浅谈SMT工艺中影响锡膏印刷质量的主要原因

时间:

2019-04-11

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表面贴装技术(SMT)主要包括:锡膏印刷、精确贴片、回流焊接。  
其中锡膏印刷质量对表面贴装产品的质量影响很大,据业内评测分析约有60%的返修电路板是因锡膏印刷不良引起的。在锡膏印刷中,有三个重要部分:焊膏、钢网模板和印刷设备,如果正确选择,可以获得良好的印刷效果,浅谈如下:一、焊膏
锡膏是将焊料粉末与具有助焊功能的糊状助焊剂(松香、稀释剂、稳定剂等)混合而成的一种浆料。锡膏具有粘性,在印刷时,受到刮刀的推力作用,其粘度下降,当到达网板开口孔时,粘度达到最低,故能顺利通过模板孔沉降到PCB的焊盘上。随着外力的停止,锡膏的粘度又迅速回升,这样就不会出现印刷成型的塌落和漫流,得到良好的印刷效果。
粘度是锡膏的一个重要特征。动态方面,在印刷行程中,其粘性越低对流动性越好,易于流入钢网孔内;静态方面,印刷后,锡膏停留在钢网孔内,其粘度高,则保持其填充的形状,而不会往下塌陷。

影响锡膏粘度的因素:
1.  锡膏合金粉末含量对粘度的影响——锡膏中合金粉末的增加引起粘度的增加;
2.  锡膏合金粉末颗粒大小对粘度的影响——颗粒度增大时粘度会降低;
Ø  细小颗粒的锡膏印刷性比较好,特别对高密度、窄间距的产品,由于钢网开口尺寸小,必须采取小颗粒合金粉末,否则会影响印刷脱模。
Ø  小颗粒合金粉末的优点:印刷性好,印刷图形的清晰度高。
Ø  小颗粒合金粉末的缺点:易塌边、表面面积大的易被氧化。

SMT元器件引脚间距和焊料颗粒的关系

引脚间距(mm)

0.8以上

0.65

0.5

0.4

颗粒直径(um)

75以下

60以下

50以下

40以下

3.  温度对锡膏粘度的影响:温度升高,粘度下降,印刷的最佳环境温度为23±3℃;
4.  剪切速率对锡膏粘度的影响:剪切速率增加粘度下降。


锡膏的有效期限及保存与使用环境:
Ø  一般锡膏在未开盖状态下,0-10℃条件下可以保存6个月,开封后要尽快使用完;
Ø  锡膏的使用环境是:要求SMT室的温度为20-26℃,湿度为40-60%;
Ø  未开盖锡膏,在环境温度湿度条件下保存时间≤48小时;
Ø  开盖后锡膏,在环境温度湿度条件下的放置时间≤18小时;
Ø  在钢网上的使用时间≤12小时;
Ø  印刷后锡膏在线上停留时间≤2小时;
Ø  开罐后至回流焊前的时间≤18小时。


锡膏造成的缺陷:
1.    未浸焊
Ø  助焊剂活性不好;
Ø  金属颗粒被氧化得很厉害;
2.    印刷中没有滚动
Ø  流动不合适,例如:粘度、触变性指数不适宜;
Ø  黏性不合适;
3.    桥接
Ø  焊膏塌陷;
4.    焊锡不足
Ø  由于合金粉末颗粒较大,不正确的形状或不可印刷性,焊膏堵塞模板孔;
5.    锡球
Ø  焊膏塌陷;
Ø  在回流焊中溶剂溅出;
Ø  金属颗粒氧化。
二、钢网模板
钢网的主要功能是将锡膏准确涂敷在PCB上所需要涂锡膏的焊盘。在焊膏印刷工艺中钢网模板的加工质量直接影响焊膏的印刷质量,模板厚度与开口尺寸决定了焊膏的印刷量,而不锈钢激光模板均需要通过外协加工制作。因此,在外协加工前必须做好模板厚度和设计开口尺寸等参数的确认,以确保焊膏的印刷质量。
通常在一块PCB上既有1.27mm以上间距的元器件,也有窄间距元器件,1.27mm以上间距的元器件需要不锈钢板0.2mm厚,窄间距的元器件需要不锈钢板0.15-0.10mm厚,这时可根据PCB上多数元器件的情况决定不锈钢钢板厚度,然后通过对个别元器件焊盘开口尺寸的扩大或缩小进行调整焊膏的漏印量。
如果在同一块PCB上元器件要求焊膏量悬殊比较大时,可以对窄间距元器件处的模板进行局部减薄处理,但减薄工艺的加工成本高一些。因此,可以采用折中的方法,不锈钢板厚度可取中间值,例如:同一块PCB上有的元器件要求0.20mm厚,另一些元器件要求0.15-0.12mm厚,此时不锈钢板厚可选择0.18mm。开口尺寸对一般元器件可以按1:1,对要求焊膏量多的大Chip元件以及PLCC的开口面积应扩大10%。对于引脚间距为0.5mm 、0.65mm的QFP等器件,其开口面积应缩小10%。
适当的开口形状可以改善贴装效果,例如:当Chip元件尺寸小于1005、0603时,由于两个焊盘之间的距离很小,贴片时两端焊盘上的锡膏在元件底部很容易粘连,回流焊后很容易产生元器件底部的桥接和焊珠。因此,加工模板时可将一对矩形焊盘(图1)开口的内侧修改成尖角形或弓形(如图2,Chip元件开口形状),减少元件底部的焊膏量,这样可以改善贴片时元件底部的焊膏粘连。

