焊膏印刷效果對(duì)焊接質(zhì)量的影響與三維檢測(cè)方法

李華，黃淑云，嚴(yán)芙蓉

（湖北三江航天紅峰控制有限公司，湖北 孝感 432100）

0 引言

焊板印刷技術(shù)被廣泛應(yīng)用在電路板的貼片工藝中，對(duì)焊膏印刷的檢測(cè)來(lái)說(shuō)，現(xiàn)階段比較成熟的有AOI檢測(cè)技術(shù)、SPI錫膏測(cè)厚技術(shù)。焊膏印刷過(guò)程中，存在諸多因素，導(dǎo)致焊膏印刷效果參差不齊，其中涉及到焊膏的材料、印刷的工藝等，如何減輕、消除這些因素帶來(lái)的影響，成為焊膏印刷技術(shù)提升的重點(diǎn)。此外，在SPI錫膏測(cè)厚技術(shù)的加持下，能精確控制PCB板上焊膏的各項(xiàng)數(shù)值，提升焊膏引述的質(zhì)量。三維檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，不僅從根本上提高了焊膏焊接產(chǎn)品的質(zhì)量，把控產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，更讓焊膏印刷技術(shù)有了質(zhì)的飛躍。

1 SMT技術(shù)

SMT技術(shù)（Surface Mounted Technology）在當(dāng)下電子原件裝行工藝中是最為常見的工藝，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是電子器件表面貼裝技術(shù)。在貼片組裝過(guò)程中，一般會(huì)將無(wú)引腳或短引線表面組裝元器件(簡(jiǎn)稱SMC/SMD)安裝在印制電路板(Printed Circuit Board)的表面或其它基板的表面上，再通過(guò)回流焊焊接組裝，這就完成電子器件裝行的第一步。

SMT技術(shù)相比傳統(tǒng)的制作工藝，有很多獨(dú)到的特點(diǎn)。如組裝密度高，這就很好的呼應(yīng)了現(xiàn)在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電子器件的要求。此外，電子器件體積小、占據(jù)空間小、質(zhì)量小，這些特點(diǎn)，都是現(xiàn)在工藝所追求的標(biāo)準(zhǔn)[1]。SMT技術(shù)隨著當(dāng)下技術(shù)水平以及市場(chǎng)要求的變化，逐漸形成了了可靠性、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品性能強(qiáng)等特點(diǎn)，消除了以往抗振能力差、PCB焊點(diǎn)缺陷頻率高等缺點(diǎn)，減少了生產(chǎn)過(guò)程中電磁和射頻干擾。技術(shù)水平的提高意味著產(chǎn)品擁有了更多的可能性。

但是SMT技術(shù)并非沒(méi)有缺點(diǎn)，總的來(lái)說(shuō)，具體有以下幾點(diǎn)。某些情況下，連接SMT在機(jī)械應(yīng)力條件下不實(shí)用因素起作用，例如物理連接將頻繁附著和分離的地方。接頭尺寸有時(shí)也是SMT技術(shù)的缺點(diǎn)之一，由于SMT技術(shù)韋促進(jìn)較小的組件進(jìn)行連接，焊接連接較小，這導(dǎo)致每次接觸中使用的焊料量較少，可能會(huì)影響某些焊點(diǎn)的可靠性。高功率應(yīng)用也是SMT技術(shù)的缺點(diǎn)之一，電路中需要大型元件的地方例如大電容或大型連接器，使用起來(lái)的功率較大，不能保證生產(chǎn)線上所有得到機(jī)器都能穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，存在一定的隱患。綜上所述，SMT技術(shù)在制造PCB電路板的工藝中，并不是最佳生產(chǎn)方案[2-3]。

