引 言：随着电子产品的轻薄化微型化的发展，越来越多的密间距细微型元器件被应用到实际的生产中,如0.3BGA、0.25Connector  03015(公制)甚至0201（公制）等，这些器件对印刷品质的要求都非常之高，因此锡膏印刷已成为SMT生产中非常关键的工序，且印刷品质的好坏直接关系到PCB组装板的焊接质量。那么在焊膏印刷过程中如何才能将我们需要的焊膏适量且精准的转移到PCB上将是本文所要介绍的重点，本文从锡膏，网板，印刷机等三大因素再结合实际生产中的实例对焊膏印刷工艺进行概述解析。

关键词：焊膏；网板；印刷机；器件。

江苏米凯龙电子有限公司 --电铸钢网工艺流程介绍

1 焊膏介绍

1.1 焊膏的组成

简单来讲锡膏是由合金粉末和助焊剂和混合而成的具有一定粘性和良好触变性的膏体（图1），当其加热到一定温度后，随着溶剂和部分添加剂的挥发，合金粉融化使被焊元器件与焊盘连接在一起，经冷却可形成永久的焊点。

图1

焊膏的组成成分中助焊剂和合金粉末的体积比和质量比约为1：1和1：9；其中合金粉末主要起到连接Pad与元件可焊端的作用,合金的成分及比例决定着焊膏的特性及回流焊的峰值；助焊剂主要包含成膜物质，活性剂，触变剂，溶剂等物质等.助焊剂的三大功能：化学功能，除去被焊金属表面氧化物并在焊接过程中防止焊料和焊接物表面再氧化；热学功能，焊剂能在焊接过程中迅速传递能量，使被焊金属表面热量传递加快并建立热平衡，防止在焊接时出现因受热不均匀而引发的焊接缺陷；物理功能，焊剂有降低焊料表面张力的功能，有助于焊料与被焊金属之间的相互润湿，起到助焊的作用，焊接后还可以形成化学性质稳定的绝缘层，保护合金焊点。

 

1.2 焊膏的分类

按合金种类分为有铅焊膏（Sn63Pb37，Sn62Pb36Ag2）和无铅焊膏（Sn96.5Ag3.0Cu0.5，Sn96.5Ag3.0Cu0.5，Sn64Bi35Ag1，Sn42Bi58）；按活性剂分类为高活性RA，中活性RMA,低活性R型号；按熔融温度可分为高温焊膏（Sn-Ag-Cu合金系列,温度为217～227 ℃），中温焊膏（Sn-Bi-Ag合金，温度178 ℃）低温焊膏（Sn-Bi合金,温度约为138 ℃）

1.3 焊膏粒径

焊膏粒径在加工中并非都是理想的球形，他是有很多不规则形状的球体混合而成,多数近似圆形存在,所以我们通常将焊膏粒径理解为圆形，但允许其界定范围锡球长轴＜短轴的1.5倍，实际生产操作中一般取＜1.2倍以下。

随着电子元器件越来越小型化，精密化，网板和焊盘的尺寸也越来越小，随之就要求焊膏的颗粒度越小,以确保焊膏能在刮刀的压力作用下顺利的转移到PAD上。颗粒度太大的焊膏容易堵塞钢网孔，不适合微小间距的PCB印刷；颗粒度太小虽印刷性较好，但其容易出现坍塌尤其是在印刷厚度较大的状况下,且粒径较小焊膏在网板上印刷时更容易发生氧化而不以利于后续的焊接。那么焊膏依粒径的不同可以将其分为几种型号？实际的生产中如何根据焊盘的尺寸和元器件引脚间距选择焊膏中合金粉的粒径才能实现更好的印刷效果且可节约成本呢？(表1，表2)所示粒径分类及其适应的引脚距离。

表1：

           

表2 ：

  

