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摘要 在追求SMT線體的產能最大化的今天，由于貼片機的貼片速度提高，昔日的線體瓶頸——貼片工序．已讓位于錫膏印刷和點膠工序。錫膏的高速印刷可以通過刮刀、錫膏等的認真選擇而實現。本文用定量可印刷性測試進行了幾種工藝方法討論。印刷時間的縮短可以預留印錫質量檢驗更多的時間。同時不影響整體線體效率。點膠技術目前的速度限制可以通過印膠的方法解決，高速印膠工藝使用的就是目前常規的印刷機和鋼網技術。

簡介

印刷工序的工序時間(Cycle time)一般是以秒計并由印刷機供應商提供，提速印刷工序可以提高整體產能；或為間接工序如貼片前檢查工序提供時間。印刷工序時間包括：將單板傳送到印刷位置、提升單板到鋼網下的適當距離、對單板上的全局識別點進行定位、對鋼網上識別點進行定位、移動單板或鋼網進行單板一鋼網對位、降低單板、將單板傳送出機器。印刷工藝時間包括將刮刀從靜止位置移到鋼網表面、以一定的刮刀運動速度印刷單板，最終抬起刮刀，與此同時單板與鋼網分離。提高錫膏印刷速度可通過多種方式實現，但通常是以提高刮刀速度實現。為縮短工序時間的任何改變，如刮刀速度加快，都必須充分考慮其負作用，如果僅僅提高刮刀速度，那就可能要增加擦網頻率或會降低印刷質量。優化工作的第一步是考慮那些不會影響錫膏性能表現，而與工序時間相關的速度與延遲。減少分離距離和增加分離速度就直接減少印刷工序時間，例如：從3mm分離距離和1mm／s分離速度改變到1mm分離距離和10mm／s，就會減少2．9秒的工序時間。減少支撐印后定位臺降低距離和刮刀離鋼網距離都會在不改變印刷工藝參數的情況下節約寶貴的工序時間。另外考慮任何可減少或避免的延遲工藝價值并進行優化。本文將集中討論實現高速印刷的工藝參數優化。

點膠機和膠粘劑一樣都存在著要跟上貼片機節拍的挑戰，這一工序的工序時間主要指標是每小時多少點，這一數字都是在設備點涂同樣大小的小膠點的理想狀態下得到的，由于膠粘劑對溫度非常敏感，所以通過控制設備內溫度或點膠針嘴可以提高點膠速度，通過把針嘴里的膠粘劑加熱到30-35℃，膠粘劑粘性會下降，這樣點膠所需的剪切力下降，點膠時間縮短。當膠點離開針嘴時，它能馬上冷卻到室溫并回復到原來流變能力，在單板上形成一個高圓錐型膠點。其它工序時間降低的手段，如減少點膠頭點完一點膠后的返回高度，增加空氣壓力以減少點膠時間等，肯定會產生拉尖等負作用，所以需要慎重考慮。本文將集中介紹提高施膠速度的兩種印膠方法。

錫膏印刷

影響速度的工藝因素

1．標竿測試結果

在我們考慮提高印刷速度之前，讓我們定義一些基本的印刷工藝準則。第一，刮刀必須刮過鋼網時，不能在印刷區域留下任何焊料顆粒；但刮刀壓力和刀壓下量不能大到鋼網上留下刀痕。第二，必須嚴格控制由于錫膏觸變性特征(Shear thinning)導致印錫缺陷的增加，Shear Thinning效應可以通過進行復雜的可印性標桿測試，對比一定刮刀速度連續印刷前后的效果得到。

圖1所示就是多功能測試圖形，這一設計可公式化地反映印刷表現特性，其結果可量化用于測試和標竿化各種工藝參數的作用，如刮刀速度的增加。從設計角度，用超細間距(120μm開口)到細間距(300μm開口)的開口測試的方法試驗錫膏的可印刷性。坍塌測試為錫膏提供不同的應力條件并測試在大焊盤之間非常細間距的印錫分辨率。每15次印刷為一周期，測試第2、5、9、10、15次印錫效果，為加大錫膏表現難度，只在第11次印刷前進行擦網。測試在印刷200-1000次后馬上重復。



