【收藏】SMT锡膏印刷工艺关注要点

grand · 发表于 2021-6-22 13:41

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摘要：：
在SMT生产中，锡膏印刷是一道关键工序。在SMT贴装工艺技术中，锡膏印刷工艺是第一环节，也是极其重要的一个环节，印刷质量直接影响表面组件的性能和可靠性。锡膏印刷工艺技术是焊点质量和产品最终质量的保障。统计表明SMT生产中60-70%的焊接缺陷和锡膏的印刷有关，由此可见锡膏印刷的重要性。

引言：：
SMT的发展趋势是：元器件越来越小、组装密度越来越高，组装难度越来越大。最近几年SMT又进入一个新的发展高潮。为了进一步适应电子设备向短、小、轻、薄方向发展，出现了0201,01005,03015等片式元件以及SOIC\QFP\CSP\BGA\QFN等密间距器件，这对锡膏印刷的要求越来越高。SMT实现高直通率、高可靠性焊接是企业追求的目标，而要实现这一目标，需要持续稳定的印刷质量，必须重视印刷工艺，管控好每个细节是实现这一目标的前提条件。本文主要从锡膏、基板、钢网、刮刀、印刷支撑以及印刷参数、锡膏投入量、光学对中几个方面解析锡膏印刷工艺关注要点。
关键词：锡膏印刷；锡膏；基板；钢网；刮刀；印刷支撑；锡膏投入量；光学对中。
1 锡膏

1.1 锡膏的定义
锡膏也称焊锡膏，灰色或灰白色膏体，是伴随着SMT应运而生的一种新型焊接材料。焊锡膏是一个复杂的体系，是由焊锡粉、助焊剂及其它的添加物以混合，形成的乳脂状混合物。在常温下焊锡膏可将电子元器件初粘在既定位置，在焊接温度下，随着溶剂和部分添加剂的挥发，合金粉的熔化，使被焊元器件和焊盘连在一起，冷却后形成永久连接的焊点。

1.2 锡膏的选型
锡膏是一种重要的工艺辅料，选择锡膏时应根据生产模式、生产工艺、焊接元件的精密程度以及对焊接效果的要求等方面选择锡膏。具体可参阅以下几点选择合适的锡膏：a)具有良好的印刷性（流动性、脱版性、连续印刷性b）印刷后在较长时间内对元器件持有一定的粘合性。C)焊接后能得到良好的接合状态（焊点）d)其残留成分，具高绝缘性，低腐蚀性。e)对焊接后的焊剂残渣有良好的清洗性，清洗后不可留有残渣成分。f)具有优异的保存稳定性。建议锡膏认证时重点对锡膏的印刷性、润湿性、抗氧化能力、使用寿命方面进行测试。
印刷性方面的测试：通过观察0.4 MM间距的QFP锡膏印刷图形来评价
润湿性方面的测试：在OSP处理的焊盘印锡，回流后观察焊盘上焊锡铺展情况，面积越大，润湿性越强，活性越强。
抗氧化能力的测试：回流中锡膏的抗氧化能力主要体现在熔化回流前。那是高温而助焊剂可能已经发挥过作用的时候。认证的做法就是采用样本设置不同的预热、浸泡时间来观察其熔化后聚合及润湿的能力的变化。聚合、润湿力差的就是抗氧化能力较差
使用寿命进行测试：使用寿命就是锡膏开罐后不同的时间段，不同的回收次数，以及印刷后等待不同的时间进行其润湿性、坍塌性、溅锡性等观察。时间间隔长度可以根据使用模式来决定。如果要方便可以使用0.5和1小时间隔。对于小批量多品种的生产模式，由于锡膏使用中存在多次回收的情况，锡膏容易变干，尤其需要对锡膏的使用寿命进行测试，比较简单的做法是锡膏开罐后的不同时间段，不同的回收次数测试锡膏粘度的变化，确定是否在厂家提供的粘度范围之内，进一步确定规范锡膏的使用寿命。

