SMT电路板丝印工艺技术.doc

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SMT丝印是科学, 不是艺术
在一块典型的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)。因此这些端点的焊接不合格率必须维持在一个最小值。一般来说, PCB不能经过测试而须要返工的有60%是由于锡膏(solder paste)丝印质量差而造成的。本文将讨论丝印(screen printing)的基本要素, 并探讨生产中持续的完美丝印品质所需的技术。
在锡膏丝印中有三个关键的要素, 这里叫做三个S: Solder paste(锡膏), Stencils(丝印模板), 和Squeegees(丝印刮板)。三个要素的正确结合是持续的丝印品质的关键所在。
锡膏(第一个S)

锡膏是锡珠和松香(resin)的结合物, 松香的功能是在回流(reflowing)焊炉的第一阶段, 除去元件引脚、 焊盘和锡珠上的氧化 物, 这个阶段在150° C持续大约三分钟。(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、 锡和银的合金, 在回流焊炉的第二阶段, 大约220° C时回流。银和松香都起帮助熔化焊锡和湿润(wetting)以达到回流的作用, 即助焊剂的作用。(湿润wetting: 是焊接效果的描述词, 被焊物好象被锡所浸”湿”。)

球状的焊锡颗粒制造成各种混合尺寸, 然后筛选、 分级, 锡膏是按照锡珠的大小来分级的, 如下:
2型: 75~53mm
3型: 53~38mm
4型: 38~25mm(m = micron = 0.001mm )
三球定律

三球定律给生产提供了一个选择丝印模板的简单公式, 锡膏中锡珠的大小必须与丝印模板相匹配, 如下所述:
经 验 公 式 :
· 至少有三个最大直径的锡珠能垂直地排在丝印模板的厚度方向上。
· 至少有三个最大直径的锡珠能水平地排在丝印模板的最小孔的宽度方向上。
如图中所示为丝印模板及锡珠的截面图:

计算略为复杂, 因为锡珠是用米制micron(m)来度量, 而丝印模板厚度的工业标准是美国的专用单位thou!
(1mm=1x10-3mm,1thou=1x10-3inches,25mm»1thou.)
锡膏类型
3x最大的锡珠尺寸
最接近的模板厚度
2型: 75~53m
3x75m=225m=9.0thou
9 thou
3型: 53~38m
3x53m=159m=6.4thou
6 thou
4型: 38~25m
3x38m=114m=4.6thou
4 thou
丝印孔的尺寸是由元件引脚间隔(pitch)决定的, 焊盘的尺寸一般是引脚间隔的一半。(丝印孔的尺寸实际上可能比焊盘(pad)尺寸小一点), 例如, 25thou(0.63mm)的间隔, 丝印孔为12.5thou。因此锡膏的选用必须满足丝印模板上最小的丝印孔:
元件最小引脚间隔
最小丝印孔
合适的锡膏类型
16 thou
8 thou
2型: 75~53m
12 thou
6 thou
3型: 53~38m
8 thou
4 thou
4型: 38~25m
因此, 丝印模板的厚度一般是决定因素, 大多数应用是选择标准的6thou厚的丝印模板, 3型的锡膏。
粘 度

粘度是锡膏的一个重要特性, 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的焊盘上。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, 则保持其填充的形状, 而不会往下塌陷, 这一点对于等待贴片前丝印在焊盘上的锡膏更为重要。
锡膏在其容器罐内的粘度是使用一种精巧的、 一般很昂贵的实验室粘度计测量而得的。标准的粘度是在大约500kcps~1200kcps范围内, 较为典型的800kcps用于模板丝印是理想的。判断锡膏是否具有正确的粘度有一种更为实际和经济的方法, 如下:
用刮勺在容器罐内搅拌锡膏约30秒钟, 然后挑起一些锡膏, 高出容器罐三、 四英寸, 让锡膏自行往下滴, 开始时应该象稠的糖浆一样滑落而下, 然后分段断裂落下到容器罐内。如果锡膏不能滑落, 则太稠, 如果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, 使用一种厚的乳胶丝网, 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的概念:

