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怎样提升Fine Pitch 引脚器件的印刷品质
  2020-04-07      53

欣旺达电子股份有限公司 石龙仔制造中心 李志求

摘要:由于电子消费市场对于电子产品特别是消费型电子产品持续要求其:产品尺寸轻薄短小、功能高度集成、存储空间更大、携带更方面,具有更高集成性的IC封装密度和更多IC引脚数的元件应用越来越多。具代表性的是继通孔装配SIP封装工艺制程和表面贴装的POP工艺制程导入之后,球栅阵列封装(BGA)的大规模应用,如0.3~0.4mm pitch  BGA、CSP/WLCSP BGA、 Flip chip,QFN类、LGA等其引脚间距pitch越来越细,以及01005器件的大规模使用,这些元件的装配对于SMT工艺材料的选择,设计和工艺的控制等方面要求更高。

锡膏印刷作为整个电子装联的首道工艺变得非常关键,据业界权威资料统计,SMT工序中60—70%的焊接缺陷,其原因来自于印刷工艺;缺乏有效稳定控制的印刷工艺,可以预见在回流焊接之后虚焊、桥连、少锡、锡珠等焊接缺陷会非常高,甚至印刷之后即出现上述问题,严重影响装配直通率及焊接可靠性。如何获得理想而又稳定的印刷品质,对我们SMT工艺工程师和设备工程师提出了挑战和要求。

了解哪些因素会影响精细间距元件的锡膏印刷品质,对于印刷工艺的提升与控制尤为重要,本文将详细介绍细间距元件锡膏印刷工艺的关键控制因素,从工艺材料锡膏的选择,PCB设计方面,印刷钢网的设计等方面结合本文作者10多年以上SMT行业的工作经验从细节上提供一些帮助和参考。

关键词 精细间距元件 锡膏印刷  PCB设计  钢网开孔设计

 

1. 引言

锡膏印刷是把一定的锡膏量按要求印刷分布到PCB(印制线路板)上的过程。它为SMT阶段的焊接过程提供焊料,是整个SMT电子装联工序中的第一道工序,也是影响整个工序直通率的关键因素之一。印刷工艺涉及的辅料和硬件:模板/钢网、锡膏印刷是个复杂的工艺系统,是多种技术的整合和综合运用。印刷效果的好坏与以下的因素有关:PCB基板、钢网、锡膏、丝印机(包括刮刀、印刷支撑工装)、车间环境、印刷工艺参数等等

 

关键因素:

我们将如何控制这些关键因素?

工艺硬件和材料

印刷电路板 ( 基板 )

 

Tooling、支撑工装

 

印刷钢网

 

印刷材料 ( 锡膏, 清洗剂)

 

刮刀、搅 拌刀

 

工艺参数

印刷速度、

 

刮刀压力

 

分离 ( 脱膜 ) 速度

 

钢网底部清洁系统

参数设置

 

性能

 

环境

温度

 

湿度

 

机器条件(状况)

清洁

 

机器精度及重复性

 

机器的日常保养和维护

 

技术培训

技术人员的稳定和定期考核

 

 

2. 文章介绍

本文将通过介绍下面的关键因素介绍,帮助读者在可制造性设计DFM,锡膏材料的选择,印刷工艺的控制等方面深入理解,并能够在生产实践中很好的优化和改善控制精细间距元件的印刷工艺和品质。

· 锡膏型号和选择

· 车间工作环境:温度、湿度、洁净度

· PCB 的可制造性设计DFM

· 使 PCB 获得平整支撑的工装/载具

· 印刷钢网的设计和制作工艺

· 印刷机和刮刀硬件的选择

· 印刷工艺参数的优化设置等

3. 锡膏的选择(Solder Paste

锡膏属于非牛顿流体,决定它印刷特性的主要是粘度和金属颗粒的大小及分布。它的粘度不是固定不变的,会随着剪切力和剪切速度的增加而降低,如下图所示。一般地,粘度以厘泊/poise(1Pa.s = 1000 CP.S)表示,对于 SMT 钢网印刷,根据元件引脚间距不同推荐的锡膏粘度一般目前锡膏的粘度范围1500~1900poise较为合适,粘度系数低于1500poise,锡膏流动性太好,印刷后锡膏也容易坍塌;粘度系数高于2000 poise以上,锡膏粘度系数高,锡膏流动性差,锡膏容易变干、可印刷性不佳

Print strokes / min

To go from A-B (ie to reach working viscosity) may take several print strokes

To go from C-D (ie from working to non-working) may only take a few minutes of paste inactivity

