smt关键工序的工艺控制-中国电子学会2-1印刷、贴装

SMT关键工序的工艺控制,顾霭云,SMT关键工序的工艺控制,1.印刷工艺2.贴装元件工艺3.焊接原理和再流焊工艺,一.施加焊膏工艺,施加焊膏是SMT的关键工序,施加焊膏是保证SMT质量的关键工序。目前一般都采用模板印刷。据资料统计，在PCB设计正确、元器件和印制板质量有保证的前提下，表面组装质量问题中有70%的质量问题出在印刷工艺。,了解印刷原理，提高印刷质量,1. 印刷焊膏的原理,焊膏和贴片胶都是触变流体，具有粘性。当刮刀以一定速度和角度向前移动时，对焊膏产生一定的压力，推动焊膏在刮板前滚动，产生将焊膏注入网孔或漏孔所需的压力，焊膏的粘性摩擦力使焊膏在刮板与网板交接处产生切变，切变力使焊膏的粘性下降，使焊膏顺利地注入网孔或漏孔。,刮板 焊膏模板 PCB a焊膏在刮板前滚动前进 b产生将焊膏注入漏孔的压力 c切变力使焊膏注入漏孔XY F刮刀的推动力F可分解为推动焊膏前进分力X和将焊膏注入漏孔的压力Yd焊膏释放（脱模） 图1-3 焊膏印刷原理示意图,焊膏在刮板前滚动，才能产生将焊膏注入开口的压力刮板 焊膏,印刷时焊膏填充模板开口的情况,脱模,焊膏滚动,2. 影响焊膏脱模质量的因素,(a) 模板开口尺寸：开口面积B与开口壁面积A比0.66时焊膏释放（脱模）顺利。面积比0.66，焊膏释放体积百分比80%面积比0.5，焊膏释放体积百分比 60% (b) 焊膏黏度：焊膏与PCB焊盘之间的粘合力Fs焊膏与开口壁之间的摩擦力Ft时焊膏释放顺利。 (c) 开口壁的形状和光滑度：开口壁光滑、喇叭口向下或垂直时焊膏释放顺利。,图1-4 放大后的焊膏印刷脱模示意图 Ft焊膏与PCB焊盘之间的粘合力：与开口面积、焊膏黏度有关 Fs焊膏与开口壁之间的摩檫阻力：与开口壁面积、光滑度有关 A焊膏与模板开口壁之间的接触面积； B焊膏与PCB焊盘之间的接触面积(开口面积),PCB,开口壁面积A,开口面积B,(a) 垂直开口 (b) 喇叭口向下 (c) 喇叭口向上易脱模 易脱模 脱模差图1-5 模板开口形状示意图,3. 刮刀材料、形状及印刷方式,(a) 刮刀材料橡胶（聚胺酯）刮刀橡胶刮刀有一定的揉性，用于丝网印刷以及模板表面不太平整、例如经过减薄处理（有凹面）或印制板上已经做好倒装片的（模板上加工了凸起保护）模板印刷。橡胶刮刀的硬度： 肖氏（shore）75度 85度。金属刮刀金属刮刀耐磨、使用寿命长（约10万次，是聚胺酯的10倍左右）。用于平整度好的金属模板印刷；适宜各种间距、密度的印刷，特别对窄间距、高密度印刷质量比较高，而且使用寿命长，应用最广泛。,(b) 刮刀形状和结构橡胶刮刀的形状有菱形和拖尾形两种。菱形刮刀是将10mm×10mm的方形聚胺脂夹在支架中间，前后呈45°角。菱形刮刀可采用单刮刀作双向印刷。刮刀在每个行程末端可跳过焊膏。菱形刮刀的焊膏量不易控制，并容易污染刮刀头。拖尾形刮刀一般都采用双刮刀形式。刮刀的角度一般为45° 60°。,RUB MET橡胶刮刀 金属刮刀图2-7 各种不同形状的刮刀示意图,手动刮刀,(d) 印刷方式单向印刷（刮刀只能作一个方向印刷）单向印刷时有一块刮刀是印刷用的，另一块刮刀是作为回料用的；双向印刷双向印刷时两块刮板进行交替往返印刷。,传统的印刷方式都是开放式印刷，焊膏暴露在空气中，在刮刀的推动下在模板表面来回滚动。有单向印刷和双向印刷两种印刷方式。新型的印刷方式随着SMT向高密度、窄间距、无铅焊接的发展，对印刷精度、速度以及印刷质量有了进一步的要求。印刷设备和技术也在不断地改进和发展。出现了各种密封式的印刷技术。