SMT组件的焊膏印刷工艺指南模板.doc

SMT组件焊膏印刷指南摘要 现在，大家普遍将焊膏印刷作为控制涂饰焊点质量关键工艺。若想取得优质焊膏印刷并不是一件很轻易办得到事，焊膏印刷工艺包含到模板设计、模板制造、模板组装、模板清洗和模板寿命，这多个步骤相互作用，相互影响。本文为此为模板焊膏印刷技术而制订了一个指南，意在帮助技术人员和生产人员处理实际生产中存在部分问题，以确保元器件印刷质量。本文关键叙述了SMT组装中球栅阵列（BGA）和芯片尺寸封装（CSP）焊膏印刷及将多种不一样技术进行了比较，从而为制订最好印刷工艺奠定了基础。1模板制造技术模板制造工艺包含加成方法或减去方法。在加成工艺中，如象；电铸成型，是经过添加金属而形成开孔。在减去工艺中，是从模板箔中去除金属而形成开孔。激光切割和化学蚀刻方法就是经典减去工艺例子。1.1模板模板类型：通常使用模板关键有四种类型：化学蚀刻、激光切割、混合技术、电铸成型。化学蚀刻模板制造工艺关键是将金属箔切割成特定尺寸框架，并用光刻胶成像层压在金属箔两面。通常见光栅配准部件将双面光学工具正确对准、定位，可用双面光学工具将模板开孔图象曝光在光刻胶上。激光切割模板是经过激光设备中运行软件Gerber(r)数据而制成。当PCB上应用了标准组件和细间距组件混合技术时，就应使用激光切割和化学蚀刻组合模板制造工艺。生产出模板被定义为激光-化学组合模板或称为混合技术模板。电铸成形技术是模板加成制造方法，这种方法使用了光刻成像和电镀工艺。提议将激光切割或电铸成型模板用于对均匀释放焊膏效果要求最高应用领域中。不过，这些模板成本较高，一项研究说明这类模板一致性比化学蚀刻模板好。 模板开口设计：模板设计常见问题是开孔设计及开孔设计对印刷性能影响。在印刷操作过程中，刮刀在模板上推刮时，焊膏就被挤压到模板开孔中。然后，在印刷板脱离模板过程中，焊膏就自然地流入PCB焊盘上。挤压到开孔中焊膏若能够完全从开孔壁上释放出来，粘附到PCB焊盘上，形成完整焊料块，这是最理想。焊膏从开孔内壁释放出来能力关键取决于三个方面原因：1 模板设计面积比/孔径比2 开孔侧壁几何形状3 开孔壁光滑度在外，我们将多个不一样模板开口设计提供于众，作为生产中之参考，见表。表 SMT通用开孔设计指南元件类型 间距 焊盘印脚 开孔宽度 开孔长度 模板厚度范围 孔径比范围 面积比范围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圆形 30圆形 30圆形 68 N/A 0.931.25BGA 40 15圆形 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圆形 11方形 11方形 34 N/A 0.690.92注意：1） 假设BGA焊盘不是焊料掩膜 2）BGA开口是方形开孔，14mil开孔角半径应是3mil，11mil开孔角半径应是2.5mil。 3）全部规格全部以mil为单位，圆形用米制，即；0.65mm为25 mil，0.5 mm 为20mil。比率不作为尺寸。 4）N/A只作为面积比。模板开口形状：就释放焊膏效果而言，方形开口要比圆形焊盘或连接部位好（见图1所表示）。方形模板可使焊膏释放更为流畅。为降低开口堵塞发生，应将角半径设在0010，对于化学蚀刻模板，角半径应和模板厚度一致。 图1 开口尺寸是怎样影响焊膏释放和图形，开口扩充后可在焊盘上印刷模板厚度：对于BGA而言，模板厚度应在00050006。对于柱状陶瓷栅阵列（CCGA），要求模板厚度为0007，这么就可将耗用焊膏量限制在最低极限，而对CSP来说，要求模板厚度在00040005。