现代电子装联工艺基础锡膏印刷与贴片

1、第 7 章锡膏印刷与贴片7.1锡膏7.2锡膏印刷7.3点胶7.4贴片锡膏印刷是SMT工艺的第一道工序， 其任务是在PCB的指定焊盘表面上涂布焊锡膏（简称锡膏， 焊膏）。 锡膏除了作回流焊的焊接材料之外， 在焊接之前还起着将随后贴放的表面贴装元器件SMC/SMD初粘在焊盘上的作用， 以免贴放后的元器件因工序间的传递和在回流焊时的振动而产生错位。锡膏印刷还是SMT的一道关键工序。 通过印刷， 实现了锡膏在PCB焊盘上的定量分配。 通常，不同尺寸的元器件引脚或焊端需要不同量的锡膏来焊接， 而电子装联密度的增加使PCB引线、 焊盘间距也在不断缩小， 如果锡膏的分配量过大， 或印刷后的锡膏形状出现倒塌、

2、 漫流等缺陷， 回流时就可能与相邻焊点的焊锡形成“桥连”， 从而造成短路。 因此， 锡膏定量分配时的精度、 形状等直接关系到最终组件的焊接质量。 印刷后， 理想的锡膏应当具有图7.1所示的形状。 据有关统计， SMT装联中的60以上的焊接缺陷来自于锡膏印刷（见图7.2）。 这一点对于包含0.5 mm以下细间距引脚的SMD贴装尤为明显。 因此， 提高锡膏的印刷质量就显得尤为重要。 图 7.1 良好的锡膏印刷质量图7.2 表面组装质量缺陷分布 贴片是指通过一定的方式将SMC/SMD准确贴放到PCB的指定焊盘位置上。 随着SMC/SMD向微型化和细引脚间距方向发展， 目前的贴片工作越来越依靠高精度的

3、自动化贴片设备来实现， 贴片机已成为SMT生产线上的关键设备， 它对装联的效率、 质量有着重要影响。 随着各种先进的贴片机设备的不断出现， 只要贴片机设备性能高、 功能强， 贴片时的操作得当， 贴片质量一般都有保证。7.1 锡 膏7.1.1 锡膏的基本组成锡膏是由焊料合金粉末和触变性的焊剂系统均匀混合而成的膏状焊接材料， 它具有一定的粘性和良好的触变特性（见图7.3）。 常温下， 锡膏可将贴放的电子元器件初粘在既定的焊盘位置上； 加热后， 锡膏会随着焊剂系统中的溶剂和部分添加剂的挥发、 焊料合金粉末的熔化发生再流， 从而使被焊元器件引脚和焊盘润湿， 并经冷却后形成永久连接的焊点。图7.3 焊锡

4、膏焊料合金粉末是锡膏的主要成分， 也是形成焊点连接的主要物质。 如前所述， 它对回流焊工艺设置、 焊接质量和焊点可靠性有着重要影响。 焊料合金粉末通常占到了锡膏重量的8590。 合金粉末的形状和尺寸是影响锡膏印刷性能的主要参数。 目前， 高质量的合金粉末都是用液态合金喷雾法， 通过高压将液态焊料合金喷入真空室中进行分解制成的， 所加工的合金焊粉具有均匀的球形外观、 光滑的表面和良好的流动性。合金粉末颗粒的尺寸对锡膏的印刷性影响较大。 在装焊细间距引脚元器件时， 通常要采用较小颗粒的合金粉末(其关系如表7.1所示), 否则会造成锡膏堵塞模板筛孔、 引起锡膏定量分配不当或形状缺陷等问题。 焊剂系统

5、主要由助焊剂、 粘接剂和触变剂等组成， 起着合金粉末的载体和增强锡膏的初粘性和印刷性的作用。 助焊剂通常由活性剂、 成膜剂、 润湿剂、 稳定剂和溶剂等组成， 在焊接时起着去除和防止氧化、 提高焊料的润湿性等作用； 粘接剂提供了在焊接之前初粘元器件所需要的粘性； 触变剂则用来促进锡膏印刷， 同时防止印刷后的锡膏分散、 塌落， 保证锡膏的印刷形状不变。焊剂系统通常占到了锡膏质量的810， 它对锡膏的润湿性、 粘度、塌落度以及焊接时的焊珠飞溅性、 焊后腐蚀性、 清洗性和锡膏的存储寿命等都有较大影响。焊剂系统常按助焊剂的性能分成弱活性（R型）、 中等活性（RMA型）和活性（RA型）等。 7.1.2 锡

6、膏的主要特性锡膏的主要性能体现在熔点、 密度、 粘度、 触变性和存储性等方面。 锡膏的熔点主要取决于焊料合金的组成与配比， 影响着回流焊的工艺设置和焊接性能。 粘度影响锡膏的印刷性、 初粘性。 粘度过大， 锡膏不易流入模板的漏孔中， 不利于锡膏的定量分配； 粘度太小，锡膏的初粘性不足， 元器件贴放后容易发生错位， 印刷后锡膏也容易发生漫流现象。 锡膏的焊剂系统因包含了大量的化学活性成分， 即使在常温下也易起化学反应， 因此其存储特性常会影响到锡膏质量。 通常要求把锡膏保存在恒温、 恒湿的冰箱中(010)， 并尽可能在36个月内使用掉， 以此保证锡膏性能处于最佳状态。 锡膏的印刷特性主要体现在锡

