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SMT锡膏钢网制造工艺对锡膏印刷质量的影响

SMT锡膏钢网制造工艺对锡膏印刷质量的影响

2021-11-02 08:30

目前SMT制程中常用的钢网根据制造方法分类主要有四种:化学蚀刻钢网;激光切割钢网;电铸钢网及混合工艺钢网。简单介绍这四种钢网的制作方法,并对钢网开孔特征及其对锡膏印刷工艺的影响进行简略分析。

钢网制造工艺

1化学蚀刻钢网

化学蚀刻就是使用腐蚀性化学溶液将不锈钢片需要开孔位置的金属腐蚀消除,获得与PCB焊盘对应的开孔,满足SMT生产所需要的钢网。其制造工艺流程如下图所示:

由于化学蚀刻是从钢片的两面同时作用去除金属部分(如下左图),其孔壁光滑,垂直,但是可能会在钢片厚度中心部分不能完全去除金属而形成锥形形状,其剖面呈水漏形状(如下右图),这种结构不利于锡膏释放。所以,蚀刻钢网一般不建议应用于精密元件组装。

 

通常元件引脚间距(Pitch)小于0.5mm,或0402以下尺寸元件不建议采用蚀刻钢网。当然一些大型元件或Pitch值较大的元件组装,蚀刻钢网有较大的成本优势,同时也能满足其生产质量要求。

2激光切割钢网

采用高能激光束在不锈钢片上切割打孔,得到所需要的钢网技术。其制造流程如下所示。

激光切割原理如下左图所示,其切割过程由机器精细控制,适用超小间距开孔的制作。由于是由激光直接烧蚀而成,所以其孔壁比化学蚀刻的孔壁直,没有中间锥形形状,有利于锡膏填充网孔。

 

而且由于是从一面向另一面烧蚀,所以其孔壁会呈现自然的倾角,使得整个孔的剖面呈倒梯形结构(如下右图所示),这个锥度大概也就相当于钢片厚度一半。倒梯形结构有利于锡膏释放,对于小孔焊盘可以得到较好的“砖块”或“硬币”形状,这种特性适用于精细间距或微型元件的组装。所以对于精密元件SMT组装一般建议采用激光钢网。

3电铸钢网

最复杂的一种钢网制造技术,采用电镀加成工艺在事先完成的心轴周围生成需要厚度的镍片,尺寸精确,不需要后处理工艺对孔尺寸及孔壁表面进行补偿处理。其制造流程如下图。

电铸钢网孔壁光滑,倒梯形结构,最好的锡膏释放,对于微型BGA,超细间距QFP和小型片式元件如020101005,具有良好的印刷性能。而且由于电铸工艺本身的特性,在孔的边缘形成稍微高出钢片厚度的环状突起,锡膏印刷时相当一个“密封环”,在印刷时这个密封环有利于钢网与焊盘或阻焊膜紧密贴合,阻止锡膏向焊盘外侧渗漏。当然这种工艺的钢网成本也是最高的。

 

4混合工艺钢网(Step Stencil

混合工艺其实就是一般所说的阶梯钢网制作工艺技术,阶梯钢网就是在一张钢网上保留两种以上的厚度,与我们一般情况下使用的只有一种厚度的钢网不同,其制作目的主要是为了满足板上不同元件对锡量的不同要求。

 

阶梯钢网制造工艺是结合前面三种钢网加工工艺中的一项或两项来共同制作完成一张钢网,一般来说,首先采用化学蚀刻方法来获得我们所需要厚度的钢片,继而采用激光切割来完成孔的加工。

 

阶梯钢网有两种类型,Step-upStep-down,两种类型的制作工艺基本上是一样的,而到底是Up还是Down,则取决于所需要改变的局部是增加厚度还是减少厚度。如果为了满足大板上局部小间距元件(如大板上CSP)的组装要求,板上大部分元件需要较多的锡量,而对于小间距的CSPQFP类元件,为了防止短路则需要减少锡量,或者需要做避空处理,这就可以采用Step-down钢网,对于小间距元件位置的钢片进行减薄处理,让此处的钢片厚度小于其它位置的厚度。

 

