影响锡膏印刷质量的关键因素及控制方式

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• Source: 北京SMT专业委员会
• Date: 2016-11-08
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作者：电信科学技术仪表研究所  陈卫卫/王怀军
【摘要】
本文重点讨论锡膏使用过程中出现的问题，并对印刷参数的设置进行了详细说明，通过对三个典型案例分析，进一步对印刷工序控制的关键因素讨论。
【关键词】 印刷参数  锡膏  印刷缺陷  
引言
表面贴装技术（SMT）在电子工业中的应用越来越广泛，由于表面贴装的发展趋势是元件越来越小、管脚间距越来越小、密度越来越大，使得SMT的生产控制越来越复杂。从SMT工艺流程看，丝印工序在SMT整个工艺流程中所占比重并不大，然而作为SMT中的第一道工序却又是保证SMT产品质量的最重要、最关键的工序，其印刷质量的好坏直接影响SMT产品的焊接质量。尤其是微间距的IC元件来说对锡膏印刷的要求则更高。据资料统计，在PCB设计正确、元器件和印制板质量有保证的前提下，表面组装质量问题中有70%的质量问题由于锡膏印刷工序中的某个或某几个因素没有进行有效控制导致，由此可见该工序控制的好坏是至关重要的。因此，明确影响SMT锡膏印刷质量的各个因素并进行有效控制，是保证SMT焊接质量的关键所在。
一、锡膏的组成
锡膏=锡粉（METAL）+助焊剂（FLUX）。
锡粉通常是由高压氮气雾化或转碟法制造，后经丝网筛选而成。助焊剂是粘结剂（树脂），溶剂，活性剂，触变剂及其它添加剂组成，它对锡膏从印刷到焊接整个过程起着至关重要的作用。一般情况下，10%助焊剂和90%锡粉（锡合金粉90%）的重量比，50%助焊膏与50%锡粉的体积比。它是SMT工艺中不可缺少的焊接材料，广泛用于回流焊工艺。
以下是各组成部分的作用：
1.合金（锡粉）：主要体现焊接的强度，有着导电、键接的作用。
2.助焊剂：是锡粉与其他添加剂组合，起着防止锡塌的作用，能去除金属氧化膜及污物，且能在高温作业中将金属表面覆盖与空气隔离，使氧化无法进行，其作用有如保护膜。
3.溶剂：将FLUX之所有溶解成一均匀之溶液，进而得到一活性均匀之助焊剂。
4.活性剂：消除焊接表面之氧化物，降低表面张力。
5.触变剂：黏度控制作用、提高印刷能力、防止塌陷。
图1锡膏组成示意图
二、锡膏的使用
2.1保存环境
一般来说，锡膏对于暴露在热、空气或潮湿的环境中相当地敏感。锡膏的保存应该以密封形态存放在恒温、恒湿的专用冷藏柜内，保存温度为0℃～10℃，有铅与无铅锡膏分开存储。其存储温度须与锡膏进出管制上所标明之温度相符。如温度过高，锡膏中的合金粉末和焊剂起化学反应后，使粘度、活性降低，影响其性能；如温度过低（低于0℃），焊剂中的树脂会产生结晶现象，使锡膏形态恶化，这样在解冻上会危及锡膏的流变特征。在保管过程中，更重要的一点是应注意保持“恒温”这样一个问题，如果在较短的时间内，使锡膏不断地从各种环境下反复出现不同的温度变化，同样会使锡膏中焊剂性能产生变化，从而影响锡膏的焊接品质。
2.2存储要求
