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1、SMT絲印是科學, 不是藝術 在一塊典型的PCB(印刷電路板)上 ，可能有幾百個元件，600到1,000個聯接點(即焊盤pad)。因此這些端點的焊接不合格率必須維持在一個最小值。一般來說，PCB不能通過測試而須要返工的有60%是由於錫膏(solder paste)絲印質量差而造成的。本文將討論絲印(screen printing)的基本要素，並探討生産中持續的完美絲印品質所需的技術。 在錫膏絲印中有三個關鍵的要素，這裏叫做三個S：Solder paste(錫膏)，Stencils(絲印模板)，和Squeegees(絲印刮刀)。三個要素的正確結合是持續的絲印品質的關鍵所在。 錫膏(第一個S) 錫
2、膏是錫珠和松香(resin)的結合物，松香的功能是在回流(reflowing)焊爐的第一階段，除去元件引腳、焊盤和錫珠上的氧化 物，這個階段在150 C持續大約三分鐘。(resin有時叫做rosin,嚴格地說，resin是天然産品，而rosin是人造産品。)焊錫是鉛、錫和銀的合金，在回流焊爐的第二階段，大約220 C時回流。銀和松香都起幫助熔化焊錫和濕潤(wetting)以達到回流的作用，即助焊劑的作用。(濕潤wetting：是焊接效果的描述詞，被焊物好象被錫所浸“濕”。) 球狀的焊錫顆粒製造成各種混合尺寸，然後篩選、分級，錫膏是按照錫珠的大小來分級的，如下： 2型：7553mm3型：5338
3、mm4型：3825mm(m = micron = 0.001mm ) 三球定律 三球定律給生産提供了一個選擇絲印模板的簡單公式，錫膏中錫珠的大小必須與絲印模板相匹配，如下所述： 經驗公式： 至少有三個最大直徑的錫珠能垂直地排在絲印模板的厚度方向上。 至少有三個最大直徑的錫珠能水平地排在絲印模板的最小孔的寬度方向上。 如圖中所示爲絲印模板及錫珠的截面圖： 計算略爲複雜，因爲錫珠是用米制micron(m)來度量，而絲印模板厚度的工業標準是美國的專用單位thou! (1mm=1x10-3mm,1thou=1x10-3inches,25mm?1thou.) 錫膏類型 3x最大的錫珠尺寸 最接近的模板厚
4、度 2型：7553m 3x75m=225m=9.0thou 9 thou 3型：5338m 3x53m=159m=6.4thou 6 thou 4型：3825m 3x38m=114m=4.6thou 4 thou 絲印孔的尺寸是由元件引腳間隔(pitch)決定的，焊盤的尺寸一般是引腳間隔的一半。(絲印孔的尺寸實際上可能比焊盤(pad)尺寸小一點)，例如，25thou(0.63mm)的間隔，絲印孔爲12.5thou。因此錫膏的選用必須滿足絲印模板上最小的絲印孔： 元件最小引腳間隔 最小絲印孔 合適的錫膏類型 16 thou 8 thou 2型：7553m 12 thou 6 thou 3型：53
5、38m 8 thou 4 thou 4型：3825m 因此，絲印模板的厚度通常是決定因素，大多數應用是選擇標準的6thou厚的絲印模板，3型的錫膏。 粘 度 粘度是錫膏的一個重要特性，從動態方面來說，在絲印行程中，其粘性越低，則流動性越好，易於流入絲印孔內，印到PCB的焊盤上。從靜態方面考慮，絲印刮過後，錫膏停留在絲印孔內，其粘性高，則保持其填充的形狀，而不會往下塌陷，這一點對於等待貼片前絲印在焊盤上的錫膏更爲重要。 錫膏在其容器罐內的粘度是使用一種精巧的、通常很昂貴的實驗室粘度計測量而得的。標準的粘度是在大約500kcps1200kcps範圍內，較爲典型的800kcps用於模板絲印是理想的。