1.3 锡膏的管理
锡膏购买到货后为每罐锡膏编号，锡膏应以密封形式置于冰箱储存，储存温度在2~10度，一般情况下，冰箱内存放冰晶以备停电时使用。

1.4 锡膏的使用：
从冰箱里取出的锡膏开封之前需要进行回温，已防止坍塌、气孔和锡珠等工艺问题。回温时需要注意环境温度，不开封的情况下只能通过自然回温，不允许加热，每种锡膏的最低回温时间应该被确认和控制。锡膏使用前需要进行搅拌，搅拌分为手工搅拌和机器自动搅拌，手工搅拌时需要注意使用细小的搅拌工具、动作轻、时间短、搅拌方向一致；机器自动搅拌时间、转速因锡膏而异。锡膏印刷后到过炉之前的最长等待时间应该被确认和控制。对于小批量多品种生产模式不可避免的会存在锡膏多次回收使用的情况，需要结合产品的复杂程度、锡膏使用寿命方面的内容制定好锡膏开封后使用次数期限的相关规定。建议锡膏最好能在温度22～28度，相对湿度40%-60%，洁净无尘、空气流动小、无红外线热等热光源直射的环境下使用，以避免溶剂挥发和吸湿造成的的工艺问题（如气孔等），有条件的用户可以增配印刷机恒温恒湿系统。

2 印刷基板要求
1）尺寸准确、稳定；和钢网能有良好的接触面；适合稳固的在印刷机机上定位；阻焊层和油印不影响焊盘。
2）基板需要具备足够的硬度和平整度
3）双面板底面元件需要考虑元件密度（支撑考虑）
4）板面清洁度：板面不能沾有尘埃异物。
5）阻焊层避免高于焊盘。

6）足够的阻焊油印刷距离
7）选择平坦的焊盘表面涂层：OSP，镍/金,浸锡,浸银
8）设计利于锡膏印刷机识别的基准标志图形（mark），基准标志（mark）的形状一般有实心圆，三角形，菱形，方形，十字形，椭圆等都可以，优选实心圆。实心圆直径1.0 mm～2.0 mm,表面镀层均匀，不要过厚，不可被阻焊层覆盖，考虑到阻焊材料颜色与环境的反差，在mark周围有1～2倍mark直径的无阻焊区。

3 钢网
钢网也就是SMT模板，是一种SMT专用模具，其主要功能是帮助锡膏的沉积，目的是将准确数量的锡膏转移到空PCB上的准确位置，是印刷工艺的基本工具，其材质主要是304不锈钢片和FG钢片，是保证印刷锡膏的关键工装。钢网厚度与开口尺寸、开口形状、开口内壁的状态等就决定了锡膏的印刷量，因此钢网的质量又直接影响锡膏的印刷量。

3.1钢网的加工技术
当前钢网的制作方法主要有激光切割、化学蚀刻和电铸成型。三钟钢网制作方法及特点如下表所示：

随着电子产品向小型化和高功能化发展，为了适应高密度微间距元件的应用，满足精细间距元件的印刷，对传统激光切割钢网进行了技术革新，出现了FG钢网、纳米涂层钢网等新型钢网制作方法。
FG钢网：采用特殊不锈钢细晶粒不锈钢制作的激光钢网，它的优点在于钢片制作工艺中加入一种铌元素,铌元素可以细化晶粒降低钢的过热敏感性及火脆性提升钢片加工强度；孔壁光滑度加工形变量均优于普通钢网，细晶粒不锈钢与普通304不锈钢相比，具有抗拉强度高、柔韧性好、耐磨等优点。由此制作的激光模板，性能稳定一致、脱模性能优异、耐用持久、能有效提高印刷一次性通过率。
纳米钢网：纳米钢网继承了激光钢网精度高、加工时间短等优点，通过纳米技术在与PCB 板接触面的表面及网孔内壁结合上纳米材料，并通过改变纳米材料结构，使其与不锈钢片有着良好的结合，钢片的硬度也会大大提高。由于纳米材料对锡膏中的助焊剂具有排斥作用，减少了锡膏以及助焊的粘附, 降低锡膏在孔壁上的残留，提升了脱模质量及锡膏转移率。

