李 霄

（四川九洲電器集團有限責任公司，四川 綿陽 621000）

引言

為了適應軍用電子產(chǎn)品短、小、輕、薄化的發(fā)展趨勢，印制板密度越來高，片式元件0603、0402、0201、QFP、BGA、CSP等元件使用愈來愈廣泛，傳統(tǒng)工藝采用的局部回流焊（主要是FPGA、BGA器件）+手工焊接（其他器件）工藝路線已不能完全適應高可靠性電子產(chǎn)品的質(zhì)量要求。目前，大部分的電子產(chǎn)品印制板主要采用全板SMT工藝進行組裝。在SMT生產(chǎn)過程中，焊錫膏印刷是一個非常重要的過程，印刷時所使用的模板是影響印刷效果的關鍵工藝設備，有關模板的設計、材料選擇、制造工藝以及發(fā)展動向歷來都被廣大SMT工作者所關注。本文將就整個焊膏印刷新的焊膏印刷技術以及焊膏印刷后的檢測等進行綜合介紹。

1 新型焊膏模板與焊膏印刷技術

1.1 封閉式印刷

在傳統(tǒng)的焊錫膏印刷工藝中，錫膏松散地淌在鋼板上，靠刮刀推動而進入鋼板窗口，由于網(wǎng)板上的焊膏黏度不是相對穩(wěn)定，因而采用這種辦法一般容易造成工藝波動。在進行印刷的過程當中，焊膏呈現(xiàn)越來越差的印刷適應性，這主要是因為金屬焊料球裸露在空氣中會發(fā)生氧化，而焊膏中參雜的低沸點溶劑會慢慢揮發(fā)。甚至，在實際操作工程當中，部分印刷機的操作人員通過放置超量焊膏在網(wǎng)板上而達到節(jié)省時間的目的，但是這樣操作極易使焊膏性能下降，浪費焊膏。焊膏的性能變化主要有兩點影響：一是會影響到印刷過程當中的工藝參數(shù)，二是容易引起印刷的缺陷，主要表現(xiàn)在由于網(wǎng)板開口無法完全填滿而造成的焊盤印膏缺失，同時也有網(wǎng)板、攝像頭以及支撐物上沾有過多焊膏的現(xiàn)象出現(xiàn)，這是一種對焊膏的浪費[1]。

而今傳統(tǒng)的掛印技術被焊膏分配技術所取代，這種技術被叫做封閉式焊膏印刷技術。封閉擠壓式印刷頭中的焊膏被裝在密封的印刷頭中，只有在開孔處焊錫膏才與網(wǎng)板接觸。這一技術從根本上消除了影響焊膏印刷的最大變量因素，使用過程中無需考慮印刷時間歇或機器工作時間等情況，從而得到滿意的印刷效果。在相同的生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)條件下，封閉式印刷技術相較與傳統(tǒng)刮印技術有較大的優(yōu)勢，詳見表1所示。

表1 傳統(tǒng)刮印技術與封閉式印刷技術比較

目前市面上比較常見的封閉式印刷頭（見下頁圖1）有：DEK公司推出的捷流（ProFlow）封閉擠壓式印刷頭，如圖1-1所示；MPM公司推出的Rheopump封閉擠壓式印刷頭，如圖1-2所示。

封閉式印刷頭和傳統(tǒng)刮刀相比，差別很大。封閉式印刷頭能夠充分保證印刷時焊膏能夠吸收水分或接觸空氣。不僅如此，由于轉(zhuǎn)印頭當中添置了集成式溫控器。因而當一些焊膏對溫度范圍要求比較特殊時，ITC（集成式溫控器）能夠保證溫度控制在所需范圍之內(nèi)，從而提高印刷質(zhì)量。

圖1 封閉擠壓式印刷頭

1.2 焊膏噴印

焊膏噴印技術是SMT設備領域中最具革命性的新技術，它一改傳統(tǒng)的絲網(wǎng)印刷模式，而是使用了與以往不同的噴射方式，實現(xiàn)了焊錫膏的高速涂覆。這種技術根據(jù)PCB的設計，通過噴印頭結(jié)構，將焊膏管中的焊膏以極微小的點噴射到PCB的焊盤位置上。焊膏自動噴印機由瑞典MYDATA公司于2007年開發(fā)成功，如圖2所示MY500型焊膏自動噴印機的外形和其中一個噴印頭。

