焊膏印刷质量检测

焊膏印刷质量检测

一.引言

自SMT 发展以来，焊膏印刷质量关系到产品的最终质量，据资料统计该工序将可能产生60%～70%的缺陷。为此，必须通过检测手段尤其是在线检测来降低缺陷，确保成本合理、可靠生产。随着高密度封装的 BGA（ball grid array）甚至CSP（Chip Scale Package）的大幅使用，本着减少后段 X-ray检测、降低检测和返修成本的需求，提高印刷质量、减少印刷工序对后段工序的影响就变得非常重要，而且优质的印刷工艺还可以减少后段贴片和焊接工序带来的偏移、扭曲、桥连等缺陷产生的概率。影响焊膏印刷质量的因素有很多，包括焊膏的成分、黏度、老化、设备精度、焊膏印刷过程、清洗、磨损等等，这些因素往往是动态的，而且在印刷阶段产生的问题一般都会影响到整个板子和板子上的所有元器件，所以印刷工艺一结束立刻探测出这类问题有助于将缺陷遏制在萌芽状态，基于上述理由，近年来印刷后检测工序成为必备工序，甚至现在很多生产线已经配备了在线焊膏检测系统 S P I （solder paste inspection）。

二.焊膏印刷中常见故障及处理方法

焊膏印刷是一项十分复杂的工艺。既受材料的影响又跟设备和参数有直接关系，通过对印刷过程各个环节的控制。可以防止印刷中经常出现的缺陷。下面简要介绍焊膏印刷时的几种常见故障及防治方法。

故阵现象:印刷不完全。即焊盘上部分地方没印上焊膏。

引起故阵的原因和解决方法:引起这个故障的主要原因是开孔阻塞或部分焊膏粘在模板底部:焊膏粘度太小:焊膏中有较大尺寸的金属粉末颗粒:刮刀磨损。针对这些原因，可采用下述方法处理:清洗开孔和模板底部:选择粘度合适的焊膏。并使焊膏印刷能有效地覆盖整个印刷区域;选择金属粉末颗粒尺寸与开孔尺寸相对应的焊有;检查修磨刮刀必要时更换刮刀。

故阵现象:拉尖即印刷后焊盘上的焊膏呈小山峰状。

引起故阵的原因和解决方法:拉尖是由于刮刀间隙或焊膏粘度太大引起的。因此.可适当调小刮刀间隙或选择合适粘度的焊膏。

故障现象:塌陷，即印刷后焊膏往焊盘两边塌陷。

引起故阵的原因和解决方法:刮刀压力太大可重新调整控制好刮刀压力:印制板定位不牢，重新固定印制板:焊膏粘度或金属含f太低，更换新的焊膏，需要注意的是要选择合适粘度的焊膏。

故津现象:焊膏太薄，即印刷的焊膏厚度达不到后序工艺的要求。

引起故降的原因和解决方法:造成焊膏太薄的主要原因是模板太薄;刮刀压力太大:焊膏粘度太大流动性差。据此，可采用如下方法解决:选择合适厚度的模板;选择颗粒度和粘度合适的焊奋:适当降低刮刀压力。

故障现象:厚度不一致即印刷后焊盘上焊膏厚度不一致。

引起故阵的原因和解决方法:模板与印制板不平行。应重新调整模板与印制板的相对位皿，保证模板与印制板平行;焊膏搅拌不均匀，使得粒度不一致。印前要充分搅拌焊膏，使焊膏中焊料的粒度均匀一致。

故障现象:边缘和表面有毛刺即印刷后焊膏面上和边缘不光滑。

引起故阵的原因和解决方法:焊膏粘度偏低;模板开孔的孔壁粗糙。因此，要注意控制焊有的粘度选择粘度略高的焊有:印刷前检查模板开孔的蚀刻质量。

三.焊膏印刷检测技术

印刷后的检测主要分为两大类：人工检测和自动在线检测，人工检测分为脱机检测与在线检测，包括普通视觉检测与台式检测；自动在线检测包括印刷设备内置的样品检测系统和整板扫描检测设备。

1.视觉检测法

视觉检测更多是指直接用目测法检测，这种方法便捷灵活，直接确定“合格”与“不合格”，但是随着更小元器件、更高引脚数和更细间距器件的问世与使用，这种方法就显得力不从心了，尽管使用了辅助工具诸如发光放大镜、校准显微镜以及培训专业操作人员，但是视觉检测法带有人们更强的主观意识，操作人员之间的素质差异带来了更多不确定因素，检测工具校准的好坏也将影响检测质量。

