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摘要 在追求SMT线体的产能最大化的今天，由于贴片机的贴片速度提高，昔日的线体瓶颈——贴片工序．已让位于锡膏印刷和点胶工序。锡膏的高速印刷可以通过刮刀、锡膏等的认真选择而实现。本文用定量可印刷性测试进行了几种工艺方法讨论。印刷时间的缩短可以预留印锡质量检验更多的时间。同时不影响整体线体效率。点胶技术目前的速度限制可以通过印胶的方法解决，高速印胶工艺使用的就是目前常规的印刷机和钢网技术。

简介

印刷工序的工序时间(Cycle time)一般是以秒计并由印刷机供应商提供，提速印刷工序可以提高整体产能；或为间接工序如贴片前检查工序提供时间。印刷工序时间包括：将单板传送到印刷位置、提升单板到钢网下的适当距离、对单板上的全局识别点进行定位、对钢网上识别点进行定位、移动单板或钢网进行单板一钢网对位、降低单板、将单板传送出机器。印刷工艺时间包括将刮刀从静止位置移到钢网表面、以一定的刮刀运动速度印刷单板，最终抬起刮刀，与此同时单板与钢网分离。提高锡膏印刷速度可通过多种方式实现，但通常是以提高刮刀速度实现。为缩短工序时间的任何改变，如刮刀速度加快，都必须充分考虑其负作用，如果仅仅提高刮刀速度，那就可能要增加擦网频率或会降低印刷质量。优化工作的第一步是考虑那些不会影响锡膏性能表现，而与工序时间相关的速度与延迟。减少分离距离和增加分离速度就直接减少印刷工序时间，例如：从3mm分离距离和1mm／s分离速度改变到1mm分离距离和10mm／s，就会减少2．9秒的工序时间。减少支撑印后定位台降低距离和刮刀离钢网距离都会在不改变印刷工艺参数的情况下节约宝贵的工序时间。另外考虑任何可减少或避免的延迟工艺价值并进行优化。本文将集中讨论实现高速印刷的工艺参数优化。

点胶机和胶粘剂一样都存在着要跟上贴片机节拍的挑战，这一工序的工序时间主要指标是每小时多少点，这一数字都是在设备点涂同样大小的小胶点的理想状态下得到的，由于胶粘剂对温度非常敏感，所以通过控制设备内温度或点胶针嘴可以提高点胶速度，通过把针嘴里的胶粘剂加热到30-35℃，胶粘剂粘性会下降，这样点胶所需的剪切力下降，点胶时间缩短。当胶点离开针嘴时，它能马上冷却到室温并回复到原来流变能力，在单板上形成一个高圆锥型胶点。其它工序时间降低的手段，如减少点胶头点完一点胶后的返回高度，增加空气压力以减少点胶时间等，肯定会产生拉尖等负作用，所以需要慎重考虑。本文将集中介绍提高施胶速度的两种印胶方法。

锡膏印刷

影响速度的工艺因素

1．标竿测试结果

在我们考虑提高印刷速度之前，让我们定义一些基本的印刷工艺准则。第一，刮刀必须刮过钢网时，不能在印刷区域留下任何焊料颗粒；但刮刀压力和刀压下量不能大到钢网上留下刀痕。第二，必须严格控制由于锡膏触变性特征(Shear thinning)导致印锡缺陷的增加，Shear Thinning效应可以通过进行复杂的可印性标杆测试，对比一定刮刀速度连续印刷前后的效果得到。

图1所示就是多功能测试图形，这一设计可公式化地反映印刷表现特性，其结果可量化用于测试和标竿化各种工艺参数的作用，如刮刀速度的增加。从设计角度，用超细间距(120μm开口)到细间距(300μm开口)的开口测试的方法试验锡膏的可印刷性。坍塌测试为锡膏提供不同的应力条件并测试在大焊盘之间非常细间距的印锡分辨率。每15次印刷为一周期，测试第2、5、9、10、15次印锡效果，为加大锡膏表现难度，只在第11次印刷前进行擦网。测试在印刷200-1000次后马上重复。



