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提高钢网底部擦拭良率
录入时间:2018/12/4 12:04:36

Mike Bixenman, D.B.A

KYZEN, Nashville, TN, USA

mikeb@kyzen.com

chrysShea

Shea EngineeringNashville, TN

chrys@sheaengineering.com

 

Brook Sandy

Indium Corporation

bsandy@indium.com

 

 序言

过去数年里,钢网底部擦拭越来越引起人们的兴趣。微型化组件和高密度互连件引起的电路设计改变已然使钢网孔壁无任何焊膏累积变得愈加重要。多数钢网印刷工艺均采用真空干擦以清洗孔壁内的焊膏残留。钢网孔径尺寸缩小要求更为频繁地擦拭钢网以确保钢网内无任何焊膏累积。

为促进焊膏释放,越来越多的研究围绕两项技术方法进行。第一项技术为纳米等级疏水、疏油和减少粘附性涂层。1该方法旨在将金属钢网表面进行纳米涂层以防止焊膏粘附于孔壁。第二项技术即为用清洗剂溶剂润湿钢网擦拭布进行底部擦拭。清洗剂溶解焊膏内的助焊剂成分,从而促进锡球从孔壁释放。

 钢网释放涂层

高密度和微型化电路装配使焊膏印刷工艺面临挑战。采用包括0201、01005和µBGA设备在内的小型组件要求使用优质焊膏以防止焊膏桥接和错印。2安置该等微型化组件通常要求焊膏释放有较高成型比。为促进焊膏释放,应采用纳米涂层于激光切割后的钢网以提高转移效率。

纳米涂层以化学方式改变孔径表面以使焊膏减小其对金属表面的吸引力。涂层钢网以两种互补方式运作,从而减小焊膏与孔径间的粘附力。首先,通过添加极薄涂层以减少孔径粗糙度。且涂层填充表面结构的部分“凹处”。该工艺可减小焊膏对不锈钢钢网网丝的粘附力。

 Shea Engineering研究了纳米涂层的效果。图1为印刷工艺后钢网底部的紫外荧光图。注意纳米涂层钢网如何减少钢网底侧的助焊剂沉积。助焊剂与开孔紧密粘附。

1纳米涂层钢网

图2为非纳米涂层钢网印刷工艺后钢网底部的紫外荧光图。注意助焊剂是如何从开孔扩散而出。

2非纳米涂层钢网

纳米涂层钢网所依赖的技术旨在将焊膏排出开孔的能力。钢网表面的疏油极薄涂层验证了细间距印刷效果及良率的改善。2涂层与钢网表面和孔壁反应。表面涂层厚约5个单分子层。1涂层通过耐用疏水、疏油和减少粘附的材料改变钢网表面。

一直以来的一个问题则为钢网下方擦洗进行频率。诸多因素将影响擦拭频率。一般来说,微型化及高密度设计需要更为频繁的擦洗,因为该等设计使多馀的焊膏更有机会在钢网孔径内沉积或在分离后粘附于钢网底部表面。高度微型化产品的擦拭频率可为每次印刷擦拭一次,低密度设计的擦拭频率可为每10到20次印刷擦拭一次。图3为Shea Engineering在通过纳米涂层与非纳米涂层钢网干擦前就10次印刷进行的研究。

310次印刷后干擦纳米涂层

对于非纳米涂层钢网,留意助焊剂如何扩散于钢网底侧(图4)。非纳米涂层钢网底侧的残留量十分明显。

 

410次印刷后干擦非纳米涂层钢网

数据发现表明,若将钢网进行纳米涂层,钢网底侧及孔径内的焊膏量和锡球较少。对于高度电路设计,纳米涂层技术就展现出其优势。

 

钢网底部擦拭溶剂

对于高间距结构,干擦钢网底侧已经认可。对于大型印刷工作,孔壁上的少量焊膏并不会严重影响印刷工艺。随着结构尺寸减小,通常需要采用化学溶剂促进溶解焊膏内的助焊剂载体。锡球从开孔释放并在聚集于擦拭布上释放。

采用高密度电路板和非纳米涂层钢网研究钢网下方擦拭工艺的效果。每次印刷后将钢网移除钢网印刷机。检查孔径以观察孔径内部和钢网底侧的形成物。图5为首次印刷后的助焊剂载体和部分锡球。

5高密度孔径的助焊剂形成

图6为多次印刷中钢网底侧的形成物。不出所料,印刷过程中锡球和焊膏量不断增加。风险在于,在后续印刷过程中,助焊剂和多馀的锡球将累积于钢网开孔附近。除此之外,小孔径很快速地在印刷过程中堵塞。

6锡膏在钢网底侧的累积

为进一步地了解钢网擦拭,擦拭顺序的研究如下:

1. 干燥/真空

2. 干燥/真空/干燥

3. 异丙醇擦拭/干燥

4. 异丙醇擦拭/干燥/真空

5. 特制溶剂擦拭/干燥/真空

6. 水基性共沸溶剂擦拭/干燥/真空

从干擦研究来看,钢网底侧出现条纹。进一步观察发现,钢网底侧的助焊剂载体易经擦拭而扩散底部。该结果与Shea Engineering从研究中所观察到的现象一致。随着印刷次数增多,钢网底侧沉积的助焊剂量随之增加(图7)。当将印刷后的电路板间路板层叠式存放,多馀的助焊剂可能沉积于电路板表面。该情况或许存在可靠性风险。

7干擦后的助焊剂条纹

 

IPA(异丙醇)是湿擦过程通常采用的溶剂。从以往看来,多数助焊剂配方均以IPA制成,则选择IPA合乎情理。然而,焊膏制成品因诸多原因均已不含IPA系列助焊剂,而其中最明显的就是高焊接温度合金。IPA为可燃性溶剂且其燃点(物质产生可燃性蒸汽所需的最低温度)为12°C (54°F),而这也是一项风险因素。

除可燃性外,IPA对于现代焊膏均属于清洗效果较差的溶剂。当焊膏助焊剂主要由天然松香制成,则IPA可完全溶解残留物且挥发快速, 价格十分便宜。然而,当前的助焊剂,尤其是免清洗配制助焊剂,其配制所使用的材料不同于松香型易溶于IPA且要求更多特制溶剂来进行清洗。

本研究所用焊膏为无铅免清洗焊膏。IPA/干燥擦拭后,钢网底侧干燥且基本洁净。与干擦相似,钢网底侧也有助焊剂条纹(图8)。

8IPA/干燥擦拭示图

 

第三种擦拭顺序,即IPA/干燥/真空,也使钢网底侧出现助焊剂条纹(图9)。

9IPA/干燥/真空擦拭示图

溶剂型钢网清洗剂能有效清洁免清洗、松香、水溶型焊膏。特制的清洗剂能有效溶解焊膏内助焊剂树脂成分。特制的溶剂成分能清洗并清除易粘附于孔壁和钢网底部的焊膏。图10为溶剂擦拭/干燥/真空擦拭后钢网底侧示图。钢网底侧无助焊剂污点。

与IPA不同,特制溶剂在可燃范围内制成。由于其低蒸汽压,溶剂干燥较IPA慢。若采用干燥+真空擦拭法,钢网底侧在擦拭后干燥。对于蒸发较慢的溶剂,最好进行第二次干擦。

10特制溶剂擦拭/干燥/真空

测试的最后一种溶剂为水基型共沸设计溶剂。水基型共沸成分的好处在于其可实现恒定蒸发率、非可燃性和低挥发性有机化合物含量。采用该种擦拭溶剂可能影响其清除免清洗助焊剂树脂的效果和在擦拭结束后的干燥效果。

水基型共沸溶剂擦拭/干燥/真空擦拭法在清洗免清洗助焊剂载体方面的效果比特制溶剂擦拭的清洗效果较低。而更令人担忧的是擦拭结束后钢网底侧形成的水基型共沸溶剂薄膜。若使用干燥缓慢的擦拭溶剂,则应另行评估增加干燥和真空擦拭。

11钢网底部的溶剂-水恒沸物湿度

采用特制清洗剂擦拭钢网底侧需了解并预测存在的部分风险因素。化学品擦拭可能残留并污染焊膏。为降低风险,钢网下方擦洗溶剂洁净后必须藉由后续干燥擦拭和真空操作中保持完全干燥。

钢网下方清洗剂的期望特性包括(1)快速溶解焊膏助焊剂载体的能力,(2)与纳米涂层和设备的材料相容性,(3)不可燃,(4)低气味和(5)充分挥发性以快速挥发并在清洗后干燥。缺少上述任一特性均将降低工艺可重复性和再现性。

 结论

过去几年,钢网下方擦拭越来越引起人们注意。包括微型化组件、高密度组件和新钢网技术在内的电路设计改变均要求减少印刷缺陷,且人们对员工安全和环境法规的改变和备受关注重新燃起兴趣。

经研究发现,纳米涂层钢网能促进焊膏从钢网开孔的有效释放。且钢网底侧产生的助焊剂较少。

目前特制钢网底部擦拭溶剂已导入并与无铅焊膏中助焊剂成分相匹配。特制钢网底部擦拭溶剂清除助焊剂污点并在后续擦拭工艺结束后留下干燥的表面。水基型共沸溶剂在钢网底部擦拭清洗效果佳,但干燥速度较慢。除此之外,若采用水基型共沸溶剂钢网下方擦拭溶剂,则需于后续采用干擦和真空步骤。

 

参考文献

1.          Aculon (2013年)。表面变更技术, Aculon, 11839 Sorrento Valley Rd San Diego, CA 92121

2.          Shea, C. & Whittier (2012年)。钢网箔材料、供应商和涂层评估。SMTAI 2012.

 

 

 


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