使用粘度不当的锡膏会出现少锡或多锡,甚至连锡等印刷缺陷。需要注意的是锡膏的粘度受温度的影响非常大,当温度升高 10 ℃锡膏的粘度将降低到原来的一半!另外、锡膏中金属成份的含量比重也会对锡膏的粘度有影响,0.5%的变化其影响程度就很大。随着连续印刷时间或在印刷钢网上放置的时间延长,锡膏的性能会发生改变(可印刷性),并且其化学性质会随着溶剂的挥发,助焊剂的分离而改变,其粘度会随之增加。所以要求锡膏在印刷钢网上可放置一段的时间其可印刷性和化学性质极少的改变,通过在钢网上自动搅拌仍能恢复到最佳印刷状态。一般地,要求这段时间超过一小时。请注意,这并不是说,锡膏在钢网上停留一小时后不需重新清洁钢网,搅拌锡膏,而直接印刷就可以了。事实上,锡膏需要连续不间断印刷,确保锡膏和助焊剂能够均匀结合,其印刷品质才能趋于稳定。

影响锡膏印刷性能的另一主要因素就是其中金属颗粒的大小和直径:ANSI/J-STD-005(联合工业标准)按照金属颗粒的大小范围给锡膏分成了 1~6 类,如下表(其中TYPE 6主要用于半导体封装工艺)。

金属颗粒越细越利于锡膏的传输和释放转移,也就是说印刷后获得的锡膏量越接近于理论锡膏量。但是需要考虑两个方面的不利因素:由于金属颗粒很小,锡膏的流动性非常好,回流焊接后氧化,桥连和锡珠印刷缺陷的风险就会增加, 甚至在印刷之后有时可以发现桥连和锡珠等印刷缺陷。另一方面,越小的金属颗粒尺寸,其总的表面积越大,所以氧化的机率越膏。所以 type 5 以下的锡膏都需要在惰性环境中回流焊接。锡膏类型选择的原则是保证最大的金属颗粒尺寸不超过钢网上最小开孔尺寸的五分之一(以及对应钢网的开孔必须满足“三球定律”、“五球定律”)。这也是将在下面要谈到的印刷钢网设计的原则之一。

 一般来说,如果产品上含有大量的0.4mm pitch及以下封装尺寸的IC,一般优选TYPE 5的锡膏,根据近几年业界的比较普遍使用的优质锡膏,个人觉得:其中Indium 8.9HF(T4/5)、千住 M705-S101HF(N6)-S5( TN)、千住 S70G-HF、千住 M705-S101ZHS4CP(S5)、Alpha OM350/340 (S5)以上TYPE5锡膏的润湿性、印刷性、流动性等综合性能较好!

4. PCB 的可制造性设计/DFM

印刷电路板焊盘图形的设计可以参考 IPC 相关的规范IPC-7351(代替之前有铅工艺的IPC-SM-782),但一般每个ODM/OEM公司的硬件研发设计都会对不同类别的元件对应的焊盘进行优化设计建立标准的封装库(Footprint),建立厂内封装设计规范。设计人员不仅需要对产品进行设计,同时还必须关注 PCB 的可制造性设计。影响 PCB 可制造性的因素有:

· 尺寸的稳定性

· 阻焊膜的厚度

· 通孔的可靠性

· 基准点的质量

· 抗扭曲变形的能力、CTE系数、TG值等

· 成品(PCB 板)的平整性

· 元器件和导线的布局

· 焊盘的平整性

对于PCB 或基板的检验及供应商的认证可以参考本文所附IPC 相关标准(IPC-2221、IPC-2222、IPC-A-600G等等),本文介绍的重点是印刷电路板或基板影响印刷工艺的一些特性,譬如阻焊层(sold mask、silk layer)的厚度及精度,基准点的设计及质量,元器件和导线的布局,尺寸的稳定性对于印刷工艺的影响,以及在印刷过程中对于 PCB 的操作控制。阻焊层/solder mask的厚度会影响焊盘与印刷钢网之间的间隙,阻焊膜太厚会导致印刷时焊盘和钢网之间不能密封而使锡膏被挤到钢网底部形成锡珠或桥连。一般采用液态定影(LPI)获得的阻焊膜厚度为0.2~0.7mil,采用干膜法(DY)获得的厚度会较厚,为 0.3~3mil,而印刷(SCP)获得的厚度0.5~1.5mil。有时一些金属化孔被阻焊膜堵住,注意这些通孔不要离细间距元件区域太近,否则因为PCB 不平整而导致上述印刷缺陷,如下图。

