焊膏印刷技術(shù)及工藝控制要點

馮征戈，周峻霖，肖 雷，章 昊

（1,2,3，華東光電集成器件研究所，安徽 蚌埠 233000；4，西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 咸陽 712100）

一、引言

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，表面組裝技術(shù)也在不斷地發(fā)展和完善，組裝所用的元件越來越趨于小型化，裝配密度也越來越高，器件間距和印刷焊盤之間的間距越來越小。近年來由厚膜混合電路衍生出了MCM-C，許多產(chǎn)品組裝密度很大，為滿足新技術(shù)的嚴苛要求，需要對傳統(tǒng)絲網(wǎng)印刷和金屬箔掩膜印刷焊膏的技術(shù)不斷進行優(yōu)化，工藝上通常通過調(diào)整參數(shù)及設(shè)置來滿足產(chǎn)品加工的要求。

焊膏印刷的方式很多，如聚酯膜手工刻膜印刷、金屬模板印刷、以及焊膏全自動噴印技術(shù)等。聚脂膜手工刻膜印刷，優(yōu)點是靈活性高，缺點是一致性不佳，需要一定的技術(shù)才能控制好；金屬模板印刷一致性好，適用于批量生產(chǎn)，作為工業(yè)化批量生產(chǎn)的主流技術(shù)被廣泛采用；而焊膏全自動噴印技術(shù)在靈活性和一致性上具有優(yōu)越性，但設(shè)備價格過高，目前有待推廣。在焊膏印刷中,有三個重要因素：焊膏、印刷模板和刮刀。加工中任何一個因素的不穩(wěn)定都會對焊膏印刷工藝產(chǎn)生不良影響，克服材料選擇和工藝應(yīng)用中的不良因素,可獲得良好的印刷效果。

二、影響焊膏印刷工藝的因素及解決措施

（一）焊膏對工藝的影響及解決措施

焊膏是由助焊劑及金屬顆粒組成的一種觸變性懸浮液，焊膏能夠在回流焊的過程中提供焊錫中間體,形成的焊點具有足夠電氣強度和機械強度。好的焊膏應(yīng)具有三個特點，即優(yōu)良的可焊性、可印刷性、穩(wěn)定的質(zhì)量。

1.焊膏主要成分分析

焊膏主要成分包括金屬粉末、助焊劑和有機溶劑。金屬粉末粒度越小，焊粉總體表面積就越大，其氧化度就會越高，焊接時金屬粉末結(jié)合阻力也隨之越大，焊膏與元件、器件之間就越難浸潤，最終導(dǎo)致可焊性變差。若在空氣中暴露時間較久則不易印刷，容易造成回流焊出現(xiàn)錫珠。因此，一般采用中等規(guī)格金屬粉末粒度（3-4號粉/45-75μm）就可以了。

焊膏中的助焊劑成分非常復(fù)雜，通常分為四類：增粘劑、活化劑、溶劑、觸變劑；它們共同作用，有效保證了助焊劑的粘性、活性并且可以抑制氧化，同時更是在焊膏印刷時保證了焊料球既容易在網(wǎng)板上滾動，又在印刷后有一定的保形性；國外焊膏在印刷后的保形性、防塌陷性能方面要優(yōu)于國內(nèi)產(chǎn)品。

焊膏的有機成分一般為改性樹脂、胺類、有機酸等，因此具有吸濕性和親水性，長時間暴露在空氣之中會吸收水分，從而加快焊料中氧化物的沉積，導(dǎo)致回流時產(chǎn)生迸錫并出現(xiàn)錫珠、短路、空洞、連條、元件立碑等缺陷。

2.焊膏使用時的工藝控制

未開封的焊膏，應(yīng)以密封形式低溫（2-10℃）存放在恒溫、恒濕的冰箱中，若溫度過高，焊膏中的合金粉末和焊劑一旦產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，將會導(dǎo)致材料的黏度、活性改變，影響其性能；保存溫度過低，焊劑中的樹脂會產(chǎn)生結(jié)晶現(xiàn)象，從而將焊膏的形態(tài)變壞。

