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(yáng) 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(lái)越趨于小型化，裝配密度也越來(lái)越高，器件間距和印刷焊盤(pán)之間的間距越來(lái)越小。近年來(lái)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(yán)苛要求，需要對(duì)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(jìn)行優(yōu)化，工藝上通常通過(guò)調(diào)整參數(shù)及設(shè)置來(lái)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(dòng)噴印技術(shù)等。聚脂膜手工刻膜印刷，優(yōu)點(diǎn)是靈活性高，缺點(diǎn)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(dòng)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(jià)格過(guò)高，目前有待推廣。在焊膏印刷中,有三個(gè)重要因素：焊膏、印刷模板和刮刀。加工中任何一個(gè)因素的不穩(wěn)定都會(huì)對(duì)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(duì)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(guò)程中提供焊錫中間體,形成的焊點(diǎn)具有足夠電氣強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度。好的焊膏應(yīng)具有三個(gè)特點(diǎn)，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(jī)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(huì)越高，焊接時(shí)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(rùn)，最終導(dǎo)致可焊性變差。若在空氣中暴露時(shí)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(hào)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(lèi)：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(shí)更是在焊膏印刷時(shí)保證了焊料球既容易在網(wǎng)板上滾動(dòng)，又在印刷后有一定的保形性；國(guó)外焊膏在印刷后的保形性、防塌陷性能方面要優(yōu)于國(guó)內(nèi)產(chǎn)品。

焊膏的有機(jī)成分一般為改性樹(shù)脂、胺類(lèi)、有機(jī)酸等，因此具有吸濕性和親水性，長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣之中會(huì)吸收水分，從而加快焊料中氧化物的沉積，導(dǎo)致回流時(shí)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(shí)的工藝控制

未開(kāi)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(guò)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(huì)導(dǎo)致材料的黏度、活性改變，影響其性能；保存溫度過(guò)低，焊劑中的樹(shù)脂會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶現(xiàn)象，從而將焊膏的形態(tài)變壞。

焊膏開(kāi)封后，對(duì)于批量大的生產(chǎn)，在PCB工廠要求同一個(gè)批次焊膏24小時(shí)用完，不重復(fù)低溫保存。對(duì)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(kāi)，應(yīng)在密封狀態(tài)下，自然升溫到室溫之后再打開(kāi)，此過(guò)程一般需要2-4小時(shí)。如果過(guò)早開(kāi)蓋，急劇的溫差會(huì)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(wèn)題。

5個(gè)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(qǐng)了東南大學(xué)韓冬青設(shè)計(jì)大師團(tuán)隊(duì)，定位于“江島水鄉(xiāng)、健康之舟”，依托獨(dú)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(yàn)+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(diǎn)工作推進(jìn)電視電話會(huì)議上將此規(guī)劃作為范例進(jìn)行了講解。

焊膏自冰箱取出，自然回溫至室溫，開(kāi)蓋，使用圓頭刮鏟沿著同一方向充分?jǐn)嚢?到5分鐘，之后才可以印刷；使用圓頭刮鏟是因?yàn)樵驁A頭刮鏟可以保護(hù)金屬粉末不被破壞。儲(chǔ)存過(guò)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(huì)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(lái)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(kāi)封前低溫保存壽命6個(gè)月，國(guó)外廠家主張焊膏一般批次性生產(chǎn)開(kāi)封后一次性用完，超過(guò)48h即廢棄；國(guó)內(nèi)廠家推薦焊膏開(kāi)蓋后在冰箱儲(chǔ)存，1個(gè)月內(nèi)用完。而對(duì)于研制使用量較少的，遵循先進(jìn)先出的原則，就是大家盡量都使用已開(kāi)封的焊膏，用完后再開(kāi)封新批次；應(yīng)注意在使用時(shí)及時(shí)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(xiàng)十分復(fù)雜的工藝，既受厚度不一致的影響，同時(shí)又跟設(shè)備和參數(shù)有直接關(guān)系，通過(guò)對(duì)印刷過(guò)程中各個(gè)細(xì)小環(huán)節(jié)的控制，可以防止或減少在印刷過(guò)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(jiàn)表1。

