smt印刷基础知识概述

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物，這個階段在150C持續大約三分鐘。(resin有時叫做rosin,嚴格地說，resin是天然產品，而rosin是人造產品。)焊錫是鉛、錫和銀的合金，在回流焊爐的第二階段，大約220C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：5338mm4型：3825mm(m = micron = 0.001mm )三球定律三球定律給生產提供了一個選擇印刷鋼板的簡單公式，錫膏中錫珠的大小必須與印刷鋼板相匹配，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印刷鋼板的厚度方向上。 至少有三個最大直徑的錫珠能水平地排在印刷鋼板的最小孔的寬度方向上。 如圖中所示為印刷鋼板及錫珠的截面圖：計算略為複雜，因為錫珠是用米制micron(m)來度量，而印刷鋼板厚度的工業標準是美國的專用單位thou!(1mm=1x10-3mm,1thou=1x10-3inches,25mm1thou.)錫膏類型3x最大的錫珠尺寸最接近的鋼板厚度2型：7553m3x75m=225m=9.0thou9 thou3型：5338m3x53m=159m=6.4thou6 thou4型：3825m3x38m=114m=4.6thou4 thou印刷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。(印刷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，印刷孔為12.5thou。因此錫膏的選用必須滿足印刷鋼板上最小的印刷孔：元件最小引腳間隔最小印刷孔合適的錫膏類型16 thou(0.4mm)8 thou(0. 2mm)2型：7553m12 thou(0.3mm)6 thou(0.15mm)3型：5338m8 thou(0.2mm)4 thou(.1mm)4型：3825m因此，印刷鋼板的厚度通常是決定因素，大多數應用是選擇標準的6thou(0.1512mm)厚的印刷鋼板，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，在印刷行程中，其粘性越低，則流動性越好，易於流入印刷孔內，印到PCB的焊盤上。從靜態方面考慮，印刷刮過後，錫膏停留在印刷孔內，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印刷在焊盤上的錫膏更為重要。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，較為典型的800kcps用於鋼板印刷是理想的。判斷錫膏是否具有正確的粘度有一種更為實際和經濟的方法，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，它有別于印刷鋼板，現在只有少數錫膏印刷機使用。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印刷(silk screen printing)行業，因此術語“印刷”被源用到這種要求較稠沉澱物的錫膏印刷。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。制 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，因為其剛性。工業印刷用的網很細密，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。為了使錫珠通過絲網，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，印刷時錫膏可以通過這些孔來印刷。印刷刮板(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板(見刮板部分)。印刷時絲網與PCB之間留有13mm的間隙，刮板將絲網壓低和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，得到的印刷沉澱物有限，不可以用於小於30thou的密間隔。