焊膏開封后，對于批量大的生產(chǎn)，在PCB工廠要求同一個批次焊膏24小時用完，不重復(fù)低溫保存。對于小批量的研制使用，從冰箱中低溫取出焊膏后，不要急于打開，應(yīng)在密封狀態(tài)下，自然升溫到室溫之后再打開，此過程一般需要2-4小時。如果過早開蓋，急劇的溫差會導(dǎo)致焊膏吸取大量水分，造成焊劑性能變壞，形成回流焊中錫珠問題。

5個村莊的規(guī)劃充分挖掘了地方特色，因地制宜。丹徒區(qū)世業(yè)鎮(zhèn)聘請了東南大學(xué)韓冬青設(shè)計大師團隊，定位于“江島水鄉(xiāng)、健康之舟”，依托獨特的洲島生態(tài)環(huán)境，傳承并彰顯鄉(xiāng)居、河塘、田野共生的水鄉(xiāng)圩村肌理，構(gòu)建面向村民和游客的公共服務(wù)體系，培植健康農(nóng)業(yè)、創(chuàng)意農(nóng)業(yè)、參與式生產(chǎn)體驗+度假等多種形式的大健康產(chǎn)業(yè)。韓冬青教授在全省特色田園鄉(xiāng)村建設(shè)試點工作推進電視電話會議上將此規(guī)劃作為范例進行了講解。

焊膏自冰箱取出，自然回溫至室溫，開蓋，使用圓頭刮鏟沿著同一方向充分攪拌2到5分鐘，之后才可以印刷；使用圓頭刮鏟是因為原因圓頭刮鏟可以保護金屬粉末不被破壞。儲存過程中，一定要特別注意“恒溫”，焊膏總是處于常溫、低溫交替變化的環(huán)境中，會導(dǎo)致焊膏中的焊劑成分改變、性能變差，焊膏發(fā)干，從而給漏印帶來困難、甚至傷及漏印模板，最終影響成品率。此外，任何材料都有一定使用壽命，生產(chǎn)中也須綜合考慮：如錫鉛銀這幾種焊膏(Sn62Pb36Ag2)廠家主張未開封前低溫保存壽命6個月，國外廠家主張焊膏一般批次性生產(chǎn)開封后一次性用完，超過48h即廢棄；國內(nèi)廠家推薦焊膏開蓋后在冰箱儲存，1個月內(nèi)用完。而對于研制使用量較少的，遵循先進先出的原則，就是大家盡量都使用已開封的焊膏，用完后再開封新批次；應(yīng)注意在使用時及時蓋好內(nèi)、外蓋，盡量減少焊膏與空氣接觸。

3.焊膏印刷中的不良反應(yīng)和解決方案

焊膏印刷是一項十分復(fù)雜的工藝，既受厚度不一致的影響，同時又跟設(shè)備和參數(shù)有直接關(guān)系，通過對印刷過程中各個細小環(huán)節(jié)的控制，可以防止或減少在印刷過程中出現(xiàn)缺陷。焊膏印刷中一般鋼模板的垂直厚度應(yīng)該至少是焊膏中最大焊球直徑的三倍(H＞＝3Dmax),鋼模上孔寬度至少是焊膏中最大焊球直徑的三倍(W＞＝3Dmax)。焊膏印刷中經(jīng)常出現(xiàn)的一些不良反應(yīng)、產(chǎn)生原因分析及解決措施，見表1。

表1 模板印刷焊膏時可能發(fā)生常見缺陷及解決措施

（二）模板對焊膏印刷工藝的影響及解決措施

焊膏印刷的基本工具是模板，模板的主要類型有三種：絲網(wǎng)模板、金屬箔模板、和柔性金屬模板。

1.模板的制作

（1）絲網(wǎng)模板制作。絲網(wǎng)模板制作比較簡單，適用于批量小的產(chǎn)品，缺點主要表現(xiàn)在孔眼通過絲網(wǎng)不易看到焊盤，定位比較困難，能夠通過絲網(wǎng)的焊膏僅占孔眼的60%左右，因此容易堵塞。此外，模板的開口尺寸與模板的厚度密切相關(guān)，如果過厚，將會導(dǎo)致焊膏脫模不良，而且容易造成焊點橋接；如果過薄，又難以滿足粗細間距混裝的組裝板的要求。