厚 乳 胶 丝 网
锡膏印刷技术源自于完善建立的工业丝印(silk screen printing)行业, 因此术语”丝印”被源用到这种要求较稠沉淀物的锡膏印刷。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、 聚酯纤维或不锈钢的丝网。不锈钢丝是最好的, 因为其刚性。工业丝印用的网很细密, 大约每英寸400丝, 这样细小的油墨粒子(2~3μm)才能够很流畅地经过丝网。为了使锡珠经过丝网, 建议采用一种粗糙得多的丝网, 大约每英寸80丝。
丝网上涂盖光敏乳胶, 一般约十层以封住网孔, 形成一层典型的8thou的厚度。将正趋光性(黑色焊盘)透明玻璃放在上面, 然后用很强的紫外光来曝光(如: 2kw, 几秒钟)。曝光区域变硬, 软的地方没曝光, 可被洗掉而留下网孔。因此, 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, 因此要使用一种软的橡胶刮板(见刮板部分)。丝印时丝网与PCB之间留有1~3mm的间隙, 刮板将丝网压低和PCB接触, 随后”撕开”。这种作用是必要的, 否则, 锡膏会滞留在丝网上而不是在PCB的焊盘上。 
厚乳胶丝网的应用, 其局限性主要是由于开孔上有丝网的阻碍, 得到的丝印沉淀物有限, 不能够用于小于30thou的密间隔。
金 属 模 板
金属模板现在在大多数的锡膏丝印机上使用。其组成是薄金属板上开有小孔, 锡膏从中印出, 解决了前面网印的沉淀物无规律的问题。不要求丝印刮板有泵作用, 因为锡膏能够很容易流过开孔。也不要求模板与PCB之间有间隙。
有三种制造金属模板的方法: 化学、 激光和电蚀。
化 学 腐 蚀
现时丝印模板主要是这种方法制造的, 过程如下:

取薄铜板, 或更普遍的不锈钢板, 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。曝光区域变硬, 而软的焊盘区域能够被冲洗掉。然后将板放入酸中洗浴, 从两面腐蚀掉所希望孔。
金属板两边的正趋光性模版的相互定位是关键性的, 特别是密引脚间隔的元件。如果模版定位不好, 孔会形成斜坡, 造成丝印不好, 出现这种情况的机会一般是十分之一, 但在过去几年中, 该问题很 大成度上被解决了, 因为改进的CAD数据和制造技术使失误率下降到大约五十分之一。成功的技术将使得模版如同一个信封, 将空板放入, 可达到2~20micron的精度。
孔壁不能达到太平整, 因为酸是逐步腐蚀到孔内, 但也会往板的横向腐蚀。形成一个”8”字形截面。(下图为放大图)

可是, 由于丝印模板很薄, 因此一般这不是问题。
激 光 刻 制 模 板
另一个技术是使用电脑控制的CO2 或YAG激光从板的一面切割出丝孔, 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, 因此激光使用时间昂贵, 结果一般一块模板费用是化学腐蚀的三倍。
该系统很精密, 但除了成本贵外, 还有一个缺点: 激光将熔化的金属切割出丝孔, 同时也容易熔化模板表面, 造成表面粗糙。因此需要用沙抛光或用化学方法来清洗表面, 留下几个micron的粗糙度, 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, 虽然有人认为粗糙度将有助于锡膏的”滚动”。
 电 蚀 模 板
电蚀模板现时约占使用的2~3%, 其制造过程是加成的, 不象其它工艺, 模板成形方法如下:
用光敏绝缘乳胶埋盖住芯板(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。经过几个小时, 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的地方, 孔的内壁很平滑, 能够作成梯形, 即底部比上部稍宽, 1~2°的角度, 这有助于锡膏穿过模板印到PCB上。在孔的底部四周形成10~20micron的”尖头”, 在焊盘周围形成一圈边框, 丝印时有助于锡膏准确地停留在焊盘上, 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 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 的 正 方 形 组 成 , 由 夹 板 夹 住 , 形 成 两 面 45° 的 角 度 :

这 种 刮 板 可 以 两 个 方 向 工 作 , 每 个 行 程 末 都 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 在 聚 乙 烯 的 很 少 的 暴 露 部 分 。 其 挠 性 不 够 意 味 着 不 能 贴 合 扭 曲 变 形 的 PCB , 可 能 造 成 漏 印 区 域 。不 可 调 节 。
拖 裙 形
这 种 形 式 很 普 遍 , 由 截 面 为 矩 形 的 聚 乙 烯 构 成 , 夹 板 支 持 , 需 要 两 个 刮 板 , 一 个 丝 印 行 程 方 向 一 个 刮 板 。 无 需 跳 过 锡 膏 条 , 因 锡 膏 就 在 两 个 刮 板 之 间 , 每 个 行 程 的 角 度 可 以 单 独 决 定 。

大 约 40 mm 刮 板 是 暴 露 的 , 而 锡 膏 只 向 上 走 15~20 mm, 所 以 这 种 形 式 更 干 净 些 。
刮 板 是 按 硬 度 范 围 和 颜 色 代 号 来 区 分 的 , 例 如 :
60~65shore
very soft
红 色
70~75shore
soft
绿 色
80~85shore
hard
蓝 色
90 + shore
very hard
白 色
使 用 之 前 , 刮 板 须 调 节 , 使 其 导 向 边 成 直 线 并 平 行 , 先 检 查 其 边 是 否 成 直 线 , 如 果 不 , 调 节 夹 板 的 固 定 螺 丝 。