刮 板 (第 三 個 S)刮 板 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 為 大 約 10 mm x 10 mm 的 正 方 形 組 成 ， 由 夾 板 夾 住 ， 形 成 兩 面 45 的 角 度 ：這 種 刮 板 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 板 。 可 是 ， 這 樣 很 容 易 弄 髒 ， 因 為 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 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 為 矩 形 的 聚 乙 烯 構 成 ， 夾 板 支 持 ， 需 要 兩 個 刮 板 ， 一 個 絲 印 行 程 方 向 一 個 刮 板 。 無 需 跳 過 錫 膏 條 ， 因 錫 膏 就 在 兩 個 刮 板 之 間 ， 每 個 行 程 的 角 度 可 以 單 獨 決 定 。大 約 40 mm 刮 板 是 暴 露 的 ， 而 錫 膏 只 向 上 走 1520 mm， 所 以 這 種 形 式 更 幹 淨 些 。刮 板 是 按 硬 度 範 圍 和 顏 色 代 號 來 區 分 的 ， 例 如 ：6065shorevery soft紅 色7075shoresoft綠 色8085shorehard藍 色90 + shorevery hard白 色使 用 之 前 ， 刮 板 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 夾 板 的 固 定 螺 絲 。刮 板 作 用和 金 屬 模 板 比 較 來 看， 刮 板 的 動 力 學 要 求 對 乳 膠 絲 網 是 不 同 的 。在 乳 膠 絲 網 上 ， 刮 板 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 板 (7075 shore， 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 板 ( 6065 shore, 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 板 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 板 的 變 形 ， 因 此 可 以 使 用 較 硬 的 (即 ： 8085 shore， 藍 色 ) 或 金 屬 的 刮 板 。刮 板 硬 度 與 壓 力 必 須 協 調 ， 如 果 壓 力 太 小 ， 刮 板 將 刮 不 幹 淨 模 板 上 的 錫 膏 ， 如 果 壓 力 太 大 ， 或 刮 板 太 軟 ， 那 麼 刮 板 將 沉 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 ， 為 了 得 到 正 確 的 壓 力 ， 開 始 時 在 每 50 mm 的 刮 板 長 度 上 施 加 1 kg 壓 力 ， 例 如 300 mm 的 刮 板 施 加 6 kg 的 壓 力 ， 逐 步 減 少 壓 力 直 到 錫 膏 開 始 留 在 模 板 上 刮 不 幹 淨 ， 然 後 再 增 加 1 kg 壓 力 。 在 錫 膏 刮 不 幹 淨 開 始 到 刮 板 沉 入 絲 孔 內 挖 出 錫 膏 之 間 ， 應 該 有 12 kg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 產 中 也 是 很 好 的 ，同 時 可 解 決 一 些 聚 乙 烯 所 產 生 的 問 題 。但 記 住 ， 它 不 適 用 於 乳 膠 絲 網 ， 因 為 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 于 支 架 組 成 ，大 約 40 mm 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 沉 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 ：415 kg) 都 可 得 到 好 的 絲 印 效 果 。 6 thou 的 模 板 決 定 了 絲 印 厚 度 也 是 6 thou ， 這 就 避 免 了 因 操 作 員 和 其 它 條 件 的 不 同 而 產 生 的 變 化 。 可 靠 的 絲 印 厚 度 是 特 別 重 要 的 ， 因 為 表 面 貼 附 元 件 的 同 平 面 度 允 許 誤 差 是 4 thou ， 所 以 絲 印 厚 度 至 少 必 須 是 5 thou 。