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评价粉末尺寸和模板对焊膏转移效率的影响
  2019-11-19      394

作者:Timothy O rsquo;NeillCarlos TafoyaGustavo RamirezAIM METALS AND ALLOYS公司

摘要

在以前关于焊膏粉末尺寸和模板对焊膏转移效率影响的研究中,关注的重点是焊膏粉末尺寸、室温老化、PCB焊盘和模板孔设计对印刷的影响,这项研究继续深入研究焊膏粉末粒度的影响,同时还考察了模板的表面处理和模板金属箔的张力对印刷的影响。这项研究的目的是,找到在微间距印刷中可重复性、转移效率和印刷精度等变量在改善印刷效果中的作用,并对他们进行排序。结果表明,根据对印刷质量从高到低的影响进行排序,是纳米涂层、粉末类型和箔片张力,此外,我们还需要进一步研究高张力在印刷中的作用,才能更好地掌握它,从而最大限度地发挥它的作用。

引言

我们以前的研究工作[1]揭示出:

a. 对于某些模板孔设计,减小焊膏粉末的颗粒度可以在一定程度上提高印刷的一致性和转移效率

b. 在一定条件下,减小焊膏粉末颗粒度可能会缩短焊膏的使用寿命,增加工艺变量

c. 使用高质量的有纳米涂层模板时,在标准安装张力下,提高焊膏转移效率的最重要变量是焊盘和模板孔的设计。

这项研究在数据库中增加了纳米涂层和安装张力对印刷质量的影响数据,在印刷实验中使用相同的模板印刷未经老化的四型(T4)和五型(T5)焊膏给印刷实验带来一种全新的处理方法;在这些实验中,一块模板涂敷了一种商用聚合物纳米涂层,另一块没有涂层,用高张力安装。作为参考, "标准的 "安装张力大约是35牛顿/厘米,而 "高 "安装张力是50牛顿/厘米或更大。

从理论上看,同安装张力比较小的金属箔相比,安装张力比较大的金属箔涂布的焊膏更加精确,因为在印刷工艺的分离阶段,张力大的箔的偏斜或回弹比较小。

实验方法

测试工具

本文印刷研究选择的测试工具(TV)是商用的Jabil焊膏评估电路板2,这是一家全球技术领先的标准元件与测试套件供应商。这个测试工具如图1所示,在我们之前的研究中,这个测试工具提供了非常全面和详细的分析,这项研究再次使用这种焊膏评估电路板,保证数据收集和分析具有连续性。


这种焊膏评估电路板的特点包括:

l 印刷到失效(PTF)的焊盘图案的焊盘组合的尺寸范围从3密尔到15密尔,焊盘的形状包括圆形、正方形和长方形,焊盘分为铜焊盘(NSMD)和有阻焊膜的焊盘(SMD)。

l 0.4毫米和0.5毫米BGA图案。

l PCB上的标记是在铜上蚀刻的,不是用油墨丝网印刷的,可以避免PCB专门用语模糊不清的影响。

在这项研究中,印刷的最小尺寸是6密尔(150微米),使用4密尔厚(100微米)的模板得到0.38的面积比(AR)。得到的最小印刷尺寸是8密尔(200微米),这是因为低于这个阈值时,变化会大幅增加,一部分原因是因为面积比低,另一部分原因是测量误差。在这种测试方法中使用的测试工具(TV)和以前的研究中使用的是同一个生产批次的产品。每次印刷都使用一块新的焊膏评估电路板来收集数据。PCB不做清洗和重新印刷。

表1是焊盘和模板孔的尺寸、面积比和理论体积。


模板

这项研究使用的模板采用代表当前最新技术水平的模板,这种模板通常用于要求焊膏粉末更微小的微间距印刷。这些模板是由一家高质量的美国模板供应商制作的,使用新型的半导体激光从预先安装好的某知名品牌的不锈钢板上切割下来。一块模板的金属箔用高张力预先安装,另一块模板的金属箔用标准张力安装。然后,模板供应商把一种专利的聚合物纳米涂层涂敷到标准张力模板上。把从每块模板上得到的SPI结果和保存在数据库中的以前研究结果进行比较。所有的孔尺寸和测试焊盘尺寸的比是1比1(1:1),不缩小任何孔的尺寸。

