[分享]錫膏印刷
本文介绍：“即使是最好的锡膏、设备和应用方法，也不一定充分保证得到可接受的结果。使用者必须控制工艺过程 和设备变量，以达到良好的印刷品质。”
在表面贴装装配的回流焊接中，锡膏用于表面贴装元件的引脚或端子与焊盘之间的连接。有许多变量，如锡膏、丝印 机、锡膏应用方法和印刷工艺过程。在印刷锡膏的过程中，基板放在工作台上，机械地或真空夹紧定位，用定位销或视觉 来对准。或者丝网(screen)或者模板(stencil)用于锡膏印刷。本文将着重讨论几个关键的锡膏印刷问题，如模板设计和 印刷工艺过程。
印刷工艺过程与设备
在锡膏印刷过程中，印刷机是达到所希望的印刷品质的关键。今天可购买到的丝印机分为两种主要类型：实验室与生 产。每个类型有进一步的分类，因为每个公司希望从实验室与生产类型的印刷机得到不同的性能水平。例如，一个公司的 研究与开发部门(R&D)使用实验室类型制作产品原型，而生产则会用另一种类型。还有，生产要求可能变化很大，取决于产 量。因为激光切割设备是不可能分类的，最好是选择与所希望的应用相适应的丝印机。
在手工或半自动印刷机中，锡膏是手工地放在模板/丝网上，这时印刷刮板(squeegee)处于模板的另一端。在自动印 刷机中，锡膏是自动分配的。在印刷过程中，印刷刮板向下压在模板上，使模板底面接触到电路板顶面。当刮板走过所腐 蚀的整个图形区域长度时，锡膏通过模板/丝网上的开孔印刷到焊盘上。
在锡膏已经沉积之后，丝网在刮板之后马上脱开(snap off)，回到原地。这个间隔或脱开距离是设备设计所定的，大约0.020"~0.040"。脱开距离与刮板压力是两个达到良好印刷品质的与设备有关的重要变量。
如果没有脱开，这个过程叫接触(on-contact)印刷。当使用全金属模板和刮刀时，使用接触印刷。非接触(off- contact)印刷用于柔性的金属丝网。
刮板(squeegee)类型
刮板的磨损、压力和硬度决定印刷质量，应该仔细监测。对可接受的印刷品质，刮板边缘应该锋利和直线。刮板压力 低造成遗漏和粗糙的边缘，而刮板压力高或很软的刮板将引起斑点状的(smeared)印刷，甚至可能损坏刮板和模板或丝网。 过高的压力也倾向于从宽的开孔中挖出锡膏，引起焊锡圆角不够。 常见有两种刮板类型：橡胶或聚氨酯(polyurethane)刮板和金属刮板。当使用橡胶刮板时，使用70-90橡胶硬度计(durometer)硬度的刮板。当使用过高的压力时，渗入到模板底部的锡膏可能造成锡桥，要求频繁的底部抹擦。为了防止 底部渗透，焊盘开口在印刷时必须提供密封(gasketing)作用。这取决于模板开孔壁的粗糙度。
金属刮刀也是常用的。随着更密间距元件的使用，金属刮刀的用量在增加。它们由不锈钢或黄铜制成，具有平的刀片 形状，使用的印刷角度为30~45°。一些刮刀涂有润滑材料。因为使用较低的压力，它们不会从开孔中挖出锡膏，还因为是 金属的，它们不象橡胶刮板那样容易磨损，因此不需要锋利。它们比橡胶刮板成本贵得多，并可能引起模板磨损。
使用不同的刮板类型在使用标准元件和密脚元件的印刷电路装配(PCA)中是有区分的。锡膏量的要求对每一种元件有很 大的不同。密间距元件要求比标准表面贴装元件少得多的焊锡量。焊盘面积和厚度控制锡膏量。
一些工程师使用双厚度的模板来对密脚元件和标准表面贴装焊盘施用适当的锡膏数量。其它工程师采用一种不同的方 法 - 他们使用不需要经常锋利的更经济的金属刮刀。用金属刮刀更容易防止锡膏沉积量的变化，但这种方法要求改良的模 板开孔设计来防止在密间距焊盘上过多的锡膏沉积。这个方法在工业上变得更受欢迎，但是，使用双厚度印刷的橡胶刮板 也还没有消失。
模板(stencil)类型
重要的印刷品质变量包括模板孔壁的精度和光洁度。保存模板宽度与厚度的适当的纵横比(aspect ratio)是重要的。 推荐的纵横比为1.5。这对防止模板阻塞是重要。一般，如果纵横比小于1.5，锡膏会保留在开孔内。除了纵横比之外，如 IPC-7525《模板设计指南》所推荐的，还要有大于0.66的面积比(焊盘面积除以孔壁面积)。IPC-7525可作为模板设计的一 个良好开端。
