SMT中焊锡膏的网印技术
2021-04-19
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■表面安装技术 SMT S M T中焊锡膏的网印技术 齐成 (福建福州 350012) 摘要 电子装联技术在印制电路板中应用广泛。在ecq-装联技术中,焊锡膏的网印至关重要。文章主要探讨电子 ‘ 电子装联;印制电路板;焊锡膏:丝网印刷 装联技术中焊锡膏丝网印刷时应注意的问题。 关键词 中图分类号:TN41。TQ628.5 文献标识码:A 文章编号:1 009—0096(2008)1 2-0055—04 Silk Screen Printing Technique of . Solder Paste in Surface Mounting Technology Oi Cheng Abstract The surface mounted technology is applied in the printed circuit board extensively.In the surface mounted technology,the quantity of the silk screen printing of the welding cream of the containment tin is count for much.This text includes the welding cream silk screen printing of he ttin to want the adve ̄ent problem in he tmain study surface mounted technology. Key words surface mounted technology;printed circuit board;include the welding cream of the tin;silk screen printing 电子装联(SMT)技术也称表面组装技术或 表面装贴技术,是一种现代的电路板组装技术。 SMT组装密度高、产品体积小 重量轻,贴片元 件的体积和重量只有传统插装元件的1/l 0左右, 的发展,电子装联技术也从初始的长引线元器件、 手工插装焊接.轴向引线编带元器件、半自动插 装、手工浸焊.径向引线编带元器件,向集成电路 的自动插装和浸焊、波峰焊方向发展,如今第四 代的电子装联技术一一SMT技术已成为主流的技 术。在先进的电子产品特别是在计算机及通讯类电 子产品组装中,已普遍采用SMT。SMT技术是短 引线或无引线表面组装元器件(SMC、SMDL), 盘(盒)供料的自动表面贴装和再流焊、波峰焊、 汽相焊、红外焊等自动焊接技术,它将逐渐取代 传统的通孔插装技术,促进电子产品的又一次革 SMT技术实现了电子产品组装的小型化、高可靠 性、高密度、低成本和生产自动化,使电子产品 体积缩小40%~60%,重量减轻60%~80%,提高生 产效率,降低成本达30%~50%。SMT技术在电予 产品的生产中,是直接影响电子整机产品质量、产 量的关键性生产技术。随着现代电子整机逐渐向微 型化、轻型化高度集成、高可靠及高智能化方向 Printed Circuit Information印制电路信息200B肋.12……… ...………;.表面安装技 SMT………………………………………………………………………………… ; : ... ; 命。下面简单介绍电子装联技术中焊锡膏网印中应 注意的一些问题。 1电子装联技术的工艺特点 PCB装联工艺可简单表示为:锡焊膏涂覆(或 点胶)一贴装元件一固化一回流焊接(如双面 PCB,则翻转另一面后,再重复上述工艺)一清 洗一检测一成品。 