SMT生产过程中的印刷通用工艺-毕业设计.doc

毕业设计报告（论文） 报告（论文）题目：SMT 生产过程中的印刷通用工艺 作者所在系部： 电子与控制工程学院 完 成 时 间 ： 2015 年 6 月 17 日 北华航天工业学院教务处制 北华航天工业学院电子工程系 毕业设计（论文）任务书 姓姓 名：名：专专 业：业： 班班 级：级： 学号：学号： 指导教师：指导教师：职职 称：称： 完成时间：完成时间： 2015.6.17 毕业设计（论文）题目：毕业设计（论文）题目： SMT 生产过程中的印刷通用工艺 设计目标：设计目标： 通过写这篇论文了解更多关于 SMT 生产过程中的印刷通用工艺的知识，对印刷有一个更 深层次的理解。 技术要求：技术要求： 1 了解焊膏的使用。 2 认识并了解印刷机。 3 能够分析出模板对印刷的影响。 4 能够找出并解决印刷缺陷。 所需仪器设备：所需仪器设备： 手动印刷机、半自动印刷机、全自动印刷机 成果验收形式：成果验收形式： 论文答辩 参考文献：参考文献： 表面组装工艺基础 、 现代电子产品工艺 、 电子工艺与课程设计 1 5 周-6 周立题论证 3 9 周-13 周导师更改 时间时间 安排安排 2 7 周-8 周准备论文 4 14 周-16 周论文答辩 指导教师指导教师： 教研室主任教研室主任： 系主任系主任： 北华航天工业学院毕业论文 I 摘 要 焊膏印刷是整个 SMT 中较为关键的一道程序，印刷工艺涉及到印刷机、焊膏、印 刷网版以及印刷过程和各种参数等诸多要素。印刷的好坏直接影响到电子产品的性能及 质量。随着电子技术的飞速发展，PCB 板电路的集成度和复杂度越来越高，贴片元件占 到了元件总数 5090。表面组装技术（SMT）已成为当今电子装联技术中最通用的 技术，而焊膏印刷是 SMT 基本工艺中的一道关键工序，其质量直接影响到 SMD 组装的 质量和效率。 在 SMT 中印刷主要依靠印刷机将焊膏印制在电路板上元件放置的焊盘上，再由贴 片机将电子元件贴装到电路板的焊盘上，利用焊膏的黏附性将元件暂时固定，接着进行 热熔焊接，焊膏在加热至一定温度时液化，并在重力和表面张力的作用下铺展，冷却后 便将原件与印刷电路板连接在一起焊点。印刷质量直接影响到表面组装元件的性能和可 靠性。焊焊膏印刷工艺技术是焊点质量和产品最终质量的保障。有关统计表明，SMT 生 产中 6070的焊接缺陷与焊膏的印刷有关，由此可见焊膏印刷的重要性。本文对 SMT 实际印刷工艺中常见的缺陷进行分析，得出降低印刷缺陷的具体方法，最终降低印 刷工艺对产品焊接的缺陷。 关键词 印刷工艺 SMT 锡膏 模板 北华航天工业学院毕业论文 II 目 录 第 1 章 绪论 .1 第 2 章 焊锡膏 .2 2.1 印刷焊膏的原理2 2.2 焊膏的分类2 2.3 焊锡膏的组成2 2.4 影响焊膏特性的主要参数3 2.5 焊膏使用时的工艺3 2.6 焊膏的选择5 2.7 施加焊膏的方法6 2.8 焊膏的储存7 第 3 章 贴片胶 .8 3.1 贴片胶的分类8 3.2 贴片胶的组成8 3.3 贴片胶的性能及其评估9 3.4 表面组装工艺对贴片胶的要求.12 3.5 贴片胶的使用工艺要求.12 第 4 章 印刷模板 14 4.1 模板概述.14 4.2 印刷模板类型.14 4.2.1 模板的结构 .14 4.2.2 金属模板的制造方法 .15 4.3 钢网设计.15 4.3.1 模板的开口尺寸 .15 4.3.2 模板的厚度 .15 4.3.3 钢网对锡膏的影响 .16 第 5 章 印刷机简介 17 5.1 印刷机的分类.17 5.1.1 手动印刷机 .17 5.1.2 半自动印刷机 .18 北华航天工业学院毕业论文 III 5.1.3 全自动印刷机 .19 5.2 印刷机的作用.20 5.3 印刷机的工作原理.20 5.4 焊膏印刷工艺.20 5.5 影响焊膏印刷的主要工艺参数.25 第 6 章 常见的印刷缺陷及解决方法 28 6.1 少锡.28 6.2 错位.29 6.3 塌边.29 6.4 拉尖.30 6.5 多锡或焊膏厚度偏大.31 第 7 章 结论 33 致谢 34 参考文献 35 北华航天工业学院毕业论文 1 SMT 生产过程中的印刷通用工艺 第 1 章 绪论 从 20 世纪 60 年代问世以来，历经五十余年的发展，已经进入崭新的成熟阶段，不 仅成为现代电子组装技术的主流，而且将继续向高精度高密度的技术发展。随着电子产 品制造技术的进步，微小型的片式单元代替了原有的晶体类电子元器件。由于 SMT 组 装的电子产品在体积、性能、功能以及价位等方面具有综合优势，故作为新兴的电子组 装技术，SMT 已经广泛地应用到电子产品组装的各个领域。 随着元件封装的飞速发展，越来越多的 PBGA、CBGA、CCGA、QFN、0201 和 01005 阻容元件等得到广泛应用，表面贴装技术亦随之快速发展，在其生产过程中，焊 膏印刷对于整个生产过程的影响和作用越来越受到工程师们的重视。获得好的焊接质量， 首先要重视的就是焊膏的印刷。生产中不但要掌握和运用焊膏印刷技术，并且要求能分 析其中产生问题的原因，并将改进措施运用回生产实践中。印刷机是用来印刷焊膏或贴 片胶的。