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    SMT基礎知識之錫膏印刷

    在表麵貼裝裝配的回流焊接中,錫膏用於表麵貼裝元件的引腳或端子與焊盤之間的連接,有許多變量。如錫膏、絲印機、錫膏應用方法和印刷工藝過程。在印刷錫膏的過程中,基板放在工作台上,機械地或真空夾緊定位,用定位銷或視覺來對準,用模板(stencil)進行錫膏印刷。

     

    在模板錫膏印刷過程中,印刷機是達到所希望的印刷品質的關鍵。

     

    在印刷過程中,錫膏是自動分配的,印刷刮板向下壓在模板上,使模板底麵接觸到電路板頂麵。當刮板走過所腐蝕的整個圖形區域長度時,錫膏通過模板/絲網上的開孔印刷到焊盤上。在錫膏已經沉積之後,絲網在刮板之後馬上脫開(snapoff),回到原地。這個間隔或脫開距離是設備設計所定的,大約0.020"~0.040"。

     

    脫開距離與刮板壓力是兩個達到良好印刷品質的與設備有關的重要變量。

     

    如果沒有脫開,這個過程叫接觸(on-contact)印刷。當使用全金屬模板和刮刀時,使用接觸印刷。非接觸(off-contact)印刷用於柔性的金屬絲網。

     

    在錫膏印刷中有三個關鍵的要素, 我們叫做3S: Solder paste(錫膏),Stencils(模板),和Squeegees(刮板)。三個要素的正確結合是持續的印刷品質的關鍵所在。 

     

    刮刀(Squeegee

     

    刮刀在印刷時,使刮板將錫膏在前麵滾動,使其流入模板孔內, 然後刮去多餘錫膏, PCB焊盤上留下與模板一樣厚的錫膏。

     

    常見有兩種刮刀類型:橡膠或聚氨酯(polyurethane)刮刀和金屬刮刀。

     

    金屬刮刀由不鏽鋼或黃銅製成,具有平的刀片形狀,使用的印刷角度為30~55°。使用較高的壓力時,它不會從開孔中挖出錫膏,還因為是金屬的,它們不象橡膠刮刀那樣容易磨損,因此不需要鋒利。它們比橡膠刮刀成本貴得多,並可能引起模板磨損。橡膠刮刀,使用70-90橡膠硬度計(durometer)硬度的刮刀。

     

    當使用過高的壓力時,滲入到模板底部的錫膏可能造成錫橋,要求頻繁的底部抹擦。甚至可能損壞刮刀刀片和模板或絲網。過高的壓力也傾向於從寬的開孔中挖出錫膏,引起焊錫圓角不夠。刮刀壓力低造成遺漏和粗糙的邊緣,刮刀刀片的磨損、壓力和硬度決定印刷質量,應該仔細監測。對可接受的印刷品質,刮刀刀片邊緣應該鋒利、平直。

     

    模板(Stencil)類型

     

    目前使用的模板主要有不鏽鋼模板,其的製作主要有三種工藝:化學腐蝕、激光切割和電鑄成型。

     

    由於金屬模板和金屬刮板印出的錫膏較飽滿, 有時會得到厚度太厚的印刷, 這可以通過減少模板的厚度的方法來糾正。

     

    另外可以通過減少(“微調”)絲孔的長和寬10 %,以減少焊盤上錫膏的麵積。 從而可改善因焊盤的定位不準而引起的模板與焊盤之間的框架的密封情況,減少了錫膏在模板底和PCB 之間的炸 開 。 可使印刷模板底麵的清潔次數由每510 次印刷清潔一次減少到每50次印刷清潔一次。

     

    錫膏(Solder paste

     

    錫膏是錫粉和鬆香(resin)的結合物,鬆香的功能是在回流(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150℃持續大約三分鍾。焊錫是鉛、錫和銀的合金,在回流焊爐的第二階段,大約220℃時回流。

     