锡焊膏涂覆:是应用丝网印刷机(或漏印模版 涂覆)将锡焊膏或贴片胶漏印到PCB的焊盘上,为 元器件的焊接做准备。它位于SMT生产线的最前 端。点胶是使用点胶机将胶水滴到PCB的的固定位 置上,其主要作用是将元器件固定到PCB板上,位 于SMT生产线的最前端或检测设备的后面。 贴装元件:是应用贴片机将表面组装元器件准 确安装到PCB的固定位置上。它位于SMT生产线 中丝印机的后面。 固化:其作用是将贴片胶固化,从而使表面组 装元器件与PCB板牢固粘接在一起。所用设备为固 化炉,位于SMT生产线中贴片机的后面。 回流焊接:其作用是将锡焊膏融化,使表面组 装元器件与PCB板牢固焊接在一起。所用设备为回 流焊炉,位于SMT生产线中贴片机的后面。 清洗:使用清洗机将组装好的PCB板上面的对 人体有害的焊接残留物如助焊剂等除去。位置可不 固定,在线或不在线。 检测:其作用是对组装好的PCB板进行焊接质 量和装配质量的检测。 所用设备有放大镜、显微镜、在线测试仪、飞 针测试仪、自动光学检测、X—RAY检测系统、功 能测试仪等。位置根据检测的需要,可以配置在生 产线合适的地方。 在上述工艺流程中,锡焊膏涂覆可用丝网印刷/ 漏印模版印刷方法。在印刷中,刮刀在加压的情况 下以一定的速度推动锡焊膏,使之通过漏印模版上 的窗口分配到PCB焊盘上,这一过程实质上是流体 (锡焊膏)的动态运动过程。sMT中的丝网印刷 最困难的是怎样把适量的锡焊膏准确地分配(网 印)到PCB的焊盘上,难点就在于“适量” 和 “准确”。适量就是漏印到PCB焊盘上的锡焊膏既 ——_ 不能多也不许少,多了在焊接时易产生焊锡桥接, : 少了则会产生虚焊,而多少仅在毫厘之间。适量不 : 仅仅要靠丝网Ep ̄,J机的印刷精度保证,而且还涉及 .:……..Printed Circuit Information印制电路信息2008 No./2 网版材料、厚度;漏印模版的厚度、窗口设计形 状及窗口尺寸大小;漏印模版与PCB工艺间距;刮 刀材料、硬度、角度;印刷方向、速度、压力; 锡焊膏种类、黏度;工作环境温度、温度等十多 种工艺因素的综合控制。 2网版图形制作 保证漏印到PCB焊盘上的锡焊膏的适量和准确 是如何控制的呢?首先是网版图形制作。通常漏印 锡焊膏的厚度在1001.tm ̄300 ̄tm,100 ̄m厚度的网版图 形以手工刮胶的工艺显然是难以保证的,目前市场 上有膜厚为1001.tm及以上的直接感光制版膜片出售, 例如日本爱丝乐直接晒网感光膜片以及英国柯图泰直 接晒网感光膜片,其产品膜厚、平整度及工艺性能 都非常好。但是,如果漏印锡焊膏厚度需200ktm或 3001.tm就需要漏印模版充当丝网上的网版图形了。 3制作优良的金属漏印模板 金属漏版印刷是目前锡焊膏印刷的主要方法, 在印刷中,金属漏印模板是印刷的基本工具,用于 限制锡焊膏在印制电路板表面焊盘上的分配位置。 它是影响印刷质量的一个关键因素,金属漏版制作 的好坏将直接影响Ep ̄,J质量。所以设计制作一个好 的漏模板很重要。漏模板材料对印刷质量的影响主 要是甜刀施加压力时材料易发生变形,从而使锡焊 膏的分配发生偏差。因此,制造漏模板时尽量选用 变形小的材料,如不锈钢板或黄铜板等,不锈钢漏 版的硬度、应力承受、蚀刻质量、印刷效果与使 用寿命都优于黄铜版。金属漏版可分为刚性版和柔 性版,刚性版因为没有伸张性和回弹力只能进行接 触印刷;而柔性版是把金属漏版用高强度的快于胶 粘贴在不锈钢丝网印刷区域内,待干透后用刻刀划 去该区域内的胶膜,露出印刷窗孔。由于是柔性 的,故有一定的伸张性和回弹性,既可用于接触印 刷,又可用于非接触印刷。 