SMT锡膏印刷技术培训讲义.ppt

锡膏印刷技术 1 焊接是一个比较复杂的物理 化学过程 当用焊锡焊接金属时 随着电烙铁的加热和焊剂的帮助 焊锡先对焊接表面产生润湿 并逐渐向金属扩散 在焊锡与金属的接触面形成附着层 冷却后即形成牢因可靠的金属合金 焊接 2 一 施加焊膏工艺 3 施加焊膏是SMT的关键工序 施加焊膏是保证SMT质量的关键工序 目前一般都采用模板印刷 据资料统计 在PCB设计正确 元器件和印制板质量有保证的前提下 表面组装质量问题中有60 80 的质量问题出在印刷工艺 4 5 焊接学中 习惯上将焊接温度低于450 的焊接称为软焊料 电子线路的焊接温度通常在180 300 之间 所用焊料的要成分是锡和铅 故又称为锡铅焊料 焊膏 以锡铅合金为主 有的锡焊料还含少量的锑 含铅37 锡63 的锡合金俗称焊锡 熔点约183 这是最普遍的锡铅焊 锡膏是由合金焊料粉和糊状助焊剂均匀搅拌而成的膏状体 合金类型熔化温度再流焊温度Sn63 Pb37183208 223Sn60 Pb40183 190210 220Sn50 Pb50183 216236 246Sn45 Pb55183 227247 257Sn40 Pb60183 238258 268Sn30 Pb70183 255275 285Sn25 Pb75183 266286 296Sn15 Pb85227 288308 318 不同熔点锡膏的再流焊温度 7 焊膏 惰性气体中将熔融的焊料雾化制成微细的粒状金属 焊膏中金属粉末的颗粒形状有2种 即球形 不定形 焊膏中金属粉末的颗粒细度在20 75微米 一般来说 焊膏颗粒细度选择的依据是 最小尺寸的金属漏版开孔应能允许同时通过3 4个颗粒 对于精细间距的元器件应选用颗粒细度在20 40微米之间的球形焊膏 粒度越小 黏度越大 粒度过大 会使锡膏黏结性能变差 粒度太细 会由于表面积增大 使其表面含氧量增高 所以也不能采用 8 助焊剂 传统的助焊剂通常以松香为基体 松香具有弱酸性和热熔流动性 并具有良好的绝缘性 耐湿性 无腐蚀性 无毒性和长期稳定性 是不多得的助焊材料 通过助焊剂中活性剂的作用 能清除被焊材料表面以及锡粉本身的氧化物 使焊料迅速扩散并附着在被焊金属表面 助焊剂的组成对锡膏的扩展性 润湿性 塌陷 粘度变化 清洗性 和储存寿命起决定性作用 目前在SMT中采用的大多是以松香为基体的活性助焊剂 由于松香随着品种 产地和生产工艺的不同 其化学组成和性能有较大差异 因此 对松香优选是保证助焊剂质量的关键 通常助焊剂还包括以下成分 活性剂 成膜物质 添加剂 消光剂 光亮剂 缓蚀剂 阻燃剂 和溶剂 助焊剂的化学组成 1 去除焊接表面的氧化物 防止焊接时焊锡和焊接表面的再氧化降低焊锡的表面张力 2 熔点比焊料低 在焊料熔化之前 助焊剂要先熔化 才能充分发挥助焊作用 3 浸润扩散速度比熔化焊料快 通常要求扩展在90 左右或90 以上 4 粘度和比重比焊料小 粘度大会使浸润扩散困难 比重大就不能覆盖焊料表面 5 焊接时不产生焊珠飞溅 也不产生毒气和强烈的刺激性臭味 6 焊后残渣易于去除 并具有不腐蚀 不吸湿和不导电等特性 7 不沾性 焊接后不沾手 焊点不易拉尖 8 在常温下贮存稳定 助焊剂应具有以下作用 了解印刷原理 提高印刷质量 11 1 印刷焊膏的原理 焊膏和贴片胶都是触变流体 具有粘性 当刮刀以一定速度和角度向前移动时 对焊膏产生一定的压力 推动焊膏在刮板前滚动 产生将焊膏注入网孔或漏孔所需的压力 焊膏的粘性摩擦力使焊膏在刮板与网板交接处产生切变 切变力使焊膏的粘性下降 使焊膏顺利地注入网孔或漏孔 