SMT全技术-第一集

SMT印刷是科學,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(solderpaste)印刷質量差而造成的。本文將討論印刷(screenprinting)的基本要素，並探討生產中持續的完美印刷品質所需的技術。在錫膏印刷中有三個關鍵的要素，這裏叫做三個S：Solderpaste(錫膏)，Stencils(印刷鋼板)，和Squeegees(印刷刮板)。三個要素的正確結合是持續的印刷品質的關鍵所在。錫膏(第一個S)錫膏是錫珠和松香(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：75~53m3型：53~38m4型：38~25m(=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()來度量，而印刷鋼板厚度的工業標準是美國的專用單位thou!(1m=1x10-3mm,1thou=1x10-3inches,25m1thou.)錫膏類型3x最大的錫珠尺寸最接近的鋼板厚度2型：75~533x75=225=9.0thou9thou3型：53~383x53=159=6.4thou6thou4型：38~253x38=114=4.6thou4thou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16thou(0.4mm)8thou(0.2mm)2型：75~5312thou(0.3mm)6thou(0.15mm)3型：53~388thou(0.2mm)4thou(.1mm)4型：38~25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500kcps~1200kcps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(silkscreenprinting)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(finepitch)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(2~3μm)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1~3mm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10mmx10mm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40mm刮板是暴露的，而錫膏只向上走15~20mm，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：60~65shoreverysoft紅色70~75shoresoft綠色80~85shorehard藍色90+shoreveryhard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(70~75shore，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(60~65shore,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：80~85shore，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幹淨，然後再增加1kg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1~2kg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3~9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：4~15kg)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4thou，所以絲印厚度至少必須是5thou。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=wxd絲孔內壁面積=2(wxh)+2(dxh)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25thou，因此最小的焊盤寬度為12.5thou或3mm，乘以比如說2mm的長度，模板為6thou(0.15mm)厚度。焊盤面積=0.3mmx2mm=0.6mm2絲孔內壁面積=2x(0.15mmx0.3mm)+2x(0.15mmx2mm)=0.69mm2將模板厚度減少為4thou(0.1mm)可將情況得到改善。絲孔內壁面積=2x(0.10mmx0.3mm)+2x(0.1mmx2mm)=0.46mm2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2~6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2~3mm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20mm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1mm的最大速度。因此：最密引腳間隔最小絲孔最大印刷速度50thou25thou每秒50mm25thou12.5thou每秒25mm16thou8thou每秒16mm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