開口測試 測試10種不同的間距，從120μm開口／間距到300μm開口／間距。對于每種間距有四組13個開口12個間距組成：一組平行印刷方向，一組垂直印刷方向，另有兩種與印刷方向咸45度角。對于每組的5次印刷(第2、3、9、10、15次)、每種間距和每組方向都進行測試并記錄，這樣測試就有15個缺陷機會(3個方向×5次印刷)。缺陷的定義，如橋接是在空距內有至少兩個金屬顆粒；如缺口是有證據在鋼網上有殘留錫膏等。

坍塌測試 測試印刷圖形擴展情況，這與錫膏坍塌Slump類似,不同的是這里是指在印刷過程中由于錫膏觸變性”Shear thinning”而導致的。兩個大焊盤，如SOIC焊盤，布局很近，在兩次印刷后就會產生坍塌,如圖2左邊是錫膏觸變性“Shear thinning”前的圖形，右邊是錫膏觸變性“Shear thinning”后的圖形。



2．刮刀因素

刮刀的鋒利程度和角度是影響錫膏高速印刷的另一個因素。一般地，刮刀越鈍，為刮干凈鋼網所需的刮刀壓力就越大，刮刀的速度也越慢。雖然大家都關心鋒利程度，但聚合物(聚亞安酯)刮刀和金屬刮刀有所不同，通過用一簡單的放大鏡檢查就可發現不同的金屬刮刀在刀刃上有著明顯的區別，如圖3所示。除了刀刃不同外，不同刮刀的厚度也不同，較厚的刮刀通常較硬并能在較高的刮刀壓力下保持刮刀角度。刮刀角度直接影響高速印刷的實現，刮刀和鋼網的角度越陡，鋼刀刮干凈鋼網所需的刮刀壓力越小。小的刮刀角度和刮刀高速運動會在鋼網上留下薄薄一層錫膏，并且印刷效果較差，增加刮刀壓力實際上也會加重這種現象。圖4和圖5表示了刮刀角度和類型的交互配合效果。





3．溫度因素

溫度是印刷工藝中另一個可控制變量，如果溫度過高．Shear Thinning會加劇，從而印刷速度必須要降低，如果溫度過低，可從圖6中看到可印刷的最大速度，圖中刮刀為D型，刮刀壓力為31b／in。



為了提高印刷速度，刮刀從古式聚亞安酯發展到由DEK、MPM、Fu山提供的封閉刮刀頭選件，高硬度聚亞安酲勐刀與階梯蝕刻鋼網配合的使用，比大多數金屬刮刀具有更好的刮凈能力，當然與相應的金屬刮刀相比，它的磨損要嚴重些。據報道，新型封閉刮刀頭適合于更高速及更細間距的印刷。

影響速度的材料因素

1．粘度

粘度，作為對印刷速度影響最顯著的材料因素，它與印刷速度成反比，粘度越高，速度越低。按照IPC測試方法得到的1．5-2gr／mm2粘度力大小的錫膏，如果采用合適的刮刀參數可以達到4-6in／s的印刷速度。高粘度(＞3gr／mm2)錫膏在刮刀／錫膏和錫膏八岡網界面上都需要更高的剪切力。

2．粉末

錫膏中金屬粉末顆粒大小直接影響印刷速度，這可能是更小的粉末顆粒導致錫膏具有更高粘度的結果。在同樣的固體含量及粘結劑配方的錫膏中，如果采用2號金屬粉末(-325／+200)印刷速度可達到61PS(1nches Per Second)，如果采用3號金屬粉末(-325／+500)印刷速度只能達到4IPS。

