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SMT组件的焊膏印刷指南
摘要: 现在，人们普遍将焊膏印刷作为控制涂饰焊点质量的关键工艺。若想获得优质的焊膏印刷并不是一件很容易办得到的事，焊膏印刷工艺涉及到模板设计、模板制造、模板组装、模板清洗和模板寿命，这几个环节相互作用，相互影响。本文为此为模板的焊膏印刷技术而制定了一个指南，旨在帮助技术人员和生产人员解决实际生产中存在的一些问题，以确保元器件的印刷质量。本文重点论述了SMT组装中球栅阵列（BGA）和芯片尺寸封装（CSP）的焊膏印刷及将各种不同的技术进行了比较，从而为制定最佳的印刷工艺奠定了基础。
1、模板制造技术
模板制造工艺包括加成方法或减去方法。在加成工艺中，如象；电铸成型，是通过添加金属而形成开孔。在减去工艺中，是从模板箔中去除金属而形成开孔。激光切割和化学蚀刻的方法就是典型的减去工艺的例子。
1.1模板
通常使用的模板主要有四种类型：化学蚀刻、激光切割、混合技术、电铸成型。化学蚀刻模板的制造工艺主要是将金属箔切割成特定尺寸的框架，并用光刻胶成像层压在金属箔的两面。通常用光栅配准部件将双面光学工具精确对准、定位，可用双面光学工具将模板开孔图象曝光在光刻胶上。激光切割的模板是通过激光设备中运行的软件Gerber(r)数据而制成的。当PCB上应用了标准组件和细间距组件混合技术时，就应使用激光切割和化学蚀刻组合模板制造工艺。生产出的模板被定义为激光-化学组合模板或称为混合技术模板。电铸成形技术是模板加成的制造方法，这种方法使用了光刻成像和电镀工艺。建议将激光切割或电铸成型的模板用于对均匀释放焊膏的效果要求最高的应用领域中。不过，这些模板成本较高，一项研究说明这类模板的一致性比化学蚀刻的模板好。
模板开口设计：模板设计的常见问题是开孔设计及开孔设计对印刷性能的影响。在印刷操作过程中，刮刀在模板上推刮时，焊膏就被挤压到模板的开孔中。然后，在印刷板脱离模板的过程中，焊膏就自然地流入PCB的焊盘上。挤压到开孔中的焊膏若能够完全从开孔壁上释放出来，粘附到PCB的焊盘上，形成完整的焊料块，这是最理想的。焊膏从开孔内壁释放出来的能力主要取决于三个方面的因素：
1． 模板设计的面积比/孔径比 2． 开孔侧壁的几何形状 3． 开孔壁的光滑度
在此，我们将几种不同的ＳＭＴ模板开口设计提供于众，作为生产中之参考，见表１。
表１ SMT通用开孔设计指南
注意：
1）假设μBGA焊盘不是焊料掩膜
2）μBGA开口是方形开孔，14mil的开孔角半径应是3mil，11mil的开孔角半径应是2.5mil。
3）所有的规格都以mil为单位，圆形用米制，即；0.65mm为25 mil，0.5 mm 为20mil。比率不作为尺寸。
4）N/A只作为面积比。
模板开口形状：就释放焊膏的效果而言，方形开口要比圆形焊盘或连接的部位好（见图1所示）。方形模板可使焊膏的释放更为流畅。为减少开口堵塞的发生，应将角的半径设在0．010″，对于化学蚀刻的模板，角半径应与模板厚度一致。
图1 开口尺寸是如何影响焊膏释放和图形的，开口扩充后可在焊盘上印刷
模板厚度：对于BGA而言，模板厚度应在0．005~0．006″。对于柱状陶瓷栅阵列（CCGA），要求模板的厚度为0．007″，这样就可将耗用的焊膏量限制在最低的极限，而对CSP来说，要求模板厚度在0．004~0．005″。在使用后一种模板时要特别小心，因为在较大的开口模板上施用焊膏可能会“舀出”焊膏，例如；1206电容或0．050″间距元件。表２所列是推荐使用的模板厚度。
表２ 推荐使用的模板厚度
孔径比和面积比：对于细间距元件，开口或孔径比（宽度/厚度）不应小于1．5，这是很重要的（见图2所示）。对于CSP，开口应小到0．010″平方。这与面积比有关系，焊膏以很小的表面积粘附于侧壁，而不是粘附于PCB，这种现象是很有可能出现的。因此，面积比（长度×宽度/2[长度+宽度]×厚度）必须大于0．66。
图2
细间距元件的孔径比不应小于1．5，而面积比必须大于0．66。
