焊膏印刷技术及工艺参数设定

焊膏印刷技术及工艺参数设定
史建卫袁和平
(1哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点试验室，黑龙江，哈尔滨 150001
2日东电子科技(深圳)有限公司，深圳，518103)
摘要：伴随电子组装的高密度和元器件的微小化，细间距引脚对焊膏印刷提出了更高要求。

为了保证产
品质量，制定合理的印刷工艺，有必要对焊膏印刷技术及工艺参数设定进行一下探讨。

关键词：焊膏 丝网印刷 模板印刷 流变性 印刷性
1.引 言
表面贴装技术(SMT)已成为当今电子装联技术中最为通用的技术，而焊膏印刷是SMT基本工艺中关键工序之一，其质量直接影响SMD组装的质量和效率。

伴随电子组装的高密度和元器件的微小化，细间距引脚对焊膏印刷提出了更高要求。

为了保证产品质量，制定合理的印刷工艺，有必要对焊膏印刷技术及工艺参数设定进行一下探讨。

2.焊膏印刷技术
在SMT生产中，焊膏沉积到PCB焊盘上的技术有两种：一种是以丝网和金属漏印模板为主的印刷技术，它是工业制造中广泛使用的焊膏涂布方法，适合于大批量生产。

另一种为注射式系统涂布焊膏的注射点涂技术，适合于小批量生产。

这种系统由计算机控制能精确的沉积焊膏，相比前一种方法能够很好的防止焊膏浪费。

2.1丝网印刷技术
丝网印刷机构有PCB定位系统、刮刀系统和网板组成。

网板是丝网印刷机的关键部件，它是由网框、丝网和掩膜图形构成。

一般掩膜图形用适当的方法制作在丝网上，丝网则绷紧在网框上。

丝网印刷工作方式如图1所示。

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。

一般网框材料有木材、阳极化处理的铝合金和不锈钢等。

在满足强度要求的前提下应尽量选用轻质合金，以便操作方便。

根据绷网方式，网框有固定网框和自绷网框两类。

固定网框是把丝网固定到网框上，常用粘结剂固定法，借助绷网机将丝网直接绷到网框上，使丝网绷紧位置和网框构成一个整体，借助“螺丝调节”或“棍式框架”自张绷网。

这种方式适合于多品种、少批量印刷的场合。

丝网是掩膜的载体，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。

丝网常用材料为不锈钢或单纤维聚酯。

通常使用时，在丝网上涂一层感光乳剂，使其干燥成为感光膜。

然后将负底片紧贴在感光膜上，用紫外线曝光。

曝光部分成为永久的涂层，未曝光的部分用显影剂将其溶解掉。

这样就在要沉积焊膏的粘结剂部分形成漏孔，干燥后就形成丝网。

丝的直径和开口大小取决于目数，常用为80。

丝的直径和乳胶厚度主要决定沉积焊膏的厚度。

一般而言，丝网只适用于焊点高度为300μm以上的场合，适合锡膏粘度为450000～700000CPS(使用Brookfield粘度测试仪测量)，刮刀建议使用硬度为70～90的橡胶或聚亚安酯刮板，锡膏中合金粉颗粒的平均尺寸应该不大于丝网网孔尺寸的1/3。

图1 丝网印刷工作方式
丝网印刷不能容易地看到基板上的焊盘，用基板上的焊盘进行定位是比较困难和费时的。

丝网印刷为非接触印刷，容易出现焊膏过流缺陷(如图2)。

通常丝网印刷要求比模板印刷操作速度慢一些，刮动间隙大一些；同时为了便于印刷，所以使用粘度低一些的焊膏。

另外在印刷时，要调整丝网和工作架平行并保持0.5mm的间距，当平行度在0.05mm以内时，其刮动间隙可调整到0.76mm。

图2 丝网印刷中的焊膏过流
2.2模板印刷技术
模板漏印属直接印刷技术，它是用金属漏模板代替丝网印刷机中的丝网。

所谓漏模板是在一块金属片上用化学方式蚀刻或用激光刻板机刻出漏印，这不像丝网，开口不会阻止焊膏流动，因此漏模板可使100％的焊膏通过，而丝网仅能使大约50%焊膏通过。

