SMT制造中印刷站点的质量缺陷与改进

随着SMT技术在电子界、工业界的应用越来越广泛，其制造质量越来越引起人们的关注。影响SMT质量的因素有很多种，作为SMT制造中一个重要工艺，印刷站点的质量在很大程度上影响了整个生产的质量。本文将对印刷站点的各个工艺相关方面来归纳与分析其相应的质量缺陷及对工艺的影响，并重点通过讨论网板的制造来探讨如何减少印刷站点的缺陷并提升产品良品率。

关键词：SMT；印刷缺陷；焊膏；网板；刮刀；印刷参数

中国规模化工业化引进SMT（Surface Mount Technology）技术源于上世纪80年代初期，主要用于彩色电视机调谐器的生产，其后录像机、计算机、通信产品等系列电子产品的大规模发展引发了一轮接一轮的SMT引进高潮。

影响SMT制造质量的因素非常多，例如：PCB布图设计，元器件、印刷电路板等材料的质量，还包括印刷、贴装、焊接等各工序的工艺控制水平及稳定性，以及产线设备的性能等。随着SMT技术在电子界、工业界的应用越来越广泛，整个生产制造质量越来越引起人们的关注。为了实现高直通率、高可靠性的质量目标，必须从制造的各个影响因素进行全面控制。

一、正文

在SMT行业，一个明显的趋势就是封装尺寸越来越小，基板设计越来越复杂，元器件组装密度越来越高。这些挑战性的应用使如何减少印刷站点的缺陷并提升产品良品率受到越来越多的关注和挑战。一般来讲，SMT生产中70%[1]以上的不良品都是由于印刷环节的缺陷造成的，所以印刷环节的工艺可靠与否，直接影响SMT最终产品的品质。印刷工序的目的是将焊膏放置在印刷电路板（PCB）相应元器件的焊盘上。这些半固态半流体态的焊膏将会在后续的贴片及回流焊工序中将元器件吸附住，直至结束回流焊站点的焊接工序。在回流焊工序中，焊膏会提供助焊剂以及含锡的焊剂，从而在元器件和PCB焊盘间生成电子晶键连接，将元器件牢牢焊接在电路板基板上。而印刷工序中网板设计、刮刀性能及设备参数设定等一些细节，则直接影响了印刷工序的生产效率和最终产品的生产质量[2]。本文将从印刷工序各个相关方面，重点是通过网板制造来探讨如何减少印刷站点的缺陷并提升产品良品率。

二、影响印刷站点质量的因素

印刷站点作为整个SMT制造主要工序的第一站，对整个产品生产质量起着非常重要的作用，其生产环节的质量控制在很大程度上直接决定了SMT最终产品的品质。影响印刷站点质量的因素非常多，在日常生产中主要需要关注以下这些常见的生产条件是否可靠，工艺是否完善，操作是否规范

1. 材料方面。焊膏的存放条件是否规范（冷冻温度及时间），焊膏的使用方式是否规范（解冻，搅拌时间）。

2. 设备方面。网板设计及制作是否规范，治具及夹具设计和制作是否规范，设备设定是否正常（刮刀压力/速度/角度设置）。

3. 维护与保养。PCB清洁是否规范，网板清洁是否规范，设备检定保养是否规范。

4. 生产操作。操作方法是否规范，生产过程是否正常（锡膏过多/过少/漏印/塌陷等不良）。

图1-1 印刷机示意图

图1-2 网板印刷示意图（侧视）

图1-3 网板印刷示意图（俯视）

印刷站点经常出现的质量缺陷主要有以下几种：焊料不足，焊料过多，焊料不均匀等。这些都会造成回流焊时的焊点质量缺陷。一般在整个SMT工艺调整很好的情况下，大多数缺陷源于网板（stencil）印刷。

