3.2 焊膏印刷
概述
焊膏印刷是焊膏分配的一种工艺方法。
焊膏印刷工艺主要解决的是焊膏印刷量一致性的问题（填充与转移），而不是每个焊点对焊膏量的需求问题。换句话说，焊膏印刷工艺解决的是一个焊接直通率波动的问题，而不是直通率高低的问题。要解决直通率高低的问题，关键在于焊膏的分配，即通过焊盘、阻焊与钢网开窗的优化与匹配设计，对每个焊点按需分配焊膏量。当然，焊膏量的一致性与设计也有关联，如图3-13所示，PCB阻焊的不同设计提供的Cpk不同。
图3-13 0.4mm QFP的焊盘、阻焊与钢网开窗设计对比
对比图3-13（a）和（b），我们可以很容易地做出这样的结论：（b）图所示的设计，其焊膏量的一致性要好很多。举此例的目的是想说明，焊膏印刷质量不完全取决于对印刷参数的调试，与设计也有一定的关系。
影响焊膏量一致性的因素
焊膏印刷理想的目标是焊膏图形完整、位置不偏、厚度一致，其核心就是“位置”和“量”符合要求并保持一致性。
焊膏图形位置的控制一般比较简单，只要钢网与焊盘对准即可。真正难做的是保持焊膏印刷量符合要求并保持一致性。
一般决定焊膏量的因素有：
（1）焊膏的填充率，取决于刮刀及其运动参数的设置。
（2）焊膏的转移率，取决于钢网开窗与侧壁的面积比。
（3）钢网与PCB的间隙，取决于PCB的焊盘、阻焊设计与印刷支撑。
上述的填充率是指印刷时钢网开窗内被焊膏填满的体积百分比，转移率是指钢网开窗内焊膏沉积到焊盘上的体积百分比，如图3-14所示。
图3-14 影响焊膏印刷量的因素
焊膏印刷的填充率、转移率、间隙是焊膏印刷基本的控制因素。另外，焊膏性能、PCB的翘曲度、焊盘与阻焊的设计等也会影响到焊膏印刷的一致性，如图3-15所示的标签就影响到焊膏量的一致性。因此，必须认识到，虽然印刷工艺参数的调试与设置非常重要，但不是全部。
图3-15 网被垫高案例
认识并理解以上知识点，是做好SMT工艺的关键。下面我们将分别就填充率、转移率、间隙的控制进行讨论。
印刷原理
焊膏印刷工艺类似丝网印刷工艺，主要的不同点就是焊膏印刷采用的是钢制漏板而非丝网板。在SMT行业，称钢制漏板为钢网（Stencil），也称模板。
印刷原理与参数如图3-16所示。
图3-16 焊膏印刷原理
焊膏印刷工艺控制主要包括以下两方面：
（1）刮刀的参数设置。
（2）PCB的合适支撑。
印刷参数
1）刮刀角度
刮刀角度越小，施加到焊膏向下的力也越大，但也越不容易刮净钢网表面的焊膏。角度太大，焊膏滚动不起来，焊膏填充效果同样比较差。
刮刀角度推荐45°～75°（一般全自动机都固定在60°左右）。
2）刮刀速度
刮刀速度对焊膏图形的影响是复杂的。一般而言，速度在100mm/s之前，填充时间起主导作用，在100mm/s之后，焊膏黏度起主导作用，但有一点是共同的，就是速度太快（高于180mm/s）或太慢（低于20mm/s），都不利于焊膏的填充。刮刀速度对填充率的影响如图3-17所示。
推荐的刮刀速度：
（1）安装普通间距元器件的板：140～160mm/s。
（2）安装精细间距元器件的板：25～60mm/s。
图3-17 刮刀速度对填充率的影响
3）刮刀压力
刮刀压力，实际是控制刮刀向下的行程。印刷时，只要钢网底面与PCB无间隙接触、表面焊膏刮干净即可，在此状况下压力越小越好。如果过大，将导致大尺寸焊盘上焊膏图形中间被挖现象；过小，填充不充分或刮不干净，引起拉尖，如图3-18所示。
图3-18 焊膏图形被挖现象