漏模板的厚度对锡焊膏的印刷以及后面的再流 焊有着很大的关系,它决定了锡焊膏在印制电路板 上的沉积量,好的锡焊膏印刷必须有合适的锡焊膏 沉积量。漏模板厚度越薄、开孔越大,越有利于 锡焊膏释放。漏模板过厚会造成锡焊膏沉积过多, 其后果是造成元件之间细小间距的短路和桥接;但 漏模板过薄也会造成锡焊膏沉积量不足,结果会造 成焊接强度不够,易发生故障,根据实践,制作 漏版材料的厚度一般为0.15mm ̄O.3mm。良好的印 ………………………….SMT………。。…: - ● - 刷质量必须要求开孔尺寸与刚板厚度比值大于1.5。 否则可能会使锡焊膏印刷 完全。一般情况下,对 0.5mm的引线间距,可用厚度为0.12mm--O.15ram网 是目前高质量、较先进的制作方法,它可以得到孔 : 壁平直或有利于锡焊膏脱离漏版的小锥度窗孔,成 . 形的漏印模版定位精度≤±151am,从而保证了锡焊 膏印刷的准确性,缩短了制作周期,减少了SMC、 SMD装贴及再流焊后出现的移位、桥接、电阻墓 石等缺陷;激光切割成形时,其开口形状自然形成 表 而 。 板,0.3mm 0.4mm的引线间距,用厚度为0.1mm 网板。对于较细问隙器件(如TAB安装的引线中 心距为0.2mm~0.3mm),它还有多弓}线化的特点, 如美国得犯萨斯公司开发的扁平封装VLSI有360根 25 m的微小锥度,有利于锡焊膏的释放;激光切 割成形的开151上、下表面自然形成微小的保护唇, 装 坫 引线、间隙0.2mm,通常精确安装这种细问隙器件 所要求的精度要比引线间隙小一个数量级,这就是 所 “l 0:1” 定律,如安装0.3mm引线问隙器 件的系统应具有0.03mm的定位精度,在此基础上再 附加其他安全因素。这种安装精度要求,对丝网印 刷来说是一个极大的挑战,它要求锡焊膏漏印时网 版图形要有很高的印刷分辨率,而极高的丝网印刷 分辨率是非常关键的。有人曾经采用F9OOOCAD/激 光光绘系统制作照相底片(制版软片),分辨率可 达6.3lam,并可提高到3.17llam,其重复象素定位 精度可达±5pm。如此之高的分辨率和定位精度的 制版软片,无疑会为锡焊膏漏印时的印刷分辨率提 供坚实的基础。此外,漏模板的开口尺寸和形状与 印刷板上的焊盘的形状、尺寸对锡焊膏的精密印刷 非常重要,也是影响焊接印刷质量的主要凶素之 一。因此要注意漏版窗孑L开口形状以及窗孔开口大 小、焊区的比例等,漏版要求耐磨,‘窗孔开口孔 壁光滑平整无锯齿,锡焊膏渗透性好,漏版拉伸 小,回弹性好。漏模板开口尺寸与焊盘尺寸有一定 关系,网板上的开孔主要由印刷板上相对应的焊盘 的尺寸决定的。通常比焊盘尺寸略小10%~20%。如 果开口过大,容易造成元件问的短路和桥接;如果 开口过小,易发生焊接强度不足。因此要保证焊盘 宽度和漏模板开口尺寸的合理配置。好的开口形状 和光洁的孔壁会使锡焊膏印刷齐整。应尽量采用好 的工艺(如激光切割法)来制作漏模板,使开口 形状上小下大。这样,印刷时锡焊膏容易脱离漏模 板。另外,还要尽量使开口的孔壁光洁,减小锡 焊膏与孔壁问的粘附力,使其容易脱离漏模板。 金属漏版制作方法主要有蚀刻法和激光切割 法。蚀刻法相似于双面印制板的加工,即两面通过 光敏抗蚀剂制作出双面图形,再进行双面蚀刻出窗 孔,蚀刻法具有加工容易,成本低等优点,但蚀 刻断面不平滑且精度低,窗口截面形状成为两头大 中间小的鼓形,不利于锡焊膏的释放。激光切割法 下表面保护唇防止锡焊膏向开ISI外渗透,减少了可 .. 能产生的桥接、锡焊珠以及清洗漏印模版的次数, ,l、 同时上、下表面保护唇有利于增强漏印模版开口处 : 的强度,增加了漏印模版的使用寿命:由激光切割 : 的漏印模版孔壁粗糙度可以控制在3gm以内,这对 于锡焊膏的释放及克服桥接和锡焊珠现象都有好 : 处:激光光束聚焦后直径≤40gm,可轻而易举地 : 制作≤250lLtm(厚度)的漏印模版:大大减少丝 ‘ 网漏印中锡焊膏的浪费;实现清洁、精密的锡焊膏 : 丝网漏印。