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常见的印刷缺陷与分析
毕业设计论文
作者学号
系部机电学院
专业电子组装技术与设备
题目常见的印刷缺陷与分析
指导教师
评阅教师
完成时间：
年月日
毕业设计（论文）中文摘要
题目：
常见的印刷缺陷与分析
摘要：
焊膏印刷是整个SMT中较为关键的一道程序，印刷工艺涉及到印刷机、焊膏、印刷网版以及印刷过程和各种参数等诸多要素。
印刷的好坏直接影响到电子产品的性能及质量。
本文对SMT常见的印刷缺陷进行阐述，分析这些缺陷为电子产品生产所会带来的危害，具体的分析各种印刷缺陷，并针对这些缺陷并进行一系列的实验进行验证，在焊膏印刷的各个工序中，提出各个工序的控制要求，得出具体印刷缺陷会造成的各种产品不良及解决这些印刷缺陷的方法与技术，最终降低焊膏印刷过程中的缺陷率。
关键词：
印刷工序缺陷分析缺陷率
毕业设计（论文）外文摘要
Title:
Commonprintingdefectsanalysis
Abstract:
Solderpasteprintingprocess istheSMT isa keyprocess, printingprocessinvolves printingmachine, solderpaste, screenprinting andprinting processandthe various parameters andotherfactors. Printing directlyaffecttheperformanceand qualityofelectronicproducts. TheSMT common printingdefects weredescribed, andanalyzestheharmof these defects for electronicproducts production, allkindsofprinting defects areanalyzed, andaimedatthese defects andaseriesof experiments, in everyprocessof solderpasteprinting, andputsforwardthecontrol each processrequirements, the variousproducts ofspecific adverse printing defectswillcause andsolution methodandtechnologyof theseprinting defects, finallyreducethe defectsofsolderpasteprintingprocess rate.
keywords:
PrintingprocessDefectanalysisDffectrate
目录
1引言......................................................1
2印刷机简介................................................1
2.1印刷机的作用............................................1
2.2印刷机的结构............................................1
2.3印刷机的工作原理........................................2
3印刷工艺流程..............................................2
4影响印刷质量的因素........................................3