6、判斷錫膏是否具有正確的粘度有一種更爲實際和經濟的方法，如下： 用刮勺在容器罐內攪拌錫膏約30秒鐘，然後挑起一些錫膏，高出容器罐三、四英寸，讓錫膏自行往下滴，開始時應該象稠的糖漿一樣滑落而下，然後分段斷裂落下到容器罐內。如果錫膏不能滑落，則太稠，如果一直落下而沒有斷裂，則太稀，粘度太低。 絲印模板 (第二個 S) 歷史上，使用一種厚的乳膠絲網，它有別于絲印模板，現在只有少數錫膏絲印機使用。金屬模板比乳膠絲網普遍得多，優越得多，並且也不會太貴。下圖給出了一個價格比較的概念： 厚乳膠絲網 錫膏印刷技術源自于完善建立的工業絲印(silk screen printing)行業，因此術語“絲印”被源用到這
7、種要求較稠沈澱物的錫膏印刷。厚乳膠絲網原本比金屬模板經濟得多，但使用壽命不長，而且用於密腳(fine pitch)也不實際。 製造過程如下： 在框架上張布一張尼龍、聚酯纖維或不銹鋼的絲網。不銹鋼絲是最好的，因爲其剛性。工業絲印用的網很細密，大約每英寸400絲，這樣細小的油墨粒子(23m)才可以很流暢地通過絲網。爲了使錫珠通過絲網，建議採用一種粗糙得多的絲網，大約每英寸80絲。 絲網上塗蓋光敏乳膠，通常約十層以封住網孔，形成一層典型的8thou的厚度。將正趨光性(黑色焊盤)透明玻璃放在上面，然後用很強的紫外光來曝光(如：2kw，幾秒鐘)。曝光區域變硬，軟的地方沒曝光，可被洗掉而留下網孔。因此，絲
8、印時錫膏可以通過這些孔來印刷。 絲印刮刀(squeegee)是利用泵作用原理將錫膏壓擠通過絲網，因此要使用一種軟的橡膠刮刀(見刮刀部分)。絲印時絲網與PCB之間留有13mm的間隙，刮刀將絲網壓低和PCB接觸，隨後“撕開”。這種作用是必要的，否則，錫膏會滯留在絲網上而不是在PCB的焊盤上。 厚乳膠絲網的應用，其局限性主要是由於開孔上有絲網的阻礙，得到的絲印沈澱物有限，不可以用於小於30thou的密間隔。 金屬模板 金屬模板現在在大多數的錫膏絲印機上使用。其組成是薄金屬板上開有小孔，錫膏從中印出，解決了前面網印的沈澱物無規律的問題。不要求絲印刮刀有泵作用，因爲錫膏可以很容易流過開孔。也不要求模板與
9、PCB之間有間隙。 有三種製造金屬模板的方法：化學、鐳射和電蝕。 化學腐蝕 現時絲印模板主要是這種方法製造的，過程如下： 取薄銅板，或更普遍的不銹鋼板，在兩面塗蓋光敏耐酸物，正趨光性(黑色焊盤)模版分別疊放在兩面，用強力紫外光曝光。曝光區域變硬，而軟的焊盤區域可以被沖洗掉。然後將板放入酸中洗浴，從兩面腐蝕掉所希望孔。 金屬板兩邊的正趨光性模版的相互定位是關鍵性的，特別是密引腳間隔的元件。如果模版定位不好，孔會形成斜坡，造成絲印不好，出現這種情況的機會通常是十分之一，但在過去幾年中，該問題很 大成度上被解決了，因爲改進的CAD資料和製造技術使失誤率下降到大約五十分之一。成功的技術將使得模版如同一
10、個信封，將空板放入，可達到220micron的精度。 孔壁不能達到太平整，因爲酸是逐步腐蝕到孔內，但也會往板的橫向腐蝕。形成一個“8”字形截面。(下圖爲放大圖) 但是，由於絲印模板很薄，所以通常這不是問題。 鐳射刻制模板 另一個技術是使用電腦控制的CO2 或YAG鐳射從板的一面切割出絲孔，可能要花去大約半個小時來刻制一塊模板，開孔區越大，時間就越多，費用也越高。鐳射機大約成本爲400,000 美元，因此鐳射使用時間昂貴，結果通常一塊模板費用是化學腐蝕的三倍。 該系統很精密，但除了成本貴外，還有一個缺點：鐳射將熔化的金屬切割出絲孔，同時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學方