由 于 金 屬 模 板 和 金 屬 刮 板 絲 印 出 的 錫 膏 很 飽 滿 ， 一 些 使 用 者 發 現 當 他 們 轉 換 時， 得 到 的 絲 印 厚 度 太 厚 。 這 個 可 以 通 過 減 少 模 板 的 厚 度 的 方 法 來 糾 正 ， 但 最 好 是 減 少(“ 微 調 ”) 絲 孔 的 長 和 寬 10 %，以 減 少 焊 盤 上 錫 膏 的 面 積 。 這 樣 就 意 味 著 焊 盤 的 定 位 變 得 不 很 重 要 了 ， 模 板 與 焊 盤 之 間 的 框 架 密 封 得 到 改 善 ， 減 少 了 錫 膏 在 模 板 底 和 PCB 之 間 的 “ 炸 開 ” 。 絲 印 模 板 底 面 的 清 潔 次 數 由 每 5 或 10 次 絲 印 清 潔 一 次 減 少 到 每 50 次 絲 印 清 潔 一 次 。模 板 與 絲 印 後 PCB 的 分 開絲 印 完 後 ， PCB 與 絲 印 模 板 分 開 ， 將 錫 膏 留 在 PCB 上 而 不 是 絲 印 孔 內 。對於最細密印刷孔來說，鋼板的厚度很重要，因為絲孔的孔壁相對於焊盤面積變得很重要，錫膏可能會更容易粘附在孔壁上而不是焊盤上。焊 盤 面 積 = w x d 絲 孔 內 壁 面 積 = 2(w x h) + 2(d x h)焊 盤 面 積 的 經 驗 公 式 ， 盡 可 能 不 小 于 孔 內 壁 的 面 積 。 例 如 ：PCB 上 最 密 引 腳 間 隔 是 25 thou， 因 此 最 小 的 焊 盤 寬 度 為 12.5 thou 或 3 mm ， 乘 以 比 如 說 2 mm 的 長 度 ， 模 板 為 6 thou (0.15 mm) 厚 度 。焊 盤 面 積 = 0.3 mm x 2 mm = 0.6 mm2絲 孔 內 壁 面 積 = 2 x (0.15 mm x 0.3 mm) + 2 x(0.15 mm x 2 mm) = 0.69 mm2將 模 板 厚 度 減 少 為 4 thou (0.1 mm) 可 將 情 況 得 到 改 善 。絲 孔 內 壁 面 積 = 2 x (0.10 mm x 0.3 mm) + 2 x(0.1 mm x 2 mm) = 0.46 mm2不 過 ， 有 兩 個 因 素 是 有 利 的 ， 第 一 ， 焊 盤 是 一 個 連 續 的 面 積 ， 而 絲 孔 內 壁 大 多 數 情 況 分 為 四 面 ， 有 助 於 釋 放 錫 膏 ； 第 二 ， 重 力 和 與 焊 盤 的 粘 附 力 一 起 ， 在 絲 印 和 分 離 所 花 的 26 秒 時 間 內 ， 將 錫 膏 拉 出 絲 孔 粘 著 於 PCB 上 。 為 最 大 發 揮 這 種 有 利 的 作 用 ， 可 將 分 離 延 時 ， 開 始 時 PCB 分 開 較 慢 。 很 多 機 器 允 許 絲 印 後 的 延 時 ， 工 作 台 下 落 的 頭 23 mm 行 程 速 度 可 調 慢 。絲 印 速 度絲 印 期 間 ， 刮 板 在 絲 印 模 板 上 的 行 進 速 度 是 很 重 要 的 ， 因 為 錫 膏 需 要 時 間 來 滾 動 和 流 入 絲 孔 內 。 如 果 允 許 時 間 不 夠 ，那 麼 在 刮 板 的 行 進 方 向 ， 錫 膏 在 焊 盤 上 將 不 平 。 當 速 度 低 到 每 秒 20 mm 時 ， 刮 板 可 能 在 少 於 幾 十 毫 秒 的 時 間 內 刮 過 小 的 絲 孔 。絲 印 速 度 的 經 驗 公 式對 PCB 上 最 密 元 件 引 腳 的 每 thou 長 度 ， 你 可 以 允 許 每 秒 1 mm 的 最 大 速 度 。 因 此 ：最密引腳間隔最小絲孔最大印刷速度50 thou25 thou每 秒 50 mm25 thou12.5 thou每 秒 25 mm16 thou8 thou每 秒 16 mm結 論無 論 你 采 用 的 絲 印 機 的 複 雜 性 及 特 性 如 何 ， 如 果 你 不 能 選 擇 正 確 的 錫 膏 、 絲 印 模 板 和 絲 印 刮 板 的 結 合 使 用 ， 那 麼 ， 絲 印 只 是 藝 術 ， 而 不 是 科 學 怎樣設定錫膏回流溫度曲線“正確的溫度曲線將保證高品質的焊接錫點。”約翰.希羅與約翰.馬爾波尤夫(美) 在使用表面貼裝元件的印刷電路板(PCB)裝配中，要得到優質的焊點，一條優化的回流溫度曲線是最重要的因素之一。