2 焊膏印刷對(duì)焊接質(zhì)量的影響

2.1 材料的影響

焊膏的成分較為復(fù)雜，一般有焊料合金顆粒、助焊劑、粘度控制劑、溶劑等；在其他不同種類的焊膏中，成分也不盡相同，造成焊膏最終的品質(zhì)也不同。

2.1.1 焊膏的粘度

焊膏粘度過(guò)大時(shí)，焊盤上的線條會(huì)出現(xiàn)少、缺等現(xiàn)象；粘度太低，線條容易脫落且不平整，分辨率也大大降低。這兩種情況都會(huì)造成產(chǎn)品生產(chǎn)不合格，會(huì)影響生產(chǎn)的效率。

2.1.2 焊膏顆粒的大小與其均勻性

焊盤上高清晰度的印條意味著焊膏顆粒直徑較小，但是焊膏顆粒直徑取極小的情況下，印條就會(huì)出現(xiàn)塌邊、易氧化等現(xiàn)象；反之焊膏顆粒過(guò)大，則會(huì)造成印條模糊不清、印刷不均勻等情況。

2.1.3 焊膏中的金屬含量

焊膏中的金屬含量能有效增加回流焊厚度，當(dāng)焊膏中的金屬含量過(guò)低時(shí)，焊料的橋連傾向會(huì)降低，造成產(chǎn)品生產(chǎn)不合格。

2.2 網(wǎng)板的影響

網(wǎng)板的材料以及刻制都會(huì)影響焊膏印刷質(zhì)量，能最終決定焊膏印刷的精密度。網(wǎng)板上的開孔尺寸，過(guò)大過(guò)小都會(huì)與對(duì)應(yīng)焊盤不吻合，導(dǎo)致印刷過(guò)程無(wú)法進(jìn)行下去。網(wǎng)板的厚度，要根據(jù)相關(guān)的引線間距來(lái)決定，一般情況下采用0.12～0.15mm的網(wǎng)板，網(wǎng)板厚度過(guò)小，則不利于焊膏的釋放。

2.3 絲印機(jī)參數(shù)的影響

2.3.1 刮刀壓力

該處壓力應(yīng)盡量降低，這樣焊膏才能完全附著在焊盤上，達(dá)到工藝標(biāo)準(zhǔn)。操作不標(biāo)準(zhǔn)，壓力太大，焊膏就不能完全印在焊盤上，會(huì)過(guò)分進(jìn)入絲網(wǎng)模板開口處，甚至?xí)D入焊盤的縫隙當(dāng)中。

2.3.2 印刷速度

該處速度要適當(dāng)控制，一般來(lái)說(shuō)要低于30mm/s。若速度過(guò)快，焊膏就不能很好的填充在絲網(wǎng)模板的開口處。

2.3.3 刮刀材料

一般來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在生產(chǎn)過(guò)程中所采用的都是材質(zhì)較為軟的橡膠刮板，若刮刀軟硬不合格如硬度過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致絲網(wǎng)模板變形。

2.4 焊膏印刷產(chǎn)生不良效果的原因

焊膏在印刷過(guò)程中經(jīng)常會(huì)因?yàn)橐恍┮蛩囟a(chǎn)生印刷不良等效果。最為常見的有印刷位置發(fā)生偏離，在印刷過(guò)程中，模板跟PCB的位置沒(méi)有完全對(duì)準(zhǔn)，當(dāng)然也存在模板制作工藝水準(zhǔn)不達(dá)標(biāo)等因素。若焊膏印刷填充量存在不足，說(shuō)明焊膏的量本身就存在量少等問(wèn)題；焊膏量少的情況下，會(huì)出現(xiàn)未填充、缺焊、少焊等生產(chǎn)故障。焊膏填充量不達(dá)標(biāo)準(zhǔn)不僅直接對(duì)電子器件的組裝有影響，也會(huì)間接影響到印刷板的壓力、刮刀速度等[4]。