圖2 MY500型焊膏自動噴印機和其中一個噴印頭

與普通噴墨打印機一樣，MY500焊膏噴印系統(tǒng)分為三部分：噴印機本身、離線編程軟件以及噴印頭和焊膏盒，其工作的原理如圖3所示，焊膏通過一個螺旋桿進入到一個密封的壓力艙內(nèi)，然后由一個壓桿壓出，通過特殊的噴嘴噴射到PCB焊盤上。

圖3 焊膏噴印工作原理圖

該系統(tǒng)具有以下幾點優(yōu)點：焊膏盒更換方便，就如同噴墨打印機更換墨盒一樣容易；焊膏裝在密封容器內(nèi)，幾乎沒有損耗，實際用量非常節(jié)??；采用Aegis公司的Circuitcam離線數(shù)據(jù)準備軟件，可以直接從多種格式CAD文件中轉(zhuǎn)化并生成噴印程序，編程效率大幅度提升，因為采用軟件控制，可根據(jù)需要隨時調(diào)整焊膏量，也可以控制每個元件或個別焊盤的焊膏量；對清洗劑、鋼板清洗機、擦拭紙、焊膏模板、儲放空間以及錫膏攪拌機等沒有要求，在機種多樣及試產(chǎn)任務繁重的壓力下，焊膏噴印系統(tǒng)能幫助節(jié)約焊膏印刷環(huán)節(jié)印刷模板的制造成本，還能減少對環(huán)境造成污染；操作平臺相對簡單，對空間要求不大，具有相對較低的設備維護成本。同時為防止無用焊錫膏，可以選配條形碼器。

一般而言，傳統(tǒng)的模板印刷設計時傾向于根據(jù)重要的元件需要來確定焊膏模板的厚度；同時有必要保證PCB板上每一個焊盤都充分淀積焊膏，以避免焊料不足或開路等問題；也就是說采用模板加工方式，印制板上淀積的焊膏量必然多于其必需的量。而采用焊膏噴印技術可以對加工的每一個焊盤進行個性化淀積量設定，每一個元件上的焊膏印刷都會優(yōu)化，而不需要再去印刷超過必需量的焊膏。有研究表明，對于同一塊印制板，焊膏噴印技術所使用的焊膏量僅為模板印刷所需焊膏量的65%。

2 焊膏檢測技術

焊膏印刷是一個工藝性很強的過程，其涉及到的工藝參數(shù)非常多，每個參數(shù)調(diào)整不當都會對后續(xù)貼裝質(zhì)量、回流質(zhì)量、乃至于對產(chǎn)品的最終質(zhì)量造成非常大的影響。這也就決定了印刷檢測技術至關重要，整版自動在線檢測技術是當下最新的焊膏檢測技術。

整版自動檢測技術，主要是通過激光束逐行掃描SMT當中的整塊PCB對各個焊盤焊膏所印刷的測量數(shù)據(jù)進行收集，然后比較系統(tǒng)預置的合格極限值和實際的測量值。整版自動檢測設備能夠?qū)Σ煌N類的印記進行測試，這當中也包含了偶然的缺陷。偶然缺陷如由于模板的開口堵塞而產(chǎn)生的焊膏漏印現(xiàn)象，以及能夠顯示一些如焊膏偏移、隆起、凹陷、坍塌、拉尖以及印刷模糊等缺陷問題。同時，這類設備報錯功能詳細，能夠指明相應的缺陷名稱、缺陷所處的位置以及缺陷存在的危害程度，不僅如此，設備還能對PCB上的全部焊膏印刷信息進行收集。整版自動在線檢測設備十分適用于一些潛在成本相對較高的缺陷上面，如在軍工、醫(yī)療、航天航空以及汽車等方面的PCB往往需要100%檢測，以滿足高可靠性的要求。SPI（焊膏檢測系統(tǒng)）以及AOI（自動光學檢測系統(tǒng)）是當下較為普遍的用來實現(xiàn)焊膏印刷當中整版自動在線檢測的檢測設備[2]。

