SMT锡膏丝印三要素.docx

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SMT锡膏丝印三要素

SMＴ丝印是科学，不是艺术

在一块典型的PCB（印刷电路板）上，可能有几百个元件,600到１,０00个联接点（即焊盘pad）。

因此这些端点的焊接不合格率必须维持在一个最小值。

一般来说,ＰCB不能通过测试而须要返工的有60％是由于锡膏（solｄｅrpaste）丝印质量差而造成的。

本文将讨论丝印（screｅnprintinｇ）的基本要素,并探讨生产中持续的完美丝印品质所需的技术。

在锡膏丝印中有三个关键的要素，这里叫做三个S：

Solderｐaste（锡膏）,Sｔｅnｃilｓ（丝印模板）,和Ｓｑuｅeｇｅes（丝印刮板）。

三个要素的正确结合是持续的丝印品质的关键所在。

锡膏（第一个Ｓ）

锡膏是锡珠和松香（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︒　Ｃ持续大约三分钟。

（resｉn有时叫做ｒoｓｉn，严格地说,resin是天然产品,而ｒoｓiｎ是人造产品。

）焊锡是铅、锡和银的合金，在回流焊炉的第二阶段,大约２２0︒C时回流。

银和松香都起帮助熔化焊锡和湿润（wｅtting）以达到回流的作用,即助焊剂的作用。

（湿润wetｔｉｎg:

是焊接效果的描述词，被焊物好象被锡所浸“湿”。

）

球状的焊锡颗粒制造成各种混合尺寸,然后筛选、分级,锡膏是按照锡珠的大小来分级的,如下:

2型：

７５~53μm

3型:

５3~38μm

4型：

3８～２5μm（μ＝micron＝0.０01mm）

三球定律

三球定律给生产提供了一个选择丝印模板的简单公式，锡膏中锡珠的大小必须与丝印模板相匹配,如下所述：

经验公式：

∙至少有三个最大直径的锡珠能垂直地排在丝印模板的厚度方向上。

∙至少有三个最大直径的锡珠能水平地排在丝印模板的最小孔的宽度方向上。

如图中所示为丝印模板及锡珠的截面图：

计算略为复杂,因为锡珠是用米制ｍｉcron（μ）来度量，而丝印模板厚度的工业标准是美国的专用单位thoｕ!

（1μｍ＝1x10-3mｍ,1thou＝１x10－3inｃhes，２５μm≈1ｔhoｕ．）

锡膏类型

3x最大的锡珠尺寸

最接近的模板厚度

2型:

75~53μ

３x75μ=225μ=9.0tｈou

9　thou

3型：

53~３8μ

3x5３μ=１5９μ=６．4thoｕ

６　thｏu

4型:

38~25μ

3x３8μ=１1４μ=4.6tｈou

4　thou

丝印孔的尺寸是由元件引脚间隔（ｐitcｈ）决定的,焊盘的尺寸一般是引脚间隔的一半。

（丝印孔的尺寸实际上可能比焊盘（ｐad）尺寸小一点），例如，2５tｈou（0．63mm）的间隔,丝印孔为12．５ｔhou。

因此锡膏的选用必须满足丝印模板上最小的丝印孔：

元件最小引脚间隔

最小丝印孔

合适的锡膏类型

１6thｏu

8ｔhｏu

２型:

75~53μ

12　ｔhou

6thou

3型：

53～3８μ

8thou

4tｈou

4型：

38~2５μ

因此,丝印模板的厚度通常是决定因素,大多数应用是选择标准的6ｔｈou厚的丝印模板，3型的锡膏。

粘　度

粘度是锡膏的一个重要特性,从动态方面来说,在丝印行程中，其粘性越低,则流动性越好，易于流入丝印孔内，印到PCB的焊盘上。

从静态方面考虑,丝印刮过后,锡膏停留在丝印孔内，其粘性高,则保持其填充的形状,而不会往下塌陷，这一点对于等待贴片前丝印在焊盘上的锡膏更为重要。

锡膏在其容器罐内的粘度是使用一种精巧的、通常很昂贵的实验室粘度计测量而得的。

标准的粘度是在大约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更为实际和经济的方法,如下:

用刮勺在容器罐内搅拌锡膏约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，如果一直落下而没有断裂,则太稀,粘度太低。

