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通孔锡膏(PIH)的封闭式印刷

发布时间:2015-05-26 15:29:00 点击:

多少锡膏合适?

关于实际上需要多少金属量,目前有许多行之有效的计算方法,通常实用的锡膏沉积或印刷以适当的通孔填充为指导方针。值得注意的是,锡膏中的金属量大约只有50%,我们必须为创建一个可接受焊点而计算两倍的锡膏量填充到通孔中。由于PCB的厚度,我们需要更大和更深的通孔。图1为计算引脚与通孔容差准则的一个典型实例。首先必须设计基板/组件,因为锡膏需要放气空间,自动插装机也需要组装容差。一旦这些都正确了以后,我们就可以根据以下四项已知内容计算出所需的锡膏量:引脚尺寸、基板厚度、通孔尺寸和环形焊盘尺寸。首先计算引脚的体积,然后计算镀通孔(PTH)的体积。从PTH体积中减去引脚体积。由此得到的体积乘以2即为所需锡膏的体gsp1402speedline02积。

由于锡膏中金属的体积分数一般为50%~55%,要最终达到形成焊点所需的焊料体积,必须在焊盘上叠印锡膏;通常在环形焊盘上叠印10%的锡膏,值得注意的是,这也受引线间距和空间的影响。

另一种方法是使用预制件,根据PCB设计,在不能够印刷足够锡膏量的地方添加一定量的纯金属。在某些领域,这已成为一种较流行的方法,带式和卷轴包装的预制件就像片式电容和电阻。然而,预制件昂贵,同时还增加了放置预制件这一额外工序。图2给出了PIH中正确形成的焊点横截面。

锡膏保持

一旦锡膏被印刷,在通孔中保持理想的体积,并在引脚插入期间不损失是不容易的。虽然没有要求特殊的锡膏类型,但是,锡膏配方各不相同,包括粘性和粘度等属性,这会影响锡膏因引脚、滴落等被拖出通孔的倾向性。锡膏的拖出量受许多因素的影响,包括随着时间的推移,由于温度、湿度等变化引起的锡膏粘度的改变等,因此假设每次引脚都粘着一致的锡膏量是不可靠的;这一量因锡膏不同而不同(图3)。针的形状也是一个因素。看到过建议使用锥形引脚的,以使锡膏推出通孔的体积最小化。这会比方形头引脚的影响要小,方形头引脚有可能把大多数锡膏推出通孔,在回流焊之前,锡膏就滴落脱离引脚。一个创新的建议是,在通孔的模板开孔中心横穿一条线(分裂的模板开孔设计,线条尺寸通常约为直径的30%),迫使锡膏沿通孔的边缘向下填充,减小被推出的倾向性。然而,需要注意的是,较小的(或部分遮挡)的通孔将需要向锡膏施加较大的压力才能实现与无遮挡通孔同等水平的锡膏穿透深度。

印刷和穿透gsp1402speedline03

PIH最大的问题是向通孔中填充足够的金属量。金属填充进入通孔有两种方法:第一,通过有效印刷;其次,聚结在叠印区域表面,随后通过向下的芯吸作用进入通孔中。在过去的十年中,有关PIH的各种方法已有大量的报道,有许多成功实现这一工艺的不同规则和方法。但是随着PCB尺寸的缩小,需要大量锡膏的PIH与仅需少量锡膏的细间隙SMT焊盘越来越近。开孔填充体积百分比受锡膏压力的影响,金属印刷刮刀推动锡膏珠穿过整个模板表面。压力越大,对细间隙开孔的填充就越好,PIH通孔需要更彻底的印刷填充,但是,当需要大量锡膏的通孔类阵列靠近细间距元件时,锡膏的压力会由于通孔的需求而减小,导致不良的开孔填充。另外,如果基板厚度大于1 mm,会需要多个印刷行程,这会增大细间隙焊盘上锡膏沉积缺陷的可能性。增大刮刀角度也有其固有的风险(图4),主要是锡膏粘着在刮刀上,这是生产设置的一个实际问题。

传统地在PIH应用中有三种不同的模板类型:非阶梯模板、阶梯模板和2次印刷模板。阶梯模板昂贵,并会损坏印刷刮刀(以及持续地损害自己),阶梯区域之间最低的递升要求(防止刮刀损坏)是PCB设计师的负担。2次印刷模板技术需要第二台在线印刷机进行第二次印刷!此外,阶梯模板带来了另一个非常显著的使用成本,由于需要频繁地底部擦拭,降低了生产量,增加了材料费用。材料费用包括浪费的锡膏、擦拭纸以及废锡膏残留的有毒处理,这是一项非常重要的使用成本。

目前叠加技术非常受欢迎,在每一PIH周围通过一定半径的掩膜印刷锡膏。然而,还是存在需要大量锡膏的区域。当前普遍使用的模板是100/120 μm厚的,10年前的标准模板厚度为150 μm,这表明所需的叠印厚度将比以往会更大。叠印的目的就是回流锡膏时锡膏依靠毛细作用流入通孔,使通孔内填充足够焊料。这对于含铅锡膏是一种比较可靠的技术,而对于无铅焊料则没有了令人满意的并合或毛细作用。因此, “流浪”的锡球一直是一个问题,它会通过毛细作用吸附到相邻元件引线上,导致桥接和其他需要返修的问题。

封闭式解决方案

没有一种技术方案能够完全解决所有的问题;然而,封闭锡膏进行印刷的解决方案,提供可控的均匀的锡膏压力,可以解决大多数问题。在许多情况下,它可以淘汰阶梯模板、叠印和2次印刷方法。它节省了大量的原材料成本,没有了阶梯模板印刷的锡膏浪费。减少了底部擦拭,提高了生产量,也节省了溶剂(溶剂系统)和擦拭纸。在封闭式系统中,锡膏压力是机械控制的,从而保证了最佳的开孔填充,甚至紧邻PIH通孔的细间隙器件也能获得最佳的开孔填充。锡膏压力不再依赖于刮刀角度和速度。在封闭式系统(图5)中,锡膏补给是通过闭环传感器系统进行的,是全自动的。因为压力可以调节,所以可以获得最优化的通孔填充,其他工艺变量也都保持为恒定值,无需调整。锡膏腔的压力始终保持在设定点±0.1 psi。

使用刮刀印刷时,影响PIH充填能力的唯一方式是改变印刷速度和角度。然而,当使用封闭式印刷头时,一个额外的控制参数可以用来影响填充效果,这就是锡膏腔压力设置和控制能力,锡膏在印刷头的封闭腔中被加压。例如,纯SMT基板的压力设定范围是0.10~0.12 bar;有PIH的混合基板的压力设定范围是0.12~0.15 bar。此外,能够在不同的模板/基板区域内以不同的印刷速度进行印刷,为含有更多要求的特定区域的基板,提供了更大的工艺设置自由度和灵活性

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