焊膏印刷技术前景展望

焊膏印刷技术前景展望史建卫1，杨冀丰，李晋，柴勇日东电子科技（深圳）有限公司，广东，深圳，518103摘要：本文主要针对SMT技术发生的巨大变化，对焊膏印刷技术未来发展进行了简单的阐述。关键词：人工适应性控制，制造缺陷测试，统计过程控制，黑匣子ProspectofSolderPasterPrintingTechnologyShiJianwei,YangJifeng,LiJin,ChaiYongSunEastElectronicTechnology(ShenZhen)CompanyLt.d,518103Abstract:ThisarticleexpoundsthefuturedevelopmentofsolderpasteprintingprocessaccordingtothechangesinSMT.KeyWords:ArtificialAdaptiveControl(AAC),ManufactureDefectTest(MDT),StatisticalProcessControl(SPC),BlackBoxSMT技术起步于70年代，快速增长于80年代，稳定发展于90年代，至今已逐步成熟。焊膏印刷、元器件贴装和再流焊工艺是SMT组装技术的三大主要工序，随着元器件的小型化和足组装工艺的无铅化，焊膏印刷工艺也提出了新的要求。焊膏印刷是SMT环节第一个工序，大量数据显示，60%以上的焊后缺陷都是由焊膏印刷造成的。还有报道表明各工序在产品缺陷中分布比率为焊膏印刷占64%，元件占6%，贴装占15%，再流焊占15%[1]。1.焊膏印刷工艺焊膏印刷质量的影响因素较多，包括PCB、焊膏材料、刮刀、模板、印刷机质量、模板清洁器、工艺参数设定，以及生产人员的专业技术和经验[2]。根据实际生产经验，印刷工艺应对五种因素特别重视，它们是由于模板成型方法不同而导致的焊膏成型不同，焊膏匹配性，等待时间，刮刀材料和印刷工艺参数设置。1.1模板成型技术目前模板制作有三种方法，即化学腐蚀、激光切割和电铸。每种方法都有各自的优缺点、加工成本或工艺要求。从工艺特点方面来讲，化学腐蚀方法加工，开孔侧壁易成“8”状，焊膏释放不好，需要补加电抛光工序；激光切割方法加工的开孔成梯形状，侧壁光滑，有利于焊膏释放，但是由于热量过大，导致模板另一表面粗糙度较大，阻碍焊膏释放；电铸方法加工，模板开孔由沉淀镍形成，成竖直状，内壁光滑，焊膏释放好[3]。从成本特点方面来讲，化学腐蚀成本最低，电铸成本最高。在进行选择时，应该根据产品等级要求进行适当选取。目前无铅化组装中一般推荐采用激光制板。一种新型聚合物模板材料，其粗糙度小，材料呈柔性（与PCB无缝隙接触），与焊膏亲和力小，综合印刷速度比金属模板提高3倍。当采用激光切割制板时，既具有激光切割制造模板的所有特点，也具有镍加成法无粗糙的优势[3]。作者介绍：史建卫（1979-），男，毕业于哈尔滨工业大学，主要从事SMT工艺与设备方面的研究1.2焊膏匹配性控制焊膏性能的影响因素比较多，包括粘度、润湿性、模板特点、金属成分含量、合金颗粒形状及尺寸和焊剂活性等等[4]。选取焊膏时，一方面要考虑产品等级要求，另一方面要考虑与模板开口尺寸的匹配问题，一般选择3级或4级合金粉颗粒，但对于极小间距开孔应选择更高级别的合金粉颗粒。1.3等待时间控制焊膏是一种膏状体，在印刷后的放置过程中会出现塌陷、铺展及吸潮现象。吸潮是不可避免的，但是过量的吸潮会导致焊球及润湿不良等缺陷。焊膏印刷之后应该在短时间内进行元器件贴装和再流工艺。性能良好的焊膏，等待时间可以适当的长一些，但是一般情况下都保持在4小时之内。1.4刮刀材料选择刮刀材料一般为树脂或金属材料。树脂硬度为75～85，为了避免前端变形与磨损，常选用较硬一些的材质，比如硬度为90以上的聚氨脂橡胶或金属刮刀。金属刮刀一般用不锈钢做成，印刷边缘使用树脂薄层，使焊膏容易发生滚动而减少模板的移动和变形。