在使用后一个模板时要尤其小心，因为在较大开口模板上施用焊膏可能会“舀出”焊膏，比如；1206电容或0050间距元件。表所列是推荐使用模板厚度。 表 推荐使用模板厚度0050间距001000080025间距000800060020间距000600040016间距000500040012间距00040003 孔径比和面积比：对于细间距元件，开口或孔径比（宽度/厚度）不应小于15，这是很关键（见图2所表示）。对于CSP，开口应小到0010平方。这和面积比相关系，焊膏以很小表面积粘附于侧壁，而不是粘附于PCB，这种现象是很有可能出现。所以，面积比（长度宽度/2长度+宽度厚度）必需大于066。 图2 孔径比和面积比细间距元件孔径比不应小于15，而面积比必需大于066。很多厂家在印刷BGA和CSP时全部是应用1:1百分比。对于后者来说，印刷百分比比焊料凸点尺寸大0.0020003，这是很普遍，这么就会使回流后脱膏高度稍大部分，这么就可使更大热量符合所选择类型粉末连续性、柔性要求。对于使用了0012直径焊料凸点CSP或BGA封装而言，提议印刷0.0120.014方形开口。部分研究表明，对于类型粉末，0.014开口对于焊膏印刷一致性和可反复性方面可能是最小开口。而0.010或0.012方形或圆形开口印刷很可能要求使用类型粉末。表所列是常见SMD开孔设计部分实际例子孔径比/面积比。20mil间距QFP，使用5mil厚模板，开孔尺寸为1050mil，其孔径比为2.0。采取开孔侧壁光滑模板技术可达成优良焊膏释放和一致性印刷性能。16mil间距QFP，可采取厚度为5mil模板，开孔尺寸为750mil，其孔径比为1.4，这种模板对于释放焊膏来说是很困难。即使采取高技术模板也是如此。 表 多种不一样表面组装器件孔径/面积百分比 例子开孔设计 孔径比 面积比 焊膏释放1 QFP 20间距10505（厚度） 2.0 0.83 +2 QFP 16间距7505（厚度） 1.4 0.61 +3 BGA50间距25圆形6（厚度） 4.2 1.04 +4 BGA40间距15圆形5（厚度） 3.0 0.75 +5BGA30间距11方形5（厚度） 2.2 0.55 +6 BGA30间距13方形5（厚度） 2.6 0.65 + + 表示难度2印刷操作2.1刮板刃口通常提议使用金属刮板，金属刮板比聚氨酯刮板好。不过，从聚氨酯刮板开口中挤出焊膏是个问题。提议推刮角度为4560，通常全部是用45进行推刮。将刮板向下压使金属刮板刮刀弯曲形成一个最好角度。在选择印刷力时，一个和模板平行矢量推进着焊膏使得焊料滚动。另一个矢量是直接往下施加压力于模板开口，将焊膏挤入开口中。改变模板压力，推刮角度随之改变。另一个常被忽略原因是刮板锋利度。通常来说，刮板越钝，要求推刮整个模板顶部所需压力就越大；刮板刃口越锋利，需用力就越小。经过对刮板刃口进行一个简易显微扫描检验可显示出很大差异。刮板压力较小通常意味着模板推刮频率较低，这是决定原因。2.2推刮速度在首次开始印刷时，提议将推刮速度设置在0.5/秒。较低推刮速度通常可使焊膏沉积近似于计算量。（通常，实际沉积焊膏量小于理论上定量）。因为循环时间要求，你不得不以较高推刮速度操作。不过，在采取较慢速度推刮取得成功后，你会逐步提升推刮速度及快速测量印刷结果。通常，伴随推刮速度提升，必需加大施加于刮板力度。2.3接触和脱膏距离通常，较受欢迎印刷方法是接触印刷，这种方法有利于降低模板底部焊膏“渗出”。对于BGA这么小面积比印刷，实现一致性模板焊膏漏印是竞争焦点，有一个方法是提前释放焊膏工艺，这种方法是经过对极小脱膏距离（0.0020.003）编程实现，在开始印刷时，用很小力以小角度将模板和印制板分离。