如何获得优质的焊膏印刷.docx

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如何获得优质的焊膏印刷

如何获得优质的焊膏印刷

1引言

随着表面贴装技术的快速发展，在其生产过程中，焊膏印刷对于整个生产过程的影响和作用越来越受到生产工艺师和工艺工程师们的重视，焊膏印刷技术是采用已经制好的网板，用一定的方法使丝网和印刷机直接接触，并使焊膏在网板上均匀流动，由掩模图形注入网孔。

当丝网拖开印制板时，焊膏就以掩模图形的形状从网孔脱落到印制板相应的焊盘图形上，从而完成了焊膏在印制板上的印刷，如图1。

完成这个印刷过程而采用的设备就是丝网印刷机。

焊膏印刷是SMT生产过程中最关键的工序之一，印刷质量的好坏将直接影响SMD组装的质量和效率，据统计60%-70%的焊接缺陷都是由不良的焊膏印刷结果所造成，因而要提高焊膏印刷质量，尽可能将印刷缺陷降低到最低，要实现高质量的重复印刷，焊膏的特性、网板的制作、印刷工艺参数的设置都十分关键，下面将围绕这几点进行逐一讨论。

2焊膏的特性与选择

焊膏比单纯的锡铅合金复杂得多，主要成分为：

焊料合金颗粒、助焊剂、流变性调节剂/黏度控制剂、溶剂等。

不同类型的焊膏，其成分都不尽相同，适用范围也不同，因此在选择焊膏时要格外小心，确实掌握相关因素，以确保良好的品质，通常选择焊膏时要注意以下因素：

2.1良好的印刷性能

焊膏的黏度是影响印刷性能的重要因素，黏度太大，焊膏不易穿过网板的开孔，印出的线条残缺不全，黏度太低，容易流淌和塌边，影响印刷的分辨率和线条的平整性，通常使用的焊膏的黏度在0.5×1.2KPas之间，钢模印刷时，焊膏黏度的最佳性为0.8KPas。

焊膏黏度可用精确黏度仪进行测量，但实际工作中可采用以下方法，用刮刀搅拌焊膏30min左右，然后用刮刀挑起少许焊膏，让焊膏自然落下，若焊膏慢慢逐段落下，说明黏度适中；若焊膏本质不滑落，则说明黏度太大，如果焊膏不停地以较快速度滑下，则说明焊膏太稀薄，黏度太小。

焊膏的焊料的颗粒形状、直径大小及其均匀性也影响其印刷性能，一般焊料颗粒直径约为网板开口尺寸的1/5，对细间距0.5mm的焊盘来说，其网板开口尺寸在0.25mm，其焊料粒子的最大直径不超过0.05mm，否则易造成印刷时的堵塞，具体的引脚间距与焊料颗粒的关系如图2所示。

通常细小颗粒的焊膏会有更好的焊膏印条清晰度，但却容易产生塌边，同时被氧化程度和机会也高，一般是以引脚间距作为其中一个重要选择因素，同时兼顾性能和价格。

2.2良好的黏合性

焊膏的黏合性是指焊膏粘在一起的能力，其主要取决于焊膏中助焊系统的成分以及其他的添加剂（例如胶粘剂、溶剂、触变剂等）的配比量。

如果焊膏本身粘在一起的能力强，它就利于焊膏脱模，并能很好的固定其上的元件，减少元件贴装时的飞片或掉片，并能经受贴装、传送过程时的震动或颠簸。

2.3焊膏的熔点

根据工艺要求和元器件能承受的温度来选择不同熔点的焊膏，焊膏熔点由合金成分所决定，对于SMT生产来说，一般选择63Sn-37Pb或62Sn-36Pb-2Ag，熔点分别为183℃，179℃，这几类焊膏不但具有较低的熔点，而且焊点强度也比较高，可较好地满足焊接要求，不同熔点焊膏往往用于双面贴装印刷版的生产，要求第一面的焊膏熔点比第二面高几十度，以防止在焊接第二面元件时第一面元件脱落。

