锡膏及基本概念与特性.doc

锡膏的基本概念与特性锡膏是由焊料合金粉末与助焊剂/载体系统按照一定比例均匀混合而成的浆状固体； 锡膏的粘度具有流变特性，即在剪切力作用下粘度减小以利于印刷，而印刷之后粘度恢复，从而在再流焊之前起到固定电子元器件的作用； 在再流焊过程中焊料合金粉末熔化，在助焊剂去除氧化膜的辅助作用下润湿电子元器件外引线端和印刷电路板焊盘金属表面并发生反应，最终形成二者之间的机械连接和电连接。锡膏产品的基本分类根据焊料合金种类，可分为含铅锡膏与无铅锡膏；根据清洗方式及有无，可分为松香基锡膏、水溶性锡膏与免清洗锡膏；根据活性剂种类，可分为纯松香基锡膏、中等活性松香基锡膏、高活性松香基锡膏与有机物基锡膏；根据涂敷方式，可分为范本印刷用锡膏、丝网印刷用锡膏与滴注用锡膏。锡膏发展的重要进程1940年代：印刷电路板组装技术在二次世界大战中出现并逐渐普及；1950年代：通孔插装的群焊技术 - 波峰焊技术出现；1960年代：表面组装用片式阻容组件出现；1971年：Philips公司推出小外形封装集成电路，表面组装概念确立并迅速得到推广应用；1985年：大气臭氧层发现空洞；1987年：蒙特利尔公约签署，松香基锡膏的主要清洗溶剂-氯氟碳化物的使用受到限制并最终被禁止使用。水溶性锡膏与免清洗概念开始受到重视；1990年代：全球气候变暖，温室效应逐年明显；2002年：京都协议书签署，要求逐渐减少挥发性有机物质的使用。低VOC和VOC-Free锡膏的概念开始受到重视。锡膏的使用原则是什么先进先出，即在保证性能满足要求的前提下，首先使用库存时间最长的产品。 使用以前剩下的锡膏时应与新锡膏按1:1比例混合使用，而不能完全使用“旧”的锡膏。锡膏如何如存？用户方收到本公司的锡膏产品后请立即放入冰箱，在3-7 下进行冷藏保存。请注意不可以对锡膏进行冷冻保存。 另一方面，锡膏开封使用之后如果还有剩余且希望在下一轮组装过程中继续使用而不是废弃，请再次将该锡膏容器密封，但是不可以放入冰箱内保存，而只是放置在室温环境下即可。焊锡膏的主要成份及特性大致讲来，焊锡膏的成份可分成两个大的部分，即助焊剂和焊料粉（FLUX&SOLDERPOWDER）。 （一）、助焊剂的主要成份及其作用： A、活化剂(ACTIVATION)：该成份主要起到去除PCB铜膜焊盘表层及零件焊接部位的氧化物质的作用，同时具有降低锡、铅表面张力的功效； B、触变剂(THIXOTROPIC)：该成份主要是调节焊锡膏的粘度以及印刷性能，起到在印刷中防止出现拖尾、粘连等现象的作用； C、树脂（RESINS）：该成份主要起到加大锡膏粘附性，而且有保护和防止焊后PCB再度氧化的作用；该项成分对零件固定起到很重要的作用； D、溶剂（SOLVENT）：该成份是焊剂组份的溶剂，在锡膏的搅拌过程中起调节均匀的作用，对焊锡膏的寿命有一定的影响； （二）、焊料粉： 焊料粉又称锡粉主要由锡铅合金组成，一般比例为63/37；另有特殊要求时，也有在锡铅合金中添加一定量的银、铋等金属的锡粉。概括来讲锡粉的相关特性及其品质要求有如下几点： A、锡粉的颗粒形态对锡膏的工作性能有很大的影响： A-1、重要的一点是要求锡粉颗粒大小分布均匀，这里要谈到锡粉颗粒度分布比例的问题；在国内的焊料粉或焊锡膏生产厂商，大家经常用分布比例来衡量锡粉的均匀度：以2545m的锡粉为例，通常要求35m左右的颗粒分度比例为60%左右，35m以下及以上部份各占20%左右； A-2、另外也要求锡粉颗粒形状较为规则；根据“中华人民共和国电子行业标准锡铅膏状焊料通用规范（SJ/T11186-1998）”中相关规定如下：“合金粉末形状应是球形的,但允许长轴与短轴的最大比为1.5的近球形状粉末。如用户与制造厂达成协议，也可为其他形状的合金粉末。”在实际的工作中，通常要求为锡粉颗粒长、短轴的比例一般在1.2以下。 A-3、如果以上A-1及A-2的要求项不能达到上述基本的要求，在焊锡膏的使用过程中，将很有可能会影响锡膏印刷、点注以及焊接的效果。 B、各种锡膏中锡粉与助焊剂的比例也不尽相同，选择锡膏时，应根据所生产产品、生产工艺、焊接元器件的精密程度以及对焊接效果的要求等方面，去选择不同的锡膏； B-1、根据“中华人民共和国电子行业标准锡铅膏状焊料通用规范（SJ/T11186-1998）”中相关规定，“焊膏中合金粉末百分(质量)含量应为65%-96%,合金粉末百分(质量)含量的实测值与订货单预定值偏差不大于1%”；通常在实际的使用中，所选用锡膏其锡粉含量大约在90%左右，即锡粉与助焊剂的比例大致为90：10； B-2、普通的印刷制式工艺多选用锡粉含量在89-91.5%的锡膏； B-3、当使用针头点注式工艺时，多选用锡粉含量在84-87%的锡膏； B-4、回流焊要求器件管脚焊接牢固、焊点饱满、光滑并在器件（阻容器件）端头高度方向上有1/3至2/3高度焊料爬升，而焊锡膏中金属合金的含量，对回流焊焊后焊料厚度（即焊点的饱满程度）有一定的影响 C、锡粉的“低氧化度”也是非常重要的一个品质要求，这也是锡粉在生产或保管过程中应该注意的一个问题；如果不注意这个问题，用氧化度较高的锡粉做出的焊锡膏，将在焊接过程中严重影响焊接的品质。