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1、电子产品生产工艺与管理大作业 -锡膏印刷技术 班 级： 电艺3091班 姓 名： 赵 剑 学 号： 38 代课老师： 任 红 星 日 期： 年 月 日锡膏印刷工艺一、模板设计和印刷工艺过程在表面贴装装配的回流焊接中，锡膏用于表面贴装组件的引脚或端子与焊盘之间的连接。有许多变量，如锡膏、丝印机、锡膏应用方法和印刷工艺过程。在印刷锡膏的过程中，基板放在工作台上，机械地或真空夹紧定位，用定位销或视觉来对准。或者丝网(screen)或者范本(stencil)用于锡膏印刷。本文将着重讨论几个关键的锡膏印刷问题，如模板设计和印刷工艺过程。印刷工艺过程与设备在锡膏印刷过程中，印刷机是达到所希望的印刷质量的关
2、键。今天可购买到的丝印机分为两种主要类型：实验室与生产。每个类型有进一步的分类，因为每个公司希望从实验室与生产类型的印刷机得到不同的性能水平。例如，一个公司的研究与开发部门(R&D)使用实验室类型制作产品原型，而生产则会用另一种类型。还有，生产要求可能变化很大，取决于产量。因为激光切割设备是不可能分类的，最好是选择与所希望的应用相适应的丝印机。在手工或半自动印刷机中，锡膏是手工地放在范本/丝网上，这时印刷刮板(squeegee)处于范本的另一端。在自动印刷机中，锡膏是自动分配的。在印刷过程中，印刷刮板向下压在模板上，使模板底面接触到电路板顶面。当刮板走过所腐蚀的整个图形区域长度时，锡膏通过范本
3、/丝网上的开孔印刷到焊盘上。在锡膏已经沉积之后，丝网在刮板之后马上脱开(snap off)，回到原地。这个间隔或脱开距离是设备设计所定的，大约0.0200.040。脱开距离与刮板压力是两个达到良好印刷质量的与设备有关的重要变量。如果没有脱开，这个过程叫接触(on-contact)印刷。当使用全金属模板和刮刀时，使用接触印刷。非接触(off-contact)印刷用于柔性的金属丝网。刮板(squeegee)类型刮板的磨损、压力和硬度决定印刷质量，应该仔细监测。对可接受的印刷质量，刮板边缘应该锋利和直线。刮板压力低造成遗漏和粗糙的边缘，而刮板压力高或很软的刮板将引起斑点状的(smeared)印刷，甚
4、至可能损坏刮板和范本或丝网。过高的压力也倾向于从宽的开孔中挖出锡膏，引起焊锡圆角不够。 常见有两种刮板类型：橡胶或聚氨酯(polyurethane)刮板和金属刮板。当使用橡胶刮板时，使用70-90橡胶硬度计(durometer)硬度的刮板。当使用过高的压力时，渗入到模板底部的锡膏可能造成锡桥，要求频繁的底部抹擦。为了防止底部渗透，焊盘开口在印刷时必须提供密封(gasketing)作用。这取决于范本开孔壁的粗糙度。金属刮刀也是常用的。随着更密间距组件的使用，金属刮刀的用量在增加。它们由不锈钢或黄铜制成，具有平的刀片形状，使用的印刷角度为3045。一些刮刀涂有润滑材料。因为使用较低的压力，它们不会
5、从开孔中挖出锡膏，还因为是金属的，它们不象橡胶刮板那样容易磨损，因此不需要锋利。它们比橡胶刮板成本贵得多，并可能引起范本磨损。使用不同的刮板类型在使用标准组件和密脚组件的印刷电路装配(PCA)中是有区分的。锡膏量的要求对每一种组件有很大的不同。密间距组件要求比标准表面贴装组件少得多的焊锡量。焊盘面积和厚度控制锡膏量。一些工程师使用双厚度的模板来对密脚组件和标准表面贴装焊盘施用适当的锡膏数量。其它工程师采用一种不同的方法 - 他们使用不需要经常锋利的更经济的金属刮刀。用金属刮刀更容易防止锡膏沉积量的变化，但这种方法要求改良的模板开孔设计来防止在密间距焊盘上过多的锡膏沉积。这个方法在工业上变得更受
