SMT电路板丝印工艺技术模板.doc
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1、SMT丝印是科学, 不是艺术在一块经典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)。所以这些端点焊接不合格率必需维持在一个最小值。通常来说,PCB不能经过测试而须要返工有60%是因为锡膏(solder paste)丝印质量差而造成。本文将讨论丝印(screen printing)基础要素,并探讨生产中连续完美丝印品质所需技术。在锡膏丝印中有三个关键要素,这里叫做三个S:Solder paste(锡膏),Stencils(丝印模板),和Squeegees(丝印刮板)。三个要素正确结合是连续丝印品质关键所在。锡膏(第一个S) 锡膏是锡珠和松香(resin)
2、结合物,松香功效是在回流(reflowing)焊炉第一阶段,除去元件引脚、焊盘和锡珠上氧化 物,这个阶段在150 C连续大约三分钟。(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、锡和银合金,在回流焊炉第二阶段,大约220 C时回流。银和松香全部起帮助熔化焊锡和湿润(wetting)以达成回流作用,即助焊剂作用。(湿润wetting:是焊接效果描述词,被焊物好象被锡所浸“湿”。) 球状焊锡颗粒制造成多种混合尺寸,然后筛选、分级,锡膏是根据锡珠大小来分级,以下:2型:7553mm3型:5338mm4型:3825mm(m = micron = 0
3、.001mm )三球定律三球定律给生产提供了一个选择丝印模板简单公式,锡膏中锡珠大小必需和丝印模板相匹配,以下所述:经 验 公 式 : 最少有三个最大直径锡珠能垂直地排在丝印模板厚度方向上。 最少有三个最大直径锡珠能水平地排在丝印模板最小孔宽度方向上。 图中所表示为丝印模板及锡珠截面图:计算略为复杂,因为锡珠是用米制micron(m)来度量,而丝印模板厚度工业标准是美国专用单位thou!(1mm=1x10-3mm,1thou=1x10-3inches,25mm1thou.)锡膏类型3x最大锡珠尺寸最靠近模板厚度2型:7553m3x75m=225m=9.0thou9 thou3型:5338m3x
4、53m=159m=6.4thou6 thou4型:3825m3x38m=114m=4.6thou4 thou丝印孔尺寸是由元件引脚间隔(pitch)决定,焊盘尺寸通常是引脚间隔二分之一。(丝印孔尺寸实际上可能比焊盘(pad)尺寸小一点),比如,25thou(0.63mm)间隔,丝印孔为12.5thou。所以锡膏选择必需满足丝印模板上最小丝印孔:元件最小引脚间隔最小丝印孔适宜锡膏类型16 thou8 thou2型:7553m12 thou6 thou3型:5338m8 thou4 thou4型:3825m所以,丝印模板厚度通常是决定原因,大多数应用是选择标准6thou厚丝印模板,3型锡膏。粘 度
5、粘度是锡膏一个关键特征,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,则保持其填充形状,而不会往下塌陷,这一点对于等候贴片前丝印在焊盘上锡膏更为关键。锡膏在其容器罐内粘度是使用一个精巧、通常很昂贵试验室粘度计测量而得。标准粘度是在大约500kcps1200kcps范围内,较为经典800kcps用于模板丝印是理想。判定锡膏是否含有正确粘度有一个更为实际和经济方法,以下:用刮勺在容器罐内搅拌锡膏约30秒钟,然后挑起部分锡膏,高出容器罐三、四英寸,让锡膏自行往下滴,开始时应该象稠糖浆一样滑落而下,
6、然后分段断裂落下到容器罐内。假如锡膏不能滑落,则太稠,假如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,使用一个厚乳胶丝网,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,而且也不会太贵。下图给出了一个价格比较概念:厚 乳 胶 丝 网锡膏印刷技术源自于完善建立工业丝印(silk screen printing)行业,所以术语“丝印”被源用到这种要求较稠沉淀物锡膏印刷。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