7、膏的流变特性上。 锡膏是一种粘稠的膏状流体， 其流动性遵循着流体的基本规律。 从流体的流动类型区分， 锡膏属于触变性流体（基本上与假塑性流体相同）， 具有触变特性。 粘度是影响其流动性的主要参数。 粘度是对流体流动时分子间的摩擦阻力的度量， 其定义为剪切应力与剪切率的比值， 单位为Pas。 因此， 粘度衡量了流体流动时的阻力。 粘度低的流体容易流动、 铺展， 粘度高的流体则不易流动。作为一种触变性流体， 锡膏的粘度随剪切率的增加而减小， 这一特性称为触变性。 保持剪切率为常数时， 触变流体的粘度将随时间的增加而减小直至趋于稳定（见图7.4）; 剪切率为零时， 触变流体又会逐渐恢复到初始的高粘度

8、状态, 锡膏印刷正是利用了这一特性（见图7.5）。 印刷时， 锡膏在刮刀的推力作用下， 随剪切速率的增加， 其粘度降低； 当锡膏到达模板漏孔时， 其粘度应降到最低值， 从而能顺利地从漏孔中流到PCB的焊盘上； 之后， 随着刮刀所施加的外力消失， 印刷到PCB上的锡膏的粘度又恢复到其初始值， 脱模后就会在PCB上留下精确的锡膏印刷图形， 并因此避免了锡膏图形的塌陷和漫流。 图 7.4 粘度随时间变化图7.5 印刷时锡膏的典型触变特性此外， 锡膏的粘度还受环境温度的影响（见图7.6）。 随着环境温度的增加， 其粘度值下降；温度降低则粘度增加。 为了控制锡膏的粘度， 通常要把印刷环境保持在一定的恒温

9、状态， 因为即使2的温度变化， 锡膏的粘度值也可能发生十几Pas以上的改变（与具体的锡膏配方有关）， 从而影响到锡膏的印刷质量。 当然， 在焊接高温下， 熔融锡膏的低粘度值是有利于液态焊料的铺展的。图 7.6 粘度随温度变化对锡膏粘度和其它各项性能的具体要求与所采用的印刷技术（设备、 刮刀和模板类型等）、 锡膏配方和牌号等有关。 使用时可参考锡膏生产厂家的推荐与说明。 从印刷的角度考虑， 由于锡膏的触变特性使其粘度达到最低稳定值需要一定的时间（也包括印刷后的粘度恢复过程）， 因此， 在较大的印刷过程中， 在刮刀的行程末端， 锡膏的沉积量要比开始时多一些。 7.2 锡 膏 印 刷锡膏印刷涉及锡膏

10、、 模板和印刷机三项要素。 三者的配合使用是高质量的印刷关键。 锡膏已在前一节中有所介绍， 印刷机则是电子装联工艺装备技术的主要内容。 本节主要介绍模板和印刷工艺。 锡膏的印刷过程如图7.7所示（PCB贴在模板的底面）。 模板安装在印刷机上， 并与工作台面相平行。 印刷前， PCB由真空或机械方式自动固定在工作台面并与模板背面贴在一起。 锡膏预先由人工摊放在模板上面。 印刷时， 刮刀从模板一端向另一端移动， 刮刀推动锡膏沿模板表面滚动， 并在刮刀压行下将锡膏压入模板漏孔中。 印刷后， 经取下模板（“脱模”）就会在焊盘表面留下定量分配的锡膏小堆（见图7.1）。图 7.7 锡膏印刷与模板局部照片7

11、.2.1 模板模板（Stencil）又称漏板、 钢板， 是实现锡膏定量分配的主要工具。 早期的锡膏印刷主要采用了丝网印刷技术。 由于丝网板易被锡膏堵塞难于清洗， 且使用寿命较低， 因此目前主要使用的是镂空的金属模板。 1. 模板结构金属模板一般采用0.080.2 mm厚度的金属薄板制成。 模板上开有许多镂空的开口（也称漏孔、 窗口）， 漏孔对应于PCB上需要印刷锡膏的焊盘图形。 印刷时， 通过在印刷机上将模板与PCB恰当定位后， 就可以进行锡膏印刷了。 金属模板有刚性和柔性两种形式。 刚性模板直接将模板主体固连在铝质边框上， 整体呈现一定的刚性而缺乏弹性。 柔性模板则通过丝网将模板主体与框架连

12、接， 使模板具有一定的弹性， 能够确保印刷时模板平整地紧贴在PCB的表面。 目前， 柔性模板使用的较为广泛。 模板一般采用弹性较好的锡青铜或不锈钢制成。 其中， 锡青铜的加工方便、 价格便宜， 漏孔孔壁光滑便于锡膏漏印， 但其使用寿命较短。 不锈钢模板价格较高， 漏孔的孔壁光滑程度也不及前者， 但使用寿命较长。 为了保证模板的柔性，丝网的宽度一般控制在3050 mm左右。漏孔孔壁的光滑程度直接影响模板脱模后的锡堆形状。 不光滑的孔壁还可能挂上锡膏， 当漏孔尺寸细小时， 下次印刷时可能将漏孔堵塞（见图7.8）。 因此， 良好的模板要求孔壁尽可能光洁， 保证锡膏顺利印刷和脱模。 目前， 金属模板主

13、要通过照像制版， 然后由化学腐蚀（Chemically Etched）、 激光切割（Laser Cut）或电铸（Electroformed）等方法加工， 各种方法加工的开口孔壁的光滑程度不尽相同。 图7.9所示为各种方法的加工示意以及相应的开口截面。 图 7.8 孔壁粗糙度对锡堆的影响（a） 孔壁不光滑时的情形; （b） 孔壁光滑时的情形图7.9 模板的三种加工方法及其漏孔开口截面（a） 化学腐蚀法; （b） 激光切割法; （c） 电铸法;（d） 化学腐蚀截面; (e） 激光切割截面; （f） 电铸截面化学腐蚀法是最早使用的模板加工及开口方法。 它依靠化学腐蚀进行漏孔加工， 无需昂贵的设备投资

