SMT印刷参数与模板印刷制程质量的分析

2018-03-09 08:58阅读：

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SMT印刷工艺就是将焊膏压入模板开孔部的工艺，此时焊膏的旋转起着很大作用。通过刮刀移动焊膏时，在焊膏与印刷模板之间有摩擦力发挥作用，该摩擦力与焊膏移动方向相反。焊膏在该摩擦力的作用下会发生旋转，即滚动现象。一旦发生滚动现象，焊膏会经常碰撞滚动的前部，改变方向，并在滚动的前部产生压力，该压力就是将焊膏压入印刷模板的力。与此同时，通过滚动，在抬起滚动的分析也有力作用。因此，很多广州SMT贴片加工厂为了实现正确的印刷，都会适当控制将焊膏压入印刷模板开孔部的力以及抬起刮刀的力。这些力均属于印刷工艺参数，它们的正确设定和调整对印刷质量起着非常重要的作用。
一、刮刀材质
刮刀有金属刮刀和橡胶刮刀等，分别应用于不同的场合。对于橡胶刮刀而言，刀片太软会变形且易将较大模板开孔中的焊膏刮走，尤其是在压力较大情况下最易发生。低于洛氏硬度80的刀片是软刀片，常用的是洛氏硬度85~90的刀片。刮刀刀片与目标的角度越小，刀片的变形量就会越大，这样印刷时就会造成目标与基板无法解除从而使焊膏沉积过量，甚至无法将目标上的焊膏刮干净。如果这一角度过大，则可能无法使焊膏在模板上滚动。刮刀如果不水平的话，其刀片解除模板时，会形成不一致的压力，将总有一边压力不能满足要求从而造成印刷不一致。
1、橡胶刮刀
橡胶刮刀的材质比较柔软，在对其施加一定压力后，刮刀的前部易产生一定的变形。经过实践，我们发现橡胶刮刀随着压力的增加，其变形量增加幅度相当明显，相对应的焊盘内所印刷的锡膏量也

有大幅度减少，线性变化程度非常明显。
上述情况，焊盘面积与PCB面积越大越明显。在焊膏的滚动中，刮刀会出现前部抬起，如果在焊膏的滚动中抬起刮刀前部，刮刀前部与印刷模板之间将测试间隙，印刷模板上回出现残留焊膏。
2、金属刮刀
由于金属刮刀刀片的变形量比较均匀，随压力变化较小，所以其线性变化比较弱。但金属刮刀刀片也存在一定的缺点，那就是对模板内锡膏填充效果没有橡胶刮刀好。
二、刮刀速度
刮刀速度与刮刀角度为控制压入力的两个基本因素。所谓刮刀速度的最佳设定，就是将焊膏设定为使其在印刷模板上不滑动，而滚动移动的设定。刮刀速度可在10~150mm/s范围内变化，一般为25~50mm/s之间，间距小于0.5mm的QFP为20~30mm/s，超细细间距为10~20mm/s，一为12.7mm/s。值得注意的是，由于橡胶刮刀进行较大间距印刷或较大压力印刷时，变形会形成刮坑导致印刷量不足，故橡胶刮刀印刷速度高于金属刮刀，一般接近它的2倍。
如果刮刀速度过快，相对地焊膏碰撞刮刀前部的速度也较快，所产生力较大。考虑到此时刮刀通过开孔部的时间，即压入焊膏的时间较短，则最终结果是印刷中施加在整个开孔部的压力不变，即焊膏压入开孔部的数量也未变。一般印刷速度低，填充性好，不会产生刮刀后带拖现象。
三、印刷压力
施加在刮刀上的力称之为印刷压力，如果此力过大，刮刀前部将变形，并对压入力起重要的刮刀角度产生影响。
印刷压力通常应与焊膏滚动所产生的压力相同，一般可在2~9kg范围内设定，过大会发生塌心和渗漏缺陷，此外，由于焊膏滚动所产生的力随供给焊膏量的变化而变化，操作人员需在SMT贴片加工印刷过程中不断适当调整最佳值。