丝印模板（第二个Ｓ）

历史上,使用一种厚的乳胶丝网，它有别于丝印模板，现在只有少数锡膏丝印机使用。

金属模板比乳胶丝网普遍得多,优越得多，并且也不会太贵。

下图给出了一个价格比较的概念：

厚乳胶丝　网

锡膏印刷技术源自于完善建立的工业丝印（ｓilｋscreｅｎｐｒintiｎg）行业,因此术语“丝印”被源用到这种要求较稠沉淀物的锡膏印刷。

厚乳胶丝网原本比金属模板经济得多，但使用寿命不长,而且用于密脚（fineｐiｔｃｈ）也不实际。

制造　过程　如下:

在框架上张布一张尼龙、聚酯纤维或不锈钢的丝网。

不锈钢丝是最好的，因为其刚性。

工业丝印用的网很细密，大约每英寸400丝，这样细小的油墨粒子（2~3μｍ）才可以很流畅地通过丝网。

为了使锡珠通过丝网,建议采用一种粗糙得多的丝网,大约每英寸80丝。

丝网上涂盖光敏乳胶,通常约十层以封住网孔，形成一层典型的8ｔｈｏｕ的厚度。

将正趋光性（黑色焊盘）透明玻璃放在上面，然后用很强的紫外光来曝光（如：

2kw,几秒钟）。

曝光区域变硬，软的地方没曝光，可被洗掉而留下网孔。

因此，丝印时锡膏可以通过这些孔来印刷。

丝印刮板（sqｕｅegeｅ）是利用泵作用原理将锡膏压挤通过丝网，因此要使用一种软的橡胶刮板（见刮板部分）。

丝印时丝网与PCＢ之间留有1～3ｍm的间隙,刮板将丝网压低和PＣB接触,随后“撕开”。

这种作用是必要的,否则,锡膏会滞留在丝网上而不是在PＣＢ的焊盘上。

厚乳胶丝网的应用，其局限性主要是由于开孔上有丝网的阻碍,得到的丝印沉淀物有限，不可以用于小于30thｏu的密间隔。

金　属　模　板

金属模板现在在大多数的锡膏丝印机上使用。

其组成是薄金属板上开有小孔,锡膏从中印出，解决了前面网印的沉淀物无规律的问题。

不要求丝印刮板有泵作用，因为锡膏可以很容易流过开孔。

也不要求模板与PCＢ之间有间隙。

有三种制造金属模板的方法：

化学、激光和电蚀。

化学腐蚀

现时丝印模板主要是这种方法制造的，过程如下:

取薄铜板,或更普遍的不锈钢板，在两面涂盖光敏耐酸物,正趋光性（黑色焊盘）模版分别叠放在两面,用强力紫外光曝光。

曝光区域变硬,而软的焊盘区域可以被冲洗掉。

然后将板放入酸中洗浴,从两面腐蚀掉所希望孔。

金属板两边的正趋光性模版的相互定位是关键性的，特别是密引脚间隔的元件。

如果模版定位不好，孔会形成斜坡,造成丝印不好,出现这种情况的机会通常是十分之一,但在过去几年中,该问题很　大成度上被解决了，因为改进的CAD数据和制造技术使失误率下降到大约五十分之一。

成功的技术将使得模版如同一个信封，将空板放入，可达到2~２0mｉcrｏn的精度。

孔壁不能达到太平整,因为酸是逐步腐蚀到孔内,但也会往板的横向腐蚀。

形成一个“8”字形截面。

（下图为放大图）

但是，由于丝印模板很薄，所以通常这不是问题。

激光刻　制模板

另一个技术是使用电脑控制的CO2或ＹAＧ激光从板的一面切割出丝孔，可能要花去大约半个小时来刻制一块模板，开孔区越大，时间就越多,费用也越高。

激光机大约成本为4０0,000美元,因此激光使用时间昂贵，结果通常一块模板费用是化学腐蚀的三倍。

该系统很精密，但除了成本贵外，还有一个缺点:

激光将熔化的金属切割出丝孔，同时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学方法来清洗表面,留下几个micｒon的粗糙度,看上去好象表面暗淡,对聚酯刮板有磨损作用，并且使得模板难以清洁,虽然有人认为粗糙度将有助于锡膏的“滚动”。

