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PCBA大讲堂:如何解决小型化元器件对锡膏印刷的挑战

发布时间 :2019-09-11 16:11 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳宏力捷PCBA加工部
    近年来,随着智能手机、平板电脑等智能终端设备的性能需求的提高,SMT制造业对小型化、薄型化的电子元器件需求更加强烈,随着可穿戴设备的兴起,这种需求更是日益高涨。下图是iPhone 3G 和iPhone 7 主板的比较,新的I-phone手机功能更强大,但是装配而成的主板却更小了,这需要更小的元器件以及更密集的元器件装配才能做到。
 
    越来越小的元器件,对我们生产的工艺也将会越来越难,一次直通率的提升成了SMT工艺工程师的主要攻克目标好任务。一般来说SMT行业60%以上的不良都和锡膏印刷有关,锡膏印刷是SMT生产中的一道关键工序。解决了锡膏印刷的问题,就相当于解决了整个SMT工序中大半的工艺问题。
 
 
PCBA大讲堂:如何解决小型化元器件对锡膏印刷的挑战
下图是SMT元器件公英制尺寸对照表。
SMT元器件公英制尺寸对照表

 
下图是SMT元器件的发展历程以及展望未来的发展趋势。目前英制01005贴片器件和0.4 pitch的BGA/CSP 在SMT生产中运用比较普遍。公制03015贴片器件也有少部分在生产中运用,而公制0201贴片器件目前还只是在试产阶段,预计未来几年会逐渐在生产中运用。
SMT元器件的发展历程以及展望未来的发展趋势
 
要了解小型化元器件对锡膏印刷带来的挑战,首先要了解钢网印刷的面积比率(Area Ratio)。
钢网印刷的面积比率(Area Ratio)

 
对于普通的激光钢网印刷,钢网开孔面积比率有如下要求:
对于长方形 开孔:
对于普通的激光钢网印刷,钢网开孔面积比率有如下要求
 
如果钢网开孔面积比率达不到要求(钢网太厚),就会出现下图的情况,锡膏印刷脱模时,小元器件的锡膏粘在钢网孔壁处,脱落到焊盘上的锡膏量很少。
如果钢网开孔面积比率达不到要求(钢网太厚),就会出现下图的情况
 
对于小型化焊盘的锡膏印刷,越小的焊盘和钢网开孔,锡膏越难脱离钢网孔壁。要解决小型化焊盘的锡膏印刷,有以下几种方案供参考:
 
1. 最直接的解决方案是降低钢网的厚度,增加开孔面积比率。
如下图所示,用了薄钢网后,小元器件焊盘的下锡良好。如果生产的基板没有大尺寸的元器件,那么这是一个最简单而有效的解决方案,但是如果基板上有大的元器件,那么大的元器件会因为锡量少而焊接不良。所以如果是高混合有大元器件的基板,我们需要下面列出的其他解决方案。
最直接的解决方案是降低钢网的厚度,增加开孔面积比率
 
 
2。利用新的钢网技术,降低对钢网开孔比率的要求。
1)FG(Fine Grain)钢网   
     FG钢片含有一种铌元素,该元素能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性,提高强度。经激光切割的FG钢片孔壁比普通304钢片的孔壁更清洁光滑,更有利于脱模。FG钢片制成的钢网开孔面积比率可以低于0。65,对比同样开孔比率的304钢网,FG钢网可以做的比304钢网略厚一些,从而降低大元器件少锡的风险。
304钢片和FG钢片的对比
304钢片和FG钢片的对比 
 
2)电铸钢网
电铸钢网的制造原理:通过在导电金属底板上印刷光阻材料,再通过遮挡模和紫外线曝光来制作电铸的模板,然后薄模板放在电铸液中电铸。其实电铸类似于电镀,只是电铸后的镍片可以从底板中剥离制成钢网。
 
电铸钢网
 
电铸钢网有以下特点:钢片内部没有应力,孔壁非常平滑,钢网可以是任意厚度(0.2mm以内,通过电铸时间来控制),缺点是造价较高。下图是激光钢网和电铸钢网孔壁图比较。电铸钢网光滑的孔壁在印刷后有更好的脱模效果,使得开孔比率可以低至0.5。
 
激光钢网和电铸钢网孔壁图比较
                         
3)阶梯钢网
阶梯钢网可以是局部加厚或减薄。局部加厚的部分用来印刷锡膏需求量大的焊盘,加厚的部分是通过电铸来实现,成本较高。而减薄是通过化学蚀刻来实现,减薄的部分用来印刷小型化元器件的焊盘,使得脱模效果更好,对成本更敏感的用户建议使用化学蚀刻,成本更低。
 
阶梯钢网
 
4)纳米涂层。(Nano Ultra Coating )
在钢网表面涂覆或镀上一层纳米涂层,纳米涂层使孔壁对锡膏排斥,所以脱模     效果更好,锡膏印刷的体积稳定性比较一致。这样,印刷的质量比较有保证,同时也可以减少钢网的清洗擦拭次数。目前国内大部分工艺只是涂覆一层纳米涂层,经过一定次数的印刷后效果就减弱了,国外有直接镀在钢网上的纳米涂层,效果和耐久性更好,当然成本也更高。
 
3. 双重锡膏成型工艺。
1)印刷/印刷
通过两台印刷机来印刷成型锡膏。第一台用普通钢网印密间距小元器件焊盘,第二台用3D钢网或阶梯钢网印刷大元器件焊盘。这种方式需要两台印刷机,而且钢网成本也高,如果使用3D钢网还要用到梳状刮刀,增加成本,生产效率也低。
2)印刷/喷锡
第一台锡膏印刷机印刷密间距小元器件焊盘,第二台喷印机喷印大元器件焊盘。这种方式锡膏成型效果好,但是成本高,效率低(取决于大元器件焊盘数量)。
双重锡膏成型工艺
 
以上几种解决方案,用户可以根据自身情况选择使用。从成本和生产效率考虑,降低钢网厚度、使用低要求开孔面积比率钢网、阶梯钢网是比较适合的选择;产量低、品质要求高、成本不敏感的用户,可以选择印刷/喷印方案。


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