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SMT焊膏印刷的质量控制
更新时间:11/25/2015  阅读:4274
本文关键词:SMT焊膏印刷

     摘要:表面安装工艺流程的关键工序之一就是焊膏印刷。其控制直接影响着组装板的质量。通过对焊膏的特性、模板设计制造、以及印刷设备工艺参数的优化设定等方面,对焊膏印刷质量的控制作初步探讨。

     关键词:焊膏 模板 印刷机 刮刀

     焊膏印刷工艺是SMT的关键工艺,其印刷质量直接影响印制板组装件的质量,尤其是对含有0.65mm以下引脚细微间距的IC器件贴装工艺,对焊膏印刷的要求更高。而这些都要受到焊膏印刷机的功能、模板设计和选用、焊膏的选择以及由实践经验所设定的参数的控制。本文就这些方面论述一下如何控制焊膏印刷质量。

1、 焊膏要求
1、1良好的印刷性
焊膏的粘度与颗粒大小是其主要性能。焊膏的粘度过大,易造成焊膏不容易印刷到模板开孔的底部,而且还会粘到刮刀上。焊膏的粘度过代,则不容易控制焊膏的沉积形状,印刷后会塌陷,这样较易产生桥接,同时粘度过代在使用软刮刀或刮刀压力较大时,会使焊膏从模板开孔被刮走,从而形成凹型焊膏沉积,使焊料不足而造成虚焊。

焊膏粘度过大一般是由于配方原因。粘度过低则可以通过改变印刷温度和刮刀速度来调节,温度和刮刀速度降低会使焊膏粒度增大。通常认为对细间距印刷焊膏最佳粘度范围是800pa·s─1300pa·s,而普通间距常用的粘度范围是500 pa·s─900 pa·s。

焊膏的颗粒形状,直径大小及其均匀性也影响其印刷性能。一般焊膏颗粒为圆球形,直径约为模板开口尺寸的1/5,而且颗粒的直径应均匀一致,其最大尺寸与最小尺寸的颗粒数不应超过10%,这样才能提高印刷的均匀性和分辨率。我们可以从表1中了解焊膏的选择与器件间距的相应关系。

表1 焊膏的选择与器件间距的关系
焊膏尺寸范围(um) 目数 器件间距
75-45 -200/+325 0.60-1.30
45-25 -325/+500 0.40-0.60
35-25 -400/+500 0.20-0.40
<20 -500 <0.2

1、2 良好的粘结性
焊膏的粘结性除与焊膏颗粒、直径大小有关外,主要取决于焊膏中助焊剂系统的成分以及其它的添加剂的配比量。焊膏良好的粘结性使其印刷时对焊盘的粘附力大于模板开口侧面的粘附力,使焊膏牢固的粘附在焊盘上,改善脱模性,粘接性好且能保持足够的时间,可使元件贴装时减少飞片或掉片。

1、3 良好的焊接性
用于印刷的焊膏,典型金属含量为90%。焊膏的焊球必须符合无氧化物等级,即氧化物含量<0.1%,包括表面吸附氧在内的氧化物总含理=<0.04%。焊膏印后保存时间过长,印刷周期过长都会因熔剂等物质挥发而增加氧化程度,影响焊料的润湿性。焊膏应在5-10℃保存,在22-25℃时使用。

根据焊膏的性能和使用要求,可参考以下几点选用适宜的焊膏:
1) 焊膏的活性可根据PCB表面清洁程度来决定,一般采用RMA级,必要时采用RA级;
2) 根据不同的涂覆方法选用不同粘度的焊膏;
3) 精细间距印刷时选用球形细颗粒焊膏;
4) 双面焊接时,第一面采用高熔点焊膏,第二面采用低熔点焊膏,保证两者相差30-40℃,以防止第一面已焊元器件脱落;
5) 当焊接热敏元件时,应采用含铋的低熔点焊膏;
6) 采用免清洗工艺时,要用不含氯离子或其他强腐蚀性化合物焊膏。
7) 还要求焊膏回流焊后有良好的清洁性,极少产生焊料球,有足够的焊接强度。

2、 模板

模板是焊膏印刷的基本工具。可分为三种主要类型:丝网模板、全金属模板和柔性金属模板。丝网模板制作简单,适合于小批量的产品,缺点是孔眼通过丝网不容易看到焊盘,定位困难,而通过丝网的焊膏只有孔眼的60%左右,容易堵塞。模板的开口尺寸与模板厚度密切相关,过厚,会导致焊膏的脱模不良,且易造成焊点桥接;过薄,则很难满足粗细间距混装的组装板的要求。选用参见表2