12 产生将焊膏注入漏孔的压力 切变力使焊膏注入漏孔 PCB 13 焊膏在刮板前滚动 才能产生将焊膏注入开口的压力刮板焊膏 印刷时焊膏填充模板开口的情况 14 图1 4放大后的焊膏印刷脱模示意图Fs 焊膏与PCB焊盘之间的粘合力 与开口面积 焊膏黏度有关Ft 焊膏与开口壁之间的摩檫阻力 与开口壁面积 光滑度有关A 焊膏与模板开口壁之间的接触面积 B 焊膏与PCB焊盘之间的接触面积 开口面积 PCB 开口壁面积A 开口面积B 15 a 垂直开口 b 喇叭口向下 c 喇叭口向上易脱模易脱模脱模差图1 5模板开口形状示意图 16 3 刮刀材料 形状及印刷方式 a 刮刀材料 橡胶 聚胺酯 刮刀橡胶刮刀有一定的柔性 用于丝网印刷以及模板表面不太平整 例如经过减薄处理 有凹面 的模板印刷 橡胶刮刀的硬度 肖氏 shore 75度 85度 金属刮刀金属刮刀耐磨 使用寿命长 约10万次 是聚胺酯的10倍左右 用于平整度好的金属模板印刷 适宜各种间距 密度的印刷 特别对窄间距 高密度印刷质量比较高 而且使用寿命长 应用最广泛 17 b 刮刀形状和结构橡胶刮刀的形状有菱形和拖尾形两种 菱形刮刀 是将10mm 10mm的方形聚胺脂夹在支架中间 前后呈45 角 菱形刮刀可采用单刮刀作双向印刷 刮刀在每个行程末端可跳过焊膏 菱形刮刀的焊膏量不易控制 并容易污染刮刀头 拖尾形刮刀 一般都采用双刮刀形式 刮刀的角度一般为45 60 18 图2 7各种不同形状的刮刀示意图 手动刮刀 橡胶刮刀 金属刮刀 19 d 印刷方式 单向印刷 刮刀只能作一个方向印刷 单向印刷时有一块刮刀是印刷用的 另一块刮刀是作为回料用的 双向印刷双向印刷时两块刮板进行交替往返印刷 20 4 影响印刷质量的主要因素 a模板质量 模板印刷是接触印刷 因此模板厚度与开口尺寸确定了焊膏的印刷量 焊膏量过多会产生桥接 焊膏量过少会产生焊锡不足或虚焊 模板开口形状以及开口是否光滑也会影响脱模质量 b焊膏质量 焊膏的黏度 印刷性 滚动性 转移性 触变性 常温下的使用寿命等都会影响印刷质量 c印刷工艺参数 刮刀速度 刮刀压力 刮刀与网板的角度以及焊膏的黏度之间都存在一定的制约关系 因此只有正确控制这些参数 才能保证焊膏的印刷质量 21 d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的作用 e环境温度 湿度 以及环境卫生 环境温度过高会降低焊膏黏度 湿度过大时焊膏会吸收空气中的水分 湿度过小时会加速焊膏中溶剂的挥发 环境中灰尘混入焊膏中会使焊点产生针孔 一般要求环境温度23 3 相对湿度45 70 22 从以上分析中可以看出 影响印刷质量的因素非常多 而且印刷焊膏是一种动态工艺 焊膏的量随时间而变化 如果不能及时添加焊膏的量 会造成焊膏漏印量少 图形不饱满 焊膏的黏度和质量随时间 环境温度 湿度 环境卫生而变化 模板底面的清洁程度及开口内壁的状态不断变化 23 5 提高印刷质量的措施 1 加工合格的模板 2 选择适合工艺要求的焊膏并正确使用焊膏 3 印刷工艺控制 24 1 模板厚度 2 设计的面积比和宽厚比 3 开孔的几何形状 4 开孔孔壁的光滑程度 1 加工合格的模板 印刷模板 又称漏板 钢网 它是用来定量分配焊膏 是保证焊膏印刷质量的的关键工装冶具 考虑到刮刀起始位置和焊膏流动 在不锈钢板漏印图形四围应留有刮刀和焊膏停留的尺寸 一般情况漏印图形四周与网板粘接胶的边缘之间至少要留有40mm以上距离 具体留多少尺寸应根据不同印刷机确定 有些印刷机需要留有65mm 26 印制模板 网框尺寸 