表1 模板印刷焊膏時(shí)可能發(fā)生常見(jiàn)缺陷及解決措施

（二）模板對(duì)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(lèi)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(jiǎn)單，適用于批量小的產(chǎn)品，缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在孔眼通過(guò)絲網(wǎng)不易看到焊盤(pán)，定位比較困難，能夠通過(guò)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(kāi)口尺寸與模板的厚度密切相關(guān)，如果過(guò)厚，將會(huì)導(dǎo)致焊膏脫模不良，而且容易造成焊點(diǎn)橋接；如果過(guò)薄，又難以滿足粗細(xì)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(kāi)口通常是通過(guò)激光束切割、化學(xué)蝕刻、電鑄等方法制造。在制造過(guò)程中均遵循以取得光滑一致的開(kāi)口側(cè)壁為目標(biāo)的原則。模板可采用有焊盤(pán)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(kāi)口可自然形成錐形內(nèi)壁，有利于焊膏的釋放，該特點(diǎn)對(duì)于細(xì)間距印刷更重要，由此不銹鋼模板為當(dāng)前工業(yè)界批量生產(chǎn)普遍采用。此外，通過(guò)電拋光或鍍鎳的方法也可以使開(kāi)口內(nèi)壁更加光滑一致。

使用金屬模板及絲網(wǎng)印刷機(jī)沉積焊膏,由薄薄的帶有小孔的金屬板組成模板。在開(kāi)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(zhǎng)(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?yàn)榧す馇懈町a(chǎn)生的熔融金屬會(huì)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(shí)，考慮到這一點(diǎn)，必須清潔鋼模表面,去除熔融的金屬微粒,但同時(shí)這也會(huì)造成微小的粗糙度,使得表面看起來(lái)暗淡無(wú)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(jìn)

印刷速度，刮板頭類(lèi)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(kāi)的速度對(duì)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(gè)都必須仔細(xì)地優(yōu)化。同時(shí)，在執(zhí)行一種新的印刷任務(wù)時(shí)，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(shí)基本上都要做調(diào)整。

使用模板進(jìn)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(wèn)題可以通過(guò)帶有臺(tái)階的模板來(lái)緩解，這種解決方案的弊端是會(huì)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(shí)，基板的設(shè)計(jì)上也會(huì)附加了一些限制條件，例如“keep-out distances”(臺(tái)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(shí)踐中，對(duì)于某些單面的PCB板或陶瓷基板，通常采用的是激光劃片機(jī)或機(jī)械式打孔機(jī)制作的銅箔模板，印刷機(jī)則是使用絲網(wǎng)印刷機(jī)，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(duì)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(jī)，該型號(hào)的焊膏印刷機(jī)可通過(guò)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(guò)激光機(jī)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(shí)，建議印刷鋼膜厚度為0.08mm～0.1mm；如過(guò)過(guò)待加工電路中所有元器件間距均大于0.4mm以上時(shí)，建議印刷鋼膜厚度為0.12mm～0.15mm。

（三）刮刀對(duì)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(jī)配用的橡膠刮刀，膠刮刀的缺點(diǎn)是銅箔易氧化、橡膠刮板頭使用一段時(shí)間會(huì)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(shí),刮刀使焊膏滾動(dòng),流進(jìn)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(duì)印刷來(lái)說(shuō)影響重大，太小的壓力，會(huì)使焊膏不能有效地到達(dá)模板開(kāi)孔的底部且不能很好地沉積在焊盤(pán)上；太大的壓力則導(dǎo)致焊膏印得太遠(yuǎn)，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(huì)影響焊膏的厚薄。太軟的刮刀會(huì)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(duì)于刮刀架的彈力以及刮刀對(duì)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(duì)于模板的角度θ為60°-65°時(shí)，焊膏印刷的品質(zhì)最佳。在印刷的同時(shí)要考慮到開(kāi)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(yùn)行，這往往導(dǎo)致了器件在開(kāi)孔不同走向上焊膏量不同，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)開(kāi)孔長(zhǎng)度方向與刮刀方向平行時(shí)刮出的焊膏厚度比兩者垂直時(shí)刮出的焊膏厚度多了約60%。刮刀以45的方向進(jìn)行印刷，可明顯改善焊膏在不同模板開(kāi)孔走向上的失衡現(xiàn)象，同時(shí)還可以減少刮刀對(duì)細(xì)間距的模板開(kāi)孔的損壞。

如何獲得正確的壓力設(shè)置:首先對(duì)每50mm長(zhǎng)的刮刀施加1Kg壓力,例如若刮刀長(zhǎng)300mm，則需施加6Kg壓力,然后減小壓力,直至焊膏開(kāi)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(shí)的壓力值和焊膏漏印在模板上時(shí)的壓力值之間有1—2Kg的范圍,這個(gè)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(shí)壓力過(guò)大、及鋼模版表面有明顯裂痕或殘存發(fā)硬的焊膏，都會(huì)導(dǎo)致金屬刮刀磨損，導(dǎo)致印刷時(shí)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(yǔ)

對(duì)于當(dāng)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(shí)際加工中用絲網(wǎng)印刷機(jī)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(duì)生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)中有影響的關(guān)鍵因素進(jìn)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(xì)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(jìn)一步促進(jìn)焊膏印刷技術(shù)的進(jìn)步。