SMT表面组装技术SMT丝印技术.docx

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不能通过测试而须要返工的 有60%是由于锡膏（solderpaste）丝印质量差而造成的本文将讨 论丝印（scree nprintin g）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 :Solderpaste（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（res in）的结合物，松香的功能是在回流 （reflowi ng）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(wetti ng)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：75~53 m3 型：53~38 m4 型：38~25 m(二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()来度量，而丝印模 板厚度的工业标准是美国的专用单位thou!(1 m = 1x10-3mm,1thou = 1x10-3i nches,25 m 1tho u.)锡膏类型3x最大的锡珠尺寸最接近的模板厚度2 型:75~533x75 =225 =9. Othou9thou3 型:53~383x53 =159 =6.4thou6thou4 型:38~253x38 =114 =4.6thou4thou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16thou8thou2 型:75~5312thou6thou3 型:53~388thou4thou4 型:38~25因此，丝印模板的厚度通常是决定因素，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、通常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， 并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(silkscree npri ntin g)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(fin epitch)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（2~3pm）才可以很流畅地通过丝网为 了使锡珠通过丝网，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，通常约十层以封住网孔，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，丝印时锡膏可以通过这 些孔来印刷。

丝印刮板（squeegee）是利用泵作用原理将锡膏压挤通过丝网，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，不可以用于小于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，因为锡膏可以很容易流过开孔 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，而软的焊盘区域可以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通常是十分之一，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）但是，由于丝印模板很薄，所以通常这不是问题激光刻制模板另一个技术是使用电月脑控制的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，结果通常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，并且使得 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），通过负趋光性模版（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），并可以象一张纸一样撕下，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，可以作成 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10mmx10mm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40mm刮板是暴露的，而锡膏只向上走15~20mm，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:60~65shoreverysoft红色70~75shoresoft绿色80~85shorehard蓝色90+shoreveryhard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 （70~75shore，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（60~65shore,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：80~85shore，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 50mm的刮板长度上施加1kg压力，例如300mm的刮板施加 6kg 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 1kg 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1~2kg的可接受范围都可以到达好的丝印效金属刮板 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40mm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：4~15kg）都可得到好的丝印效果6thou的模板决定了丝印厚度也是6thou，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。