作者：蒂莫西-奥尼尔和盖尔-托维尔
随着元件尺寸的缩小，对更精细焊膏的需求也随之增加。但选择焊膏不仅要与元件尺寸相匹配，还要优化印刷和回流焊工艺，以防止缺陷并确保可靠性。
本文探讨了锡膏粉末粒度的重要性，尤其侧重于制造商何时以及为何应考虑从标准类型缩小到更精细的替代品。
焊粉生产过程变化的影响
不同制造商生产焊粉以及最终生产焊膏的具体方法会有很大差异。这些生产方法上的差异会导致使用特定锡膏尺寸进行印刷时产生截然不同的结果。
换句话说，使用一家制造商生产的 5 型焊膏和另一家制造商生产的 5 型焊膏，结果可能完全不同。此外，特定焊粉生产过程中的固有差异会对焊膏性能产生更大的影响，粒度越小影响越大。
IPC 对颗粒尺寸分类进行了标准化，但仍允许存在较大的差异。IPC 规定，特定类型的颗粒只有 80% 必须在标称范围内（见表 1）。这就为制造商之间的粒度分布差异留下了空间，而粒度分布差异会严重影响焊膏性能，包括可印刷性、回流性能和可靠性。
| 型号 | 小于 0.5% 大于 | 小于 10% 之间 | 之间至少有 80% | 小于 10% 小于 |
| Type 3 | 60 微米 | 45-60 微米 | 25-45 微米 | 25 微米 |
| Type 4 | 50 微米 | 38-50 微米 | 20-38 微米 | 20 微米 |
| 类型 5 | 40 微米 | 25-40 微米 | 15-25 微米 | 15 微米 |
| Type 6 | 25 微米 | 15-25 微米 | 5-15 微米 | 5 微米 |
| Type 7 | 15 微米 | 11-15 微米 | 2-11 微米 | 2 微米 |
表 1.IPC J-STD-005A 规定的粒子分布限值
如何决定何时减少焊膏用量
在考虑是否缩小焊膏尺寸时，您必须考虑到元件的尺寸和间距、生产环境和设置，以及较小粉末可能带来的潜在挑战。
一般来说，锡膏越小，工艺的挑战性就越大。因此，工艺的最终成功越来越取决于上述焊膏生产方法的所有变化。
五球规则及其影响
确定使用何种粉末尺寸的常用启发式方法是所谓的 "5 球规则"。5 球规则 "认为，最小的钢网孔径至少应是焊膏最大颗粒直径的五倍（见表 2）。
例如，4 类焊膏的颗粒最大可达 38µm，可印刷的最小孔径约为 190µm/.004"。然而，当我们使用更细的粉末（如颗粒小至 5-15 微米的 6 型）时，5 球规则的实际适用性就变得不确定了。这是因为极小的颗粒尺寸和更狭小的空间尚未经过彻底测试，因此该规则可能不适用或需要对这些先进类型进行调整。
| 型号 | 每 5 球规则的钢网孔径下限 |
| Type 3 | 225 微米 |
| Type 4 | 190 微米 |
| 类型 5 | 125 微米 |
| Type 6 | 75 微米 |
| Type 7 | 55 微米 |
表 2.基于 5 球规则的钢网孔径下限。
缩小锡膏粉末规模的挑战
缩小到更小的粉末尺寸会带来一些折衷，尤其是在最小粉末尺寸的情况下。即以下几点：
- 较小的粉末更难生产，因此价格也更高。
- 较小的粉末表面积与质量比更大，因此氧化的可能性更大。这就缩短了保质期，使其对工艺参数更加敏感，6 型和更小的粉末需要氮气回流。
- 不同供应商的制造方法各不相同，因此特定尺寸的粉末在颗粒的球形度和粒度分布方面可能存在很大的质量差异。这些差异可能导致意想不到的问题和缺陷。
- 对于更细的粉末，可能需要对钢网设计进行调整，以避免出现钢网堵塞或膏体释放不足等问题。这需要考虑钢网厚度、孔径大小和网壁光滑度。
- 一般来说，粉末越小，加工窗口就越小，这意味着必须非常小心地调整刮刀压力和速度等设置。
为什么要选择最大的粉末粒度？
由于在缩小尺寸时会有很大的权衡，如果您的应用接近 5 球规则所建议的临界值，那么坚持使用较大的尺寸可能会比较稳妥。事实上，在 AIM，我们曾多次遇到过 4 型浆料的性能优于 5 型浆料的情况，而在这种情况下，缩小尺寸的决定是非常关键的。
例如，假设您必须印刷最小元件为 01005 的电路板。IPC 建议这些元件的钢网孔径为 175 x 250 µm，这可能超出了 4 类焊膏的印刷范围（≥ 190 µm）。
不过，只要稍加巧思，这些元件也可以使用边长为 190 微米或稍大的圆形方孔设计。这种开孔形状可在狭小空间内最大限度地增加容积，同时提高传输效率。
在这种情况下，使用纳米涂层的 4 密耳甚至 3 密耳钢网可以进一步提高转移效率。因此，如果 01005 是最小的元件，那么 4 型浆料就可以使用，而且几乎没有意外的副作用。
关于半尺寸焊膏的说明
一些制造商销售的浆料标注为 4.5 型或 5.5 型，这让工艺工程师不禁要问，如果他们的元件处于边缘位置（如上文所述的情况），改用半尺寸浆料是否是个好主意。
但是，目前还没有 IPC 规范来定义这两种类型。虽然您可能希望标为 4.5 型的浆料的粒度范围介于 4 型和 5 型之间，但实际情况是，它可能更大、更小，或者更宽泛--比如将 4 型和 5 型粉末混合在一起。
如果您正在考虑使用半粒径浆料，请务必在使用前向生产商了解清楚粒径分布情况。
结论和建议
选择合适的焊膏类型对于实现最佳装配效果至关重要。5 球规则为这一选择提供了基本指导，但必须考虑制造工艺和元件要求的更广泛背景。在缩小焊膏尺寸之前，应评估潜在的好处与相关的挑战，如氧化或回流问题的增加。使用当前焊膏类型优化现有工艺可能会减轻缩小规模的需要，从而保持生产效率和产品质量。
最初发表于《电路组装