14、， 加工成本相对低廉。 但腐蚀的时间太短， 孔壁可能有尖角； 时间太长时又可能扩大孔壁尺寸， 而且侧腐蚀也使孔壁的光滑程度不高。 激光加工法是目前最常用的开口手段。 它依靠激光能量熔化金属， 进而在板材上切出开口。其加工速度较化学腐蚀法快得多， 而且开口尺寸也好控制， 特别是所加工的孔壁呈一定的锥形（锥度约2）更易于脱模。 但当开口密集时， 激光产生的局部高温有时会使相邻孔壁变形， 而且通过熔化所形成的金属孔壁的粗糙度也不算高， 因此必要时还要进行孔壁修整。 此外， 激光加工法因需要专用的设备而提高了加工成本。电铸法是一个依靠金属材料（主要是镍）不断堆积、 累加形成金属模板的过程。 这种方法制

15、成的模板不仅开口尺寸精度高、 孔壁光滑， 有利于印刷锡膏的定量分配， 而且开口不易被锡膏堵塞， 从而减少了清洗模板的次数。 但其制造成本高， 制作周期也长。 随着小型化和极细引脚间距元器件的大量使用， 锡膏印刷对模板的尺寸精度和孔壁粗糙度要求越来越高。 然而， 无论是化学腐蚀法还是激光切割法加工的模板， 印刷时均会出现程度不同的开口堵塞现象， 需要经常地清洗模板（在印刷机上可设置模板印刷几次后进行自动清洗）。 因此电铸法成为细引脚间距元器件锡膏印刷模板的主要加工手段。 为了降低成本和缩短加工周期， 目前也有采用刀切高分子聚合物薄板的方法来加工模板。2. 模板尺寸模板厚度与漏孔的开口尺寸既决定了

16、锡膏在焊盘图形上的分配量和脱模时的难易程度， 也影响回流焊的焊接质量。 如果锡膏分配过量， 过多的焊料容易造成焊接时的“桥连” 现象（见图7.10）； 反之， 用量过少又会造成焊点强度不足或引起“虚焊”。 同样， 脱模不顺利时可能会破坏锡堆的形状， 甚至造成锡堆垮塌， 而对细引脚间距器件进行焊接时， 也有可能导致“桥连”出现。 图 7.10 “桥连”现象除漏孔孔壁粗糙度以外， 影响锡膏印刷质量（脱模质量）的模板参数主要是模板漏孔的宽厚比和面积比。 设L、 W、 T分别为漏孔开口的长、 宽和厚度（也即模板厚度）尺寸， 则宽厚比与面积比定义如下：通常要求宽厚比大于1.5， 面积比大于0.66。 这

17、样， 脱模时才不至于因孔壁对锡膏的粘性破坏锡堆的形状。模板的漏孔尺寸决定了锡膏的分配量， 并且漏孔尺寸与元器件的引脚间距和PCB的焊盘尺寸有关， 表7.2列出了其间的关系。 从元器件引脚间距考虑模板厚度时， 作为一般性的规律， 也可采用以下推荐值： 对标准元器件、 阻容元件和1.27 mm间距器件， 一般采用0.20.25 mm厚度的模板； 对0.64 mm间距器件， 采用0.2 mm的厚度； 对0.5 mm间距器件， 采用0.15 mm的厚度； 对细间距器件， 一般考虑采用0.1 mm厚度的模板； 对含有1.27 mm和0.5 mm引脚间距的混合组装情况， 可考虑采用0.150.2 mm厚度

18、的模板， 并通过调整开口的长宽尺寸加以修正。 模板厚度确定后， 还需要考虑漏孔形状和长宽尺寸。 对不锈钢模板， 漏孔宽度一般控制在模板厚度的1.5倍； 对钼箔模板， 这一关系可降到1.21.3倍。 就漏孔尺寸与PCB焊盘尺寸关系而言， 相对于焊盘尺寸， 减小开口宽度， 对获得优良的印刷和焊接质量也很重要。 漏孔宽度减小20， 会使锡膏不至于渗进焊盘和焊料掩膜之间的缝隙中。 图 7.11 实际印刷的锡堆局部实际印刷时， 长度方向与刮刀行程方向平行的漏孔， 其锡膏的填充性好一些； 与刮刀的行程方向相垂直的漏孔， 锡膏的填充性要差一些。 这是因为在漏孔开始的地方， 锡膏可能填充不实（见图7.11）。

19、 因此， 当漏孔的长度方向与刮刀的行程方向不平行时， 应考虑将漏孔的开口尺寸放大一点， 以获得必要的填充量。7.2.2 锡膏印刷工艺1. 工艺流程锡膏印刷的工艺流程如图7.12所示， 在目前的大批量生产中， 这一流程都是在锡膏印刷机上自动完成的。 图7.12 锡膏印刷工艺流程模板应在工作之前就已安装在印刷机上， 正式印刷前还要将锡膏从冰箱中取出， 经搅拌后铺在模板上。 其后就是连续的自动印刷过程： PCB通过生产线上的传送带依次被送到印刷机的工作台上； 对每个送进的PCB， 印刷机的光学图像识别系统对其自动找正、 定位， 保证模板上的漏孔与相应的PCB焊盘准确定位； 之后， 工作台上升将PCB

