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淺談SMT工藝中影響錫膏印刷質量的主要原因

來源:類別:貼片加工百科發布時間:2019-03-14
       表麵貼裝技術SMT)主要包括:錫膏印刷、精確貼片回流焊接。  
       其中錫膏印刷質量對表麵貼裝產品的質量影響很大,據業內評測分析約有60%的返修電路板是因錫膏印刷不良引起的。在錫膏印刷中,有三個重要部分:焊膏、鋼網模板和印刷設備,如果正確選擇,可以獲得良好的印刷效果,淺談如下:

一、焊膏
     錫膏是將焊料粉末與具有助焊功能的糊狀助焊劑(鬆香、稀釋劑、穩定劑等)混合而成的一種漿料。錫膏具有粘性,在印刷時,受到刮刀的推力作用,其粘度下降,當到達網板開口孔時,粘度達到最低,故能順利通過模板孔沉降到PCB的焊盤上。隨著外力的停止,錫膏的粘度又迅速回升,這樣就不會出現印刷成型的塌落和漫流,得到良好的印刷效果。
      粘度是錫膏的一個重要特征。動態方麵,在印刷行程中,其粘性越低對流動性越好,易於流入鋼網孔內;靜態方麵,印刷後,錫膏停留在鋼網孔內,其粘度高,則保持其填充的形狀,而不會往下塌陷。


影響錫膏粘度的因素:
1.  錫膏合金粉末含量對粘度的影響——錫膏中合金粉末的增加引起粘度的增加;
2.  錫膏合金粉末顆粒大小對粘度的影響——顆粒度增大時粘度會降低;
Ø  細小顆粒的錫膏印刷性比較好,特別對高密度、窄間距的產品,由於鋼網開口尺寸小,必須采取小顆粒合金粉末,否則會影響印刷脫模。
Ø  小顆粒合金粉末的優點:印刷性好,印刷圖形的清晰度高。
Ø  小顆粒合金粉末的缺點:易塌邊、表麵麵積大的易被氧化。
SMT元器件引腳間距和焊料顆粒的關係
引腳間距(mm)
0.8以上
0.65
0.5
0.4
顆粒直徑(um)
75以下
60以下
50以下
40以下
3.  溫度對錫膏粘度的影響:溫度升高,粘度下降,印刷的最佳環境溫度為23±3℃;
4.  剪切速率對錫膏粘度的影響:剪切速率增加粘度下降。


錫膏的有效期限及保存與使用環境:
Ø  一般錫膏在未開蓋狀態下,0-10℃條件下可以保存6個月,開封後要盡快使用完;
Ø  錫膏的使用環境是:要求SMT室的溫度為20-26℃,濕度為40-60%;
Ø  未開蓋錫膏,在環境溫度濕度條件下保存時間≤48小時;
Ø  開蓋後錫膏,在環境溫度濕度條件下的放置時間≤18小時;
Ø  在鋼網上的使用時間≤12小時;
Ø  印刷後錫膏在線上停留時間≤2小時;
Ø  開罐後至回流焊前的時間≤18小時。


錫膏造成的缺陷:
1.    未浸焊
Ø  助焊劑活性不好;
Ø  金屬顆粒被氧化得很厲害;
2.    印刷中沒有滾動
Ø  流動不合適,例如:粘度、觸變性指數不適宜;
Ø  黏性不合適;
3.    橋接
Ø  焊膏塌陷;
4.    焊錫不足
Ø  由於合金粉末顆粒較大,不正確的形狀或不可印刷性,焊膏堵塞模板孔;
5.    錫球
Ø  焊膏塌陷;
Ø  在回流焊中溶劑濺出;
Ø  金屬顆粒氧化。

二、鋼網模板
     鋼網的主要功能是將錫膏準確塗敷在PCB上所需要塗錫膏的焊盤。在焊膏印刷工藝中鋼網模板的加工質量直接影響焊膏的印刷質量,模板厚度與開口尺寸決定了焊膏的印刷量,而不鏽鋼激光模板均需要通過外協加工製作。因此,在外協加工前必須做好模板厚度和設計開口尺寸等參數的確認,以確保焊膏的印刷質量。
     通常在一塊PCB上既有1.27mm以上間距的元器件,也有窄間距元器件,1.27mm以上間距的元器件需要不鏽鋼板0.2mm厚,窄間距的元器件需要不鏽鋼板0.15-0.10mm厚,這時可根據PCB上多數元器件的情況決定不鏽鋼鋼板厚度,然後通過對個別元器件焊盤開口尺寸的擴大或縮小進行調整焊膏的漏印量。
     如果在同一塊PCB上元器件要求焊膏量懸殊比較大時,可以對窄間距元器件處的模板進行局部減薄處理,但減薄工藝的加工成本高一些。因此,可以采用折中的方法,不鏽鋼板厚度可取中間值,例如:同一塊PCB上有的元器件要求0.20mm厚,另一些元器件要求0.15-0.12mm厚,此時不鏽鋼板厚可選擇0.18mm。開口尺寸對一般元器件可以按1:1,對要求焊膏量多的大Chip元件以及PLCC的開口麵積應擴大10%。對於引腳間距為0.5mm 、0.65mm的QFP等器件,其開口麵積應縮小10%。
     適當的開口形狀可以改善貼裝效果,例如:當Chip元件尺寸小於1005、0603時,由於兩個焊盤之間的距離很小,貼片時兩端焊盤上的錫膏在元件底部很容易粘連,回流焊後很容易產生元器件底部的橋接和焊珠。因此,加工模板時可將一對矩形焊盤(圖1)開口的內側修改成尖角形或弓形(如圖2,Chip元件開口形狀),減少元件底部的焊膏量,這樣可以改善貼片時元件底部的焊膏粘連。
  