7、丝网。不锈钢丝是最好,因为其刚性。工业丝印用网很细密,大约每英寸400丝,这么细小油墨粒子(23m)才能够很流畅地经过丝网。为了使锡珠经过丝网,提议采取一个粗糙得多丝网,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,形成一层经典8thou厚度。将正趋光性(黑色焊盘)透明玻璃放在上面,然后用很强紫外光来曝光(如:2kw,几秒钟)。曝光区域变硬,软地方没曝光,可被洗掉而留下网孔。所以,丝印时锡膏能够经过这些孔来印刷。丝印刮板(squeegee)是利用泵作用原理将锡膏压挤经过丝网,所以要使用一个软橡胶刮板(见刮板部分)。丝印时丝网和PCB之间留有13mm间隙,刮板将丝网压低和PCB接触
8、,随即“撕开”。这种作用是必需,不然,锡膏会滞留在丝网上而不是在PCB焊盘上。厚乳胶丝网应用,其不足关键是因为开孔上有丝网阻碍,得到丝印沉淀物有限,不能够用于小于30thou密间隔。金 属 模 板金属模板现在在大多数锡膏丝印机上使用。其组成是薄金属板上开有小孔,锡膏从中印出,处理了前面网印沉淀物无规律问题。不要求丝印刮板有泵作用,因为锡膏能够很轻易流过开孔。也不要求模板和PCB之间有间隙。有三种制造金属模板方法:化学、激光和电蚀。化 学 腐 蚀现时丝印模板关键是这种方法制造,过程以下:取薄铜板,或更普遍不锈钢板,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
9、光区域变硬,而软焊盘区域能够被冲洗掉。然后将板放入酸中洗浴,从两面腐蚀掉所期望孔。金属板两边正趋光性模版相互定位是关键性,尤其是密引脚间隔元件。假如模版定位不好,孔会形成斜坡,造成丝印不好,出现这种情况机会通常是十分之一,但在过去几年中,该问题很 大成度上被处理了,因为改善CAD数据和制造技术使失误率下降到大约五十分之一。成功技术将使得模版如同一个信封,将空板放入,可达成220micron精度。孔壁不能达成太平整,因为酸是逐步腐蚀到孔内,但也会往板横向腐蚀。形成一个“8”字形截面。(下图为放大图)不过,因为丝印模板很薄,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CO2
10、或YAG激光从板一面切割出丝孔,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,所以激光使用时间昂贵,结果通常一块模板费用是化学腐蚀三倍。该系统很精密,但除了成本贵外,还有一个缺点:激光将熔化金属切割出丝孔,同时也轻易熔化模板表面,造成表面粗糙。所以需要用沙抛光或用化学方法来清洗表面,留下多个micron粗糙度,看 上去好象表面暗淡,对聚酯刮板有磨损作用,而且使得模板难以清洁,即使有些人认为粗糙度将有利于锡膏“滚动”。电 蚀 模 板电蚀模板现时约占使用23%,其制造过程是加成,不象其它工艺,模板成形方法以下:用光敏绝缘乳胶埋盖住芯
11、板(基板),经过负趋光性模版(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。经过多个小时,镍就沉淀在导电区域(非焊盘),并能够象一张纸一样撕下,形成丝孔。这种模板有比其它模板优越地方,孔内壁很平滑,能够作成梯形,即底部比上部稍宽,12角度,这有利于锡膏穿过模板印到PCB上。在孔底部四面形成1020micron“尖头”,在焊盘周围形成一圈边框,丝印时有利于锡膏正确地停留在焊盘上,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
12、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 已 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 10 mm x 10 mm 正 方 形 组 成 , 由 夹 板 夹 住 , 形 成 两 面 45 角 度 :这 种 刮 板 可 以 两 个 方 向 工 作 , 每 个 行 程 末 全部 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
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