剂和一些添加剂混合而成的具有一定黏性和良好触变特性的膏状体,是一种稳定的混合物。常温下具有一定黏性,可以将元器件初步黏合起来,当锡膏被加热到一定温度时,助焊剂等物质挥发,合金粉熔融变为液态,并依靠其表面张力和润湿作用,填充焊缝,随着温度降低,使焊盘和元器件粘结在一起,形成牢固焊点。

锡膏在钢网上通过刮刀印刷在PCB 上,实质是锡膏的触变性在发生变化。锡膏的触变性是指在一定的剪切力和温度下,黏度急剧下降,从而使锡膏能通过网板开孔,并具有良好的脱模性; 当去除剪切力后,锡膏又恢复较高黏度。即有剪切应力时,锡膏变稀,无剪切力时,锡膏变稠,锡膏触变性示意图如图2所示。

 

锡膏须在0℃~ 5℃的环境下保存,且须在有效期内使用。使用前,须将锡膏在室温下回温,待锡膏达到室温后才能打开锡膏容器,防止水汽凝结,之后须用锡膏搅拌机对锡膏进行搅拌,使其满足印刷机要求。经过多次试验,从冰箱中取出锡膏放置在26. 6℃的室温中,锡膏在4 小时后可达到相应的室温温度。同时,对回温后的锡膏进行搅拌,并测量其黏度,在搅拌时间为60 ~ 130 秒时,锡膏黏度符合要求。锡膏搅拌时间和锡膏回温温度即环境温度相关,总的趋势是环境温度越低,需要搅拌的时间越长; 环境温度越高,需要搅拌的时间越短。经过相关试验,最终确定搅拌时间和环境温度的对照表,以便锡膏黏度完全满足印刷要求。一般的,如果没有专用的锡膏搅拌机,也可以目测来确定锡膏的黏度。具体为: 用工具搅拌锡膏30秒,然后挑起部分锡膏,让锡膏自行下滴,如果锡膏不能滑落,则黏度过大,如果一直落下没有断裂,则黏度过低。

 


3.PCB 板及使用

PCB 板的平面度是锡膏印刷质量好坏的重要因素之一,特别是尺寸较大的PCB 板,必须使用专门的工装进行支撑。否则容易使PCB 挠曲变形,使锡膏印刷量发生变化。PCB 板发生挠曲变形影响锡膏释放率如图3 所示。

因此需要合理设计PCB 板的印刷工装,使其保证平整,利于锡膏印刷。

 

4.印刷参数的调整

印刷工艺参数的调整非常重要,包括印刷速度、刮刀角度、压力、网板和PCB 的分离速度等。刮刀速度越快,锡膏滚动的速度越快,锡膏黏度越小,有利于锡膏的填充。但是,刮刀速度越快,锡膏填充时间越短。因此速度太快或太慢都不利于锡膏的填充。刮刀压力要合适,如果过大,会损坏刮刀和网板,还会使网板表面粘上锡膏。如果过小,可能会造成锡膏量不足。由于网板侧壁的摩擦阻力和锡膏的内聚力,在网板和PCB 的分离速度的过程中,在网板侧壁处的速度比孔中心附近的分离速度要小,所以会导致网板侧壁上残留锡膏,从而导致焊膏释放率降低。刮刀角度越小,对锡膏向下的压力越大,但也不容易刮干净网板表面的锡膏。如果角度太大,锡膏无法形成滚动,也不利于锡膏的释放,一般全自动印刷机规定为60°左右。

 

二、锡膏印刷检测

锡膏印刷完成后,必须对锡膏的印刷质量进行判断。检测一般通过专用设备完成,通常需要检测锡膏印刷的高度、体积、面积、偏离、3D 形状是否满足要求。IPC7527 中对高度、面积、体积的要求为锡膏印刷量占网板计算量的75% ~ 125% 。但是,实际生产中,细间距器件的锡膏印刷需要加严控制。

 

三、结论

影响锡膏印刷的因素非常多,本文主要探讨了影响锡膏印刷的网板、锡膏、PCB 板以及印刷参数的调整等几方面的因素,介绍了锡膏印刷检测的要求和项目,为分析和解决锡膏印刷过程中产生的各种缺陷提供了参考,为SMT 生产线的质量改进提供了参考依据。

 

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