许多厂家在印刷BGA和CSP时都是应用1:1的比例。对于后者来说，印刷比例比焊料凸点尺寸大0.．002~0．003″，这是很普遍的，这样就会使回流后脱膏高度稍大一些，这样就可使更大的热量符合所选用的类型Ⅲ粉末的连续性、柔性的要求。对于使用了0．012″直径焊料凸点的CSP或μBGA封装而言，建议印刷0.012~0.014″方形开口。一些研究表明，对于类型Ⅲ粉末，0.014″开口对于焊膏印刷的一致性和可重复性方面可能是最小的开口。而0.010″或0.012″方形或圆形开口的印刷很可能要求使用类型Ⅳ粉末。
表３所列是常用SMD的开孔设计的一些实际例子的孔径比/面积比。20mil间距的QFP，使用5mil厚的模板，开孔尺寸为10×50mil，其孔径比为2.0。采用开孔侧壁光滑的模板技术可达到优良的焊膏释放和一致性的印刷性能。16mil间距的QFP，可采用厚度为5mil的模板，开孔尺寸为7×50mil，其孔径比为1.4，这种模板对于释放焊膏来说是非常困难的。即使采用高技术的模板也是如此。
表３ 各种不同表面组装器件的孔径/面积比例 (+ 表示难度)
2、印刷操作
2.1刮板刃口
通常建议使用金属刮板，金属刮板比聚氨酯刮板好。不过，从聚氨酯刮板的开口中挤出焊膏是个问题。建议推刮角度为45°～60°，一般都是用45°进行推刮。
将刮板向下压使金属刮板的刮刀弯曲形成一个最佳的角度。在选择印刷力时，一种与模板平行的矢量推动着焊膏使得焊料滚动。另一个矢量是直接往下施加压力于模板的开口，将焊膏挤入开口中。改变模板的压力，推刮角度随之改变。
另一个常被忽略的因素是刮板的锋利度。一般来说，刮板越钝，要求推刮整个模板顶部所需的压力就越大；刮板刃口越锋利，需用的力就越小。通过对刮板刃口进行一个简易的显微扫描检查可显示出很大的差别。刮板压力较小通常意味着模板推刮频率较低，这是决定因素。
2.2推刮速度
在首次开始印刷时，建议将推刮速度设置在0.5″/秒。较低的推刮速度通常可使焊膏沉积近似于计算的量。（通常，实际沉积的焊膏量小于理论上的定量）。由于循环时间的要求，你不得不以较高的推刮速度操作。不过，在采用较慢的速度推刮取得成功后，你会逐渐提高推刮速度及快速测量印刷结果。通常，随着推刮速度的提高，必须加大施加于刮板的力度。
2.3接触与脱膏距离
一般，较受欢迎的印刷方法是接触印刷，这种方法有助于降低模板底部焊膏的“渗出”。对于μBGA这样的小面积比印刷，实现一致性的模板焊膏漏印是竞争的焦点，有一种方法是提前释放焊膏工艺，这种方法是通过对极小的脱膏距离（0.002～0.003″）编程实现的，在开始印刷时，用很小的力以小角度将模板与印制板分离。然而，这个距离不足以释放模板，至少在印刷工艺开始时是这样。
3、焊膏
粉末的选择对于释放焊膏是关键因素。为避免开口堵塞，在整个开口上可使用标准的3.5粒子，而方形开口对保持一致性方面很有帮助。表４所列是目尺寸和粉末尺寸。
表４ 焊膏分类和目尺寸
焊膏流变性：使印刷工艺失控的因素有很多。例如；有时焊膏会干涸在模板表面，形成可堵塞开口的较大凝结块。如果印刷机闲置5分钟，对下一次印刷的控制达不到可接受的要求，这是很有可能的。此外，印刷循环周期延迟，也会造成残余焊膏或焊剂干涸在孔径侧壁上，这样会缩小开口尺寸，减少焊膏量。单凭经验进行分析表明，当模板上的焊膏闲置5分钟以上，在实施下一步印刷之前，应对模板的底部进行擦拭。 传统上，人们注重的是焊膏的粘性或触变指数，将触变性定义为在应力的作用下，会变成液体的某种膏状或类似胶状材料在静止状态下的质量。触变指数较高，焊膏就易于稀释，并能流到模板中。缺点是更易于使再流炉中产生“热润滑淤渣”，除非制造厂家认为应对配方进行必要的重新配制。
3.1焊膏量
下面用一个简单等式来说明所需的焊膏量，见表５所列。应尽可能使环绕通孔的环形焊盘小一些是较理想的。还应使引脚和通孔之间的容差及引脚的长度尽量小一些。在实际操作中，需要施用少量的焊膏。应用下列三种模板设计为板上的通孔印刷焊膏：
（1） 无台阶的模板。图3 （2） 有台阶的模板。图4 （3） 两种印刷模式的模板。图5
表５ 浸锡通孔等式
其中：
V 是所需的焊膏量 VP是留在板焊盘上面和/或底部的焊料量 S 是焊膏减缩的因素 AH是通孔的横截面积 AP是通孔针脚的横截面积 TB是印制板的厚度 FT+FB是所需的总填料量 TS是模板的厚度 LO是套印开孔的长度
图3 无台阶的套印刷
图4 有台阶的套印刷（刮板一面）
5 两种印刷模式的通孔模板
4、印刷质量检验