印刷机将在 PCB 的焊盘上施加适量的焊膏，这样就能够使贴片元器件与 PCB 相对应的焊盘达到良好的电气连接，而且机械强度也会达到要求的相应值。印刷在保证 SMT 质量方面起着非常重要的作用。根据相关资料我们得知，如果 PCB 设计、印刷板 与元器件质量都没有问题，那么在表面组装问题中出现的质量问题 70%都是在印刷工艺 方面。 本课题就从印刷工艺入手，讲述从焊膏到印刷机再到印刷后出现的缺陷等一系列的 有关印刷的问题。 北华航天工业学院毕业论文 2 第 2 章 焊锡膏 2.1 印刷焊膏的原理 焊膏和贴片胶都是触变流体，具有粘性。当刮刀以一定速度和角度向前移动时，对 焊膏（或贴片胶）产生一定的压力，推动焊膏（或贴片胶）在刮板前滚动，产生将焊膏 （或贴片胶）注入网孔或漏孔所需的压力，焊膏（或贴片胶）的粘性摩擦力使焊膏（或 贴片胶）在刮板与网板交接处产生切变力，切变力使焊膏（或贴片胶）的粘性下降，有 利于焊膏（或贴片胶）顺利地注入网孔或漏孔。刮刀速度、刮刀压力、刮刀与网板的角 度以及焊膏（或贴片胶）的粘度之间都存在一定的制约关系。因此，只有正确地控制这 些参数才能保证焊膏（或贴片胶）的印刷质量。 2.2 焊膏的分类 （1）按合金粉末的成分可分为：有铅和无铅，含银和不含银。 （2）按合金熔点分： 高温、中温和低温。 （3）按合金粉末的颗粒度可分为：一般间距和窄间距。 （4）按焊剂 的成分可分为：免清洗、有机溶剂清洗和水清洗。 （5）按焊剂活性可分为：R（非活性） 、 RMA（中等活性） 、RA（全活性） 。 （6）按黏度可分为：印刷用和滴涂用。 2.3 焊锡膏的组成 焊膏是由合金焊料粉、糊状焊剂和一些添加剂混合而成的具有一定粘性和良好触变 性的膏状体，焊膏的组成与功能见表 2-1。 （1）合金粉末 合金粉末是焊膏的主要成分。合金粉末的组成、颗粒形状和尺寸是决定焊膏特征以 及焊点质量的关键因素。目前最常用焊膏的金属组分为 Sn63Pb37 和 Sn62Pb36Ag2。常 组成功能 合金粉末元器件和电路的机械和电气连接 活化剂元器件和电路的机械和电气连接 粘接剂提供贴装元器件所需的粘性 润湿剂增加焊膏和被焊件之间润湿性 溶剂调节焊膏特性 触变剂改善焊膏的触变性 焊剂 其它添加剂改进焊膏的抗腐蚀性、焊点的光亮度及阻燃性能等 表 2-1 焊膏的组成与功能 北华航天工业学院毕业论文 3 见焊膏的金属组分、熔化温度与用途见表 2-2。 表 2-2 常见焊膏的金属组分、熔化温度与用途 熔化温度金属组份 液相线固相线 用途 Sn63Pb37183共晶适用于普通表面组装板不适用于含 Ag、Ag/Pa 材料电极的元器件 Sn60Pb40183188用途同上 Sn62Pb36 Ag2 179共晶适用于含 Ag、Ag/Pa 材料电极的元器件 （不适用于水金板） Sn10Pb88 Ag2 268290适用于耐高温元器件及需要两次再流焊表 面组装板的首次再流焊（不适用于水金板） Sn96.5Ag 3.5 221共晶适用于要求焊点强度较高的表面组装板的 焊接（不适用于水金板） Sn42Bi58138共晶适用于热敏元器件及需要两次再流焊表面 组装板的第二次再流焊 （2）焊剂 焊剂是净化焊接表面、提高润湿性、防止焊料氧化和确保焊膏质量以及优良工艺性 的关键材料。焊剂的组成对焊膏的拓展性、润湿性、塌落度、粘性变化、清洗性、焊珠 飞溅及储存寿命均有较大的影响。焊膏中焊剂的主要成分和功能见表 2-3。 表 2-3 焊剂的主要成分和功能 焊剂成分使用的主要材料功能 树脂松香、合成树脂净化金属表面、提高润湿性 粘接剂松香、松香脂、聚丁烯提供贴装元件所需的粘性 活化剂胺、苯胺、联氨卢化盐、硬 脂酸等 净化金属表面 溶剂甘油、乙醇类、酮类调节焊膏工艺特性 其它触变剂、界面活性剂、消光 剂 防止分散和塌边、调节工艺性 2.4 影响焊膏特性的主要参数 （1）合金焊料成份、焊剂的组成以及合金焊料与焊剂的配比 合金焊料成份、焊剂的组成以及合金焊料与焊剂的配比是决定焊膏的熔点、焊膏的 印刷性、可焊性以及焊点质量的关键参数。焊膏的合金组分应尽量达到共晶或近共晶。 由于共晶焊料有共晶点，当温度达到共晶点时焊料全部呈液相状态，因此焊点凝固时形 成的结晶颗粒最致密，焊点强度最高。 北华航天工业学院毕业论文 4 合金焊料与焊剂的配比是以合金焊料在焊膏中的重量百分含量来表示的。合金焊料 重量百分含量直接影响焊膏的黏度和印刷性，因此要根据不同的焊剂系统以及施加焊膏 的方法选择合适的合金焊料重量百分含量。一般合金焊料百分含量在 75%90%。Sn/Pb 合金二元晶相图如图 2-1 所示。 免清洗焊膏和模板印刷工艺用的合金焊料百分含量高一些，一般在 85%90%；滴涂 工艺用的合金焊料百分含量低一些，一般在 75%85%。 图 2-1 Sn/Pb 合金二元晶相图 （2）合金焊料粉末颗粒尺寸、形状和分布 焊料合金粉末颗粒尺寸、形状及其均匀性是影响焊膏性能的重要参数，会影响焊膏 的印刷性、脱模性和可焊性。细小颗粒的焊膏印刷性比较好，特别是对于高密度、窄间 距的产品，由于模板开口尺寸小，必须采用小颗粒合金粉末，否则会影响印刷性和模性。 一般焊料颗粒直径约为模板开口尺寸的 1/5。小颗粒合金粉的焊膏印刷图形清晰度高， 但容易塌边，由于细小颗粒的表面积大，被氧化的程度和机会也多，因此，组装密度不 高时，在不影响印刷性的情况下可适当选择粗一点的合金粉末，既有利于提高可焊性， 又可降低焊膏的成本。 