3.2 钢网设计
钢网设计是工艺设计的核心，钢网设计包括开口设计以及厚度设计。
厚度设计：钢网厚度应根据印制板组装密度、元器件大小、引脚（或焊球）之间的间距进行确定。通常使用0.1 mm～0.13 mm厚度的钢片。高密度组装时，可选择0.1 mm以下厚度。0.4 PITCH的QFP、0201元件，合适的厚度是0.1 mm，0.4PITCH CSP元件，合适的厚度是0.08 mm。
开口设计：包含开口尺寸和开口形状，开口尺寸和开口形状都会影响锡膏的填充、释放（脱模），最终影响锡膏的印刷量。影响锡膏释放的三大要素是：宽厚比和面积比；孔壁几何形状；孔壁粗糙度。
钢网开口设计最基本要求：IPC-7525对钢网开孔的基本定义，它要求钢网的开口必须满足一定的宽厚比和面积比锡膏才能通过网孔顺利转移到PCB上，其定义设计钢网开口的面积比和宽厚比分别大于0.66和1.5，但在实际设计时还应考虑开口最小宽度＞5*solder ball size,满足以上锡膏的转移率将在70%以上。在钢网设计时，若L＞5 W，考虑宽厚比；否则考虑面积比来衡量网孔的设计是否有利于锡膏的释放。
宽厚比(Aspect Ratio)＝开口宽度(W)/模板厚度(T)。宽厚比：W/T＞1.5
面积比(Area Ratio)＝开口面积/孔壁面积。面积比：L×W/2(L+W)×T＞0.66

钢网开口是根据印制板焊盘图形来设计的，有时需要适当修改（放大、缩小或修改形状）因为不同元器件引脚的结构、形状、尺寸需要的锡膏量不一样。钢网设计必须照顾到板上不同元件的需求：形成可靠焊点需要的正确的锡膏量；良好的释放后外形，可靠的器件接触和稳定；良好的基板界面，没有锡珠、短路等问题，减少清洗频率；容易定位和印刷，具备良好的工艺管控能力。如下列举几类器件开口方法，实例均批量验证OK.
片式元件防锡珠开孔：锡珠的产生是由于元件贴装时会将锡膏挤压出焊盘，元件本体和印制板表面的阻焊膜与锡膏不兼容，不能产生润湿，锡膏熔化后，在元件本体重量挤压下，锡膏不能依靠其表面张力聚拢回到焊盘上，部分残留在元件底部，元件冷却固化时元件下沉将这部分残留熔锡挤压出来，在元件侧面非焊接位置形成锡珠。由于锡珠的产生是因为元件底部的锡溢出焊盘造成，所以在钢网设计时需要考虑在元件底部减少锡膏量，尽量减少元件本体（非焊接位置）与锡膏的接触挤压，片式元件电阻、电容、电感等注意开口内距与元器件匹配，常见的有以下一些开孔设计：

下面列举一例通过优化钢网开孔设计，解决二极管焊盘内距与元器件不匹配造成的锡珠问题。（钢网厚度T=0.12 mm）

细间距BGA元件防少锡开孔：随着细间距BGA元件的广泛使用，对钢网设计要求越来越高，既要考虑钢网厚度及制作工艺的选取，又要考虑开口设计既要防止短路又要防止少锡的问题。对于细间距BGA元件，通常需要保证网孔之间有足够的间隙，以防止短路，但是如果锡膏量过少，焊点体积减小，伴随而来的便是可靠性问题。对于此类封装的元件，一般会考虑采用方形开孔倒圆角，，这样可以增加印刷锡膏体积，提高可靠性。下图中白色部分为PCB焊盘形状大小，红色部分为钢网开孔形状。开孔四周一般会进行倒圆角处理，圆角直径最少需要大于锡粉直径，防止印刷过程中锡粉卡在角上形成堵孔导致少锡问题。