1.4 焊膏粘度

焊膏作为印刷的对象,其质量直接关乎产品印刷品质，对于一款焊膏来讲对印刷品质影响最大的就是粘度，粘度大小直接影响着焊膏的转移率，粘度常用的表示符合为μ，单位主要有Pa.s和kcp.s,粘性除受本身焊剂量的影响外，还受到金属粉含量，金属粉颗粒度，温度，印刷时剪切速率影响,他们与粘度变化关系如下（图2），在焊膏的整个印刷过程中，它受刮刀的推力作用其粘度下降的，可以顺利的实现填充和转移，达到网孔内时粘度最低,此时的焊膏更容易从网孔内脱离沉积到PCB上，随着外力的消失，锡膏的粘度又迅速回升（图3），故而脱模后焊膏能保持原有形状不塌落,这一点对于印刷来讲别特重要。

图2

  

 图3

 

1.5 焊膏的性能评价

我们对于焊膏的使用一般要求其流变性及活性在有效期内保持稳定，印刷时有良好的触变性，开放使用寿命较长且能保持良好的润湿强度，贴片回流或静置时坍塌小，有足够的活性润湿元器件和焊盘，回流后的残留物特性稳定，所以评价一款焊膏优劣或是否适用，一般应该包括焊膏的使用性能,助焊剂性能,金属粉性能等.评价标准如下(表3)，具体判定可参考J-STD-005和IPC-TM-650文件中对焊膏的性能要求。

表3

1.6 焊膏的管理

焊膏進料檢驗应包括，确认焊膏的廠牌,型號與批號是否与所需一致,記錄入庫,檢驗及生產日期,錫膏有效期等，并由相关人员进行常规检验（錫球試驗，黏度試驗，粒徑分佈試驗，ROHS物質檢測試驗）或有供应商直接提供相关检验报告并由使用单位不定期取样抽验以保证产品质量。

焊膏的存贮,一般来讲焊膏在入料后应尽快放置于0～10℃的冰箱内保存或依照供应商的建议温度存储，并对冰箱内的实际温度进行监控，焊膏在放入冰箱前建议对其进行标记或标号便于后续的先进先出（FIFO）的管理。

焊膏的使用，焊膏在从冰箱内取出时温度较低，且会有分层现象，所以在使用前应该对其进行回温,室温下回温一般建议4 h或以上为佳，领用时进行必要的自动搅拌动作2～4 min,开封后焊膏建议21 h内使用完毕，钢网上锡膏12H内未用完作报废处理,但随着焊膏工艺的发展，出现不少可以抗击较差环境的锡膏和免冷藏锡膏,所以以上不同型号或规格的焊膏可依照焊膏供应商的建议时间进行操作,当然在这里我们仍建议焊膏最好能在温度25±3 ℃，相对湿度50～70%，洁净、无尘、无冷风或热风直接对其作用的环境下使用.

 

2 网板介绍

网板是印刷工艺的基本工具，目前市面上的网板主要有两种类型，丝网模板和金属网板。丝网模板虽其制作工艺简单但其不适用于目前高精度大批量的生产工艺,渐渐被放弃使用，在这里我们着重介绍生产中被广泛应用的钢网模板。

 

2.1 钢网制作工艺

钢网作为SMT焊膏印刷中最常用的模板，其材质主要是304不锈钢钢片和FG钢片两种，钢网的加工工艺主要有三种：化学蚀刻，激光切割，电铸成型等，每种工艺因加工方式，制作成本及工艺难度不同，其精度和价格有较大差异.化学蚀刻：化学蚀刻制作方式是通过在金属箔上涂抗蚀保护剂、再用销钉定位感光工具将图形曝光在金属箔两面、然后使用双面工艺同时从两面腐蚀金属箔,由于是双面制作工艺，腐蚀剂穿过金属所产生的孔，即开口，它不仅从顶面和底面腐蚀，而且也水平方向也会腐蚀。该技术制作的钢网开口会形成刀锋、或沙漏形状，开口尺寸比实际稍大一些.

激光切割：直接从客户的原始Gerber产生数据，在作必要修改后，传送到(和直接驱动)激光机进行切割，此过程物理干涉少，意味着出错机会少, 激光切割不锈钢模板的特点是没有图形转移的步骤,因此消除了位置不正的机会。模板制作有良好的位置精度和可再加工性,虽然有激光光束会产生少量的熔渣和光斑痕迹，但目前钢网厂商在激光切割后会有一个打磨和电抛光过程来减少此过程中产生的熔渣和孔壁毛刺.