合金粉末的形状也会影响焊膏的印刷性、脱模性和可焊性。球形颗粒的合金粉末组 成的焊膏粘度较低，印刷后焊膏图形容易塌落，印刷性好，适用范围广，尤其适用于高 密度窄间距的丝网与金属模板印刷。球形颗粒的表面积小，含氧量低，焊点光亮，有利 于提高焊接质量。因此目前一般都采用球形颗粒。不定形颗粒的合金粉末组成的焊膏粘 度高，印刷后焊膏图形不易塌落，而且不定形颗粒的尺寸大，印刷性较差，只适用于组 装密度较低的金属模板及较粗的丝网印刷。另外由于不定形颗粒的表面积大，含氧量高， 影响焊接质量和焊点亮度。因此目前一般都不采用不定形颗粒。但由于不定形颗粒的加 工成本较低，因此在组装密度不大、要求不高以及穿心电容等较大焊接点的场合可以应 用。 合金粉末颗粒的均匀性也会影响焊膏的印刷性和可焊性，所以要控制较大颗粒与微 粉颗粒的含量。大颗粒影响漏印性，过细的微粉颗粒在再流焊预热升温阶段容易随溶剂 北华航天工业学院毕业论文 5 的挥发飞溅，形成小锡珠。因此小于 20m 的微粉颗粒含量应控制在 10%以下。 （3）粘度 焊膏是一种触变性流体，在外力的作用下能产生流动。粘度是焊膏的主要特性指标， 它是影响印刷性能的重要因素。粘度太大，焊膏不易穿出模板的漏孔，会导致印出的图 形残缺不全。 影响焊膏粘度的主要因素有：合金焊料粉的百分含量、合金粉末颗粒大小和温度。 合金焊料粉含量高，粘度就大；焊剂百分含量高，粘度就小。合金焊料粉含量与粘度的 关系如图 2-2 所示。合金粉末颗粒尺寸增大，粘度减小；粉末颗粒尺寸减少，粘度增加。 合金粉末颗粒大小对粘度的影响如图 2-3 所示。温度增加，焊膏粘度减小；温度降低， 焊膏粘度增加。温度对粘度的影响如图 2-4 所示。 图 2-2 合金焊料粉含量与粘度的关系图 2-3 合金粉末颗粒大小对粘度的影响 图 2-4 温度对粘度的影响 （4）触变指数和塌落度 焊膏是触变性流体，焊膏的塌落度主要与焊膏的粘度和触变性有关。触变指数高， 塌落度小；触变指数低，塌落度大。触变指数和塌落度主要和合金焊料的配比，即合金 粉末在含高中的重量百分含量有关，还与焊接载体中的触变剂性能和添加量有关。 （5）工作寿命和储存期限 工作寿命是指在室温下连续印刷时，焊膏的粘度随时间变化小，焊膏不易干燥，印 刷性（滚动性）稳定，同时焊膏从被涂敷到 PCB 上后至贴装元器件之前，以及再流焊时 不失效的时间长短。一般要求在常温下放置 1224 小时，至少 4 小时，其性能保持不变。 储存期限是指在规定的保存条件下，焊膏从出厂到应用，其性能不会严重降低、能 够不失效的正常使用前的保存期限。一般规定在 210下保存一年，至少 36 个月。 北华航天工业学院毕业论文 6 2.5 焊膏使用时的工艺 （1）使用方法（开封前） 开封前须将焊膏温度回升到使用环境温度上（232） ，回温时间为 612 小时， 并禁止使用其他加热器使其温度瞬间上升的做法；回温后须充分搅拌，使用搅拌机的搅 拌时间为 34 分钟，视搅拌机机种而定。或者手动使用搅拌刀顺着一个方向搅拌 23 分 钟，然后用搅拌刀挑起小许焊膏，让焊膏自然落下，焊膏慢慢逐段落下，则搅拌充分。 （2）使用方法（开封后） a.将焊膏约 2/3 的量添加于钢网上，尽量保持以不超过 1 罐的量于钢网上。b.视生产 速度，以少量多次的添加方式补足钢网上的焊膏量，以维持焊膏的品质。 c.当天未使用完的焊膏，不可与尚未使用的焊膏共同放置，应另外存放在别的容器 之中。焊膏开封后在室温下建议 24 小时内用完。 2.6 焊膏的选择 主要根据产品本身的价值和用途、表面组装板的组装密度、PCB 和元器件存放时间 和表面氧化程度、生产线工艺条件等实际情况来选择焊膏。不同的产品要选择不同的焊 膏。 焊膏合金粉末的组分、纯度及含氧量、颗粒形状和尺寸、焊剂的成分与性质等是决 定焊膏特性以及焊点质量的关键因素。 （1）根据产品本身的价值和用途选择。高可靠性的产品需要高质量的焊膏。 （2）根据 PCB 和元器件存放时间和表面氧化程度来选择焊膏的活性。一般采用 RMA 级；高可靠性产品、航天和军工产品可选择 R 级；PCB、元器件存放时间长，表 面严重氧化，应采用 RA 级，焊后清洗。 （3）根据产品的组装工艺、印制板、元器件的具体情况选择焊膏合金组分。一般镀 铅锡印制版采用 63Sn/37Pb；钯金或钯银厚膜端头和引脚可焊性较差的元器件、要求焊 点质量高的印制板采用 62Sn/36Pb/2Ag；水金板一般不要选择含银的焊膏。 （4）根据产品（表面组装板）对清洁度的要求来选择是否采用免清洗。对免清洗工 艺要选用不含卤素或其它强腐蚀性化合物的焊膏；高可靠性产品、航天和军工产品以及 高精度、微弱信号仪器仪表以及涉及生命安全的医用器材要采用水清洗或溶剂清洗的焊 膏，焊后必须清洗干净。 （5）BGA 和 CSP 一般都需要采用免清洗焊膏。 （6）焊接热敏元件时，应选用含铋的低熔点焊膏。 （7）根据 PCB 的组装密度（有无窄间距）来选择合金粉末颗粒度。 北华航天工业学院毕业论文 7 2.7 施加焊膏的方法 施加焊膏的方法有三种：滴涂式（即注射式，滴涂式又分为手动和自动滴涂机两种 方法） 、丝网印刷和金属模板印刷。