【干货|推荐转发+收藏】SMT锡膏印刷工艺超全深度解析

                                                                                                   


SMT业內最具人气，最活跃，最有影响力的——SMT顶级人脉圈微信公众号SMT制造业实力派移动互联网营销第一媒体 SMT顶级人脉圈引 言：随着电子产品的轻薄化微型化的发展，越来越多的密间距细微型元器件被应用到实际的生产中,如0.3BGA、0.25Connector  03015(公制)甚至0201（公制）等，这些器件对印刷品质的要求都非常之高，因此锡膏印刷已成为SMT生产中非常关键的工序，且印刷品质的好坏直接关系到PCB组装板的焊接质量。那么在焊膏印刷过程中如何才能将我们需要的焊膏适量且精准的转移到PCB上将是本文所要介绍的重点，本文从锡膏，网板，印刷机等三大因素再结合实际生产中的实例对焊膏印刷工艺进行概述解析。
关键词：锡膏；钢网；印刷机；器件。
一 锡膏介绍1.1 锡膏的组成简单来讲锡膏是由合金粉末和助焊剂和混合而成的具有一定粘性和良好触变性的膏体（图1），当其加热到一定温度后，随着溶剂和部分添加剂的挥发，合金粉融化使被焊元器件与焊盘连接在一起，经冷却可形成永久的焊点。
图1
1.2 锡膏的分类按合金种类分为有铅焊膏（Sn63Pb37，Sn62Pb36Ag2）和无铅焊膏（Sn96.5Ag3.0Cu0.5，Sn96.5Ag3.0Cu0.5，Sn64Bi35Ag1，Sn42Bi58）；按活性剂分类为高活性RA，中活性RMA,低活性R型号；按熔融温度可分为高温焊膏（Sn-Ag-Cu合金系列,温度为217～227 ℃），中温焊膏（Sn-Bi-Ag合金，温度178 ℃）低温焊膏（Sn-Bi合金,温度约为138 ℃）1.3 锡膏粒径
表1：

表2 ：
1.4 锡膏粘度焊膏作为印刷的对象,其质量直接关乎产品印刷品质，对于一款焊膏来讲对印刷品质影响最大的就是粘度，粘度大小直接影响着焊膏的转移率，粘度常用的表示符合为μ，单位主要有Pa.s和kcp.s,粘性除受本身焊剂量的影响外，还受到金属粉含量，金属粉颗粒度，温度，印刷时剪切速率影响,他们与粘度变化关系如下（图2），在焊膏的整个印刷过程中，它受刮刀的推力作用其粘度下降的，可以顺利的实现填充和转移，达到网孔内时粘度最低,此时的焊膏更容易从网孔内脱离沉积到PCB上，随着外力的消失，锡膏的粘度又迅速回升（图3），故而脱模后焊膏能保持原有形状不塌落,这一点对于印刷来讲别特重要。

图2
图3
1.5 锡膏的性能评价我们对于锡膏的使用一般要求其流变性及活性在有效期内保持稳定，印刷时有良好的触变性，开放使用寿命较长且能保持良好的润湿强度，贴片回流或静置时坍塌小，有足够的活性润湿元器件和焊盘，回流后的残留物特性稳定，所以评价一款焊膏优劣或是否适用，一般应该包括焊膏的使用性能,助焊剂性能,金属粉性能等.评价标准如下(表3)，具体判定可参考J-STD-005和IPC-TM-650文件中对焊膏的性能要求。
表3
1.6 锡膏的管理
二  钢网介绍 网板是印刷工艺的基本工具，目前市面上的网板主要有两种类型，丝网模板和金属网板。丝网模板虽其制作工艺简单但其不适用于目前高精度大批量的生产工艺,渐渐被放弃使用，在这里我们着重介绍生产中被广泛应用的钢网模板。2.1 钢网制作工艺
随着电子产品发展趋势,为能适应高精度细间距元器件的应用以及多样化元件的混合使用，随之对钢网制作工艺进行了升级,就出现FG钢网，纳米涂层钢网以及混合工艺钢网等来改善印刷质量.FG钢网主要是采用了有别于普通304钢板的特殊钢片,它的优点在于钢片制作工艺中加入一种铌元素,铌元素可以细化晶粒降低钢的过热敏感性及火脆性提升钢片加工强度；孔壁光滑度加工形变量均优于普通钢网，图4 所示普通钢片与FG钢片表面粗糙度和激光加工后的孔壁光洁度的对比纳米钢网：通过高分子结合化在钢板的开口内壁及与PCB板接触面的表面、形成防油膜、减少锡膏以及助焊的粘附,提升脱模质量及锡膏转移率；阶梯钢网：阶梯钢网为照顾机板上多样化的零件吃锡要求而出现的一种钢网工艺,阶梯钢网通过局部减薄的方式实现多样化零件的锡量要求，但要注意与其他零件的安全间距,一般每Step-up 1 mil 印刷影响距离约1 mm，注：阶梯钢网是在基础厚度上减薄形成不同厚度。表4：