溫度曲線是施加於電路裝配上的溫度對時間的函數，當在笛卡爾平面作圖時，回流過程中在任何給定的時間上，代表PCB上一個特定點上的溫度形成一條曲線。幾個參數影響曲線的形狀，其中最關鍵的是傳送帶速度和每個區的溫度設定。帶速決定機板暴露在每個區所設定的溫度下的持續時間，增加持續時間可以允許更多時間使電路裝配接近該區的溫度設定。每個區所花的持續時間總和決定總共的處理時間。每個區的溫度設定影響PCB的溫度上升速度，高溫在PCB與區的溫度之間產生一個較大的溫差。增加區的設定溫度允許機板更快地達到給定溫度。因此，必須作出一個圖形來決定PCB的溫度曲線。接下來是這個步驟的輪廓，用以產生和優化圖形。在開始作曲線步驟之前，需要下列設備和輔助工具：溫度曲線儀、熱電偶、將熱電偶附著於PCB的工具和錫膏參數表。可從大多數主要的電子工具供應商買到溫度曲線附件工具箱，這工具箱使得作曲線方便，因為它包含全部所需的附件(除了曲線儀本身)。現在許多回流焊機器包括了一個板上測溫儀，甚至一些較小的、便宜的臺面式爐子。測溫儀一般分為兩類：即時測溫儀，即時傳送溫度/時間資料和作出圖形；而另一種測溫儀採樣儲存資料，然後上載到電腦。熱電偶必須長度足夠，並可經受典型的爐膛溫度。一般較小直徑的熱電偶，熱質量小回應快，得到的結果精確。有幾種方法將熱電偶附著於PCB，較好的方法是使用高溫焊錫如銀/錫合金，焊點儘量最小。另一種可接受的方法，快速、容易和對大多數應用足夠準確，少量的熱化合物(也叫熱導膏或熱油脂)斑點覆蓋住熱電偶，再用高溫膠帶(如Kapton)粘住。還有一種方法來附著熱電偶，就是用高溫膠，如氰基丙烯酸鹽粘合劑，此方法通常沒有其他方法可靠。附著的位置也要選擇，通常最好是將熱電偶尖附著在PCB焊盤和相應的元件引腳或金屬端之間。(圖一、將熱電偶尖附著在PCB焊盤和相應的元件引腳或金屬端之間)錫膏特性參數表也是必要的，其包含的資訊對溫度曲線是至關重要的，如：所希望的溫度曲線持續時間、錫膏活性溫度、合金熔點和所希望的回流最高溫度。開始之前，必須理想的溫度曲線有個基本的認識。理論上理想的曲線由四個部分或區間組成，前面三個區加熱、最後一個區冷卻。爐的溫區越多，越能使溫度曲線的輪廓達到更準確和接近設定。大多數錫膏都能用四個基本溫區成功回流。(圖二、理論上理想的回流曲線由四個區組成，前面三個區加熱、最後一個區冷卻)預熱區，也叫斜坡區，用來將PCB的溫度從周圍環境溫度提升到所須的活性溫度。在這個區，產品的溫度以不超過每秒25C速度連續上升，溫度升得太快會引起某些缺陷，如陶瓷電容的細微裂紋，而溫度上升太慢，錫膏會感溫過度，沒有足夠的時間使PCB達到活性溫度。爐的預熱區一般占整個加熱通道長度的2533%。 活性區，有時叫做乾燥或浸濕區，這個區一般占加熱通道的3350%，有兩個功用，第一是，將PCB在相當穩定的溫度下感溫，允許不同質量的元件在溫度上同質，減少它們的相當溫差。第二個功能是，允許助焊劑活性化，揮發性的物質從錫膏中揮發。一般普遍的活性溫度範圍是120150C，如果活性區的溫度設定太高，助焊劑沒有足夠的時間活性化，溫度曲線的斜率是一個向上遞增的斜率。雖然有的錫膏製造商允許活性化期間一些溫度的增加，但是理想的曲線要求相當平穩的溫度，這樣使得PCB的溫度在活性區開始和結束時是相等的。市面上有的爐子不能維持平坦的活性溫度曲線，選擇能維持平坦的活性溫度曲線的爐子，將提高可焊接性能，使用者有一個較大的處理視窗。 回流區，有時叫做峰值區或最後升溫區。這個區的作用是將PCB裝配的溫度從活性溫度提高到所推薦的峰值溫度。活性溫度總是比合金的熔點溫度低一點，而峰值溫度總是在熔點上。典型的峰值溫度範圍是205230C，這個區的溫度設定太高會使其溫升斜率超過每秒25C，或達到回流峰值溫度比推薦的高。這種情況可能引起PCB的過分捲曲、脫層或燒損，並損害元件的完整性。 今天，最普遍使用的合金是Sn63/Pb37，這種比例的錫和鉛使得該合金共晶。共晶合金是在一個特定溫度下熔化的合金，非共晶合金有一個熔化的範圍，而不是熔點，有時叫做塑性裝態。本文所述的所有例子都是指共晶錫/鉛，因為其使用廣泛，該合金的熔點為183C。 理想的冷卻區曲線應該是和回流區曲線成鏡像關係。越是靠近這種鏡像關係，焊點達到固態的結構越緊密，得到焊接點的質量越高，結合完整性越好。 作溫度曲線的第一個考慮參數是傳輸帶的速度設定，該設定將決定PCB在加熱通道所花的時間。典型的錫膏製造廠參數要求34分鐘的加熱曲線，用總的加熱通道長度除以總的加熱感溫時間，即為準確的傳輸帶速度，例如，當錫膏要求四分鐘的加熱時間，使用六英尺加熱通道長度，計算為：6 英尺 4 分鐘 = 每分鐘 1.5 英尺 = 每分鐘 18 英寸。 