我所采用的存贮方式为新锡膏倒置。理念是锡膏是由合金粉末和助焊剂和溶剂组成的，因为比重的关系，合金粉末比重大，会沉在瓶子的最底层，而溶剂部分比重小，都会浮到锡膏的表面，长时间存放会有部分自然挥发掉。如果倒过来放，那样溶剂成份就会在瓶底，使用时，溶剂成份能够尽可能的保留。通过观察，发现新锡膏正着放时，使用时会发现表面漂浮着一层黄色的助焊剂，而倒置放着时，则无此现象。使用时，没有因为倒置放着使得盖子上沾有过多锡量而造成锡膏浪费。旧锡膏则不按照上述方式存贮。
一般保存时间自生产日期起最长为免洗——6个月&水洗——3个月。
2.3锡膏回温
锡膏从冷藏柜（或冰箱）中取出时，应在其密封状态下，自然解冻回温，切勿强制对锡膏进行加热，否则会发生焊剂分离降低锡膏应有的流动性。在其彻底回温达到室温之前切勿拆除密封层，将其敞开或搅拌锡膏，否则容易将空气中的水汽凝结，并粘附于锡膏上，会导致坍落、焊剂或焊锡飞溅、分离，在回流时，水份因受强热而迅速汽化，造成“爆锡”现象，产生锡珠，甚至出现损坏元器件或其他相关的工艺缺陷。
取出回温使用时则采用正放，随着温度的提升活性剂开始活跃金属颗粒也慢慢往下落。这样的一个缓慢的均匀过程有助于锡膏特性的发挥。冷藏锡膏的回温时间一般在4个小时，可通过实验获得验证。实验条件500g锡膏，环境温度27℃。
表一500g装锡膏回温时间与温度对应表

通过以上数据表明锡膏放置在室温下4小时左右锡膏能达到与室温相同的温度。
2.4锡膏搅拌
当锡膏充分回温时，于使用前要充分搅拌。
目的：使助焊剂与锡粉之间均匀分布，充分发挥各种特性。
搅拌方式：手工搅拌或机器搅拌均可。对瓶装锡膏轻轻地用搅棒按一个方向搅拌1到3分钟，但切勿过分用力或过长时间混合。否则会由于过度稀释，从而导致锡膏坍落或桥连。
搅拌后可以使锡粉与助焊剂“比较均匀”一点，但也无法达到百分之百的均匀，真正使锡膏搅拌均匀的地方实际上是在锡膏印刷过程中，当刮刀推着锡膏滚动时，锡膏也在进行搅拌，因此锡膏开罐后手动搅拌的目的，主要是避免前几片PCB印刷时，出现锡粉跟助焊剂产生严重下沉甚至“断层”时，能多少利用搅拌给予调和，但是印刷几片PCB后，锡膏因为经过印刷机刮刀的推动与“搅拌”，锡粉跟助焊剂就会自动调和。
2.5印刷前锡膏添加
往钢网上添加锡膏时，注意不要将锡膏施加到钢网的漏孔上。如果印刷机没有恒温恒湿的密闭装置，建议锡膏量不要加的太多，能使锡膏沿刮刀宽度方向形成Φ10mm左右的圆柱状即可。 
添加时本着多次少量的原则。太少的锡膏，不易在刮刀移动时形成良好的滚动，若滚动不好，锡膏的触变特性就表现不出来，直接影响到锡膏顺利地填充到开口中，同时锡膏量过少，对同一开口而言锡膏持续地填充的时间较短，造成填充不充分，可能造成少锡，塌边，边缘不齐整等印刷不良状况；太多的锡膏，在刮刀压力未及的地方，PCB与钢网接触不紧密的开口处，提前接受锡膏的填充而造成渗漏，更加重要的是，量太多，使锡膏不能及时消耗，使用时间过长，曝露在空气中太久，加重了氧化，吸潮，溶剂挥发过多而变粘，使印刷性能和焊接性能变差。
2.6印刷后回收锡膏
从钢网上取下的用过的锡膏可以分开存放在另外的容器里，以便重复使用，(虽然不建议这样做)。等再次使用时为了提高锡膏的性能，使用过的旧锡膏必须与同等量的新锡膏一起混合再用于印刷。为了获得良好的印刷一致性，新、旧锡膏的比率可以是变化的。最好每班或每天都加入少量的旧锡膏,保证在清洗上一班或上一天的钢网之前所有使用过的锡膏均用完。这里要指出的是许多公司为了避免发生潜在的工艺问题，他们选择丢弃旧锡膏。切勿把用过的锡膏和新锡膏存放在同一个容器里。否则会使新的锡膏被污染从而导致其性能退化。