各种方法的适用范围如下： （1）手工滴涂法，手工滴涂法用于小批量生产，或新产品的模型样机和性能样机的 研制阶段，以及生产中修补，更换元件等。 （2）丝网印刷，丝网印刷用于元器件焊盘间距较大、组装密度不高的中小批量生产 中。 （3）金属模板印刷，金属模板印刷用于大批量生产、组装密度大以及有多引线窄间 距器件的产品（窄间距器件是指引脚中心距不大于 0.65的表面组装器件，也指长宽不 大于 1.60.8的表面组装元件。 ）由于金属模板印刷质量比较好，而且金属模板使用寿 命长，因此一般应优先采用金属模板印刷工艺。 2.8 焊膏的储存 （1）焊膏应以密封形式保存在恒温、恒湿的专用冷藏 柜内，有铅与无铅锡膏分开 储存。 （2）温度在约为（210），温度过高，焊剂与合金焊料粉起化学反应，使粘度 上升影响其印刷和焊接性能；温度过低（低于 0 ） ，焊剂中的松香会产生结晶现象， 使焊膏形状恶化，这样在解冻后会危及锡膏的流变特征。 （3）一般保存时间自生产日期起 6 个月。 北华航天工业学院毕业论文 8 第 3 章 贴片胶 贴片胶是应用于表面组装的特种胶黏剂，又称为表面组装用黏结剂、贴片胶，有些 地方还称为“胶水” 。之所以称为特种胶黏剂，这是因为它不仅能黏结元器件，而且具有 优良的电气性能和多种工艺性能。 3.1 贴片胶的分类 贴片胶按照分类方式的不同，分类如下： （1）按贴片胶的粘结材料分类 环氧树脂贴片胶； 丙烯酸树脂贴片胶； 改性环氧树脂贴片胶； 聚氨脂 贴片胶。 （2）按固化方式分类 热固化型贴片胶； 光固化型贴片胶； 光热双重固化型贴片胶； 超声固 化型贴片胶。 （3）按涂布方式分类 针式转移用贴片胶； 压力注射用贴片胶； 模板印刷用贴片胶。 3.2 贴片胶的组成 贴片胶通常由粘接材料、固化剂、填料以及其他添加剂组成。 粘接材料是贴片胶的核心，一般采用环氧树脂、丙烯般树脂、改性环氧树脂和聚氨 脂等作为粘接材料，其中环氧树脂用途最为广泛，其次为丙烯酸树脂。 固化剂的作用是使粘接材料以一定的温度在一定的时间内进行固化。不同的粘接材 料所使用的固化剂各不相同。环氧树脂粘接剂采用的固化剂常用的有胺类固化剂（如二 乙胶、二乙烯三胺等） 、酸酐类固化剂（如顺酐、苯酐等） 、咪唑类同化剂和潜伏性中混 同化剂。而丙烯酸树脂粘接剂则采用安息香甲醚类作固化剂。不同的固化剂材料其固化 温度、固化时间也各不相同。胺类固化剂可实现树脂室温固化，咪唑类固化剂可实现树 脂的中温固化，酸酐类固化剂可实现树脂的高温固化，而潜伏性中温固化剂，可实现树 脂在低温时几乎不发生化学反应，一旦遇到合适温度，如中温（l20150）时，树脂 和固化剂迅速发生反应，所以含伏性中温固化剂的贴片胶必须低温储藏，中温固化。贴 片胶所含固化剂不同，则固化方式也不相同。安息香甲醚固化剂只有在紫外光的照射下 才能固化，所以丙烯酸类贴片胶采用紫外光固化工艺；环氧树脂贴片胶采用热固化工艺。 填料的加入改善了贴片胶的某些特性，如电绝缘性能和高温性能得到增强，并具有 北华航天工业学院毕业论文 9 一定的剪切强度、良好的触变性能和粘度的可调性，使得贴片胶更好满足工艺要求。常 用的填料有硅微粉、氧化钵、三氧化二敏、甲基纤维素等。 贴片胶中除粘接材料、固化剂、填料外还需有其它添加剂来实现不同的目的。如加 入颜料以利于生产中进行观察；添加润湿剂，增加胶的润湿能力，以达到好的粘力；添 加阻燃剂以达到阻燃效果。所以常用的添加剂有颜料、润湿剂和阻燃剂。 3.3 贴片胶的性能及其评估 贴片胶的性能指标是评估各种贴片胶质量优劣的具体依据。了解贴片胶的性能就能 在生产中对所施加的贴片胶进行选择。 （1）粘度 粘度是贴片胶的一项重要指标，不同的粘度适用于不同的涂敷工艺。影响贴片胶粘 度的因素有二个：第一温度：温度越高，贴片胶的粘度越低；第二压力：压力越大，贴 片胶的剪切速率越高，粘度越低，温度和剪切速率对粘度的影响如图 3-1 所示。 粘度测试时应注意所选用的标准是否与供应商一致，特别是粘度计的型号、参数不 一样，测出的数据差别很大。一般采用旋转粘度计测定。首先选定适宜的转速，使读数 在刻度盘的 20%-80%范围内。将装有试样的容器放入粘度测试仪转子下，然后将转子垂 直浸入试样中心部位，并使液面达到转子液位线，旋转粘度计，读取指针在刻度盘上不 变时的读数。每个试样测定三次，取平均值（单位 Pas）。测试中应保持试样的温度恒 温，使试样温度与试验温度达到平衡，并保持试样温度均匀。 （2）屈服强度 贴片胶固化前抵抗外力破坏的能叫屈服强度，它用屈服值来表征。当外力小于屈服 图 3-1 温度、剪切速率对贴片胶粘度的影响 北华航天工业学院毕业论文 10 强度时，贴片胶仍保持固态形状，当外力大于屈服强度时会呈现流体的流动行为。故贴 片胶依靠屈服强度保持元件贴装后进入固化炉之前的过程中承受一定的外力震动而不出 现位移，一旦外力大于屈服强度，则元件出现位移。 影响屈服强度的因素，不仅与贴片胶本身的品质、粘接物表面状态有关，而且与贴 片胶涂布后的形状有关，常用形状系数表示，即胶点阳积直径 W 与胶点高度 H 之比， 屈服值胶点尺寸（W/H）关系如图 3-2 所示。形状系数越高，屈服强度越低，最佳 W/H 比为 2.74.5。 （2）涂布性 贴片胶的涂布性，主要反应在通过各种涂敷工艺所涂敷的胶点其尺寸大小、形状是 否合适，胶点是否均匀一致。