2.自动激光检测法

激光检测使用激光光束建立测量的参考点，光束通常照射到焊盘的中心，测量出焊膏的

长度、宽度和厚度，从而计算出对应焊盘印刷焊膏的体积，汇总全部数据进行软件分析，得出PCB的焊膏印刷的质量。

3.印刷机内置检测法

目前大多数印刷机均具有内置检测系统，这种方法有利于确保焊膏印刷的直通率，但是这种检测方法的检测效果不如专用检测工具，且检测系统内置在印刷机内与印刷机其他硬件共享主系统，所以必将降低印刷速度。内置检测法的检测内容主要有评估焊膏实际印刷面积、实际覆盖率，模板开口是否堵塞，焊膏是否过多等。

4.自动在线检测

自动在线检测系统相较于内置检测系统主要有两个优点：首先，由于这种设备是独立的系统，所以可以不利用印刷机的硬件，不需要停机就可进行检测；其次，检测设备的测量性能使你能够获得精确的、可重复的测量结果。当然，自动在线检测系统可以视实际生产情况选择采用样品检测、抽样检测或者整板检测的方法。现阶段，随着高速检测设备的大量上市和人们对电子产品的高质量、高可靠性要求的增加，更多地采用整板自动在线全检测的方法来进行焊膏印刷，以期提高电子产品的最终高质量。整板自动在线全检测设备是利用激光束对SMT生产线上的整块PCB进行逐行扫描，收集每个焊盘焊膏印刷的测量数据，将实际测量值与预置的合格极限值进行比较，这类设备可测各种不同类型的印记，包括偶然的缺陷诸如模板开口堵塞引起的焊膏漏印，还可以显示出诸如焊膏坍塌、焊膏印刷模糊、凹陷、拉尖、焊膏隆起、偏移等缺陷。整板自动在线全检测设备能指出每个印刷缺陷的位置、缺陷名称甚至危害程度，并收集PCB上所有的焊膏印刷信息，对于潜在成本较高的缺陷，整板自动在线检测最适用，汽车、医疗、军工或航天航空等领域的PCB为满足高可靠性的需求通常需要采用100%检测。目前实现焊膏印刷整板自动在线检测的设备主要有自动光学检测（AOI）和焊膏检测系统（SPI）。

（1）AOI

自动光学检测仪采用计算机技术、高速图像处理和识别技术等形成具有自动化、高速化和高分辨率的检测能力，从而减轻劳动强度，提高判别的客观性和准确性，减少专用夹具，给生产系统提供实时反馈信息。AOI主要有三个检测工序，焊膏印刷后检测是其一。通过焊膏印刷后检测及时发现印刷过程中的缺陷，将因焊膏印刷不良产生的焊接缺陷降到最低，常采用 100% 的 2D/3D 检测焊膏沉积的位置和厚度。

（2）SPI

焊膏检测系统（SPI）是在AOI技术的基础上形成的，和AOI一样都是近年来大力发展起来的一种检测技术，主要使用两种测量方法：一是使用激光三角测量技术，二是以Moiré技术为基础建立测量技术。激光三角测量技术与二维图像结合起来确定测量高度和标准高度的差异，主要缺点是精度低、分辨率不够造成的；再者，激光三角测量只有一个光源（一束激光），不能准确计算焊膏体积，所谓“阴影效应”是检查系统的几何布局造成的。此外，使用激光确定PCB上焊膏的外形还受PCB颜色和表面处理变化的影响，如图3所示。Moiré形状测量是通过相位调制进行三维立体测量的方法。在该方法中，投射到测量对象上的光线调制成干涉条纹，通过移动光栅来测量被测对象的高度和体积。其主要缺点是视场深度不够（通过移动Z轴可以调节景深大小），移动光栅时受噪音和振动影响，如果只用一个光栅光源，Moiré法也存在阴影效应。大多数采用Moiré法的系统有两种操作模式，使用一个光源来提高操作速度，但精度下降，或者使用两个光源，提高了精度，但速度降低了

5.2D与3D检测

对于较大的焊盘和元件，简单应用标准的2D检测就可以了，这样的工艺较为稳定，焊膏高度的微小变化无关紧要。然而当PCB 上所用元器件涉及到 0201、0 1 0 0 5 、C S P 以及细间距技术（FPT）时，采用3D检测技术就成为最基本的要求，每种焊膏印刷后它的沉积厚度与模板厚度有关，因为元器件越来越小，从而对应在模板上的窗口尺寸就越来越小，模板厚度也与此对应，这时任何普通细微的变化就变得越来越大，一旦检测不到或忽略不计将导致印刷缺陷产生。此外，当元件具有很多引脚时，应确保各引脚对应焊盘上沉积的焊膏厚