较硬的刮刀能产生较好的印刷效果，但是对于如图1阶梯型模板，较软的刮刀效果会更好一点，因为软刮刀允许模板在不同厚度处形成轮廓线。同时由于软刮刀有反弹特性，可能会产生“坑挖”现象，特别在较大尺寸原件对应的模板开孔处。图1阶梯型模板1.5印刷工艺参数设置焊膏是一种非牛顿流体，也称为假塑性流体，具有流变性，其粘度系数会随着不同的剪切率、印刷速度和印刷压力而发生变化。低印刷速度或剪切率，焊膏不能在刮刀前方滚动且均匀的流出模板孔；高印刷速度可能造成粘度消失，导致塌陷和重印。印刷压力太小，焊膏不能粘在焊盘上而保持在模板孔内；压力太大，刮刀将被压进较大的孔内而产生焊膏的坑蚀现象，而且还会导致模板的移动而造成涂抹。焊膏的粘度使其有粘附在模板孔壁的趋势，而且会随着孔尺寸的减小、模板厚度的增加而增加。对于各种参数的选取和设定，在实际生产工艺之前，应采用一些方法，如正交试验法来进行分析判断，优化工艺，获得最佳参数设定[5]。2.印刷设备新功能随着SMT的不断发展，生产对产品质量提出了高可靠性和低缺陷率的要求，需在工艺、材料和设备上进行相关的研究。就焊膏印刷机而言，其基本功能包括快的印刷速度、高的定位精度、高的可重复性、好的脱模性、高的印刷精度、稳定的填充性和高效的清洗功能等。新一代焊膏印刷机在保证基本功能的同时，还须具备一些特殊功能来保证生产品质。2.1系统可靠性新一代印刷机应该具有设备验证、工艺验证、设置验证等功能，并确保产品文件可靠，用以保证工艺的可靠性和可追踪性。设备验证往往被忽视，但它是生产高质量产品的基础。印刷机必须精确地将模板与产品对位，并控制参数，这个操作必须是可重复性的。出现焊接缺陷（如桥连）有可能是印刷工艺造成，也可能是贴片工艺造成。如果能验证印刷机工作正常，就可以查找原因，调整工艺。依靠常规的维护程序来保证印刷机的对位精度和工艺参数控制性能，定期维护固然重要，但每月校准设备并不能保证设备的性能，而且有可能引起误差。用户应该测试设备，如果设备没有问题，重新校准也无益处。为了验证印刷机的功能，需要进行基准测试，以确定设备运行是否符合规范要求。所有全自动设备都要按照Sigma或Cp/Cpk等规范制造，采用标准验证测试方法，收集统计过程控制数据，然后分析以确定工艺的能力。这项验证可作为基准每月或定期运行，或者在发现故障后运行。其具体操作是准备一张模板，工艺同实际过板一样，只是视觉系统在印刷前和印刷后各检查一次，把模板与产品的差异反馈回SPC数据采集包而进行分析[6]。印刷前的数据可以显示印刷机对准模板与PCB板的精确，印刷后的数据可以表示实际印刷过程对精确度的影响。2.2定位高精度为使基板在工作台面准确定位，一般需设置二处以上图像识别基准标记，用于光学摄像对位。摄像头识别基板位置时，可以使用两个摄像头分别识别，也可以和印刷模板的位置识别重合进行，操作时通过移动摄像头来实现。两摄像头识别时其CCD的位置关系十分重要，他们之间的偏移应作为内部测定参数给予保存。对模板和基板先后进行识别后，需要演算两识别点对角线平行的角度修正量、中心点坐标及中心重合的移动量，最后通过工作台移动完成调整。模板和基板识别方法根据CCD个数和工作方式一般可分为6轴（CCD-X/Y，工作台-X/Y/Z/θ）、7轴（CCD-X/Y/Z，工作台-X/Y/Z/θ）或10轴（两台CCD-X/Y，工作台-X/Y/Z/θ）位置重合轴数。图2为6轴位置重合轴数的模板和基板识别方法。表1是通过6轴识别的印刷机位置精度部分结果，其中数值表示了位置精度的重现性。实际印刷时的位置精度是基板、模板相对制作精度的叠加。位置的重合精度还与确定位置精度是所使用的运动坐标轴数有关，一般使用的坐标轴数较少时，可以提高位置的精度[7]。表1印刷机的位置重合精度项目精度um测试根据项目精度um测试根据1X轴重现性±1.0高速重现性实测值3演算误差±1.0电机分辨率Y轴重现性±1.0高速重现性实测值基板识别CCD±2.51/4像素4X轴重现性±5.0实测值2X轴重现性±1.0高速重现性实测值Y轴重现性±5.0实测值Y轴重现性±1.0高速重现性实测值θ轴绝对精度±5.0实测轴模板识别CCD±2.51/4像素综合位置精度±9.6几何平均值图2模板和基板识别方法2.3模板擦拭高效率模板擦拭技术主要分干法、湿法和真空法几种，一般每5～10个印刷周期清洗一次。