3 焊膏印刷對(duì)焊接質(zhì)量的影響解決方案

3.1 對(duì)焊膏材料

焊膏的粘度：在選用不同粘度的焊膏時(shí)，可用精確粘度儀進(jìn)行測(cè)量。

焊膏顆粒的大小與其均勻性：根據(jù)實(shí)際情況，按照引腳間距和焊料顆粒的關(guān)系，選定合適的焊料顆粒直徑[5]。

焊膏中的金屬含量：在焊膏厚度一定時(shí)，可參照金屬含量對(duì)回流焊厚度的影響參數(shù)，進(jìn)行設(shè)定。

3.2 對(duì)網(wǎng)板

網(wǎng)板材料及開孔、厚度、開孔方向與尺寸的選擇，需要根據(jù)實(shí)際焊盤的參數(shù)以及生產(chǎn)設(shè)計(jì)要求來(lái)選擇。在網(wǎng)板材料的設(shè)計(jì)生產(chǎn)工藝當(dāng)中，則可以根據(jù)相關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)生產(chǎn)。

3.3 對(duì)絲印機(jī)相關(guān)參數(shù)

刮刀壓力與刮刀材料：適當(dāng)控制刮刀壓力，就需要采用軟硬適中的材料，如較硬的刮刀或者金屬材料的刮刀。

印刷速度：在具體的生產(chǎn)過(guò)程中，也要結(jié)合實(shí)際狀況來(lái)設(shè)置刮刀壓力跟速度的具體數(shù)值。

4 SPI錫膏測(cè)厚技術(shù)

4.1 SPI錫膏測(cè)厚技術(shù)原理

SPI（SolderPaste Inspection）的全稱是錫膏檢測(cè)系統(tǒng)，SPI錫膏測(cè)厚儀的設(shè)計(jì)原理中運(yùn)用到了激光非接觸三維掃描密集取樣技術(shù)，這個(gè)設(shè)備能將PCB板上的錫膏的面積體積以及具體的厚度逐個(gè)測(cè)量出來(lái)，大大完善了原有的檢測(cè)系統(tǒng)，收集的數(shù)據(jù)更加真實(shí)、完全、可靠。近幾年來(lái)這款設(shè)備在SMT生產(chǎn)鏈中備受關(guān)注，作為生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的核心檢測(cè)步驟，SPI錫膏測(cè)厚技術(shù)不僅做到精準(zhǔn)測(cè)量PCB板上焊膏的面積體積以及具體的厚度，更能結(jié)合控制軟件（SPC）對(duì)上述測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用更加直觀的圖表形式來(lái)體現(xiàn)制作工藝中不穩(wěn)定因素是否存在，起到一個(gè)預(yù)警、提前預(yù)知未知錯(cuò)誤的作用，更好的優(yōu)化產(chǎn)品[6]。

在SPI錫膏測(cè)厚儀中，研發(fā)者巧妙的運(yùn)用了PMP（相位調(diào)制輪廓測(cè)量技術(shù)）以及Laser（激光三角測(cè)量技術(shù)），在這兩個(gè)技術(shù)的融合下，SPI錫膏測(cè)厚儀能輕易的測(cè)出各種細(xì)小的焊膏的相關(guān)數(shù)據(jù)。

4.2 激光三角測(cè)量技術(shù)

激光三角測(cè)量技術(shù)利用相機(jī)拍下光束在不同時(shí)間內(nèi)在焊膏上圖像，后期整理出相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，最終就能得出該焊膏的相關(guān)數(shù)據(jù)，得出測(cè)量結(jié)果。在這里，由于激光三角測(cè)量技術(shù)中巧妙的用到了激光，而激光能在高低不同的平面上產(chǎn)生畸變，照相機(jī)才能捕捉到畸變數(shù)據(jù)。

激光三角測(cè)量技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)非常明顯，優(yōu)點(diǎn)就是能在很短的時(shí)間內(nèi)對(duì)大量的PCB板進(jìn)行檢測(cè)，生產(chǎn)效率高；缺點(diǎn)則比較多，首先是激光束分辨率只能控制在10 - 20um級(jí)，分辨率較為單一；其次機(jī)器在執(zhí)行過(guò)程中只能單次的檢測(cè)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的重復(fù)性精確度不是很高；由于激光束的運(yùn)動(dòng)模式容易受外界的影響，所以在外界有干擾的情況下，實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較低。