2.4助焊剂种类

焊膏中的助焊剂作用有：

1）清除PCB焊盘的氧化层；2）保护焊盘表面不再氧化；3）减少焊接中的焊料的表面张力，促进焊料流动和分散。

由于回流焊时焊粉会加速氧化，因此助焊剂必须要有足够的活性来清除这些氧化物，另外一个考虑是焊后板子是否要清晰，若为免洗，必须选择无腐蚀、低残留的免清洗助焊剂。

焊膏中的助焊剂有RSA（强活化型）、RA（活化型）、RMA（弱活化型）、R（非活化型）、一般选用RMA型比较合适。

2.5焊膏的金属含量

焊膏中金属的含量决定着焊接后焊料的厚度。

随着金属所占百分含量的增加，焊料厚度也增加（见表1），但在给定黏度下，随金属含量的增加，焊料的桥连的倾向也相应增大。

回流焊后要求器件管脚焊接牢固，焊量饱满、光滑并在器件（阻容器件）端头高度方向上有1/3-2/3高度的爬升。

从上表可以看出随着金属含量的减少，回流焊后焊料的厚度减少，为了满足对焊点焊膏量的要求，通常选用85%-92%金属含量的焊膏，焊膏制作厂商一般将金属含量控制在89%或90%，使用效果更好。

2.6工作寿命与存储期限

工作寿命是指焊膏印后到安放元件允许经历的时间，若焊膏中所含溶剂挥发性过大，易使焊膏干燥而不易作业，且易失去对元件的黏着力。

应选择至少有4h有效工作时间的焊膏，否则会对批次生产造成困扰。

存储期限是指在规定的保存下，焊膏从出厂到性能布置严重降低的保存期限，一般规定为3-6个月，也有一年的，由于焊膏中有化学添加物，易因温度和时间而变化，失去原有功能，因此保存期限和使用器件需加注意。

3焊膏使用和储存的注意事项

3.1焊膏的登记与保存

焊膏购买到货后，应登记到达时间、保质期、型号、并为每罐焊膏编号，使用时遵循"先进先出"的原则，焊膏应以密封形式保存在恒温、恒湿的冰箱内，温度在约为2-10℃，温度过高，焊剂与合金焊料粉起化学反应，使黏度上升影响其印刷性，温度过低（低于0℃）焊剂中的松香会产生结晶现象，使焊膏形状恶化，解冻时会危及焊膏的流变特征。

3.2焊膏使用的注意事项

在焊膏使用过程中要注意以下几点：

（1）使用时，应提前至少4H从冰箱中取出，写下时间、编号、使用者、应用的产品，并密封置于室温下，待焊膏达到室温时打开瓶盖。

如果在低温下打开，容易吸收水汽，再流焊时容易产生锡珠，注意：

不能把焊膏置于热风器、空调等旁边加速它的升温。

（2）开封后，应至少用搅拌机搅拌30s或手工搅拌5min，使焊膏中的各成分均匀，降低焊膏的黏度。

（3）当班印刷首块印制板或设备调整后，要利用焊膏厚度测试仪对焊膏印刷厚度进行测定，测试点选在印制板测试面的上下，左右及中间等5点，记录数值，要求焊膏厚度范围在网板厚度的-10%-+15%之间。

（4）置于网板上超过30min未使用时，应先用丝印机的搅拌功能搅拌后再使用。

若中间间隔时间较长（超过1h），应将焊膏重新放回罐中并盖紧瓶盖，再次使用焊膏开封后，应至少用搅拌机或手工搅拌，使焊膏中的各成分均匀。

（5）印制板的板面及焊点的多少，决定第一次加到网板上的焊膏量，一般第一次加200-300g，印刷一段时间后再适当加入一点，确保焊膏印刷时沿刮刀前进方向作顺时针走向滚动，厚度约等于1/2到3/4个金属刮刀的高度。

（6）板印刷焊膏后应在尽可能短的时间内贴装完，以防止助焊剂等溶剂挥发，原则上不应超过8h，超过时间应把焊膏清洗后重新印刷。

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（7）开封后，原则上应在当天内一次用完，超过时间使用期的焊膏绝对不能使用。