锡膏性能基准测试的四个步骤理解锡膏性能是努力改善合格率和降低成本的基础。步骤一和二对锡膏的当前功能与合格率性能作基准测试，并且作为将来材料研究的一个可靠的工程基础。如果计划转换到一种替代的锡膏成分，则推荐使用下面一系列的测试事项来保证成功的实施。 步骤一，基准测试现有锡膏的当前性能。测试那些可以影响视觉与电气第一次通过合格率的主要功能特性。为了达到可重复性和产品的中性化，这个测试最好是在测试模型上离线完成。功能测试包括：可印刷性、塌落形态、粘性和粘性寿命、可焊接性、残留水平和可清洁性(如果可应用)。 步骤二，基准测试当前锡膏在可能挑战该材料的产品上的产品与过程合格率，该产品可能具有比传统产品设计更密的脚距或更广的元件范围；还有，选择一个已完成原型阶段但还处在寿命早期的产品。(这步将在第三步的落选材料上重复，和可能使用新锡膏的产品上重复进行)。在一组基准测试中的所有重复事项都要详细记录，以便可以查明什么可归因于锡膏性能。这时也可记录用量和浪费。如果可能，也应记录作基准测试时的工厂情况，如温度、湿度、操作员、板的批号、锡膏，甚至元件。应该选择一个好的批量：制造环境中较具典型的，足够大到对统计有意义的(如大于50但小于500)。得出一个测试合格率的详细报告。说明元件返工的特殊原因，每个事件都应找出原因，如焊锡不足、开路、锡桥、墓碑、熔湿差、引脚不共面、元件没放准和元件丢失等。由于当前材料的性能是通过主要的功能测试与其合格率损失来度量的，这是个好时候来评估该锡膏用于用户装配的主要性能类别的相对重要性。例如，如果检查分析表明有较高百分比的丢失元件，那么粘性可能是很重要的。类似的，如果检查主要发现焊锡不足和/或开路，那么可焊接性需要增加。如果在步骤一发现塌落(短路是主要的返工项目)，则表明要寻找一种很少或没有塌落的材料。 步骤三。新材料的测试是在步骤一中对现有锡膏所标定的相同条件和方法下进行。然后评估结果，落选所有那些表现更差性能的材料。事实上，应该注意到性能上的一些平衡-应用从步骤二得出的性能期望的用户设定。步骤四。当能够证实新材料合格率和/或产量的提高的时候，应该生产第二批的产品-尽可能地接近步骤二相同的条件。如果情况相差太大，应该用现有锡膏生产出相同数量的板。重要的是：为了精确评估材料变化的效果，必须详细记录所有的缺陷。锡膏印刷前的准备锡膏从冰箱中取出，投入印刷工序之前一定要进行以下2个步骤的操作：（1）不要开封，在室温下放置至少4-6个小时以上，以使锡膏的温度自然回升至室温。（2）锡膏温度达到室温之后，在投入印刷之前，要进行搅拌以保证锡膏中的各组成成分均匀分布。建议采用专用搅拌设备，沿同一方向搅拌1-3分钟即可。锡膏印刷质量控制在表面贴装装配的回流焊接中，锡膏用于表面贴装元件的引脚或端子与焊盘之间的连接。有许多变量，如锡膏、丝印机、锡膏应用方法和印刷工艺过程。在印刷锡膏的过程中，基板放在工作台上，机械地或真空夹紧定位，用定位销或视觉来对准。或者丝网(screen)或者模板(stencil)用于锡膏印刷。本文将着重讨论几个关键的锡膏印刷问题，如模板设计和印刷工艺过程。 印刷工艺过程与设备在锡膏印刷过程中，印刷机是达到所希望的印刷品质的关键。今天可购买到的丝印机分为两种主要类型：实验室与生产。每个类型有进一步的分类，因为每个公司希望从实验室与生产类型的印刷机得到不同的性能水平。例如，一个公司的研究与开发部门(R&D)使用实验室类型制作产品原型，而生产则会用另一种类型。还有，生产要求可能变化很大，取决于产量。因为激光切割设备是不可能分类的，最好是选择与所希望的应用相适应的丝印机。 在手工或半自动印刷机中，锡膏是手工地放在模板/丝网上，这时印刷刮板(squeegee)处于模板的另一端。在自动印刷机中，锡膏是自动分配的。在印刷过程中，印刷刮板向下压在模板上，使模板底面接触到电路板顶面。当刮板走过所腐蚀的整个图形区域长度时，锡膏通过模板/丝网上的开孔印刷到焊盘上。 在锡膏已经沉积之后，丝网在刮板之后马上脱开(snapoff)，回到原地。这个间隔或脱开距离是设备设计所定的，大约0.0200.040。脱开距离与刮板压力是两个达到良好印刷品质的与设备有关的重要变量。 如果没有脱开，这个过程叫接触(on-contact)印刷。当使用全金属模板和刮刀时，使用接触印刷。非接触(off-contact)印刷用于柔性的金属丝网。 刮板(squeegee)类型刮板的磨损、压力和硬度决定印刷质量，应该仔细监测。对可接受的印刷品质，刮板边缘应该锋利和直线。刮板压力低造成遗漏和粗糙的边缘，而刮板压力高或很软的刮板将引起斑点状的(smeared)印刷，甚至可能损坏刮板和模板或丝网。过高的压力也倾向于从宽的开孔中挖出锡膏，引起焊锡圆角不够。常见有两种刮板类型：橡胶或聚氨酯(polyurethane)刮板和金属刮板。当使用橡胶刮板时，使用70-90橡胶硬度计(durometer)硬度的刮板。当使用过高的压力时，渗入到模板底部的锡膏可能造成锡桥，要求频繁的底部抹擦。