开口测试 测试10种不同的间距，从120μm开口／间距到300μm开口／间距。对于每种间距有四组13个开口12个间距组成：一组平行印刷方向，一组垂直印刷方向，另有两种与印刷方向咸45度角。对于每组的5次印刷(第2、3、9、10、15次)、每种间距和每组方向都进行测试并记录，这样测试就有15个缺陷机会(3个方向×5次印刷)。缺陷的定义，如桥接是在空距内有至少两个金属颗粒；如缺口是有证据在钢网上有残留锡膏等。

坍塌测试 测试印刷图形扩展情况，这与锡膏坍塌Slump类似,不同的是这里是指在印刷过程中由于锡膏触变性”Shear thinning”而导致的。两个大焊盘，如SOIC焊盘，布局很近，在两次印刷后就会产生坍塌,如图2左边是锡膏触变性“Shear thinning”前的图形，右边是锡膏触变性“Shear thinning”后的图形。



2．刮刀因素

刮刀的锋利程度和角度是影响锡膏高速印刷的另一个因素。一般地，刮刀越钝，为刮干净钢网所需的刮刀压力就越大，刮刀的速度也越慢。虽然大家都关心锋利程度，但聚合物(聚亚安酯)刮刀和金属刮刀有所不同，通过用一简单的放大镜检查就可发现不同的金属刮刀在刀刃上有着明显的区别，如图3所示。除了刀刃不同外，不同刮刀的厚度也不同，较厚的刮刀通常较硬并能在较高的刮刀压力下保持刮刀角度。刮刀角度直接影响高速印刷的实现，刮刀和钢网的角度越陡，钢刀刮干净钢网所需的刮刀压力越小。小的刮刀角度和刮刀高速运动会在钢网上留下薄薄一层锡膏，并且印刷效果较差，增加刮刀压力实际上也会加重这种现象。





3．温度因素

温度是印刷工艺中另一个可控制变量，如果温度过高．Shear Thinning会加剧，从而印刷速度必须要降低，如果温度过低，可从图6中看到可印刷的最大速度，图中刮刀为D型，刮刀压力为31b／in。



为了提高印刷速度，刮刀从古式聚亚安酯发展到由DEK、MPM、Fu山提供的封闭刮刀头选件，高硬度聚亚安酲勐刀与阶梯蚀刻钢网配合的使用，比大多数金属刮刀具有更好的刮净能力，当然与相应的金属刮刀相比，它的磨损要严重些。据报道，新型封闭刮刀头适合于更高速及更细间距的印刷。

影响速度的材料因素

1．粘度

粘度，作为对印刷速度影响最显著的材料因素，它与印刷速度成反比，粘度越高，速度越低。按照IPC测试方法得到的1．5-2gr／mm2粘度力大小的锡膏，如果采用合适的刮刀参数可以达到4-6in／s的印刷速度。高粘度(＞3gr／mm2)锡膏在刮刀／锡膏和锡膏八冈网界面上都需要更高的剪切力。

2．粉末

锡膏中金属粉末颗粒大小直接影响印刷速度，这可能是更小的粉末颗粒导致锡膏具有更高粘度的结果。在同样的固体含量及粘结剂配方的锡膏中，如果采用2号金属粉末(-325／+200)印刷速度可达到61PS(1nches Per Second)，如果采用3号金属粉末(-325／+500)印刷速度只能达到4IPS。