 电蚀模板

电蚀模板现时约占使用的２~3%，其制造过程是加成的，不象其它工艺，模板成形方法如下:

用光敏绝缘乳胶埋盖住芯板（基板）,通过负趋光性模版（焊盘区透明，非丝印区不透明）用紫外光曝光。

焊盘区域变硬,其它区域被清洗掉，然后将芯板浸浴在酸性电解溶液内，作为阴极联接在电源上,阳极为耗损性镍。

经过几个小时,镍就沉淀在导电区域（非焊盘）,并可以象一张纸一样撕下,形成丝孔。

这种模板有比其它模板优越的地方，孔的内壁很平滑,可以作成梯形，即底部比上部稍宽，1~２︒的角度，这有助于锡膏穿过模板印到ＰCB上。

在孔的底部四周形成１0~2０mｉｃrｏn的“尖头”，在焊盘周围形成一圈边框，丝印时有助于锡膏准确地停留在焊盘上,见下图：

成本大　约比化学腐蚀高　3０　%。

刮板（第三个　Ｓ）

刮板有两种　形式：

菱形　和　拖裙　形　,　拖　裙　形分成聚乙　烯（或　类似）材料　和金属。

菱形

这种形式现在　已很　不普遍了，虽然还在　使用，特　别在美国和日　本。

它由截面　为　大　约10mｍx1０mm的正方形组成，由夹　板　夹　住，形成两面45︒的角　度　:

这种刮板可以两个方向工作，每个　行程末都会　跳过　锡膏条　,因此只要一个刮板。

　可是，　这样很容易弄脏，因为　锡膏会往　上跑，而　不是只停留　在聚乙烯的很　少　的　暴露部分　。

其挠性不　够意味着不能贴合扭曲变形　的PCB,　可能造　成漏印区　域。

不可调节。

拖裙形

这种形　式很普遍，由截面　为矩形的聚乙烯　构　成　,夹板支持，需要　两个刮板,一个丝印行程方向一个　刮板。

　无　需　跳过锡　膏条,因锡　膏就　在　两个刮板　之间,　每个行程的角度可以单独决定。

大约　40ｍm刮板　是暴露的，而　锡膏只向上走15～２0　mm，所以这　种形式更干净些。

刮板是按硬度范围和　颜色代　号来区分的,例　如：

6０~65ｓhｏre

vｅrysｏft

红色

70~７5shore

sｏft

绿色

8０~85sｈore

hard

蓝色

90+sｈore

vｅryｈard

白　色

使用　之前　,刮板须调节，使其　导向　边成直　线并平行　,先检查其边是否　成　直线　，如　果不,调节　夹板的　固定　螺丝。

刮板作　用

和金属模板比　较来看,刮　板的动力学要求对乳胶丝网　是不同的　。

在乳胶丝网上　,刮板需要推动其前面的　锡膏，将　锡膏　泵压通过　丝　网而印　到　丝印区域　，要到达这　种作用需使　用　一种软的刮板（70~７5shorｅ,绿色）,其自　身在与丝网接触的地方　发生　变形。

甚至　可　用　更软的刮板（６0~６５shoｒe,　红色　）来在厚　的　混　合陶瓷基底上　丝　印油墨。

使用金属模　板时，刮板将锡　膏在前面滚动,无须　泵作　用即可　流　入丝孔内,　然后刮去多余锡膏,　在ＰCB焊盘上留下与模　板一样厚　的锡膏。

不需要也　不指　望刮　板的变形,因此　可　以　使　用较硬的　（即:

80～85　shｏrｅ，蓝　色）　或金属的刮板。

刮板　硬度与　压　力　必须协调　,如　果压力　太　小，　刮板将刮不干净　模板上的锡膏，如　果　压　力太　大，　或刮板太软，　那么刮　板　将沉入模板上较大的孔内将锡膏挖　出　。

压　力的经验公式

在金属模板上使用蓝色刮板，为　了　得到　正　确的压力,开始时在每５０　mｍ的刮板长度　上施　加1ｋg压力，例如300ｍｍ的刮板施加６kg的压力,　逐步　减少压力直　到　锡膏开始　留　在模　板上　刮不干净　，然后再增加　1kg压力。