目前业界普遍把刮刀角度、刮刀速度、印刷压力认为是印刷过程中的主要工艺参数，这些参数的设置将直接决定印刷的质量。
四、刮刀角度
刮刀角度是刮刀垂直于水平面上，其刮刀刀片与水平面所形成的较小的角。目前业界普遍采用的刮刀角度为45度和60度。在这两种设计中，到底哪一角度才能获得较佳的印刷效果呢？下面从以下几个方面对45度刮刀和60度刮刀进行比选，确定更适合无铅制程的刮刀角度。
1、刮刀结构
1）刮刀外表面：45度刮刀外表面有v形凹槽，60度刮刀外表面较平整。
2）刮刀刀片：60度刮刀的刀片较宽于45度刮刀。前者为17cm，后者为11cm。
3）刀片的固定：45度刮刀的刀片固定较60度刮刀刀片的固定多了前挡片。
2、刮刀工作状况
1）滚柱
在斜边相等的情况下45度三角形形成的三角形面积大于60度三角形，也就是会有更多的锡膏存在于刀片的钢板形成的三角区域内减少了外滚柱锡膏的量。同时60度斜面上的物体比45度上相同质量的物体更易下滑，因此在刮刀垂直时沾附在上面的锡膏更易向下滑动有利于降低刮刀锡膏沾附量。因此60度刮刀形成的滚柱较45度的粗，同时刮刀刀片上的锡膏更易向下滑动。
2）平正
由于45度刮刀的刀片宽度小于60度刮刀刀片，在材料相同的情况下前者刀片的硬度大于后者。在印刷过程中，机器会给刮刀一个压力，由于前者较硬，不易产生形变，因此轻微的不平整也会对印刷制程较大的影响。所以在目视45度刮刀平整的情况下，使用刮刀发现有多处刮不干净，而60度刮刀不会发生这样的情况。
3）工作压力
在刮刀工作时机器会对其有一定的压力，在该压力下垫片会产生一定的形变。由于45度刮刀刀片较硬，在相同力的作用下，刮刀刀片部分不易产生形变，因此在刮刀刀片和模板不是完全平整的状况下，对局部的锡膏刮不干净很难克服或要达到相同的印刷效果会需要更大的压力。
4）刀片与模板的贴紧状况
通常情况下刮刀刀片与模板的贴紧状况受工作压力，刮刀刀片，模板状况，刮刀刀片与模板平整度差异，锡膏颗粒大小等因素的影响。在模板和锡膏不变的状况下，SMT贴片加工厂只需比较相同印刷效果时的压力大小。通过工作压力的比较，已经可以比较得出45度刮刀的贴紧度不如60度刮刀且较难克服刮刀与模板之间的平整差异。
5）由于45度刮刀在结构上所形成的死角较60度刮刀的多，而且死角较60度刮刀的低。因此在结构上更可能沾附更多的锡膏，同时不利于去除。因此45度刮刀上的残余锡量较多（60度刮刀残余锡量为37克，45度为45克）。
6）刮刀下锡量
在45度和60度斜面与水平面形成的夹角内，45度夹角对锡膏的下压力大于60度斜面对锡膏的下压力。同时在斜面面积相同的情况下，锡膏在水平面停留的时间，45度刮刀较60度刮刀长。由这两方面的影响，有利于锡膏对PCB板的渗透和吸附，因此45度刮刀下锡量会高于60的刮刀。
7）刮刀的清洁维护
从刮刀刀片结构上看，45度刮刀刀片的固定较60度刮刀刀片的固定复杂，且容易产生残留锡膏的死角，不利于清洁维护；从刮刀外表面结构上看，45度刮刀外表面结构类似W形容易残留异物可能影响因素品质，也不利于清洁维护。
通过以上比较、分析得出，目前选用60度刮刀较为合适。因为，它能更好的节省锡膏，且模板不会有更多的伤害。虽然，45度刮刀可能在下锡量上有更好的表现，但目前下锡量并不是印刷制程的大问题。
五、脱模速度