网框尺寸是根据印刷机的框架结构尺寸确定 一般情况下网框尺寸应与印刷机网框尺寸相同 特殊情况下例如当印制板尺寸很小或印刷面积很小时 可以使用小于设备网框尺寸的小尺寸网框 但设备必须配有网框适配器 否则不可使用小尺寸网框 27 模板的厚度 模板印刷是接触印刷 漏印 印刷时不锈钢模板的底面接触PCB表面 因此模板的厚度就是焊膏图形的厚度 模板厚度是决定焊膏量的关键参数 因此必须正确选择模板厚度 另外 可以通过适当修改开口尺寸来弥补不同元器件对焊膏量的不同需求 总之 模板的厚度与开口尺寸决定了焊膏的印刷量 模板厚度应根据印制板组装密度 元器件大小 引脚 或焊球 之间的间距进行确定 大的Chip元件以及PLCC要求焊膏量多一些 则模板厚度厚一些 小的Chip元件以及窄间距QFP和窄间距BGA BGA CSP要求焊膏量少一些 则模板厚度薄一些 28 排版 指印刷图形放在模板的什么位置 以PCB外形居中 或以焊盘图形居中 或有特殊要求 如在同一块模板上加工两种以上PCB的图形等 1 一般情况下应以焊盘图形居中 以焊盘图形居中印刷时能选用小尺寸的刮刀 可以节省焊膏 还可以减少焊膏铺展面积 从而减少焊膏与空气接触面积 有利于防止焊膏中溶剂挥发 2 当印制板尺寸比较大 而焊盘图形的位置集中在PCB的某一边时 应采用以PCB外形居中 如果以焊盘图形居中 印刷时可能会造成印制板超出印刷机工作台的工作范围 29 3 当PCB尺寸很小或焊盘图形范围很小时 可将双面板的图形或几个产品的漏印图形加工在同一块模板上 这样可以节省模板加工费 但必须给加工厂提供几个产品图形在模板上的布置要求 用文字说明或用示意图说明 两个产品的图形间距产品1 10 20mm即可 产品2 30 SMT不锈钢模板制作工艺要求 金属模板的制造方法 1 化学腐蚀法 减法 锡磷青铜 不锈钢板 2 激光切割法 减法 不锈钢 高分子聚脂板 3 电铸法 加法 镍板 31 32 钢网及选用 化学蚀刻 技术成熟 成本低激光切割 精度高 技术新 侧壁需抛光 可返工电铸工艺 精度高 技术新 底部需整平 三种制造方法的比较 33 蚀刻钢板 过度蚀刻或蚀刻不足 过度蚀刻开口变大 蚀刻不足开口变小 34 孔壁粗糙影响焊膏释放 35 模板厚度与开口尺寸基本要求 宽厚比 开口宽度 W 模板厚度 T 1 5面积比 开口面积 W L 孔壁面积 2 L W T 0 66 36 摘录于 IPC 7525模板设计导则 摘录于 IPC 7525模板设计导则 通用的设计标准认为 开孔大小应该比PCB焊盘要相应减小 模板开孔通常比照PCB原始焊盘进行更改 减小面积和修正开孔形状通常是为了提高锡膏的印刷质量 回流工艺和模板在锡膏印刷过程中更加清洁 这有利于减少锡膏印刷偏离焊盘的几率 而印刷偏离焊盘易导致锡珠和桥连 将开孔上倒圆角能促进模板的清洁度 开孔的几何形状 如间距为1 3 0 4mm的J型引脚或翼型引脚元件 通常缩减量 宽为0 03 0 08mm 长为0 05 0 13mm 摘录于 IPC 7525模板设计导则 用钢板的开口尺寸和形状来减少印刷缺陷 39 有几种开孔形状有利于锡珠的产生 所有的设计都是为了能减少锡膏过多地留在元件之下 这些设计通常适用于免清洗工艺 摘录于 IPC 7525模板设计导则 模板开口方向与刮刀移动方向 与刮刀移动方向垂直的模板开口 因刮刀通过的时间短 焊膏难以被填入 常造成焊膏量不足 因此 为了使与刮刀移动方向垂直与平行的模板开口的焊膏量相等 应加大垂直方向的模板开口尺寸 模板开口长度方向与刮刀移动方向垂直 模板开口长度方向与刮刀移动方向平行 平行 垂直 41 