最初有英国DEK公司和美国MPM公司推出的刮刀旋转45°以及密封式ProFlow（捷流）导流包印刷技术。最近日本Minami公司和Hitachi公司相继推出了单向旋转和双向密闭型印刷技术，见图2-8。这些新技术适合免清洗、无铅焊接、高密度、高速度印刷的要求。,(a) 传统开放式 (b) 单向旋转式 (c) 固定压入式 (d) 双向密闭型 图2-8 各种不同形式的印刷技术示意图,4. 影响印刷质量的主要因素,a 首先是模板质量模板印刷是接触印刷，因此模板厚度与开口尺寸确定了焊膏的印刷量。焊膏量过多会产生桥接，焊膏量过少会产生焊锡不足或虚焊。模板开口形状以及开口是否光滑也会影响脱模质量。b 其次是焊膏质量焊膏的黏度、印刷性（滚动性、转移性）、触变性、常温下的使用寿命等都会影响印刷质量。c 印刷工艺参数刮刀速度、刮刀压力、刮刀与网板的角度以及焊膏的黏度之间都存在一定的制约关系，因此只有正确控制这些参数，才能保证焊膏的印刷质量。,d 设备精度方面在印刷高密度窄间距产品时，印刷机的印刷精度和重复印刷精度也会起一定的作用。 e 环境温度、湿度、以及环境卫生环境温度过高会降低焊膏黏度，湿度过大时焊膏会吸收空气中的水分，湿度过小时会加速焊膏中溶剂的挥发，环境中灰尘混入焊膏中会使焊点产生针孔。（一般要求环境温度23±3，相对湿度4570%）,从以上分析中可以看出，影响印刷质量的因素非常多，而且印刷焊膏是一种动态工艺。 焊膏的量随时间而变化，如果不能及时添加焊膏的量，会造成焊膏漏印量少，图形不饱满。 焊膏的黏度和质量随时间、环境温度、湿度、环境卫生而变化； 模板底面的清洁程度及开口内壁的状态不断变化；,5. 提高印刷质量的措施,(1)加工合格的模板(2)选择适合工艺要求的焊膏并正确使用焊膏(3)印刷工艺控制,(1)加工合格的模板 模板厚度与开口尺寸基本要求: （IPC7525标准）T W L宽厚比: 开口宽度(W)/模板厚度(T)1.5面积比: 开口面积(W×L)/孔壁面积2×(L+W)×T 0.66,蚀刻钢板：过度蚀刻或蚀刻不足,过度蚀刻 开口变大,蚀刻不足 开口变小,孔壁粗糙影响焊膏释放,窄间距时可采用激光+电抛光工艺,模板开口方向与刮刀移动方向,与刮刀移动方向垂直的模板开口，因刮刀通过的时间短，焊膏难以被填入，常造成焊膏量不足。因此，为了使与刮刀移动方向垂直与平行的模板开口的焊膏量相等，应加大垂直方向的模板开口尺寸。,模板开口长度方向 与刮刀移动方向垂直,模板开口长度方向 与刮刀移动方向平行,平行,垂直,(2)焊膏的选择方法不同的产品要选择不同的焊膏。 （a）根据产品本身的价值和用途，高可靠产品选择高质量的焊膏。 （b）根据PCB和元器件存放时间和表面氧化程度选择焊膏的活性。一般采用RMA级；高可靠性产品选择R级；PCB 、元器件存放时间长，表面严重氧化，应采用RA级，焊后清洗。 （c）根据组装工艺、印制板、元器件的具体情况选择合金组分。一般镀铅锡印制板采用63Sn/37Pb；钯金或钯银厚膜端头和引脚可焊性较差的元器件、要求焊点质量高的印制板采用62Sn/36Pb /2Ag；水金板一般不要选择含银的焊膏；(金与焊料中的锡形成金锡间共价化合物AuSn4，焊料中金的含量超过3%会使焊点变脆，用于焊接的金层厚度1µm。),（d）根据产品对清洁度的要求来选择是否采用免清洗。免清洗工艺要选用不含卤素或其它强腐蚀性化合物的焊膏；高可靠、航天、军工、仪器仪表以及涉及生命安全的医用器材要采用水清洗或溶剂清洗的焊膏，焊后必须清洗干净。 （e）BGA和CSP一般都需要采用高质量的免清洗焊膏； （f）焊接热敏元件时，应选用含铋的低熔点焊膏。,（g）根据PCB的组装密度（有无窄间距）来选择合金粉末颗粒度。