从网板上刮回的焊膏也应密封冷藏。

（8）印刷时间的最佳温度为25℃±3℃，温度以相对温度45%-65%为宜。

温度过高，焊膏容易吸收水汽，在再流焊时产生锡珠。

（9）不要把新鲜焊膏和用过的焊膏放入统一个瓶子内。

当要从网板收掉焊膏时，要换另一个空瓶子装，防止新鲜焊膏被旧焊膏污染。

（10）建议新、旧焊膏混合使用时，用1/4的旧焊膏与3/4的新鲜焊膏均匀搅拌一起，保持新、旧焊膏混合在一起时都处于最佳状态。

（11）生产过程中，对焊膏印刷质量进行100%检验，主要内容为焊膏图形是否完整、厚度是否均匀、是否有焊膏拉尖现象。

（12）当班工作完成后按工艺要求清洗网板。

（13）在印刷实验或印刷失败后，印制板上的焊膏要求用超声波清洗设备进行彻底清洗并晾干，以防止再次使用时由于板上残留焊膏引起的回流焊后出现焊球。

4网板的制作

4.1网板的制作的关键

网板是焊膏印刷的关键部件，它由网框、丝网和掩模图形构成。

一般，掩模图形用适当的方法制作在丝网上，与PCB上待漏印焊膏的SMT焊盘一一对应，丝网则绷在网框上，如图3。

同时应注意到网板制作的几个关键：

（1）网框。

网框的作用是支撑和绷紧丝网，使丝网与PCB夹持机构的工作台保持平行，一般采用中空铝合金型材，以满足强度要求又便于印刷操作。

（2）丝网，丝网绷紧在网框上，它是掩模图形的载体，也是控制焊膏印刷量的重要工具，它能决定焊膏印刷精度和质量，丝网可用不同材料编制，其中不锈钢丝网最适合于焊膏印刷。