电铸成型：一种递增工艺制作的一种镍金属模板，该工艺提供近乎完美的定位，没有几何形状的限制，具有内在梯形的光滑孔壁，改进锡膏释放，它主要是靠镍沉积在铜质的阴极芯上以形成开孔，制作工艺是利用一种光敏干胶片叠层在铜箔上，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，电铸成型的镍箔经弯曲从铜心上分开形成需要的模板,此为关键的工艺步骤. 该工艺有较低的制作误差，适合超密间距元器件开孔要求, 电铸模板采用镍质堆积而成，孔壁光滑，利于焊膏脱模（表4）为各工艺优劣对比表.

随着电子产品发展趋势,为能适应高精度细间距元器件的应用以及多样化元件的混合使用，随之对钢网制作工艺进行了升级,就出现FG钢网，纳米涂层钢网以及混合工艺钢网等来改善印刷质量.

FG钢网主要是采用了有别于普通304钢板的特殊钢片,它的优点在于钢片制作工艺中加入一种铌元素,铌元素可以细化晶粒降低钢的过热敏感性及火脆性提升钢片加工强度；孔壁光滑度加工形变量均优于普通钢网，图4 所示普通钢片与FG钢片表面粗糙度和激光加工后的孔壁光洁度的对比

纳米钢网：通过高分子结合化在钢板的开口内壁及与PCB板接触面的表面、形成防油膜、减少锡膏以及助焊的粘附,提升脱模质量及锡膏转移率；

阶梯钢网：阶梯钢网为照顾机板上多样化的零件吃锡要求而出现的一种钢网工艺,阶梯钢网通过局部减薄的方式实现多样化零件的锡量要求，但要注意与其他零件的安全间距,一般每Step-up 1 mil 印刷影响距离约1 mm，注：阶梯钢网是在基础厚度上减薄形成不同厚度。

表4：

图4

2.2 钢网开孔介绍

焊膏印刷是表面贴装工艺中第一个关键工艺，特别是对于细间距元件，焊膏印刷过程更需要精细的工艺控制，从而钢网成为焊膏印刷的关键工艺条件之一,因此制作完成的钢网必须有合适的下锡量，良好的脱模效果且能稳定持久使用,经过批量生产验证OK后才可进行标准化。那么怎么才能设计出一套合适的钢网呢，它的设计依据又是什么呢？下面将介绍钢网设计原则和要求,首先钢网开口必须能满足焊膏的有效的释放，IPC-7525文件对钢网开口要求有做定义，它要求钢网的开口必须满足一定的宽厚比和面积比焊膏才能通过网孔顺利转移到PCB上，其定义设计钢网开口的面积比和宽厚比分别大于0.66和1.5，但在实际设计时还应考虑开口最小宽度＞5*solder ball size,满足以上焊膏的转移率将在70%以上(图5).

图5

有了合适宽厚面积比只能保证顺利，那么各种元件在焊接时对锡量的要求也是有差异的，所以选择合适钢片厚度也是钢网开口的一个重要环节,下表图6列举了实际生产中的引线间距和相应钢片厚度关系.  

图6

当钢网的基础厚度选定后，开口也满足一般规则，那么下面就应该考量特殊的元件，依据其所在位置我们可设计该区域相应的钢网厚度（即钢网的Set up/down），精细元器件我们还可使用电铸/FG/纳米钢网等来提升印刷品质。如下列举几类开口实例参考（注：方案均经批量生产验证OK）。

片式元件注意开窗内距与料件匹配并进行一定尺寸的倒角帮助焊膏转移，0402以上及Fuse元件还应注意开口的防锡珠（0402设计参考及各类零件倒角尺寸）。

图7

表5：

塑封类绕线电感因其可焊端结构的特殊性，在实际生产中常会发生偏移或立碑现象，主要是因为此类电感可焊端可吃锡面积较少，焊膏融化后若零件可焊端位置不能落在焊膏中心，零件的可焊端就很难克服焊膏表面张力，而造成零件偏位或立碑，所以此元料件在设计开窗时一定要结合零件尺寸和可焊端间距并考虑锡量,否则焊接时就容易发生以上的缺陷。