图4
2.2 钢网开孔介绍焊膏印刷是表面贴装工艺中第一个关键工艺，特别是对于细间距元件，焊膏印刷过程更需要精细的工艺控制，从而钢网成为焊膏印刷的关键工艺条件之一,因此制作完成的钢网必须有合适的下锡量，良好的脱模效果且能稳定持久使用,经过批量生产验证OK后才可进行标准化。那么怎么才能设计出一套合适的钢网呢，它的设计依据又是什么呢？下面将介绍钢网设计原则和要求,首先钢网开口必须能满足焊膏的有效的释放，IPC-7525文件对钢网开口要求有做定义，它要求钢网的开口必须满足一定的宽厚比和面积比焊膏才能通过网孔顺利转移到PCB上，其定义设计钢网开口的面积比和宽厚比分别大于0.66和1.5，但在实际设计时还应考虑开口最小宽度＞5*solder ball size,满足以上焊膏的转移率将在70%以上(图5).
图5有了合适宽厚面积比只能保证顺利，那么各种元件在焊接时对锡量的要求也是有差异的，所以选择合适钢片厚度也是钢网开口的一个重要环节,下表图6列举了实际生产中的引线间距和相应钢片厚度关系.
图6当钢网的基础厚度选定后，开口也满足一般规则，那么下面就应该考量特殊的元件，依据其所在位置我们可设计该区域相应的钢网厚度（即钢网的Set up/down），精细元器件我们还可使用电铸/FG/纳米钢网等来提升印刷品质。如下列举几类开口实例参考（注：方案均经批量生产验证OK）。片式元件注意开窗内距与料件匹配并进行一定尺寸的倒角帮助焊膏转移，0402以上及Fuse元件还应注意开口的防锡珠（0402设计参考及各类零件倒角尺寸）。
图7表5：
塑封类绕线电感因其可焊端结构的特殊性，在实际生产中常会发生偏移或立碑现象，主要是因为此类电感可焊端可吃锡面积较少，焊膏融化后若零件可焊端位置不能落在焊膏中心，零件的可焊端就很难克服焊膏表面张力，而造成零件偏位或立碑，所以此元料件在设计开窗时一定要结合零件尺寸和可焊端间距并考虑锡量,否则焊接时就容易发生以上的缺陷。一般IC类元件开孔时除考量焊端和ground pad锡量外,还有考虑到在实际生产中操作中易发生外Pin翘脚现象,在做钢网设计时可适当平移外pin增加下锡量来减少翘脚引起的焊接Open。表6：
BGA器件往往是一块基板核心或主要模块,部分发热量较大的BGA还会安装散热模块,所以其焊接品质和强度至关重要，因此BGA元件在做开口设计时多数会考虑增加四拐角和外围BGA pad的锡量来增加焊接强度，防止在安装散热片或单板测试，组装所附螺丝时造成BGA焊点Cracked。特殊元器件开口时一定要计算锡量要求，焊端形状及焊接点位置，否则即便锡膏印刷质量满足要求，在Reflow时也会发生焊接缺陷.以下是两种LED焊端结构及开口设计。
图72.3 钢网的管理①新钢网验收时要检测张力，观察其孔壁是否光滑，使用底片及实物板比对开口是否有误，钢片Mark的产品型号及版本是否与实际一致；②验收OK的钢网贴附内部管控标签并放置于专用储柜/架，方便后续使用时查找及掌控；③钢网使用超过12h后建议取下来放入清洗机进行一次清洗，清洗时注意保护网孔和钢片避免划伤，暂时不用的钢网清洗后贴附保护膜防止污染网孔；④旧钢网再次上线使用时要检查开口及外观无损伤，张力符合公司要求,印刷时模板与PCB的间隙建议≥0,避免印刷时损伤钢网。三 锡膏印刷机印刷机是焊膏印刷工艺中最重要的设备,其发展历程经历手动印刷机，半自动印刷机到目前的全自视觉印刷机,其印刷品质和精度再大幅提高,针对手动印刷和半自动印刷机因其操作简单，对印刷品质要求较低且逐渐退出市场，在这里不再作介绍，我们着重谈下全自动视觉印刷机.针对锡膏印刷来讲全自动印刷机有四大部分对印刷品质起到至关重要作用,它们分别是钢网清洗系统；影像处理系统；平台及钢网控制系统以及刮刀控制系统；在这里介绍下凯格印刷机针对这四部分所做的改进：①钢网清洗系统，凯格印刷溶剂喷施系统采用侵润式或滴淋式两种方式来润湿擦拭纸，避免了常规的小孔喷射易堵孔，溶剂喷射不均匀的状况，且针对擦拭系统增加强力真空机，使得钢网擦拭更干净。②影像识别处理系统，普通相机对Mark都是采用灰阶算法来识别相似度，如此常会出现Mark污染，破损或划伤造成误判或无法识别的状况，凯格印刷机针对此问题采用几何算法相机，对于各类型Mark点均能很好识别,定位更精确，另外此相机兼顾2D检测功能，可对印刷过后的焊盘锡量进行检查。③平台及钢网控制系统，凯格印刷机伺服控制系统均采用国际知名品牌，印刷对位及偏移量调整均通过平台控制更能保证精度,钢网夹持可根据网框尺寸自动调整大小，不局限于大网框钢网，节约钢网制作费用。④刮刀控制系统，凯格印刷机刮刀升降及印刷移动均采用丝杆直连的方式控制更精确，且设计有闭环压力感应系统来控制刮刀压力。3.1印刷过程控制焊膏的印刷实际上就是焊膏转移的过程，此过再次赘述焊膏印刷可以简单理解为刮刀推动焊膏在钢网移动,通过刮刀压力将焊膏填充至网孔后印刷平台下降将焊膏将焊膏转移到PCB上的过程如图8所示，在此过程中涉及到较多管控点和注意事项，在此针对重点事项做一些表述和建议。
图8 3.1.1 滚动直径的概念滚动直径其实体现在焊膏在钢网上的量，刮刀推动锡膏移动是依滚动方式在前进，若焊膏量不足将无法形成滚动造成局部锡膏填充不足，量过多锡膏将会粘附在刮刀座上同样无法形成充分滚动造成PAD上焊膏量不均匀等印刷问题。一般设定焊膏的滚动直径在10～15 mm，所以焊膏添加应少量多次的原则,但实际生产中少量多次又会比较费时且添加量和频率很难把握,还常会出现漏添加，添加较多的状况，为此印刷机又推出现可自动检测焊膏余量和自动添加锡膏的功能，减少了人员参与造成的品质隐患以及频繁操作造成的时间损失（图9 ）。