干湿法目前有两类擦拭纸被广泛应用，即用胶制造和不用胶制造的纸。胶制擦拭纸是使用黏合剂把纤维合在一起，通常有两大类，即薄而硬的人造纤维聚脂和厚的纤维素材料聚脂。这种胶制擦拭纸存在的缺点是清洗使用溶剂润湿后，没有湿强度，导致不良的擦拭和过量的棉绒留在模版上。此外，大多数黏合剂被焊膏中的溶剂分解，在模板和基板上留下残留物。普通的无胶擦拭纸则是聚脂和纤维的混合物，利用热和压力把纤维交接在一起，通过“水纠缠”工艺避免了黏合剂的使用。近年来新出现一种“水纠缠”、单纤维、无纺织品的擦拭材料，不含天然纤维素和黏合剂，在显微镜下，长、细、硬纤维显示出相同的、均匀的、疏松的、几乎空心结构，具有非常好的吸水性，可以延长印刷周期，大大提高擦拭质量[8]。2.4检测系统高性能随着表面组装技术的发展，真正的在线自动检测已是确保成本合理、可靠生产的最基本要求。焊膏印刷工艺是SMT组装中最重要和最大困难的工序之一，其为一种动态工艺，会发生很难预测和控制的随机缺陷。不同因素的影响，包括清洗、磨损和撕扯掩膜、焊膏的老化、对环境的感应性、焊膏的运送及频繁添加等，很容易产生各种印刷缺陷，如图3。出现问题后一般都会影响整个PCB板，需立即检测和发现。完善的焊膏印刷检测系统对工艺进行控制，在提高生产率方面意义重大，因为在SMT工艺开始阶段，焊膏很容易清洗，且可以最大限度地节省成本。检测系统照明来自于一定范围波长的光源，目前主要有白光（高频荧光管）、特征可见光（发光二极管光源）或激光[11]。焊膏印刷检测系统应该具有高精确、高速度和闭环工艺控制功能，操作简单，还应该对各种基板，如颜色、厚度、焊盘完整性、焊膏厚度及板子翘曲（IPC-A-610规定弯曲度不能大于其对角线的0.75%）进行检测[9]。检测可重复性和可再生产性偏差，应小于一般元件加工宽度和工艺允差的10%。表2为3-D检测主要应用领域的检测时间和扫描速度，对于高的生产率而言，其速度至少为40cm2/s。图3焊膏印刷缺陷表2主要应用领域中将来高档设备的检测时间和扫描速度主要应用领域蜂窝式电话笔记本电脑服务器高档生产线的粘附时间(s)102247快速装载/卸载期望时间(s)122板尺寸(mm)120×120300×250400×450要求的最低扫描速度(cm2)24/s40/s40/s使用2D和3D检测时，需对下面参数进行测量与比较：体积、面积、高度、X-Y偏差、模板转角θ、桥接、钎料形状偏移、塌陷和倾斜等。2D主要检测焊膏存在与缺失、焊膏的中心（X/Y轴）印刷面积、焊盘面积覆盖率、印刷形状和总体偏移。采用多级摄像工艺技术、多照明角度的2D系统，能快速、灵敏地捕捉到PCB、焊接掩膜和焊膏外观的颜色变化，多应用于较大焊盘和元件，图4为一2D检测彩色与黑白效果对比。（a）彩色（b）黑白色图42-D检测效果要进行有效的焊膏检测，检测系统必须不仅能提供印刷焊膏的面积信息，还应能提供其精确的体积和高度信息。2-D与3-D的区别在于当出现高度和体积缺陷，比如BGA焊膏沉积面积正常，但实际焊膏量过多或过少之时，容易产生虚焊或桥连，这时就采用3-D检测。真正3-D系统能提供有关焊膏面积、高度和体积的精确信息，还能根据金属痕迹、印板或焊接掩膜的表面，确定焊膏厚度[10]。在这三个参考因素中，金属痕迹提供了更精确的高度参考，因为印板和焊接掩膜表面常常不规则。此方法适用于0402、0201、CSP和细间距（0.4mm）这样的小元件。图5为一3-D检测彩色与黑白效果对比。（a）彩色（b）黑白色图53D检测效果面积图象识别法包括辉度相关判别、边缘识别和统计建模三种技术，高度测量法包括三角测量法、相移莫尔测偏法、共焦测量技术（Nipkow转盘法、微光学器