由于01005元件、0.3mm间距CSP器件的引入， 电子元器件封装正在将SMT技术推向极限。客 户的小型化需求不断推动着高密引脚器件的应 用；但是，在新的制造方式出现之前，目前的小型化技术 究竟能发展到哪一步？锡膏应用及锡膏印刷工艺的极限又 在哪里？

在过去的20年间，人们对细间距印刷工艺的主要因子 和关键工艺参数已经有了深入的了解。其中包括：印刷速 度、刮刀压力、钢网开孔设计（钢网加工、钢网厚度、开 孔面积与横截面积比）和锡膏的选择等。但是，随着钢网 开孔面积与孔间距变得越来越小，影响锡膏转移率和锡量 一致性的因素有所增多；因此，当前印刷工艺研究的关键是如何找出并使这些因素受控。

影响锡膏转移率的因素
图1是密间距印锡工艺的因果分析鱼骨图，从图上可以 看出，影响锡膏转移率的有六个主要因素：环境、锡膏、工具、PCB设计、印锡工艺和检测。

试验方法
Indium公司在位于美国纽约Utica的实验室进行了为期 一个月的印锡试验，所采用的是Assembléon公司销售的 Yamaha YGP锡膏印刷机，该印刷机可以灵活改变刮刀角 度——作为印锡工艺的一个参数显著扩大了细间距印刷工艺 的窗口。此外，该印刷机能够在不同试验条件下改变刮刀角 度（自动擦网后，工序暂停后，以及印刷每个批次中的第一 块板后，等等）；最终减少了整个试验过程中印刷不同PCB 给试验结果带来的波动。

试验过程中使用的锡膏是Indium的8.9HF，该产品为4 号粉制作，是专为应对小型化需求而开发的免清洗、无铅、 无卤素锡膏。

沿刮刀长度方向对钢网底部支撑进行了优化，并在PCB 底部加了顶针，以保证刮刀压力的均匀分布。 试验变量包括印刷速度、脱模速度、印锡间隔时间和刮 刀接触角度（45～60°）。

锡膏量的数据通过 Koh Young 3020T 3D 系统测量得 出，最终转化为0.45-0.3mm 间距的锡膏转移率数据。

试验板上设计了10x10μBGA的焊盘，尺寸和间距 0.05mm～0.5mm不等。采用电铸钢网，厚度3.5mil，开孔为1:1的方形孔，具体设计如表1所示。

另外一个变量是阻焊开窗，对于焊盘间距小于0.2mm的情况，焊盘之间完全没有阻焊绿油，参见图2和图3。

脱模速度和刮刀角度对锡膏转移率的影响

脱模速度设计为两个水平：慢和快； 刮
刀角度的变化范围为45 - 60°，每5°为一个水平。 试验结果表明：对于开孔面积与横截面积比大于0.70 的大焊盘，刮刀角度与脱模速度影响不明显；但对于面积比小于0.66的小焊盘则有显著差异。

从图4可以看出，大脱模速度下锡量的波动比较大。在 一组试验中，200-250μ (8-10mil)钢网开孔的锡膏转移率 从65％变化到85％，且波动不大。

可以看出，小刮刀角度（45°/ 50°）比大刮刀角度 （55°/ 60°）的印锡效果和一致性更好。此外，小刮刀 角度情况下，大脱模速度的印锡一致性要优于小脱模速度 的情况。

常规的想法是锡膏从钢网的脱模速度越小，释放的就 越完全，但从本实验结果看却与之相反。

刮刀角度和印刷速度
在最后一组试验中，刮刀角度的范围为45 - 60°，印 刷速度的范围为25- 200mm/sec。试验的目的是得出刮刀 角度和印刷速度对不同焊盘尺寸/ 间距锡膏转移率的影响。 首先，每一个刮刀角度的最佳刮刀压力被确定下来， 表2列出了最佳刮刀压力的数据。刮刀压力的确定是通过逐 步增加刮刀压力直到锡膏被刮干净为止。