根据蚀刻材料，漏模板可分为有选择的蚀刻网目/乳胶漏模板，全金属(不锈钢、黄铜或镍模)漏模板和柔性金属漏模板。

细间距焊膏印刷通常采用金属漏印，因此漏板的漏孔控制着焊盘上的焊膏以及漏印质量。

模板厚度决定了印刷焊膏的厚度，模板开口尺寸决定了焊膏图形的面积与形状。

较厚的模板不利于焊膏的释放，也容易因焊膏太厚而产生桥接。

太薄的模板因焊膏不足而影响焊接质量。

一般而言，漏模板只适用于焊点高度为100～300μm以上的场合，适合锡膏粘度为750000～1300000CPS(使用Brookfield粘度测试仪测量)，建议使用金属刮板或硬度为90的橡胶或聚亚安酯刮板，锡膏中合金粉颗粒的平均尺寸应该不大于丝网网孔尺寸的1/3。

模板开孔的宽高比为1.5:1，印刷面积比PAR应大于0.66，其中PAR＝L×W / 2×（L+W）×T，L为开孔长度，W为开孔宽度，T为开孔高度(即模板厚度)。

模板的具体设计请参见IPC-7525。

3焊膏印刷工艺
焊膏印刷在印刷电路板上的工艺如图3所示，可以分为将焊膏压入印刷网版开口部的工艺和将压入开口部的焊膏从开口部移到印刷电路板的焊盘面的工艺。

我们将分为考虑这两个工艺。

图3 印刷工艺的分解
3.1压入印刷网版开口部的工艺
图4表示压入印刷网版开口部的工艺。

在此焊膏的滚动（rolling）,即旋转起着很大的作用。

如果通过刮刀移动焊膏，在焊膏与印刷网版面之间有摩擦力发挥作用。

该摩擦力作用于与焊膏移动方向相反的方向，焊膏通过该摩擦力而旋转，将此称为滚动现象。

一旦发生滚动现象，焊膏经常碰撞刮刀的前部，改变方向，并在刮刀的前部产生压力，该压力就是将焊膏压入印刷网版的力。

与此同时，通过该滚动，在抬起刮刀的方向也有力作用。

因此，为了实现正确的印刷，有必要适当控制将焊膏压入印刷网版开口部的力以及抬起刮刀的力。

图4 压入印刷网板开口部的工艺
压入力的控制因素：刮刀速度与刮刀角度的最佳设定。

刮刀速度与刮刀角度为控制压入力的两个基本因素(如图5)。

如果刮刀速度变快，相对地焊膏碰撞刮刀前部的速度也变快，所产生力也变大。

另外考虑到焊膏压入开口部的实际情况，刮刀通过开口部的时间，即压入焊膏的时间变短，最终结果是印刷中施加在整个开口部的压力不变，焊膏压入开口部的数量也未变，如图6所示：横轴为刮刀的速度，纵轴为焊膏压入印刷网版开口部的数量，样品B表明压入量是一定的，与刮刀的速度无关。

对于样品A，刮刀速度从50mm/s开始，压入量急剧下降。

这是由于刮刀速度过快，焊膏不滚动而在印刷网版面上滑动导致的结果，这一点也可说明焊膏是通过滚动而产生压力的。

因此，所谓刮刀速度的最佳设定，就是将焊膏设定为使其在印刷网版上不滑动，而滚动移动的设定。

一般为25～50mm/s，QFP为20～30mm/s，超细细间距在20mm/s左右。

图5 压入力控制及其因素
图6 刮刀速度的影响
通过计算机计得出的刮刀前部所产生压力的分布情况，如图7所示。

刮刀前部所产生的压力分布在距刮刀前部仅2-3mm非常狭窄的范围内，因此可以说刮刀角度对所产生压力的影响仅在该部分前部的角度上；而且即使该角度稍有变化，也会影响到所产生的压力。