 

(这种结构不要离元件所在区域过近)              

    

  阻焊膜开孔偏移约 2mils,焊盘设计尺寸 6mils

阻焊膜位置相对于SMD 或NSMD 焊盘偏移是 PCB 制造常见的一个问题,由于这些偏移会使锡膏印刷出现桥连,锡珠或印刷位置偏移等缺陷。一般阻焊膜的位置和尺寸公差可以控制在

+/-3mil,较好的控制可以在+/-2mil 甚至+/-1mil,当然这类 PCB 的成本也会相应较高。在设计的时候需要了解 PCB 供应商的制造能力,确定适当的设计公差,以降低阻焊膜偏移的影响。

印刷电路板尺寸的稳定性会直接影响装配良率和产品的可靠性。一般 FR4 基材其收缩率为

+/-0.08%。举个例子,PCB 板长宽分别为 250mm 和 250mm,那么其对角尺寸与设计的尺寸差异将是+/-0.3mm。这对于细间距元件的装配影响将是巨大的,所以对于 SMT 工艺开始之初就需要了解该产品 PCB 的尺寸收缩率,进而来设计印刷钢网及编辑贴片程序。否则工艺过程中将无法去解决对位不准的问题。

元件焊盘尺寸稳定性是另一重要影响因素。细间距元件对于焊盘的设计和制造工艺非常敏感,由于PCB 制造工艺的影响,而往往最后获得的焊盘尺寸甚至形状与最初的设计相差甚大,这有时也和我们的设计有关系,因为PCB设计人员对制造工艺不了解,工艺能力不了解。譬如,对于 0.3mm间距的 CSP 焊盘的设计: SMD 焊盘,阻焊膜 9.8mils,焊盘尺寸 5.9mils。而对实际产品进行量测,阻焊膜 5.5mils,焊盘尺寸 4.0mils,误差超过 30%!

由于对 PCB 制造工艺和业界标准缺乏了解,很难判断设计合不合理,也就是说是否适合制造。下图说明了不合理的设计和制造工艺的问题造成了细间距元件焊盘形状各异,尺寸也不一致,可以肯定焊接之后焊点大小也会不一样(印刷钢网开孔相同的情况下)焊点内会有应力集中的问题而影响可靠性。同时需要注意的是,如果以 AOI 来检查锡膏印刷品质,它会给您错误的信息,这一点我们在下面的文章的将会逐一介绍。

如下为Mark点和PCB/FPCB拼板设计的一些基本规则:在FPC的设计上,由于软硬件的结合位置材料涨缩问题,以及制作工艺问题,涨缩系数需要根据元件的最小间距来评估,从严格意义上和制程要求上来说,涨缩系数不能超过最小间距器件焊盘尺寸的30%。PCB表面处理后的平整度要求也很关键,一般高端HDI PCB,业界的规定如下:

(PCB Mark点和拼板尺寸基本规则)

(PCB表面处理镀层厚度标准)

由于不恰当的设计导致实际的焊盘大小和形状不一致

基准点的设计位置和形状亦不容忽视。一般地基准点推荐采用圆形设计,尺寸约 2mm。有时会在板上安排几个基准点,那么基准点之间不要太近,基准点和导通孔或测试点之间也要有足够的距离,以免机器误认基准点而影响印刷和贴片精度。

元件不宜离板边太近,一般要求离板边至少 5mm,以便装配和传输。铜导线的布局需要注意不要靠近细间距元件的焊盘(一般控制在3.0mm以上较为合适),因为其被阻焊膜覆盖后往往高出周围焊盘,影响附近区域和印刷钢网之间的密合。锡膏印刷需要钢网和 PCB 之间没有间隙、紧密贴合,这点对于细间距元件的锡膏印刷非常重要。

在安排导通孔和测试孔时需要注意:如果基板需要真空治具/底座来支撑,那么在细间距元件区域内不要安排密集的通孔以免影响板的支撑,甚至会将锡粉吸到钢网底部和治具上。

5. 印刷钢网的设计和制造

印刷钢网的设计可以参照 IPC-7525A,但是还必须根据不同的产品情况来优化钢网的设计。影响钢网设计的因素有 PCB 焊盘和阻焊膜,不同元件对于锡膏量的不同要求,不同型号锡膏的应用,工艺的可重复性等。有的时候面临种种限制条件,必须折衷设计方案。譬如,元器件所需的锡膏量需要兼顾,而锡膏的型号又不能变更,那么钢网的设计就需要仔细优化,而不仅仅是参考钢网设计标准了。