（2）金屬箔模板制作

包括SOIC、PLCC、TSOP及QFP等通用器件模板的開口通常是通過激光束切割、化學(xué)蝕刻、電鑄等方法制造。在制造過程中均遵循以取得光滑一致的開口側(cè)壁為目標的原則。模板可采用有焊盤孔眼的不銹鋼、錫青銅、鈹青銅、箔片等材料制作。

激光切割制造模板最常用的材料是不銹鋼，不銹鋼材料經(jīng)激光束切割后獲得的模板開口可自然形成錐形內(nèi)壁，有利于焊膏的釋放，該特點對于細間距印刷更重要，由此不銹鋼模板為當前工業(yè)界批量生產(chǎn)普遍采用。此外，通過電拋光或鍍鎳的方法也可以使開口內(nèi)壁更加光滑一致。

使用金屬模板及絲網(wǎng)印刷機沉積焊膏,由薄薄的帶有小孔的金屬板組成模板。在開孔處,焊膏可以較易地流經(jīng)小孔印刷至PCB板或陶瓷基板上。金屬模板和待印基板間不需間隙,使用壽命長(30000次)。金屬模板的制造方法有三種:激光刻制、化學(xué)腐蝕和電鑄。激光刻制的模板適用于批量生產(chǎn),它的精度比較高，但是，因為激光切割產(chǎn)生的熔融金屬會跳出小孔，融化鋼模表面,導(dǎo)致造成鋼模表面粗糙,因此在使用激光刻制鋼模時，考慮到這一點，必須清潔鋼模表面,去除熔融的金屬微粒,但同時這也會造成微小的粗糙度,使得表面看起來暗淡無光。然而，出于成本考慮，一般采取金屬模板或聚脂膜漏印的方式。

2.模板應(yīng)用及技術(shù)改進

印刷速度，刮板頭類型，印刷角度和壓力，模板和待印刷基板之間的距離，印后基板與模板脫開的速度對焊膏印刷工藝都有不同程度的影響。為了保證印刷的質(zhì)量，這些因素中的每一個都必須仔細地優(yōu)化。同時，在執(zhí)行一種新的印刷任務(wù)時，由于基板厚度不一，要使用一整套新參數(shù)。由于研究所為多品種、小批量的生產(chǎn)現(xiàn)狀，每種新產(chǎn)品印刷時基本上都要做調(diào)整。

使用模板進行網(wǎng)印操作的局限之一是：焊料沉積的量極大程度上是由模板厚度所控制的。這一問題可以通過帶有臺階的模板來緩解，這種解決方案的弊端是會加大額外的生產(chǎn)成本，且增加了技術(shù)的復(fù)雜程度。同時，基板的設(shè)計上也會附加了一些限制條件，例如“keep-out distances”(臺階區(qū)域的通孔和正常區(qū)域最近處通孔間的距離)參數(shù)就比較難控制。

在日常生產(chǎn)實踐中，對于某些單面的PCB板或陶瓷基板，通常采用的是激光劃片機或機械式打孔機制作的銅箔模板，印刷機則是使用絲網(wǎng)印刷機，但隨著電路焊膏印刷加工量的增加，銅箔磨損比較明顯，就需要重新制作銅箔模板。對于雙面PCB及大批量陶瓷封裝SMT產(chǎn)品，我所使用的是深圳同志科技公司生產(chǎn)的T1200D型焊膏印刷機，該型號的焊膏印刷機可通過夾具將PCB板已組裝面懸空墊起，并完成另一面的焊膏印刷，此設(shè)備主要使用的是，通過激光機Gerber數(shù)據(jù)制備的不銹鋼印刷模板。待加工電路中含有0.4mm及以下間距的元器件時，建議印刷鋼膜厚度為0.08mm～0.1mm；如過過待加工電路中所有元器件間距均大于0.4mm以上時，建議印刷鋼膜厚度為0.12mm～0.15mm。