4.1焊膏因素................................................3
4.2模板因素................................................5
4.3印刷参数设定因素........................................6
4.4其它因素................................................8
5常见的印刷缺陷及解决办法..................................9
5.1焊膏太薄/太厚...........................................9
5.2印刷偏移................................................10
5.3焊膏桥连................................................10
5.4印刷不全................................................11
5.5焊膏图形拉尖、有凹陷....................................11
5.6焊膏塌陷................................................12
结论..........................................................12
致谢..........................................................12
参考文献......................................................13
1引言
随着电子技术的飞速发展，PCB板电路的集成度和复杂度越来越高，贴片元件占到了元件总数50％~90％。
表面组装技术（SMT）已成为当今电子装联技术中最通用的技术，而焊膏印刷是SMT基本工艺中的一道关键工序，其质量直接影响到SMD组装的质量和效率。
在SMT中印刷主要依靠印刷机将焊膏印制在电路板上元件放置的焊盘上，再由贴片机将电子元件贴装到电路板的焊盘上，利用焊膏的黏附性将元件暂时固定，接着进行热熔焊接，焊膏在加热至一定温度时液化，并在重力和表面张力的作用下铺展，冷却后便将原件与印刷电路板连接在一起焊点。
印刷质量直接影响到表面组装元件的性能和可靠性。
焊焊膏印刷工艺技术是焊点质量和产品最终质量的保障。
有关统计表明，SMT生产中60％~70％的焊接缺陷与焊膏的印刷有关，由此可见焊膏印刷的重要性。
本文对SMT实际印刷工艺中常见的缺陷进行分析，得出降低印刷缺陷的具体方法，最终降低印刷工艺对产品焊接的缺陷。
2印刷机简介
随着电子行业的高速发展，SMT在电子技术中应用的越来越广泛，焊膏印刷机随之而生。
印刷机的出现，让SMT电子装联工序的第一道工序效率大大提升。
印刷机的发展，对整个SMT有着至关重要的作用。
2.1印刷机的作用
印刷机是将焊膏印刷在电路板焊盘上的一种设备。
通常使用网版印刷，采用黄铜或不锈钢钢片，在上面刻出图形，把焊膏印刷到电路板上，为下一步的贴装元件及元件热熔焊接奠定基础。
2.2印刷机的结构
当前，用于印刷焊膏的印刷机品种有很多种类，按照机器的自动化来分类，可以分为手动印刷机（如图2-1所示）、半自动印刷机（如图2-2所示）、全自动印刷机（如图2-3所示）三类。
随着电子行业的迅速发展，手动及半自动印刷机即将被淘汰，全自动印刷机已成为主流。
下面对全自动印刷机的结构进行分析。
图2-1手动印刷机
图2-3全自动印刷机
图2-2半自动印刷机
图2-1手动印刷机
生产全自动印刷机有很多厂家，常见的有DEK、EKRA、德森等。