6、欢迎，但是，使用双厚度印刷的橡胶刮板也还没有消失。模板(stencil)类型重要的印刷质量变量包括模板孔壁的精度和光洁度。保存范本宽度与厚度的适当的纵横比(aspect ratio)是重要的。推荐的纵横比为1.5。这对防止范本阻塞是重要。一般，如果纵横比小于1.5，锡膏会保留在开孔内。除了纵横比之外，如IPC-7525模板设计指南所推荐的，还要有大于0.66的面积比(焊盘面积除以孔壁面积)。IPC-7525可作为模板设计的一个良好开端。制作开孔的工艺程控开孔壁的光洁度和精度。有三种常见的制作范本的工艺：化学腐蚀、激光切割和加成(additive)工艺。化学腐蚀(chemically etche
7、d)模板金属模板和柔性金属模板是使用两个阳性图形通过从两面的化学研磨来蚀刻的。在这个过程中，蚀刻不仅在所希望的垂直方向进行，而且在横向也有。这叫做底切(undercutting) - 开孔比希望的较大，造成额外的焊锡沉积。因为50/50从两面进行蚀刻，其结果是几乎直线的孔壁，在中间有微微沙漏形的收窄。因为电蚀刻范本孔壁可能不平滑，电抛光，一个微蚀刻工艺，是达到平滑孔壁的一个方法。另一个达到较平滑孔壁的方法是镀镍层(nickel plating)。抛光或平滑的表面对锡膏的释放是好的，但可能引起锡膏越过范本表面而不在刮板前滚动。这个问题可通过选择性地抛光孔壁而不是整个范本表面来避免。镀镍进一步改善
8、平滑度和印刷性能。可是，它减小了开孔，要求图形调整激光切割(laser-cut)范本激光切割是另一种减去(subtractive)工艺，但它没有底切问题。模板直接从Gerber数据制作，因此开孔精度得到改善。数据可按需要调整以改变尺寸。更好的程控也会改善开孔精度。激光切割范本的另一个优点是孔壁可成锥形。化学蚀刻的模板也可以成锥形，如果只从一面腐蚀，但是开孔尺寸可能太大。板面的开口稍微比刮板面的大一点的锥形开孔(0.0010.002，产生大约2的角度)，对锡膏释放更容易。激光切割可以制作出小至0.004的开孔宽度，精度达到0.0005，因此很适合于超密间距(ultra-fine-pitch)的组
9、件印刷。激光切割的范本也会产生粗糙的边缘，因为在切割期间汽化的金属变成金属渣。这可能引起锡膏阻塞。更平滑的孔壁可通过微蚀刻来产生。激光切割的模板如果没有预先对需要较薄的区域进行化学腐蚀，就不能制成台阶式多级范本。激光一个一个地切割每一个开孔，因此模板成本是要切割的开孔数量而定。电铸成型(electroformed)范本制作范本的第三种工艺是一种加成工艺，最普遍地叫做电铸成型。在这个工艺中，镍沉积在铜质的阴极心上以形成开孔。一种光敏干胶片迭层在铜箔上(大约0.25厚度)。胶片用紫外光通过有模板图案的遮光膜进行聚合。经过显影后，在铜质心上产生阴极图案，只有模板开孔保持用光刻胶(photoresis
10、t)覆盖。然后在光刻胶的周围通过镀镍形成了范本。在达到所希望的范本厚度后，把光刻胶从开孔除掉。电铸成型的镍箔通过弯曲从铜心上分开 - 一个关键的工艺步骤。现在箔片准备好装框，制作范本的其它步骤。电铸成型台阶式模板可以做得到，但成本增加。由于可达到精密的公差，电铸成型的范本提供良好的密封作用，减少了范本底面的锡膏渗漏。这意味着模板底面擦拭的频率显著地降低，减少潜在的锡桥。结论化学腐蚀和激光切割是制作范本的减去工艺。化学蚀刻工艺是最老的、使用最广的。激光切割相对较新，而电铸成型范本是最新时兴的东西。为了达到良好的印刷结果，必须有正确的锡膏材料(黏度、金属含量、最大粉末尺寸和尽可能最低的助焊剂活性)