制作开孔的工艺过程控制开孔壁的光洁度和精度。有三种常见的制作模板的工艺：化学腐蚀、激光切割和加成 (additive)工艺。
化学腐蚀(chemically etched)模板
金属模板和柔性金属模板是使用两个阳性图形通过从两面的化学研磨来蚀刻的。在这个过程中，蚀刻不仅在所希望的 垂直方向进行，而且在横向也有。这叫做底切(undercutting) - 开孔比希望的较大，造成额外的焊锡沉积。因为50/50从 两面进行蚀刻，其结果是几乎直线的孔壁，在中间有微微沙漏形的收窄。
因为电蚀刻模板孔壁可能不平滑，电抛光，一个微蚀刻工艺，是达到平滑孔壁的一个方法。另一个达到较平滑孔壁的 方法是镀镍层(nickel plating)。抛光或平滑的表面对锡膏的释放是好的，但可能引起锡膏越过模板表面而不在刮板前滚
动。这个问题可通过选择性地抛光孔壁而不是整个模板表面来避免。镀镍进一步改善平滑度和印刷性能。可是，它减小了 开孔，要求图形调整
激光切割(laser-cut)模板
在表面贴装装配的回流焊接中，锡膏用于表面贴装元件的引脚或端子与焊盘之间的连接。有许多变量，如锡膏、丝印 机、锡膏应用方法和印刷工艺过程。在印刷锡膏的过程中，基板放在工作台上，机械地或真空夹紧定位，用定位销或视觉 来对准。或者丝网(screen)或者模板(stencil)用于锡膏印刷。本文将着重讨论几个关键的锡膏印刷问题，如模板设计和 印刷工艺过程。
印刷工艺过程与设备
在锡膏印刷过程中，印刷机是达到所希望的印刷品质的关键。今天可购买到的丝印机分为两种主要类型：实验室与生 产。每个类型有进一步的分类，因为每个公司希望从实验室与生产类型的印刷机得到不同的性能水平。例如，一个公司的 研究与开发部门(R&D)使用实验室类型制作产品原型，而生产则会用另一种类型。还有，生产要求可能变化很大，取决于产 量。因为激光切割设备是不可能分类的，最好是选择与所希望的应用相适应的丝印机。
在手工或半自动印刷机中，锡膏是手工地放在模板/丝网上，这时印刷刮板(squeegee)处于模板的另一端。在自动印 刷机中，锡膏是自动分配的。在印刷过程中，印刷刮板向下压在模板上，使模板底面接触到电路板顶面。当刮板走过所腐 蚀的整个图形区域长度时，锡膏通过模板/丝网上的开孔印刷到焊盘上。
在锡膏已经沉积之后，丝网在刮板之后马上脱开(snap off)，回到原地。这个间隔或脱开距离是设备设计所定的，大约0.020"~0.040"。脱开距离与刮板压力是两个达到良好印刷品质的与设备有关的重要变量。
如果没有脱开，这个过程叫接触(on-contact)印刷。当使用全金属模板和刮刀时，使用接触印刷。非接触(off- contact)印刷用于柔性的金属丝网。
刮板(squeegee)类型
刮板的磨损、压力和硬度决定印刷质量，应该仔细监测。对可接受的印刷品质，刮板边缘应该锋利和直线。刮板压力 低造成遗漏和粗糙的边缘，而刮板压力高或很软的刮板将引起斑点状的(smeared)印刷，甚至可能损坏刮板和模板或丝网。 过高的压力也倾向于从宽的开孔中挖出锡膏，引起焊锡圆角不够。 常见有两种刮板类型：橡胶或聚氨酯(polyurethane)刮板和金属刮板。当使用橡胶刮板时，使用70-90橡胶硬度计(durometer)硬度的刮板。当使用过高的压力时，渗入到模板底部的锡膏可能造成锡桥，要求频繁的底部抹擦。为了防止 底部渗透，焊盘开口在印刷时必须提供密封(gasketing)作用。这取决于模板开孔壁的粗糙度。
金属刮刀也是常用的。随着更密间距元件的使用，金属刮刀的用量在增加。它们由不锈钢或黄铜制成，具有平的刀片 形状，使用的印刷角度为30~45°。一些刮刀涂有润滑材料。因为使用较低的压力，它们不会从开孔中挖出锡膏，还因为是 金属的，它们不象橡胶刮板那样容易磨损，因此不需要锋利。它们比橡胶刮板成本贵得多，并可能引起模板磨损。
使用不同的刮板类型在使用标准元件和密脚元件的印刷电路装配(PCA)中是有区分的。锡膏量的要求对每一种元件有很 大的不同。密间距元件要求比标准表面贴装元件少得多的焊锡量。焊盘面积和厚度控制锡膏量。
