SMT-02-07-印刷制程设计.ppt

印刷製程設計,SMT工程師訓練教材 編號：SMT-02-07 Jan 2003,產品特性,產品特性,錫膏選擇,鋼板配合設計,設定印刷參數,設定人工作業方式,選擇適用設備,零件密度 基板尺寸 產能需求,印刷速度 印刷尺寸 穩定性,信賴性 銲錫性 印刷性 工作性 檢測性,製作方式 鋼板厚度 開孔形狀,印刷速度 印刷壓力 擦拭設定,加錫膏量 加錫膏頻率 清洗頻率,穩定的印刷作業,產品特性,要先了解產品的特性才能設計適合的印刷製程。 High-End：高複雜性產品 Low-End：簡單性產品,高密度高複雜性,低密度簡單性,產品特性(2),基板尺寸 必須了解產品基板尺寸才能選擇適合的印刷設備 基板尺寸越大，印刷越困難，需要適合的固定方式才能穩定的生產 產能需求 知道產品的產能需求才能選擇適合速度的印刷設備及錫膏類型 印刷作業需求的Cycle Time將對整體的印刷製程設計佔重大的影響,印刷設備,產品特性,錫膏選擇,鋼板配合設計,設定印刷參數,設定人工作業方式,選擇適用設備,零件密度 基板尺寸 產能需求,印刷速度 印刷尺寸 穩定性,信賴性 銲錫性 印刷性 工作性 檢測性,製作方式 鋼板厚度 開孔形狀,印刷速度 印刷壓力 擦拭設定,加錫膏量 加錫膏頻率 清洗頻率,穩定的印刷作業,印刷設備選擇,Printing machine,Stencil,Kind,Thickness,Etching,Laser cut,Electro-form,Aperture design,Squeegee,Metal blade,Sward type,Square type,Flat type,Rubber,Printer parameters,Snap-off distance,Stencil separation speed,Squeegee pressure,Squeegee travel speed,On-contact,Off-contact,Cleaning frequency,Stencil positioning accuracy,Printing environment (temp., humidity),刮刀式印刷設備,MPM AP25 全自動印刷機,錫膏印刷,紅膠印刷,擠壓式印刷設備,膠質刮刀類型差異,膠質刮刀類型並沒有說哪一種是最好的，但是刮刀角度是直接影響錫膏在印刷中滾動的因素。 劍型刮刀的角度在7080之間，直接作用力是最弱的，適合於低黏度錫膏。 平面型刮刀的角度在5070之間，適用範圍寬廣。 方形刮刀的角度為45，填充壓力最大，適合於高黏度錫膏。,錫膏選擇,產品特性,錫膏選擇,鋼板配合設計,設定印刷參數,設定人工作業方式,選擇適用設備,零件密度 基板尺寸 產能需求,印刷速度 印刷尺寸 穩定性,信賴性 銲錫性 印刷性 工作性 檢測性,製作方式 鋼板厚度 開孔形狀,印刷速度 印刷壓力 擦拭設定,加錫膏量 加錫膏頻率 清洗頻率,穩定的印刷作業,錫膏基本標注資料,Solder paste,Flux,Particle shape,Flux content,Solids content,Thixotropy,Viscosity,Solder powder,Particle distribution,Solvent evaporation rate,生產階段各項要因,註：到目前為止還沒有任何一種錫膏能夠完全滿足上述要求。,儲存印刷著裝回銲檢驗清潔,免洗型錫膏組成,銲錫粉末合金製造,在5m高和3m寬的粉末合金製造槽中填充氮氣。 從頂端倒入融熔的合金，落在旋轉的圓盤上藉由離心力甩出。 影響甩出粒徑的因素有銲錫落下速度、轉盤速度、氧氣密度、測定錫形、含氧分布等。 最後將成型的粉末合金經篩選機篩選出需要的大小，其餘回收再使用。