三、设定正确的印刷参数
3.1锡膏印刷原理
锡膏和贴片胶都是触变流体，具有粘性。当刮刀以一定速度和角度向前移动时，对锡膏产生一定的压力，推动锡膏在刮板前滚动，产生将锡膏注入网孔或漏孔所需的压力，锡膏的粘性摩擦力使锡膏在刮板与钢网交接处产生切变力，切变力使锡膏的粘性下降，使锡膏顺利地注入网孔或漏孔。
图2钢网开口部的焊膏填充状态-实际填充状态
3.2施加锡膏的技术要求
a.锡膏量均匀一致性好，锡膏图形清晰；
b.一般情况下，焊盘上单位面积的锡膏量应为0.8mg/mm2左右，对窄间距元器件0.5mg/mm2左右；
c.印刷在基板上的锡膏允许有一定的偏差，但锡膏覆盖焊盘的面积应在75%以上；
d.锡膏印刷后应无严重塌落、边缘整齐，错位不大于0.2mm，对窄间距元器件焊盘，错位控制要尽可能小于0.1mm以内；
e.基板不允许被锡膏污染。
3.3印刷参数设置
3.3.1刮刀压力
刮刀压力是影响印刷质量的重要因素，一般国产丝印机的刮刀压力控制刮刀下降的深度，而国外的丝印机是通过气缸的压力来决定刮刀下降的距离。刮刀压力的经验公式，使用硬度为80-85 shore刮刀时，开始时在每50mm的刮刀长度上施加1kg压力，例如300mm的刮刀施加6kg的压力，逐步调整压力直到锡膏开始残留在钢网上刮不干净，然后再增加1kg压力。在锡膏刮不干净开始到刮刀沉入网孔内挖出锡膏之间，应该有1—2kg可以接受范围都可以达到好的丝印效果。
理论上说，刮刀刀片长度最好是钢网最大开口长度加上30~50mm，刀片过长会使锡膏蔓延到钢网无需印刷的表面，会加速锡膏的干燥，所以必须随时清理钢网非印刷区上的锡膏，将其刮入印刷区内。
当刮刀压力过小，现象如（图3），发生的原因可能会有两种情况：第①种情况是由于刮刀压力小，刮刀在前进过程中产生的向下的Y分力也小，会造成漏印量不足；第②种情况是由于刮刀压力小，刮刀没有紧贴钢网表面，印刷时由于钢网与PCB之间存在微小的间隙，因此相当于增加了印刷厚度。另外压力过小会使钢网表面留有一层锡膏，容易造成大焊盘开口锡膏过多，小开口锡量过少的不均匀性等印刷缺陷。因此理想的刮刀压力应该恰好将锡膏从钢网表面刮干净。
当刮刀压力过高，会导致剐锡（如图4所示），尤其在使用橡胶刮刀，焊盘又开的比较大时。压力过高还容易把锡膏挤出，后续印刷过程中容易在焊盘边缘残留锡膏（如图5所示）。当焊盘下面的边缘充满了锡膏，则说明刮刀压力过高。
另一种说明刮刀压力过高的现象是在印刷板边缘出现压扁的小颗粒。要改正这一现象，你要降低刮刀压力，直到在钢网的顶部有少量的锡膏残留。然后提高刮刀压力直到划过钢网的表面很干净为止。
图4 剐锡现象                图5 渗锡现象
3.3.2刮刀速度
刮刀速度是指印刷周期中刮刀部件的移动速度。由于刮刀速度与锡膏的粘稠度呈反比关系，刮刀速度越慢，焊膏的粘稠度越大；同样，刮刀速度越快，焊膏粘稠度越小。所以有窄间距，高密度图形时，速度要慢一些。速度过快，刮刀经过钢网开口的时间太短，锡膏不能充分渗入开口中，容易造成锡膏图形不饱满或漏印的印刷缺陷。通常对于细间距印刷速度范围在12mm/s-40mm/s。在刮刀角度一定的情况下，刮刀速度和刮刀压力存在一定的关系，降低速度相当于增加压力，通过对速度的改变，可以达到对压力微调的作用。
