SMT組件的焊膏印刷指南（DOC13頁）

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質量的關鍵工藝。若想獲得優(yōu)質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而制定了一個指南，旨在幫助技術人員和生產(chǎn)人員解決實際生產(chǎn)中存在的一些問題，以確保元器件的印刷質量。本文重點論述了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進行了比較，從而為制定最佳的印刷工藝奠定了基礎。1模板制造技術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，是通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：通常使用的模板主要有四種類型：化學蝕刻、激光切割、混合技術、電鑄成型?；瘜W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。通常用光柵配準部件將雙面光學工具精確對準、定位，可用雙面光學工具將模板開孔圖象曝光在光刻膠上。激光切割的模板是通過激光設備中運行的軟件Gerber(r)數(shù)據(jù)而制成的。當PCB上應用了標準組件和細間距組件混合技術時，就應使用激光切割和化學蝕刻組合模板制造工藝。生產(chǎn)出的模板被定義為激光-化學組合模板或稱為混合技術模板。電鑄成形技術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用領域中。不過，這些模板成本較高，一項研究說明這類模板的一致性比化學蝕刻的模板好。 模板開口設計：模板設計的常見問題是開孔設計及開孔設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。焊膏從開孔內壁釋放出來的能力主要取決于三個方面的因素：1 模板設計的面積比/孔徑比2 開孔側壁的幾何形狀3 開孔壁的光滑度在外，我們將幾種不同的模板開口設計提供于眾，作為生產(chǎn)中之參考，見表。表 SMT通用開孔設計指南元件類型 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 23 100 810 2.32.9 1.071.17QFP 25 14 12 60 67 1.72.0 0.710.83QFP 20 12 10 50 56 1.72.0 0.690.83QFP 16 10 8 50 45 1.62.0 0.680.86QFP 12 8 6 40 34 1.52.0 0.650.860402 N/A 2030 18 22 56 N/A 0.650.860201 N/A 1020 8 16 34 N/A 0.650.86BGA 50 32圓形 30圓形 30圓形 68 N/A 0.931.25BGA 40 15圓形 14方形 14方形 4.55.25 N/A 0.670.78BGA 30 12 14方形 14方形 4.55.25 N/A 0.670.78BGA 20 12圓形 11方形 11方形 34 N/A 0.690.92注意：1） 假設BGA焊盤不是焊料掩膜 2）BGA開口是方形開孔，14mil的開孔角半徑應是3mil，11mil的開孔角半徑應是2.5mil。 3）所有的規(guī)格都以mil為單位，圓形用米制，即；0.65mm為25 mil，0.5 mm 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，應將角的半徑設在0010，對于化學蝕刻的模板，角半徑應與模板厚度一致。 圖1 開口尺寸是如何影響焊膏釋放和圖形的，開口擴充后可在焊盤上印刷模板厚度：對于BGA而言，模板厚度應在00050006。對于柱狀陶瓷柵陣列（CCGA），要求模板的厚度為0007，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00040005。在使用后一種模板時要特別小心，因為在較大的開口模板上施用焊膏可能會“舀出”焊膏，例如；1206電容或0050間距元件。表所列是推薦使用的模板厚度。 表 推薦使用的模板厚度0050間距001000080025間距000800060020間距000600040016間距000500040012間距00040003 孔徑比和面積比：對于細間距元件，開口或孔徑比（寬度/厚度）不應小于15，這是很重要的（見圖2所示）。對于CSP，開口應小到0010平方。這與面積比有關系，焊膏以很小的表面積粘附于側壁，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066。 圖2 孔徑比和面積比細間距元件的孔徑比不應小于15，而面積比必須大于066。許多廠家在印刷BGA和CSP時都是應用1:1的比例。對于后者來說，印刷比例比焊料凸點尺寸大0.0020003，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粉末的連續(xù)性、柔性的要求。對于使用了0012直徑焊料凸點的CSP或BGA封裝而言，建議印刷0.0120.014方形開口。一些研究表明，對于類型粉末，0.014開口對于焊膏印刷的一致性和可重復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粉末。表所列是常用SMD的開孔設計的一些實際例子的孔徑比/面積比。20mil間距的QFP，使用5mil厚的模板，開孔尺寸為1050mil，其孔徑比為2.0。采用開孔側壁光滑的模板技術可達到優(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750mil，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。即使采用高技術的模板也是如此。 