,粉末粒徑大小影響,粒徑分布影響錫膏的流變性和印刷性，如滾動狀態、脫模性和抗坍塌性等等。 粒徑小於20um時，表面積大，含氧量高，易氧化而影響銲錫性。 粒子外型以真圓為最佳，印刷時不易產生不規則排列影響印刷性，回銲時容易接合。,粉末合金形狀的影響,印刷間距越小時，使用的顆粒也必須越小才能提供適當的印刷性。 錫膏使用的粉末合金以使用真圓形狀最佳，助銲劑可均勻分在其表面，同時可降低印刷中不必要的阻力。 不規則形狀的粉末合金在印刷時含錫量不固定，融熔接合狀況不理想，無法確保印刷的穩定性，可能帶來不預期的空銲或短路現象。,錫膏中助銲劑功用,消除基材上的氧化膜 助銲劑藉由化學融合將電子元件、PCB銲墊、錫膏中錫球表面上的氧化膜去除。 預防再氧化 PCB銲墊、元件和錫膏中錫球在回銲過程中暴露於高溫環境下很容易再次快速氧化，此時藉由助銲劑中的固體成分軟化成液狀覆蓋於金屬表面避免氧化。 降低銲錫表面張力增加潤濕性 助銲劑可暫時降低液狀銲錫的表面張力，幫助銲錫接觸面積與PCB銲墊和元件擴展。 提供適當的黏度與流變性以利印刷 讓顆粒狀的粉末合金成為膏狀的流體，提供適當的結合性將分散的顆粒聚合在一起以利印刷。,助銲劑中松香作用,松香在預熱階段就會軟化披覆在基材表面，軟化溫度點在80130左右。 錫膏中使用一般以天然松香為主，視其軟化溫度點、活化強度、色澤決定使用的種類。 為了控制其工作特性和殘留物特性通常使用23種松香混合使用。,助銲劑中活化劑作用,活化劑的種類決定移除基材上氧化膜力量的強度。 隨著松香的軟化與液化，活化劑潤濕金屬的表面並與氧化膜起化學作用。 活化劑直接影響電氣信賴性和化學信賴性。,助銲劑中抗垂流劑的作用,抗垂流劑幫助錫膏在印刷過程中抵抗剪應力，並且在印刷上銲墊後恢復黏度。 鋼板脫模時使錫膏平滑地脫離孔壁，增進印刷性。,助銲劑中溶劑的作用,視溶劑的沸點和蒸發率變化的狀況，可決定錫膏開瓶後印刷在銲墊上的有效黏著時間和坍塌特性。 溶劑必須使用高沸點液體，避免迴銲過程未蒸發完的液體產生急速變化。,錫膏使用的選擇,Good solderability,Fine pitch printability,Continual printability type,Stencil idle time,Good workability,High reliability,Tackiness,Slump resistivity,Wettability,Electromigration,Print speed type,Stencil life,Good printability,Solder ball,SIR,Corrosion,Ionic residue,Inspection,Flux residue,ICT testability,1,2,3,4,5,信賴性(1/2),SIR -表面絕緣阻抗(Surface insulation resistance) 如右圖測試基板，依據IPC-TM 650測試方法，在測試板上印刷錫膏並且經過迴銲，在85 85%RH的環境下經過不同的時間分別量測兩迴路間的阻抗值必須大於1012方為合格。 Electromigration -電子遷移 電子遷移是電子位移導致兩線路間(陰陽極)金屬長晶產生數枝狀線路導致偶發性短路，如右下圖所示，因電子遷移導致線路長晶。,在免洗製程中，助銲劑的殘留物會留在基板表面，為避免對基板產生腐蝕等破壞性，必須做信賴性實驗。,信賴性(2/2),Corrosion 銅鏡腐蝕 如右圖所示，在光滑的銅鏡上印刷上錫膏迴銲後經不同環境處理觀察外觀是否有腐蝕現象，左側圖為無腐蝕，右側圖可看到銅鏡被腐蝕後產生表面黑色斑點。 離子含量 當助銲劑殘留物中有離子殘留時，遇到空氣潮濕的環境便會產生酸性物質對基板產生腐蝕。 