图8为文献中实验结果：横轴为刮刀的角度，纵轴为压入开口部的焊膏数量。

通过改变刮刀角度可以改变所产生的压力，刮刀角度如果为80度以上时，碰撞刮刀的焊膏原状跳回，不发生滚动。

如果不产生滚动，也就不会产生压力，焊膏便不会压入印刷网版开口部。

因此，刮刀角度一般控制在45～75°，最佳设定应在45～60℃范围内进行，为了避免前端变形与磨损，最好使用较硬一些的材质，如硬度为90以上的聚氨脂橡胶和金属刮刀。

图7 施加在刮刀上的压力分布
图8 刮刀角度的影响
印刷压力的最佳设定
图9中表示在焊膏的滚动中，刮刀前部抬起的现象。

如果在焊膏的滚动中抬起刮刀前部的话，刮刀前部与印刷网版之间产生间隙，印刷网版上会残留焊膏。

为了避免发生这种现象，将施加在刮刀上力称之为印刷压力，即印压。

如果这个力过大，刮刀前部变形，并对压入力起重要作用的刮刀角度产生影响。

图9 印刷压力的最佳设定
因此，所谓印刷压力的最佳设定是与通过滚动所产生的压力为相同值，一般为30N/mm2。

此外，由于滚动所产生的力随供给印刷设备的焊膏量的变化而变化，所以操作人员需要适当调整最佳值。

3.2将焊膏移到基板焊点面的工艺
为了将焊膏从印刷网版的开口部移到印刷电路板的焊点面上，有必要固定印刷网版，将印刷电路板在垂直方向的下降速度向下压。

此时发生的力有作用在基板焊点面与焊膏之间的粘着力，以及充填在开口部的焊膏从开口部向基板焊点面移动时，作用于印刷网版壁面与焊膏之间的摩擦力（该摩擦力本质上也是焊膏的粘着力）。

该摩擦力比作用于基板焊点面与焊膏之间的粘着力大时，焊膏在开口部不发生移动，不能进行印刷。

相反摩擦力较小时，焊膏平滑移动。

由此可见在该工艺中，印刷网版开口部的设计以及基板下降速度的设定是很重要的。

印刷网版的最佳设计
从印刷机理得出的印刷网版的最佳设计如下：
1. 印刷网版开口部的基本设计：开口部本身的面积要比开口部壁面的面积大，即有必要使焊点
面的粘着力大于摩擦力。

因此，宽度狭窄印刷厚度大的印刷从原则上讲是非常困难的。

2. 从与网版壁面的摩擦力越小越好来看，开口部的壁面应尽量平滑(附加网版使用的理由在此)。

此外考虑到脱离性，设计成八字形状(激光制作网版的情况下，如果从基板侧加工，自然会成
为该形状)。

基板下降速度的最佳设定
加大基板下降速度，由于焊膏的粘着力，使印刷网版变大，形成挠曲。

如果印刷网版挠曲变大，网版因挠曲的弹力要回到原来的位置。

其结果就是在某个位置，网版因其弹力快速复位，抬起焊膏的周围，两端形成极端抬起的印刷形状，抬起高度与网版的挠度成正比。

严重的情况下，还会刮掉焊膏，使焊膏残留到开口部内。

因此，有必要根据符合焊膏性质的速度使基板下降，通常下降速度设定为0.3-3mm/s。

4刮刀与金属模板
刮刀形状有平型、钻石型和剑型，其押头结构和形状见图10和图11。

刮刀的材料、安装角度和运行速度见上述分析，这里就不再累赘。

图10 押头结构 图11 刮刀形状
模板印刷中，为了保证印刷质量，对金属漏印板的制作提出很高的要求，主要有一下几点：
a. 框架不可变形
b. 张力均匀且高，最好在30N/mm2以上
c. 金属板须平坦，表面粗糙度须低
d. 钢板厚度误差在±10％之内
e. 开口须与电路板对准,《电子行业工艺标准汇编》中规定，一般错位不得大于0.2mm，细间距
不得大于0.1mm
f. 开口出钢板切割面需垂直，中间凸出部分不可超过金属板厚的15％
g. 开口尺寸精度±0.01mm
模板制作方法常见的有激光光绘，化学蚀刻和电铸法。

