焊錫膏印刷工藝新技術(shù)研究

李 霄

（四川九洲電器集團有限責(zé)任公司，四川 綿陽 621000）

引言

為了適應(yīng)軍用電子產(chǎn)品短、小、輕、薄化的發(fā)展趨勢，印制板密度越來高，片式元件0603、0402、0201、QFP、BGA、CSP等元件使用愈來愈廣泛，傳統(tǒng)工藝采用的局部回流焊（主要是FPGA、BGA器件）+手工焊接（其他器件）工藝路線已不能完全適應(yīng)高可靠性電子產(chǎn)品的質(zhì)量要求。目前，大部分的電子產(chǎn)品印制板主要采用全板SMT工藝進行組裝。在SMT生產(chǎn)過程中，焊錫膏印刷是一個非常重要的過程，印刷時所使用的模板是影響印刷效果的關(guān)鍵工藝設(shè)備，有關(guān)模板的設(shè)計、材料選擇、制造工藝以及發(fā)展動向歷來都被廣大SMT工作者所關(guān)注。本文將就整個焊膏印刷新的焊膏印刷技術(shù)以及焊膏印刷后的檢測等進行綜合介紹。

1 新型焊膏模板與焊膏印刷技術(shù)

1.1 封閉式印刷

在傳統(tǒng)的焊錫膏印刷工藝中，錫膏松散地淌在鋼板上，靠刮刀推動而進入鋼板窗口，由于網(wǎng)板上的焊膏黏度不是相對穩(wěn)定，因而采用這種辦法一般容易造成工藝波動。在進行印刷的過程當(dāng)中，焊膏呈現(xiàn)越來越差的印刷適應(yīng)性，這主要是因為金屬焊料球裸露在空氣中會發(fā)生氧化，而焊膏中參雜的低沸點溶劑會慢慢揮發(fā)。甚至，在實際操作工程當(dāng)中，部分印刷機的操作人員通過放置超量焊膏在網(wǎng)板上而達到節(jié)省時間的目的，但是這樣操作極易使焊膏性能下降，浪費焊膏。焊膏的性能變化主要有兩點影響：一是會影響到印刷過程當(dāng)中的工藝參數(shù)，二是容易引起印刷的缺陷，主要表現(xiàn)在由于網(wǎng)板開口無法完全填滿而造成的焊盤印膏缺失，同時也有網(wǎng)板、攝像頭以及支撐物上沾有過多焊膏的現(xiàn)象出現(xiàn)，這是一種對焊膏的浪費[1]。

而今傳統(tǒng)的掛印技術(shù)被焊膏分配技術(shù)所取代，這種技術(shù)被叫做封閉式焊膏印刷技術(shù)。封閉擠壓式印刷頭中的焊膏被裝在密封的印刷頭中，只有在開孔處焊錫膏才與網(wǎng)板接觸。這一技術(shù)從根本上消除了影響焊膏印刷的最大變量因素，使用過程中無需考慮印刷時間歇或機器工作時間等情況，從而得到滿意的印刷效果。在相同的生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)條件下，封閉式印刷技術(shù)相較與傳統(tǒng)刮印技術(shù)有較大的優(yōu)勢，詳見表1所示。

表1 傳統(tǒng)刮印技術(shù)與封閉式印刷技術(shù)比較

目前市面上比較常見的封閉式印刷頭（見下頁圖1）有：DEK公司推出的捷流（ProFlow）封閉擠壓式印刷頭，如圖1-1所示；MPM公司推出的Rheopump封閉擠壓式印刷頭，如圖1-2所示。

封閉式印刷頭和傳統(tǒng)刮刀相比，差別很大。封閉式印刷頭能夠充分保證印刷時焊膏能夠吸收水分或接觸空氣。不僅如此，由于轉(zhuǎn)印頭當(dāng)中添置了集成式溫控器。因而當(dāng)一些焊膏對溫度范圍要求比較特殊時，ITC（集成式溫控器）能夠保證溫度控制在所需范圍之內(nèi)，從而提高印刷質(zhì)量。

圖1 封閉擠壓式印刷頭

1.2 焊膏噴印

焊膏噴印技術(shù)是SMT設(shè)備領(lǐng)域中最具革命性的新技術(shù)，它一改傳統(tǒng)的絲網(wǎng)印刷模式，而是使用了與以往不同的噴射方式，實現(xiàn)了焊錫膏的高速涂覆。這種技術(shù)根據(jù)PCB的設(shè)計，通過噴印頭結(jié)構(gòu)，將焊膏管中的焊膏以極微小的點噴射到PCB的焊盤位置上。焊膏自動噴印機由瑞典MYDATA公司于2007年開發(fā)成功，如圖2所示MY500型焊膏自動噴印機的外形和其中一個噴印頭。