三、印刷設備


     印刷機是將錫膏印刷到PCB板上的設備,它是對工藝和質量影響最大的設備。


     目前,印刷機主要分為:手動印刷機、半自動印刷機和全自動印刷機。


Ø  半自動印刷機:操作簡單,印刷速度快,結構簡單,缺點是:印刷工藝參數可控點較少,印刷對中精度不高,錫膏脫模差,一般適用於0603以上元件、引腳間距大於1.27mm的PCB印刷工藝。


Ø  全自動印刷機:印刷對中精度高,錫膏脫模效果好,印刷工藝較穩定,適用於密器件窄間距元件的印刷;缺點是:維修成本高,對作業員的知識水平要求較高。

四、SMT印刷工藝參數


1.  圖形對準


     工作台上的基板與鋼網進行對準定位,使基板焊盤圖形與鋼網開孔圖形完全重合。


2.  刮刀與鋼網的角度


     刮刀與鋼網的角度越小,向下的壓力越大,容易將錫膏注入網孔中,但也容易使錫膏被擠壓到鋼網的底麵,造成錫膏粘連。一般刮刀與鋼網的夾角為45-60o。目前,自動和半自動印刷機大多采用60o


3.  錫膏的投入量
      過少地投入錫膏量,易造成填充不良、漏印少印;過多地投入錫膏,易造成錫膏無法形成滾動運動,錫膏無法刮幹淨,造成印刷脫模不良;且過多的錫膏長時間暴露在空氣中對錫膏質量不宜,錫膏的投入量以∮h=13-23較合適(見圖3)。
  


     在生產中,作業員每半小時檢查一次鋼網上的錫膏條的高度,每半小時將網板上超出刮刀長度外的錫膏用電木刮刀移到網板的前端並均勻分布錫膏。

1.  刮刀壓力


      刮刀壓力也是影響印刷質量的重要因素。刮刀壓力實際是指刮刀下降的深度,壓力太小,刮刀沒有貼緊鋼網表麵,另外壓力過小會使鋼網表麵殘留一層錫膏,容易造成印刷成型粘結等印刷缺陷。


2.  印刷速度


     由於刮刀速度與錫膏的粘稠度呈反比關係,PCB有窄間距,高密度圖形時,速度要慢一些。如果速度過快,刮刀經過鋼網開孔的時間就相對太短,錫膏不能充分滲入開孔中,容易造成錫膏成型不飽滿或漏印等印刷缺陷。


     印刷速度和刮刀壓力存在一定關係,理想的刮刀速度與壓力應該是正好把錫膏從鋼網表麵刮幹淨。


3.  印刷間隙


     印刷間隙是鋼網與PCB之間的距離,關係到印刷後錫膏在PCB上的留存量。


4.  鋼網與PCB分離速度


      錫膏印刷後,鋼網離開PCB的瞬間速度即為分離速度,它關係到印刷質量的參數。在窄間距,高密度印刷中最為重要。先進的印刷設備,其鋼網離開錫膏圖形時有1個或多個微小的停留過程,即多級脫模,這樣可以保證獲取最佳的印刷成型。


5. 清洗模式和清洗頻率


     鋼網汙染主要是由於錫膏從開孔邊緣溢出造成的,如果不及時清洗,會汙染PCB表麵,鋼網開孔四周的殘留錫膏會變硬,嚴重時還會堵塞鋼網開孔。


     清洗鋼網底部也是保證印刷質量的因素,應根據錫膏、鋼網材料、厚度及開孔大小等情況確定清洗模式和清洗頻率。


五、影響錫膏印刷質量的主要因素


1. 首先是鋼網質量:鋼網厚度與開口尺寸確定了錫膏的印刷質量。錫膏量過多會產生橋接,錫膏量過少會產生錫膏不足或虛焊。鋼網開口形狀及開孔壁是否光滑也是影響脫模質量。


2. 其次是錫膏質量:錫膏的粘度、印刷的滾動性、常溫下的使用壽命等都會影響印刷質量。


3. 印刷工藝參數:刮刀速度、壓力,刮刀與網板的角度以及錫膏的粘度之間存在的一定製約關係。因此,隻有正確控製這些參數,才能保證錫膏的印刷質量。


4. 設備精度方麵:在印刷高密度窄間距產品時,印刷機的印刷精度和重複印刷精度也會起一定影響。


5. 環境溫度、濕度、以及環境衛生:環境溫度過高會降低錫膏的粘度,濕度過大時錫膏會吸收空氣中的水分,濕度過小時會加速錫膏中溶劑的揮發,環境中灰塵混入錫膏中會使焊點產生針孔等缺陷。


      從以上介紹中可以看出,影響印刷質量的因素非常多,而且印刷錫膏是一種動態工藝。因此,建立一套完整的印刷工藝管製文件是非常必要的,選擇正確的錫膏、鋼網,並結合最合適的印刷機參數設定,能使整個印刷工藝過程更穩定、可控、標準化。

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