表1为部分制作方法的综合性能比较。

下面
主要对化学蚀刻进行简单说明。

以厚度为0.15mm的铍青铜材料为例，其工艺流程如下： 原始图设计 CAD光绘制板 铍青铜清洗 烘干 涂光致抗蚀剂 双面曝光 显影 坚模蚀刻 化学抛光
整个模板制作过程中，影响蚀刻质量的因素很多，其中以腐蚀剂的成分、配比、蚀刻温度、蚀刻时间以及蚀刻方式最为重要。

一般认为蚀刻铍青铜的腐蚀剂FeCl3中添加少量的MgCl2，采用喷淋的方式效果较好。

蚀刻出的铍青铜模板开孔处稍带锥度。

开孔侧壁的光滑程度和几何形状，对蚀刻后的模板影响很大，对于细间距器件的开口处常进行电解抛光，并且为了实现较小的开口尺寸，必要时再进行镀Ni 10µm。

通过这些方法处理后的模板使用效果好。

表1 金属掩膜的比较
模板厚度一般根据元器件脚距来选择，表2为钢板厚度与脚距关系。

表2 钢板厚度与脚距关系
IC脚距 1.27P 0.8P 0.65P 0.5P 0.4P 0.3P
0.4±0.04 0.3±0.02 0.25±0.015 0.2±0.015 0.15±0.01
宽度mm A
长度mm B 2.0～2.5 2.0～2.2 1.7～2.0 1.7 1.7 钢板厚度
δ/mm
0.2～0..25 0.2 0.2 0.15,0.18 0.12,0.15 0.1
印刷厚度d/mm 0.17～0.20 0.17～0.20
0.13～0.15
0.15～0.18
0.12～0.15 0.09～0.10
注：对于一般元器件，模板尺寸与焊盘尺寸为1:1，对于细间距器件，模板尺寸可减小20%
5焊膏的液流学特性与印刷性
5.1液流学特性
焊膏是一种流体，具有流变性，在外力作用下产生流动。

粘度是流体的重要物理性能，以公式K=S/R 表示，粘度定义为恒定的剪切应力S与恒定的剪切速度R比值。

若K为常数，则称为牛顿流体，反之则为非牛顿流体。

焊膏的液流学特性见图12，横轴为速度梯度（焊膏的搅拌速度），纵轴为应力梯度（焊膏搅拌时的阻力），该特性的斜线表示粘度。

由图可以看出加快速度梯度，力梯度接近恒定值，这就意味着当提高搅拌速度时，粘度便下降，此特性称之为摇溶性。

图12 液流学特性的测定
5.2液流学特性与印刷性
焊膏的摇溶性与印刷性有着很大的关系。

最初在狭窄的印刷网版开口部充填焊膏时，焊膏的粘度最好低些；而从印刷网版的开口处移到基板焊盘上时，粘度高些为好。

由于印刷工艺的不同，焊膏所要求的特性也不同，为了实现这个目的，焊膏必须存在摇溶性。

在最初的工艺中，焊膏通过刮刀使其滚动而得到搅拌，由于摇溶性而粘度下降。

而在其后的工艺中，由于充填到开口部的焊膏失去了刮刀搅拌的作用，所以焊膏的粘度由于摇溶性而变高，形成接近固体的特性。

由此可见，焊膏的液流特性与印刷机理有着密切的关系，为了进行高密度、高精度的印刷，有必要详细解析焊膏的液流学特性。

另外焊膏在运动时，也存在动力学特性。

令G1为弹性模量，类似固体组元；G2为粘性模量，类似
−。

液体组元；G＊为焊膏的复合模量，则G＊＝G1＋iG2，其中i＝1
6焊膏粒度和形状的选择
焊膏的粒度大小、形状与助焊剂含量等对印刷质量会产生影响，在选择焊膏时，应该根据不同的引脚间距，选择合适的焊膏，保证良好的印刷性。