为了防止底部渗透，焊盘开口在印刷时必须提供密封(gasketing)作用。这取决于模板开孔壁的粗糙度。金属刮刀也是常用的。随着更密间距元件的使用，金属刮刀的用量在增加。它们由不锈钢或黄铜制成，具有平的刀片形状，使用的印刷角度为3045。一些刮刀涂有润滑材料。因为使用较低的压力，它们不会从开孔中挖出锡膏，还因为是金属的，它们不象橡胶刮板那样容易磨损，因此不需要锋利。它们比橡胶刮板成本贵得多，并可能引起模板磨损。 使用不同的刮板类型在使用标准元件和密脚元件的印刷电路装配(PCA)中是有区分的。锡膏量的要求对每一种元件有很大的不同。密间距元件要求比标准表面贴装元件少得多的焊锡量。焊盘面积和厚度控制锡膏量。 一些工程师使用双厚度的模板来对密脚元件和标准表面贴装焊盘施用适当的锡膏数量。其它工程师采用一种不同的方法-他们使用不需要经常锋利的更经济的金属刮刀。用金属刮刀更容易防止锡膏沉积量的变化，但这种方法要求改良的模板开孔设计来防止在密间距焊盘上过多的锡膏沉积。这个方法在工业上变得更受欢迎，但是，使用双厚度印刷的橡胶刮板也还没有消失。模板(stencil)类型重要的印刷品质变量包括模板孔壁的精度和光洁度。保存模板宽度与厚度的适当的纵横比(aspectratio)是重要的。推荐的纵横比为1.5。这对防止模板阻塞是重要。一般，如果纵横比小于1.5，锡膏会保留在开孔内。除了纵横比之外，如IPC-7525模板设计指南所推荐的，还要有大于0.66的面积比(焊盘面积除以孔壁面积)。IPC-7525可作为模板设计的一个良好开端。制作开孔的工艺过程控制开孔壁的光洁度和精度。有三种常见的制作模板的工艺：化学腐蚀、激光切割和加成(additive)工艺。 化学腐蚀(chemicallyetched)模板金属模板和柔性金属模板是使用两个阳性图形通过从两面的化学研磨来蚀刻的。在这个过程中，蚀刻不仅在所希望的垂直方向进行，而且在横向也有。这叫做底切(undercutting)-开孔比希望的较大，造成额外的焊锡沉积。因为50/50从两面进行蚀刻，其结果是几乎直线的孔壁，在中间有微微沙漏形的收窄。 因为电蚀刻模板孔壁可能不平滑，电抛光，一个微蚀刻工艺，是达到平滑孔壁的一个方法。另一个达到较平滑孔壁的方法是镀镍层(nickelplating)。抛光或平滑的表面对锡膏的释放是好的，但可能引起锡膏越过模板表面而不在刮板前滚动。这个问题可通过选择性地抛光孔壁而不是整个模板表面来避免。镀镍进一步改善平滑度和印刷性能。可是，它减小了开孔，要求图形调整 激光切割(laser-cut)模板激光切割是另一种减去(subtractive)工艺，但它没有底切问题。模板直接从Gerber数据制作，因此开孔精度得到改善。数据可按需要调整以改变尺寸。更好的过程控制也会改善开孔精度。激光切割模板的另一个优点是孔壁可成锥形。化学蚀刻的模板也可以成锥形，如果只从一面腐蚀，但是开孔尺寸可能太大。板面的开口稍微比刮板面的大一点的锥形开孔(0.0010.002，产生大约2的角度)，对锡膏释放更容易。 激光切割可以制作出小至0.004的开孔宽度，精度达到0.0005，因此很适合于超密间距(ultra-fine-pitch)的元件印刷。激光切割的模板也会产生粗糙的边缘，因为在切割期间汽化的金属变成金属渣。这可能引起锡膏阻塞。更平滑的孔壁可通过微蚀刻来产生。激光切割的模板如果没有预先对需要较薄的区域进行化学腐蚀，就不能制成台阶式多级模板。激光一个一个地切割每一个开孔，因此模板成本是要切割的开孔数量而定。 电铸成型(electroformed)模板制作模板的第三种工艺是一种加成工艺，最普遍地叫做电铸成型。在这个工艺中，镍沉积在铜质的阴极心上以形成开孔。一种光敏干胶片叠层在铜箔上(大约0.25厚度)。胶片用紫外光通过有模板图案的遮光膜进行聚合。经过显影后，在铜质心上产生阴极图案，只有模板开孔保持用光刻胶(photoresist)覆盖。然后在光刻胶的周围通过镀镍形成了模板。在达到所希望的模板厚度后，把光刻胶从开孔除掉。电铸成型的镍箔通过弯曲从铜心上分开-一个关键的工艺步骤。现在箔片准备好装框，制作模板的其它步骤。 电铸成型台阶式模板可以做得到，但成本增加。由于可达到精密的公差，电铸成型的模板提供良好的密封作用，减少了模板底面的锡膏渗漏。这意味着模板底面擦拭的频率显著地降低，减少潜在的锡桥。锡膏保存及使用注意事项一、保存方式 由于锡膏为化学制品，保存于冷藏库中(510)可降低活性，增长使寿命，避免放置于高温处，易使锡膏劣质化。 二、回温 冷藏时活性大大降低，所以使用前一定要将锡膏置室温中，恢复活性，方可表现最佳焊接状态。 三、搅拌 1.搅拌是使锡粉末与Flux均匀混合，但如搅拌时间过长会破坏锡粉末形状甚至粘度。 2.如果搅拌前，锡膏表面产生硬块，将表面硬块除去方可使用。 3.不同型号、厂牌锡膏请勿混合使用，以避免发生不良之现象。无铅焊膏印刷工艺闭环过程控制近几年来，焊膏印后检测技术有了很大进展。