錫膏印刷技術(shù)

在表面貼裝裝配的回流焊接中，錫膏用于表面貼裝元件的引腳或端子與焊盤之間的連接。有許多變量，如錫膏、絲印機(jī)、錫膏應(yīng)用方法和印刷工藝過程。在印刷錫膏的過程中，基板放在工作臺(tái)上，機(jī)械地或真空夾緊定位，用定位銷或視覺來對準(zhǔn)。或者絲網(wǎng)(screen)或者模板(stencil)用于錫膏印刷。本文將著重討論幾個(gè)關(guān)鍵的錫膏印刷問題，如模板設(shè)計(jì)和印刷工藝過程。

　　印刷工藝過程與設(shè)備

　　在錫膏印刷過程中，印刷機(jī)是達(dá)到所希望的印刷品質(zhì)的關(guān)鍵。今天可購買到的絲印機(jī)分為兩種主要類型：實(shí)驗(yàn)室與生產(chǎn)。每個(gè)類型有進(jìn)一步的分類，因?yàn)槊總€(gè)公司希望從實(shí)驗(yàn)室與生產(chǎn)類型的印刷機(jī)得到不同的性能水平。例如，一個(gè)公司的研究與開發(fā)部門(R&D)使用實(shí)驗(yàn)室類型制作產(chǎn)品原型，而生產(chǎn)則會(huì)用另一種類型。還有，生產(chǎn)要求可能變化很大，取決于產(chǎn)量。因?yàn)榧す馇懈钤O(shè)備是不可能分類的，*好是選擇與所希望的應(yīng)用相適應(yīng)的絲印機(jī)。

　　在手工或半自動(dòng)印刷機(jī)中，錫膏是手工地放在模板/絲網(wǎng)上，這時(shí)印刷刮板(squeegee)處于模板的另一端。在自動(dòng)印刷機(jī)中，錫膏是自動(dòng)分配的。在印刷過程中，印刷刮板向下壓在模板上，使模板底面接觸到電路板頂面。當(dāng)刮板走過所腐蝕的整個(gè)圖形區(qū)域長度時(shí)，錫膏通過模板/絲網(wǎng)上的開孔印刷到焊盤上。

　　在錫膏已經(jīng)沉積之后，絲網(wǎng)在刮板之后馬上脫開(snapoff)，回到原地。這個(gè)間隔或脫開距離是設(shè)備設(shè)計(jì)所定的，大約0.020"~0.040"。脫開距離與刮板壓力是兩個(gè)達(dá)到良好印刷品質(zhì)的與設(shè)備有關(guān)的重要變量。

　　如果沒有脫開，這個(gè)過程叫接觸(on-contact)印刷。當(dāng)使用全金屬模板和刮刀時(shí)，使用接觸印刷。非接觸(off-contact)印刷用于柔性的金屬絲網(wǎng)。

　　刮板(squeegee)類型

　　刮板的磨損、壓力和硬度決定印刷質(zhì)量，應(yīng)該仔細(xì)監(jiān)測。對可接受的印刷品質(zhì)，刮板邊緣應(yīng)該鋒利和直線。刮板壓力低造成遺漏和粗糙的邊緣，而刮板壓力高或很軟的刮板將引起斑點(diǎn)狀的(smeared)印刷，甚至可能損壞刮板和模板或絲網(wǎng)。過高的壓力也傾向于從寬的開孔中挖出錫膏，引起焊錫圓角不夠。

常見有兩種刮板類型：橡膠或聚氨酯(polyurethane)刮板和金屬刮板。當(dāng)使用橡膠刮板時(shí)，使用70-90橡膠硬度計(jì)(durometer)硬度的刮板。當(dāng)使用過高的壓力時(shí)，滲入到模板底部的錫膏可能造成錫橋，要求頻繁的底部抹擦。為了防止底部滲透，焊盤開口在印刷時(shí)必須提供密封(gasketing)作用。這取決于模板開孔壁的粗糙度。

　　金屬刮刀也是常用的。隨著更密間距元件的使用，金屬刮刀的用量在增加。它們由不銹鋼或黃銅制成，具有平的刀片形狀，使用的印刷角度為30~45°。一些刮刀涂有潤滑材料。因?yàn)槭褂幂^低的壓力，它們不會(huì)從開孔中挖出錫膏，還因?yàn)槭墙饘俚模鼈儾幌笙鹉z刮板那樣容易磨損，因此不需要鋒利。它們比橡膠刮板成本貴得多，并可能引起模板磨損。

　　使用不同的刮板類型在使用標(biāo)準(zhǔn)元件和密腳元件的印刷電路裝配(PCA)中是有區(qū)分的。錫膏量的要求對每一種元件有很大的不同。密間距元件要求比標(biāo)準(zhǔn)表面貼裝元件少得多的焊錫量。焊盤面積和厚度控制錫膏量。

　　一些工程師使用雙厚度的模板來對密腳元件和標(biāo)準(zhǔn)表面貼裝焊盤施用適當(dāng)?shù)腻a膏數(shù)量。其它工程師采用一種不同的方法 -他們使用不需要經(jīng)常鋒利的更經(jīng)濟(jì)的金屬刮刀。用金屬刮刀更容易防止錫膏沉積量的變化，但這種方法要求改良的模板開孔設(shè)計(jì)來防止在密間距焊盤上過多的錫膏沉積。這個(gè)方法在工業(yè)上變得更受歡迎，但是，使用雙厚度印刷的橡膠刮板也還沒有消失。