接下來必須決定各個區的溫度設定，重要的是要瞭解實際的區間溫度不一定就是該區的顯示溫度。顯示溫度只是代表區內熱敏電偶的溫度，如果熱電偶越靠近加熱源，顯示的溫度將相對比區間溫度較高，熱電偶越靠近PCB的直接通道，顯示的溫度將越能反應區間溫度。明智的是向爐子製造商諮詢瞭解清楚顯示溫度和實際區間溫度的關係。本文中將考慮的是區間溫度而不是顯示溫度。表一列出的是用於典型PCB裝配回流的區間溫度設定。 表一、典型PCB回流區間溫度設定 區間區間溫度設定區間末實際板溫預熱210C(410F)140C(284F)活性177C(350F)150C(302F)回流250C(482C)210C(482F)速度和溫度確定後，必須輸入到爐的控制器。看看手冊上其他需要調整的參數，這些參數包括冷卻風扇速度、強制空氣衝擊和惰性氣體流量。一旦所有參數輸入後，啟動機器，爐子穩定後(即，所有實際顯示溫度接近符合設定參數)可以開始作曲線。下一部將PCB放入傳送帶，觸發測溫儀開始記錄資料。為了方便，有些測溫儀包括觸發功能，在一個相對低的溫度自動啟動測溫儀，典型的這個溫度比人體溫度37C(98.6F)稍微高一點。例如，38C(100F)的自動觸發器，允許測溫儀幾乎在PCB剛放入傳送帶進入爐時開始工作，不至於熱電偶在人手上處理時產生誤觸發。 一旦最初的溫度曲線圖產生，可以和錫膏製造商推薦的曲線或圖二所示的曲線進行比較。 首先，必須證實從環境溫度到回流峰值溫度的總時間和所希望的加熱曲線居留時間相協調，如果太長，按比例地增加傳送帶速度，如果太短，則相反。 下一步，圖形曲線的形狀必須和所希望的相比較(圖二)，如果形狀不協調，則同下面的圖形(圖三六)進行比較。選擇與實際圖形形狀最相協調的曲線。應該考慮從左道右(流程順序)的偏差，例如，如果預熱和回流區中存在差異，首先將預熱區的差異調正確，一般最好每次調一個參數，在作進一步調整之前運行這個曲線設定。這是因為一個給定區的改變也將影響隨後區的結果。我們也建議新手所作的調整幅度相當較小一點。一旦在特定的爐上取得經驗，則會有較好的“感覺”來作多大幅度的調整。 圖三、預熱不足或過多的回流曲線 圖四、活性區溫度太高或太低 圖五、回流太多或不夠 圖六、冷卻過快或不夠 當最後的曲線圖盡可能的與所希望的圖形相吻合，應該把爐的參數記錄或儲存以備後用。雖然這個過程開始很慢和費力，但最終可以取得熟練和速度，結果得到高品質的PCB的高效率的生產密腳與通孔元件的錫膏印刷 By Ray P. Prasad 本文介紹：在混合裝配(mixed-assembly)電路板上的密間距(fine-pitch)和通孔(through-hole)元件的錫膏印刷。密間距錫膏印刷當印刷密間距時，重要的是控制鋼板開孔的光潔度與尺寸，意味著應該考慮鐳射切割的鋼板。密間距也要求不同的錫膏(solder paste)。錫膏印刷質量是很重要的，因為它是許多印刷電路裝配(PCA)缺陷的原因。當使用密間距時，問題是複合的，造成相鄰引腳之間的錫橋。錫橋不是密間距印刷的唯一常見缺陷。錫膏沉積不夠引起焊錫不足或者完全開路。在大部分公司，密間距印刷是大約一半缺陷的原因。為了避免印刷問題，有人使用雙臺階(dual-step)鋼板(密腳用0.0050.006、其他元件用0.0070.008)。鋼板材料，通常不銹鋼，在分佈密間距元件焊盤的區域向下腐蝕到低厚度。臺階式鋼板要求橡膠的刮板(squeegee)來使錫膏通過鋼板孔。這是在特定的位置沉積適量錫膏的一個好方法(密腳：0.0050.006厚的錫膏、標準表面貼裝元件：0.007 0.008厚的錫膏)。一個更新的方法是使用金屬刮板，密間距與其他元件都沉積同樣的錫膏厚度。可是，這可能會出現密腳焊盤上錫膏太厚或者標準表面貼裝焊盤上錫膏太少。重要的是良好的程序控制和鋼板設計。如果可以做到這一點，那麼使用金屬刮板的時候就可得到較好的、連續的結果。當使用密間距時，工藝的複雜性增加了。要求相當的工藝看法與控制來達到連續的良好的錫膏印刷。 通孔元件的通孔錫膏(paste-in-hole)工藝雖然工業走向更密間距和球柵陣列(BGA)，但還必須處理混合裝配中的通孔元件。錫膏印刷通常不用於焊接通孔元件，但是還有應該考慮它的情況。例如，在頂面有很少的通孔元件的雙面SMT板(兩面都有有源元件，諸如PLCC)的混合裝配中，對通孔元件使用印刷錫膏可能是合算的。這個工藝通常叫做通孔錫膏工藝 - 它避免了手工焊接或者波峰焊接(使用專門的夾具遮蓋前面回流焊接的表面貼裝元件)的額外步驟。引腳浸錫膏(pin-in-paste)、侵入式回流焊接(intrusive reflow soldering)和通孔回流焊(ROT, reflow of through-hole)是這個工藝的其他名字。