11、、正确的工具(印刷机、范本和刮刀)和正确的工艺过程(良好的定位、清洁拭擦)的结合。二、印刷工艺的相关内容 工艺优化 范本印刷工艺优化的一个方法是，当发生焊膏应用问题时及时地进行改正。假设在线检测不是被设计用来检查每一块板子上的每一个焊盘的情况下，必需有一些方法来决定怎样编排检查系统从而得以利用关键器件和区域作为数据模型来使用。这些检查模型将被移植到在任一特定生产中被加工的所有板上的所有器件上。对于了解如何开发一个最佳的数据模型来说，必须明白怎样检查一个装配组件，来找到适合这些分类方式的器件类型。充分理解在检查软件中可采用的一些工具的灵活性也是很重要的，这样针对任何独立的丝网印刷应用，可决定怎样
12、以最有效的方式来应用这些数据模型。焊膏印刷 在印刷速度、压力和焊膏类型之间存在着内在关系，而且必须保持这种关系才能获得可接受的印刷效果。有一些焊膏的印刷速度必须要快一些，而另一些必须要慢一些，才能得到较好的印刷效果。如果刮刀扫过范本时过轻，在网板上留下一层薄的焊膏或助焊剂，应该加大压力来刮干净网板的表面，但是压力增大的上限是必须保证焊膏的滚动要求，因为印刷过程中焊膏的滚动是一个获得良好印刷效果的标志之一。印刷速度太快会导致开孔的不完全填充，尤其是在焊盘迎向刮刀运动方向的一侧。过轻地扫过范本会导致极端的拉尖和覆盖不完整，这是因为焊膏没有完全地从开孔中被释放出来。网板上的焊膏 有一个问题常常会被提
13、到，那就是刮刀刮过后，网板上会残留下焊膏。通常有两种原因，首先，虽然你也许是用了正确的压力，但刮刀下止点或者刮刀压入网板的距离，还是太小。另一个焊膏残留在网板上的原因，有可能是在基板下面缺少适当的支撑顶针。伴随着不充分的支撑，基板会在刮刀的压力下产生下陷，这样就使得刀刃的角度不能够将网板上的焊膏刮干净。不充分的基板支撑使得基板下陷，还会导致刮刀施加到基板上的压力发生偏差。通孔器件 焊膏印刷也可以被使用在通孔器件上。对于这种类型的板的装配，焊膏印刷已经成为一个可接受的工艺了。针对通孔组件的这种用焊膏来填充PCB过孔的工艺，通常被称为“intrusive soldering”或“pin-in-pa
14、ste printing”。网板的开孔设计必需适当，以得到正确的焊膏量来填充过孔，从而保证有可靠的焊点。通常情况下，焊膏会有50%的收缩量，所以第一步要计算所需的焊膏量。需要计算填满整个通孔所需焊膏的体积再减去引脚体积的值。实际需要的焊膏体积应该是固化后所需焊料体积的两倍，开孔的大小可通过网板的厚度以及通孔焊盘周围可利用的面积来计算获得。焊膏可采用加大印刷面积的方式印刷，在回流焊时，焊锡会被拉回到可焊接的表面。橡胶刮刀 操作员因该知道有不同种类的橡胶刮刀硬度，并且还要知道什么时候该使用它们。 对于丝网印刷和模板印刷可以有几种不同硬度的刮刀选择。通常情况下，当采用丝网印刷时，应该使用硬度在60-
15、80 shore A的聚亚安酯刮刀。当使用较软的材料时，丝网的网孔应该要避免刮刀将胶层从基层上挖走。而硬度在90-110shore A的刮刀通常用在范本印刷上。但是，当在模板上使用聚亚安酯刮刀时，在大开孔上的抠挖现象会成为一个问题，因此，金属刮刀是模板印刷的首选。对于只有细开孔或台阶式模板，使用聚亚安酯的刮刀会得到更一致的印刷效果并且也可减少模板的磨损。台阶式模板是指，模板某些区域平缓过渡或阶梯下降到一个比网板其它部分要薄的这种范本。这种类型的模板常常用于大多数都是大开孔而只有一两个细间距引脚器件的板子。拖曳片式刮刀 在没有压力施加的情况下，拖曳片式金属刮刀的接触角度是60度，橡胶刮刀的接触角度是50度。使用MPM的平衡控制可编程印刷头（“Prohead”），接触角可以在正常值正负5度的范围内调整。施加在刮刀上的压力必需足够，以在范本的上表面提供一个干净的刮擦结果，但也不能太大，否则会对网板造成压痕并引起过早的失效。压痕是当过多的压力被施加在范本超过基板边缘时，在范本底部所造成的永久性的板边缘压痕的现象。下止点和间隙式印刷下止点这个术语常常用在模板印刷工艺中，并且操作员也应该熟悉这个词。