器件类型 引线间距(mm) 焊盘宽度(mm) 模板开口尺寸(mm) 模板厚度(mm)
通用SMT器件(注)BGA 1.27 0.64 0.58 0.20-0.25
0.65 0.35 0.30-0.33 0.15-0.18
0.50 0.30 0.22-0.25 0.12-0.15
0.40 0.22 0.18-0.20 0.10-0.12
0.30 0.18 0.12-0.15 0.10
1.27 0.80 0.76 0.20-0.25
1.00 0.63 0.56 0.15-0.20
0.50 0.25 0.23 0.12-0.19
Flip Chip 0.25 0.12 0.12 0.08-0.10
0.20 0.10 0.10 0.05-0.10
0.15 0.08 0.08 0.03-0.08
注:包括SOIC、PLCC、TSOP、QFP等通用器件

模板开口一般通过化学蚀刻,激光束切割以及电铸等方法制造。在制造过程中均以取得光滑一致的开口侧壁为目标。模板可采用有焊盘孔眼的锡青铜、铍青铜、不锈钢、箔片等材料制作。不锈钢是激光切割来制造模板最常用的材料,经激光束切割后获得的模板开口可以自然形成锥形内壁,有助于焊膏的释放这一特点对于细间距印刷尤为重要。另外,还可以通过电抛光或镀镍的方法使开口内壁更光滑 致。

柔性金属模板是非曲直丝网模板与全金属模板的结合,将蚀刻后的金属模板四周打孔,尺寸范围控制在15-20mm之间,用于小接固定在丝网上,周围用胶带固定。这种制做工艺简单,成本低,能满足中小批量的生产,目前国内外采用这类模板的最多。金属模板四周距铝框架的距离不能太大,保证纤维拉紧超过弹性点,具有一定柔性,一般将距离控制在50-75mm。

3、 印刷机的选择
焊膏印刷机主要执行两大功能,模板与PCB的精确定位及刮刀的参数控制。目前,印刷机发展迅速,大多数采用机器视觉系统对PCB上的基准点的自动定位来完成印刷前的快速调整。MPM公司的Utraprint2000焊膏印刷机采用先进的上下照视及光学技术,为快速准确的定位提供了精巧的闭路反蚀系统,并且有3D高度探测系统以每秒12-14个焊盘的速度精确测量焊膏高度,可印刷的PCB为0.381-12.7mm最小间距0.3mm。适合于生产规模较大,产品要求较高的用户。对于批量较小,品种较多的用户来说,选择半自动/手动印刷机灵活性好,价格比较经济,操作过程简单。

4、 印刷工艺参数的设定
4、1刮刀的类型
不同厂家使用的刮刀类型不同,同时焊膏的差异也会要求使用不同的刮刀。刮刀的类型有三种。
4、2刮刀的调整
a) 刮刀运行角度θ一般为60-65o时焊膏印刷的品质最佳。焊膏的传统印刷方法是刮刀沿模板的X或Y方向以90o角运行,这往往导致于器件在开口不同走向上焊训量的不同。我们经多次印刷试验证明,刮刀以45o的方向进行印刷可明显改善焊膏不同模板开口走向上的失衡现象,同时还可以减少对细间距的模板开口的损坏。
b) 刮刀压力并非只取决于气压缸行程要调整到最佳刮刀压力,还必须注意刮刀平行度。压力一般为30N/mm2。
4、3印刷速度
焊膏在刮刀的推动下会在模板上向前滚动。印刷速度快有利于模板的回弹,但同时会阻碍焊膏向PCB的焊盘上传递,而速度过慢,焊膏在模板上将不会滚动,引起焊盘上所印的焊膏分辨率不良,通常对于细间距的印刷速度范围为25-30mm/s,对于粗间距的印刷速度为25-50mm/s。
4、4印刷方式
目前最普遍的印刷方式分为接触式印刷和非接触式印刷。模板与PCB之间存在间隙的印刷方式为非接触式印刷。一般间隙值为0.5-1.5mm,其优点是适合不同粘度焊膏。焊膏是被刮刀推入模板开孔与PCB焊盘接触,在刮刀慢慢移开之后,模板即会与PCB自动分离,这样可以减少由于真空漏气而造成模板污染的困扰。
模板与PCB之间没有间隙的印刷方式称之为接触式印刷。它要求整体结构的稳定性,适用于印刷高精度的焊膏,模板与PCB保持非常平坦的接触,在印刷守后才与PCB脱离,因而该方式达到的印刷精度,尤适用于细间距、超细间距的焊膏印刷。随着钢板的广泛应用,以及元器件向小而密方向的发展,接触式印刷因其高的印刷精度而普遍采用。
4、5印刷效果 的评定
理想的印刷效果为下图所示状态。
因素印刷结果
刮刀硬度 好 略硬 太硬 软
刮刀速度 好 略快 太快 略慢
印刷压力 好 好 太大 太小


 
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