3．固含量

相比粘度、粉末大小，固含量對印刷速度的影響要小些，一般地，固含量越高，印刷速度越高，這可能是由于阻焊劑含量減少了，從而錫膏的粘度也降低了。




印膠

一次印刷法

一次印刷法是本文論述兩種印膠方法中最快的一種，施膠速度可達到475K點／小時。此方法存在的最大問題是厚鋼網(10mils)的大開口(＞30mil)填充問題，這個膠點的面向刮刀運動方向的部分會有空洞或少膠．如圖9所示，在膠點的四周可以看到有一圈膠反映鋼網開口情況，進行兩次印刷可以減輕這種情況，但會產生鋼網底部與PCB板之間滲膠現象而需要經常擦網。如果用可印膠，鋼網厚度為6mil，刮刀速度不超過71PS，那任何開口(≤70mil)的印膠都不會出現這種缺陷。這一缺陷是由于刮刀刮過時在開口處有殘留空氣逃逸從而導致的，可以通過采用流動性能較好的可印膠和一些Snap Off(鋼網底部與印制板之間非接觸，留有空隙)消除。這種非接觸式印刷方法可在印刷時允許開口放氣，但非接觸式印刷需要更頻繁的擦網頻率。利用傳統化學蝕刻的6mil厚不銹鋼鋼網，印刷50塊測試板而不用擦網，工藝參數設置如下：




對每隔5塊測試板上所有測試膠點用目檢方式檢查氣泡情況，并用最新的激光測量方法測量膠點的直徑和峰值高度，檢測結果表明沒有目檢缺陷，同時膠點直徑一致性較好(如圖7和圖8所示)，這就意味著至少印膠50塊板不用擦網。如圖10所示，在這50個測試板中，膠點峰值高度與開口直徑比例表現出較好趨勢。膠點高度／開口直徑的趨勢反映了膠從開口中釋放復雜程度的結果，如圖11所示，這也是膠與鋼網開口壁之間表現張力互相影響的結果。有研究表明如果采用非常厚的鋼網(≥1mm)，印刷后，所有鋼網開口保持密封狀態。

二次印刷(Pring-FIood)法

此方法充分利用可印膠的流變能力，鋼網采用常規厚度10mil，非接觸印刷，印刷間隙為24mil(0．6mm)，前后刮刀壓力設置不同，第二次印刷刮刀高出(FIood)鋼網上表面約1．5mm。如圖12所示，第一次印刷留下的膠層成為第二次印刷時大膠點形成的平臺。在第二次印刷的印制板與鋼網分離階段，膠點還在形成中，這時鋼網開口上殘留的膠與印制板上已有膠點之間接成一條線，最終它將斷掉，膠會回縮到鋼網里及形成印制板上最終的膠點形狀，在這過程中分離速度非常慢(0．1-0．4mm／s)。整個工藝過程雖然比一次印刷法慢，但施膠速度仍能達到10K點／小時。用這方法的缺點是就是一定要擦網，但這種方法可以得到范圍非常廣的膠點高度，并且具有很小的變異量，如圖13。工藝參數設置如下：






設計指引

在本文描述的兩種印膠方法中，使用金屬、激光切割，厚度為6-10mil的鋼網時，推薦不同元器件的印膠鋼網開口直徑如下表。對于小片式元件(0805以下)要特別關注元件焊盤之間的間距，要考慮印刷機的定位精度，同時膠點實際印刷直徑會比開口大幾個mil。對于大Stand off的元器件，如solc／QFP，推薦使用Pring-Flood方法印膠，如果只是對片式元件印膠，推薦使用一次印刷法。



因為粘膠劑中沒有揮發性成分，所以印膠后的膠點在板上待的時間可以比印錫后更長。利用機械式(噴射或超聲波)清洗方法，使用合適的溶劑是比較容易清洗鋼網上的殘留膠的，可用目檢檢查開口有無殘留膠，使用印膠鋼網完后一定要清洗。

結論

印錫工序時間可以通過減少不必要的延時、優化分離距離和分離速度、減少支撐印后定位臺降低距離、刮刀離鋼網距離等方法大大降低?？梢酝ㄟ^選擇更鋒利、更陡的刮刀角度(如60°)提高刮刀速度。溫度控制可充分利用錫膏的流變性能。把材料的觸變性“Shear thinning”特性標桿化可以確保提高刮刀速度的前提下，而不降低印刷質量或增加擦網頻率。

雖然用點膠加熱頭等改良可以提高點膠速度，但印膠工藝更能大大地提高施膠速度。采用一次印刷法可以達到大于每小時47萬點的施膠速度；用Print-Flood方法可實現比鋼網高3倍的膠點高度。



通過增加印錫和施膠速度，印刷工序的時間變短，高速線的瓶頸將重新回到貼片機上，節省下來的工序時間可用于貼片前檢查等工藝控制上。