由于刮刀速度和刮刀压力增大，在刮刀和钢网接触面产生的温度也就越高。这样就会加大锡膏的稀释，从而产生坍落、钢网下部泄露、焊盘桥接等问题。快速印刷还会导致刮刀和钢网加速磨损，从而使得锡膏成形和锡膏量不良、焊点覆盖不足等。通常快速印刷需要更好的PCB板定位和支撑，并且钢网的清洗频率也高。
除非有其他的工艺可以选择，采用快速印刷是毫无益处的。设定快速印刷工艺参数时，首先调整印刷周期使之到符合周期速度要求，这样印刷机的印刷就会与贴装设备的要求保持一致。
3.3.3印刷分离间距
通过调整印刷的分离距离参数，PCB板和钢网可按事先设定的行程，在一定的速度下进行完成分离。
分离距离参数的设定要合理，保证所有锡膏从钢网开口中分离的最好起始点是一般是2.5mm。在设定新的或未知产品时，分离距离要设定在最大值，然后再在操作的过程中改进设定值，适当减小该分离距离以便满足操作周期时间的需求。但如果分离距离设的太小就会影响印刷精确度和质量。
3.3.4印刷分离速度
可与分离距离一起调整，控制PCB板和钢网的印刷后的脱模。
某一印刷行程结束时，并伴有刮刀上升或分离延迟，PCB板和钢网则以定义的分离速度开始分离。该控制速度和分离过程在达到预设定的分离间隙之前是连续工作的，随后分离速度增致最大值。
分离速度过大时，钢网与PCB间变成负压，锡膏与焊盘的凝聚力小，使部分锡膏粘在钢网底面和开口壁上，造成少印和粘连。
分离速度减慢时，PCB 与钢网间的负压变小，锡膏的凝聚力大，而使锡膏很容易脱离钢网开口壁，印刷状态良好。

图6 印刷分离示意图
对于细间距 IC和uBGA来说，分离速度设定值最好是每秒在0.2~0.8mm/s。而对于非关键印刷，分离速度设定值最好是每秒0.8~2mm/s，虽在许多情况下可以以最大分离速度操作，除非强制实行周期时间或受其它条件约束，有控制总比没有控制好。
3.3.5印刷间隙
印刷间隙是指PCB板顶部和钢网底端之间的距离。印刷间隙有助于锡膏从钢网开口中脱模, 也可相对的增加锡膏的体积。
如果设备校验得当，PCB板宽度合适，并且印刷间隙设定为零，则应该是处在接触印刷状态。（在印刷过程中）只有当PCB板和钢网适合时他们才会顺利地相互接触。这时不会发生钢网表面与PCB板出现向上偏差（即Z值为负数）。如果设定值正确，完全可以保证印刷过程中钢网与焊件焊盘的“密封”， 防止由于锡膏渗透而桥接。
在接触印刷的印刷状态下，锡膏的成形也更均匀，锡膏的高度也更一致。
3.3.6钢网清洗频率
经常清洗钢网底部也是保证印刷质量的因素。应定期清洁钢网，彻底除去底部残留物，否则这些残留物会变干并结块，不利于清洗。
钢网清洗频率主要取决于钢网开口的质量、印刷机对中精度和可重复性、PCB板表面光洁度质量、印刷压力、刮刀类型、锡膏粘度、甚至环境条件等因素。
有些钢网在每块PCB板印刷后都需要清洗，而有些却每个班次清洗一次即可，有的甚至不需清洗。到底多长时间清洗一次，只要将钢网拆下，目测一下底部的状况即可知道是否需要清理。