网板在印刷工序中起着极其重要的作用，印刷缺陷中的50%[3]以上都是由于网板的不良造成的。网板制作过程中很多细小的环节都会对整个SMT的成品质量造成决定性的影响。比如针对常见的SMT产品上产生锡珠或立碑等缺陷，网板开孔与焊盘的相应关系非常值得考虑。制作网板时，焊盘的大小决定着网板上印刷孔的大小，网板印刷孔的大小决定了产品上的大小元器件所需焊膏量的分配与优化。网板的设计会影响到焊膏在焊盘上的正确位置及焊膏在PCB上的印刷厚度，而焊膏的印刷厚度是SMT生产中一个主要的参数。根据日常的生产经验，焊膏印刷厚度通常在0.15-0.20mm之间，过厚会导致“塌落”促进锡珠的形成。通常，我们为了避免焊膏印刷过量，将印刷孔的尺寸造成小于相应焊盘接触面积的10%，也就是在相应焊盘上设计无焊膏区域，以防被挤压的焊膏在融化时不能回缩到焊盘上而形成锡珠。根据实际生产线的反馈得知，这种设计方法会使锡珠现象有相当程度的减轻。

图2-1 网板印刷示意图

网板的制作一般有如下几种方式：一是蚀刻，即是采取化学腐蚀的方法将对应焊盘的部分腐蚀掉，这种制作方式的优点是价格较低，缺点是网孔的边缘有毛刺，锡膏有易脱模，0.5mm间距的PCB印刷一般不采取此种方式；二是采用激光，这种制作方式优点是网孔的边缘垂直度较好，锡膏易脱模，而且价格也适中，目前大部分生产细间QFP的厂家大多采用此种模板；三是采用电铸方式，此种的方法的优点是网孔的边缘基本无毛刺，锡膏的锐模性最好，缺点是价格高。因印刷工序后续的回流焊站点存在再流动效应与自校正效应，所以如果网板或PCB焊盘设计不正确，即使贴装十分准确，在回流焊时由于润湿力和表面张力不平衡，焊接后也会出现原件位置偏移、桥连、立碑等焊接缺陷。

而针对网板制作，我们在实际生产中有以下一些经验和体会：

1. 网框制作要求。采用铝合金，框架尺寸为650mm× 550mm，650mm×650mm，736mm×736mm。框架型材的规格为30mm × 40mm。对于网框的平整度也要做到严格要求，一般规定网框对角之间翘曲度小于0.3mm。

2. 绷网要求。采用蓝胶和铝胶带的方式进行网框绷网。在铝框与胶黏结处，必须均匀涂上一层保护漆。同时为了保证网板有足够的张力（规定为不小于30牛顿/cm）和良好的平整度，网板边缘距离网框内侧需保留25mm-50mm间距。

3. 基准点（fiducial mark）要求。根据PCB布图文件提供的基准点的形状和位置，在网板上按照1∶1的方式开孔，并在印刷反面刻半透即网板的一半厚度。在对应坐标处，也包括对角处，整块PCB至少开两个基准点。

4. 开孔要求。可能影响到开孔设计的因素很多，比如说元器件种类，焊盘设计，阻焊层设计，电路板表面处理形式，纵横比或面积比，焊膏种类，客户工艺要求等。因此设计合适的开孔对网板制造非常重要。针对各种SMT元器件的常用开孔设计标准参照图2-2。而有些开孔设计对减少锡球的产生非常有效，采用这些设计可以减少在元器件焊盘下多余的焊膏，这些设计主要被应用于免清洗的工艺，并对最常见的电容电阻等被动元器件非常有效，可以参照附图2-2/3。[4][5]

图2-2 表面贴装元器件的通用开孔设计

图2-3 网板开孔设计图 （母盘开孔， 蝴蝶结开孔， 椭圆开孔设计）

在设计网板开孔时还要考虑以下因素：位置及尺寸确保较高的开口精度，严格按照规定开口方式开口。网孔孔壁光滑，制作过程中要求供应商做抛光处理。以印刷面为上面，网口下开口应比上开口宽0.01mm-0.02mm，即开口成倒锥形，便于焊膏有效释放，同时可减少网板清洁次数。独立开口尺寸不能太大，宽度不能大于2mm，焊盘尺寸大于2mm的中间需架设0.2mm的桥连，以免影响网板强度。开口区域必须居中，到操作面最近开口至少距离网框188mm。开口部分必须满足厚度比和面积比的要求。

5. 网板厚度要求。为保障焊膏印刷量和回流焊的焊接质量，网板表面平滑均匀，厚度均匀，根据不同的元器件选择相应的钢片厚度。主要是依据最小开孔和最小间距为考虑，重点兼顾其他。若焊盘尺寸长度大于5倍宽度时，即L＞5W时，则按照宽厚比计算钢片的厚度。厚度T＜W/1.5。