胶点的形状和一致性取决于胶剂的流变学特性：屈服点与 塑性粘度。贴片胶的涂布性可以通过实际的涂敷工艺反映出来。在压力注射点胶工艺中， 贴片胶的涂布性反映在胶点外观光亮、饱满、不拉丝、无拖尾，并有良好的外形和适宜 的几何尺寸。在模板印刷中其涂布性反应在胶点的理想形状和实际形状基本一样，胶点 挺括，不塌陷。压力注射点胶工艺中，优良的胶点外形是尖峰形或圆头形，如图 3-3 所 示。尖峰形胶点的屈服值高，抗性好，但易发生拖尾现象，多用于胶量大的元件；圆头 形胶点屈服值偏低，易实现高速点胶，不易发生拖尾现象，多用于圆柱形元件。 （3）触变性 贴片胶应具有良好的触变性，涂敷后胶滴不变形，不塌落，能保到足够的高度，在 贴片后到固化前胶滴不漫流。 （4）粘接强度 粘接强度是贴片胶的关键性能指标。粘接强度有几个方面的要求： 在元件贴装后固化前，元件经历传输、震动后贴片胶能保持元件不位移。贴片胶 在固化前的粘接强度与它的初粘力有关，初粘力又称润湿力，是指元件粘合后不久（5 分钟内）所测得的剥离强度，它能迅速地粘牢被粘物，使元件贴装后能有效地被固定， 并具有一定的抗震动能力。在选择贴片胶时要考虑这一参数。 元件固化后贴片胶保持元件具有足够的粘接强度和剪切强度。这一强度与固化温 图 3-3 尖峰形和圆头形胶点 图 3-2 屈服值胶点尺寸（W/H）关系 北华航天工业学院毕业论文 11 度、固化曲线有关。通常元件经过固化后，用专用的推拉规来测其粘接强度。方法是推 拉规的测试端紧靠在被测元件的一个端面，保持推拉规和被测元件在同一平面，缓慢施 力于被测元件，并读取数据，如图 3-4 所示。各种元件粘结强度见表 3-1。 表 3-1 元件的粘接强度 元件名称 （英制） 060308053216SOT23钽电解 SOI C 焊料波峰冲 击时 粘接强度 （N） 1015202025302 在波峰焊时，固化后的贴片胶具有能保证元件不位移、不脱落的粘接强度。在 240-260温度下，贴片胶受到焊料波剪切力的冲击，承受短时间的焊接热，贴片胶的粘 接强度会降低，如图 3-5 所示。由于生产中时常发生 SOIC 元件引脚位置偏移或元件掉 片的现象，所以工艺师必须考虑这一参数，可通过高温位移试验来判断贴片胶的性能及 固化工艺的可靠性。 波峰焊后的贴片胶，已完成粘接使命。当 SMA 出现元件损坏时，要求贴片胶在 一定温度下，粘接力很低，便于更换不合格的元器件，而不影响 PCB 的性能。 （5）铺展/塌落性 贴片胶不仅要粘牢元件，还应具有润湿能力，即铺展性。但不应过分地铺展，否则 会出现塌落，以致漫流到焊盘上造成焊接缺陷。可通过铺展/塌落试验来考核贴片胶初粘 力及流变性。 （6）固化性能 贴片胶应能在尽可能低的温度，以最快速度固化。固化后胶点表面硬化、光滑。如 果贴片胶固化性能不好，一旦升温速度过快，贴片胶中夹杂的空气、水气以及挥发性物 质来不及挥发，就可能导致固化后的贴片胶出现表面不平滑、针孔和气泡，不仅影响粘 接强度，而且在波峰焊或清洗时，气泡或针孔会吸收助焊剂、清洗剂，从而导致电气性 能的降低。目前有些贴片胶的固化性能已达到 150下 3 分钟以内即能固化的水平。 （7）储存期和放置时间 储存期是指贴片胶的使用寿命。贴片胶按照储存条件和储存期进行储存，贴片胶的 图 3-5 高温下粘结强度下降图 图 3-4 推拉规测元件粘结强度 北华航天工业学院毕业论文 12 粘度、剪切强度和固化三项性能变化幅度应符合规定要求。通常要求在室温下储存 l1.5 个月，5以下储存 36 个月，其性能不发生变化，仍能使用。放置时间是指贴 片胶涂布到 PCB 上后，存放一段时间后仍应具有可靠的粘结力。 （8）电性能 固化后的贴片胶应具有优良电性能，如高频特性好，绝缘电阻高等。对所选的贴片 胶需做电气性能试验，试验包括：耐压、介电常数、介电损耗因数、体积电阻、表面电 阻、湿热后绝缘电阻和电迁移等。 （9）化学性能 贴片胶固化后不应腐蚀元器件和 PCB，与助焊剂、阻焊剂和清洗剂不应发生化学反 应。贴片胶固化后可进行耐溶剂性及水解稳定性试验以检验其耐助焊剂和清洗剂性能。 （10）安全性 贴片胶应无毒、无臭、阻燃、不具挥发性，对环境和人体安全无害，符合环保要求。 （11）防潮、防霉性. 对于严酷环境条件下使用的产品，所选的贴片胶还需防潮、防霉。 （12）外观和颜色 贴片胶的外观包装应完好，标志清晰，品种、型号、生产日期和制度指标明确。胶 体粘稠均匀、细腻、元异物、无粗粒，颜色明亮，如红色、黄色或白色，以便在进行目 测检查和自动检测中易于辨别。加入的颜色不应参与贴片胶的化学反应，而且色泽具有 稳定性。 3.4 表面组装工艺对贴片胶的要求 （1）具有一定的黏度，胶滴之间不拉丝；在元器件与 PCB 之间有一定的粘接强度， 元器件贴装后在搬运过程中不掉落。 （2）触变性好，涂敷后胶滴不变形，不漫流，能保持足够的高度。 （3）对印制板和元器件体无腐蚀，绝缘电阻高和高频特性好。 （4）室温使用寿命长（室温下固化速度慢）。 （5）在固化温度下固化速度快：固化温度要求在 150以下，5 分钟以内完全固化。 （6）固化后粘接强度高，能经得住波峰焊的 260高温以及熔融的锡流波剪切力的 冲击作用，在焊接过程中无释放气体现象，波峰焊过程中元件不掉落。 （7）有颜色，便于目视检查和自动检测。 （8）应无毒、无嗅、不可燃，符合环保要求。 北华航天工业学院毕业论文 13 3.5 贴片胶使用工艺要求 （1）使用时应在前一天从冷藏柜内取出贴片胶，待其恢复到室温后方可使用。 （2）使用时注意胶的型号、粘度，根据当前产品的要求，注意跟踪首件产品，实际 观察、测试新换上的贴片胶的各方面性能。 （3）不要将不同型号、不同厂家的贴片胶互相混用，更换胶的品种时，一切与胶接 触的工具都应彻底清洗干净。 （4）点胶或印刷操作应在恒温下进行（23土 2） 。 （5）采用印刷工艺时，不能使用回收的贴片胶。 （6）需要分装的贴片胶，待恢复到室温后方可打开包装容器盖，防止水汽凝结。用 不锈钢棒将胶搅拌均匀，待贴片胶完全无气泡状态下装入清洁的注射管。管不要装得太 满（2/3 体积） ，进行脱气泡处理添加完贴片胶后盖好容器盖。为了防止贴片胶硬化或变 质，搅拌后的贴片胶应在 24 小时内使用完，剩余的贴片胶要单独存放，不能与新胶混在 一起。 （7）压力注射滴涂时，应进行胶点直径的检查，一般可在 PCB 板的工艺边处设 1-2 个测试胶点，经常观察固化后胶点直径的变化，对使用的贴片胶品质真正做到心中有数。 （8）点胶或印刷后及时贴片，并在 4 小时内完成固化。 （9）操作者应尽量避免贴片胶与皮肤接触，不慎接触时应及时用乙醇擦洗干净。 北华航天工业学院毕业论文 14 第 4 章 印刷模板 4.1 模板概述 模板是焊膏印刷的关键部件，也是影响印刷工艺的因素之一。模板（Stencils）又称 为漏板或网板，它用来定量分配焊膏，是焊膏印刷的关键工具之一。由于焊膏的印刷来 源于丝网印刷技术，因此早期的焊膏印刷多采用丝网印刷。但由于丝网制作的漏板，其 窗口开口面积要被丝网本身占用一部分，即开口率达不到 100%，不适合于焊膏印刷工 艺，故很快被镂空的金属板所取代。此外，丝网漏板的使用寿命也远远不及金属模板， 所以现在基本上已被淘汰。 4.2 印刷模板类型 模板是表面组装工艺中的重要部件之一，其主要功能是将准确数量的印刷材料转移 到 PCB 光板上准确的位置。 4.2.1 模板的结构 模板其外框是铸铝框架（或铝方管焊接而成） ，中心是金属模板，框架与模板之间依 靠丝网相连接，呈“刚-柔-刚”的结构。这种结构确保金属模板既平整又有弹性，使用 时能津贴 PCB 表面。铸铝框架上备有安装孔，供印刷机上装夹之用，通常钢板上的图形 离钢板的外边约 50，以供印刷机刮头运行需要，丝网的宽度为 3040，以保证钢板 在使用中有一定的弹性。早期的模板也有采用直接将金属模板融合在框架上，但由于使 用过程中缺乏应有的弹性，现在已经少用。常用做模板的金属材料有锡磷青铜和不锈钢 两种。锡磷青铜模板价钱便宜，材料易得，特别是窗口壁光滑，便于漏印焊膏，但使用 寿命不及不锈钢模板长；不锈钢制造的模板坚固耐用，寿命长，但窗口壁光滑性不够， 不利于漏印焊膏，价格也较贵。目前这两类材料制造的漏板均有使用，但以不锈钢模板 多见。 4.2.2 金属模板的制造方法 （1）化学腐蚀法 化学腐蚀法制造金属模板是最早采用的方法，由于价廉，至今还普遍使用。其制作 过程是：首先制作两张菲林膜，上面的图形应按一定比例缩小；然后在金属板上两面贴 好感光膜，通过菲林膜对其正反曝光；再经过双向腐蚀，制得金属模板；最后将它胶合 北华航天工业学院毕业论文 15 在网框上，经整理后就可以制得模板。制作过程中要注意两点：一是图形的二次设计； 二是菲林膜正反对位的准确性。这道工序人为影响较大，经常会影响焊膏印刷精度。 化学腐蚀法由于存在侧腐蚀，故窗口壁光洁度不够，尤其对不锈钢材料效果较差， 因此漏印效果也较差。 （2）激光切割法 激光切割法制造模板是 20 世纪 90 年代出现的方法，它利用微机控制 CO2 或 YAG 激光发生器，像光绘一样直接在金属模板上切割窗口。 这种方法具有精度高、窗口尺寸好、工序简单、周期短（约 1h 一块）等优点。但当 窗口尺寸密集时，有时会出现局部高温，熔融的金属会跳出小孔，影响钢板的光洁度。 尽管如此，它的优越性仍是有目共睹的，特别图形精度高的场合是首选方法之一，是目 前不锈钢模板的主要制造方法。 （3）电铸法 随着细间距 QFP 的大量使用，对模板的质量要求也越来越高。无论是腐蚀法还是激 光法制作的漏板，在印刷细间距器件图形时，均会出现不同程度的堵塞窗口，或者经常 需要清洁模板底面，给生产带来不便。因此，又出现电铸法制造金属模板技术，其制造 方法与 其它方法不同，与刻蚀法相比，它是一个累加过程。具体做法是：在一块平整的 基板上，通过感光的方法制得窗口图形的负像（模板窗口图形为硬化的聚合感光胶） ，然 后将基板放入电解质溶液中，基板接电源负极，用镍做阳极，经数小时后，镍在基板非 焊盘区沉积，达到一定厚度后与基板剥离，形成模板。经整理，将其胶合到网框上。用 电铸法制造的模板精度高，窗口壁光滑，有利于焊膏在印刷时顺利通过。 但电铸法制造的模板价格昂贵，仅适合在细间距器件焊接产品中使用。目前，国外 用电铸法制造的模板尺寸已达到 400400，孔壁粗糙度在 0.005以下。 4.3 钢网设计 4.3.1 模板的开口尺寸 模板开孔的形状尺寸于电路板上焊盘的形状尺寸对焊膏的精密印刷是非常重要的。 模板上的开孔主要由电路板上相对应的焊盘外形尺寸所决定的。一般，模板上开口尺寸 =0.92焊盘尺寸。