当基板下降时，由于焊膏的黏着力，使印刷模板所受的粘结力变大，形成挠曲。如果印刷模板挠曲变大，模板因挠曲的弹力要回到原来的位置。其结果就是在某个位置，模板因其弹力快速复位，抬起焊膏的周围，两端形成极端抬起的印刷形状，抬起高度与模板的挠度成正比。严重的情况下还会刮掉焊膏，使焊膏残留到开孔部内。脱模速度通常设定为0.3~3mm/s。在印刷时模板与PCB间隙小于0.5mm，脱模距离一般为3mm。而实际脱模速度由于模板变形速度的影响使得前半速度小而后半速度大。
六、刮刀走向
在进行SMT贴片加工印刷时，也还要考虑磨板开孔与刮刀走向的关系，当刮刀沿着磨板X或Y轴方向90°运行时，往往导致开孔不同走向的焊膏沉积量不同。经验表明，当开孔长度方向与刮刀刮印方向平行是焊膏填充性能好；开孔长度方向与刮刀刮印方向垂直时则焊膏的填充性能差，前者比后者的焊膏沉积厚度多30%。采用向量印刷可以解决这一问题，向量印刷可以在0~90°内以任意角度进行印刷，而当刮刀以45°方向进行印刷时可以明显改善焊膏在不同模板开孔走向上失衡现象，同时还可以减少刮刀对细小间距模板开孔的损坏。也可以采用调整开孔尺寸大小即垂直于刮刀行程方向的目标开孔尺寸比平行于刮刀行程方向的开孔略宽写，以获得相等的焊膏填充量。
七、清洗频率
印刷模板的清洗主要分为两种：一种是在线清洗；另一种是离线清洗。在线清洗的目的是清洗掉印刷模板与PCB板接触一面的残余焊膏。在线清洗的方式通常采用湿-真/干，即先湿擦再真空擦和干擦，湿擦的目的是将残余焊膏去除，而干擦是将助焊剂残余去除，真空擦是将有所模板开孔内的残余焊膏吸去。清洗频率根据不同的线路板而定，通常元件密集、焊盘间距小或有BGA的清洗频率要较快，可采用每印刷十块左右PCB板清洗一次，或根据印刷质量进行合理调整。
而离线清洗主要发生在三种情形下，一是SMT贴片加工生产线停线超过20分钟，若这时重新开线，由于焊膏在印刷网板上停留时间过长，部分焊膏凝结在印刷网板，肯堵塞印刷网板开孔，从而影响焊膏的印刷质量。二是仅采用在线清洗还不能完全保证质量，特别是有BGA时需定时离线清洗印刷网板，通常要求每两小时清洗一次。三十该产品生产任务完成，换其他产品时需清洗被换下的印刷模板。
八、其他方面
模板上焊膏量不足时，刀片在刮动时焊膏在模板上就不会滚动，从而造成焊膏不能良好沉积。一般模板上焊膏量最少要保证焊膏滚动时其直径在12.7mm~25.4mm之间。
印刷间隙不当，印刷间隙过大时，焊膏沉积会过量、偏离焊盘、不整齐等。间隙过小时可能沉积量不够。
环境温度不当，印刷时环境的变化会直接影响到焊膏的黏度。温度过高则黏度降低，会使焊膏沉积不整齐，易塌边。温度过低，焊膏黏度加大，会使模板孔壁粘上焊膏
模板框架不当，过小的模板框架在使用间隙印刷时，总会使模板的周边出现桥接和印刷不清晰的现象。框架的变形会使印刷无法间隙模板的周边绷紧不当，如果模板周边的网边太松或某一方向上绷得过紧的话，印刷时模板在平台X、Y方向上将产生位移，随着刮刀压力的增加，这种位移会增加。
操作不当，模板的清洗有干洗、湿洗和真空洗等多种方法。某些时候，清洗方法选择不当或清洗的频次不够可能造成印刷不良。
检验不当，检验的方法很多，有目视检验、脱机手工检验、脱机自动3D检验、印刷机在线检验、线内抽样检验及在线100%检验等多种，应根据需要去选择。忽略或不认真的检验是非常有害的，因为检验是发现问题的第一步。面议检验就不会发现任何问题，更不可能去纠正生产中实际已经存在的问题了。

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