一些工程师使用双厚度的模板来对密脚元件和标准表面贴装焊盘施用适当的锡膏数量。其它工程师采用一种不同的方 法 - 他们使用不需要经常锋利的更经济的金属刮刀。用金属刮刀更容易防止锡膏沉积量的变化，但这种方法要求改良的模 板开孔设计来防止在密间距焊盘上过多的锡膏沉积。这个方法在工业上变得更受欢迎，但是，使用双厚度印刷的橡胶刮板 也还没有消失。
模板(stencil)类型
重要的印刷品质变量包括模板孔壁的精度和光洁度。保存模板宽度与厚度的适当的纵横比(aspect ratio)是重要的。 推荐的纵横比为1.5。这对防止模板阻塞是重要。一般，如果纵横比小于1.5，锡膏会保留在开孔内。除了纵横比之外，如 IPC-7525《模板设计指南》所推荐的，还要有大于0.66的面积比(焊盘面积除以孔壁面积)。IPC-7525可作为模板设计的一 个良好开端。
制作开孔的工艺过程控制开孔壁的光洁度和精度。有三种常见的制作模板的工艺：化学腐蚀、激光切割和加成 (additive)工艺。
化学腐蚀(chemically etched)模板
金属模板和柔性金属模板是使用两个阳性图形通过从两面的化学研磨来蚀刻的。在这个过程中，蚀刻不仅在所希望的 垂直方向进行，而且在横向也有。这叫做底切(undercutting) - 开孔比希望的较大，造成额外的焊锡沉积。因为50/50从 两面进行蚀刻，其结果是几乎直线的孔壁，在中间有微微沙漏形的收窄。
因为电蚀刻模板孔壁可能不平滑，电抛光，一个微蚀刻工艺，是达到平滑孔壁的一个方法。另一个达到较平滑孔壁的 方法是镀镍层(nickel plating)。抛光或平滑的表面对锡膏的释放是好的，但可能引起锡膏越过模板表面而不在刮板前滚
动。这个问题可通过选择性地抛光孔壁而不是整个模板表面来避免。镀镍进一步改善平滑度和印刷性能。可是，它减小了 开孔，要求图形调整
激光切割(laser-cut)模板
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river.jiang (威望:0)
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Ｃ、焊膏中金属粉末的粒度。焊膏中粉末的粒度越小，焊膏的总体表面积就越大，从而导致较细粉末的氧化度较高，因而焊锡珠现象加剧。我们的实验表明：选用较细颗粒度的焊膏时，更容易产生焊锡粉。
Ｄ、焊膏在印制板上的印刷厚度。焊膏印刷后的厚度是漏板印刷的一个重要参数，通常在0.12ｍｍ－0.20ｍｍ之间。焊膏过厚会造成焊膏的″塌落″，促进焊锡珠的产生。
Ｅ、焊膏中助焊剂的量及焊剂的活性。焊剂量太多，会造成焊膏的局部塌落，从而使焊锡珠容易产生。另外，焊剂的活性小时，焊剂的去氧化能力弱，从而也容易产生锡珠。免清洗焊膏的活性较松香型和水溶型焊膏要低，因此就更有可能产生焊锡珠。
Ｆ、此外，焊膏在使用前，一般冷藏在冰箱中，取出来以后应该使其恢复到室温后打开使用，否则，焊膏容易吸收水分，在再流焊锡飞溅而产生焊锡珠。
２、模板的制作及开口。我们一般根据印制板上的焊盘来制作模板，所以模板的开口就是焊盘的大小。在印刷焊膏时，容易把焊膏印刷到阻焊层上，从而在再流焊时产生焊锡珠。因此，我们可以这样来制作模板，把模板的开口比焊盘的实际尺寸减小１０％，另外，可以更改开口的外形来达到理想的效果。下面是几种推荐的焊盘设计：
模板的厚度决了焊膏的印刷厚度，所以适当地减小模板的厚度也可以明显改善焊锡珠现象。我们曾经进行过这样的实验：起先使用０．１８ｍｍ厚的模板，再流焊后发现阻容元件旁边的焊锡珠比较严重，后来，重新制作了一张模板，厚度改为０．１５ｍｍ，开口形式为上面图中的前一种设计，再流焊基本上消除了焊锡珠。
件贴装压力及元器件的可焊性。如果在贴装时压力太高，焊膏就容易被挤压到元件下面的阻焊层上，在再流焊时焊锡熔化跑到元件的周围形成焊锡珠。解决方法可以减小贴装时的压力，并采用上面推荐使用的模板开口形式，避免焊膏被挤压到焊盘外边去。另外，元件和焊盘焊性也有直接影响，如果元件和焊盘的氧化度严重，也会造成焊锡珠的产生。经过热风整平的焊盘在焊膏印刷后，改变了焊锡与焊剂的比例，使焊剂的比例降低，焊盘越小，比例失调越严重，这也是产生焊锡珠的一个原因