对于激光切割法加工的较为粗糙的孔 : 壁,可以通过电抛光(一种微蚀法)或者镀镍方 : 法使开孔内壁光滑一致,但加工价格较贵。 : 4正确选用锡焊膏 i 锡焊膏的选择也是保证SMT中丝网印刷质量的 : 重要因素。锡焊膏主要成分是焊料合金粉末 (Sn/ : Pb、Sn/Pb/Ag、Sn/Pb/Bi等)和助焊剂等均匀地 ’ 混合制成。合金粉末与助焊剂的体积之比约为1:1, : 重量之比约为9:1。品质优良的锡焊膏应具有一定的 黏度、良好的连续印刷性,长时间存放黏度无变 : 化,放置与预热时不产生塌陷,有良好的焊接性、 : 不产生焊珠飞溅等特点。 ; 选用锡焊膏时应充分考虑以下几点: : (1)锡焊膏的金属种类和含量:不同的金属 : 焊料具有不同的熔点及焊接性能,从而造成不同焊 : 接温度要求不同的锡焊膏,同时金属粉末的含量对 : 锡焊膏印刷涂覆以及焊接效果也有很大影响。金属 : 含量较高可改善锡焊膏的坍落度,防止焊珠的形 : 成,但对印刷工艺和焊接要求较为严格:金属含量 : 较低时,润湿性好,印刷简便,但易于塌落,产 ; 生焊珠、桥接等质量缺陷。通常锡焊膏中的金属含 : 量在70%~90%,但对精细间距元器件的锡焊膏,应 57 选用高于90%的锡焊膏,而对于焊接热敏元器件的_一 锡焊膏,应选用低熔点的。 . (2)锡焊膏的金属粉末形状:锡焊膏的金属 : ● J Printed Circuit Information印制电路信息2008 No.12…….。; 表面安装技术 ; ..‘…… SMT 粉末是在惰性气体中将熔融的焊料雾化制成微细的粒 状金属。锡焊膏中金属粉末的颗粒形状有三种:即 球形、不定形和近球形。球形颗粒其表面有较低的 氧化比,不定形颗粒没有明显的形状和细度,该种 锡焊膏因有较大的表面氧化比,故焊接性能较差。 而近球形锡焊膏(如椭圆形),则介于二者之间。 锡焊膏中金属粉末的颗粒细度在201am ̄751Bm。…般 来说,锡焊膏颗粒细度选择的依据是:最小尺寸的 金属漏版开孔应能允许同时通过3个~4个颗粒,对 于精细间距的元器件应选用颗粒细度在201.tm ̄401am 的球形锡焊膏。 (3)助焊剂类型:主要包括天然及合成的树 脂、有机溶剂、活性剂、增稠剂等,其主要作用 是去除氧化物、破坏融锡表面张力,促进焊料流动 和分敞,防 再度氧化。由于回流焊时锡粉会 速 氧化, 此要求助焊剂必须有足够的活性束清除这 些氧化物。锡焊膏的助焊剂可分为活化型(RA)、 弱活化型(R M A)和非活化型(R)三种,通 常选用弱活化型。 (4)锡焊膏黏度:锡焊膏黏度是锡焊膏的主 要性能,它是指锡焊膏粘在一起的能力,其主要取 决于锡焊膏中助焊剂系统的成分以及其它的添加剂 (例如胶粘剂,溶剂,触变剂等)的配比量。如 果锡焊膏本身粘在一起的能力强,它就利于锡焊膏 脱模,并能很好在固定其上的零件,减少组件贴装 时的飞片或掉片,并能经受贴装,传送过程时的震 动或颠簸。黏度太大,锡焊膏不易穿过钢网的开 孔,印出的线条残缺不全;黏度太低,容易流淌 和塌边,影响印刷的分辨率和线条的平整性。一般 来说,精细间距锡焊膏印刷的最佳黏度范围为 800kPa・s~1300kPa・S,而普通间距锡焊膏印刷的 黏度范围则在500kPa・s一900kPa・S。 (5)锡焊膏的熔点:对于生产线来说,一般 选择(SN63,Pb37)锡,铅合金,这种锡焊膏不但具 有较低的熔点, 而且焊点强度也比较高,可较好地 满足焊接要求。