20、贴在模板底面， 刮刀下压并沿水平方向移动， 推动锡膏在模板表面滚动， 当锡膏经过漏孔时就被压入到漏孔当中； 刮刀走完整个行程后， 工作台下降实现脱模。至此， 一个PCB印刷结束， 传送带将其向SMT下一道工序（如点胶或贴片）继续传送， 而下一个待印刷的PCB又被送进到印刷机的工作台上开始新的印刷工作。 经过几次印刷之后， 模板漏孔可能会出现堵塞， 因此在经过几次PCB印刷之后， 印刷机还要自动清洗模板， 以保证印刷时模板上的漏孔没有锡膏堵塞的情况。 2. 填充与脱模锡膏的印刷过程包括了锡膏填充漏孔和脱模这两个关键动作。 锡膏的填充过程如图7.13 所示。 锡膏在印刷中因受到刮刀的推力作用而呈一

21、定的滚动态势向前运动。 刮刀的推力N可分解为水平和垂直方向的两个分力。 当锡膏到达模板漏孔时， 会在垂直分力的作用下被压入漏孔， 实现了对漏孔的填充， 即锡膏被印刷到了焊盘表面（见图7.13(b)）。显然， 为了保证锡膏的顺利填充， 锡膏需要维持一定的粘度和流变性质。图 7.13 锡膏印刷过程（a） 压刀;（b） 填充; （c） 印刷结束; (d） 脱模结果脱模时， 锡膏的受力如图7.14所示。 F1是PCB焊盘对锡膏的粘附力， F2是漏孔孔壁对锡膏的粘附力与摩擦力的合力。 为了将锡膏留在焊盘表面上， 显然要求F1F2。 图 7.14 脱模分析 当锡膏粘度确定以后， 假定锡膏与焊盘单位面积的粘

22、附力为1。 于是， F11 A1其中， A1是锡堆与焊盘的接触面积， 也即锡堆的底面积。 为了提高F1， 印刷时要求将锡膏压实填入漏孔中， 以免锡膏与焊盘接触不实并减少接触的面积。 F2则与孔壁表面的粗糙度和表面面积、 锡膏的流变特性等有关， 即 F2F摩擦F粘附其中， F摩擦是脱模时孔壁对锡膏的机械摩擦力， 为了减小F摩擦， 要求孔壁表面尽可能光滑， 减少脱模时的摩擦力和机械嵌合力等阻力的作用； F粘附是孔壁与锡膏之间的粘附力， 也可以写成 F粘附2 A2其中: 2是脱模时孔壁单位表面积对锡膏的粘附力， 同样由锡膏的粘度决定； A2是孔壁的表面积。 由于锡膏粘度是其所受剪切速率的函数， 脱模

23、时， 锡膏与孔壁接触的部分因受孔壁的摩擦作用（是一种剪切作用）， 粘度值会有一定的下降， 表现出21的特点， 从而有利于脱模(所选择的锡膏要求具有良好的触变特性， 使其在此摩擦力作用下粘度能够迅速下降)； 脱模后， 摩擦力消失， 于是又要求锡膏的粘度能够迅速恢复， 以使锡堆快速定型。 同样， 为了减少F粘附， 还要求控制开口孔壁的表面积A2。 这一般是在设计模板时， 通过控制面积比来实现的。3. 工艺参数及其影响锡膏的印刷质量通常会受锡膏特性、 模板和印刷机的工作参数等因素的共同影响， 这些因素若配合不当就会造成印刷缺陷。 锡膏的印刷工艺主要由印刷机来控制， 其工艺参数包括了刮刀结构、 角度、

24、 刮刀速度、 压力等。 它们与锡膏的印刷质量有直接的关系。 1) 刮刀刮刀主要由刀头及其固定支架构成， 固定支架可以带动刀头上下运动。 刀头的结构有菱形、 平面和片式拖尾等形式（见图7.15）。 图 7.15 常见刀头结构（a） 菱形; （b） 平面; （c） 片式拖尾刀头通常由聚氨酯或金属材料制成。 采用聚氨酯材料制成的刀头具有一定的弹性， 当材料硬度或刀头压力控制得当时， 刀头的弹性能将锡膏压实在漏孔当中； 但如果材料较软或刀头压力过大， 刀头经过模板开口发生了过大的变形恢复， 则将挤入漏孔的锡膏重新又（部分地）挤了出来（称做“挖锡”）， 使锡堆顶部呈凹陷状， 影响了锡膏填充量。 用不锈钢

25、、高硬度合金等金属材料制成的刀头则不会出现这种情况， 当在刀头涂上特富龙涂料后， 便增加了锡膏与刀头的润滑性， 使锡膏既易于被推入漏孔又不容易粘在刀头上， 无论模板上有较大的漏孔还是细间距的小漏孔， 金属刀头都适于印刷使用。聚氨酯刀头对模板的损伤小， 但使用寿命也短； 金属刀头的使用寿命长， 调整也方便， 但对模板有一定的损伤。 菱形和平面刮刀主要由聚氨酯材料制作， 其中菱形刮刀还可以实现双向刮印锡膏。 片式拖尾刀头主要用金属材料制作。 目前采用较多的刀头是平面和片式拖尾结构， 其共同特点是压力调整比较方便。 刀头的硬度一般在Hs70Hs90之间（邵氏硬度， Shore）。 不同形状和材料的刮

26、刀， 其印刷角度也不相同。 刮刀角度越小， 填充压力就越大， 对于较厚模板的印刷就越有利。 刮刀角度一般在4560的范围内选择。 2) 刮刀速度和刮刀压力刮刀速度受锡膏流变特性和锡膏流入漏孔的时间两方面因素的影响。 刮刀速度越快， 锡膏的粘度越小， 越有利于锡膏向漏孔中流入。 但过快的速度又使刮刀通过漏孔的时间缩短，反过来限制了锡膏向漏孔底部的充分流动。 因此， 刮刀速度应根据锡膏特性要求和漏孔尺寸综合考虑。 通常最大刮刀速度取决于PCB上SMD的最小引脚间距， 一般考虑在 1230 mm/s 之间选择。 同样， 增大刮刀的压力有利于将锡膏压入漏孔。 当压力过大时， 对聚氨酯材料的刮刀反而会产

