SMT-02-07-印刷制程设计.ppt

Delta ConfidentialDelta Confidential 印刷製程設計 SMT工程師訓練教材 編號：SMT-02-07 Jan 2003 Delta Confidential 產品特性 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 零件密度零件密度 基板尺寸基板尺寸 產能需求產能需求 印刷速度印刷速度 印刷尺寸印刷尺寸 穩定性 信賴性信賴性 銲錫性銲錫性 印刷性印刷性 工作性工作性 檢測性檢測性 製作方式製作方式 鋼板厚度鋼板厚度 開孔形狀開孔形狀 印刷速度印刷速度 印刷壓力印刷壓力 擦拭設定擦拭設定 加錫膏量加錫膏量 加錫膏頻率加錫膏頻率 清洗頻率清洗頻率 穩定的印刷作業穩定的印刷作業 Delta Confidential 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 高密度高複雜性高密度高複雜性低密度簡單性低密度簡單性 Delta Confidential 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 Delta Confidential 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 零件密度零件密度 基板尺寸基板尺寸 產能需求產能需求 印刷速度印刷速度 印刷尺寸印刷尺寸 穩定性穩定性 信賴性信賴性 銲錫性銲錫性 印刷性印刷性 工作性工作性 檢測性檢測性 製作方式製作方式 鋼板厚度鋼板厚度 開孔形狀開孔形狀 印刷速度印刷速度 印刷壓力印刷壓力 擦拭設定擦拭設定 加錫膏量加錫膏量 加錫膏頻率加錫膏頻率 清洗頻率清洗頻率 穩定的印刷作業穩定的印刷作業 Delta Confidential 印刷設備選擇 Printing machine Stencil Kind Thickness Etching Laser cut Electro-formAperture 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) Delta Confidential 刮刀式印刷設備 MPM AP25MPM AP25 全自動印刷機全自動印刷機 錫膏印刷錫膏印刷紅膠印刷紅膠印刷 Delta Confidential 擠壓式印刷設備 Delta Confidential 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。 Square type 455070 Flat type 7080 Sward type Delta Confidential 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 零件密度零件密度 基板尺寸基板尺寸 產能需求產能需求 印刷速度印刷速度 印刷尺寸印刷尺寸 穩定性穩定性 信賴性信賴性 銲錫性銲錫性 印刷性印刷性 工作性工作性 檢測性檢測性 製作方式製作方式 鋼板厚度鋼板厚度 開孔形狀開孔形狀 印刷速度印刷速度 印刷壓力印刷壓力 擦拭設定擦拭設定 加錫膏量加錫膏量 加錫膏頻率加錫膏頻率 清洗頻率清洗頻率 穩定的印刷作業穩定的印刷作業 Delta Confidential 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 Delta Confidential 生產階段各項要因 生生產產階段階段影響的要因影響的要因 儲存特質穩定度(黏度、銲錫性等) 印刷微間距印刷、鋼板壽命、印刷停頓時間、 滾動特質、與刮刀分離性、印刷速度、 黏度變化、鋼板孔壁阻礙、印刷模糊 著裝維持黏滯時間、黏滯力、抗坍塌性 回銲空銲、錫橋(短路)、錫珠、微錫球、墓碑、潤濕性 檢驗目視清潔度(助銲劑殘留)、ICT測試性 清潔目視清潔度(助銲劑殘留)、離子污染 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。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。 儲存儲存印刷印刷著裝著裝回銲回銲檢驗檢驗清潔清潔 Delta Confidential 免洗型錫膏組成 Solder paste Alloy/powder Eutectic Non-eutectic Sn63 Pb37 Sn62 Pb36 Ag2 Others Flux medium Solvent Solids Rosins Activators Thixotropic materials Delta Confidential 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。 Monitor camera Molten solder Oxygen densimeter Solder powder recovery tank Delta Confidential 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。 High Low Delta Confidential 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。 Irregular shape solder particleSpherical solder particle Delta Confidential 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。 Delta Confidential 助銲劑中松香作用 主成分主成分種類種類擔當特性擔當特性 Rosin (松香) WW rosin Rosin hydride Disproportionated rosin Polymerized rosin Phenol denatured rosin Ester denatured rosin Printability (印刷性) Solderability (銲錫性) Slump resistivity(抗坍塌性) Tackiness (黏著度) Color of residue(殘留物顏色) ICT testability(ICT測試性) 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 。 Delta Confidential 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。 主成分主成分種類種類擔當特性擔當特性 Activator (活化劑) Amine hydrochloride (溴化氫胺) Halide (鹵化物) Organic acids (有機酸) Etc.(其他等等) Activation strength (活化強 度) Reliability (信賴性) Shelf life (使用壽命) Delta Confidential 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。 主成分主成分種類種類擔當特性擔當特性 Thixotropic Agent (抗垂流劑) Honey wax (蜜蠟) Caster oil hydride (油狀氫化物) Aliphatic amide (脂肪氨基化合物) Etc.(其他等等) Printability (印刷性) Viscosity (黏度) Thixotropic index (搖溶指數) Slump resistivity (抗坍塌性) Odor (色澤) Cleanability (清潔度) Delta Confidential 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。 主成分主成分種類種類擔當特性擔當特性 Solvent (溶劑) Glycol ether (乙二醇乙醚 ) Polyhydric alcohol (多面體醇類) Etc.(其他等等) Stencil life (鋼板上暫存壽命 ) Tack time (黏著時間) Slump resistivity (抗坍塌性) Odor (色澤) Delta Confidential 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 1 2 2 3 3 4 4 5 5 Delta Confidential 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。 Comb type electrode Type- Width of conduct or 0.318m m Conductor spacing 0.318m m Overlap length15.75m m 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。 Delta Confidential 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 Delta Confidential 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。 A C B 銲錫 Delta Confidential = 0 Perfect wetting 0 0.65150200 0.5150 0.4(0.3mm dia. uBGA)120150 最小間距對應鋼板厚度建議值最小間距對應鋼板厚度建議值 Delta Confidential 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。 減少墓碑減少墓碑減少錫珠減少錫珠減少墓碑與錫珠減少墓碑與錫珠 Delta Confidential 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 零件密度零件密度 基板尺寸基板尺寸 產能需求產能需求 印刷速度印刷速度 印刷尺寸印刷尺寸 穩定性穩定性 信賴性信賴性 銲錫性銲錫性 印刷性印刷性 工作性工作性 檢測性檢測性 製作方式製作方式 鋼板厚度鋼板厚度 開孔形狀開孔形狀 印刷速度印刷速度 印刷壓力印刷壓力 擦拭設定擦拭設定 加錫膏量加錫膏量 加錫膏頻率加錫膏頻率 清洗頻率清洗頻率 穩定的印刷作業穩定的印刷作業 Delta Confidential 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。 刮刀壓力刮刀壓力 刮刀推力刮刀推力 刮刀移動刮刀移動速度速度 錫膏滾動錫膏滾動 Delta Confidential 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。 On-contact Snap-off distance Off-contact Down force Delta Confidential 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。 Shear stress / friction to solder paste Squeegee separation Delta Confidential 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。 These particles will be transferred on to substrate as micro-solder balls. Mis-alignment of stencil Delta Confidential 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 零件密度零件密度 基板尺寸基板尺寸 產能需求產能需求 印刷速度印刷速度 印刷尺寸印刷尺寸 穩定性穩定性 信賴性信賴性 銲錫性銲錫性 印刷性印刷性 工作性工作性 檢測性檢測性 製作方式製作方式 鋼板厚度鋼板厚度 開孔形狀開孔形狀 印刷速度印刷速度 印刷壓力印刷壓力