當使用傳統的方法焊接混合表面貼片裝配時，先印刷錫膏和回流焊接表面貼裝元件，接著是波峰焊接通孔元件工藝。可是，當使用通孔錫膏工藝時，表面貼裝和通孔元件都是在回流焊接工序內焊接。在傳統的波峰焊接工藝中，通孔焊接點的焊錫來源是錫波；可是，通孔錫膏工藝的來源是錫膏。通孔錫膏工藝是較新的，但是一些領先的公司已經使用多時了。當使用該工藝時，首先應該確定通孔元件是否能夠經受回流溫度而不退化。還應該確定元件是否為潮濕敏感性的 - 如果是，則焊接之前必須烘焙。否則，在回流焊接期間它們將“爆裂(popcorn)”或者開裂。如果電路板的第二面有可回流焊接的表面貼裝元件，那麼回流焊接通孔元件不會節省任何工藝步驟。在這種情況下，通孔元件的最常使用的方法是波峰焊接而不是回流焊接。工業已經成功地使用通孔錫膏工藝或其變化工藝來焊接通孔元件。所有方法中的基本概念反復考慮的就是印刷所需要的錫膏量，它是由電鍍通孔的體積減去通孔中引腳占去的體積來決定的。這是非常簡單並且為大部分人所理解的。問題是在焊接溫度下半數的錫膏消失在空氣中，因為焊錫占90%重的錫膏只有50%體積的金屬焊錫。更應該知道的是，引腳直徑與通孔之間的適當比率可使得錫膏通過毛細管作用進入通孔內。需要通孔與引腳之間間隙的適當數量來達到焊錫填充。IPC-610對通孔焊接點的可接受標準是底部圓角的存在和在板的厚度上至少充滿75%的通孔。在大多數裝配中，FR-4絕緣層電路板的典型厚度為0.062。在這些約束下，引腳浸錫膏(pin-in-paste)工藝開發的主要技術挑戰是，在具有高密度引腳元件的通孔裏面和周圍印刷足夠的錫膏，使得在底面形成可接受的焊接點，滿足IPC-610的要求。在通孔錫膏(paste-in-hole)工藝中滿足頂面圓腳要求很少是個問題，因為錫膏是從頂部印刷的。引腳與通孔之間的最小間隙決定需要滿足圓角要求的錫膏量。這個最小間隙定義為，最小的通孔直徑減去最大的引腳直徑。最小間隙越小，需要用來填充通孔的錫量越少，但是更難把元件插入板內。當使用密間距、多排通孔元件時，可能需要各種鋼板開口寬度與長度，以得到可接受的焊接點。可是，相同零件各焊接點的圓角尺寸將有點不同。為了達到所希望的焊錫圓角體積，錫膏也可印刷在板的頂面和底面。一項最近的研究是使用內置式刮板通過直接壓力將錫膏印刷在板上的印刷機。在這個方法中，沒有使用傳統的刮板。這個錫膏印刷方法可以在通孔中充滿錫膏。通孔印刷的關鍵是提供足夠的錫膏量。有許多方法可以做到這一點，最常見和所希望的就是套印(overprint)。可是，這要求在設計階段計畫這個工藝，和允許足夠的包裝間的間隔。如果沒有做到這一點，就不可能套印，因為其他元件焊盤擋道了。但是甚至有足夠的包裝之間的空隔，還可能造成印刷足夠的錫膏困難，如果有多排引腳，諸如密間距通孔連接器。對於那些在一面印刷足夠的錫膏困難的情況，錫膏也可以在另一面印刷。另一個方法是使用臺階式鋼板，可以向上或向下臺階，以接納同一塊板上通孔和密間距元件的不同需要。向上的臺階鋼板在通孔零件的一小部分內比鋼板其他部分更厚。向下的臺階鋼板一般用於大多數具有0.050間距表面貼裝元件和一些密間距元件的電路板。不管使用哪一種方法，關鍵是要有足夠的錫膏量鋼板：又出問題了？Stencils: Foiled Again!By Robert Rowland印刷是遵循流體動力學的一個過程。原則上，它是一個十分簡單的過程。鋼板，一個關鍵的因素，應該得到相當大的注意力。如果嚴格地遵循基本的設計與製造規則，則可以避免許多印刷問題。我注意到無數的例證，許多公司在印刷機和檢查設備上花了大筆的錢，但還是繼續有嚴重的印刷問題。有許多的設計規則人們把它看作標準慣例。不幸的是，許多人不知道這些基本規則的存在。今年晚些時候，IPC將發行IPC-7525 - 一套由工業專家小組創建的鋼板設計指南。該檔將消除一些圍繞在鋼板設計與製造周圍的巫術，這將是我們工業的巨大受益。框架支援和保護鋼板，典型地是用鋁製造，通過鎢惰性氣體(TIG, tungsten inert gas)把管焊接起來，或通過鑄造。框架的尺寸通常決定於使用的方法。鑄造適合於較小的框架，但當框架越來越大時，使用TIG焊接管較為有效。鋼板安裝在框架上是通過膠和聚酯或不銹鋼網，它把鋼板拉緊，保持張力，避免翹曲或扭曲。主框，設計用來固定無框鋼板。這個概念源自于高混合的運作，使用大量的鋼板，其儲存成為問題。它也消除了框架成本。使用者將鋼板裝到框架內，通過框架上的張緊機構來拉緊。隨著時間的過去，我相信這種方法會有困難來保證適當的鋼板張力。