图93.1.2钢网清洗的重要性钢网在使用的过程常会因一些因素堵塞开口或残留在钢网底部，影响焊膏的印刷品质. ①焊膏粘度过低在印刷时往往会出现PCB与钢网的接触面出现渗锡，此部分锡膏在该片PCB印刷完成后会残留在钢网底部，接下来的印刷就会发生缺陷，若不及时清洗钢网，缺陷将会持续；②钢网非印刷区域锡膏混入到印刷区域，因其长时间暴露在空气中溶剂挥发而变干，混入到印刷区域后往往会堵塞网孔造成漏印刷；③精密细间距元件因开口尺寸较小，焊膏印刷时往往会有焊膏残留在孔壁，此部分焊膏若不及时清理会慢慢积累以至堵塞网孔④外来异物，PCB入料时虽为真空包装但很多PCB在加工时边缘或NPTH孔壁会有成型碎屑或PP溢胶残渣，特殊的镀镍金或化银工艺包装中间还会放置隔离纸，若这些碎屑在印刷前未能及时清除，一样会赌塞网孔造成印刷缺陷. ⑤焊膏在刮刀的压力下循环往复在钢网上移动，个别锡粉会被刮刀片压扁变成片式，这些锡片会随着印刷进行慢慢长大以至堵塞网孔，所以钢网清洗对焊膏印刷至关重要，它不仅仅需要印刷机自动清洗，印刷超过12 h建议取下钢网进行一次全面手动或清洗设备清洗,这对印刷品质提升非常有帮助。凯格印刷机特有加强型清洗系统和加选的钢网检测系统能很好的解决钢网锡膏残留和堵孔问题。
图103.2印刷缺陷案例解析①现象：某通讯产品Shielding ,为尽可能增加锡量放置焊接Open，钢网在制作时做了最大外延.实际印刷时发现PAD中心区域焊膏被刮刀带走,原因分析：钢网开口无足够支撑面保护锡膏，在刮刀压力左右下，开口 中心部位的被刮刀带走,改善方案：重新制作钢网,增加架桥数量。
图11 ② 现象：某双面板第二面印刷时刮刀移动过后发现钢网上局部有锡膏留,PCB锡量偏厚,钢网底部渗锡。原因分析：a. PCB变形、b. 刮刀片NG、c. 此区域未放置Support Pin 以上分析逐一确认未发现异常,后经单步印刷确认为有两颗支撑Pin顶在了有焊锡的PAD上造成PCB支撑高度差异, 在刮刀压力作用下渗析，改善方案：重新调整支撑pin位置。制作透明亚克力罩板标注出实际PAD位置,便于支撑pin避开零件位置，如下模拟图为顶Pin放置在焊盘上状况（PCB和钢网间GAP）。
图12③ SMD PAD与NSMD PAD对Fine pitch印刷品质的影响,SMD （右） 与NSMD（左）区别在于PAD尺寸定义方式不同,SMD阻焊层定义pad尺寸和NSMD铜箔层定义PAD尺寸,如下两幅图解释NSMD PAD对锡膏印刷影响。（图13）
图13焊膏印刷是个看似简单但实际却十分复杂的工艺，印刷过程牵扯很多管控点，每一次的印刷失效都有很多种可能的因素存在，认真对待逐步分析总能找到Rootcause，在此就不在罗列案例，总之焊膏印刷要注重每一个细节，掌控好每一个操作过程。四  总结锡膏印刷工艺是SMT中至关重要的一个环节，随着电子产品的轻薄化，小型化的发展趋势，必将对锡膏印刷工艺提出更高的挑战，电子产品的发展不仅促使锡膏和钢网在一步步推出新的技术，更要求印刷机朝向高精度，短的Cycle Time，更智能化的方向前进。


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