也有公司常采用 1:1 的尺寸大小。开孔过大，会造成焊膏的印刷量过 多，易产生桥连，包焊。而开孔过小，会产生焊膏印刷量过少，常常会造成炉后锡少、 虚焊。 4.3.2 模板的厚度 北华航天工业学院毕业论文 16 模板的厚度对焊膏的印刷工艺有着很大的关系，良好的印刷质量必须要求开孔尺寸 与模板厚度比值大于 1:5，否则焊膏印刷不完全。一般情况下，对 0.5mm 的引脚间距， 用厚度为 0.12mm0.15mm 的模；0.3mm0.4mm 的引脚间距，用厚度为 0.1mm 的模板。 模板的厚度决定焊膏在焊盘上的厚度，不同引脚间距的焊盘对焊膏印刷厚度不同。 模板厚度过厚，容易造成元器件细小间距的引脚桥连。模板过薄，造成印刷焊膏量不足， 其后果造成焊接强度不够，易造成故障。 4.3.3 钢网对锡膏的影响 细间距 IC，为防止应力集中，最好两端倒圆角，片状组件的防锡珠的开法最好选择 内凹开法，这样可以避免立碑现象，模板设计时，开口宽度至少保证 4 颗最大的锡球能 顺畅通过。 北华航天工业学院毕业论文 17 第 5 章 印刷机简介 5.1 印刷机的分类 随着电子行业的高速发展，SMT 在电子技术中应用的越来越广泛，焊膏印刷机随之 而生。印刷机的出现，让 SMT 电子装联工序的第一道工序效率大大提升。印刷机的发展， 对整个 SMT 有着至关重要的作用。 无论哪种印刷机，都是由机架、印刷工作台、模板固定机构、印刷头系统以及其他 保证印刷精度而配备的选件，如定位系统，擦板系统、测量系统等组成的。用于焊膏印 刷的印刷机品种很多，以自动化程度来分类，可以分为手动印刷机、半自动印刷机、全 自动印刷机三类。半自动和全自动印刷机可以根据具体情况配置各种功能，以提高印刷 精度。 5.1.1 手动印刷机 手动印刷机的各种参数和动作均需要人工调节与控制，通常仅用于小批量或者难度 不高的产品。 手动焊膏印刷机由夹持 PCB 的工作台、模板的固定机构和机械调整装置等部分组成，如 图 5-1 所示。 手动焊膏印刷机的漏板与印制电路板位置各种参数与动作均需人工调节与控制，刮 刀速度和刮刀压力需人工控制；漏板与印制电路板分离速度也是人工控制；所用到的刮 刀可以是聚氨酯刮刀，也可是金属刮刀；通常仅用于小批量生产或难度不高的产品。 图 5-1 半自动印刷机 北华航天工业学院毕业论文 18 5.1.2 半自动印刷机 半自动印刷机除了 PCB 装夹过程是人工放置以外，其余动作均由机器连续完成，但 第一块 PCB 与模版的窗口位置是通过人工来对准的。通常 PCB 是通过印刷机台面上的定 位来实现定位对准的，因此 PCB 版面上应没有高精度的定位孔，以供装夹用。 多数半自动印刷机和全自动印刷机都由夹持基板的工作台、印刷头系统、丝网或模 板以及模板的固定机构和保证印刷精度而配置的其他选件等部分组成，如图 5-2 所示。 （1）基本结构 1 夹持基板的工作台：包括工作台面、真空针定位夹持机构或边定位夹持机构和工 作台传输控制机构等。 2 印刷头系统：包括刮刀、刮刀固定机构和印刷头的传输控制系统等。 3 模板的固定机构。 4 为保证印刷精度而配置的其他选件：包括视觉对中系统、擦板系统及二维或三维 焊膏测量系统等。 （2）主要技术指标 半自动焊膏印刷机的主要技术指标有： 1 最大印刷面积根据最大的 PCB 尺寸确定。 2 印刷精度根据印制板组装密度和器件的引脚间距或 BGA 和 CSP 等器件球间距 的最小尺寸确定，一般要求达到0.025。 3 印刷速度根据产量要求确定。 （3）半自动焊膏印刷机的配置选择 1 当贴装元器件用到引脚间距小于 0.5 的 QFP 以及 BGA 和 CSP 等器件时，应配置 视觉识别系统，印刷时用于修正 PCB 加工误差。 2 可编程网版清洁器（干擦和湿擦）：用于清洁模板底部。 3 针定位和边定位两种定位装置。 图 4-2 半自动印刷机 北华航天工业学院毕业论文 19 4 网框适配器：用于小于印刷网框尺寸的模板。 5.1.3 全自动印刷机 全自动印刷机通过带有光学对中系统，通过对 PCB 和模板上的对中标志 （Fiducial Mark）的识别，可以实现模板开口与 PCB 焊盘的自动对中。印刷机一般的重 复精度可达到0.025mm，在配有 PCB 装夹系统后，能实现全自动运行。但印刷机的多种 工艺参数，如刮刀速度、刮刀压力、模板与 PCB 之间的间隙仍然需要人工来设定。 自动焊膏印刷机由机架、夹持基板的工作台、印刷头系统、PCB 定位与传送系统、 模板的固定系统、计算机控制系统和为保证印刷精度而配置的其他选件等部分组成，如 图 5-3 所示。 （1）基本结构 1 机架：用于支撑其它系统及结构。 2 PCB 定位系统：由传送导轨、磁性顶针、真空吸嘴和压紧装置等组成。 3 印刷头系统：包括刮刀、刮刀固定结构和印刷头的传输控制系统等。 4 精确的光学视觉系统和定位系统：用于印刷机的 Mark 点识别、工作台 X/Y/ 移动与校位、刮刀移动、刮刀 Z 轴运行的速度及精度和 PCB 宽度方向调节等。 5 钢网清洗系统：实现有效的自动清洗功能，能完成干清洗、湿清洗和真空清洗三 种清洗模式。 6 锡膏检查与分析系统：检查与分析锡膏印刷效果和质量。 （2）自动焊膏印刷机的主要技术指标 1 印刷精度。 2 重复精度。 