对焊盘尺寸0.25mm（AR= 0.7）、0.20mm（AR = 0.56）和焊盘间距0.2mm 、0.15mm 的几种不同焊盘设计 方案进行了组合试验（见图5），其中，0.15mm间距的焊盘之间无阻焊绿油。

结果表明，不同试验组合的锡量一致性没有显著差 异，但是平均转移率的差异较大，0.15mm 焊盘间距的锡 膏转移率接近100％，较0.20mm焊盘间距高出15％。

二者之间为什么会有这么大的差别？分析后认为是由 于 0.15mm 间距的焊盘之间没有阻焊绿油，钢网底部的平整度更好，有利于锡膏脱模。

此外，钢网的加工工艺也是一个要考虑的因素。当孔 间距很近时，电铸钢网的开孔将有所变化。由于密间距开孔 会改变局部电镀速率，钢网局部厚度的变化影响了面积比 AR，进而影响了锡膏转移率。数据分析也证实了钢网局部 厚度的大小将带来锡膏转移率的改变。

接下来，对 0.25mm（AR= 0.7）和 0.20mm焊盘（AR = 0.56）在0.1mm焊盘间距下的印锡数据进行了分析，发现45 /50°刮刀角度的锡膏转移率波动较大，而55 / 60°则较好。

前期在Yamaha设备上进行的试验中，采用安装在钢网 开孔处的传感器对刮刀压力进行了实际测量。结果显示，随 着刮刀角度的增加，锡膏填充压力呈明显下降的趋势（见表 3）。鉴于此，较小刮刀角度对应的锡膏量的波动很有可能 是出于锡膏填充压力增大的缘故，而过大的填充压力会将锡 膏从焊盘上挤出。数据表明，针对上述钢网开孔，刮刀角度在 55° 或更高的情况下可以得到较合适的刮刀压力。

结论
过去人们对印锡工艺的关键参数和对这些参数的具体 影响有了系统的研究和发表，这些参数包括印刷速度、刮 刀压力和钢网设计。本试验的目的是研究焊盘尺寸和焊盘 间距减小后是否引入了新的影响因素，结果如下：

1. 对于密间距印锡，印刷前的准备工作非常重要，减小 印刷过程中的PCB变形、沿刮刀长度方向对钢网有效 支撑，可以改善印刷精度和锡膏转移率。
2. 较大的脱模速度对保证锡量一致性有好处，但位于板 边的细间距焊盘还需进一步研究。
3. 随着焊盘尺寸和焊盘间距的减小，刮刀角度对锡膏转 移率和锡量一致性的影响越来越大。
4. 在超细间距焊盘之间的阻焊绿油是锡量波动的一个重 要原因，需要进一步研究，以指导今后的焊盘设计。|
5. 由于绝大多数的印刷机不允许调整刮刀角度这一参 数，目前为止还不能全面评估改变刮刀角度对减小过 程波动的作用。但如果可以改变刮刀角度，当遇到钢 网擦拭、工艺调整和工序暂停的时候，则可以获得更 好的锡量一致性。

本试验研究发现，超细间距印刷工艺将引入 一些新的影响因素，这些因素对当前尺寸的元器 件可能影响不大，但是随着引脚尺寸和引脚间距 越来越小，刮刀角度和印刷速度将成为少锡、锡 量不一致的重要影响因素之一。

对于超细间距印刷工艺，锡量不足直接导致 返修，即使非常小的工艺波动都会对组装直通率 产生重要影响，因此，批量生产之前必须对印刷工序有一个全面的评估。

参考资料：
1] Anglin, C., “Establishing a Precision Stencil Printing Process for Miniaturized Electronics Assembly,” IPCTechnical Conference, March 29-April 2, 2009.
2] George Babka, “ Moving Towards a Stable Process:Minimizing Variation in Solder Paste Printing,” Originally distributed at the International Conference on Soldering and Reliability,” Toronto, Ontario, Canada; May 20-22,2009.

作者联系方式：
George Babka：george.babka@philips.com.
David Sbiroli：dsbiroli@indium.com.
Richard Brooks：rkbrooks@austin.rr.com.
Chris Anglin：canglin@indium.com.