不同熔点锡浆往往用于双面贴装PCB 板的生产,要求第一面的锡浆熔点比第二面组件高几 十度,以防止在焊接第二面组件时第一面组件脱落。 (6)锡焊膏焊接后的清洗方法:锡焊膏的清 洗方法主要有溶剂清洗型、水清洗型和免清洗型三 种,对于可靠性要求高的电于产品应考虑选用水清 洗型和溶剂清洗型的锡焊膏,而对于一般民用电子 …。Printed Circuit Information印制电路信息2008 No.12 .; ; ; 产品则可选用兔清洗掣锡焊膏。 在锡焊膏使用中,主要应注意以下几点: (1)为保证锡焊膏有良好的印刷适性,使用 前必须充分搅拌均匀,以使锡浆内部颗粒均匀一 致,并保持良好黏度。一般搅拌5min以后再投入 使用。因为锡焊膏贮存时会产生分离,即锡焊膏中 比重较大的焊料粉末与比重较轻的助焊剂、添加剂 和溶剂混合物相分离。 (2)要注意锡焊膏的保存,必须以密封形态 存放在恒温(温度要求为0℃~5℃)贮存,恒湿 的冰箱内。锡焊膏在使用时,不能从冰箱中取出后 就立 开包使用,以免空气中的水气凝结而混入其 中,要放存工作叫 境条件下即室内温度进行回温平 衡1h~3h后再打开包装,开封后要在l2h内用完, 在室温下存放 要超过24h。不可用加热的方法使 其回温,以免使锡焊膏性能劣化,要使锡焊膏中水 分完全干燥。 (3)锡焊膏理想的_[作叫 境温度为20℃一25℃, 相对湿度为40%~60%,这样的操作条件对锡焊膏印 刷最为有利。如温度过高,锡焊膏中的合金粉末和 焊剂化学反应后,使黏度上升而影响其印刷性,如 果温度过低(零度以下),焊剂中的松香成分会发 生结晶现象,使锡焊膏形状恶化。 (4)锡焊膏印刷干燥后,放置于室温过久会 因溶剂挥发,吸收水等原因造成性能劣化,因而要 尽量缩短进入回流焊的等待时间。 (5)注意锡焊膏的贮存寿命,它的有效期一般 来说约为3个月,故在购买时,一次不要购买太多。 5刮板操作技巧 刮板可选用各种硬度的橡胶刮板和金属刮板, 其刃口一般有三种形状:锐角、直角和平角。当 印刷网距小于0.3mm时,金属刮板是最佳的材料, 而聚氨酯刮板会被压入到漏版开孔内而把锡焊膏挖 走,使得锡焊膏的高度不一致。金属刮板经镀镍和 聚四氟乙烯特殊处理后可获得更加理想的印刷品质。 经镀镍处理后的刮板更容易使锡焊膏从刮板表面释 放,经聚四氟乙烯涂层处理可使刮板表面更光滑, 延长漏版使用寿命。聚氨酯刮板对于较小窗孔可以 提供理想的印刷效果。当印刷只有0.13mm宽度的窗 孔开口时,金属刮板趋于横向剪切锡焊膏,而聚氨 酯刮板则趋于椎动锡焊膏进人漏版开孔,使锡焊膏 得以顺利地沉积在焊接盘上。 (下转第6 4页) ...……….SMT……………………………………. : 圭 阻焊剂 ————表6 阻焊剂特性 SR7300 FZ3000G ————— —— 会持续,MPU的封装基板的图形形成到20l4年的 L/S=5 LLm非常关键。铜电路厚度薄的情况下,采用 半加成法可以实现L/S=5 ̄tm/5I.tm的微细图形,但是 回 x 析像清晰度/Ilm 玻璃化温度Tg(TMA ̄C) 弹性模量(MPa) 46料 98 2400 50 109 2600 铜箔不能薄的情 下,必须要考虑其它工艺,而 且必须综合考虑投资额和成本(运行成本)。 装 。 拉伸强度(MPa)85 60 通过. 通过 通过 …~一 4.2.2阻焊剂 以201 1年为契机,液状或者膜状阻焊剂的决断 迫在眉睫。如果FC—PKG薄而细节距化,因为阻焊 搜… 焊料耐热(260 ̄C×10s×3问) 通过 PCT(121℃×100%RH×100h) 通过 HAST(130 ̄C×80%RH×6V×2ooh)通过 ~一 ~一一 一 一 剂的平坦性和耐久性,特别是严酷HAST和TCT条 件下的金属迁移等问题,考虑到耐久性和成本的用 户要考虑选用最适当的阻焊剂材料。