间距0.8 mm,间距1.0 mm BGA防虚焊开孔方式：对于间距在0.8 mm和1.0 mm的BGA，由于间距相对较大，一般不会发生短路问题，在钢网设计时更多的考虑如何规避或者减少虚焊的问题，对此类元件一般也会考虑采用方孔倒圆角增加较多的锡量和助焊剂，增加处理BGA焊球可焊性能力，同时较多的锡量可以弥补或者减少BGA和基板变形问题造成的影响。

细间距元件防短路开孔：对于细间距长条形焊盘（比如0.4 mm间距 QFP、QFN、连接器等），元件贴装后容易出现相邻焊盘短路的情况，回流焊接后会出现焊接短路不良。出现这种情况的原因主要是a)SMT印刷容易出现坍塌、拉尖、锡膏偏厚等问题，元器件贴装时，元件引脚挤压锡膏，印刷图形不良的锡膏会发生扩张出现相邻焊盘锡膏短路。b)贴装压力过大，元件引脚过度挤压锡膏，锡膏溢出造成相邻焊盘锡膏短路。针对以上情况，通过缩减焊盘开孔宽度，减少元件贴装时锡膏的扩张溢出，防止锡膏短路。通常可以采用以下几种方式开孔，以避免贴装时出现的锡膏短路。

下面列举通过优化钢网开孔解决0.4PITCH QFN短路问题实例

0.8 mm间距连接器钢网开孔：在SMT元器件中，常常会遇到一类连接器，引脚有部分位于元件本体下面，元器件两边有塑胶体定位柱，此类元器件焊接短路的位置容易发生在元件本体下面引脚处，只能通过X-RAY检测才能发现，钢网开孔时需要考虑贴片机贴装压力的影响以及贴装时定位不准造成的手工校准时压力的影响，避免锡膏被挤压出焊盘，造成造成相邻焊盘短路，钢网开孔也可采用细间距元件防短路开孔方式处理。下面列举通过优化钢网开孔解决0.8 mm间距连接器短路问题实例（钢网厚度T=0.12 mm）

引脚共面性差元件钢网开孔：表面贴装共模电感元件引脚多采用引线缠绕结构，这种结构的引脚共面性很差，共模电感超过0.2 mm;表面贴装变压器元件引脚数量多,引脚共面性较难保持一致,超过0.1 mm,由于这两种元件共面性差，虚焊比例比较高，这类型器件封装尺寸一般比较大，焊盘周围一般有足够的空间，解决虚焊问题可以采用扩大钢网开孔增加足够的锡膏量，焊接时利用锡膏的聚集效应弥补共面性差的缺陷。需要注意的是扩大开孔的位置须避免和元器件本体非焊接处接触锡膏，以免造成锡珠。下面列举通过扩大钢网开孔解决共模电感和变压器虚焊问题实例.(共模电感对应钢网厚度T=0.12 mm,变压器对应钢网厚度T=0.10 mm)。

3.3 钢网基准点要求
钢网的基准点依据基板资料提供的大小及形状按照1：1方式开口，一般在印刷反面采用黑色盲孔不贯穿的方式进行处理，內部填充黑色物质EPOXY，尽量选取印制板对角距离最远的基准点作为钢网设计的基准点，以提升印刷精度。

3.4 钢网结构要求
1)具备良好的平整度,网框的平整度是一个合格的网框最基本的要素,从外观上能检验出来.常规的做法是把网框平放在平整的玻璃台面上,观察网框和台面是否完全接触无缝隙(网框平整度公差±0.05 mm)。能完全接触的就是合格的网框。
2）四面平衡的张力和良好的应力应变能力，网框张力是合格钢网的重要因数，钢网张力在30N～50N之间都属于合格的网框。张力大小与网框大小有关系，小网框张力相对会低一些30N～40N之间，大网框55 CM×65 CM以上，张力一般在40N～50N之间。
3）位处中央的印刷图形。
4）足够的钢网面积对印刷图形比。