红胶开孔置于元件焊盘的中部 开孔为焊盘间距的1 3和元件宽度的110 红胶 摘录于 IPC 7525模板设计导则 Mark的处理方式 是否需要Mark 放在模板的哪一面等 模板上的Mark图形是全自动印刷机在印刷每一块PCB前进行PCB基准校准用 因此半自动印刷机模板上不需要制作Mark图形 全自动印刷机必须制作Mark图形 至于放在模板的哪一面 应根据印刷机具体构造 摄象机的位置 而定 43 用放大镜或显微镜检查焊盘开口的喇叭口是否向下 开口四周内壁是否光滑 有无毛刺 重点检查窄间距IC引脚开口的加工质量 将该产品的印制板放在模板下底面 用模板的漏孔对准印制板焊盘图形 检查图形是否完全对准 有无多孔 不需要的开口 和少孔 遗漏的开口 如果发现问题 首先应检查是否我方确认错误 然后检查是否加工问题 如果发现质量问题 应及时反馈给模板加工厂 协商解决 44 钢网来料检验项目 5 提高印刷质量的措施 1 加工合格的模板 2 选择适合工艺要求的焊膏并正确使用焊膏 3 印刷工艺控制 45 焊膏的合金粉末颗粒尺寸与印刷性的关系 焊膏的合金粉末颗粒尺寸直接影响填充性和脱膜性细小颗粒的焊膏印刷性比较好 特别对于高密度 窄间距的产品 由于模板开口尺寸小 必须采用小颗粒合金粉末 否则会影响印刷性和脱摸性 小颗粒合金粉的优点 印刷性好 印刷图形的清晰度高 缺点 易塌边 表面积大 易被氧化 46 合金粉末颗粒直径选择原则 a焊料颗粒最大直径 模板最小开口宽度的1 5 b圆形开口时 焊料颗粒最大直径 开口直径的1 8 长方形圆形开口c模板开口厚度 垂直 方向 最大颗粒数应 3个 焊膏焊盘PCB 47 焊膏的选择方法 不同的产品要选择不同的焊膏 a 根据产品本身的价值和用途 高可靠产品选择高质量的焊膏 b 根据PCB和元器件存放时间和表面氧化程度选择焊膏的活性 一般采用RMA级 高可靠性产品选择R级 PCB 元器件存放时间长 表面严重氧化 应采用RA级 焊后清洗 c 根据组装工艺 印制板 元器件的具体情况选择合金组分 一般镀铅锡印制板采用63Sn 37Pb 钯金或钯银厚膜端头和引脚可焊性较差的元器件 要求焊点质量高的印制板采用62Sn 36Pb 2Ag 水金板一般不要选择含银的焊膏 金与焊料中的锡形成金锡间共价化合物AuSn4 焊料中金的含量超过3 会使焊点变脆 用于焊接的金层厚度 1 m 48 d 根据产品对清洁度的要求来选择是否采用免清洗 免清洗工艺要选用不含卤素或其它强腐蚀性化合物的焊膏 高可靠 航天 军工 仪器仪表以及涉及生命安全的医用器材要采用水清洗或溶剂清洗的焊膏 焊后必须清洗干净 e BGA和CSP一般都需要采用高质量的免清洗焊膏 f 焊接热敏元件时 应选用含铋的低熔点焊膏 49 g 根据PCB的组装密度 有无窄间距 来选择合金粉末颗粒度 常用焊膏的合金粉末颗粒尺寸分为四种粒度等级 窄间距时一般选择20 45 m 50 h 合金粉末的形状也会影响焊膏的印刷性和脱膜性球形颗粒的特点 焊膏粘度较低 印刷性好 球形颗粒的表面积小 含氧量低 有利于提高焊接质量 但印刷后焊膏图形容易塌落 适用于高密度窄间距的模板印刷 滴涂工艺 目前一般都采用球形颗粒 不定形颗粒的特点 合金粉末组成的焊膏粘度高 印刷后焊膏图形不易塌落 但印刷性较差 不定形颗粒的表面积大 含氧量高 影响焊接质量和焊点亮度 只适用于组装密度较低的场合 因此目前一般都不采用不定形颗粒 可用于穿心电容等较大焊接点场合 51 i 根据施加焊膏的工艺以及组装密度选择焊膏的黏度例如模板印刷工艺应选择高黏度焊膏 点胶工艺选择低黏度焊膏 高密度印刷要求高黏度 