圖2 MY500型焊膏自動噴印機和其中一個噴印頭

與普通噴墨打印機一樣，MY500焊膏噴印系統(tǒng)分為三部分：噴印機本身、離線編程軟件以及噴印頭和焊膏盒，其工作的原理如圖3所示，焊膏通過一個螺旋桿進入到一個密封的壓力艙內(nèi)，然后由一個壓桿壓出，通過特殊的噴嘴噴射到PCB焊盤上。

圖3 焊膏噴印工作原理圖

該系統(tǒng)具有以下幾點優(yōu)點：焊膏盒更換方便，就如同噴墨打印機更換墨盒一樣容易；焊膏裝在密封容器內(nèi)，幾乎沒有損耗，實際用量非常節(jié)?。徊捎肁egis公司的Circuitcam離線數(shù)據(jù)準備軟件，可以直接從多種格式CAD文件中轉(zhuǎn)化并生成噴印程序，編程效率大幅度提升，因為采用軟件控制，可根據(jù)需要隨時調(diào)整焊膏量，也可以控制每個元件或個別焊盤的焊膏量；對清洗劑、鋼板清洗機、擦拭紙、焊膏模板、儲放空間以及錫膏攪拌機等沒有要求，在機種多樣及試產(chǎn)任務(wù)繁重的壓力下，焊膏噴印系統(tǒng)能幫助節(jié)約焊膏印刷環(huán)節(jié)印刷模板的制造成本，還能減少對環(huán)境造成污染；操作平臺相對簡單，對空間要求不大，具有相對較低的設(shè)備維護成本。同時為防止無用焊錫膏，可以選配條形碼器。

一般而言，傳統(tǒng)的模板印刷設(shè)計時傾向于根據(jù)重要的元件需要來確定焊膏模板的厚度；同時有必要保證PCB板上每一個焊盤都充分淀積焊膏，以避免焊料不足或開路等問題；也就是說采用模板加工方式，印制板上淀積的焊膏量必然多于其必需的量。而采用焊膏噴印技術(shù)可以對加工的每一個焊盤進行個性化淀積量設(shè)定，每一個元件上的焊膏印刷都會優(yōu)化，而不需要再去印刷超過必需量的焊膏。有研究表明，對于同一塊印制板，焊膏噴印技術(shù)所使用的焊膏量僅為模板印刷所需焊膏量的65%。

2 焊膏檢測技術(shù)

焊膏印刷是一個工藝性很強的過程，其涉及到的工藝參數(shù)非常多，每個參數(shù)調(diào)整不當(dāng)都會對后續(xù)貼裝質(zhì)量、回流質(zhì)量、乃至于對產(chǎn)品的最終質(zhì)量造成非常大的影響。這也就決定了印刷檢測技術(shù)至關(guān)重要，整版自動在線檢測技術(shù)是當(dāng)下最新的焊膏檢測技術(shù)。

整版自動檢測技術(shù)，主要是通過激光束逐行掃描SMT當(dāng)中的整塊PCB對各個焊盤焊膏所印刷的測量數(shù)據(jù)進行收集，然后比較系統(tǒng)預(yù)置的合格極限值和實際的測量值。整版自動檢測設(shè)備能夠?qū)Σ煌N類的印記進行測試，這當(dāng)中也包含了偶然的缺陷。偶然缺陷如由于模板的開口堵塞而產(chǎn)生的焊膏漏印現(xiàn)象，以及能夠顯示一些如焊膏偏移、隆起、凹陷、坍塌、拉尖以及印刷模糊等缺陷問題。同時，這類設(shè)備報錯功能詳細，能夠指明相應(yīng)的缺陷名稱、缺陷所處的位置以及缺陷存在的危害程度，不僅如此，設(shè)備還能對PCB上的全部焊膏印刷信息進行收集。整版自動在線檢測設(shè)備十分適用于一些潛在成本相對較高的缺陷上面，如在軍工、醫(yī)療、航天航空以及汽車等方面的PCB往往需要100%檢測，以滿足高可靠性的要求。SPI（焊膏檢測系統(tǒng)）以及AOI（自動光學(xué)檢測系統(tǒng)）是當(dāng)下較為普遍的用來實現(xiàn)焊膏印刷當(dāng)中整版自動在線檢測的檢測設(shè)備[2]。