（3）网板开口类型。

通常有化学腐蚀、激光切割和激光切割并电镀3种方法：

1）化学腐蚀孔壁粗糙，只能用于0.65mm以上间距印刷，但比其他钢网费用低（见图4）；

2）激光切割采用锥形开孔，有利于脱模，可以用Gerber文件加工，误差更小，精度更高（见图5）；

3）激光切割并电镀孔壁光滑且可以收缩，具有最好的脱模特性，在硬度和强度方面更胜于不锈钢，耐磨性更好，适合0.3mm及以下间距的印刷，但制作费用高昂。

对于高精度的网板，应选用激光切割并电镀制作方式，因为激光切割的孔壁直，粗糙度小（小于3μm）且有一个锥度（见图6）。

图7展示了分别使用3种网板的焊膏印刷效果，从中可以看出使用激光切割并电镀的网板焊膏印刷效果最佳。

4）网板基准点用于焊膏印刷时网板的定位，与PCB的基准相对应，要求制作精细，根据丝印机的要求可以加工成蚀透或半蚀透，半蚀透的基准点上涂黑胶，涂胶要求平整、圆滑。

4.2网板的各部分与焊膏印刷的关系

（1）开孔的外形尺寸。

网板上开孔的形状与印刷版上焊盘的形状尺寸对焊膏的精密印刷是非常重要的，网板上的开孔主要由印刷版上相对应的焊盘尺寸所决定。

一般，网板上开孔的尺寸应比相对应的焊盘小10%。

（2）网板的厚度，网板的厚度与开孔的尺寸对焊膏的印刷以及后面的再流焊有很大的关系，具体为厚度越薄开孔越大，越有利于焊膏释放。

经证明，良好的印刷质量必须要求开孔尺寸与网板厚度比值大于1.5，否则焊膏印刷不完全。

一般情况下，对0.5mm的引线间距，用厚度为0.12-0.15mm网板，0.3-0.4mm的引线间距，用厚度为0.1-0.12mm网板。

（3）网板开孔方向与尺寸。

焊膏在焊盘长度方向上的释放与印刷方向一致时，比两者方向垂直时的印刷效果好，具体的网板设计工艺可依据表2来实施。

5焊膏印刷过程的工艺控制

焊膏印刷是一个工艺性很强的过程，其涉及到的工艺参数非常多，每个参数调整不当都会对贴装产品质量造成非常大的影响。

5.1丝印机印刷参数的设定调整

本节将从几个方面来讨论影响焊膏印刷质量的工艺控制因素；

（1）刮刀压力。

刮刀压力的改变，对印刷来说影响重大，太小的压力，会使焊膏不能有效地到达网板开孔的底部且不能很好地沉积在焊盘上，太大的压力，则导致焊膏印得太薄，甚至会损坏网板。

理想的状态为正好把焊膏从网板表面刮干净，另外刮刀的硬度也会影响焊膏的厚薄。

太软的刮刀（复合刮刀）会使焊膏凹陷（如图8），所示在进行细间距印刷时建议采用较硬的刮刀或金属刮刀。

（2）印刷厚度。

印刷厚度是由网板的厚度所决定的，当然机器的设定和焊膏的特性也有一定的关系，印刷厚度的微量调整，经常是通过调节刮刀速度及刮刀压力来实现。

适当降低刮刀的印刷速度，能够增加印刷至印制板的焊膏量，有一点很明显：

降低刮刀的速度等于提高刮刀的压力，相反，提高了刮刀的速度等于降低了刮刀的压力。

（3）印刷速度。

刮刀速度快有利于网板的回弹，但同时会阻碍焊膏向印制板焊盘上传递，而速度过慢会引起焊盘上所印焊膏的分辨率不良，另一方面刮刀的速度和焊膏的粘稠度有很大的关系，刮刀速度越慢，焊膏的粘稠度越大；同样，刮刀速度越快，焊膏的粘稠度越小。

通常对于细间距印刷速度范围为25mm/s左右。

（4）印刷方式。

焊膏的印刷方式可分为接触式（on-contact）和非接触式（off-contact）印刷，网板与印制板之间存在间隙的印刷称为非接触式印刷，在机器设置时，这个距离是可调整的，一般间隙为0-1.27mm；而焊膏印刷没有印刷间隙（即零间隙）的印刷方式称为接触式印刷，接触式印刷的网板垂直抬起可使印刷质量所受影响最小，它尤适合细艰巨的焊膏印刷。

（5）刮刀的参数，刮刀的参数包括刮刀的材料、厚度和宽度、刮刀相对于到刀架的弹力以及刮刀对于网板的角度等，这些参数均不同程度的影响着焊膏的分配，其中刮刀相对于网板的角度为θ为60°-65°时，焊膏印刷的品质最佳。

在印刷的同时要考虑到开口尺寸和刮刀走向的关系，焊膏的传统印刷方法是刮刀沿着网板的x或y方向以90°角运行，这往往导致了器件开孔不同走向上焊膏量不同，经实验认证，当开孔长方向与刮刀方向平行时刮出的焊膏厚度比两者垂直时刮出的焊膏厚度多了约60%，刮刀以45°的方向进行印刷，可明显改善焊膏在不同网板开孔走向上的失衡现象，同时其可以减少刮刀对细间距网板开孔的损坏。

（6）脱模速度。

印制板与网板的脱离速度也会对印刷效果产生较大影响。

时间过长，易在网板底部残留焊膏，时间过短，不利于焊膏的直立，影响其清晰度，理想的脱模速度如表3所示。

（7）网板清洗。

生产过程中对网板的清洁方式和清洁频率将直接影响印刷质量的好坏，建议采用酒精清洗和用压缩空气吹两种方式相结合对网板进行清洁，其方式为：

一般在生产10块PCB后应对网板进行清洗，先用洁净的纱布蘸取适量的酒精进行两面擦试，然后用气枪由底向上吹（反之则易污染PCB），最后再用干布擦试干净，其中要注意的问题是酒精不要用的太多，否则网板底部残留少量酒精，与PCB接触时浸润PCB焊盘，使焊盘对焊膏的黏着力下降，造成印刷焊膏过少。

