决定SMT丝印品质的三大要素 在SMT中，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*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。 下面，我们将讨论丝印（screenprinting）的基本要素，并探讨生产中持续的**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（丝印刮刀）。三个要素的正确结合是持续的丝印品质的关键所在。 决定SMT丝印品质的要素一：锡膏（**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**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**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：75-53mm 3型：53-38mm 4型：38-25mm（m=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*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*大直径的锡珠能水平地排在丝印模板的*小孔的宽度方向上。 计算略为复杂，因为锡珠是用米制micron（m）来度量，而丝印模板厚度的工业标准是美国的专用单位thou! （1mm=1x10-3mm,1thou=1x10-3inches,25mm?1thou.） 锡膏类型 3x*大的锡珠尺寸 *接近的模板厚度 2型：75-53m 3x75m=225m=9.0thou 9 thou 3型：53-38m 3x53m=159m=6.4thou 6 thou 4型：38-25m 3x38m=114m=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*小的丝印孔： 元件*小引脚间隔 *小丝印孔 合适的锡膏类型 16 thou 8 thou 2型：75-53m 12 thou 6 thou 3型：53-38m 8 thou 4 thou 4型：38-25m 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。 决定SMT丝印品质的要素二：丝印模板（**个S） 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。 厚乳胶丝网 锡膏印刷技术源自于完善建立的工业丝印（silk screenprinting）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*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。 丝印刮刀（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刀（见刮刀部分）。丝印时丝网与PCB之间留有1-3mm的间隙，刮刀将丝网压低和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。不要求丝印刮刀有泵作用，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。 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，对聚酯刮刀有磨损作用，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，成本大约比化学腐蚀高30%。 决定SMT丝印品质的要素三：刮刀（第三个S） 刮刀有两种形式：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：这种刮刀可以两个方向工作，每个行程末都会跳过锡膏条，因此只要一个刮刀。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，需要两个刮刀，一个丝印行程方向一个刮刀。无需跳过锡膏条，因锡膏就在两个刮刀之间，每个行程的角度可以单独决定。 大约40mm刮刀是暴露的，而锡膏只向上走15-20mm，所以这种形式更干净些。 刮刀是按硬度范围和颜色代号来区分的，例如： 60-65shore very soft 红色 70-75shore soft 绿色 80-85shore hard 蓝色 90 + shore very hard 白色 使用之前，刮刀须调节，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。 刮刀作用 和金属模板比较来看，刮刀的动力学要求对乳胶丝网是不同的。 在乳胶丝网上，刮刀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刀（70-75shore，绿色），其自身在与丝网接触的地方发生变形。 甚至可用更软的刮刀（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，刮刀将锡膏在前面滚动，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。不需要也不指望刮刀的变形，因此可以使用较硬的（即：80-85shore，蓝色）或金属的刮刀。 刮刀硬度与压力必须协调，如果压力太小，刮刀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50mm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4thou，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*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*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（wxh）+2（dxh） 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*密引脚间隔是25thou，因此*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（0.15mmx0.3mm）+2x（0.15mmx2mm）=0.69mm2 将模板厚度减少为4thou（0.1mm）可将情况得到改善。 丝孔内壁面积=2x（0.10mmx0.3mm）+2x（0.1mmx2mm）=0.46mm2 不过，有两个因素是有利的，**，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；**，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*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2-3mm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20mm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*密元件引脚的每thou长度，你可以允许每秒1mm的*大速度。因此： *密引脚间隔 *小丝孔 *大丝印速度 50thou 25thou 每秒50mm 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。 决定SMT丝印品质的三大要素讲述完毕。