27、生前述的“挖锡”现象； 而金属材料的刮刀则可能增加其与模板的磨损。 一般考虑将压力设定在0.5 kg/25 mm左右。 实际印刷中， 刮刀速度与压力常根据印刷机设备生产厂家提供的说明或通过试验方法进行确定。 3) 印刷间隙印刷间隙是指模板与PCB之间的垂直距离， 它影响印刷后锡堆的形状和高度。 印刷间隙越大， 印锡量增多， 但锡堆的形状可能会受到破坏。 一般考虑将其设置在00.07 mm之间。4) 脱模速度锡膏印刷后， 脱模速度， 即模板垂直脱离PCB的瞬时速度也是影响最终锡堆形态的一个因素， 这是由前述的锡膏流变特性决定的。 早期的印刷主要采用恒速分离， 在目前的精密印刷中， 脱模速度已经能

28、够进行控制， 使在脱模的初期有一个微小的停顿， 然后再接着脱模。7.3 点 胶由2.3节可知， 在双面混装工艺中， 一般先把片式元件粘接在PCB的背面焊盘上，翻板后，在PCB正面插装THT， 然后将整个组件送入波峰焊。 这样， 贴装在PCB背面的片式元件将直接浸入到锡波中进行焊接。 因此在这种装联工艺中， 要求片式元件不能掉落到锡槽中（见图2.10）。 并且， 即使在SMT双面组装中， 如果在PCB背面装联有大型的或较重的元器件， 一般也要先用贴片胶将其粘住， 以免二次回流焊时， 其焊点再熔引起器件因重力原因而掉落（见图2.12）。 因此， 贴片胶(也即粘接剂)就是用以把SMC/SMD粘接在P

29、CB的相应焊盘位置上， 保证元器件在焊接高温下也不会错位、 掉落的工艺性辅助材料。 贴片胶直接经历焊接高温， 甚至还要经受波峰焊中的锡波冲刷， 其性能特点和粘结质量对保证后续焊接具有重要意义。 贴片胶在工艺流程中的应用如图7.16所示。 图 7.16 贴片胶的应用（a） 点胶; （b） 贴片; （c） 固化; （d） 俯视图焊接过后贴片胶的作用也就完成了， 但它会存留在PCB与元件之间。 因此， 对贴片胶的要求是： （1） 固化具有不可逆特点， 即一经固化， 再次加热也不会完全熔化。 它应具有良好的热粘接强度， 满足焊接高温与波峰冲刷时的粘接要求。（2） 恰当的粘度和良好的涂布工艺性（如点胶）

30、。 涂布时， 胶点饱满且无拖尾、 拉丝现象； 元件贴放之后， 不会漫流污染焊盘， 因此要求贴片胶具有良好的成形特点。 同时还要有一定的初始粘接强度， 以保证固化前元件不会出现移位。（3） 易于（热）固化， 确保元器件贴放后能很快达到粘结强度； 固化时不产生气泡，以免破裂的气泡中进入腐蚀性溶剂。（4） 具有良好和稳定的物理、 化学性质， 如电气绝缘性， 无腐蚀性、 耐溶剂、 抗潮湿性等。 （5） 易于维修， 即在一定温度下可以软化， 以利于维修时拆卸元件。 7.3.1 粘接机理1. 粘接机理粘接是使粘接剂与被粘接材料形成必要的具有稳定机械强度体系的过程。 粘接作用发生在粘接剂相和被粘接相相互接触

31、的界面层上， 其实质是材料表面的重新结合。 这一点与焊接相类似。 从微观上分析， 粘接剂固化后， 粘接结构（一般称为粘接接头）按材料组成的分布梯度划分为五层（更复杂的， 还有九层结构理论）， 如图7.17所示。 图7.17 粘接结构示意图粘接界面层是形成粘接体系的主要结构， 与粘接强度直接相关。 界面层的形成依然与液态粘接剂对被粘材料的润湿有关。 通过润湿， 液态粘接剂与固体表面亲密结合并形成“纯净”的液-固两相界面。 随着粘接剂的固化， 两相界面也就发生了具有一定强度的结合。 关于界面层的厚度、 组织或化学结构， 与粘接剂、 被粘接物的成分以及伴随着润湿、 固化过程所发生的物理化学现象有关。

32、 如果从宏观上分析， 可以简单地把界面层直接看成是粘接剂相和被粘接材料相的结合面。 这样， 界面上的作用力就直接决定了两相层间的粘接强度。目前一般认为界面上的作用力有三类： 第一类为静力， 如“投锚”作用所形成的机械嵌合力以及摩擦力等， 理论上， 静力可以达到数个MPa的强度； 第二类为界面分子间的作用力， 即粘接剂与被粘接物相互接近至35A时， 由伦敦色散、 偶极与氢键等作用而产生的力，分子间力可以达到102103 MPa的结合强度； 第三类为化学键力， 即当粘接剂分子与被粘接物分子相互接近至13 时， 由于发生化学反应而形成化学键， 其结合强度理论上可以达到103104 MPa。 因此，