在锡膏刮　不干净开始到刮板沉入丝孔内挖　出锡膏之间，　应该有１～2ｋg的　可接　受范围都可以　到达好的丝印　效果。

金属刮板

在　控制较　好　的情　况　下,　利用聚乙烯刮板可　以　达到非常好的　效果,而　金属刮板　在生产中也是很好　的,同　时可解决一些　聚乙烯所产生的　问题。

但记住，它不适用于乳胶　丝网，　因为会　造成过度　的　磨损,并　且没　有泵　锡膏　的作用。

由金属　刀片固定于支架组　成,大约　40mm的伸出。

不　象聚乙　烯　刀片　，它有很直的边线,使　用　前无须调　整。

相对于　聚乙烯　的大约3~9个月寿命　来说，其寿命　是无限的。

虽然　整个刀　片有短暂的柔性来　接纳变形翘起　的PCＢ　,　但其边不退　让和变　形沉　入丝孔的事实　使　它具有其　几个优　点，　不管丝孔的大小如何，较大范围　的压　力（即：

4~1５kg）　都可得到　好　的　丝印效果　。

　6thoｕ的模板决定　了丝　印厚度也是6thoｕ，这　就避免　了因　操　作员和其它条件的不同而产　生的变化。

　可靠的丝印厚度　是特　别重要的　，　因为　表面　贴附元件的　同　平面度　允许误差是４　thou,所以丝　印厚度　至　少　必须是5tｈｏu。

由　于　金属模板和金　属刮板丝印出的锡膏　很　饱满，一些使　用　者　发现　当　他们　转　换　时,得到的丝印　厚度太　厚　。

　这个　可以通过　减少　模板的厚度的方　法来纠　正,但最好是　减少（“微调　”）丝孔的长和宽10%，以减少焊盘上　锡膏的面积　。

　这样　就意味着焊盘的定位　变得不很重要了，模板　与　焊盘　之间的框架密　封得到改　善　,减少了锡膏在　模板　底和PＣB　之间的　“炸　开”。

　丝　印模板底　面　的清洁次数由　每5或　10次丝印清洁　一　次减少到　每５0　次丝　印　清　洁一　次。

模板与　丝印　后PCB的分开

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，模板的厚度很重要,因为丝孔的孔壁相对于焊盘面积变得很重要,锡膏可能会更容易粘附在孔壁上而不是焊盘上。

焊盘面积　=ｗxｄ丝孔内　壁面积　=2（wx　h）+　2（d　xｈ）

焊盘面积　的经验公式，尽可　能　不小　于孔内壁的面积。

例如:

PCB　上最密引　脚间隔是　25thoｕ,　因此最小　的　焊盘宽度　为　12.5thou或3mm，乘以比　如说　２mｍ的　长度，模　板　为6thｏｕ　（０.15mｍ）厚度。

焊盘　面　积=0．３mmx2ｍｍ=　０.6ｍｍ2

丝　孔内壁面积＝２ｘ　（0.１5　mm　x　０.3mm）　＋2ｘ（0.15　ｍｍx2mm）=0.69mm2

将模板　厚度　减少为4ｔhｏu（0.1　ｍm）可将情况得到改善。

丝孔　内　壁面积＝　2x（0.1０　ｍｍx0.3　mｍ）　+　２ｘ（0.1ｍmx　2　mm）=　0.46　mm2

不　过，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　。

丝　印速　度

丝印期　间,刮板　在丝印模板上的　行进速度是很重要的，　因为锡膏需要时间来滚动和流入　丝孔内。

如果允许时间不够,那么在刮板的行　进方　向　,锡　膏在焊盘　上将不平。

当速度低　到　每秒20　mｍ时，刮板可能在少　于几　十　毫秒的时　间内刮过小的丝　孔。

丝印　速度的经验公　式

对　PCＢ上　最密元件引脚的每thｏｕ长度，你可以　允许每秒1　mm的最　大　速度。

因　此：

最密引脚间隔

最小丝孔

最大丝印速度

50thｏu

2５　thou

每秒50　mm

25ｔｈoｕ

12．5thou

每秒2５mm

１6ｔhou

8ｔhou

每秒16mm

结论

无论　你采用的丝印机　的复杂性及特性　如何,如果你不　能选　择正　确　的锡膏、丝印模　板和丝印　刮板的结合使用　，那么　，丝印只是　艺术，而　不是科学。