对于模板印刷质量的检测目前采用的方法主要有目测（使用装有光源的显微镜）、二维检测、三维检测设备、X光检测设备及带有视觉系统的自动光学检测设备。在检测焊膏印刷质量时，可根据元件类型采用不同的检测工具和方法。 4.1 人工检验与自动化检验的比较。
采用视觉检测的方法来检验印刷的元件合格与不合格，一般都是操作员使用环形照明器或显微镜对样品板进行检查（在某些情况下，检验整批板子），而且只在必要时，实施校正操作。这是监控工艺成本最低的一种方法，但是，反馈回来的结果是合格率很低。印刷后的视觉检测，通过在成本最合理的印刷工艺中应用校正操作，可以减少返修量。不过，视觉检验只是凭主观意识，对视觉检测的产品进行的测试表明，只有80%是可靠的。借助台式仪器的视觉检测，即；台式视觉检测仪。用这种仪器测量焊膏的高度，计算焊膏的施用量，提高了可重复性，但是不能完全排除人为的非一致性。目前，仍有许多生产厂家采用目测的方法进行检测。 视觉检测、脱机检测和自动在线检验之间的主要差别在于在板子从印刷设备上卸载下来之前，自动在线检验设备查出的缺陷比前两种设备的多。自动检测设备可实施达100%的各种不同等级的检测。这种设备不仅能够监控工艺，还能够搜集工艺控制所需的真实数据。 自动在线3D焊膏检测设备提供了不同档次的速度、性能和价格，不过只能测量板子上的焊膏高度、焊膏量和面积。有几家模板印刷机制造厂家推出了内置2D面积检测，还有一些制造厂家推出了现场检验设备，可检验焊料高度和焊料量。
4.2 3D检测
焊膏量是体现板子质量的最好的一个参数。竞争焦点也是在保持焊膏量一致性上。（一家组装承包商报导当对印刷中的一批装有352引脚的BGA的2000块板子进行检验时，当对板子上的焊膏进行检验后，在最后一次测试中没有发现板子有缺陷，）在检验中可参照表６中提供的检验结果的详细资料。
表６
工艺监控的目的是为了揭示在焊膏印刷不良导致桥接之前或直到在最后的检测中才确定焊料不充分的潜在的令人不满意的焊膏参数。发现缺陷越迟，返修的成本就越高。如果在再流之前找出缺陷，就不会给焊点可靠性带来不利后果。因此，脱机检查或自动在线监控避免了有问题的印刷板被返送回到生产线上，即节省了资金，又提高了可靠性。 正象一家合同制造厂家指出的那样，组装厂家期望增加利润，在电路测试（ICT）中查出的缺陷必须经由15个步骤，包括工作记录、返修和组装板反馈到生产线之前的重新测试。通常，对于印刷工艺中每一阶段产生的缺陷或废品的成本估算通常采用一种快速计算方程式：印刷缺陷，再流后$0．50；ICT$5.00及现场故障$350.00。在第一阶段查出缺陷，使得节约的资金自然增长，很清楚地说明工艺控制设备的成本。
4.3 X光检验
长期以来，X光一直被作为视觉检验的有效工具。这种工具可用于印刷工艺的启动、抽样和故障分析。在准备将X光机用于自动生产地面过程中作了大量的工作，但是，这种X光机存在的一些缺点，降低了其批量验收的速度。例如；3D系统可以检测出2D系统检测不到的缺陷，而更令人难以置信的是反之亦然。BGA底部的填料常常被周围的填料凸点或圆柱体（通常90%是引线）的阴影遮挡，给检验带来了很大的困难。QFP引线上的焊料桥接常常会脱离板子延伸到引线上，使3D检测仪器看不到它，造成漏检。对产生孔洞的看法是不一致的；有人说，从延展性来看需要孔洞，另还有一些人认为孔洞会降低焊点的性能。 X光除了具有三种成熟的生产线技术（电子技术、软件和伺服电机）以外，还应用了两种必要的附加技术——高压和离子辐射，开始用BGA组装，这是一种可靠的工艺条件，而后丝网印刷焊膏。但是对于不是在最成熟的组装线上安装自动X光检测仪的条件很辨明是与非。对于这种技术的评估是普遍性高，但是，强度和简易性低。
结论：
模板设计中最重要的设计理念之一（开孔尺寸和模板厚度）是孔径/面积比。由于电子封装产品的尺寸越来越小，I/O 引线的中心到中心的间距也随之缩小。这样，就意味着I/O板焊盘开孔也就更小。由于模板开孔的小型化，孔径/面积比也随之缩小，为此，对模板的性能提出了更加苛刻的要求。在选择模板技术时，首先要考虑到孔径/面积比及将孔径/面积比分别保持在1.5和0.66以上是最基本的要求。 套印（当模板开孔大于板焊盘时）对于几种应用来说是非常有用的，包括侵入式再流，细间距BGA和陶瓷BGA。
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