SMT絲印是科學, 不是藝術(shù)

1、smt絲印是科學, 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(screen printing)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)鍵所在。錫膏(第一個s) 錫膏是錫

2、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”。) 球狀的焊錫顆粒制造成各種混合尺寸，然后篩選、分級，錫膏是按照錫珠的大小來分級的，如下：2型：7553mm3型：5338mm4型

3、：3825mm(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：計算略為復雜，因為錫珠是用米制micron(m)來度量，而絲印模板厚度的工業(yè)標準是美國的專用單位thou!(1mm=1x10-3mm,1thou=1x10-3inches,25mm1thou.)錫膏類型3x最大的錫珠尺寸最接近的模板厚度2型：7553m

4、3x75m=225m=9.0thou9 thou3型：5338m3x53m=159m=6.4thou6 thou4型：3825m3x38m=114m=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型：7553m12 thou6 thou3型：5338m8 thou4 thou4型：3825m因此，絲印

5、模板的厚度通常是決定因素，大多數(shù)應用是選擇標準的6thou厚的絲印模板，3型的錫膏。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。標準的粘度是在大約500kcps1200kcps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

6、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：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 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，

7、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)很細密，大約每英寸400絲，這樣細小的油墨粒子(23m)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，然后用很強的紫外光來曝光(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

8、)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、激光和電

9、蝕?；?學 腐 蝕現(xiàn)時絲印模板主要是這種方法制造的，過程如下：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，可達到220micron的精度。孔壁不能達

10、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，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腐蝕的三倍。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方法來清洗表面，留下幾個micron的粗糙度，看 上去好象表面暗

11、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。經(jīng)過幾個小時，鎳就沉淀在導電區(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。在孔的底部四周

12、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確地停留在焊盤上，見下圖：成 本 大 約 比 化 學 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 mm x 10 mm 的 正 方 形 組 成 ， 由 夾 板 夾 住 ， 形 成 兩 面 45 的 角 度 ：這 種 刮 板 可

13、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 。 可 是 ， 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 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 。

14、 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 ：6065shorevery soft紅 色7075shoresoft綠 色8085shorehard藍 色90 + shorevery hard白 色使 用 之 前 ， 刮 板 須 調(diào) 節(jié) ， 使 其 導 向 邊 成 直 線 并 平 行 ， 先

15、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 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 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

16、 色 ) 來 在 厚 的 混 合 陶 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 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 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 ，

17、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 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 ， 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

18、內(nèi) 挖 出 錫 膏 之 間 ， 應 該 有 12 kg的 可 接 受 范 圍 都 可 以 到 達 好 的 絲 印 效 果 。金 屬 刮 板在 控 制 較 好 的 情 況 下 ， 利 用 聚 乙 烯 刮 板 可 以 達 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

19、 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 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 。 6 thou 的 模 板 決 定 了 絲 印 厚 度 也 是 6 thou

20、 ， 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 。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 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)

21、 ”) 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

22、 是 絲 印 孔 內(nèi) 。對于最細密絲印孔來說，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)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 12.5 thou 或 3 mm ， 乘 以 比 如 說 2 mm 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) 可 將 情 況 得 到 改 善 。絲 孔 內(nèi) 壁 面 積 = 2 x (0.10 mm x 0.3 mm) + 2 x(0.1 mm x 2 mm) = 0.46 mm2不 過 ， 有 兩 個 因 素 是 有 利 的 ， 第 一 ， 焊 盤 是 一 個 連 續(xù) 的 面 積 ， 而 絲 孔 內(nèi) 壁 大 多