焊膏印刷后/器件贴装前，对印制板焊膏转印图形的即时检测能力的准确性更好，重复性更高，速度更快。现在，与模板印刷机总成的焊膏印后检查系统，或立式自动光学检查系统（AOI）已能以接近SMT组装线的生产速度，提供非常可靠的检查能力。 然而，无论设备多么先进，没有一台焊膏印后检查系统能真真实际意义上的纠正被检目标缺陷。现有印后检查系统能确定缺陷，提示存在问题的操作者或工艺工程师。被确定的缺陷固定下来，不致于在随后的加工过程中被发现为其付出更大代价。工艺工程师或技术人员必须对从印后检测系统，统计过程控制（SPC）系统得到的焊膏印刷性能作出评价，确定缺陷产生的原因，从根源具体消除或最大限度减少问题的产生需要实施的步骤。没有一台印后检查系统能不需要工艺工程师持续地进行纠正工作，永远消除缺陷的重新出现。 焊膏印刷工艺闭环过程控制的观念不仅包括缺陷检查系统，还必须具备工艺智能调整（主要调整模板印刷机的操作参数）以防止问题的重新发生。本文将讨论包括焊膏印刷工艺在内的闭环过程控制。讨论涉及这方面研究的现状，优越性，局限性，实施所需的技术及将来的创新。引 言印制板组装厂为其组装生产线期望达到更好的产能，闭环过程控制技术的应用已深透到SMT制造工艺的各个方面。目前，这些过程控制系统主要描准器件贴装及再流焊两项工艺。实施过程控制能对印制板组装厂产生显著影响就是模板印刷工艺。印制板组装厂始终对印刷缺陷检查有兴趣，组装工程师正开始关注对缺陷的予防能力，并非是缺陷检查。这只能通过提供强有力的闭环过程控制才能实现。何谓闭环过程控制？闭环过程控制是一种持续监控与调整过程，以保持一个输出或多个输出具体目标值的方法。有许多途径来考虑闭环过程控制什么。有许多系统监测与控制某个具体工艺过程内在的运行。例如，变换器可读取一个压力，及访问每一工艺状态的压力增加或减少。这是闭环工艺内在控制某个特定工艺过程。本文集中讨论闭环过程控制，测量某个特定工艺的输出或结果，调整工艺的某个操作参数或一组参数，以保持输出目标值。闭环过程控制的正常运作，必须了解测量什么参数，（访问输出值），那些因素影响输出值的波动。必须首先鉴别某个工艺重要的单个输出量或多个输出量（高度，重量，体积，形状，温度，电压等），通过使用常规统计工具（如实验设计）输出定量化。将影响选定输出性能的单个或多个操作参数（例如；温度，速度，压力，等），也必须被鉴别，且使用常规统计工具定量化。一旦鉴别及量化测量这些输出值重要操作方法，它们必须被鉴别及定量化。测量方法的条件必须包括统计确认测试，如测量重复性与再现性（Gauge R&R），保证测量系统的准确性与重复性。 测量已鉴别的输出值，其后，闭环系统必须懂得那些单个或多个操作参数必须被调整，使得输出测量值返回到目标值。精密电子组装始终有两项策略实现产品加工最高的首次通过率产能；一次通过率定义为产品被测试无需任何返工或返修，在第一时间工作的产品。策略其一是予防缺陷发生，其二，尽可能早在制造过程中，搜寻到出现的缺陷。连同可靠合理的工艺制定与过程控制工作，闭环过程控制是予防缺陷产生策略的理想工具。闭环过程运作的结果；在绝对宽的时间内，此项工艺处于理想状态，从理论上，此项指定工艺能生产绝对最低量缺陷的产品。具有最低可能的缺陷率能获得最大的收益率。闭环过程控制的作用闭环过程控制运作的目标是 使得指定工艺过程实现最低加工缺陷率。全闭环过程自监测，自纠正功能，从以下几个方面得到改善，使得生产成本明显降低：l 减少返工l 减少返修l 避免因返工或返修（ESD，传递等）造成的损坏l 减少废弃物l 减少检测与测试设备与财力l 减少利润回报l 减少使用期质量保证成本l 予防延期交货l 增加用户满意度许多因素正促使首先应该强调是予防缺陷，其二尽可能在制造过程早期发现缺陷。电子器件正越来越变得复杂（外形尺寸大，周边BGA，柱形引脚阵列等），小形器件（0201，01005，CSP，microBGA等），且器件成本更昂贵。小型及封装复杂器件将给寻找缺陷更加困难，返修难度增加，因造成返工返修损怀器件报废。予防缺陷始终是主要目的。既是在制造过程非常早发现缺陷，也将存在返修成本。显然任何缺陷不可能是另返修成本。对电子制造过程中的缺陷成本分析，带有缺陷的产品出厂进入市场，且在用户手里发现问题，此时的缺陷成本将是制造过程各工序发现的缺陷成本高出许多倍（见表1，表2缺陷成本）。闭环过程控制将为予防缺陷发生节省大量成本支出。表1 缺陷成本（据主要SMT组装厂提供）缺陷发现的工艺步序缺陷成本再流焊前$0.44 再流焊后，ICT前$1.65 在线测试（IT）$2.33 最后产品组装$49.73 上市（出厂后）$550.00 产品上市的缺陷成本是再流焊前的1,250倍。表2 缺陷成本（AOI设备制造商提供）缺陷发现的工艺步序缺陷成本再流焊前$0.50 再流焊后，ICT前$5.00 在线测试（IT）$35.00 上市（出厂后）$350.00 产品上市的缺陷成本是再流焊前的700倍。缺陷成本的大拇指原则称之为幅度量级原则，该原则表述在制造过程任一级工序发现的缺陷成本将比前一级工序发现同样缺陷的成本大10倍，甚至超过。