然而，这个距离不足以释放模板，最少在印刷工艺开始时是这么。3焊膏粉末选择对于释放焊膏是关键原因。为避免开口堵塞，在整个开口上可使用标准3.5粒子，而方形开口对保持一致性方面很有帮助。表所列是目尺寸和粉末尺寸。 表 焊膏分类和目尺寸分类 目尺寸类-100/+200100（150m）0.0059类-200/+325200（75m）0.030类-325/+500325（45m）0.0018类-400/+500400（38m）0.0015类-500/+635500（25m）0.0010635（20m）0.0008焊膏流变性：使印刷工艺失控原因有很多。比如；有时焊膏会干涸在模板表面，形成可堵塞开口较大凝结块。假如印刷机闲置5分钟，对下一次印刷控制达不到可接收要求，这是很有可能。另外，印刷循环周期延迟，也会造成残余焊膏或焊剂干涸在孔径侧壁上，这么会缩小开口尺寸，降低焊膏量。单凭经验进行分析表明，当模板上焊膏闲置5分钟以上，在实施下一步印刷之前，应对模板底部进行擦拭。 传统上，大家重视是焊膏粘性或触变指数，将触变性定义为在应力作用下，会变成液体某种膏状或类似胶状材料在静止状态下质量。触变指数较高，焊膏就易于稀释，并能流到模板中。缺点是更易于使再流炉中产生“热润滑淤渣”，除非制造厂家认为应对配方进行必需重新配制。3.1焊膏量 下面用一个简单等式来说明所需焊膏量，见表所列。应尽可能使围绕通孔环形焊盘小部分是较理想。还应使引脚和通孔之间容差及引脚长度尽可能小部分。在实际操作中，需要施用少许焊膏。应用下列三种模板设计为板上通孔印刷焊膏：（1） 无台阶模板。图3（2） 有台阶模板。图4（3） 两种印刷模式模板。图5表 浸锡通孔等式 V=Ts（LoWo） 1 = sTB（AH-AP）+（FT+FB）+VP-VH其中：V 是所需焊膏量 VP是留在板焊盘上面和/或底部焊料量 S 是焊膏减缩原因 AH是通孔横截面积 AP是通孔针脚横截面积 TB是印制板厚度 FT+FB是所需总填料量 Ts是模板厚度 Lo是套印开孔长度 图3 略 图3 无台阶套印刷 图4 略 图4 有台阶套印刷（刮板一面） 图5 略 图5 两种印刷模式通孔模板4 印刷质量检验 对于模板印刷质量检测现在采取方法关键有目测（使用装有光源显微镜）、二维检测、三维检测设备、X光检测设备及带有视觉系统自动光学检测设备。在检测焊膏印刷质量时，可依据元件类型采取不一样检测工具和方法。4.1 人工检验和自动化检验比较采取视觉检测方法来检验印刷元件合格和不合格，通常全部是操作员使用环形照明器或显微镜对样品板进行检验（在一些情况下，检验整批板子），而且只在必需时，实施校正操作。这是监控工艺成本最低一个方法，不过，反馈回来结果是合格率很低。印刷后视觉检测，经过在成本最合理印刷工艺中应用校正操作，能够降低返修量。不过，视觉检验只是凭主观意识，对视觉检测产品进行测试表明，只有80%是可靠。借助台式仪器视觉检测，即；台式视觉检测仪。用这种仪器测量焊膏高度，计算焊膏施用量，提升了可反复性，不过不能完全排除人为非一致性。现在，仍有很多生产厂家采取目测方法进行检测。视觉检测、脱机检测和自动在线检验之间关键差异在于在板子从印刷设备上卸载下来之前，自动在线检验设备查出缺点比前两种设备多。自动检测设备可实施达100%多种不相同级检测。这种设备不仅能够监控工艺，还能够搜集工艺控制所需真实数据。自动在线3D焊膏检测设备提供了不一样档次速度、性能和价格，不过只能测量板子上焊膏高度、焊膏量和面积。有几家模板印刷机制造厂家推出了内置2D面积检测，还有部分制造厂家推出了现场检验设备，可检验焊料高度和焊料量。4.2 3D检测焊膏量是表现板子质量最好一个参数。