33、牢固粘接的前提是被粘接物表面能被液态粘接剂充分地润湿。 这样， 如果得到了理想的粘接， 界面的粘附强度将是十分可观的。 。然而， 以下几个因素决定了实际的粘附强度达不到理想值： （1） 以上三种力在一个粘接体系内可能同时存在， 但所起的作用随情况而变。 一般认为，分子间力是产生粘附力的最普遍的原因， 它对界面粘附强度的贡献比例较大。 要使界面粘附强度具备抗介质的腐蚀能力， 还必须引入必要的化学键。（2） 粘接过程分子间接触不良造成粘接界面上留有微孔缺陷等， 减少了粘接界面的面积并引起应力集中， 促使界面早期破坏。（3） 固化时， 由于界面存在的残余热应力和粘接剂的收缩应力也使得界面强度有所损失

34、。 因此， 为了得到良好的粘附强度， 就需要从粘接剂配方设计（引入必要的化学键、 改善粘接剂固化时的收缩应力和热应力等）到粘接工艺的实现上（保证良好的润湿， 以形成洁净的两相亲密结合的界面等）进行有效控制。2. 粘接破坏机制粘结体系的破坏类型也与图6.1所示的焊接体系破坏类似， 包括被粘结物破坏、 界面层（主要是胶层）的内聚破坏、 界面破坏和混合破坏等类型。 分析如下：从评价粘接体系的角度考虑， 被粘接物如果发生破坏就说明粘接本身具有足够高的强度，因此一般都力争出现这种情况。 内聚破坏和界面破坏则应尽力避免。 内聚破坏主要是粘接剂的内聚强度不足的结果， 需要重新选择粘接剂或更改配方设计； 界面

35、破坏则是粘接剂的润湿性较差或表面处理、 工艺实施不当造成的。 混合破坏一般能表示一个较好的粘接结果， 这时粘接强度主要由粘附强度和粘接剂的内聚强度决定。 由于界面层与其两侧的材质的不连续性， 使得外力作用下的应力分布也呈现了不连续的复杂情况。 当局部应力超过局部强度以后， 破坏可能首先在界面层或粘接剂中发生， 然后向另一方扩展， 最终导致混合破坏。 以上说明了粘接剂固化后， 粘接结构的破坏机制。 从中可以看出， 粘接强度同时受到界面粘附强度以及各材料自身内聚强度的影响。7.3.2 贴片胶不同牌号的贴片胶其成分可能有许多差别， 但是作为贴片胶基本成分的主体树脂（也称基料）， 主要还是一种或多种高

36、分子聚合材料。 因此， 高聚物的一般特性总会反映在贴片胶当中。 有关高分子材料的基本特性已在第6章中进行了介绍。 除了要求良好的润湿外， 粘接体系的力学性能（包括固化前的初始粘附强度和初始内聚强度）在很大程度上取决于粘接剂的内聚力， 而内聚力与粘接剂中主体树脂的分子结构以及粘接剂中的其它成分也密切相关。 这一点在表7.3中有所体现。 1. 贴片胶的主要成分贴片胶主要是由基料（主体树脂）、 固化剂、 增塑剂、 填料和其它助剂等成分组成。 具体如下：1) 基料基料是贴片胶能够起粘接作用的主要成分， 决定了贴片胶的主要特性， 也是区分贴片胶类别的标志之一。 一般贴片胶的基料都是高分子化合物， 如环氧

37、树脂、 聚氨酯树脂、 丙烯酸树脂等聚合物， 环氧树脂-丙烯酸脂类共聚物等。 基材的粘性主要由其分子结构决定， 并在固化剂的作用下， 通过胶的固化来实现的。 环氧树脂、 聚氨酯树脂是典型的热固性聚合物。 以此为基材的贴片胶在贴片后需要高温固化。 丙烯酸树脂则是光敏性聚合物， 这类贴片胶一般通过紫外光照射固化。 为了避免元器件的阴影遮挡影响到胶的固化， 一般要将贴片胶点在元件的边缘。 为了确保固化效果， 这类贴片胶中除了光固化剂外， 也常添加热固化性的过氧化物， 通过光与热的共同作用达到固化目的。 2) 固化剂一般来说， 液态基材只有一定的初粘性。 贴片胶只有完全固化后才能真正承受载荷， 完成预定

38、的粘接任务。 固化剂是贴片胶中用以促进基材固化的成分， 是贴片胶的另一项主要成分。 热固性贴片胶的固化剂(如二乙胺、 苯酐等)直接或通过催化剂将环氧树脂中的双氧基团打开， 进而交联， 使线性高分子化合物交联成体状结构而固化； 光敏性贴片胶中的固化剂(如丙烯酸类贴片胶中添加的安息香甲醚类固化剂)能在紫外光作用下激发出自由能， 促使丙烯酸类树脂中的双键打开， 进而交联， 完成胶的固化。 3) 填料使用填料的目的是改善胶的某些特性或赋予一些新的功能。 填料通常是一些中性或弱碱性化合物， 如二氧化硅、 碳酸钙、 铁红、 碳黑等无机化合物， 以及金属氧化物或某些矿物质等。 填料的主要作用包括： （1）

39、提高机械性能， 如提高胶的强度、 硬度、 尺寸稳定性、 降低收缩率等； （2） 减少接头应力， 如改善胶体与被粘接物在热膨胀系数和膨胀速率方面的差异， 减小固化过程中胶的收缩率等， 都能减小接头的内应力； （3） 改善操作工艺性， 如改善胶的触变性， 调节固化速度等； （4） 赋予胶的新功能， 如改善胶的导热性、 绝缘性和化学稳定性等。 4) 其它助剂为了实现不同的目的， 贴片胶中还可能包含如增塑剂、 颜料、 润湿剂、 阻燃剂、 稀释剂、 溶剂等成分。 这些成分往往不是粘接所必需的， 而是从使用或工艺性能上考虑所添加的。 例如， 增塑剂的作用在于削弱聚合物分子间的作用力， 从而降低软化温度，