举例；每一组装1,000块印制板（每块印制板贴装4只BGA）或4,000块印制板（每块印制板贴装1BGA）SMT组装线制造工艺运转一年365天。缺陷发生率100ppmBGA器件单件成本 $100BGA器件引脚数250BGA单件返工成本$100在此例举中；每天发现BGA引脚缺陷100，一年BGA引脚缺陷36,500。假定每天引脚缺陷发生在10块印制板上。结果返工及器件报废成本为每天$2,000/day，一年达$730,000/year!闭环过程控制能够予防这些缺陷的部分发生，成本也将得到明显降低。表3 闭环过程控制的收益；闭环过程控制BGA缺陷率减少每年成本节省100% $730K 90% $657K 80% $584K 70% $511K 60% $438K 50% $365K 40% $292K 30% $219K 20% $146K 10% $73K 0% $0 缺陷经常发生在那里？大多数电子组装操作者计算缺陷机率数，计算器件的全部引脚，于是作为该器件缺陷机率。一种类型缺陷的实际缺陷数与全部缺陷机率总数比较，计算缺陷率，一般用每百万缺陷机会数中的实际缺陷的多少（PPMO）。用这种方法来计算缺陷机率，结果显示超过全部缺陷机率数的75%源自于焊膏印刷及焊接工艺（再流焊与波峰焊）。对某大批量SMT组装厂的6个月的研究显示；由模板印刷，再流焊，波峰焊产生的缺陷平均达到84.08%。既使焊膏印刷工艺在缺陷减少做了少些改进，也会对整个SMT工艺质量，及首次产品通过率产生显著影响。（图4所示）。在，闭环焊膏印刷工艺在工艺过程中控制大量缺陷数机率将提供明显好处。图4焊点DPMO对印制板组件（含3,000个焊点）的组装产能的影响。焊点DPMO印制板组装产能598.5%1097%2592.55085%10070%模板印刷工艺的闭环过程控制本节讨论闭环过程控制在模板印刷工艺中的应用。下面讨论的闭环系统现用于模板印刷机或模板印刷机与外设AOI系统间。A） 模板印刷机的X-Y-轴向印刷定位控制应用于焊膏印刷机最常见的闭环过程控制系统主要目的是准确地将焊膏转印在印制板平面相应的焊盘上。虽然大多数印制板的焊膏印刷机具备执行模板与PCB对准功能的自动化系统，焊膏的错位转印非常少见的。这种印刷误差往往可能由印制板与印制板间的变化，模板尺寸伸长，对准系统的不准确性或其他因素所致。闭环过程控制系统纠正转印位置不准确性通常测量相对印制板焊盘的转印位置偏差，纠正模板相对于印制板的对准位置。全部纠正以模板或印制板平面进行。如模板与印制板不适配，系统运算法则将使转印位置与各自相应的焊盘位置偏离减到最小。通常，如机上测量对印刷时间的影响可以接受，在印刷机内，测量焊膏转印图形与印制板相对应焊盘的位置。.如果最小印刷时间苛刻，对印制板的焊膏印后测量可平行印刷操作离机进行。B） AOI系统测量，模板印刷机的X-Y-轴向印刷定位控制Speedline Technologies与Agilent Technologies两公司研发的闭环过程控制系统，在印制板焊膏印刷过程，补偿X-Y-轴向印刷定位偏差。在模板印刷机上，印制板焊膏印刷后，然有印制板通过AOI系统测量X-Y-轴向焊膏转印偏差。系统将这些偏差数据反惯给模板印刷机。模板印刷机在下一个印刷冲程补偿纠正这些偏差。在印刷偏差未达到用户要求的印刷偏差范围之前，系统一直重复这个过程。当印刷转印偏差已在规定的偏差范围内，SPC系统控制用于监测在AOI系统测量的焊膏转印偏差。下图显示由AOI系统测量，模板印刷机X-Y-轴向转印位置偏差纠正。图1 X/Y转印偏差纠正结果：RtoF冲程（左图），FtoR冲程（右图）C)桥接视觉检查，模板检测与清洗检测焊膏在焊盘间隙不正常沉积对电路板组装厂是关键的，因为这些额外的焊膏沉积可能会在再流焊过程中形成短路。这类转印缺陷常称为桥接，如果不能根本清除，也必须将其沉积面积尽可能降到最小。焊膏桥接的原因；模板未对准，印刷压力过大，模板与焊盘间有不适当的忖垫物或模板背面焊膏沾污。大多数模板印刷机与AOI系统制造商已研发出在印制板上焊膏桥接检测技术。这些技术通常是定性且加以说明。.在MPM某些印刷机上配置桥接视觉检测系统，测量桥接缺陷的各种特征与属性，对系统传送相关指令。尤其是在两个焊盘间隙不正常沉积的焊膏量与用户定义的阀值比较，并记录为案。同样，两焊盘间桥接跨度（间隙内桥接突出距离）也可与用户规定限值比较。当桥接量值达到予先确定的界限值时，模板擦洗装置启动，减少模板由于沾污产生类似桥接的缺陷。桥接缺陷另一控制项是由检测模板（窗口间留落的焊膏），模板与印制板分离时，焊膏没有完全脱模转印在印制板焊盘上，模板窗口留落焊膏导致污染，这是在印制板焊膏印刷时经常见到的缺陷。图2所示；与印制板对应器件安装位置，模板指定器件窗口间的最大焊膏量，近桥接形焊膏的最大散布的曲线，与印制板印刷数量的关系。需注意的是当模板上的致污物增加，印制板上的桥接也随之增加，同理再流焊后，此位置将100%产生桥接短路。胶刮在丝印中的功能和使用方法胶刮看似简单，其实胶刮是丝网印刷中相当复杂的一部分。