竞争焦点也是在保持焊膏量一致性上。（一家组装承包商报导当对印刷中一批装有352引脚BGA块板子进行检验时，当对板子上焊膏进行检验后，在最终一次测试中没有发觉板子有缺点，）在检验中可参考表中提供检验结果具体资料。表迹象可能原因及对策体积大、高度高1） 电路板上杂质抬起了模板 a）清洗电路板表面 b）清洗模板底部2） 模板有压印 a）更换模板 b）用胶带粘附受损表面并用手工焊接收影响区域3） 实施HASL工艺时焊球留在印制板表面 4） 因为通孔堵塞抬起了模板使得环氧树脂过多 a）去除多出焊膏 b）将印制板退给供给商体积小、高度恰好1） 刮板速度太快2） 模板释放太快，造成局部焊膏截留在模板上体积恰好、高度高1） 焊膏过分扩散 a）降低提起速度 b）延迟落下速度 c）降低脱模速度2） 开口毛刺太多 a）比较开口圆形和方形端口，评定模板设计面积小、高度恰好1） 开口末端出现局部焊膏坍塌2） 模板上焊料球太小面积小、高度低1） 开口中焊膏局部释放2） 焊膏干涸 a）更换焊膏 b）空气太干，增加湿度3） 过分坍塌 a）刮板速度过快 b）焊膏温度太高 c）焊膏吸收湿气太多4） 模板中已没有焊膏a）填加焊膏面积大、高度恰好1） 模板底部变脏a） 清洗模板2） 开口一边焊料流淌a） 刮板压力大，调整压力3） 焊盘之间模板开口间隔破裂a）更换模板工艺监控目标是为了揭示在焊膏印刷不良造成桥接之前或直到在最终检测中才确定焊料不充足潜在令人不满意焊膏参数。发觉缺点越迟，返修成本就越高。假如在再流之前找出缺点，就不会给焊点可靠性带来不利后果。所以，脱机检验或自动在线监控避免了有问题印刷板被返送回到生产线上，即节省了资金，又提升了可靠性。正象一家协议制造厂家指出那样，组装厂家期望增加利润，在电路测试（ICT）中查出缺点必需经由15个步骤，包含工作统计、返修和组装板反馈到生产线之前重新测试。通常，对于印刷工艺中每一阶段产生缺点或废品成本估算通常采取一个快速计算方程式：印刷缺点，再流后$050；ICT$5.00及现场故障$350.00。在第一阶段查出缺点，使得节省资金自然增加，很清楚地说明工艺控制设备成本。4.3 X光检验长久以来，X光一直被作为视觉检验有效工具。这种工具可用于印刷工艺开启、抽样和故障分析。在准备将X光机用于自动生产地面过程中作了大量工作，不过，这种X光机存在部分缺点，降低了其批量验收速度。比如；3D系统能够检测出2D系统检测不到缺点，而更令人难以置信是反之亦然。BGA底部填料常常被周围填料凸点或圆柱体（通常90%是引线）阴影遮挡，给检验带来了很大困难。QFP引线上焊料桥接常常会脱离板子延伸到引线上，使3D检测仪器看不到它，造成漏检。对产生孔洞见解是不一致；有些人说，从延展性来看需要孔洞，另还有部分人认为孔洞会降低焊点性能。 X光除了含有三种成熟生产线技术（电子技术、软件和伺服电机）以外，还应用了两种必需附加技术高压和离子辐射，开始用BGA组装，这是一个可靠工艺条件，以后丝网印刷焊膏。不过对于不是在最成熟组装线上安装自动X光检测仪条件很辨明是和非。对于这种技术评定是普遍性高，不过，强度和简易性低。结论： 模板设计中最关键设计理念之一（开孔尺寸和模板厚度）是孔径/面积比。因为电子封装产品尺寸越来越小，I/O 引线中心到中心间距也随之缩小。这么，就意味着I/O板焊盘开孔也就更小。因为模板开孔小型化，孔径/面积比也随之缩小，为此，对模板性能提出了愈加苛刻要求。在选择模板技术时，首先要考虑到孔径/面积比及将孔径/面积比分别保持在1.5和0.66以上是最基础要求。 套印（当模板开孔大于板焊盘时）对于多个应用来说是很有用，包含侵入式再流，细间距BGA和陶瓷BGA。