3 印刷周期。 图 5-3 全自动印刷机 北华航天工业学院毕业论文 20 4 网框尺寸。 5 可印刷板尺寸。 （3）自动焊膏印刷机的配置选择 1 网版清洁器（干擦和湿擦）：用于清洁模板底部。 2 针定位和边定位两种定位装置。 3 网框适配器，用于小于印刷网框尺寸的模板。 4 焊膏的 3D 和 2D 检测系统。 5.2 印刷机的作用 印刷机是将焊膏印刷在电路板焊盘上的一种设备。主要是将焊膏（锡铅膏状物）涂 敷于 PCB 板上，使贴片工序贴装的元器件能够黏在 PCB 焊盘上。通常使用网版印刷， 采用黄铜或不锈钢钢片，在上面刻出图形，把焊膏印刷到电路板上，为下一步的贴装元 件及元件热熔焊接奠定基础。 5.3 印刷机的工作原理 由高精度的图像视觉系统精确识别并计算出 PCB Mark 与钢网 Mark 间的偏差值，由 PC 控制工作台完成校准；在印刷焊膏时，焊膏受刮刀的推力产生滚动的前进，所受到的 推力可分解为水平方向的分力和垂直方向的分力。当运行至模板窗口附近，垂直方向的 分力使粘度已降低的焊膏顺利地通过窗口可印刷到 PCB 焊盘上，当平台下降后便留下精 确的焊膏图形。 5.4 焊膏印刷工艺 自动印刷机金属模板印刷焊膏工艺 自动印刷机金属模板印刷焊膏工艺流程图如图 5-4 所示。 北华航天工业学院毕业论文 21 （1）印刷前准备工作 印刷前需要做如下准备工作： 熟悉产品工艺要求。 按产品工艺文件，领取经 检验合格的 PCB。如果发现领取的 PCB 受潮或受污染，应进行清洗、烘干处理。 准 备焊膏。按产品工艺文件规定选用焊膏；印刷前用不锈钢搅拌棒，将焊膏向同一个方向 连续搅拌均匀。 检查模板应完好无损，漏孔完整不堵塞。 设备状态检查。印刷前 设备所有的开关必须处于关闭状态；接通空气压缩机的电源。开机前要求排放积水。确 认气压满足印刷机要求（一般在 6kg/cm2） ；检查空气过滤器有无积水，有则放水；检查 模板清洁器容器内的酒精量，少于总容量的 1/3 应及时补充。 （2）开机 图 5-4 自动印刷机金属模板印刷焊膏工艺流程图 北华航天工业学院毕业论文 22 按如下顺序正确开机： 打开供气管道阀门，检查空气压力应符合印刷机要求。 打开印刷机电源开关。 打开 UPS 电源开关。 打开计算机开关。 等待屏幕提示 进入初始化。 （3）安装模板和刮刀 安装模板和刮刀按如下顺序进行： 先安装模板，后安装刮刀。 安装模板时应 将模板插入模板轨道上，并推到最后位置，一定要卡紧。 安装刮刀时应选择比 PCB 印刷宽度长 20mm 的不锈钢刮刀一付，并调节导流板的高度，使导流板的底面略高于刮 刀的底面。先装后刮刀，后装前刮刀。 注：印刷焊膏一般应选择不锈钢刮刀。特别是高密度印刷时，不锈钢刮刀有利于提 高印刷精度。 （4）PCB 定位 PCB 定位有边夹紧定位和针定位两种方法。目的是使 PCB 初步调整到与模板图形 相对应的位置上。 a.PCB 边夹紧定位的操作 PCB 边夹紧定位的操作步骤如下： 松开工作台的锁定装置。 将工作台上的 X、Y、 定位器设置为 0，工作台被定位在中心位置。 采用边夹紧定位时需要安装夹 持 PCB 的导轨和定位装置。可通过用卷尺及目测，大致确定 PCB 在工作台上的位置，使 前后导轨平行，然后拧紧导轨固定钮。 把左右顶块固定在印刷工作台面适当位置上， 将 PCB 定位在支撑导轨的中心。 将磁性平顶柱或针状顶柱均匀地排列在 PCB 底部以 下支撑 PCB。 把 PCB 放在磁性支撑柱上，先将 PCB 的后边缘紧贴后支撑导轨，再调 整前支撑导轨的位置，使 PCB 前、后导轨之间保留 1mm2mm 的间隙，并使导轨两端 刻度一致（使平行） ，拧紧导轨两端的固定钮。 调整左、右顶块上的滑动块的位置， 使 PCB 与左、右顶块之间保留 1mm2mm 的间隙。 松开导轨的锁定钮，调节两个支 撑轨的高度，用高度尺测量，同时用手抚摸 PCB 与导轨接触处的顶面，使两个导轨顶面 与 PCB 顶面高度一致，然后拧紧锁定钮。 用同样的方法调整左右顶块的高度。 注意：前、后导轨和左、右顶块的顶面绝对不能高于 PCB 顶面以防印刷时损坏模板 和刮刀。 b.PCB 针定位的操作 PCB 针定位的操作步骤如下：根据印制板上定位孔的位置，将针定位调节装置固 定在工作台的相应位置上。将真空支柱排放在 PCB 的底部左、右两端（印刷时真空支 柱起支撑并吸住 PCB 的作用） 。将磁性平顶柱和针状顶柱均匀地排列在 PCB 底部，以 支撑 PCB。 注意：双面贴装的 PCB，当印刷第二面时，注意各种顶针要避开已经贴装好的元器 件，不要顶在元器件上，以防损坏元器件。 （5）图形对准 北华航天工业学院毕业论文 23 图形对准是通过对工作台或对模板 X、Y、 的精细调整，使 PCB 的焊盘图形与模 板漏孔图形完全重合。究竟调整工作台还是调整模板，要根据印刷机的构造而定。目前 多数印刷机的模板是固定的，这种方式的印刷精度比较高。 图形对准的步骤如下：将 PCB 放在设置好的工作台上，注意 PCB 的方向与模板 印刷图形一致。边夹紧或气动针定位装置将 PCB 锁定在工作台上，并运行到印刷头和 模板下方。设置 PCB 与模板接触高度，并升起工作台，使 PCB 顶面刚好与模板底面 接触。进行图形对准，从模板顶部垂直向下看，并通过工作