一般IC类元件开孔时除考量焊端和ground pad锡量外,还有考虑到在实际生产中操作中易发生外Pin翘脚现象,在做钢网设计时可适当平移外pin增加下锡量来减少翘脚引起的焊接Open。

表6：

BGA器件往往是一块基板核心或主要模块,部分发热量较大的BGA还会安装散热模块,所以其焊接品质和强度至关重要，因此BGA元件在做开口设计时多数会考虑增加四拐角和外围BGA pad的锡量来增加焊接强度，防止在安装散热片或单板测试，组装所附螺丝时造成BGA焊点Cracked。

特殊元器件开口时一定要计算锡量要求，焊端形状及焊接点位置，否则即便锡膏印刷质量满足要求，在Reflow时也会发生焊接缺陷.以下是两种LED焊端结构及开口设计。 

图7

2.3 钢网的管理

①新钢网验收时要检测张力，观察其孔壁是否光滑，使用底片及实物板比对开口是否有误，钢片Mark的产品型号及版本是否与实际一致；②验收OK的钢网贴附内部管控标签并放置于专用储柜/架，方便后续使用时查找及掌控；③钢网使用超过12h后建议取下来放入清洗机进行一次清洗，清洗时注意保护网孔和钢片避免划伤，暂时不用的钢网清洗后贴附保护膜防止污染网孔；④旧钢网再次上线使用时要检查开口及外观无损伤，张力符合公司要求,印刷时模板与PCB的间隙建议≥0,避免印刷时损伤钢网。

3 锡膏印刷机

印刷机是焊膏印刷工艺中最重要的设备,其发展历程经历手动印刷机，半自动印刷机到目前的全自视觉印刷机,其印刷品质和精度再大幅提高,针对手动印刷和半自动印刷机因其操作简单，对印刷品质要求较低且逐渐退出市场，在这里不再作介绍，我们着重谈下全自动视觉印刷机.针对锡膏印刷来讲全自动印刷机有四大部分对印刷品质起到至关重要作用,它们分别是钢网清洗系统；影像处理系统；平台及钢网控制系统以及刮刀控制系统；在这里介绍下凯格印刷机针对这四部分所做的改进：

①钢网清洗系统，凯格印刷溶剂喷施系统采用侵润式或滴淋式两种方式来润湿擦拭纸，避免了常规的小孔喷射易堵孔，溶剂喷射不均匀的状况，且针对擦拭系统增加强力真空机，使得钢网擦拭更干净。

②影像识别处理系统，普通相机对Mark都是采用灰阶算法来识别相似度，如此常会出现Mark污染，破损或划伤造成误判或无法识别的状况，凯格印刷机针对此问题采用几何算法相机，对于各类型Mark点均能很好识别,定位更精确，另外此相机兼顾2D检测功能，可对印刷过后的焊盘锡量进行检查。

③平台及钢网控制系统，凯格印刷机伺服控制系统均采用国际知名品牌，印刷对位及偏移量调整均通过平台控制更能保证精度,钢网夹持可根据网框尺寸自动调整大小，不局限于大网框钢网，节约钢网制作费用。

④刮刀控制系统，凯格印刷机刮刀升降及印刷移动均采用丝杆直连的方式控制更精确，且设计有闭环压力感应系统来控制刮刀压力。

3.1印刷过程控制

焊膏的印刷实际上就是焊膏转移的过程，此过再次赘述焊膏印刷可以简单理解为刮刀推动焊膏在钢网移动,通过刮刀压力将焊膏填充至网孔后印刷平台下降将焊膏将焊膏转移到PCB上的过程如图8所示，在此过程中涉及到较多管控点和注意事项，在此针对重点事项做一些表述和建议。 

图8 

3.1.1 滚动直径的概念

滚动直径其实体现在焊膏在钢网上的量，刮刀推动锡膏移动是依滚动方式在前进，若焊膏量不足将无法形成滚动造成局部锡膏填充不足，量过多锡膏将会粘附在刮刀座上同样无法形成充分滚动造成PAD上焊膏量不均匀等印刷问题。一般设定焊膏的滚动直径在10～15 mm，所以焊膏添加应少量多次的原则,但实际生产中少量多次又会比较费时且添加量和频率很难把握,还常会出现漏添加，添加较多的状况，为此印刷机又推出现可自动检测焊膏余量和自动添加锡膏的功能，减少了人员参与造成的品质隐患以及频繁操作造成的时间损失（图9 ）。 