4 刮刀
1）常见有两种刮刀类型：聚氨基甲酸酯橡胶和金属刮刀，不同硬度材质和形状的刮刀对印刷质量有一定的影响，金属刮刀经镀镍或聚四氟乙烯的特殊处理后可获得更理想的印刷品质. 镀镍可使锡膏更容易从刮刀上释放, 而聚四氟乙烯涂层可使刮刀表面更光滑, 延长钢网的使用寿命。
2）刮刀宽度：应超过PCB宽度大約50 MM，（每边大25 MM），这既保证了刮刀刀片能够完全覆盖钢网印刷区域，又可令钢网受到的力最小，以保持丝网的弹性。如果刮刀选取太长，就需要设置更大的刮刀压力和添加更多的锡膏，钢网印刷区域两边会残留更多的锡膏，不利于印刷质量的管控。
3）刮刀运行角度60～65度锡膏印刷品质较佳。刮刀运行角度与刮刀硬度、静态角度、压力调制、速度调制相关。
4）刮刀刀锋,尽量保持刀锋锋利。

5）刮刀的管控：建议制作专门的泡沫存放工装，放置刀口朝上，避免刀片损伤；锡膏铲刀使用塑料的，避免刮伤刀片。刮刀的磨损、压力和硬度决定印刷质量，应该仔细监测。

5 印刷支撑
PCB支撑是锡膏印刷工艺重要的调试内容，PCB缺乏支撑或者支撑不合理，都会使PCB与钢网之间产生间隙，将会导致锡膏增厚，锡膏印刷图形拉尖。常见的PCB支撑工具为：顶针，支撑板，支撑治具。

顶针摆放：有针对性的支撑设置，顶针优先放置在小型精细间距IC、大型精细间距IC正下方，注意避让底部器件，防止器件损伤。有顶针模板板的PCB需使用顶针模板放置顶针；支撑的要求是钢网在刮刀压力作用下紧贴印制板表面。

6 印刷参数
印刷参数主要包括印刷速度,刮刀压力,脱网速度,脱网距离,钢网清洗模式和频率等。
1)印刷速度,在锡膏印刷期间,刮刀速度决定锡膏能够有时间良好的滚动和填充到开孔内,是很重要的参数,高速印刷容易出现不稳定的情况,尽量避免使用,,不同焊点对印刷速度会有不同的要求,印刷速度一般依据产品的复杂程度进行设定,进行高精度印刷(引脚间距≤0.5 MM),需要刮刀慢速行进,印刷速度范围常取25～60 mm/S，以保证印刷质量。
2)刮刀压力，实际上是控制刮刀向下的行程，在正确的刮刀高度设置下，压力设置以刚刚刮干净钢网上的锡膏作为观察准则。刮刀压力太大会损伤刮刀和钢网，大尺寸焊盘上锡膏图形出现挖掘现象，过大的刮刀压力还可能会使钢网开孔位置周围下表面粘上锡膏。如果刮刀压力过小，填充不充分，对于印刷小孔，锡膏不能很好的留在网孔里，而是残留在刮刀上，造成印刷锡量不足，对于印刷大孔，应该被刮走的锡膏会被拉回到网孔上，造成印刷锡量过多。

刮刀压力设置一般开始时可按照每50 mm刮刀长度施加1KG的压力进行初始设定，250 mm的刮刀就应该施加5 KG的压力，实验过程中，逐步减小压力，直到一次刮过，锡膏留下薄薄一层。然后再逐渐增大压力，直到一次刮过，刮刀经过的区域所有锡膏都被刮干净。金属刮刀压力典型设置为0.2～0.3 KG/CM,聚氨树脂刮刀典型设置为0.2～0.8 KG/CM。
3)脱网速度：锡膏印刷后，钢网离开PCB的瞬间速度即为脱网速度，一般而言，脱网速度快，容易发生孔壁处残留锡膏导致少锡或拉尖现象，若脱网速度过快，还可能引起钢网弹跳，形成狗耳朵现象，具体设置多大合适，取决于钢网设计和锡膏本身的黏度，尽量避免快速脱网。
4)脱网距离：一般是指钢网与PCB分离的行程，如果脱网距离比较短，则容易发生拉尖抹偏现象。
5)清洗模式和清洗频率：在锡膏印刷过程中，容易出现钢网孔壁残留锡膏堵塞网孔、钢网背面发生锡膏堆积现象，最容易的解决办法是清洗钢网，清洗模式采用湿、干配合真空擦拭；清洗频率需要结合钢网和PCB的设计和制作质量、印刷间隔时间，工艺难度（例如精细间距的使用），锡膏的质量和状况 ( 旧锡膏、回收次数等 )来设置。需要正确选用所用的钢网擦拭溶剂，溶剂有足够的挥发性，建议选择挥发性和适度的极性溶剂例如异丙醇。