刮刀压力设定，一般先按照0.5kg/1″进行初始设定，然后再根据图形进行调整。
4）脱网速度（比较复杂）
一般而言，脱网速度快，会使孔壁处的焊膏被抽出，从而降低图形的分辨率，污染钢网的底部。当脱网速度过快，还可能引起钢网反弹，形成“狗耳朵”现象，如图3-19所示。具体多大合适，取决于焊膏本身的黏度。
图3-19 狗耳朵现象
脱网速度影响焊膏的转移及图形形态，但图形形态与焊膏的性能关系更大，特别是其所用溶剂与黏度，如图3-26所示。一般而言，焊膏黏度过高，容易出现塞孔、拉尖现象；使用低沸点溶剂时焊膏容易干，脱模性变差。
分离时，焊膏并不完全靠焊膏的黏性留在PCB焊盘上，事实上，主要是靠焊膏上表面空气的压力沉积到焊盘上的，如图3-20所示。
图3-20 焊膏转移的原理
正是因为这样的原因，如果钢网开窗下有焊膏残留，则脱网时这些焊膏往往不是滞留在焊盘或阻焊膜上，而是在脱网时被拉起，形成超高的焊膏图形，即我们所说的“拉尖”现象，同时往往还伴有焊膏图形边缘被挤的现象，如图3-21所示。
这种现象在0.4mm CSP焊膏印刷时经常看到，为什么？这是因为在精细间距元器件印刷时我们更倾向于使用比较大的压力，以便更好地填充与刮净焊膏。但这往往会将焊膏挤到钢网下。
图3-21 拉尖形成机理（一）
5）脱网距离
如果脱网距离比较短，容易发生拉尖抹偏的现象，如图3-22所示。
图3-22 拉尖形成机理（二）
钢网开窗对印刷的影响
刮刀移动相对于钢网开窗的方向也会影响焊膏的沉积率（有填充率和转移率共同作用的实际焊膏量）。一般而言，与刮刀移动方向平行的焊盘上的焊膏沉积量会比较多，且表面呈波浪式的不平形态（压力释放的结果）；而与刮刀移动方向垂直的焊盘上的焊膏沉积量比较少，且比较宽（这与印刷速度有关），如图3-23所示。
此现象说明，钢网开窗图形对填充率有影响，单个开窗内已经刮平的焊膏图形会受到后续继续填充的影响，不完全保持“刮平”状态，有可能被挤而鼓起，这点如同界面金属的耦合现象。
图3-23 刮刀速度与方向对焊膏图形的影响
支撑对印刷的影响
PCB的支撑，是焊膏印刷最重要的调试内容。
PCB缺乏有效的支撑或支撑不合理，将导致焊膏增厚，这点对于精细间距元器件的焊接将是致命的。
PCB支撑要达到的目标是钢网在刮刀压力作用下能够紧贴PCB表面。
一般经验是将PCB支撑为在宽度方向略微向上变形的状态，如图3-24所示，这样能够保证PCB与刮刀接触的地方平行。
图3-24 PCB的支撑要求
擦网对印刷的影响
擦网的目的是保持印刷厚度的稳定和图形完整。一般图形完整性容易辨识，但厚度必须用专门的焊膏厚度测试仪来测量，目检无法辨识。因此，定期抽检焊膏厚度极其重要。
除了开启印刷机的自动擦洗功能，一般还需要定期手工擦洗。
印刷过程中，随着印刷次数的增加，钢网底部会污染，在孔口周围形成硬痂（相当于钢网变厚和开口面积变小），需要定期清除（用蘸有清洗剂的无纺布擦或铲刀铲除）。对于普通间距元器件的焊膏印刷，一般每印30～50块板需要人工擦洗一次；如果连续印刷时间超过8h，应该用清洗机彻底清洗一次，使孔口周围干的焊膏硬痂清除掉。
需要提醒的是：应慎用湿擦功能。如果湿擦后不搁置几分钟立即印刷，会因清洗剂的挥发导致转移不良。因此，湿擦之后建议再干擦后或搁置几分钟再投入生产。
焊膏对印刷图形的影响
印刷的对象是焊膏，了解其物理性能对正确地使用焊膏非常重要。