模板(stencil)類型
　　重要的印刷品質(zhì)變量包括模板孔壁的精度和光潔度。保存模板寬度與厚度的適當(dāng)?shù)目v橫比(aspectratio)是重要的。推薦的縱橫比為1.5。這對防止模板阻塞是重要。一般，如果縱橫比小于1.5，錫膏會(huì)保留在開孔內(nèi)。除了縱橫比之外，如IPC-7525《模板設(shè)計(jì)指南》所推薦的，還要有大于0.66的面積比(焊盤面積除以孔壁面積)。IPC-7525可作為模板設(shè)計(jì)的一個(gè)良好開端。

　　制作開孔的工藝過程控制開孔壁的光潔度和精度。有三種常見的制作模板的工藝：化學(xué)腐蝕、激光切割和加成(additive)工藝。

　　化學(xué)腐蝕(chemically etched)模板
　　金屬模板和柔性金屬模板是使用兩個(gè)陽性圖形通過從兩面的化學(xué)研磨來蝕刻的。在這個(gè)過程中，蝕刻不僅在所希望的垂直方向進(jìn)行，而且在橫向也有。這叫做底切(undercutting)- 開孔比希望的較大，造成額外的焊錫沉積。因?yàn)?0/50從兩面進(jìn)行蝕刻，其結(jié)果是幾乎直線的孔壁，在中間有微微沙漏形的收窄。

　　因?yàn)殡娢g刻模板孔壁可能不平滑，電拋光，一個(gè)微蝕刻工藝，是達(dá)到平滑孔壁的一個(gè)方法。另一個(gè)達(dá)到較平滑孔壁的方法是鍍鎳層(nickelplating)。拋光或平滑的表面對錫膏的釋放是好的，但可能引起錫膏越過模板表面而不在刮板前滾動(dòng)。這個(gè)問題可通過選擇性地拋光孔壁而不是整個(gè)模板表面來避免。鍍鎳進(jìn)一步改善平滑度和印刷性能。可是，它減小了開孔，要求圖形調(diào)整

　　激光切割(laser-cut)模板
　　激光切割是另一種減去(subtractive)工藝，但它沒有底切問題。模板直接從Gerber數(shù)據(jù)制作，因此開孔精度得到改善。數(shù)據(jù)可按需要調(diào)整以改變尺寸。更好的過程控制也會(huì)改善開孔精度。激光切割模板的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是孔壁可成錐形。化學(xué)蝕刻的模板也可以成錐形，如果只從一面腐蝕，但是開孔尺寸可能太大。板面的開口稍微比刮板面的大一點(diǎn)的錐形開孔(0.001"~0.002"，產(chǎn)生大約2°的角度)，對錫膏釋放更容易。

　　激光切割可以制作出小至0.004"的開孔寬度，精度達(dá)到0.0005"，因此很適合于超密間距(ultra-fine-pitch)的元件印刷。激光切割的模板也會(huì)產(chǎn)生粗糙的邊緣，因?yàn)樵谇懈钇陂g汽化的金屬變成金屬渣。這可能引起錫膏阻塞。更平滑的孔壁可通過微蝕刻來產(chǎn)生。激光切割的模板如果沒有預(yù)先對需要較薄的區(qū)域進(jìn)行化學(xué)腐蝕，就不能制成臺(tái)階式多級(jí)模板。激光一個(gè)一個(gè)地切割每一個(gè)開孔，因此模板成本是要切割的開孔數(shù)量而定。

　　電鑄成型(electroformed)模板
　　制作模板的第三種工藝是一種加成工藝，*普遍地叫做電鑄成型。在這個(gè)工藝中，鎳沉積在銅質(zhì)的陰極心上以形成開孔。一種光敏干膠片疊層在銅箔上(大約0.25"厚度)。膠片用紫外光通過有模板圖案的遮光膜進(jìn)行聚合。經(jīng)過顯影后，在銅質(zhì)心上產(chǎn)生陰極圖案，只有模板開孔保持用光刻膠(photoresist)覆蓋。然后在光刻膠的周圍通過鍍鎳形成了模板。在達(dá)到所希望的模板厚度后，把光刻膠從開孔除掉。電鑄成型的鎳箔通過彎曲從銅心上分開- 一個(gè)關(guān)鍵的工藝步驟。現(xiàn)在箔片準(zhǔn)備好裝框，制作模板的其它步驟。

　　電鑄成型臺(tái)階式模板可以做得到，但成本增加。由于可達(dá)到精密的公差，電鑄成型的模板提供良好的密封作用，減少了模板底面的錫膏滲漏。這意味著模板底面擦拭的頻率顯著地降低，減少潛在的錫橋。

　　結(jié)論
　　化學(xué)腐蝕和激光切割是制作模板的減去工藝。化學(xué)蝕刻工藝是*老的、使用*廣的。激光切割相對較新，而電鑄成型模板是*新時(shí)興的東西。

　　為了達(dá)到良好的印刷結(jié)果，必須有正確的錫膏材料(黏度、金屬含量、*大粉末尺寸和盡可能*低的助焊劑活性)、正確的工具(印刷機(jī)、模板和刮刀)和正確的工藝過程(良好的定位、清潔拭擦)的結(jié)合。

　　本文節(jié)自瑞.普拉薩德的教科書《表面貼裝技術(shù)：原理與實(shí)踐》的第九章