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SMT基础知识之锡膏印刷

作者:博维科技 时间:2019-01-14 17:04

在表面贴装装配的回流焊接中,锡膏用于表面贴装元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,用模板(stencil)进行锡膏印刷。

在模板锡膏印刷过程中,印刷机是达到所希望的印刷品质的关键。

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在印刷过程中,锡膏是自动分配的,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,锡膏通过模板/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(snapoff),回到原地。这个间隔或脱开距离是设备设计所定的,大约0.020"~0.040"。

脱开距离与刮板压力是两个达到良好印刷品质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。

在锡膏印刷中有三个关键的要素, 我们叫做3S: Solder paste(锡膏),Stencils(模板),和Squeegees(刮板)。三个要素的正确结合是持续的印刷品质的关键所在。 
 

刮刀(Squeegee)

 

刮刀在印刷时,使刮板将锡膏在前面滚动,使其流入模板孔内, 然后刮去多余锡膏, 在PCB焊盘上留下与模板一样厚的锡膏。

常见有两种刮刀类型:橡胶或聚氨酯(polyurethane)刮刀和金属刮刀。

金属刮刀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30~55°。使用较高的压力时,它不会从开孔中挖出锡膏,还因为是金属的,它们不象橡胶刮刀那样容易磨损,因此不需要锋利。它们比橡胶刮刀成本贵得多,并可能引起模板磨损。橡胶刮刀,使用70-90橡胶硬度计(durometer)硬度的刮刀。

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。甚至可能损坏刮刀刀片和模板或丝网。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。刮刀压力低造成遗漏和粗糙的边缘,刮刀刀片的磨损、压力和硬度决定印刷质量,应该仔细监测。对可接受的印刷品质,刮刀刀片边缘应该锋利、平直。

z模板(Stencil)类型

目前使用的模板主要有不锈钢模板,其的制作主要有三种工艺:化学腐蚀、激光切割和电铸成型。

由于金属模板和金属刮板印出的锡膏较饱满, 有时会得到厚度太厚的印刷, 这可以通过减少模板的厚度的方法来纠正。

另外可以通过减少(“微调”)丝孔的长和宽10 %,以减少焊盘上锡膏的面积。 从而可改善因焊盘的定位不准而引起的模板与焊盘之间的框架的密封情况,减少了锡膏在模板底和PCB 之间的“ 炸 开 ”。 可使印刷模板底面的清洁次数由每5或10 次印刷清洁一次减少到每50次印刷清洁一次。

 

 
 
 
 
 
 

 

锡膏(Solder paste)

锡膏是锡粉和松香(resin)的结合物,松香的功能是在回流(reflowing)焊炉的第一阶段,除去元件引脚、焊盘和锡珠上的氧化 物,这个阶段在150℃持续大约三分钟。焊锡是铅、锡和银的合金,在回流焊炉的第二阶段,大约220℃时回流。

粘度是锡膏的一个重要特性,我们要求其在印刷行程中,其粘性越低,则流动性越好,易于流入模板孔内,印到PCB的焊盘上。在印刷过后,锡膏停留在PCB焊盘上,其粘性高,则保持其填充的形状,而不会往下塌陷。

锡膏的标准粘度大约在500kcps~1200kcps范围内,较为典型的800kcps用于模板丝印是理想的。

判断锡膏是否具有正确的粘度,有一种实际和经济的方法,如下:用刮勺在容器罐内搅拌锡膏大约30秒钟,然后挑起一些锡膏,高出容器罐三、四英寸,让锡膏自行往下滴,开始时应该象稠的糖浆一样滑落而下,然后分段断裂落下到容器罐内。如果锡膏不能滑落,则太稠,粘度太低。如果一直落下而没有断裂,则太稀,粘度太低。

 

 
 
 
 

 

(1)工艺参数设置

 

 
 
 
 
 
 

 

模板与PCB的分离速度与分离距离(Snap-off)丝印完后,PCB与丝印模板分开,将锡膏留在PCB 上而不是丝印孔内 。

对于最细密丝印孔来说,锡膏可能会更容易粘附在孔壁上而不是焊盘上,模板的厚度很重要, 有两个因素是有利的:

第一, 焊盘是一个连续的面积, 而丝孔内壁大多数情况分为四面,有助于释放锡膏; 

第二,重力和与焊盘的粘附力一起, 在丝印和分离所花的 2~6 秒时间内,将锡膏拉出丝孔粘着于PCB上。

为最大发挥这种有利的作用,可将分离延时,开始时PCB分开较慢。 很多机器允许丝印后的延时,工作台下落的头2~3 mm 行程速度可调慢。

 

 
 
 
 

 

(2)印刷速度

 

 
 
 
 
 
 

 

印刷期间,刮刀在印刷模板上的行进速度是很重要的, 因为锡膏需要时间来滚动和流入模孔内。

如果时间不够,那么在刮刀的行进方向,锡膏在焊盘上将不平。当速度高于每秒20 mm 时, 刮刀可能在少于几十毫秒的时间内刮过小的模孔。

 

 
 
 
 

 

(3)印刷压力

 

 
 
 
 
 
 

 

印刷压力须与刮刀硬度协调,如果压力太小,刮刀将刮不干净模板上的锡膏,如果压力太大,或刮刀刀片太软,那么刮刀刀片将沉入模板上较大的孔内将锡膏挖出。

 

 
 
 
 

 

(4)压力经验公式

 

 
 
 
 
 
 

 

在金属网板上使用刮刀, 为了得到正确的压力, 开始时在每50 mm的刮刀长度上施加1 kg 压力,例如300 mm 的刮刀施加6 kg 的压力, 逐步减少压力直到锡膏开始留在网板上刮不干净,然后再增加1 kg 压力。 在锡膏刮不干净开始到刮刀刀片沉入丝孔内挖出锡膏之间,应该有1~2 kg的可接受范围都可以到达好的丝印效果。

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)、正确的工具(印刷机、模板和刮刀)和正确的工艺过程(良好的定位、清洁拭擦)的结合。根据不同的产品,在印刷程序中设置相应的印刷工艺参数,如工作温度、工作压力、刮刀速度、模板自动清洁周期等,同时要制定严格的工艺管理制定及工艺制程。

① 严格按照指定品牌在有效期内使用焊膏,平日焊膏保存在冰箱中,使用前要求置于室温6小时以上,之后方可开盖使用,用后的焊膏单独存放,再用时要确定品质是否合格。

② 生产前操作者使用专用不锈钢棒搅拌焊膏使其均匀,并定时用黏度测试仪对焊膏黏度进行抽测。

③ 当日当班印刷首块印刷板或设备调整后,要利用焊膏厚度测试仪对焊膏印刷厚度进行测定,测试点选在印刷板测试面的上下,左右及中间等5点,记录数值,要求焊膏厚度范围在模板厚度-10%-模板厚度+15%之间。

④ 生产过程中,对焊膏印刷质量进行100%检验,主要内容为焊膏图形是否完整、厚度是否均匀、是否有焊膏拉尖现象。

⑤ 当班工作完成后按工艺要求清洗模板。

⑥ 在印刷实验或印刷失败后,印制板上的焊膏要求用超声波清洗设备进行彻底清洗并晾干,或用酒精及用高压气清洗,以防止再次使用时由于板上残留焊膏引起的回流焊后出现焊球等现象。

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