另外也要注意气压不要过大，否则容易造成QFP的管脚开孔处变形。

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5.2常见印刷缺陷及解决办法

焊膏印刷是一项十分复杂的工艺，既受材料的影响，同时又跟设备和参数有直接关系，通过对印刷过程中各个细小环节的控制，可以防止在印刷中经常出现的缺陷，下面列出了一些常见的印刷不良现象及原因分析：

（1）焊膏桥连（见图9）：

1）设备原因。

设备的参数设置不当，比如印刷间隙过大，使焊膏压进网孔较多，焊膏厚度过高。

2）人为原因。

长时间不清洁网板，使上一次残留在网孔中的焊膏积累，焊膏干化，清洁后还有少量的焊膏残留等均会造成桥连。

3）原材料不良，焊盘比PCB表面低。

（2）焊膏少（见图10）。

1）设备原因。

开孔阻塞或者部分焊膏黏在网板底部；印刷后脱模时间过短，下降过快使焊膏未能完全粘在焊盘上，少部分残留在网板网孔中或网板底部。

2）认为原因。

网板长时间不清洁，焊膏干化。

3）原材料不良，PCB焊盘污染，使焊锡不能很好的粘在焊盘上。

（3）焊锡渣（见图11）：

1）设备原因。

网板与PC之间间隙过大，焊膏残留未能及时清除。

2）人为原因，网板不干净或清洁后仍有残留。

3）原材料不良。

基本与其他不良相似。

（4）焊膏厚度不一（见图12）：

像这样的不良可能有很多种原因造成，视情况而定，可能与设备硬件水平有关，如工作台、网板各不水平，两者前后或左右间隙不等，有可能造成此类情况的不良，调整设备硬件，使其两者水平，表4中列出了一些工程中出现较多的不良类型、原因和措施方案。

6焊膏印刷效果的检测

据统计，组装件的焊点缺陷有一半以上是由于印刷不良造成的，因此在印刷完成后对焊膏印刷效果进行检查非常必要，传统的做法是在印刷完成之后安排一个工位进行人工检查，对不合格品进行修补或剔除。

但随着目前CSP（芯片尺寸封装）芯片最细间距降低0.5mm，对焊膏印刷进行定性判断已不能满足需要，必须对其作定量分析，包括印刷的高度（厚度）、宽度、体积等，这就要用到先进的测量仪器。

6.1测量原理

一般焊膏的印刷高度在100μm数量级，无法直接用尺规进行测量，通常都是采用间接方式计算其高度，测量原理如图13，将一数光束以45°入射角照在被测焊膏时上，通过测量该光束在焊膏的顶部和底部的交线在垂直方向上的投影d，就可计算出被测物体的高度h。

6.2自动高度测量仪

早期的测量装置用一个CCD摄像机将PCB平面图像在显示器显示出来，显示屏上有上下和左右两条水平线，可通过控制旋钮调节其上下位置，将上下两条线分别与PCB上测量光束在焊膏顶部和底部的交线重合，测量仪可根据两个旋钮（电位器）的值计算成焊膏的高度，在屏幕上显示出结果，如图14所示。

目前最新的高度测量仪采用了高性能电脑系统并融入先进的数据采集和图象处理技术，只需简单设置，就可让机器完成自动地对一块板或一批板进行测量，这里以两类比较有代表性的自动化测量仪为例说明其应用，从中可看出该项领域的最新发展。

MalcomTD-3V是一种离线式全自动激光焊膏高度测量仪，其程序设定和结果输出通过一台计算机完成，这种设备的最大特点是能够同时设定100个焊膏印刷位置的数据信息，由机器自动完成对这100个点的测量，操作者根据实际应用需要，在批量生产的PCB板上选取100个焊盘位置作为监控点，并将这100个点的坐标、允许印刷长宽及高度都预先设定好输入电脑中，然后就可开始对板子进行自动测量，TD-3的测量结果不仅包括焊膏印刷的宽度和高度，还能自动计算出焊膏的体积，它可以将这100个点的实测结果与设定值进行对比，自动判断被测板是否符合要求，并将各测量值和判定情况在屏幕上显示出来，整个系统程序运行于Windows98环境下，操作十分便捷。