    粘度是錫膏的一個重要特性,我們要求其在印刷行程中,其粘性越低,則流動性越好,易於流入模板孔內,印到PCB的焊盤上。在印刷過後,錫膏停留在PCB焊盤上,其粘性高,則保持其填充的形狀,而不會往下塌陷。

     

    錫膏的標準粘度大約在500kcps~1200kcps範圍內,較為典型的800kcps用於模板絲印是理想的。

     

    判斷錫膏是否具有正確的粘度,有一種實際和經濟的方法,如下:用刮勺在容器罐內攪拌錫膏大約30秒鍾,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,粘度太低。如果一直落下而沒有斷裂,則太稀,粘度太低。

     

    1)工藝參數設置

     

    模板與PCB的分離速度與分離距離(Snap-off)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 。

     

    對於最細密絲印孔來說,錫膏可能會更容易粘附在孔壁上而不是焊盤上,模板的厚度很重要, 有兩個因素是有利的:

     

    第一, 焊盤是一個連續的麵積, 而絲孔內壁大多數情況分為四麵,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2~3 mm 行程速度可調慢。

     

    2)印刷速度

     

    印刷期間,刮刀在印刷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模孔內。

     

    如果時間不夠,那麽在刮刀的行進方向,錫膏在焊盤上將不平。當速度高於每秒20 mm 時, 刮刀可能在少於幾十毫秒的時間內刮過小的模孔。

     

    3)印刷壓力

     

    印刷壓力須與刮刀硬度協調,如果壓力太小,刮刀將刮不幹淨模板上的錫膏,如果壓力太大,或刮刀刀片太軟,那麽刮刀刀片將沉入模板上較大的孔內將錫膏挖出。

     

    4)壓力經驗公式

     

    在金屬網板上使用刮刀, 為了得到正確的壓力, 開始時在每50 mm的刮刀長度上施加1 kg 壓力,例如300 mm 的刮刀施加6 kg 的壓力, 逐步減少壓力直到錫膏開始留在網板上刮不幹淨,然後再增加1 kg 壓力。 在錫膏刮不幹淨開始到刮刀刀片沉入絲孔內挖出錫膏之間,應該有1~2 kg的可接受範圍都可以到達好的絲印效果。

     

    為了達到良好的印刷結果,必須有正確的錫膏材料(黏度、金屬含量、最大粉末尺寸和盡可能最低的助焊劑活性)、正確的工具(印刷機、模板和刮刀)和正確的工藝過程(良好的定位、清潔拭擦)的結合。根據不同的產品,在印刷程序中設置相應的印刷工藝參數,如工作溫度、工作壓力、刮刀速度、模板自動清潔周期等,同時要製定嚴格的工藝管理製定及工藝製程。

     

    ① 嚴格按照指定品牌在有效期內使用焊膏,平日焊膏保存在冰箱中,使用前要求置於室溫6小時以上,之後方可開蓋使用,用後的焊膏單獨存放,再用時要確定品質是否合格。

     

    ② 生產前操作者使用專用不鏽鋼棒攪拌焊膏使其均勻,並定時用黏度測試儀對焊膏黏度進行抽測。

     

    ③ 當日當班印刷首塊印刷板或設備調整後,要利用焊膏厚度測試儀對焊膏印刷厚度進行測定,測試點選在印刷板測試麵的上下,左右及中間等5點,記錄數值,要求焊膏厚度範圍在模板厚度-10%-模板厚度+15%之間。

     

    ④ 生產過程中,對焊膏印刷質量進行100%檢驗,主要內容為焊膏圖形是否完整、厚度是否均勻、是否有焊膏拉尖現象。

     

    ⑤ 當班工作完成後按工藝要求清洗模板。

     

    ⑥ 在印刷實驗或印刷失敗後,印製板上的焊膏要求用超聲波清洗設備進行徹底清洗並晾幹,或用酒精及用高壓氣清洗,以防止再次使用時由於板上殘留焊膏引起的回流焊後出現焊球等現象。