在其它方式的印刷中，进行油墨转移的工具有刮刀、油墨磙、压力磙和胶头等，每一种工具都有其独特的功能。在丝网印刷中，胶刮的功能主要有以下四个方面： 1.将油墨通过丝网转移到承印物上。 2.刮掉丝网上多余的油墨。 3.保持丝网与承印物线接触。 4.能进行不同形状承印物的印刷。 只有胶刮的以上四项功能得到很好地发挥，才能印刷出优质的印刷品。而刮刀的物理性能又对以上功能起决定性作用。（例如：硬度大的胶刮能很好地刮掉多余油墨，但不能很好地满足各种不同承印物形状的要求）。因此在选择胶刮时，要充分考虑到胶刮性能因素对以上功能的影响，避免对印刷效果产生不良影响。在选择合适性能的胶刮时，需要考虑以下四个因素： 1.硬度：胶刮通常是由聚氨酯制成的，用硬度计来测量胶刮的软硬度。胶刮的硬度、尺寸和刮刀形状决定了胶刮的弯曲性、柔韧性和压力。硬度范围从55度到90度（肖氏A）。硬度值用肖氏A硬度计测量。55A-65A是低硬胶刮，66A-75A是中硬，超过75A是高硬。 高硬度胶刮对胶刮的前三项功能非常有利，将油墨压进丝网并将油墨从精细网板转移到承印物上，并保持丝网与承印物的线接触。高硬度胶刮唯一缺陷是不能满足不同形状承印物的印刷，在印刷粗糙面和不平整面时对胶刮的质量要求也很高。 2.有效宽度：是指胶刮装入铝刮柄，从铝刮柄伸出的胶刮宽度。这个宽度很重要，决定了胶刮在压力下的弯曲度。弯曲度是有效宽度的立方值。如两倍有效宽度得到的是大于23=8的弯曲度。 胶刮弯曲会引起两方面的变化：胶刮与丝网间的角度变化；传递到承印物上的印刷压力减小。例如将胶刮比作一组弹簧，当弹簧成一定角度受力时，弹簧开始弯曲，所传的力越来越小。胶刮印刷角度减小，印刷压力不足，印刷效果不理想。印刷角度小、印刷压力减小，下墨量大，墨层增厚。（在这种情况下，印刷操作者会加大印刷压力，胶刮弯曲度增加，得到的墨层依然不理想。解决办法是胶刮硬度增加、胶刮角度增加。）这就是胶刮的有效宽度对胶刮四大功能的影响。 通常胶刮的有效宽度在20MM到30MM之间。最佳有效宽度的选择基于承印物的平整度、网版图像解像度和其他印刷参数如：胶刮角度、速度和油墨种类。在平整/光滑的承印物上印高解像力的图象时，有效宽度小（小于20MM）、高硬、用合适的油墨进行快速印刷。在不平整、粗糙的承印物上，有效宽度要增加（有时大于30MM）、硬度降低，而低硬度胶刮适应能力差，不可过度弯曲，也可以使用中间硬两边软的三层刮或双层刮。通常，有效宽度增加，印刷速度降低并且要增加印刷角度。 胶刮形状： 胶刮形状指胶刮的横截面。大多数胶刮形状只是简单的方形刮，其他形状的胶刮用于特定的印刷条件。例如，硬的胶刮性能比软的胶刮好，但对承印物的适应能力差。使用斜刮，印刷边缘易变形（类似软胶刮）。 有三种形状的胶刮供印刷工作者选择：方刮（或直角边刮），各种斜刮及圆刮（牛角刮）。方刮适用范围较广，能提供最大的印刷压力，印刷角度视有效宽度定。斜刮提供最大的适应性，印刷压力减小，印刷角度比设定角度小。圆刮的适应性最差，提供的印刷压力最小，印刷角度可以自由设定（经常是最小的角度）。以上原因都会影响下墨量。 刀口： 刀口是完成胶刮发挥四大功能的重要部份。胶刮的锐利度是最初控制下墨量的一个因素。锐利的刮刀提供最小的下墨量和最精细的图象。钝而圆的刀口，下墨量增加，同时会影响到颜色和线条精细度。 在用透明油印刷大面积和简单图案时，颜色和线条精细度的变化不明显。而印精细线条和四色网点时，用半透明（UV）和透明油墨，你会很快发现刀口的变形，将印刷的第一张和最后一张加以比较，可确定出胶刮何时应打磨。 胶刮的品种选择既然是印刷质量控制的重要部分，对胶刮的保养也是保证胶刮正常使用的重要环节。保证胶刮品质的最好方法是通过清晰的流程明确对胶刮印刷前和印刷后的保养以及如何打磨胶刮。 1.储存胶刮时要平放，不可卷成圈，卷成圈可能会造成永久弯曲。 2.铝刮柄应朝下放置，不可将刀口朝下放置。 3.刚印刷完毕就要立即清洗胶刮，此时很容易洗掉油墨，否则要擦掉干结的油墨会损伤刀口。 4.不可将胶刮浸泡在溶剂中。尽管胶刮是耐溶剂的但胶刮会因吸收溶剂而变脆。 5.刚清洗完的胶刮依然软、溶剂未完全挥发，不可立即打磨。经过12小时到24小时的“休复”后才可再次使用。这样不仅可以提高打磨效果也可提高印刷效果。 6.根据具体的印刷质量要求要经常打磨胶刮，清洗和打磨时，要尽可能减少胶刮的损耗。锡膏材料建议转向Sn62锡膏的使用，作为解决Sn63/Pb37熔化时高表面张力问题 的解决方案，因为该材料是J形引脚元件高品质焊接点的障碍。还有，由于惰性(利用氮气)环境趋向于增加表面张力，因此由J形引脚的边缘共面性所引起的开路类型的缺陷可以通过Sn62锡膏在空气环境里来防止。如果装配上翅形引脚元件占大多数，锡桥是一个问题，那么希望表面张力大一点，Sn63锡膏的保持力和非氧化气氛可使熔化的锡被“拉”回到引脚上。 杜帮公司介绍了一种新的、温柔的氢氟碳(HFC, hydrofluorocarbon)去助焊剂的介质，用于清除残留松香和由较新的低固(免洗)助焊剂与锡膏留下的离子污染。