4.3 相位調(diào)制輪廓測(cè)量技術(shù)

如果說(shuō)激光三角測(cè)量技術(shù)有不小的缺陷，那么相位調(diào)制輪廓測(cè)量技術(shù)就很好的能填補(bǔ)激光三角測(cè)量技術(shù)的漏洞。由于使用白色光源，相位調(diào)制輪廓測(cè)量技術(shù)能利用結(jié)構(gòu)光柵在PCB板上的相位變化，得出焊膏的相關(guān)數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)了激光束測(cè)量的不足；利用結(jié)構(gòu)光柵在PCB板上的灰度變化，能夠得出數(shù)據(jù)更加精確的高度值；此外，還能對(duì)PCB板進(jìn)行多次測(cè)量、采樣，重復(fù)性測(cè)量得到更高精度的高度值,彌補(bǔ)了激光三角測(cè)量技術(shù)易受外界干擾了缺陷。

從上述描述來(lái)看，相位調(diào)制輪廓測(cè)量技術(shù)優(yōu)點(diǎn)不少，首先就是很好的削減了外界的不穩(wěn)定因素，比如震動(dòng)，大大提高了機(jī)器的穩(wěn)定性；還能有效的進(jìn)行多次測(cè)量，提高了重復(fù)性精度。

4.4 錫膏測(cè)厚儀3D技術(shù)方案

（1）激光測(cè)量，錫膏測(cè)量精度達(dá)到納米級(jí)，有效分辨率56nm（0.056um）。

（2）高重復(fù)精度（0.5um），人為誤差小，GRR高。

（3）數(shù)字影像傳輸：抗干擾，自動(dòng)糾錯(cuò)，準(zhǔn)確度高。

（4）高分辨率圖像采集：有效像素高達(dá)彩色400萬(wàn)像素。

（5）高取樣密度：每平方毫米上萬(wàn)點(diǎn)（平均每顆錫球達(dá)6～20取樣點(diǎn)）。

（6）多點(diǎn)基板扭曲修正功能：不但可以修正傾斜，還可以修正扭曲變形。

從這些相互影響的不確定參數(shù)中，如何找出問(wèn)題？這里就會(huì)利用帶SPI獨(dú)特的能力了，在印刷時(shí)能讓操作人員簡(jiǎn)單明了地理解當(dāng)前印刷的結(jié)果。在控制印刷工藝中，印刷轉(zhuǎn)移效率（TE）的百分比以及焊膏沉積的標(biāo)準(zhǔn)差是每個(gè)人都會(huì)關(guān)心的問(wèn)題。一般情況下下，實(shí)際體積（Measured Volume） 和目標(biāo)體積（Target Volume）的百分比能決定印刷質(zhì)量的優(yōu)與劣，控制產(chǎn)品相關(guān)參數(shù)在合適的范圍內(nèi)一定程度上也能決定產(chǎn)品最后的效果[7]。

5 結(jié)語(yǔ)

三維檢測(cè)技術(shù)不僅提供了新的檢測(cè)方案，還能通過(guò)測(cè)量焊盤上焊膏的體積來(lái)保證回流后焊點(diǎn)的可靠性，這一點(diǎn)在高端電子產(chǎn)品的SMT生產(chǎn)線中得到了充分的驗(yàn)證。SPI技術(shù)不是簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單控制印刷機(jī)的，而是在印刷機(jī)中找尋最合適的生產(chǎn)模式，使得產(chǎn)品的質(zhì)量得到了把控。從生產(chǎn)效率上來(lái)看，三維檢測(cè)技術(shù)是產(chǎn)品質(zhì)量水準(zhǔn)的閥門，從生產(chǎn)工藝上來(lái)看，能夠改變?cè)械纳a(chǎn)模式，實(shí)現(xiàn)工藝管控。