不过无论哪种全自动印刷机都是由机架、印刷工作台、模板固定机构、印刷头系统以及其他保证印刷精度的装置。
例如运输系统、网板夹持装置、PCB夹板装置、视觉系统、刮刀系统、自动网板清洗装置、可调工作平台等。
全自动印刷机采用Windows操作系统，智能化的先进软件控制，极大地方便了用户的使用。
2.3印刷机的工作原理
由高精度的图像视觉系统精确识别并计算出PCB Mark与钢网Mark间的偏差值，由PC控制工作台完成校准；在印刷焊膏时，焊膏受刮刀的推力产生滚动的前进，所受到的推力可分解为水平方向的分力和垂直方向的分力。
当运行至模板窗口附近，垂直方向的分力使粘度已降低的焊膏顺利地通过窗口可印刷到PCB焊盘上，当平台下降后便留下精确的焊膏图形。
3印刷工艺流程
出板
对位印刷
来料检测
进板
检测流入下道工序
图3-1焊膏印刷流程
印刷机印刷流程大致可分为来料检测、进板、对中印刷、出板检测流入下道工序等（如图3-1所示）。
来料检测十分重要，好的电路板才能生产出好的产品，如果连来料都有缺陷，那后续的工艺都是无用之功。
如果大批量的来料不良在进行加工时没有及时被发现，那将造成非常严重的后果。
亲身经历，本人实习的某单位，因为一批来料FPC（软性印制电路板）表面压伤造成线路破损，在印刷之前未能及时发现，最后导致这一批已经装有元器件的产品全部报废。
由此可看出来料检测的重要性。
下一过程就是进板，工厂里一般都是自动化的流水线，通过光学传感器通过轨道传送到印刷机里。
下面就是印刷的过程，印刷机通过光学对中进行对位。
印刷的过程是印刷机的刮刀以一定速度和角度向前移动时，对焊膏产生一定推力，焊膏受到刮刀的推力可分解为水平方向上的FX和垂直方向的FY，如图3-2。
焊膏在FX的作用下压入印刷模板开孔中，焊膏沉降在印制电路板的焊盘上，然后电路板脱模，完成印刷。
图3-3描述了焊膏的印刷及脱模过程。
接下来就是出板，然后会进行检测，可人工检测或使用SPI（3D焊膏检测仪）对印制好的电路板进行检测是否有缺陷。
FX
刮刀推力
FY
图3-3焊膏印刷过程示意图
图3-2焊膏受力示意图
4影响印刷质量的因素
4.1焊膏因素
4.1.1焊膏简介
焊膏也叫锡膏（如图4-1所示），英文名solderpaste，是一种灰色膏体。
焊焊膏是伴随着SMT应运而生的一种新型焊接材料，是由合金焊料粉末、糊状助焊剂和一些添加剂混合而成的，具有一定粘性和良好触变特性的浆料或膏状体。
主要用于SMT行业PCB表面电阻、电容、IC等电子元器件的焊接。
焊膏的保管要控制在4℃~8℃的环境下；相对温度低于50％，焊膏的使用期限为3个月（未开封）；不可放置于阳光照射处。
图4-1焊膏
4.1.2助焊剂的主要作用
助焊剂使金属颗粒成为膏状，以适应印刷能力。
助焊剂中含有触变性，它使焊膏具有假塑性流体特征。
在印刷过程中，受刮刀的剪切作用，粘度降低，在通过模板开孔时，能迅速下降到印制板焊盘上，外力停止后粘度又迅速回升，能够保证焊膏在印刷后图形分辨率高，高质量的印刷能保证焊膏焊接中桥连缺陷下降。
助焊剂在焊膏中的质量分数应控制在8％~15％，助焊剂量低，焊膏金属含量增高，导致热熔后焊膏层厚度增加。
助焊剂含量低，焊接后焊料不足的焊点，严重时出现虚焊。
4.1.3焊膏的粘性
焊膏具有一定的粘性是焊膏的另一特性。
影响焊膏粘度的因素为合金焊料粉末含量、焊料粉末颗粒和温度。
焊料中合金焊料粉末含量的增加和焊料粉末的颗粒度增加时会明显引起粘度增加，焊膏粘度的增加导致印刷时焊膏在模板上不会滚动，其直接后果是焊膏不能全部填满模板开孔，造成焊膏沉淀量不足。
焊膏的粘性太大会使焊膏挂在模板孔壁中不能全部印制在焊盘上。
焊膏的粘性选择一般要求其自粘能力大于焊膏与模板的粘结能力，而它与模板孔壁的粘结能力又小与其与焊盘的粘结能力。
4.1.4焊膏颗粒的均匀性与大小