图9

3.1.2钢网清洗的重要性

钢网在使用的过程常会因一些因素堵塞开口或残留在钢网底部，影响焊膏的印刷品质. ①焊膏粘度过低在印刷时往往会出现PCB与钢网的接触面出现渗锡，此部分锡膏在该片PCB印刷完成后会残留在钢网底部，接下来的印刷就会发生缺陷，若不及时清洗钢网，缺陷将会持续；②钢网非印刷区域锡膏混入到印刷区域，因其长时间暴露在空气中溶剂挥发而变干，混入到印刷区域后往往会堵塞网孔造成漏印刷；③精密细间距元件因开口尺寸较小，焊膏印刷时往往会有焊膏残留在孔壁，此部分焊膏若不及时清理会慢慢积累以至堵塞网孔④外来异物，PCB入料时虽为真空包装但很多PCB在加工时边缘或NPTH孔壁会有成型碎屑或PP溢胶残渣，特殊的镀镍金或化银工艺包装中间还会放置隔离纸，若这些碎屑在印刷前未能及时清除，一样会赌塞网孔造成印刷缺陷. ⑤焊膏在刮刀的压力下循环往复在钢网上移动，个别锡粉会被刮刀片压扁变成片式，这些锡片会随着印刷进行慢慢长大以至堵塞网孔，所以钢网清洗对焊膏印刷至关重要，它不仅仅需要印刷机自动清洗，印刷超过12 h建议取下钢网进行一次全面手动或清洗设备清洗,这对印刷品质提升非常有帮助。凯格印刷机特有加强型清洗系统和加选的钢网检测系统能很好的解决钢网锡膏残留和堵孔问题。  

图10

3.2印刷缺陷案例解析

①现象：某通讯产品Shielding ,为尽可能增加锡量放置焊接Open，钢网在制作时做了最大外延.实际印刷时发现PAD中心区域焊膏被刮刀带走,原因分析：钢网开口无足够支撑面保护锡膏，在刮刀压力左右下，开口 中心部位的被刮刀带走,改善方案：重新制作钢网,增加架桥数量。 

图11

 ② 现象：某双面板第二面印刷时刮刀移动过后发现钢网上局部有锡膏留,PCB锡量偏厚,钢网底部渗锡。原因分析：a. PCB变形、b. 刮刀片NG、c. 此区域未放置Support Pin 以上分析逐一确认未发现异常,后经单步印刷确认为有两颗支撑Pin顶在了有焊锡的PAD上造成PCB支撑高度差异, 在刮刀压力作用下渗析，改善方案：重新调整支撑pin位置。制作透明亚克力罩板标注出实际PAD位置,便于支撑pin避开零件位置，如下模拟图为顶Pin放置在焊盘上状况（PCB和钢网间GAP）。

图12

③ SMD PAD与NSMD PAD对Fine pitch印刷品质的影响,SMD （右） 与NSMD（左）区别在于PAD尺寸定义方式不同,SMD阻焊层定义pad尺寸和NSMD铜箔层定义PAD尺寸,如下两幅图解释NSMD PAD对锡膏印刷影响。（图13） 

图13

焊膏印刷是个看似简单但实际却十分复杂的工艺，印刷过程牵扯很多管控点，每一次的印刷失效都有很多种可能的因素存在，认真对待逐步分析总能找到Rootcause，在此就不在罗列案例，总之焊膏印刷要注重每一个细节，掌控好每一个操作过程。

 

4 小结

焊膏印刷工艺是SMT中至关重要的一个环节，随着电子产品的轻薄化，小型化的发展趋势，必将对焊膏印刷工艺提出更高的挑战，电子产品的发展不仅促使焊膏和钢网在一步步推出新的技术，更要求印刷机朝向高精度，短的Cycle Time，更智能化的方向前进。