刮 板 作 用
和 金 属 模 板 比 较 来 看, 刮 板 的 动 力 学 要 求 对 乳 胶 丝 网 是 不 同 的 。
在 乳 胶 丝 网 上 , 刮 板 需 要 推 动 其 前 面 的 锡 膏 , 将 锡 膏 泵 压 通 过 丝 网 而 印 到 丝 印 区 域 , 要 到 达 这 种 作 用 需 使 用 一 种 软 的 刮 板 (70~75 shore, 绿 色 ), 其 自 身 在 与 丝 网 接 触 的 地 方 发 生 变 形 。

甚 至 可 用 更 软 的 刮 板 ( 60~65 shore, 红 色 ) 来 在 厚 的 混 合 陶 瓷 基 底 上 丝 印 油 墨 。
使 用 金 属 模 板 时 , 刮 板 将 锡 膏 在 前 面 滚 动 , 无 须 泵 作 用 即 可 流 入 丝 孔 内 , 然 后 刮 去 多 余 锡 膏 , 在 PCB 焊 盘 上 留 下 与 模 板 一 样 厚 的 锡 膏 。 不 需 要 也 不 指 望 刮 板 的 变 形 , 因 此 可 以 使 用 较 硬 的 (即 : 80~85 shore, 蓝 色 ) 或 金 属 的 刮 板 。
刮 板 硬 度 与 压 力 必 须 协 调 , 如 果 压 力 太 小 , 刮 板 将 刮 不 干 净 模 板 上 的 锡 膏 , 如 果 压 力 太 大 , 或 刮 板 太 软 , 那 么 刮 板 将 沉 入 模 板 上 较 大 的 孔 内 将 锡 膏 挖 出 。
压 力 的 经 验 公 式
在 金 属 模 板 上 使 用 蓝 色 刮 板 , 为 了 得 到 正 确 的 压 力 , 开 始 时 在 每 50 mm 的 刮 板 长 度 上 施 加 1 kg 压 力 , 例 如 300 mm 的 刮 板 施 加 6 kg 的 压 力 , 逐 步 减 少 压 力 直 到 锡 膏 开 始 留 在 模 板 上 刮 不 干 净 , 然 后 再 增 加 1 kg 压 力 。 在 锡 膏 刮 不 干 净 开 始 到 刮 板 沉 入 丝 孔 内 挖 出 锡 膏 之 间 , 应 该 有 1~2 kg的 可 接 受 范 围 都 可 以 到 达 好 的 丝 印 效 果 。
金 属 刮 板
在 控 制 较 好 的 情 况 下 , 利 用 聚 乙 烯 刮 板 可 以 达 到 非 常 好 的 效 果 , 而 金 属 刮 板 在 生 产 中 也 是 很 好 的 , 同 时 可 解 决 一 些 聚 乙 烯 所 产 生 的 问 题 。
但 记 住 , 它 不 适 用 于 乳 胶 丝 网 , 因 为 会 造 成 过 度 的 磨 损 , 并 且 没 有 泵 锡 膏 的 作 用 。
由 金 属 刀 片 固 定 于 支 架 组 成 , 大 约 40 mm 的 伸 出。不 象 聚 乙 烯 刀 片 , 它 有 很 直 的 边 线 , 使 用 前 无 须 调 整 。 相 对 于 聚 乙 烯 的 大 约 3~9 个 月 寿 命 来 说 , 其 寿 命 是 无 限 的 。
虽 然 整 个 刀 片 有 短 暂 的 柔 性 来 接 纳 变 形 翘 起 的 PCB , 但 其 边 不 退 让 和 变 形 沉 入 丝 孔 的 事 实 使 它 具 有 其 几 个 优 点 , 不 管 丝 孔 的 大 小 如 何 , 较 大 范 围 的 压 力 (即 : 4~15 kg) 都 可 得 到 好 的 丝 印 效 果 。 6 thou 的 模 板 决 定 了 丝 印 厚 度 也 是 6 thou , 这 就 避 免 了 因 操 作 员 和 其 它 条 件 的 不 同 而 产 生 的 变 化 。 可 靠 的 丝 印 厚 度 是 特 别 重 要 的 , 因 为 表 面 贴 附 元 件 的 同 平 面 度 允 许 误 差 是 4 thou , 所 以 丝 印 厚 度 至 少 必 须 是 5 thou 。
由 于 金 属 模 板 和 金 属 刮 板 丝 印 出 的 锡 膏 很 饱 满 , 一 些 使 用 者 发 现 当 她 们 转 换 时, 得 到 的 丝 印 厚 度 太 厚 。 这 个 可 以 通 过 减 少 模 板 的 厚 度 的 方 法 来 纠 正 , 但 最 好 是 减 少(” 微 调 ”) 丝 孔 的 长 和 宽 10 %, 以 减 少 焊 盘 上 锡 膏 的 面 积 。 这 样 就 意 味 着 焊 盘 的 定 位 变 得 不 很 重 要 了 , 模 板 与 焊 盘 之 间 的 框 架 密 封 得 到 改 善 , 减 少 了 锡 膏 在 模 板 底 和 PCB 之 间 的 ” 炸 开 ” 。 丝 印 模 板 底 面 的 清 洁 次 数 由 每 5 或 10 次 丝 印 清 洁 一 次 减 少 到 每 50 次 丝 印 清 洁 一 次 。
模 板 与 丝 印 后 PCB 的 分 开
丝 印 完 后 , PCB 与 丝 印 模 板 分 开 , 将 锡 膏 留 在 PCB 上 而 不 是 丝 印 孔 内 。
对于最细密丝印孔来说, 模板的厚度很重要, 因为丝孔的孔壁相对于焊盘面积变得很重要, 锡膏可能会更容易粘附在孔壁上而不是焊盘上。