除非處理鋼板很小心，否則損壞的危險性是很高的。鋼板的製造是通過三種方法。化學腐蝕(chemical etching)和鐳射切割(laser cutting)移去材料(減的方法)，而電鑄(electroforming)則以化學的方法增加材料(加的方法)。化學腐蝕是原始的、現在還最普遍的製造方法。一種可感光成像的抗蝕劑層壓在金屬箔的兩面，然後一個含有開孔圖像的兩面感光工具小心地與金屬箔一起定位。抗腐蝕劑被顯影，將要移去的區域暴露。感光工具結合使用一種補償橫向蝕刻的蝕刻因數。然後將金屬箔放入一個化學蝕刻箱，通過移去被暴露的材料產生開孔。這個方法對引腳間距為0.65mm或更大的元件是可接受的。鐳射切割涉及的步驟比化學蝕刻要少。一種可編程的鐳射機用來切割開孔，自然會產生錐形或梯形的孔壁(化學蝕刻也可以產生這種效果，如果希望的話)。在某些情況下，這將改善錫膏的釋放。典型的，靠板面的開孔大於靠刮刀面的開孔。通常鐳射切割用於密腳元件，但也可用於整塊板。混合技術的鋼板結合使用化學蝕刻和鐳射切割。化學蝕刻用於開較大的孔，而鐳射切割用於開密腳孔。電鑄也使用一種可感光成像的抗蝕劑，抗蝕劑放在陰極金屬心上。抗蝕劑比所希望的鋼板厚度大。當抗蝕劑被顯影時，抗蝕劑柱在希望開孔的位置形成。鎳被電鍍在陰極金屬心上，直到達到所希望的鋼板厚度。電鍍之後，將抗蝕劑柱移去，鋼板從金屬心上取下。這個方法主要用於錫膏釋放成問題和要求非常好的準確性和精度的應用。兩個附加的工序，拋光和鍍鎳，是用來進一步提高表面光潔度，消除表面不規則。這個改善了錫膏釋放，因此提高鋼板性能。我非常推崇拋光。材料的體積(錫膏與膠劑)主要由開孔尺寸和金屬箔厚度來控制。材料釋放受各種因素影響。就鋼板而言，涉及鋼板的最關鍵因素包括，縱橫比、面積比、孔壁的表面光潔度和幾何形狀。縱橫比是開孔的寬度除以鋼板的厚度(W/T)。面積比是焊盤面積除以開孔側壁面積。測試表明縱橫比應該大於1.5，而面積比應該大於0.66，以保證充分的材料釋放。我自己的試驗多次證實了這些推薦值。稍微地減小所有開孔可避免錫膏印在阻焊層上，產生錫球。IPC-7525按元件類型提供了詳細的推薦。一般，每個方向都減少0.1mm足以防止由於錫膏過印所產生的錫球。插入安裝的元件可以使用錫膏入孔(paste-in-hole)的印刷工藝來回流焊接。當引腳為圓形和孔徑比引腳直徑大0.150.20mm的時候，這個方法最有效。方形引腳比圓形引腳更困難，而粗的引腳是很困難的，因為它要求非常多的錫膏量。更詳細的資訊可以在IPC-7525中找到。階梯形鋼板用來改變錫膏的量。逐級下降的鋼板典型地用於密腳應用中，這樣在密腳的焊盤上得到減小的鋼板厚度。逐級增加的鋼板很少見，但它可以增加局部區域的錫膏量(例如，當錫膏入孔印刷用於插入安裝的元件時)。印刷缺陷可分為六個類別： 定位對齊(registration)。這涉及鋼板與材料附著區域的對準定位 - 或是焊盤(錫膏)或是焊盤之間的跨距(膠劑)。最大允許定位誤差對錫膏應用應該為焊盤長或寬度的15%，對膠劑應用為開孔長或寬度的15%。 塌落(slump)。這是與材料有關的缺陷，或是由於膠或錫膏的粘度太低，或是由於過熱暴露。塌落數量對錫膏應該限制在焊盤長或寬度的15%，對膠劑為開孔長或寬度的15%。 厚度(thickness)。最後的印刷厚度不應該變化超出所希望印刷厚度的20%。材料少可能產生焊錫不足或開路，在膠劑情況會丟失元件。材料多可能造成錫點太飽滿或錫橋，對膠劑情況會污染錫點或開路。 挖空(scoop)。這是刮刀壓力過大、刮刀刀片太軟或開孔太大的結果。這個缺陷可能引起錫點的錫量不足，或膠點的膠量不足，無法將元件固定。挖空的量應該限制在最大變化不超過從最高到最低的20%。 圓頂(dome)。通常是刮刀刀片高度調整不當或刮刀壓力不足的結果，它會增加材料的量，可能引起錫橋、污染或焊點開路。這個變化量應該限制在印刷厚度的20%。 斜度(slope)。由於過大的刮刀壓力可能發生這個情況。錫膏中較普遍，可能產生焊錫不足。變化量不應該超過最高到最低點的20%。錫膏印刷已經發展到一個妥協時期，因為它變得越來越難滿足每個引腳形狀的需要。這個困局可以通過良好的鋼板涉及與製造技術得到控制。與你的鋼板供應商密切合作，遵循IPC-7525中的指引。鋼板設計指南 By William E. Coleman, Ph.D. 本文窺視一個工業小組委員會涉及工藝工程師對鋼板設計的幾個共同關注的檔。表面貼裝工藝工程師在對表面貼裝印刷/裝配不熟悉和/或他們有新的表面貼裝印刷/裝配要求時，經常面對類似的設計問題。新的工藝工程師在指定用於印刷錫膏或膠水的鋼板(stencil)時會喜歡一些基本的鋼板設計指南。