40、减小熔体的粘度、 增加流动性， 改善胶的工艺性能和柔韧性等。 贴片胶的分类可以从不同方面考虑。 例如， 按基材考虑， 主要有环氧树脂和丙烯酸树脂两大类； 按固化方式有室温固化、 热固化和光固化等； 按涂布工艺区分， 有针式、 注射式和丝网印刷式等。 表7.4列出了部分贴片胶的主要成分与性能特点。 2. 贴片胶的性能要求贴片胶除要求具有一定的初粘强度（也称湿强度、 粘附性）和固化后的耐高温性能外（如在250下仍具有一定的粘结强度）， 还包括以下几项性能指标。1) 粘度粘度一般采用旋转粘度计测定， 这种方法测定的是动力粘度， 单位为Pas。 贴片胶要求具有一定的粘度和良好的粘度可调节性， 适应元器

41、件的初粘要求； 同时要保证点胶时不拉丝， 点胶后能够保持形状不塌陷、 漫流， 以免覆盖焊盘造成虚焊。 2) 剪切强度剪切强度是指采取搭接结构的试样在剪切破坏时， 搭接面上的平均剪应力值。 它评价了贴片胶固化后抵抗剪切破坏的能力， 也从一个侧面反映了粘结体系抵抗振动、 冲击的能力。 通常要求在(252)时， 固化后的贴片胶其剪切强度在610 MPa。 3) 触变指数在一定剪切速率作用下， 流体剪切应力随时间延长而减小的性能为触变性。 通常用触变指数来表征贴片胶的触变性。 触变指数是贴片胶在标准室温（232)时， 低转速时的粘度与高转速时的粘度之比值。 一般采用的是 2 r/m时的粘度与20 r/

42、m时的粘度比。 仍使用旋转粘度计测定粘度值。 采用压力注射点胶工艺时， 未加压时贴片胶应有较大的粘度， 以免从滴嘴自动流出； 加压后因粘度降低， 能够以一定的量滴出； 点胶后， 胶滴又恢复其高粘度状态， 保持一个良好的胶点形状。 4) 固化时间和温度固化时间是贴片胶通过化学反应获得粘接强度等性能所需要的时间。 一般要求具有较快的固化速度和适当的固化温度（如 5 min以内的固化时间和低于150的固化温度）， 以免对元器件造成热损伤。 5) 体积电阻率体积电阻率是在绝缘材料内部的直流电场强度与稳态电流密度的比值， 即单位体积内的体积电阻， 单位是cm， 表达式为RA/h， 其中， R为测得的试样

43、体积电阻()， A为测量电极的有效面积（cm2）， h为试样的平均厚度（cm）。 体积电阻率评价的是贴片胶的绝缘性能。 由于贴片胶一直存留在装联组件上， 因此要求具有一定的体积电阻率。6) 存储期存储期是指在一定条件下， 贴片胶仍能保持其操作性和规定性能的存放时间。 3. 贴片胶的评估除了上述基本指标外， 为了更好地选择和使用贴片胶， 一般要对购进的贴片胶进行一定的评估。 评估的内容一般包括了工艺和理化性能两部分， 评估的方式有外观评价、 查验出厂数据指标以及必要时的试验检测等。 典型的内容包括： 1) 涂布性通常用是否适合压力注射法点胶来评价贴片胶的涂布性。 一般要求点胶后， 胶点外观饱满，

44、不拉丝、 无拖尾现象， 并保持良好的外形和适宜的尺寸。 胶点的外形尺寸一般用形状系数来表征， 它是胶点底面直径D与胶点高度H之比。 最佳的形状系数D/H应在2.74.5 之间。 初粘强度一般与形状系数成反比， 即D/H值越小， 初粘强度越高。 但如果太小将减小有效粘接面积。 2) 铺展与塌落通过铺展/塌落试验可以评价贴片胶的粘度与流变行为。 一般要求贴片胶能够充分铺展、 润湿， 但点胶之后又不能过分流动， 避免漫流和胶点塌落。 3) 初粘强度与高温粘接强度初粘强度用以评价固化之前， 贴片胶对元器件的粘接强度， 而高温粘接强度则评估贴片胶在焊接温度下， 耐焊料冲击的能力。 一般可通过相应条件下的

45、剪切试验或推拉试验进行评估。 高温粘接强度还可以评估贴片胶在维修时， 元器件的可拆卸能力。 要求通过热吹风加热之后， 能够较方便地卸下元件。 4) 固化后外观胶点在固化后， 不应有针孔、 气泡， 以免溶入腐蚀性物质， 影响电气性能。 通过外观试验， 也能评价固化升温速率是否合适。 5) 电气性能试验用以评价贴片胶固化后对组件电气性能的影响。7.3.3 贴片胶的涂布与固化1. 贴片胶的涂布技术涂布贴片胶的过程就是将其从存储容器中均匀地分配到PCB的指定位置的过程。 通常是将胶点分配到元器件引脚所对应的焊盘之间的PCB板面上， 但要避免点胶和贴片后胶点漫流到焊盘上。 目前， 贴片胶主要是靠模板印刷

46、和压力注射等方法进行涂布， 早期的还有针式转移法。 这些方法主要都是通过相应的点胶设备来完成的。 1) 针式转移法针式转移法的操作过程如图7.18所示。 针头点阵对应于PCB上需要点胶的每一个位置。 点胶前， 针头点阵浸入胶槽中蘸上胶液， 再移至PCB上方对准、 然后按下， 提起后， 胶点就会在粘附力的作用下转移到PCB上， 从而完成点胶过程。 图 7.18 针式转移法点胶（a） 蘸胶; （b） 点胶; （c） 胶点针式转移法可以一次性完成点胶过程， 较适合大批量生成， 而且设备投资少， 技术成本低。 但其点胶量主要由针头直径、 针头浸入胶槽的深度和胶的粘度决定。 浸入深度和胶的粘度一般控制在