焊 盘 面 积 = w x d 丝 孔 内 壁 面 积 = 2(w x h) + 2(d x h)
焊 盘 面 积 的 经 验 公 式 , 尽 可 能 不 小 于 孔 内 壁 的 面 积 。 例 如 :
PCB 上 最 密 引 脚 间 隔 是 25 thou, 因 此 最 小 的 焊 盘 宽 度 为 12.5 thou 或 3 mm , 乘 以 比 如 说 2 mm 的 长 度 , 模 板 为 6 thou (0.15 mm) 厚 度 。
焊 盘 面 积 = 0.3 mm x 2 mm = 0.6 mm2
丝 孔 内 壁 面 积 = 2 x (0.15 mm x 0.3 mm) + 2 x(0.15 mm x 2 mm) = 0.69 mm2
将 模 板 厚 度 减 少 为 4 thou (0.1 mm) 可 将 情 况 得 到 改 善 。
丝 孔 内 壁 面 积 = 2 x (0.10 mm x 0.3 mm) + 2 x(0.1 mm x 2 mm) = 0.46 mm2
不 过 , 有 两 个 因 素 是 有 利 的 , 第 一 , 焊 盘 是 一 个 连 续 的 面 积 , 而 丝 孔 内 壁 大 多 数 情 况 分 为 四 面 , 有 助 于 释 放 锡 膏 ; 第 二 , 重 力 和 与 焊 盘 的 粘 附 力 一 起 , 在 丝 印 和 分 离 所 花 的 2~6 秒 时 间 内 , 将 锡 膏 拉 出 丝 孔 粘 着 于 PCB 上 。 为 最 大 发 挥 这 种 有 利 的 作 用 , 可 将 分 离 延 时 , 开 始 时 PCB 分 开 较 慢 。 很 多 机 器 允 许 丝 印 后 的 延 时 , 工 作 台 下 落 的 头 2~3 mm 行 程 速 度 可 调 慢 。
丝 印 速 度
丝 印 期 间 , 刮 板 在 丝 印 模 板 上 的 行 进 速 度 是 很 重 要 的 , 因 为 锡 膏 需 要 时 间 来 滚 动 和 流 入 丝 孔 内 。 如 果 允 许 时 间 不 够 , 那 么 在 刮 板 的 行 进 方 向 , 锡 膏 在 焊 盘 上 将 不 平 。 当 速 度 低 到 每 秒 20 mm 时 , 刮 板 可 能 在 少 于 几 十 毫 秒 的 时 间 内 刮 过 小 的 丝 孔 。
丝 印 速 度 的 经 验 公 式
对 PCB 上 最 密 元 件 引 脚 的 每 thou 长 度 , 你 可 以 允 许 每 秒 1 mm 的 最 大 速 度 。 因 此 :
最密引脚间隔
最小丝孔
最大丝印速度
50 thou
25 thou
每 秒 50 mm
25 thou
12.5 thou
每 秒 25 mm
16 thou
8 thou
每 秒 16 mm
结 论
无 论 你 采 用 的 丝 印 机 的 复 杂 性 及 特 性 如 何 , 如 果 你 不 能 选 择 正 确 的 锡 膏 、 丝 印 模 板 和 丝 印 刮 板 的 结 合 使 用 , 那 么 , 丝 印 只 是 艺 术 , 而 不 是 科 学 。