度之间的变化应小于各引脚之间的共面差，否则只要有一个引脚没有接触到沉积的焊膏，就可能产生开路现象，或者焊点达不到可靠性要求，为此需要3D检测能提供更高的精度。四.检测要求

焊膏印刷质量检测作为一种从根本上降低电子产品制造缺陷、提高可靠性的质保手段，不管采用何种检测方法，为确保精确的检测效果，都必须达到如下要求：

1.速度

不管是在线检测还是脱机检测，或者不论是整板全检还是样品抽检，检测肯定需要花费时间，为此必须调整好生产线的布置，尽量不占用焊膏印刷机的印刷时间，影响产品的生产效率，多利用PCB 的印刷空隙，协调好前后工序，同时也提高检测设备的检测的速度。

2.精确性

检测时必须能够给出接触焊盘的平面沉积焊膏量、接触面积、沉积形状和位置的精确测量值，并根据产品的可靠性要求设定好检测设备的预定允许量，检测值越精确，允许量范围越小，焊膏印刷质量就越高。

3.PCB 质量

PCB 的来源不统一，PCB 的质量也不能完全一样，很多PCB在进入焊膏印刷工序时就有一定的弯曲，更有一些PCB诸如双面焊，在进入印刷工序时其底部已经装有一些元器件，PCB 可能出现明显的高度变化， I P C - A -610D要求板子的弯曲不能大于其对角长度的0.5%～0.6%，这对3D检测设备就提出了问题，因为这种检测设备的检测范围是固定的，板子翘曲将导致测量范围发生变化，从而必须根据检测面积来调整这种检测设备的测量范围，这就需要检测设备具有智能化的特性，自动选择测量范围准确检测焊膏的印刷高度。此外，不同PCB其板面颜色不同，PCB板厚不同，焊膏类型不同甚至局部地区焊膏厚度不同，这些都需要检测设备具有很高的适应性。

4.简易性

检测设备的检测时间不宜过长，检测方法不宜复杂，操作员上岗工作无需太高深的培训甚至价格不宜太贵，以上这些因素将影响该设备在SMT生产线中获得高利用率，也对焊膏印刷质量有直接影响。

5.循环工艺控制

焊膏印刷检测工序不仅要求检测设备具有高精度、能够检测到缺陷，还要求能做到工艺监控，通过数据检测发布报警信息，及时提醒修正可能产生缺陷的印刷工艺，对印刷机系统起到监控作用，实现前台焊膏印刷数据和后台焊膏印刷检测数据的交换，真正实现高质量的自动化控制。

五.工艺要求

焊膏印刷检测工序不仅要求检测设备具有高精度、能够检测到缺陷，还要求能做到工艺监控，通过数据检测发布报警信息，及时提醒修正可能产生缺陷的印刷工艺，对印刷机系统起到监控作用，实现前台焊膏印刷数据和后台焊膏印刷检测数据的交换，真正实现高质量的自动化控制。如果对此不加检查的话，可能导致整个板子产生许多缺陷。对印刷区域进行精确地测量有助于防止缺陷的产生，比如可以在产生缺陷之前检测模板是否阻塞，这还可改善模板的清洗方法。精确地测量高度和体积，对于检测刮板速度和压力、施加的焊膏不足或焊膏老化方面的问题也是很重要的，因为上述这几个问题会导致印刷表面不平整。还应通过测量焊膏的高度曲线来检测模板与 PCB 之间的脱模速度的问题。

六.结论

尽管在现代有些企业，焊膏印刷后检测还实行传统的人工视觉检测法或样品自动激光检测，但已经有越来越多的企业认识到这种方法的弊端，更多较大的电子制造企业已经实现了自动在线检测，AOI或SPI 检测在 SMT 生产线上的普及一定能降低焊膏印刷缺陷，从而整体提高电子产品的质量和直通率，也将大幅减少返修工时，有助于印刷工艺达到优质效果。从 SMT 工艺流程可以看出，几乎所有的工艺环节：从最初焊膏印刷到最后焊膏回流，都与焊膏有关。因此，焊膏质量对 SMT 工艺意义十分重大。在 SMT 工艺流程中，焊膏印刷环节的重要性尤为突出。据有关数据显示，在整个 SMT 工艺中，65%的缺陷来自于焊膏印刷。印刷质量直接影响印制板组装件的质量,尤其是含有 0.65 mm 以下细间距引脚的 IC 器件贴装工艺,对焊膏印刷的要求更高。因此焊膏印刷检测关乎SMT质量的关键，焊膏印刷检测是生产中不可或缺的环节。