  


三、印刷设备
印刷机是将锡膏印刷到PCB板上的设备,它是对工艺和质量影响最大的设备。
目前,印刷机主要分为:手动印刷机、半自动印刷机和全自动印刷机。
Ø  半自动印刷机:操作简单,印刷速度快,结构简单,缺点是:印刷工艺参数可控点较少,印刷对中精度不高,锡膏脱模差,一般适用于0603以上元件、引脚间距大于1.27mm的PCB印刷工艺。
Ø  全自动印刷机:印刷对中精度高,锡膏脱模效果好,印刷工艺较稳定,适用于密器件窄间距元件的印刷;缺点是:维修成本高,对作业员的知识水平要求较高。


四、SMT印刷工艺参数

1.  图形对准
工作台上的基板与钢网进行对准定位,使基板焊盘图形与钢网开孔图形完全重合。

2.  刮刀与钢网的角度
刮刀与钢网的角度越小,向下的压力越大,容易将锡膏注入网孔中,但也容易使锡膏被挤压到钢网的底面,造成锡膏粘连。一般刮刀与钢网的夹角为45-60o。目前,自动和半自动印刷机大多采用60o。


3.  锡膏的投入量
过少地投入锡膏量,易造成填充不良、漏印少印;过多地投入锡膏,易造成锡膏无法形成滚动运动,锡膏无法刮干净,造成印刷脱模不良;且过多的锡膏长时间暴露在空气中对锡膏质量不宜,锡膏的投入量以∮h=13-23较合适(见图3)。

  



在生产中,作业员每半小时检查一次钢网上的锡膏条的高度,每半小时将网板上超出刮刀长度外的锡膏用电木刮刀移到网板的前端并均匀分布锡膏。

1.  刮刀压力

刮刀压力也是影响印刷质量的重要因素。刮刀压力实际是指刮刀下降的深度,压力太小,刮刀没有贴紧钢网表面,另外压力过小会使钢网表面残留一层锡膏,容易造成印刷成型粘结等印刷缺陷。


2.  印刷速度

由于刮刀速度与锡膏的粘稠度呈反比关系,PCB有窄间距,高密度图形时,速度要慢一些。如果速度过快,刮刀经过钢网开孔的时间就相对太短,锡膏不能充分渗入开孔中,容易造成锡膏成型不饱满或漏印等印刷缺陷。

印刷速度和刮刀压力存在一定关系,理想的刮刀速度与压力应该是正好把锡膏从钢网表面刮干净。


3.  印刷间隙

印刷间隙是钢网与PCB之间的距离,关系到印刷后锡膏在PCB上的留存量。


4.  钢网与PCB分离速度

锡膏印刷后,钢网离开PCB的瞬间速度即为分离速度,它关系到印刷质量的参数。在窄间距,高密度印刷中最为重要。先进的印刷设备,其钢网离开锡膏图形时有1个或多个微小的停留过程,即多级脱模,这样可以保证获取最佳的印刷成型。


5. 清洗模式和清洗频率

钢网污染主要是由于锡膏从开孔边缘溢出造成的,如果不及时清洗,会污染PCB表面,钢网开孔四周的残留锡膏会变硬,严重时还会堵塞钢网开孔。

清洗钢网底部也是保证印刷质量的因素,应根据锡膏、钢网材料、厚度及开孔大小等情况确定清洗模式和清洗频率。


五、影响锡膏印刷质量的主要因素

1. 首先是钢网质量:钢网厚度与开口尺寸确定了锡膏的印刷质量。锡膏量过多会产生桥接,锡膏量过少会产生锡膏不足或虚焊。钢网开口形状及开孔壁是否光滑也是影响脱模质量。

2. 其次是锡膏质量:锡膏的粘度、印刷的滚动性、常温下的使用寿命等都会影响印刷质量。

3. 印刷工艺参数:刮刀速度、压力,刮刀与网板的角度以及锡膏的粘度之间存在的一定制约关系。因此,只有正确控制这些参数,才能保证锡膏的印刷质量。

4. 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影响。

5. 环境温度、湿度、以及环境卫生:环境温度过高会降低锡膏的粘度,湿度过大时锡膏会吸收空气中的水分,湿度过小时会加速锡膏中溶剂的挥发,环境中灰尘混入锡膏中会使焊点产生针孔等缺陷。

从以上介绍中可以看出,影响印刷质量的因素非常多,而且印刷锡膏是一种动态工艺。因此,建立一套完整的印刷工艺管制文件是非常必要的,选择正确的锡膏、钢网,并结合最合适的印刷机参数设定,能使整个印刷工艺过程更稳定、可控、标准化。


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