由HFC43-10、反式 1, 2二氯乙烯(trans 1, 2-dichloroethylene)、环戊烷(cyclopentane)、甲醇(methanol)和稳定剂(stabilizer)组成的溶剂，与许多塑料、共形涂层和元件标记墨水都兼容。据说，添加这种很温柔的碳水化合物，减少那些更具侵蚀性的残留物的集中，同时具有零臭氧损耗、低全球警告与低毒性特征，不可燃烧。 开发出一种免洗锡膏，使用的是有机金属熬合(organo-metallic chelation)的化学品，dendrimer polymer作催化剂。据说，这种化合物是即可代用的材料，提供良好的化学、物理与冶金特性，用于延长锡膏粘性寿命和改善印刷特性。该锡膏叫做NC-559，由两部分组成：合成松香和催化剂系统。催化剂已暂停在溶剂中使用，因为其据有较高的极性吸引聚合物网，在回流焊接过程中，与被消耗的聚合物一起使得不能形成恒沸物质。挥发性的部分与被消耗的一部催化剂系统一起被带走。回流焊后的残留物，和传统的免洗锡膏比较，是非腐蚀性的、非导电的和不吸湿的。其结果一种坚硬、清洁、非粘性和化学上良性的表面，而不是那些可能造成回流焊后残留物中离子污染的离子或极性物质。 在刚好及时(JIT, just-in-入库时间e)制造的时代，为了良好的可焊性控制，对空板的库存可能比实际的大一点，尽管成本考虑要求大批量的采购。为了防止仓库储存的板在焊盘上积累氧化的趋向，装配制造商被迫在一个适当的时间内组装和焊接电路板，这个步骤有赖于良好的生意状况。因此，重要的是，SMT装配线的工艺工程师与采购及管理人员一起工作，来决定空板的安全储存寿命。可焊性测试可以决定这个期限是多少，以便确保高合格率装配制造的最重要的一环 在焊接之前免使板受到污染。 对密脚元件的最终贴装，在空板上载运固体焊锡沉淀(SSD, solid solder deposit)是一种达到6，和无缺陷工艺的新方法。该技术使用一种干胶片(dry-film)阻焊材料，在元件焊盘上提供正确长度、宽度和间距的开孔，来接纳锡膏。在回流之后，板通过清洗，沉淀变平成为锡“砖”，因此引脚可坐落而没有滑动(图一)。通过丝印过程，将松香基的、粘性胶状的助焊剂印在焊盘上，板送给装配制造商准备元件贴装。另一方面，如果用聚脂薄膜覆盖，板可储存达到一年的时间，并还保持良好的可焊性。 无铅焊锡怎样保证焊接点的品质？将镍/钯和镍/钯/金的无铅焊锡回流性能与那些传统的Sn/Pb材料比较，对可替代合金进行评估。测试包括接触角、引脚拉伸、温度循环、截面(对断裂)和熔湿平衡。虽然只发现熔湿平衡的轻微改进(还有金层的增加成本)，总的来看，在焊接点成型品质方面，替代合金相当于或超过锡/铅焊锡的性能。锡膏印刷“即使是最好的锡膏、设备和应用方法，也不一定充分保证得到可接受的结果。使用者必须控制工艺过程和设备变量，以达到良好的印刷品质。”在表面贴装装配的回流焊接中，锡膏用于表面贴装元件的引脚或端子与焊盘之间的连接。有许多变量，如锡膏、丝印机、锡膏应用方法和印刷工艺过程。在印刷锡膏的过程中，基板放在工作台上，机械地或真空夹紧定位，用定位销或视觉来对准。或者丝网(screen)或者模板(stencil)用于锡膏印刷。本文将着重讨论几个关键的锡膏印刷问题，如模板设计和印刷工艺过程。 印刷工艺过程与设备 在锡膏印刷过程中，印刷机是达到所希望的印刷品质的关键。今天可购买到的丝印机分为两种主要类型：实验室与生产。每个类型有进一步的分类，因为每个公司希望从实验室与生产类型的印刷机得到不同的性能水平。例如，一个公司的研究与开发部门(R&D)使用实验室类型制作产品原型，而生产则会用另一种类型。还有，生产要求可能变化很大，取决于产量。因为激光切割设备是不可能分类的，最好是选择与所希望的应用相适应的丝印机。 在手工或半自动印刷机中，锡膏是手工地放在模板/丝网上，这时印刷刮板(squeegee)处于模板的另一端。在自动印刷机中，锡膏是自动分配的。在印刷过程中，印刷刮板向下压在模板上，使模板底面接触到电路板顶面。当刮板走过所腐蚀的整个图形区域长度时，锡膏通过模板/丝网上的开孔印刷到焊盘上。 在锡膏已经沉积之后，丝网在刮板之后马上脱开(snap off)，回到原地。这个间隔或脱开距离是设备设计所定的，大约0.0200.040。脱开距离与刮板压力是两个达到良好印刷品质的与设备有关的重要变量。 如果没有脱开，这个过程叫接触(on-contact)印刷。当使用全金属模板和刮刀时，使用接触印刷。非接触(off-contact)印刷用于柔性的金属丝网。 刮板(squeegee)类型 刮板的磨损、压力和硬度决定印刷质量，应该仔细监测。对可接受的印刷品质，刮板边缘应该锋利和直线。刮板压力低造成遗漏和粗糙的边缘，而刮板压力高或很软的刮板将引起斑点状的(smeared)印刷，甚至可能损坏刮板和模板或丝网。过高的压力也倾向于从宽的开孔中挖出锡膏，引起焊锡圆角不够。 常见有两种刮板类型：橡胶或聚氨酯(polyurethane)刮板和金属刮板。当使用橡胶刮板时，使用70-90橡胶硬度计(durometer)硬度的刮板。