同理,对于一些精密板上的少量大引脚元件,由于钢片整体厚度较薄,焊盘上沉积的锡膏量就可能不足,或对于穿孔回流工艺,有时需要在通孔内填充更大的锡膏量以满足孔内焊料填充要求,这就需要在钢网的大焊盘或通孔位置增加钢片厚度以增加锡膏沉积量,这就需要采用Step-up钢网了。在实际生产中,究竟选择哪一种钢网,我们需要根据板上元件的类型和分布来确定。

三种钢网的比较

从成本方面比较来说,电铸钢网最高;激光切割其次,但激光切割成本与需要加工的孔数有关,孔数越多,成本越高;蚀刻钢网所需成本最低,一次制成,且与网孔的数量没有关系。

 

在应用上,从下面三张图比较可以看出,蚀刻钢网,由于中间有锥形突起,所以会影响锡膏填充效果,脱模时又可能带走网孔内沉积的锡膏而影响最终的印刷质量。现在一些蚀刻厂家引入电抛光工艺,可以消除这些突起,令印刷效果得到改善。

 

激光切割钢网有倒梯形结构,经电抛光后,孔壁光滑,有利于锡膏填充网孔,而且在钢网与PCB分离时也因为有这个锥度,具备良好的脱模性能。

 

电铸钢网与前面两者比较起来,不仅孔壁光滑,有倒梯形开口,而且在焊盘与PCB接触的一面,孔的边缘位置会比其它位置高出少许,这个高出部分在印刷时就像一个密封环一样紧紧在扣在焊盘上,使锡膏不会因为刮刀压力作用而从钢网与焊盘之间溢出,这对于细间距或微型元件的锡膏印刷相当有利。

后处理

化学蚀刻钢网和激光切割钢网一般都需要后处理工序,以获得更好的印锡效果。特别是激光切割钢网,如果没有后处理工序,基本是没法很好地应用。由于激光切割过程基本是高温烧蚀过程,而且是高频脉冲,导致孔壁上残留大量的熔渣以及产生锯齿状孔壁,所以更需要后处理工艺。而化学蚀刻就相对好一些,但近些年,为了改善印刷效果,钢网厂家针对蚀刻钢网开发了一些新的抛光处理工艺技术。

 

1电抛光

电抛光主要是利用电解原理,将完成孔加工的钢片放入化学溶液槽内,再对工件接通直流电,应用尖峰放电原理在孔内壁尖锐位置处聚集较大的电流密度,通过放电将这些尖锐部分逐步去除,然后获得光滑的孔内壁表面。

2镀镍

通过电镀工艺,在光滑的不锈片表面电镀一层金属镍,以降低其光滑程度。在锡膏印刷时,防止锡膏在钢网表面产生滑动,滑动的锡膏不利于锡膏在网孔内的填充。所以,表面镀镍可以增加锡膏印刷时的滚动,有利于锡膏在微型孔内的填充。

3纳米涂层

在蚀刻或激光切割钢网与PCB接触的一面及孔壁表面涂覆一层纳米材料,以增加孔壁的光滑程度,有利于锡膏脱模。DOE实验结果表明,采用纳米涂层后,下锡效率可以提升18%左右。

 

同时纳米涂层还增加了锡膏中的助焊剂成分与孔壁或钢网与PCB接触表面之间的不亲和性,这有利于保持印刷过程中孔内壁和钢网表面的清洁,减小印刷过程中的清洗频次,提高生产效率及降低辅料(清洗剂、擦网纸)的用量,降低生产成本。

因此,钢网的制造工艺对锡膏的印刷质量影响巨大。想要提高SMT贴片加工的锡膏印刷质量,必须从每个细节入手。从锡膏的选用,钢网的质量,设备的参数等等。每一个细节都会影响到最后的印刷质量。究竟采用哪一种钢网,这需要根据产品特性,板上元件的焊接端子尺寸大小,元件类型,元件分布等来选择适合的钢网。

SMT电子厂工作中,由于工艺不太稳定,我们工程师常常忙于处理低级别的、重复性的工作,比如调整工艺参数、处理一两个焊点不良等等,忙得焦头烂额,成效却不大。我们必须认识到,要实现最佳制造,最有效的方法就是建立以预防为主、健全的工艺控制体系,同时对与制造相关的工程师进行培训,大家共同建立一个“坚固”的工艺。

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