当然在处理异常和实际运用中,不能完全参考IPC-7525的内容标准(理想状况),需要结合实际情况和印刷、焊接效果来进行钢网开孔设计。

 

  在钢网设计时特别需要注意的是,不能完全按照 PCB 或基板的设计文件来进行设计,必须考虑PCB 和基板的制造误差,譬如尺寸的收缩率,焊盘尺寸的变化(有无过蚀),阻焊膜的偏移量等。需要依照实际情况的统计数据进行优化设计。

 

 

印刷钢网的开孔设计和厚度的选择总的来说需要遵循四个原则:1)面积比要大于 0.66;2)宽深比大于 1.5;3)最小的孔的尺寸至少满足“三球定律”;4)钢网开孔和焊盘之间能达到“密封”效果。(上图就是宽厚比、面积比、三球定律的图示),从实际钢网开孔设计中,特别是0.4mm pitch BGA/AQFN器件,需要密切关注面积比的计算和确认,一般不能出现面积小于0.66的情况,一般面积比设计在0.7以上效果更为理想。

    比较好的钢网设计能获得较好的锡膏传输效率,当然必须在印刷工艺处于稳定且可控条件下。锡膏传输效率是指使用钢网印刷实际获得的锡膏印刷量与理论锡膏量之比。根据以下经验曲线,在钢网设计的时候,就可以确定采用不同的面积比所获得的锡膏传输效率。

Transfer efficiency = actual paste volume/ideal paste volume x 100%

   纳米钢网和其他高端新技术钢网:随着表面镀层/膜技术、金属表面处理、激光技术等新材料、技术的发展,现在各种高端钢网已经逐步在实际生产中使用,例如:FG钢网、纳米涂层钢网、PH钢网、PRO/SHG钢网、溅射工艺钢网等。这些新钢网技术工艺,虽然在一定程度上增加了成本,但是,从印刷稳定性和品质直通率等整体上来评估的话,带来的综合收益远大于前期的钢网投资成本。目前,珠三角地区比较好的钢网厂家主要有:富来宝米可龙(高端钢网)、光韵达、光宏科技、惠世光等钢网工艺技术获得业界好评较多。(下图为不同钢网工艺技术的孔壁粗糙度对比)

如下图示为:锡膏印刷后钢网脱模的基本原理,以及印刷脱模下锡成型不佳的基本原理和图示

 

 

6. 总结

综上所述,影响印刷工艺的品质和稳定性,确实和很多因素相关,限于篇幅所限,本人主要从:锡膏选择、PCB设计要求、钢网开孔设计三大方面主要介绍其相关性和重要性。后面的文章将会从:印刷机设备硬件、工艺参数、车间环境、辅助材料和设备等四方面介绍印刷工艺的要求和相关性,以及目前常用的一些印刷机器、工艺参数与印刷品质相关性、以及一些新材料、新工艺技术的在实际生产中有效运用和推广。

细密间距(Fine Pitch)元件的锡膏印刷比一般元件更具难度和挑战性,要获得稳定可靠的印刷工艺品质,要求SMT工艺设备技术人员对工艺材料、印刷设备和工具性能及影响印刷品质的关键因素,有全面深刻系统的了解,也要懂得利用品质工具SPC、DOE、6Sigma等数据分析工具去找出相关性和规律,正所谓:“工欲善其事、必先利其器”、“巧妇难为无米之炊”其实也是这些内容的真实总结和写照。

 

Some of IPC standards and References (IPC标准文件和参考文献)

 

IPC-7525                       Stencil Design Guidelines

IPC-2222                       Sectional Design Standard for Rigid Organic Printed Boards

IPC-2221                       Generic Standard on Printed Board Design

IPC-A-600G Acceptability of Printed Boards

ANSI/IPC-D-3006 Printed Board Dimensions and Tolerances/

IPC-6013-K Qualification & Performance Specification for Flexible Printed Boards & Amendment 

IPC-6012B-AM Qualification and Performance Specification for Rigid Printed Boards, Includes Amendment 

IPC-SM-782/ IPC-7351 SMD Land Pattern Standard

ANSI-J-STD-005           Requirements for soldering pastes

IPC-7527                       Requirements for Solder Paste Printing

IPC-7095B                    Design and Assembly Process Implementation for BGAs

珠海伟创力     尹纪兵    SMT工艺中常见元器件的焊盘与钢网开孔可制造性设计   PPT/PDF

DEK咨询(上海)  李忆     精细间距元件获得稳定可靠印刷品质的关键因素 PDF

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