測量時將基板浸泡在去離子純水溶液或醇酒精溶液裡浸濕後量測期NaCl含量來計算離子含量，按照Mil standard標準應小於3.1g/cm2。,No corrosion,Corrosion with black spots,Copper plate corrosion test,銲錫性(1/4),潤銲性(Wettability) 潤銲性指銲錫潤濕沾附被焊接物表面的能力。 沾錫力量的平衡可用右式表示：A =B + C COS A為表面張力 B為銲錫和作用表面間張力 C為銲錫表面張力 為沾錫角度。 A即為實際上形成銲錫沾濕表面的作用力， A越大時潤銲性就越強。,銲錫,銲錫性(2/4),焊接完成後銲錫性的區分以沾錫角來定義。 = 0時為銲錫性最佳狀態。 0 90時為次。 90 180 時為空銲(不潤濕)。 = 180時為拒銲(無法潤濕)。,銲錫性(3/4),潤銲性差異 潤銲性差異從QFP元件腳端吃錫高度判別最為明顯 下圖材料為QFP 0.65mm pitch 100pins，接腳材質Fe/Ni with Sn/Pb plating,前腳端吃錫高度50%,前腳端吃錫高度100%,後腳跟吃錫不足,後腳跟吃錫飽滿,銲錫性(4/4),微錫球 粉末合金生產時若未控制好環境條件，易導致錫粉氧化，使銲接時聚合效果不佳，銲點旁可看見細微的小錫珠。 測試時需驗證印刷後1小時及印刷後24小時銲接結果。,印刷後1小時銲接,印刷後24小時銲接,工作性-印刷停頓時間,印刷時各片中的停頓時間，依錫膏的流變性不同會產生不同的影響。 除了溫度升高時黏度會下降外，流體速度提高時，黏度也會下降。相對的錫膏在印刷時的黏度也會下降，此時錫膏容易產生滾動利於將錫膏填入鋼板的開孔中，印刷停止時黏度會上升使刷好的錫膏易於成型。 停頓時間的長短取決於產品的特性與設備的配置，選擇不合適錫膏時會產生長時間印刷後錫膏像流水似的攤開無法成型，或者是錫膏越趨硬化無法印刷的情形。,溫度 vs. 黏度,工作性-錫膏在剛板上的壽命,在印刷過程中，錫膏的工作特性會產生變化。 錫膏是否適合繼續印刷取決於黏度是否合適，助銲劑中的溶劑會隨著空氣中暴露時間而揮發，導致黏度逐漸上升，但長時間的印刷同時又導致黏度下降。,工作性-Tack time與黏著力,Tack time指印刷後可停放多少時間仍能保持錫膏外型且貼片後錫膏不會坍塌，Tack time長短取決於溶劑揮發速率。 Tack force黏著力主要在驗證貼片時，元件貼放在錫膏上時，可保持適當黏著力，PCB移動時元件仍能保持在位置上。 測試黏著力時，使用如上圖的測試設備，測試Pin以負載50gf力量壓入錫膏內停留0.2sec後向上拉，量測錫膏的黏著力量，反覆進行100次取平均值。建議黏著力對單顆零件應超過100gf。,Malcom Tackiness tester,工作性-抗坍塌性,抗坍塌性 抗坍塌性指印刷錫膏後，擺放長時間後能夠保持外型不坍塌。 測試時使用下列開孔形狀鋼板進行錫膏印刷，再不同的溫度和時間過程後觀測是否坍塌。,印刷性,Fine Pitch印刷性 指錫粉顆粒及體積比的特性是否容易印刷微腳距元件 連續印刷性 指連續不擦拭印刷可維持幾片印刷不短路 速度類型 指錫膏是屬於高速印刷或中速印刷類型,0.4mm pitch (30th print),0.4mm pitch (30th print),MBGA 0.35mm dia. (30th print),銲錫檢驗,助焊劑殘留 助焊劑的的固體含量在焊接後全部會殘留在機板的表面，主要影響板面外觀的潔淨程度。 ICT測試性 當基板上未設計測試點時，必須使用焊點來當測試點，焊點上披覆的助銲劑會影響測試的結果。,ICT測試的探針,殘留物較硬，破裂後黏附在探針表面。