由表3可以看出，精细间距印刷常选用球形、细粘度焊膏。

表3 锡膏粒度大小与形状
7细间距引脚组装工艺
细间距引脚组装工艺在目前SMT技术中越来越显得重要，我们结合细间距引脚的印刷工艺来浅谈一下整体的组装工艺。

7.1细间距印刷工艺
印刷机的印刷精度为±0.02mm，采用接触式印刷可以避免焊膏流到模板背面或焊盘以外的PCB上。

PCB固定台、模板及印刷头刮刀务必保持水平。

采用金属刮刀，刮刀头压力为（1.6～2）Mpa。

印刷速度比正常印刷速度要慢一点，刮刀从模板上抬起的速度要合适，模板从印制板释放的速度要减低。

图形不清晰时要擦洗模板，但不宜过度频繁清洗，一般根据具体情况而定。

焊膏的每次添加量要适中。

要在印刷焊膏前调好印刷机，调节好机器参数和印刷参数，使之达到最理想的状态。

7.2细间距贴片机的特点
贴装精度≤±0.03mm，具备基本的光学定位与元器件光学校正双重纠偏功能
由于细间距QFP引线细、间距小、易变形和脆断，在运输转存过程中易发生个别引脚共面性交差，因此在贴片之前需要进行引脚共面检测。

贴装时能根据器件不同，使吸嘴的工轴行程做微小的变化，实现对工轴的智能控制，从而使器件符合适中，又能与基板接触，实现贴片的软着陆。

7.3细间距器件焊接技术
由于细间距焊接器件小，焊膏量小，焊剂含量低，易挥发，且其活性低于普通的焊膏，导致焊粉易氧化，因此其焊接温度不易过高，焊接时间不易过长。

温度分布均匀，受控精确，焊接时应认真测试温度曲线，制定一条理想的温度曲线。

测温度时要考虑到细间距的引脚多、面积大、器件的热容大等特点，一般将探头放置在器件周围进行测试。

惰性气氛全热风对流加热方式，特别适合细间距器件的焊接。

8主要印刷不良及其对策
8.1焊膏桥连
原因：在印刷中焊膏从基板与网版的间隙漏下来，附着到网版背面。

对策：
a. 设计时，使印刷网版的开口部比基板焊点宽度小。

b. 为了消除间隙，在印刷设备上，使基板与印刷网版的接触量设定的大些。

c. 加大刮刀角度，降小焊膏的压力。

d. 包括焊膏的焊锡粒子直径选择适当的值(一般用途不使用粒子直径较小的高密度印刷用焊
膏)。

8.2印刷形状歪斜
原因：刮刀进入开口处时开口部内的焊膏被刮取，常发生在较宽的印刷部。

对策：
a. 减小施加在刮刀部的印刷压力。

b. 将聚氨脂橡胶刮刀更换为金属刮刀。

此外如果是聚氨脂橡胶，提高其硬度，使其变的坚硬。

8.3印刷网版上残留焊膏
原因：刮刀在印刷网版面上移动之后，焊膏仍残留在网版面上。

这是由于网版与刮刀接触不紧密，存在间隙，焊锡由此泄漏而致。

如果发生此类现象，印刷后形状便模糊不清。

对策：
a. 调整印刷设备的基板固定机构，矫正基板的鲍翘曲。

b. 加大施加在刮刀上的印刷压力
c. 将金属刮刀更换为聚氨脂橡胶刮刀。

此外如果是聚氨脂橡胶，降低其硬度，使其变的柔软。

8.4在印刷网版开口部内残留有焊膏
原因：从印刷网版开口部起，焊膏脱离性差，在开口部内残留有焊膏。

对策：
a. 将印刷网版开口部加工成前面所述的八字形状，或者使用附加网版。

b. 降小基板下降速度。

c. 增大焊膏的摇溶性。

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