若焊盘呈正方形或圆形，则按照面积比计算钢片的厚度。厚度T＜（L×W）/1.32×（L+W）。

6. 网板验收要求。通过目检确认开口居中，绷网平整。通过PCB事物来检验网板开口的正确性。用带刻度的高倍显微镜（100倍）检验网板开口长度和宽度以及孔壁和钢片表面的光滑程度。钢片厚度通过检测印刷锡膏后的厚度来检验，即采用结果验证法。对网框平整程度的检验，可通过讲网板安装在印刷机的网板滑道内，按住网框的一角，用赛硅测量另一角的翘起高度，可接收标准为对角翘起绝对高度小于等于0.3mm。

除网板制造外，还有下列一些因素对印刷工艺及SMT产品质量有很大影响，也一并讨论如下：

1. 不同材质刮刀的效果分析。

刮刀一般为金属和橡胶两种，金属刮刀印刷的效果较好，但对模板磨损较大，在应用过程中一定要注意压力、PCB的平整度等参数合适，否则极易磨损模板。橡胶刮刀的优点是适应面较广，缺点则是磨损较快，需要定期检查，如发现有磨损则应及时打磨或更换。施加在刮刀上的力称之为印刷压力，如果此力过大，刮刀前部将变形，并对重点工艺参数刮刀角度产生影响。经过实践，发现橡胶刮刀随着压力的增加，其变形量增加幅度相当明显，相对应的焊盘内所印刷的焊膏体积也相应地减少，现行变化程度非常明显。而由于钢片的变形量比较均一，随压力变化也较小，所以其线性变化比较弱。

2. 印刷机各种参数的设置。

（1）刮刀压力。刮刀压力的大小对印刷锡量的多少影响较大。压力越大锡膏越少；反这，压力越小，锡膏越多。理想的状态为刮刀恰好将模板表面的锡膏刮干净，如果留有印痕则容易造成桥接或焊球。刮板压力一般为（0.03~0.05） KG/MM[6].

（2）印刷速度。刮刀的速度要根据生产的具体PCB而定，与PCB的具体印刷精度有关。速度过快会导致焊膏的带拖不良，现象表现为焊膏填充不满，焊膏体积不足，其主要原因是刮刀通过开孔部的时间短，即压入焊膏的时间较短。如果刮刀速度增加而压力没变，印刷后还可能会在网板上留下一层残留的焊膏从而堵塞网孔，妨碍焊膏的正常脱模。通常我们将刮刀速度设置在25mm/s，以获得较好的印刷效果，其具体数值要与刮刀压力配合设定。

（3）刮刀角度。印刷机刮刀的角度一般控制在45-75度间，刮刀的角度太小，焊膏的滚动性和填充性好，但是容易发生渗漏，一般用于通孔回流焊和细间距的模板印刷，以增加焊膏涂覆量。通常我们将刮刀印刷角度设置在0左右，以获得最佳的印刷效果。

（4）定位。PCB底部顶针的作用是使PCB板的印刷面与网板的底面尽可能地紧密接触，控制焊膏的厚度，不污染焊盘外的其他部位PCB板面。而顶针的放置是最容易被操作人员忽视的一个环节，在关键元器件的下部，PCB板的边角，拼版的V型槽下部都必须放置足够量的顶针，否则将无法印刷出合格的PCB。顶针的精度也必须达到相当高的程度（误差不超过5mil）。因为如果在一块0.15mm的网板上印刷一种PCB，一根顶针与相邻的另一根顶针的高度差超过0.05mm，那么就意味着矮的那根顶针上方的焊盘比另一根上方的焊盘多出了1/3的焊膏。

（5）脱模速度。脱模速度是得到完整焊膏形状的保证，脱模速度主要取决于PCB板的复杂程度。PCB与模板的脱离速度一般为速度较慢为好，否则将形成锡少而造成虚焊。间距及难度越大，脱模的速度就应越低。

印刷环节在整个SMT生产中至关重要，直接影响着SMT的质量和可靠性，对生产效率也起着至关重要的作用。我们可以从材料、设备、生产操作等对其管控，尤其是对网板制造的控制和改进，可以提高SMT的质量和可靠性，从而提升SMT最终产品的品质。