3．固含量

相比粘度、粉末大小，固含量对印刷速度的影响要小些，一般地，固含量越高，印刷速度越高，这可能是由于阻焊剂含量减少了，从而锡膏的粘度也降低了。




印胶

一次印刷法

一次印刷法是本文论述两种印胶方法中最快的一种，施胶速度可达到475K点／小时。此方法存在的最大问题是厚钢网(10mils)的大开口(＞30mil)填充问题，这个胶点的面向刮刀运动方向的部分会有空洞或少胶．如图9所示，在胶点的四周可以看到有一圈胶反映钢网开口情况，进行两次印刷可以减轻这种情况，但会产生钢网底部与PCB板之间渗胶现象而需要经常擦网。如果用可印胶，钢网厚度为6mil，刮刀速度不超过71PS，那任何开口(≤70mil)的印胶都不会出现这种缺陷。这一缺陷是由于刮刀刮过时在开口处有残留空气逃逸从而导致的，可以通过采用流动性能较好的可印胶和一些Snap Off(钢网底部与印制板之间非接触，留有空隙)消除。这种非接触式印刷方法可在印刷时允许开口放气，但非接触式印刷需要更频繁的擦网频率。利用传统化学蚀刻的6mil厚不锈钢钢网，印刷50块测试板而不用擦网，



对每隔5块测试板上所有测试胶点用目检方式检查气泡情况，并用最新的激光测量方法测量胶点的直径和峰值高度，检测结果表明没有目检缺陷，同时胶点直径一致性较好(如图7和图8所示)，这就意味着至少印胶50块板不用擦网。如图10所示，在这50个测试板中，胶点峰值高度与开口直径比例表现出较好趋势。胶点高度／开口直径的趋势反映了胶从开口中释放复杂程度的结果，如图11所示，这也是胶与钢网开口壁之间表现张力互相影响的结果。有研究表明如果采用非常厚的钢网(≥1mm)，印刷后，所有钢网开口保持密封状态。

二次印刷(Pring-FIood)法

此方法充分利用可印胶的流变能力，钢网采用常规厚度10mil，非接触印刷，印刷间隙为24mil(0．6mm)，前后刮刀压力设置不同，第二次印刷刮刀高出(FIood)钢网上表面约1．5mm。如图12所示，第一次印刷留下的胶层成为第二次印刷时大胶点形成的平台。在第二次印刷的印制板与钢网分离阶段，胶点还在形成中，这时钢网开口上残留的胶与印制板上已有胶点之间接成一条线，最终它将断掉，胶会回缩到钢网里及形成印制板上最终的胶点形状，在这过程中分离速度非常慢(0．1-0．4mm／s)。整个工艺过程虽然比一次印刷法慢，但施胶速度仍能达到10K点／小时。用这方法的缺点是就是一定要擦网，但这种方法可以得到范围非常广的胶点高度，并且具有很小的变异量，





设计指引

在本文描述的两种印胶方法中，使用金属、激光切割，厚度为6-10mil的钢网时，推荐不同元器件的印胶钢网开口直径如下表。对于小片式元件(0805以下)要特别关注元件焊盘之间的间距，要考虑印刷机的定位精度，同时胶点实际印刷直径会比开口大几个mil。对于大Stand off的元器件，如solc／QFP，推荐使用Pring-Flood方法印胶，如果只是对片式元件印胶，推荐使用一次印刷法。



因为粘胶剂中没有挥发性成分，所以印胶后的胶点在板上待的时间可以比印锡后更长。利用机械式(喷射或超声波)清洗方法，使用合适的溶剂是比较容易清洗钢网上的残留胶的，可用目检检查开口有无残留胶，使用印胶钢网完后一定要清洗。

结论

印锡工序时间可以通过减少不必要的延时、优化分离距离和分离速度、减少支撑印后定位台降低距离、刮刀离钢网距离等方法大大降低?？梢酝ü≡窀胬?、更陡的刮刀角度(如60°)提高刮刀速度。温度控制可充分利用锡膏的流变性能。把材料的触变性“Shear thinning”特性标杆化可以确保提高刮刀速度的前提下，而不降低印刷质量或增加擦网频率。

虽然用点胶加热头等改良可以提高点胶速度，但印胶工艺更能大大地提高施胶速度。采用一次印刷法可以达到大于每小时47万点的施胶速度；用Print-Flood方法可实现比钢网高3倍的胶点高度。



通过增加印锡和施胶速度，印刷工序的时间变短，高速线的瓶颈将重新回到贴片机上，节省下来的工序时间可用于贴片前检查等工艺控制上。