常用焊膏的合金粉末颗粒尺寸分为四种粒度等级，窄间距时一般选择2045m。 SMD引脚间距和焊料颗粒的关系,焊膏的合金粉末颗粒尺寸与印刷性的关系,焊膏的合金粉末颗粒尺寸直接影响填充性和脱膜性细小颗粒的焊膏印刷性比较好，特别对于高密度、窄间距的产品，由于模板开口尺寸小，必须采用小颗粒合金粉末，否则会影响印刷性和脱摸性。 小颗粒合金粉的优点：印刷性好，印刷图形的清晰度高。缺点：易塌边，表面积大，易被氧化。,合金粉末颗粒直径选择原则,a 焊料颗粒最大直径模板最小开口宽度的1/5； b 圆形开口时，焊料颗粒最大直径开口直径的1/8。长方形 圆形开口 c 模板开口厚度（垂直）方向，最大颗粒数应3个。焊膏 焊盘 PCB,（h）合金粉末的形状也会影响焊膏的印刷性和脱膜性球形颗粒的特点：焊膏粘度较低，印刷性好。球形颗粒的表面积小，含氧量低，有利于提高焊接质量，但印刷后焊膏图形容易塌落。适用于高密度窄间距的模板印刷，滴涂工艺。目前一般都采用球形颗粒。不定形颗粒的特点：合金粉末组成的焊膏粘度高，印刷后焊膏图形不易塌落，但印刷性较差。不定形颗粒的表面积大，含氧量高，影响焊接质量和焊点亮度。只适用于组装密度较低的场合。因此目前一般都不采用不定形颗粒。可用于穿心电容等较大焊接点场合。,（i）根据施加焊膏的工艺以及组装密度选择焊膏的黏度 例如模板印刷工艺应选择高黏度焊膏、点胶工艺选择低黏度焊膏，高密度印刷要求高黏度。焊膏粘度,粘度焊膏是一种触变性流体，在外力的作用下能产生流动。粘度是焊膏的主要特性指标，它是影响印刷性能的重要因素：粘度太大，焊膏不易穿出模板的漏孔，印出的图形残缺不全。粘度太小，印刷后焊膏图形容易塌边。影响焊膏粘度的主要因素： 合金焊料粉的百分含量：（合金含量高，粘度就大；焊剂百分含量高，粘度就小。 ） 粉末颗粒度（颗粒大，粘度减小；颗粒减小，粘度增加） 温度（温度增加，粘度减小；温度降低，粘度增加）,(a) 合金焊料粉含量与黏度的关系 (b) 温度对黏度的影响 (c) 合金粉末粒度对黏度的影响, 粘 度, 粘 度, 粘 度,合金粉末含量（wt%）,T（） 粒度（m）,(a) (b) (c),触变指数和塌落度焊膏是触变性流体，焊膏的塌落度主要与焊膏的粘度和触变性有关。触变指数高，塌落度小；触变指数低，塌落度大。影响触变指数和塌落度主要因素：合金焊料与焊剂的配比，即合金粉末在焊膏中的重量百分含量；焊剂载体中的触变剂性能和添加量；颗粒形状、尺寸。,工作寿命和储存期限工作寿命是指在室温下连续印刷时，焊膏的粘度随时间变化小，焊膏不易干燥，印刷性（滚动性）稳定；同时焊膏从被涂敷到PCB上后到贴装元器件之前保持粘结性能；再流焊不失效。一般要求在常温下放置1224小时，至少4小时，其性能保持不变。储存期限是指在规定的保存条件下，焊膏从生产日期到使用前性能不严重降低，能不失效的正常使用之前的保存期限，一般规定在210下保存一年，至少36个月。,(2) 焊膏的正确使用与管理 a) 必须储存在510的条件下； b) 要求使用前一天从冰箱取出焊膏（至少提前2小时），待焊膏达到室温后才能打开容器盖，防止水汽凝结； c) 使用前用不锈钢搅拌棒将焊膏搅拌均匀，搅拌棒一定要清洁； d) 添加完焊膏后，应盖好容器盖； e) 免清洗焊膏不能使用回收的焊膏，如果印刷间隔超过1小时，须将焊膏从模板上拭去。将焊膏回收到当天使用的容器中； f) 印刷后尽量在4小时内完成再流焊。 g) 免清洗焊膏修板后不能用酒精檫洗； h) 需要清洗的产品，再流焊后应当天完成清洗； i) 印刷操作时，要求拿PCB的边缘或带手套，以防污染PCB。 j) 回收的焊膏与新焊膏要分别存放,