焊膏是一种具有触变性的假塑性流体（Pseudoplastic），当有恒定剪切应力或拉伸应力作用时，焊膏的黏度随时间的延长而减小，随应力的增加而降低。简单地讲，就是有剪切应力作用时（如刮刀刮动焊膏）焊膏变稀，没有应力作用时则变稠。焊膏的这一特性对于印刷是非常有意义的，印刷时，它的黏度降低，可以顺利地实现填充与转移，一旦印刷完成，焊膏又能保持需要的形状而不塌落。
焊膏黏度在印刷过程中的变化如图3-25所示。
图3-25 焊膏黏度在印刷过程中的变化
焊膏黏度与溶剂沸点，对焊膏的转移率影响很大，如图3-26所示。
图3-26 焊膏性能对焊膏转移的影响
不良印刷图形及原因
常见焊膏印刷不良如图3-27所示。
图3-27 常见不良焊膏图形
工艺实践
前面详细介绍了印刷工艺的原理，这些知识非常重要，也是必须掌握的基本知识。但是，必须意识到，我们讨论这些因素的时候都是假定设备、钢网、刮刀、焊膏等都是正常的，是无问题的。事实上，这样的假设是不存在的，因此，必须认识到，实际生产中所出现的印刷问题成因是多方面的、复杂的。
图3-28为某一公司统计的影响焊膏桥连的主要原因及发生次数。从图3-28我们可以看到参数问题只是造成印刷桥连第3位的因素，有很多的原因属于设备、刮刀、钢网等异常所致。
图3-28 焊膏桥连的主要原因
1）印刷支撑
印刷支撑是印刷工艺控制最主要的因素之一。通常无支撑或支撑位置不起作用等都会使PCB与钢网之间存在间隙。这个间隙会导致焊膏过厚，直接的表现就是焊膏图形拉尖。这是精细间距元器件桥连的主要原因之一。
2）擦网
对于精细间距元器件，焊盘图形一般都比较小，开窗的面积比往往接近甚至小于0.66，如果擦网不合适，往往会堵孔。擦网不干净常见的原因有：擦网装置高度设置不合适，没有接触到钢网；酒精喷涂太多或不喷酒精；机器故障，不执行擦网动作。这些看似不应该发生的问题往往发生的概率很高，从这点就可以看出，工艺是一个复杂的系统工程技术问题。
酒精喷涂太多，为什么会有问题？这是因为孔壁过多的酒精残留将带走填充焊膏中的溶剂，使焊膏变干，影响下锡。这也是为什么焊膏印刷前5块往往会少锡的原因，也是我们前面谈到的应该慎用湿锡功能的原因。
3）钢网变形
通信产品板属于“宽”的元器件应用组件，往往需要使用阶梯钢网，而阶梯钢网最容易出现的问题就是局部鼓起来或者说变形。这个变形也是引起焊膏厚度变化的重要因素。
4）其他
元器件布局等其他因素，也是影响焊膏印刷厚度的重要因素，在此不再一一介绍了。
案例
案例：PCB加工质量对焊膏印刷的影响
2012年11月，在生产同一产品时，发现来自两个不同板厂生产的PCB焊膏印刷效果不一样，A厂的PCB焊膏印刷图形正常，而B厂的则出现印刷拉尖，如图3-29所示。
图3-29 不同板厂制造的PCB焊膏印刷效果对比
分析：
用同一生产线、钢网及参数，分别对A、B厂的PCB分别进行印刷，然后分析印刷图形差异的原因。
0.4mm间距的CSP，一般焊盘直径设计为0.25mm。采用0.1mm厚钢网印刷，则钢网开口面积比为0.625，小于公认的最小面积比0.66，容易引起堵孔现象。
对比两种PCB的加工质量，我们发现出现印刷拉尖的PCB往往阻焊开窗偏位，如图3-30所示。
图3-30 阻焊偏位与焊膏拉尖与挤出现象
之所以出现此情况，是因为阻焊开窗偏位间隙比较窄的地方抬高了钢网，使焊盘其他部分与钢网之间形成间隙的结果。
此案例说明，PCB的制造质量会影响钢网的擦拭频率与焊膏印刷图形的质量。因此，对于精细间距元器件的PCB，阻焊的制造偏位与厚度控制也许更重要。