焊膏的颗粒形状、直径大小及均匀性也影响其印刷性能。
不规则的颗粒的焊料印刷时易堵塞模板开孔，印刷后塌落度大，印制版通过回焊炉焊接时易出现锡珠和桥连等缺陷。
生产中常采用球形颗粒，印刷性能好，尤其适合细间距的印刷。
焊膏的颗粒直径约为模板开口的五分之一。
颗粒过粗，导致焊膏的粘结性能变差。
颗粒过细的焊膏印刷会有更好地印条清晰度，但容易产生塌边，同时被氧化程度和机会也高。
要满足细间距QFP焊接需要选择颗粒较小的焊膏，一般0.35mm间距的QFP器件焊接时选择的焊膏颗粒应控制在25μm~30μm，更细的间距需用20μm颗粒的焊膏。
4.1.5焊膏使用时的工艺
（1）使用方法（开封前）
开封前须将焊膏温度回升到使用环境温度上（23±2℃），回温时间为6~12小时，并禁止使用其他加热器使其温度瞬间上升的做法；回温后须充分搅拌，使用搅拌机的搅拌时间为3~4分钟，视搅拌机机种而定。
或者手动使用搅拌刀顺着一个方向搅拌2~3分钟，然后用搅拌刀挑起小许焊膏，让焊膏自然落下，焊膏慢慢逐段落下，则搅拌充分。
（2）使用方法（开封后）
a.将焊膏约2/3的量添加于钢网上，尽量保持以不超过1罐的量于钢网上。
b.视生产速度，以少量多次的添加方式补足钢网上的焊膏量，以维持焊膏的品质。
c.当天未使用完的焊膏，不可与尚未使用的焊膏共同放置，应另外存放在别的容器之中。
焊膏开封后在室温下建议24小时内用完。
4.2模板因素
4.2.1模板的刻制
模板是焊膏印刷的关键部件，也是影响印刷工艺的因素之一。
常见的模板常有不锈钢板制作而成。
模板的制作目前主要有3种制作工艺：
化学腐蚀法、激光切割法和电铸法。
随着间距变小，模板上的开孔尺寸也越来越小，同时对开孔的尺寸要求也越来越高。
化学腐蚀法孔壁粗糙，只适合制作引脚间距大于25mil的模板，但比其他模板的制作费用很低。
对于高精度的模板应选用激光切割，激光切割的孔壁直，粗糙度小（Ra≤3μm）且有一个3°~5°的锥度。
电铸法应用于更高精度的印刷，但费用贵，极少使用。
4.2.2模板的开孔尺寸
模板开孔的形状尺寸于电路板上焊盘的形状尺寸对焊膏的精密印刷是非常重要的。
模板上的开孔主要由电路板上相对应的焊盘外形尺寸所决定的。
一般，模板上开口尺寸=0.92×焊盘尺寸。
也有公司常采用1:
1的尺寸大小。
开孔过大，会造成焊膏的印刷量过多，易产生桥连，包焊。
而开孔过小，会产生焊膏印刷量过少，常常会造成炉后锡少、虚焊。
4.2.3模板的厚度
模板的厚度对焊膏的印刷工艺有着很大的关系，良好的印刷质量必须要求开
孔尺寸与模板厚度比值大于1:
5.否则焊膏印刷不完全。
一般情况下，对0.5mm的引脚间距，用厚度为0.12mm~0.15mm的模板，0.3mm~0.4mm的引脚间距，用厚度为0.1mm的模板。
模板的厚度决定焊膏在焊盘上的厚度，不同引脚间距的焊盘对焊膏印刷厚度不同。
模板厚度过厚，容易造成元器件细小间距的引脚桥连。
模板过薄，造成印刷焊膏量不足，其后果造成焊接强度不够，易造成故障。
4.2.4模板设计时注意事项
细间距IC，为防止应力集中，最好两端倒圆角，片状组件的防锡珠的开法最好选择内凹开法，这样可以避免立碑现象，模板设计时，开口宽度至少保证4颗最大的锡球能顺畅通过。
4.3印刷参数设定因素
印制电路板的印刷涉及的工艺参数非常多，每个参数都会对焊膏的印刷及产品的质量和效率产生极大的影响。
主要的参数有刮刀角度、刮刀压力、印刷间隙、印刷速度、脱模速度、模板清洗等。
4.3.1刮刀角度
刮刀角度影响到刮刀对焊膏垂直方向力和水平方向力的大小，角度过大或者过小都达不到良好的印刷效果。
事实证明，刮刀角度最佳设定应在45°~60°。
一般公司常采用45°或者60°。
4.3.2刮刀压力
刮刀压力的大小直接影响到印刷的质量，压力过小会引起刚板上的焊膏刮不干净。