,殘留物較軟，只黏附在探針尖端表面。,鋼板設計,產品特性,錫膏選擇,鋼板配合設計,設定印刷參數,設定人工作業方式,選擇適用設備,零件密度 基板尺寸 產能需求,印刷速度 印刷尺寸 穩定性,信賴性 銲錫性 印刷性 工作性 檢測性,製作方式 鋼板厚度 開孔形狀,印刷速度 印刷壓力 擦拭設定,加錫膏量 加錫膏頻率 清洗頻率,穩定的印刷作業,鋼板加工類型,鋼板開立設計,鋼板的厚度根據最小尺寸元件開孔或最係間距開孔決定。 鋼板厚度越薄時，印刷性越好。 考量印刷準確度與坍塌特性時，開孔必須內縮比PCB上銲墊尺寸小。,最小間距對應鋼板厚度建議值,開孔形狀,開孔形狀考量零件銲接後的電器特性或降低製程不良來著手進行。,減少墓碑,減少錫珠,減少墓碑與錫珠,印刷製程設計,產品特性,錫膏選擇,鋼板配合設計,設定印刷參數,設定人工作業方式,選擇適用設備,零件密度 基板尺寸 產能需求,印刷速度 印刷尺寸 穩定性,信賴性 銲錫性 印刷性 工作性 檢測性,製作方式 鋼板厚度 開孔形狀,印刷速度 印刷壓力 擦拭設定,加錫膏量 加錫膏頻率 清洗頻率,穩定的印刷作業,速度與壓力,印刷速度 需要配合錫膏特性決定。 印刷壓力 依刮刀材質特性決定。 刷入錫膏 刷入錫膏需要試當的印刷速度與印刷壓力讓錫膏產生滾動，然後填充入鋼板開孔中。,刮刀壓力,刮刀推力,刮刀移動速度,錫膏滾動,接觸與非接觸式印刷,接觸式印刷使鋼板底部和PCB銲墊直接接觸，可預防印刷模糊。 非接觸式印刷在無脫模控制系統時使用，可幫助鋼板順利與PCB脫離。缺點是容易造成滲錫現象，且印刷成型易模糊。,鋼板脫模,脫模分離時，錫膏與鋼板孔壁間的黏滯剪應力和摩擦力會影響脫模後成型的形狀。 快速脫模時，鋼板底部和PCB間因瞬間空間增加導致壓力下降，錫膏容易外擴形成矮胖橢圓形狀。 脫模速度降低時可減低黏滯剪應力的影響，適當速度範圍在0.l0.5mm/sec之間。,擦拭頻率印刷滲錫的影響,當鋼板開孔和PCB銲墊未緊密配合時，印刷時錫膏會滲入縫隙中，可能會附著在PCB或鋼板上。 錫膏沾到PCB表面上時，會產生微錫珠現象。 未設定連續擦拭時，孔壁旁的錫膏在印刷會頂住鋼板造成底部的漏縫，降低填充壓力，無法形成良好印刷錫形。,人工作業方式,產品特性,錫膏選擇,鋼板配合設計,設定印刷參數,設定人工作業方式,選擇適用設備,零件密度 基板尺寸 產能需求,印刷速度 印刷尺寸 穩定性,信賴性 銲錫性 印刷性 工作性 檢測性,製作方式 鋼板厚度 開孔形狀,印刷速度 印刷壓力 擦拭設定,加錫膏量 加錫膏頻率 清洗頻率,穩定的印刷作業,添加錫膏,要使錫膏黏度保持為藍色線狀態，必須慎選錫膏添加間隔時間(T)和添加量。 根據錫膏印刷速度可以決定(A)的範圍 使用黏度計找出設計實驗找出T及P點黏度值 將錫膏固定體積秤重找出重量體積比計算出添加錫膏量,T,P,人工清洗頻率,長時間印刷過程中，鋼板孔璧中會有堵錫現象 堵錫現象造成印刷錫量不足使元件銲點空銲。 清洗方式,沾濕酒精的擦拭紙,乾淨的擦拭紙,清洗頻率 視印刷次數決定。,結果,產品特性,錫膏選擇,鋼板配合設計,設定印刷參數,設定人工作業方式,選擇適用設備,零件密度 基板尺寸 產能需求,印刷速度 印刷尺寸 穩定性,信賴性 銲錫性 印刷性 工作性 檢測性,製作方式 鋼板厚度 開孔形狀,印刷速度 印刷壓力 擦拭設定,加錫膏量 加錫膏頻率 清洗頻率,穩定的印刷作業,印刷不良分析,錫型下凹(錫少) 原因為刮刀壓力太大。 錫多 原因為刮刀壓力太低。 錫尖(狗耳多) 原因是脫膜速度太快，剪應力造成。 錫形模糊 連續印刷時，錫膏流變性變差造成。 印刷偏移時，鋼板滲錫造成。 擦拭不潔，鋼板滲錫造成。 鋼板張力不足造成印刷時位移形成。 錫量不足 鋼板孔璧阻塞造成印刷時，錫膏無法刷入或脫膜時錫膏殘留在鋼板孔璧中造成。,