52 粘度焊膏是一种触变性流体 在外力的作用下能产生流动 粘度是焊膏的主要特性指标 它是影响印刷性能的重要因素 粘度太大 焊膏不易穿出模板的漏孔 印出的图形残缺不全 粘度太小 印刷后焊膏图形容易塌边 影响焊膏粘度的主要因素 合金焊料粉的百分含量 合金含量高 粘度就大 焊剂百分含量高 粘度就小 粉末颗粒度 颗粒大 粘度减小 颗粒减小 粘度增加 温度 温度增加 粘度减小 温度降低 粘度增加 53 a 合金焊料粉含量与黏度的关系 b 温度对黏度的影响 c 合金粉末粒度对黏度的影响 粘度 粘度 粘度 合金粉末含量 wt T 粒度 m a b c 54 触变指数和塌落度焊膏是触变性流体 焊膏的塌落度主要与焊膏的粘度和触变性有关 触变指数高 塌落度小 触变指数低 塌落度大 影响触变指数和塌落度主要因素 合金焊料与焊剂的配比 即合金粉末在焊膏中的重量百分含量 焊剂载体中的触变剂性能和添加量 颗粒形状 尺寸 55 工作寿命和储存期限工作寿命是指在室温下连续印刷时 焊膏的粘度随时间变化小 焊膏不易干燥 印刷性 滚动性 稳定 同时焊膏从被涂敷到PCB上后到贴装元器件之前保持粘结性能 再流焊不失效 一般要求在常温下放置12 24小时 至少4小时 其性能保持不变 储存期限是指在规定的保存条件下 焊膏从生产日期到使用前性能不严重降低 能不失效的正常使用之前的保存期限 一般规定在2 10 下保存一年 至少3 6个月 56 2 焊膏的正确使用与管理a 必须储存在5 10 的条件下 b 要求使用前一天从冰箱取出焊膏 至少提前2小时 待焊膏达到室温后才能打开容器盖 防止水汽凝结 c 使用前用不锈钢搅拌棒将焊膏搅拌均匀 搅拌棒一定要清洁 d 添加完焊膏后 应盖好容器盖 e 免清洗焊膏不能使用回收的焊膏 如果印刷间隔超过1小时 须将焊膏从模板上拭去 将焊膏回收到当天使用的容器中 f 印刷后尽量在4小时内完成再流焊 g 免清洗焊膏修板后不能用酒精檫洗 h 需要清洗的产品 再流焊后应当天完成清洗 i 印刷操作时 要求拿PCB的边缘或带手套 以防污染PCB j 回收的焊膏与新焊膏要分别存放 57 搅拌前 搅拌后 58 5 提高印刷质量的措施 1 加工合格的模板 2 选择适合工艺要求的焊膏并正确使用焊膏 3 印刷工艺控制 59 图形对准 刮刀与网板的角度 焊膏的投入量 滚动直径 刮刀压力 印刷速度 网板 模板与PCB 分离速度 清洗模式和清洗频率 建立检验制度 3 印刷工艺控制 图形对准 通过人工对工作台或对模板作X Y 的精细调整 使PCB的焊盘图形与模板漏孔图形完全重合 刮刀与网板的角度 角度越小 向下的压力越大 容易将焊膏注入漏孔中 但也容易使焊膏污染模板底面 造成焊膏图形粘连 一般为45 60 目前自动和半自动印刷机大多采用60 60 焊膏的投入量 滚动直径 焊膏的滚动直径 h 9 15mm较合适 h过小 不利于焊膏漏印 印刷的填充性 h过大 过多的焊膏长时间暴露在空气中不断滚动 对焊膏质量不利 焊膏的投入量应根据刮刀的长度加入 根据PCB组装密度 每块PCB的焊膏用量 估计出印刷100快还是150快添加一次焊膏 61 刮刀运动方向 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 可能会发生两种情况 第 种情况是由于刮刀压力小 会造成漏印量不足 第 种情况是由于刮刀压力小 刮刀没有紧贴模板表面 印刷时由于刮刀与PCB之间存在微小的间隙 因此相当于增加了印刷厚度 另外压力过小会使模板表面留有一层焊膏 容易造成图形粘连等印刷缺陷 因此理想的刮刀压力应该恰好将焊膏