（三）刮刀對焊膏印刷工藝的影響及解決措施

配合激光不銹鋼模板使用的刮刀(Squeegees)主要為金屬刮刀。如果采用傳統(tǒng)HIC絲網(wǎng)印刷的銅箔金屬模板，則推薦使用網(wǎng)印機配用的橡膠刮刀，膠刮刀的缺點是銅箔易氧化、橡膠刮板頭使用一段時間會因磨損而不平整，從而影響了印刷的質(zhì)量。使用金屬刮刀印刷時,刮刀使焊膏滾動,流進金屬模板的小孔,然后刮刀刮去多余的焊膏,留下模板厚度的焊膏。

1.刮刀壓力

刮刀壓力的改變，對印刷來說影響重大，太小的壓力，會使焊膏不能有效地到達模板開孔的底部且不能很好地沉積在焊盤上；太大的壓力則導(dǎo)致焊膏印得太遠，甚至?xí)p壞模板，理想狀態(tài)為正好把焊膏從模板表面刮干凈。另外刮刀的硬度也會影響焊膏的厚薄。太軟的刮刀會使焊膏凹陷，所以建議采用較硬的刮刀或金屬刮刀。

2.刮刀的參數(shù)設(shè)置

刮刀的參數(shù)包括刮刀的材料、厚度和寬度，刮刀相對于刮刀架的彈力以及刮刀對于模板的角度等，這些參數(shù)均不同程度地影響著焊膏的分配。其中刮刀相對于模板的角度θ為60°-65°時，焊膏印刷的品質(zhì)最佳。在印刷的同時要考慮到開口尺寸和刮刀走向的關(guān)系。焊膏的傳統(tǒng)印刷方法是刮刀沿著模板的X或Y方向以90°角運行，這往往導(dǎo)致了器件在開孔不同走向上焊膏量不同，經(jīng)實驗證明，當開孔長度方向與刮刀方向平行時刮出的焊膏厚度比兩者垂直時刮出的焊膏厚度多了約60%。刮刀以45的方向進行印刷，可明顯改善焊膏在不同模板開孔走向上的失衡現(xiàn)象，同時還可以減少刮刀對細間距的模板開孔的損壞。

如何獲得正確的壓力設(shè)置:首先對每50mm長的刮刀施加1Kg壓力,例如若刮刀長300mm，則需施加6Kg壓力,然后減小壓力,直至焊膏開始涂抹在金屬模板上,接著增加1Kg的壓力,此刻的壓力值是正確的壓力值。焊膏被從模板的孔中擠出時的壓力值和焊膏漏印在模板上時的壓力值之間有1—2Kg的范圍,這個范圍內(nèi)能獲得良好的印刷效果。使用金屬刮刀，同樣要注意避免刮刀未能保持水平狀態(tài)、焊膏印刷時壓力過大、及鋼模版表面有明顯裂痕或殘存發(fā)硬的焊膏，都會導(dǎo)致金屬刮刀磨損，導(dǎo)致印刷時鋼模版上拉出線條或鋼模表面留有參差不齊的焊膏殘留。因此，只有正確使用、定期更換刮刀才能夠保證焊膏的印刷質(zhì)量。

三、結(jié)語

對于當前微電子業(yè)界焊膏網(wǎng)印，金屬箔掩膜已成為主流技術(shù)。實際加工中用絲網(wǎng)印刷機加工可獲取高質(zhì)量的焊膏印刷結(jié)果，但加工中參數(shù)設(shè)置上必須有一些折衷；為保證表面貼裝產(chǎn)品質(zhì)量，必須對生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)中有影響的關(guān)鍵因素進行分析研究，制定出有效的控制方法。作為關(guān)鍵工序的焊膏印刷更是重中之重，只有制定出合適的參數(shù)，并掌提它們之間的規(guī)律，才能得到優(yōu)質(zhì)的焊膏印劇質(zhì)量。隨著焊膏噴印等新技術(shù)的發(fā)展，也為今后在細節(jié)距、帶空腔微小型表面組裝結(jié)構(gòu)加工方面提供了新的渠道，必將進一步促進焊膏印刷技術(shù)的進步。