今后要根据用 户需要,抢先提出解决方案。 参考文献 【1]MAP&RTS2007,NewlyDevelopedHalogen-freeMaterials for Package Subs ̄ate 注: 阻焊剂厚度:25 ̄tm; 阻焊剂厚度:2O m。 : 出良好的焊料耐热性,耐PCT和耐HAST等特性。 :: : .4.2结论 PCB的技术进步与半导体的微细化技术的关联度 较深,但是半导体Ic的布线技术与PCB的最小LIS 的微细化技术存在差距。半导体集成度正在提高, : 呈现芯片多层化(芯片的积层)的趋势,凶此PCB f21高根,『尺第4回7。IJ、/ 配缝板EXPO,次世代, ’ 一 基板c二封 寸 1 1(2003) : : : 的布线密度不会下降,以FC.PKG的路线图作为 MPU的路线图,来考察电路形成用抗蚀剂和阻焊剂 的路线图。 ,L,卜7' y7 材 勤向嚣演含予稿集, f31中前,他接着・粘着 化警 庵用,大口本圃害株式 岔社黉行,15 ̄16(1998) ・ :: 4.2.1 电路形成用抗蚀剂 根据迄今为止的考察,FC.PKG的高密度化将 … ~~~、 ~1、、、’、 、、~、、~、^~~~、…、~’… 、’~ ^、…、 ~、’^’、1 、^ 、 『41止同和隆,中村吉宏,池山谦一,入野哲郎.次世代半蹲 膛, ・y 一 用材料,落子材料(门),2008年1月 琳金堵莰 、1、^ 、、1、 、1…、…^ 、^、、^ 、’^ 、、、、11^1………、、、、~ 1… (上接第5 8页) 在印刷中,要注意控制刮板的刮印压力。刮板 压力的改变,对印刷来说影响重大,压力太小,会 配,其中刮板相村于漏版角度影响着印刷锡焊膏的 着墨量以及锡焊膏的分辨率,通常刮板运行角度为 导致PCB板上锡焊膏量不足;而太大的压力则会导 致锡浆印得太薄。控制刮板的刮印压力要根据实际 生产产品的要求,如对漏版厚度、窗孔孔径大小以 及锡焊膏的新度进行选择,还要考虑到刮板的硬 度。对于精细间距印刷采用硬度较高的刮板,甚至 使用金属刮板,刮板压力与刮板的硬度成反比,而 60。 65。时,锡焊育的印刷品质最佳。在锡焊膏印 刷过程中一般每隔lo块板需对钢网底部清洗一次, 以消除其底部的附着物。通常采用无水酒精作为清 洗液。 6网印机的选用 锡焊膏印刷通常采用精密印刷机进行印刷,一 些具有图像识别定位功能的CCD(光电耦合器件) 光学视觉对位系统的全自动丝网印刷机大都有影像探 测、影像存贮和处理、影像显示和处理功能,其 与漏版的厚度和锡焊膏的黏度成正比,刮印压力一 般为294kPa一490kPa。此外,刮板印刷速度也是影 响锡焊膏质量的重要工艺参数,在印刷中具有很重 要的作用,印刷速度太快则会引起刮板滑行,造成 漏印,速度太慢,则造成图形边缘不锐利、不整 齐或沾污焊接盘。刮印速度与焊接盘的间距成正 定位精度和重复精度都非常高,可以把锡焊膏准确 地分配到印制板的焊点上。 虽然丝网印刷工艺在SMT技术中的所占的比重 并不是很大,但是,作为SMT中的第一道工序的 丝网印刷却是保证产品质量的最重要、最关键的工 序。而SMT工艺中的难点也就在丝网印刷上。因 此,保证丝网印刷的质量对电子装联技术来说至关 重要。圆 比,而与漏版厚度及锡焊膏劾度成反比。一般来 说,要求刮板的刮印速度应控制在l0mm/s~25mm/s 范围内。同时刮板的其他工艺参数包括刮板的厚度、 长度、刮板相对于刀架的弹力以及刮板相对于漏版 的角度等,这些参数均不同程度地影响锡焊膏的分 …….Printed Circuit Information印制电路信息2008 No,12