好的清洗剂易于洗去钢网底部残留物而不会破坏与之接触的锡膏成分。最理想的是所选择的清洗溶液能除去钢网孔壁和钢网下面残留的锡膏，但不能清洗的过于干净将锡膏中的助焊剂都清洗掉，因为助焊剂易于锡膏从钢网的开孔中脱离，从而强化锡膏性能。清洗液用量要适度，多余的清洗液要擦掉。因为许多种类的清洗液残留有油质，在印刷过程中会阻碍锡膏的滚动。
四、主要缺陷原因分析与采取措施
4.1印刷桥接
通常，桥接现象与锡膏的量或流变能力有关。要么是印刷的锡膏过多，要么是锡膏的黏度太低。无论哪种因素存在，开始操作时，锡膏就会从引脚的侧端挤出，如图7。
刮刀的压力过高，锡膏因剪切力变稀使之失形而引发坍塌，导致桥接。
印刷速度应与刮刀压力相对应，过快的速度会导致锡膏对刮刀压力产生过大的反作用力，而使实际刮刀压力加在钢网表面的力下降，致使表面有一层薄锡存在，锡厚增加。 
如果孔壁面积与底面积之比较小，其脱模的质量对脱模速度较敏感，过快的脱模速度会影响锡膏的成型，出现拉尖，锡量不饱满的现象。
如果桥接只是发生在印刷机内，有大量的桥接现象，则重新检查印刷间隙参数是否正确。若总是在同一部位发生桥接现象，则检查PCB板的支撑情况。尤其是双面的PCB板，这种情况很常见。 支撑的作用是很重要的，我们在焊接过程中，曾经出现过同一种板卡上有0.4pitch密间距芯片器件，同时还有0.5pitch、0.65pitch的常见的芯片器件，在印刷过程中，发现0.5pitch、0.65pitch的芯片总是有引脚桥接，不论怎么调整印刷参数，都解决不了，反而0.4pitch的芯片印刷效果不错，因为大家都是知道0.4pitch焊接精度要求高，就在器件的相应位置放置了支撑物，后来我们就在0.5pitch、0.65pitch的芯片相应位置也放置支撑物，则桥接的现象不见了。由此可见印刷中支撑物的作用也很重要，不能忽视。
4.2印刷残缺
当支撑物过分用力将PCB板顶在钢网上，当钢网与PCB要分离时，在PCB下移过程中，钢网会将PCB焊盘上的锡膏粘连带走。因为钢网是随PCB板一起受向上的推力，推力使得钢网有向上的张力，每当PCB板精确向下分离时，钢网需要先恢复到水平状态，然后随着分离速度，钢网与PCB之间出现一个负压的过程，这个过程中就会导致锡膏粘连在钢网上导致焊盘锡膏印刷不完整，就是因为PCB板由于受力让钢网变形了。
为了正确设定印刷间隙参数并矫正印刷残缺，PCB板要刚好与钢网底部接触。同时检查定位针是否干净（确保没有异物粘于之上），边上的夹紧装置是否将PCB板夹紧。PCB板是否总处于水平位置。 
4.3狗耳朵
钢网堵塞是分离间隙参数设定不当而造成的常见问题。锡膏从PCB板上分离后残留在钢网开孔中。还有一种缺陷叫狗耳朵或叫起包，（如图8）。即锡膏的某些部位成形高度高出锡膏其他部位。
分离间隙参数的设定要合理，当操作刚开始，可适当减小该分离间隙以便满足操作周期时间的需求。但如果分离间隙过小，就会在后续的快速分离中，由于负压作用，导致孔壁一侧锡膏被拉伸，出现上述问题。

总结：要想获得良好的印刷质量，必须要控制好锡膏的使用，设定适合的工艺参数，在不断的解决问题过程中积累经验。以上内容给出了一些设定参数的原则，实际生产还需要根据不同产品、不同设备、不同品牌锡膏分别进行优化。

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