SMT电路板丝印工艺技术模板.doc

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)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 = 0.001mm )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：5338m3x53m=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，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，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 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 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 在 聚 乙 烯 很 少 暴 露 部 分 。 其 挠 性 不 够 意 味 着 不 能 贴 合 扭 曲 变 形 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 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 角 度 可 以 单 独 决 定 。大 约 40 mm 刮 板 是 暴 露 ， 而 锡 膏 只 向 上 走 1520 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 ， 例 如 ：6065shorevery soft红 色7075shoresoft绿 色8085shorehard蓝 色90 + shorevery 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 固 定 螺 丝 。刮 板 作 用和 金 属 模 板 比 较 来 看， 刮 板 动 力 学 要 求 对 乳 胶 丝 网 是 不 同 。在 乳 胶 丝 网 上 ， 刮 板 需 要 推 动 其 前 面 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 刮 板 (7075 shore， 绿 色 )， 其 自 身 在 和 丝 网 接 触 地 方 发 生 变 形 。甚 至 可 用 更 软 刮 板 ( 6065 shore, 红 色 ) 来 在 厚 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 和 模 板 一 样 厚 锡 膏 。 不 需 要 也 不 指 望 刮 板 变 形 ， 因 此 可 以 使 用 较 硬 (即 ： 8085 shore， 蓝 色 ) 或 金 属 刮 板 。刮 板 硬 度 和 压 力 必 须 协 调 ， 如 果 压 力 太 小 ， 刮 板 将 刮 不 干 净 模 板 上 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 孔 内 将 锡 膏 挖 出 。压 力 经 验 公 式在 金 属 模 板 上 使 用 蓝 色 刮 板 ， 为 了 得 到 正 确 压 力 ， 开 始 时 在 每 50 mm 刮 板 长 度 上 施 加 1 kg 压 力 ， 例 如 300 mm 刮 板 施 加 6 kg 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 12 kg 可 接 受 范 围 全部 可 以 到 达 好 丝 印 效 果 。金 属 刮 板在 控 制 较 好 情 况 下 ， 利 用 聚 乙 烯 刮 板 可 以 达 到 非 常 好 效 果 ， 而 金 属 刮 板 在 生 产 中 也 是 很 好 ，同 时 可 解 决 一 些 聚 乙 烯 所 产 生 问 题 。但 记 住 ， 它 不 适 用 于 乳 胶 丝 网 ， 因 为 会 造 成 过 度 磨 损 ， 并 且 没 有 泵 锡 膏 作 用 。由 金 属 刀 片 固 定 于 支 架 组 成 ，大 约 40 mm 伸 出。不 象 聚 乙 烯 刀 片 ， 它 有 很 直 边 线 ， 使 用 前 无 须 调 整 。 相 对 于 聚 乙 烯 大 约 39 个 月 寿 命 来 说 ， 其 寿 命 是 无 限 。虽 然 整 个 刀 片 有 短 暂 柔 性 来 接 纳 变 形 翘 起 PCB ， 但 其 边 不 退 让 和 变 形 沉 入 丝 孔 事 实 使 它 具 有 其 几 个 优 点 ， 不 管 丝 孔 大 小 如 何 ， 较 大 范 围 压 力 (即 ：415 kg) 全部 可 得 到 好 丝 印 效 果 。 6 thou 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 不 同 而 产 生 变 化 。 可 靠 丝 印 厚 度 是 特 别 重 要 ， 因 为 表 面 贴 附 元 件 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 锡 膏 很 饱 满 ， 一 些 使 用 者 发 现 当 她 们 转 换 时， 得 到 丝 印 厚 度 太 厚 。 这 个 可 以 通 过 减 少 模 板 厚 度 方 法 来 纠 正 ， 但 最 好 是 减 少(“ 微 调 ”) 丝 孔 长 和 宽 10 %，以 减 少 焊 盘 上 锡 膏 面 积 。 这 样 就 意 味 着 焊 盘 定 位 变 得 不 很 重 要 了 ， 模 板 和 焊 盘 之 间 框 架 密 封 得 到 改 善 ， 减 少 了 锡 膏 在 模 板 底 和 PCB 之 间 “ 炸 开 ” 。 丝 印 模 板 底 面 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 和 丝 印 后 PCB 分 开丝 印 完 后 ， PCB 和 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，模板厚度很关键，因为丝孔孔壁相对于焊盘面积变得很关键，锡膏可能会更轻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 经 验 公 式 ， 尽 可 能 不 小 于 孔 内 壁 面 积 。 例 如 ：PCB 上 最 密 引 脚 间 隔 是 25 thou， 因 此 最 小 焊 盘 宽 度 为 12.5 thou 或 3 mm ， 乘 以 比 如 说 2 mm 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 ， 第 一 ， 焊 盘 是 一 个 连 续 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 和 焊 盘 粘 附 力 一 起 ， 在 丝 印 和 分 离 所 花 26 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 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 延 时 ， 工 作 台 下 落 头 23 mm 行 程 速 度 可 调 慢 。丝 印 速 度丝 印 期 间 ， 刮 板 在 丝 印 模 板 上 行 进 速 度 是 很 重 要 ， 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 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 时 间 内 刮 过 小 丝 孔 。丝 印 速 度 经 验 公 式对 PCB 上 最 密 元 件 引 脚 每 thou 长 度 ， 你 可 以 允 许 每 秒 1 mm 最 大 速 度 。 因 此 ：最密引脚间隔最小丝孔最大丝印速度50 thou25 thou每 秒 50 mm25 thou12.5 thou每 秒 25 mm16 thou8 thou每 秒 16 mm结 论无 论 你 采 用 丝 印 机 复 杂 性 及 特 性 如 何 ， 如 果 你 不 能 选 择 正 确 锡 膏 、 丝 印 模 板 和 丝 印 刮 板 结 合 使 用 ， 那 么 ， 丝 印 只 是 艺 术 ， 而 不 是 科 学 。