当使用过高的压力时，渗入到模板底部的锡膏可能造成锡桥，要求频繁的底部抹擦。为了防止底部渗透，焊盘开口在印刷时必须提供密封(gasketing)作用。这取决于模板开孔壁的粗糙度。 金属刮刀也是常用的。随着更密间距元件的使用，金属刮刀的用量在增加。它们由不锈钢或黄铜制成，具有平的刀片形状，使用的印刷角度为3045。一些刮刀涂有润滑材料。因为使用较低的压力，它们不会从开孔中挖出锡膏，还因为是金属的，它们不象橡胶刮板那样容易磨损，因此不需要锋利。它们比橡胶刮板成本贵得多，并可能引起模板磨损。 使用不同的刮板类型在使用标准元件和密脚元件的印刷电路装配(PCA)中是有区分的。锡膏量的要求对每一种元件有很大的不同。密间距元件要求比标准表面贴装元件少得多的焊锡量。焊盘面积和厚度控制锡膏量。 一些工程师使用双厚度的模板来对密脚元件和标准表面贴装焊盘施用适当的锡膏数量。其它工程师采用一种不同的方法 - 他们使用不需要经常锋利的更经济的金属刮刀。用金属刮刀更容易防止锡膏沉积量的变化，但这种方法要求改良的模板开孔设计来防止在密间距焊盘上过多的锡膏沉积。这个方法在工业上变得更受欢迎，但是，使用双厚度印刷的橡胶刮板也还没有消失。 模板(stencil)类型 重要的印刷品质变量包括模板孔壁的精度和光洁度。保存模板宽度与厚度的适当的纵横比(aspect ratio)是重要的。推荐的纵横比为1.5。这对防止模板阻塞是重要。一般，如果纵横比小于1.5，锡膏会保留在开孔内。除了纵横比之外，如IPC-7525模板设计指南所推荐的，还要有大于0.66的面积比(焊盘面积除以孔壁面积)。IPC-7525可作为模板设计的一个良好开端。 制作开孔的工艺过程控制开孔壁的光洁度和精度。有三种常见的制作模板的工艺：化学腐蚀、激光切割和加成(additive)工艺。 化学腐蚀(chemically etched)模板 金属模板和柔性金属模板是使用两个阳性图形通过从两面的化学研磨来蚀刻的。在这个过程中，蚀刻不仅在所希望的垂直方向进行，而且在横向也有。这叫做底切(undercutting) - 开孔比希望的较大，造成额外的焊锡沉积。因为50/50从两面进行蚀刻，其结果是几乎直线的孔壁，在中间有微微沙漏形的收窄。 因为电蚀刻模板孔壁可能不平滑，电抛光，一个微蚀刻工艺，是达到平滑孔壁的一个方法。另一个达到较平滑孔壁的方法是镀镍层(nickel plating)。抛光或平滑的表面对锡膏的释放是好的，但可能引起锡膏越过模板表面而不在刮板前滚动。这个问题可通过选择性地抛光孔壁而不是整个模板表面来避免。镀镍进一步改善平滑度和印刷性能。可是，它减小了开孔，要求图形调整 激光切割(laser-cut)模板 激光切割是另一种减去(subtractive)工艺，但它没有底切问题。模板直接从Gerber数据制作，因此开孔精度得到改善。数据可按需要调整以改变尺寸。更好的过程控制也会改善开孔精度。激光切割模板的另一个优点是孔壁可成锥形。化学蚀刻的模板也可以成锥形，如果只从一面腐蚀，但是开孔尺寸可能太大。板面的开口稍微比刮板面的大一点的锥形开孔(0.0010.002，产生大约2的角度)，对锡膏释放更容易。 激光切割可以制作出小至0.004的开孔宽度，精度达到0.0005，因此很适合于超密间距(ultra-fine-pitch)的元件印刷。激光切割的模板也会产生粗糙的边缘，因为在切割期间汽化的金属变成金属渣。这可能引起锡膏阻塞。更平滑的孔壁可通过微蚀刻来产生。激光切割的模板如果没有预先对需要较薄的区域进行化学腐蚀，就不能制成台阶式多级模板。激光一个一个地切割每一个开孔，因此模板成本是要切割的开孔数量而定。 电铸成型(electroformed)模板 制作模板的第三种工艺是一种加成工艺，最普遍地叫做电铸成型。在这个工艺中，镍沉积在铜质的阴极心上以形成开孔。一种光敏干胶片叠层在铜箔上(大约0.25厚度)。胶片用紫外光通过有模板图案的遮光膜进行聚合。经过显影后，在铜质心上产生阴极图案，只有模板开孔保持用光刻胶(photoresist)覆盖。然后在光刻胶的周围通过镀镍形成了模板。在达到所希望的模板厚度后，把光刻胶从开孔除掉。电铸成型的镍箔通过弯曲从铜心上分开 - 一个关键的工艺步骤。现在箔片准备好装框，制作模板的其它步骤。 电铸成型台阶式模板可以做得到，但成本增加。由于可达到精密的公差，电铸成型的模板提供良好的密封作用，减少了模板底面的锡膏渗漏。这意味着模板底面擦拭的频率显著地降低，减少潜在的锡桥。 结论 化学腐蚀和激光切割是制作模板的减去工艺。化学蚀刻工艺是最老的、使用最广的。激光切割相对较新，而电铸成型模板是最新时兴的东西。 为了达到良好的印刷结果，必须有正确的锡膏材料(黏度、金属含量、最大粉末尺寸和尽可能最低的助焊剂活性)、正确的工具(印刷机、模板和刮刀)和正确的工艺过程(良好的定位、清洁拭擦)的结合。锡膏的机械特性焊锡的三个基本的机械特性包括应力对应力特性、懦变阻抗和疲劳阻抗。 虽然应力可通过张力、压力或剪切力产生，大多数合金的剪切力比张力或压力要弱。剪切强度