47、12 mm和7090 Pas左右。 因此， 胶量分配的精度难以精确控制， 点阵中可能需要不同直径的针头， 且对其难以灵活布置， 因此在现代化的企业中已基本淘汰了这种方式。2) 模板印刷法模板印刷法与锡膏印刷的原理基本相同， 也是通过刮刀将具有一定粘度的贴片胶从镂空的模板开口中漏印到PCB上。 采用模板印刷法的贴片胶粘度一般在300 Pas左右。 在这种方法中， 点胶量由开口尺寸、 模板厚度以及贴片胶的粘度、 流变特性决定， 并和锡膏印刷一样， 受模板开口质量、 刮刀压力及运动速度等因素影响。 但总的点胶精度比针式转移法高， 而且工艺过程也较简单， 可以利用企业已有的锡膏印刷机进行点胶涂布。 其

48、不足主要是贴片胶易受外界环境影响， 点胶后还需要即时清洗模板。 3) 压力注射法与以上两种方法不同， 压力注射法是一种逐点点胶的技术。 在计算机的控制下， 点胶针头依次移到PCB的指定位置， 在压缩空气的压力控制下， 将针管内的贴片胶点下（见图7.19）。 图 7.19 压力注射点胶压力注射法中， 点胶量由压力、 针管直径、 针头距PCB高度以及点胶时间、 贴片胶的粘度（一般为100150 Pas）和流变特性等决定。 贴片胶预先装在密闭容器内， 因而不再受环境的影响， 出胶量和点胶位置完全由计算机控制， 而且先进点胶机的点胶速度达到了每秒10点以上， 因此无论是多品种小批量还是大批量的PCB涂

49、胶均能胜任， 是目前采用最多的点胶方法。 良好的点胶质量要求胶点具有一定的轮廓尺寸， 胶点轮廓要求呈一定的圆头形状、 胶点高度大于焊盘厚度与元器件金属化端子层厚之和（也即要求元器件底部能够粘到胶点， 见图7.18(c)）。 这些除了与待粘结的元器件类型、 尺寸的要求有关外， 还与贴片胶粘度、 温度稳定性、 胶质的均匀性， 以及点胶机的工作参数等有关。 表7.5列出了元器件对胶点和点胶工艺参数的要求， 其中针头直径和针头与PCB的距离（点胶高度）决定了胶点的直径和高度， 因而也就决定了点胶量。 2. 贴片胶的固化在点胶、 贴片之后， 贴片胶要经过固化才能获得预期的粘接强度。 贴片胶的固化过程主要

50、是固化剂与主体树脂的化学反应过程（如聚合交联等）。 这一过程所需要的时间是固化时间。 根据催化反应的方法， 一般有热固化和紫外光/热固化两种形式。 1) 热固化以环氧树脂为主体树脂的贴片胶主要采用热固化方式。 按固化所使用的设备区分， 热固化有烘箱间断式和红外炉连续式两种。 烘箱固化时， 贴片后的PCB分批放在料架上， 然后推入已经恒温的烘箱内固化。 固化温度和时间主要由贴片胶的要求决定， 通常在150固化数分钟到十数分钟左右。 烘箱内通常带有风扇， 以使热量能够均匀分布。 红外炉固化可直接在红外回流焊机中进行， 无需添置专门的设备。 固化温度采取连续升温的方式进行。 由于贴片胶对特定红外波长

51、有较强的吸收能力， 因此固化时间较短， 热效率较高， 也利于生产线的流水作业。 采用红外炉固化之前， 一般需要作出炉温的升温控制曲线。 升温曲线包括升温速率和峰值温度及保持时间等要素， 这由固化反应特点决定。 一般峰值温度和保持时间决定了固化后的强度， 而升温速率则影响胶点是否出现针孔和气泡。 为了得到良好固化的升温曲线， 除了参考厂商提供的贴片胶固化曲线外， 还要结合实际PCB尺寸、 元器件数量、 大小等进行试验修正， 得出具体的升温曲线。 必要时， 可以在PCB光板上进行点胶、 固化， 然后观察胶点是否出现针孔和气泡。 2) 光固化热固化以丙烯酸树脂为主体的贴片胶主要采用这种方式在回流焊机

52、中进行固化。 这时， 胶点的一部分必须暴露在元器件的外侧。 外露的胶点部分在紫外光的照射下能够在一二十秒的时间内固化， 元器件底部的胶点部分则通过加热固化。 紫外光光源一般是23 kW的紫外灯。 在150条件下， 整个固化时间一般小于3分钟。 因此， 光固化热固化方式能耗少、 速度快， 更适合大批量生产。 紫外光照射过程中， 与空气中的氧作用会产生臭氧， 因此工作时必须注意场地的通风。 7.4 贴 片7.4.1 贴片任务贴片就是将SMC/SMD等表面贴装元器件从其包装结构中取出， 然后贴放到PCB的指定焊盘位置上， 从而实现元器件与PCB电路的物理结合， 英文将这一过程称为“Pick and Place”。 贴片是将SMC/SMD与PCB组成电路模块的必需过程。 所贴放的焊盘位置需是已涂敷了锡膏， 或虽未涂敷锡膏， 但在元器件所覆盖的PCB板面上已涂敷了贴片胶。 贴放后， 元器件依靠锡膏或贴片胶的粘附力初粘在指定的焊盘位置上。