压力过大会导致刚板背部焊膏渗漏，尺寸较大的开孔中的焊膏被刮走出现“凹陷”。
刮刀压力过大还会引起刮刀和模板变形。
通常要求刮刀压力以刚好刮干净模板上的焊膏为宜。
合适的刮刀压力为2kgf/cm²~5kgf/cm2，视不同产品不同印刷机而定。
刮刀的硬度也会影响焊锡的厚度，太软的刮刀会使焊膏凹陷，所以金属模板印刷建议采用较硬的刮刀或金属刀，一般采用不锈钢刮刀。
4.3.3印刷间隙
印刷间隙是指模板装夹后底面与PCB表面之间的距离，通常设定为零距离。
一般以PCB印刷效果而定，要求刮刀技能将焊膏全部刮走，同时刮刀在模板上不会留下痕迹。
当印刷间隙为零时，这种印刷方式也被称之为接触式印刷。
印刷间隙大于0时，即有间隙时，这种印刷方式被称为非接触式印刷。
接触式印刷的模板垂直抬起可使印刷质量所受影响最小，尤其适合细间距的焊膏印刷。
4.3.4印刷速度
在印刷过程中，焊膏需要时间滚动并流进模板的开孔中，所以印刷速度的控制非常重要。
刮刀速度大会导致焊膏压入模板开孔中少，造成PCB上焊膏量少，甚至造成漏印。
速度过小导致焊膏不容易进入模板开孔，造成焊膏沉淀形状不规则。
一般印刷速度控制在20㎜/s~60㎜/s，此时印刷效果较好。
刮刀压力的大小对焊膏的印刷量也有一定的关系，在其它参数不变的情况下，增大速度能减小印刷焊膏量，相反，减小速度可以增加焊膏量。
4.3.5脱模速度
当印刷完成后PCB与模板脱离的速度也会对印刷效果产生较大影响。
时间过长，易在模板底部残留焊膏，时间过短，不利于焊膏的直立，影响其清晰度。
一般有细间距、高密度焊盘时，脱模速度要慢一些。
理想的脱模速度如表4-1所示：
表4-1不同引脚间距推荐的脱模速度
引脚间距
推荐速度
小于0.3mm
0.1~0.5mm/s
0.4~0.5mm
0.3~1.0mm/s
0.5~0.65mm
0.5~1.0mm/s
大于0.65mm
0.8~2.0mm/s
4.3.6模板清洗
生产过程中对模板的清洗方式及清洗频率对产品焊膏印刷质量也有着至关重要的作用。
对模板的清洗可以消除其底部的附着物，一般为残留的焊膏。
有效的清洗方式及频率可以降低印刷不良率。
自动印刷机都自带自动清洗模式，有湿擦、干擦、真空擦这些方式，一般选用湿擦-干擦或湿擦-真空擦-干擦真两种模式。
湿擦通常选用无水乙醇作为洗洁剂。
清洗频率一般为10板一清洗，必要时可以增加清洗频率。
4.4其它因素
4.4.1人为因素
在焊膏印刷过程中，对印刷质量影响人为因素也占到很大的一部分，虽说SMT生产线大多数实现了自动化，但是人却是生产过程中不可或缺的一部分。
这样就导致人为的操作、作业方法对印刷质量会产生一定的影响，例如对对印刷机参数正确的的设置，出现印刷缺陷时对其产生的原因能够正确的分析及改善。
所以在生产过程中，操作人员一定要能够按照作业标准进行作业。
对印刷不良产生的原因有足够的认识和可以及时的改善。
4.4.2来料因素
PCB在印制之前要确保其焊盘无损坏，焊盘的任何一点损坏都有可能造成印刷缺陷发生，例如凹陷、凸起、焊垫不全、划痕等情况都是不可以的。
凹陷会增加焊盘上的焊锡量，易造成包焊，短路等缺陷的发生。
PCB的凸起甚至会损坏模板，造成模板的报废。
所以对来料进行检查是PCB印刷前的第一步，也是非常必要的一步。
5常见的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，同时又和设备和参数有直接关系，通过对印刷过程中各个环节的控制，可以有效防止印刷过程中出现的缺陷，下面简要介绍焊膏印刷时产生的几种常见的缺陷和解决方法。
5.1焊膏太薄/太厚
5.1.1焊膏太薄
焊膏印刷太薄是常见的印刷缺陷现象，容易导致PCB焊盘上焊膏量不足，无法与元器件紧密连接，容易导致元器件与PCB连接不良导致产品不良。
产生焊膏太薄的常见因素有：
（1）模板太薄；