經驗豐富的表面貼裝工藝工程師在面對一種新的表面貼裝印刷/裝配要求時會寧願在他人的經驗上來學習。幾年前，對一個正規的、容易理解的鋼板設計指南的需求是所公認的。在1998年中，成立了一個小組委員會，包括了來自鋼板製造商、錫膏製造商、表面貼裝裝配製造商、印刷機製造商和裝配設備製造商的代表。該小組委員會的目標是要提供IPC：電子工業聯合會鋼板設計指南檔。該檔將包括：名詞與定義、參考資料、鋼板設計、鋼板製造、鋼板安裝、檔處理/編輯和鋼板訂購、鋼板檢查/確認、鋼板清洗、和鋼板壽命。最終檔，IPC 7525，現已發佈。工藝工程師對鋼板設計的一些最普遍的關注列出如下。鋼板設計指南應該詳細地探討每一個這些問題： 開孔尺寸：長與寬/從電路板焊盤的縮減 鋼板厚度 使用的鋼板技術：化學腐蝕(chem-etch)、鐳射切割(laser-cut)、混合式(hybrid)、電鑄(electroformed) 臺階/釋放(step/release)鋼板設計 膠的鋼板開孔設計 混合技術：通孔/表面貼裝鋼板設計 片狀元件的免洗開孔設計 塑膠球柵陣列(PBGA)的鋼板設計 陶瓷球柵陣列(CBGA)的鋼板設計 微型BGA/晶片級包裝(CSP)的鋼板設計 混合技術：表面貼裝/倒裝晶片(flip chip)的鋼板設計 錫膏釋放與錫磚的理論體積(長 X 寬 X 厚)的比例 鋼板開孔的設計IPC的鋼板設計指南將要談到的一個普遍詢問的關於鋼板的問題是，開孔設計怎樣影響印刷性能。圖一顯示錫膏印刷的三個主要性能問題。開孔尺寸寬(W)和長(L)與鋼板金屬箔厚度(T)決定錫膏印刷於PCB的體積。在印刷週期，隨著刮刀在鋼板上走過，錫膏充滿鋼板的開孔。然後，在電路板/鋼板分開期間，錫膏釋放到板的焊盤上。理想地，所有充滿開孔的錫膏從孔壁釋放，並附著於板的焊盤上，形成完整的錫磚。錫膏從內孔壁釋放的能力主要決定於三個因素：鋼板設計的面積比/寬深比(aspect ratio)、開孔側壁的幾何形狀、和孔壁的光潔度。圖二中定義了面積比/寬深比。對於可接受的錫膏釋放的一般接受的設計指引是，寬深比大於1.5、面積比大於0.66。寬深比是面積比的一維簡化。當長度遠大于寬度時，面積比與寬深比相同。當鋼板從電路板分離時，錫膏釋放遭遇一個競爭過程：錫膏將轉移到焊盤或者粘附在側孔壁上？當焊盤面積大於內孔壁面積的2/3時，可達到85%或更好的錫膏釋放能力。鋼板技術對錫膏釋放的百分比也起一個主要作用。開孔側壁的幾何形狀和孔壁光潔度直接與鋼板技術有關。經過電解拋光的鐳射切割鋼板得到比非電解拋光的鐳射切割鋼板更光滑的內孔壁。在一個給定面積比上，前者比後者釋放更高百分比的錫膏。對於接近1.5的寬深比和接近0.66的面積比，一些鋼板技術比其他的更好地達到較高百分比的錫膏釋放。表一,各種表面貼裝元件的寬深比/面積比舉例例子開孔設計寬深比面積比錫膏釋放1QFP 間距20 10x50x52.00.83+2QFP 間距16 7x50x51.40.61+3BGA 間距50 圓形25 厚度64.21.04+4BGA 間距40 圓形15 厚度53.00.75+5微型BGA 間距30 方形11 厚度52.20.55+6微型BGA 間距30 方形13 厚度52.60.65+ 表示難度.表一列出對典型表面貼裝元件(SMD)的開孔設計的一些實際例子中的寬深比/面積比。20-mil 間距的QFP，在 5-mil 厚的鋼板上10 x 50-mil 的開孔，得到 2.0 的寬深比。使用一種光滑孔壁的鋼板技術將產生很好的錫膏釋放和連續的印刷性能。16-mil 間距的QFP，在 5-mil 厚的鋼板上7 x 50-mil 的開孔，得到 1.4 的寬深比，這是一個錫膏釋放很困難的情況，甚至對高技術的鋼板都一樣。對於這種情況應該考慮一個或者全部三個選擇： 增加開孔寬度(增加寬度到 8-mil 將寬深比增加到 1.6)。 減少厚度(減少金屬箔厚度到 4.4-mil 將寬深比增加到 1.6) 選擇一種有非常光潔孔壁的鋼板技術。 快閃記憶體(flash momery)微型BGA正變得很普遍。通常，這些元件在板上有 12-mil 的圓形焊盤、15-mil 的阻焊層開口。最佳的焊盤設計是銅箔限定的而不是阻焊層限定的。表一中的例5說明一個 11-mil 的圓形開孔。寬深比是2.2。有人可能錯誤地認為，因為寬深比遠大於1.5，所以錫膏釋放不是問題。可是，如果長度沒有達到寬度的五倍，那麼應該用面積比(二維模式)來預測錫膏釋放。這種情況下面積比是0.55，這是一種很困難的錫膏釋放情況。通常，鋼板開孔應該略小於電路板焊盤。例5遵照這個規則，為 12-