2.1 自動光學檢測

AOI（自動光學檢測系統(tǒng)）能夠減小相應的勞動強度，增加判斷的準確性以及客觀性。設備采用了高速的圖像處理和識別技術以及計算機技術，從而具備了高速化、自動化以及分辨率高的檢測特點。這也能夠減少相應的專用夾具，實時提供給生產(chǎn)系統(tǒng)相應的檢測信息。SMT生產(chǎn)線當中，貼片、焊膏印刷以及回流這三個工序會較為頻繁地用到自動光學檢測。對于焊膏印刷進行檢測的原理是：確定焊膏已經(jīng)固化后，通過2-D系統(tǒng)、多照明角度以及多級攝像工藝技術，對焊接掩膜、PCB以及焊膏外觀顏色的改變進行快速、精確、靈敏的捕捉，并比較檢測數(shù)據(jù)與標準樣板，以此來判斷印刷質(zhì)量能否滿足最初需求。通過自動光學檢測對印刷過程當中出現(xiàn)的缺陷及時發(fā)現(xiàn)及時彌補，從而降低焊接缺陷產(chǎn)生的概率。

2.2 焊膏檢測系統(tǒng)（SPI）

標準的2D檢測適用于一些相對較大的元器件和焊盤，主要是由于元器件或焊盤較大時，具有相對穩(wěn)定的工藝，因為對焊膏厚度的要求不需要太過精確。但是自動光學檢測系統(tǒng)并不適用于所有情況，當元器件關聯(lián)到01005、CSP、0201、細間距技術等時，普通的自動光學系統(tǒng)是難以滿足相應的質(zhì)量要求的。越小的元器件就會對應越小的模板窗口的尺寸，同時也與模板厚度相關聯(lián)。這就使得任何微小的變化都有可能成為印刷缺陷的原因。與此同時，對于具有很多引腳的元器件，其各引腳間的共面差與引腳雖對用的焊盤上的焊膏厚度的關系就顯得尤為重要。如果二者關系處理不好，很可能就會使焊點無法達到可靠性的要求，或者出現(xiàn)開路的現(xiàn)象。因而，需要提供更為精確的3D檢測。

SPI，即焊膏檢測系統(tǒng)，是基于自動光學檢測系統(tǒng)而形成的，同樣是近些年發(fā)展態(tài)勢良好的檢測技術。焊膏檢測系統(tǒng)主要包括結(jié)構光柵測量技術和激光三角測量技術兩種，其中，結(jié)構光柵測量技術主要基于相位調(diào)制輪廓測量技術。焊膏檢測系統(tǒng)測量較為全面，能夠做到針對高度、面積、體積、形狀、橋接等的全自動檢測。微米級檢測精度的相位輪廓調(diào)制測量技術現(xiàn)在已經(jīng)逐步代替激光掃描的檢測方式成為主流。焊膏檢測系統(tǒng)具備兩個最基本的功能[3]：對印刷質(zhì)量缺陷能夠做到及時發(fā)現(xiàn)。焊膏檢測系統(tǒng)能夠直觀及時地反應出焊膏的印刷情況，以輔助使用者及時發(fā)現(xiàn)問題，解決問題；對品質(zhì)變化的趨勢進行把握。焊膏檢測系統(tǒng)通過焊點檢測而反應品質(zhì)趨勢變化。趨勢變化的造成原因往往有一種或一種往上的潛在因素，因而，通過趨勢變化，可以對潛在因素進行分析。

圖4 焊膏印刷質(zhì)量SPI檢測圖像

焊膏檢測系統(tǒng)通過此種辦法找出相應的潛在因素，諸如人為因素、焊膏變化因素以及印刷機的調(diào)控參數(shù)等。從而對相應問題及時調(diào)整，遏制不良趨勢。圖4所示為焊膏印刷質(zhì)量焊膏檢測系統(tǒng)的圖像。

3 結(jié)語

近年來，用戶對于電子設備的可靠性要求越來越高，生產(chǎn)廠家對于印制板組裝的質(zhì)量也越來越重視，然而，作為SMT工藝工作者，不能僅僅將注意力聚焦在回流之后，應該對整個SMT生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行監(jiān)控，將影響焊接質(zhì)量的各種缺陷控制在各前工序。本文介紹的都是焊膏印刷領域中近幾年新出現(xiàn)的一些典型技術，只有不斷學習先進的工藝控制思想，引進更為先進的工藝設備，才能持續(xù)提升SMT工藝水平，才能使產(chǎn)品的實物質(zhì)量邁上新臺階。