（2）刮刀压力过大；
（3）焊膏流动性差；
（4）印刷间隙过小。
防止或解决方法有：
（1）选择与PCB合适的模板厚度；
（2）调整刮刀压力，至合适为止；
（3）选择颗粒度与粘度合适的焊膏；
（4）调整印刷间隙。
5.1.2焊膏太厚
在贴片机的贴片压力或元器件自身重力的作用下，印刷焊膏太厚容易造成桥连或者包焊等不良现象，导致电子元器件不良产生。
产生焊膏太厚的常见因素有：
（1）模板开口尺寸过大；
（2）模板厚度较厚；
（3）印刷速度太慢；
（4）印刷间隙过大。
防止或解决方法有：
（1）选择与PCB合适的模板开口尺寸和厚度；
（2）调整印刷机参数；
（3）适当加快印刷速度；
（4）调整印刷间隙。
5.2印刷偏移
印刷偏移如图5-1所示，印刷偏移容易导致桥连，当PCB经过回焊炉之后，小的SMD容易因为焊膏的偏移而偏移，或者发生浮离现象。
产生印刷偏移的常见因素有：
（1）模板对位不当使焊盘偏移；
（2）印刷机精度不够；
（3）模板或PCB的基准标志模糊不清。
防止或解决方法有：
（1）重新对位，适当进行印刷位置微调；
（2）调整印刷机识别精度；
（3）当模板或PCB的基准标志模糊不清，调整印花机识别精度仍无法识别时，应选择模板或PCB另外的基准标志进行识别。
图5-1印刷偏移图5-2焊膏桥连
5.3焊膏桥连
焊膏桥连如图5-2所示，焊膏桥连最容易导致元器件桥连。
产生桥连的常见因素有：
（1）刮刀硬度过小，反面支撑不足。
刮刀硬度偏小将导致焊膏不易表形，脱模时不能保持焊膏印刷形状，外观模糊；
（2）焊膏粘度过低；
（3）模板背面不清洁。
防止或解决方法有：
（1）可以选用较硬刮刀，提高支撑力度；
（2）选择合适焊膏，观察焊膏使用时间是否过期；
（3）改变清洗模式、增加清洗频率使模板背面保持清洁。
图5-3印刷不全
5.4印刷不全
印刷不全如图5-3所示，是指焊盘上部分位置没印上焊膏，或者整个焊盘都没有焊膏。
容易空焊，使元器件与PCB上焊盘无法正常导通。
产生印刷不全的常见因素有：
（1）模板开孔堵塞或部分焊膏黏在模板底部；
（2）焊膏粘度小，脱模性差；
（3）刮刀磨损。
防止或解决方法有：
（1）经常清洗模板，杜绝开孔堵塞发生；
（2）选择粘度合适的焊膏；
（3）检查刮刀，定期更换。
5.5焊膏图形拉尖、有凹陷
焊膏图形拉尖、有凹陷易使焊点焊料不足，出现虚焊。
产生拉尖、有凹陷的常见因素有：
（1）刮刀压力过大；
（2）模板开孔太大。
防止或解决方法有：
（1）调整印刷机刮刀压力或者改用其它夹角的刮刀；
（2）改进模板开孔的尺寸、厚度。
5.6焊膏塌陷
焊膏有塌陷易产生锡珠（多余物），产生焊膏塌陷的常见因素有：
（1）焊膏触变性差；
（2）模板开孔孔壁不光滑；
（3）焊膏脱模性差。
防止或解决方法有：
（1）选择合适的焊膏；
（2）及时对模板开孔进行清洗。
当然，焊膏印刷的缺陷不止这些，在此就不一一累述。
这些缺陷都离不开焊膏、模板、印刷参数等这些因素的影响。
结论
电子行业的快速发展，让SMT在电子产品生产的过程中利用的越来越多。
焊膏印刷对于整个生产过程有着至关重要的作用，有关统计表明，SMT生产中60％~70％的焊接缺陷与焊膏的印刷有关。
由上文中我们可以了解到，影响印刷品质的因素离不开模板、焊膏、印刷机工艺参数等这些方面。
控制好这些因素，制定合适的模板、焊膏、工艺参数，并掌握它们之间的规律，就能降低印刷的缺陷率。
了解常见的印刷缺陷，如印刷偏移、印刷焊膏过厚/过少、印刷不全、拉尖、焊膏桥连等，找出原因，这样这生产过程中就能有效的避免这些常见的缺陷，降低印刷的缺陷率。
遇到印刷缺陷，对缺陷产生的原因进行深入全面的分析后，通过工艺的有效控制，印刷缺陷率就可以大幅度下降。
致谢
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