实验室的设备和印刷参数

测试设备包括位于墨西哥Juarez的AIM应用实验室的DEK Horizon丝网印刷机、Parmi Sigma X射线SPI机器和ASH视频显微镜。测试区域的气候受到严格控制,可以人工模拟全球各地的生产环境。在温度25.4 deg;C(77.4 deg;F)、相对湿度(RH)59%的环境中进行测试,每天记录两次。

在这家工厂供职的全职工艺工程师,都通过SMTA认证,SMT组装工艺的经验加起来超过50年。图2是实验室经理为运行测试准备DEK Horizon印刷机和Parmi Sigma X射线SPI机器的照片。印刷参数如下:

l 刮刀:14英寸(355毫米),DEKOEM的刮刀角度是60 deg;

l 刮刀速度:40毫米/秒(约1.6英寸/秒)

l 刮刀压力:10千克(14英寸刮刀叶片上的压力约1.5磅/英寸)

l 分离速度:1毫米/秒(约0.040英寸/秒)

l 分离距离:3毫米(约120密尔)

l 擦拭顺序:润湿-真空-干燥(WVD),使用DEK EcoRoll擦拭纸和AIM DJAW-10溶剂。在每一组五次印刷的第一次印刷前自动擦拭模板

使用专用的平支撑块为PCB提供刚性支撑,并使用新的刮刀刀片进行测试。

自动化焊膏检查

修改SPI检查参数以提高测量的精确性。在生产环境中通常使用30-40微米的测量阈值来消除像丝网印刷标记、阻焊膜在走线上跨越这些PCB形状特征引起的噪声。因为这个测试工具的设计会降低电路板形状引起的噪声,它可以使用15微米的测量阈值,提高测量的保真度,有助于发现在印刷中的细微变化。

焊膏

这项测试是使用新式免清洗助焊剂介质的四型焊膏(T4)和五型焊膏(T5)。这些焊膏在焊膏供应商建议的条件下混合、运输和储存。T4和T5的金属含量分别是88.5%和88.3%,与早期测试相同;但是,在这项测试中使用的焊膏粉末和助焊剂介质和早期测试所使用的有很大的差别。



l 标准差

l 变化系数(CV,即标准差除以平均值,用百分比表示)。在比较不同的SPI数据集时,CV比Cpk更受欢迎,因为它是在不考虑控制限制影响的情况下将平均值标准化

l 使用通用的行业可接受实践,可接受标准是TE不小于理论孔体积的80%,CV小于10%

在进行每组五次的印刷前擦拭模板,但在两次印刷之间不擦拭模板。在每次印刷后立即读取SPI读数。整个印刷的运行,从开始印刷到印刷结束,包括0分钟、30分钟、60分钟和90分钟的暂停印刷时间在内,大约要花4个小时。

测试按以下顺序进行:

暂停时间0分钟

1、安装模板和刮刀

2、搅拌焊膏并把焊膏涂布到模板上

3、印刷五块焊膏评估电路板

4、启动计时器,计时30分钟

5、移走模板和刮刀,让焊膏留在模板上


计时器到达30分钟标记时,运行WVD擦拭

1、印刷五块焊膏评估电路板

2、启动计时器,计时60分钟

3、移走模板和刮刀,安装模板和刮刀

4、计时器到达30分钟标记时,运行WVD

5、印刷五块焊膏评估电路板

计时器到达60分钟标记时,运行WVD擦拭

1、印刷五块焊膏评估电路板

2、启动计时器,计时90分钟

3、移走模板和刮刀,安装 "A "模板和刮刀

4、计时器到达60分钟标记时,运行WVD擦拭

5、印刷五块焊膏评估电路板

记时器到达90分钟标记 "F "运行WVD擦拭

1、印刷五块焊膏评估电路板

2、启动计时器,计时120分钟

3、移走模板和刮刀,安装模板和刮刀

4、计时器到达90分钟标记时,运行WVD擦拭

5、印刷五块焊膏评估电路板

6、移走模板和刮刀

表2是数据管理工作表,说明变量、运行顺序、焊膏评估电路板材料的标记和SPI文件跟踪信息。

结果与讨论

分析收集到的数据时,需要考虑许多方面。为了简化分析:

1、数据按元件类型或焊盘堆叠来区分

2、只审查最好和最糟糕的情况

3、根据主要输入变量纳米涂层、焊膏颗粒尺寸和金属箔片张力说明焊膏的转移特性

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