7 锡膏的投入量
锡膏印刷时，锡膏必须滚动才能实现良好的填充，锡膏投入量的多少是影响锡膏是否良好滚动的一个因数，锡膏印刷时滚动直径13-23mm比较适合，滚动直径过小容易造成少锡、漏印等工艺缺陷；滚动直径过大，过多的锡膏在印刷速度一定的状况下，易造成锡膏无法形成滚动运动，锡膏刮不干净，造成印刷脱模不良，印锡偏厚等工艺缺陷。
在生产过程中操作员应定时检查锡膏钢网上锡膏条高度，并将钢网上溢出刮刀边沿的锡膏用铲刀移至钢网前端刮刀印刷行程之内的非开孔区域，并均匀分布锡膏。

8 基板与钢网光学对位
全自动锡膏印刷中，基板的厚度和翘曲度必须受到控制，基板定位采用的是边定位，需要使用光学对中。通过印刷机相机对工作台上的基板和钢网的光学定位点进行对中，再进行基板与钢网的X、Y、Θ精细调整，使基板焊盘图形和钢网开孔图形完全重合。
光学对中基准点的选择
1）锡膏印刷中，多数基准点对印刷无帮助，一般选取对印刷有帮助的基板对角的2个基准点进行设置。
2）选择XY方向各最远的距离做基准点位置设计（mark1,mark4）

9 总结
锡膏印刷工艺是一种动态工艺，影响锡膏印刷质量的因数很多，与锡膏、基板、钢网、刮刀、印刷支撑以及印刷参数等相关。要得到持续稳定的印刷质量，首先需要确保印刷机有良好的稳定性，需要选择适宜的锡膏、基板、钢网、刮刀，并结合适当的印刷机参数设置，制定相关的管控要求，使锡膏印刷在可控条件下运行。

updown · 发表于 2021-6-22 14:15

在SMT生产中，锡膏印刷是一道关键工序。在SMT贴装工艺技术中，锡膏印刷工艺是第一环节，也是极其重要的一个环节，印刷质量直接影响表面组件的性能和可靠性。锡膏印刷工艺技术是焊点质量和产品最终质量的保障。统计表明SMT生产中60-70%的焊接缺陷和锡膏的印刷有关，由此可见锡膏印刷的重要性。

freedom1 · 发表于 2021-6-22 14:23

锡膏也称焊锡膏，灰色或灰白色膏体，是伴随着SMT应运而生的一种新型焊接材料。焊锡膏是一个复杂的体系，是由焊锡粉、助焊剂及其它的添加物以混合，形成的乳脂状混合物。在常温下焊锡膏可将电子元器件初粘在既定位置，在焊接温度下，随着溶剂和部分添加剂的挥发，合金粉的熔化，使被焊元器件和焊盘连在一起，冷却后形成永久连接的焊点。

dull · 发表于 2021-6-22 14:25

使用寿命进行测试：使用寿命就是锡膏开罐后不同的时间段，不同的回收次数，以及印刷后等待不同的时间进行其润湿性、坍塌性、溅锡性等观察。时间间隔长度可以根据使用模式来决定。如果要方便可以使用0.5和1小时间隔。对于小批量多品种的生产模式，由于锡膏使用中存在多次回收的情况，锡膏容易变干，尤其需要对锡膏的使用寿命进行测试，比较简单的做法是锡膏开罐后的不同时间段，不同的回收次数测试锡膏粘度的变化，确定是否在厂家提供的粘度范围之内，进一步确定规范锡膏的使用寿命。

理论的 · 发表于 2021-6-28 11:18

感谢，一定收藏

Cade_cao · 发表于 2021-7-4 22:06

谢谢楼主分享！

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