11、法來清洗表面，留下幾個micron的粗糙度，看 上去好象表面暗淡，對聚酯刮刀有磨損作用，並且使得模板難以清潔，雖然有人認爲粗糙度將有助於錫膏的“滾動”。 電蝕模板 電蝕模板現時約占使用的23%，其製造過程是加成的，不象其他工藝，模板成形方法如下： 用光敏絕緣乳膠埋蓋住芯板(基板)，通過負趨光性模版(焊盤區透明，非絲印區不透明)用紫外光曝光。焊盤區域變硬，其他區域被清洗掉，然後將芯板浸浴在酸性電解溶液內，作爲陰極聯接在電源上，陽極爲耗損性鎳。經過幾個小時，鎳就沈澱在導電區域(非焊盤)，並可以象一張紙一樣撕下，形成絲孔。 這種模板有比其他模板優越的地方，孔的內壁很平滑，可以作成梯形，即底部比上部稍
12、寬，12的角度，這有助於錫膏穿過模板印到PCB上。在孔的底部四周形成1020micron的“尖頭”，在焊盤周圍形成一圈邊框，絲印時有助於錫膏準確地停留在焊盤上，見下圖： 成本大約比化學腐蝕高30%。 刮刀(第三個S) 刮刀有兩種形式：菱形和拖裙形，拖裙形分成聚乙烯(或類似)材料和金屬。 菱形 這種形式現在已很不普遍了，雖然還在使用，特別在美國和日本。它由截面爲大約10mmx10mm的正方形組成，由夾板夾住，形成兩面45的角度： 這種刮刀可以兩個方向工作，每個行程末都會跳過錫膏條，因此只要一個刮刀。可是，這樣很容易弄髒，因爲錫膏會往上跑，而不是只停留在聚乙烯的很少的暴露部分。其撓性不夠意味著不能
13、貼合扭曲變形的PCB，可能造成漏印區域。不可調節。 拖裙形 這種形式很普遍，由截面爲矩形的聚乙烯構成，夾板支援，需要兩個刮刀， 一個絲印行程方向一個刮刀。無需跳過錫膏條，因錫膏就在兩個刮刀之間，每個行程的角度可以單獨決定。 大約40mm刮刀是暴露的，而錫膏只向上走1520mm，所以這種形式更乾淨些。 刮刀是按硬度範圍和顔色代號來區分的，例如： 6065shore very soft 紅 色 7075shore soft 綠 色 8085shore hard 藍 色 90 + shore very hard 白 色 使用之前，刮刀須調節，使其導向邊成直線並平行，先檢查其邊是否成直線，如果不，調節
14、夾板的固定螺絲。 刮刀作用 和金屬模板比較來看，刮刀的動力學要求對乳膠絲網是不同的。 在乳膠絲網上，刮刀需要推動其前面的錫膏，將錫膏泵壓通過絲網而印到絲印區域，要到達這種作用需使用一種軟的刮刀(7075shore，綠色)，其自身在與絲網接觸的地方發生變形。 甚至可用更軟的刮刀(6065shore,紅色)來在厚的混合陶瓷基底上 絲 印 油 墨 。 使用金屬模板時，刮刀將錫膏在前面滾動，無須泵作用即可流入絲孔內，然後刮去多餘錫膏，在PCB焊盤上留下與模板一樣厚的錫膏。不需要也不指望刮刀的變形，因此可以使用較硬的(即：8085shore，藍 色)或金屬的刮刀。 刮刀硬度與壓力必須協調，如果壓力太小，
15、刮刀將刮不乾淨模板上的錫膏，如果壓力太大，或刮板太軟，那麽刮板將沈入模板上較大的孔內將錫膏挖出。 壓力的經驗公式 在金屬模板上使用藍色刮板，爲了得到正確的壓力，開始時在每50mm的刮板長度上施加1kg壓力，例如300mm的刮板施加6kg的壓力，逐步減少壓力直到錫膏開始留在模板上刮不乾淨，然後再增加1kg壓力。在錫膏刮不乾淨開始到刮板沈入絲孔內挖出錫膏之間，應該有12kg的可接受範圍都可以到達好的絲印效果。 金屬刮板 在控制較好的情況下，利用聚乙烯刮板可以達到非常好的效果，而金屬刮板在生産中也是很好的，同時可解決一些聚乙烯所産生的問題。 但記住，它不適用於乳膠絲網，因爲會造成過度的磨損，並且沒有泵錫膏的作用。 由金屬刀片固定於支架組成，大約40mm的伸出。不象聚乙烯刀片，它有很直的邊線，使用前無須調整。相對於聚乙烯的大約39個月壽命來說，其壽命是無限的。 雖然整個刀片有短暫的柔性來接納變形翹起的PCB，但其邊不退讓和變形沈入絲孔的事實使它具有其幾個優點，不管絲孔的大小如何，較大範圍的壓力(即：415kg)都可得到好的絲印效果。6thou的模板決定了絲印厚度也是6thou，這就避免了因操作員和其他條件的不同而産生的變化。可靠的絲印厚度是特別重要的，因爲表面貼附