2.1 自動光學(xué)檢測

AOI（自動光學(xué)檢測系統(tǒng)）能夠減小相應(yīng)的勞動強度，增加判斷的準確性以及客觀性。設(shè)備采用了高速的圖像處理和識別技術(shù)以及計算機技術(shù)，從而具備了高速化、自動化以及分辨率高的檢測特點。這也能夠減少相應(yīng)的專用夾具，實時提供給生產(chǎn)系統(tǒng)相應(yīng)的檢測信息。SMT生產(chǎn)線當(dāng)中，貼片、焊膏印刷以及回流這三個工序會較為頻繁地用到自動光學(xué)檢測。對于焊膏印刷進行檢測的原理是：確定焊膏已經(jīng)固化后，通過2-D系統(tǒng)、多照明角度以及多級攝像工藝技術(shù)，對焊接掩膜、PCB以及焊膏外觀顏色的改變進行快速、精確、靈敏的捕捉，并比較檢測數(shù)據(jù)與標準樣板，以此來判斷印刷質(zhì)量能否滿足最初需求。通過自動光學(xué)檢測對印刷過程當(dāng)中出現(xiàn)的缺陷及時發(fā)現(xiàn)及時彌補，從而降低焊接缺陷產(chǎn)生的概率。

2.2 焊膏檢測系統(tǒng)（SPI）

標準的2D檢測適用于一些相對較大的元器件和焊盤，主要是由于元器件或焊盤較大時，具有相對穩(wěn)定的工藝，因為對焊膏厚度的要求不需要太過精確。但是自動光學(xué)檢測系統(tǒng)并不適用于所有情況，當(dāng)元器件關(guān)聯(lián)到01005、CSP、0201、細間距技術(shù)等時，普通的自動光學(xué)系統(tǒng)是難以滿足相應(yīng)的質(zhì)量要求的。越小的元器件就會對應(yīng)越小的模板窗口的尺寸，同時也與模板厚度相關(guān)聯(lián)。這就使得任何微小的變化都有可能成為印刷缺陷的原因。與此同時，對于具有很多引腳的元器件，其各引腳間的共面差與引腳雖對用的焊盤上的焊膏厚度的關(guān)系就顯得尤為重要。如果二者關(guān)系處理不好，很可能就會使焊點無法達到可靠性的要求，或者出現(xiàn)開路的現(xiàn)象。因而，需要提供更為精確的3D檢測。

SPI，即焊膏檢測系統(tǒng)，是基于自動光學(xué)檢測系統(tǒng)而形成的，同樣是近些年發(fā)展態(tài)勢良好的檢測技術(shù)。焊膏檢測系統(tǒng)主要包括結(jié)構(gòu)光柵測量技術(shù)和激光三角測量技術(shù)兩種，其中，結(jié)構(gòu)光柵測量技術(shù)主要基于相位調(diào)制輪廓測量技術(shù)。焊膏檢測系統(tǒng)測量較為全面，能夠做到針對高度、面積、體積、形狀、橋接等的全自動檢測。微米級檢測精度的相位輪廓調(diào)制測量技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)逐步代替激光掃描的檢測方式成為主流。焊膏檢測系統(tǒng)具備兩個最基本的功能[3]：對印刷質(zhì)量缺陷能夠做到及時發(fā)現(xiàn)。焊膏檢測系統(tǒng)能夠直觀及時地反應(yīng)出焊膏的印刷情況，以輔助使用者及時發(fā)現(xiàn)問題，解決問題；對品質(zhì)變化的趨勢進行把握。焊膏檢測系統(tǒng)通過焊點檢測而反應(yīng)品質(zhì)趨勢變化。趨勢變化的造成原因往往有一種或一種往上的潛在因素，因而，通過趨勢變化，可以對潛在因素進行分析。

圖4 焊膏印刷質(zhì)量SPI檢測圖像

焊膏檢測系統(tǒng)通過此種辦法找出相應(yīng)的潛在因素，諸如人為因素、焊膏變化因素以及印刷機的調(diào)控參數(shù)等。從而對相應(yīng)問題及時調(diào)整，遏制不良趨勢。圖4所示為焊膏印刷質(zhì)量焊膏檢測系統(tǒng)的圖像。

3 結(jié)語

近年來，用戶對于電子設(shè)備的可靠性要求越來越高，生產(chǎn)廠家對于印制板組裝的質(zhì)量也越來越重視，然而，作為SMT工藝工作者，不能僅僅將注意力聚焦在回流之后，應(yīng)該對整個SMT生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行監(jiān)控，將影響焊接質(zhì)量的各種缺陷控制在各前工序。本文介紹的都是焊膏印刷領(lǐng)域中近幾年新出現(xiàn)的一些典型技術(shù)，只有不斷學(xué)習(xí)先進的工藝控制思想，引進更為先進的工藝設(shè)備，才能持續(xù)提升SMT工藝水平，才能使產(chǎn)品的實物質(zhì)量邁上新臺階。