表 各種不同表面組裝器件的孔徑/面積比例 例子開孔設計 孔徑比 面積比 焊膏釋放1 QFP 20間距10505（厚度） 2.0 0.83 +2 QFP 16間距7505（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 +5BGA30間距11方形5（厚度） 2.2 0.55 +6 BGA30間距13方形5（厚度） 2.6 0.65 + + 表示難度2印刷操作2.1刮板刃口通常建議使用金屬刮板，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4560，一般都是用45進行推刮。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。通過對刮板刃口進行一個簡易的顯微掃描檢查可顯示出很大的差別。刮板壓力較小通常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，建議將推刮速度設置在0.5/秒。較低的推刮速度通?？墒购父喑练e近似于計算的量。（通常，實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果。通常，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BGA這樣的小面積比印刷，實現(xiàn)一致性的模板焊膏漏印是競爭的焦點，有一種方法是提前釋放焊膏工藝，這種方法是通過對極小的脫膏距離（0.0020.003）編程實現(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鍵因素。為避免開口堵塞，在整個開口上可使用標準的3.5粒子，而方形開口對保持一致性方面很有幫助。表所列是目尺寸和粉末尺寸。 表 焊膏分類和目尺寸分類 目尺寸類-100/+200100（150m）0.0059類-200/+325200（75m）0.030類-325/+500325（45m）0.0018類-400/+500400（38m）0.0015類-500/+635500（25m）0.0010635（20m）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塊。如果印刷機閑置5分鐘，對下一次印刷的控制達不到可接受的要求，這是很有可能的。此外，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壁上，這樣會縮小開口尺寸，減少焊膏量。單憑經(jīng)驗進行分析表明，當模板上的焊膏閑置5分鐘以上，在實施下一步印刷之前，應對模板的底部進行擦拭。 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狀態(tài)下的質量。觸變指數(shù)較高，焊膏就易于稀釋，并能流到模板中。缺點是更易于使再流爐中產(chǎn)生“熱潤滑淤渣”，除非制造廠家認為應對配方進行必要的重新配制。3.1焊膏量 下面用一個簡單等式來說明所需的焊膏量，見表所列。應盡可能使環(huán)繞通孔的環(huán)形焊盤小一些是較理想的。還應使引腳和通孔之間的容差及引腳的長度盡量小一些。在實際操作中，需要施用少量的焊膏。應用下列三種模板設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 浸錫通孔等式 V=Ts（LoWo） 1 = sTB（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 印刷質量檢驗 對于模板印刷質量的檢測目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、三維檢測設備、X光檢測設備及帶有視覺系統(tǒng)的自動光學檢測設備。在檢測焊膏印刷質量時，可根據(jù)元件類型采用不同的檢測工具和方法。4.1 人工檢驗與自動化檢驗的比較采用視覺檢測的方法來檢驗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行檢查（在某些情況下，檢驗整批板子），而且只在必要時，實施校正操作。這是監(jiān)控工藝成本最低的一種方法，但是，反饋回來的結果是合格率很低。印刷后的視覺檢測，通過在成本最合理的印刷工藝中應用校正操作，可以減少返修量。不過，視覺檢驗只是憑主觀意識，對視覺檢測的產(chǎn)品進行的測試表明，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，提高了可重復性，但是不能完全排除人為的非一致性。目前，仍有許多生產(chǎn)廠家采用目測的方法進行檢測。視覺檢測、脫機檢測和自動在線檢驗之間的主要差別在于在板子從印刷設備上卸載下來之前，自動在線檢驗設備查出的缺陷比前兩種設備的多。自動檢測設備可實施達100%的各種不同等級的檢測。這種設備不僅能夠監(jiān)控工藝，還能夠搜集工藝控制所需的真實數(shù)據(jù)。自動在線3D焊膏檢測設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。有幾家模板印刷機制造廠家推出了內置2D面積檢測，還有一些制造廠家推出了現(xiàn)場檢驗設備，可檢驗焊料高度和焊料量。4.2 3D檢測焊膏量是體現(xiàn)板子質量的最好的一個參數(shù)。競爭焦點也是在保持焊膏量一致性上。（一家組裝承包商報導當對印刷中的一批裝有352引腳的BGA的2000塊板子進行檢驗時，當對板子上的焊膏進行檢驗后，在最后一次測試中沒有發(fā)現(xiàn)板子有缺陷，）在檢驗中可參照表中提供的檢驗結果的詳細資料。表跡象可能的原因及對策體積大、高度高1） 電路板上的雜質抬起了模板 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，就不會給焊點可靠性帶來不利后果。因此，脫機檢查或自動在線監(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。通常，對于印刷工藝中每一階段產(chǎn)生的缺陷或廢品的成本估算通常采用一種快速計算方程式：印刷缺陷，再流后$050；ICT$5.00及現(xiàn)場故障$350.00。在第一階段查出缺陷，使得節(jié)約的資金自然增長，很清楚地說明工藝控制設備的成本。4.3 X光檢驗長期以