SMT制程改善锡膏印刷工艺方案

     Eric Nien Hsien Wu，Henkel Technology -- Electronics 中国公司 应用工程支持经理尽管SMT工艺目前已经是非常成熟的制造业工艺， 但仍有很多方面可以革新，以提高工艺的先进性。对于锡膏研发公司，生产一款能印刷小于0.4毫米间隔的细小间隙的锡膏材料是目前面临的挑战之一；而对于用户而言，在选择合适的锡膏前，理解那些和印刷性能有关的参数则非常重要，理解锡膏流变特性能帮助SMT工程师更有效地选择适合不同印刷工艺的锡膏。
　　背景
　　锡膏的流变特性是一个不同于一般所指的“流动”特性。 一个典型的锡膏通常含有90%的合金颗粒和10%左右的助焊剂介质。助焊剂介质是决定锡膏流变性的主要因素之一。
　　但如果只看助焊剂介质中的成分是不切实际的。了解印刷的性能，流变性的测量可以提供部分有用的信息。
　　流变学（Rheology）
　　“粘度”这个术语在不同的方面会有不同的解释，但基本的概念是量化需要“移动”流体物质所要施加的力。
　　流动物质可以用两个平行盘间的液体厚度来表示，当力作用在顶部盘同时保持底部盘的固定，以此来讨论流动性，用很多层移动的互相相关性来讨论流动物质的剪切效果。但粘度的数据只能告诉我们在某些预定环境下得到的一个理论数值，例如，稳定层流状态，固定的温度，固定的剪切率等。
　　在不同的条件下流动物质的特性，需要通过“流变性”这个术语来解释。锡膏在低剪切率（慢或者不流动）的环境下是粘稠的，随着流动性的增加和剪切率的增加，其粘度会逐渐变稀。同样，在固定的剪切率下，粘度也会随着时间的增加而下降。一旦剪切力停止，粘度就会立即回升，理论上，最终返回到初始的状态，恢复过程也许需要几个小时。锡膏的这个特性在流变学中称为“触变性”。然而在实际应用中，随着剪切率的增加或减少所得到的两条锡膏粘度变化的曲线并不重合，有滞后现象。
　　有很多方法可以生成锡膏的这种有滞后现象的粘度变化曲线。按传感器方式分类，主要有以下三类：旋转心轴式 、圆锥/平板式、螺旋套筒式。通过采用不同的传感器，以及测量施加在被测物体上的扭矩或力，可以得到剪切率，并得到粘度的数值，从而可以绘制出该滞后曲线。另外，由于锡膏中的锡粉颗粒不能有效地（如一般液体）进入微小的缝隙，使得圆锥/平板式测量方法不适于测量锡膏的粘度。
　　值得注意的是，用不同的传感器或不同型号的粘度仪所得到的数据是不可以相互比较和转换的。换句话说，如果简单地比较产品目录上的数据，而不去校验其测试方法及操作程序，会造成粘度数据的不匹配。
　　例如，使用同样类型的传感器，但在不同的温度下测量相同的产品会得到不准确的粘度值。实验数据显示，通常测量温度每上升10℃，都会造成粘度值降低15~20% 。因此在测量时，使用相同的容器、正确的被测物体(锡膏)温度、正确的传感器以及推荐的测试方法是非常重要的。
　　通常来说，剪切率越高，锡膏的粘度越低，在高速印刷时可以得到更好的印刷性能。
　　不同颜色的点代表不同的成分，相同颜色的点代表相同的成分但流变性修改剂的含量不同。从趋势图上可以看出，锡膏的粘度越低，在高速印刷时可以得到更好的滚动性能，这正是小尺寸PCB板组装中要求的锡膏基本性能（如手机的PCB板）。
　　然而高速印刷与PCB板上锡膏成形的清晰度或锡膏的塌陷没有任何关系，特别是对于细间距印刷。有两个参数可以更好地描述锡膏的印刷性能：
　　● 触度系数(TI)=log(A/C)
　　● 粘度不恢复率(NRR)=((B-D)/B) x 100
　　高触变性指数(TI)意味着锡膏在高剪切率下更容易变稀，也可以理解为在钢网上有更好的滚动性（相同的钢网开孔尺寸和相同的刮刀压力）。
　　低NRR（Non Recovery rate）意味着锡膏在剪切力消除后，粘度恢复的时间更短。可以理解为锡膏在PCB板上有更好的抗冷坍塌能力。
　　可以看出两者在印刷表现上的差异，而两个样品的唯一差别在于使用了不同的粘度修改剂。表2显示了粘度的滞后性，以及两者粘度之间的差异。在实际的SMT生产评估中，样品A在细间距应用中表现了优秀的印刷性能和湿强度，而样品B具有宽广的印刷窗口和更长的钢网寿命。
　　在许多装配工艺中，粘度测试已经成为IQC的常规项目，粘度测试结果用来作为质量检测和工艺参考。除了粘度以外，印刷性能还与很多因素有关。但是正确地理解锡膏的流变性，可以帮助我们更好地调整锡膏印刷工艺。