高精度手動(dòng)錫膏印刷裝置的開發(fā)和研制

郝威武 王東山 趙坤 劉偉霞 魯劍杰

摘 要 論文詳細(xì)介紹了一款高精度手動(dòng)錫膏印刷裝置的原理和研制方法，對(duì)現(xiàn)有簡易手動(dòng)錫膏印刷工裝存在的定位精度不高、印刷速度慢、無張力控制、不良率高、不能滿足密集管腳的貼片器件加工要求等質(zhì)量問題，進(jìn)行了分析并提出改善方法。研發(fā)這款手動(dòng)高精度錫膏印刷裝置，旨在解決上述問題。本文就SMT錫膏印刷過程中產(chǎn)生的質(zhì)量問題提出了改善的工藝方法。

【關(guān)鍵詞】裝置 鋼網(wǎng) 鋼片 PCBA 張力控制 制造成本

隨著電子行業(yè)芯片的集成度增強(qiáng)，貼裝密度高、電路引線細(xì)，對(duì)印刷機(jī)的印刷精度提出新的挑戰(zhàn)。特別是對(duì)手動(dòng)印刷機(jī)來說，其操作平臺(tái)還滿足不了高精密的絲網(wǎng)印刷，純手工操作時(shí)刮刀的角度、壓力、移動(dòng)速度等都不可控，導(dǎo)致精密印刷的一致性難以保證。因此，設(shè)想在現(xiàn)有手動(dòng)錫膏印刷設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過工藝改進(jìn)制造出一臺(tái)符合樣機(jī)及小批試制產(chǎn)品特點(diǎn)的新型手動(dòng)精密印刷機(jī)裝置，解決在手動(dòng)印刷過程中存在的問題，以期達(dá)到用較低的成本來獲取高質(zhì)量的PCBA。

所謂SMT就是直接將元器件貼焊到PCB表面設(shè)定位置的裝聯(lián)技術(shù)，而錫膏印刷則是把一定量的錫膏按要求印刷到PCB上的過程，它是整個(gè)SMT電子裝聯(lián)工序中的首道工序，也是影響整個(gè)工序直通率的關(guān)鍵步驟。

對(duì)一些科研性及多品種、小批量生產(chǎn)為主的電子廠商而言，由于生產(chǎn)的PCBA數(shù)量有限，往往采取手工錫膏印刷工藝。它是將制作好的鋼網(wǎng)直接安裝在手動(dòng)印刷機(jī)上印刷電路板錫膏，而鋼網(wǎng)相對(duì)于鋼片的制作成本高，制作周期長，使用頻次低，印刷數(shù)量少，用后一般不再繼續(xù)使用，造成嚴(yán)重的浪費(fèi)和污染。為了降低開發(fā)費(fèi)用、節(jié)約成本、提高效率，我們研制了這款手動(dòng)錫膏印刷裝置，它是與手動(dòng)高精密絲印機(jī)配合使用，無需制作鋼網(wǎng)，僅制作鋼片即可，不僅可滿足多元化、高精度的印刷品質(zhì)要求，同時(shí)也能夠有效地縮短鋼網(wǎng)制作周期，降本增效。

1 現(xiàn)有的技術(shù)方案

1.1 目前PCB錫膏印刷方式

在焊膏涂覆傳統(tǒng)工藝中，無論是全自動(dòng)還是手動(dòng)印刷錫膏，都需要輔以鋼網(wǎng)作為錫膏印刷的配套裝備，而無法使用鋼片。要想實(shí)現(xiàn)鋼片的手動(dòng)錫膏印刷操作，現(xiàn)有的方法是一邊夾緊，其余三邊均為懸空狀態(tài)，印刷時(shí)無張力控制，導(dǎo)致漏印、偏位、錫膏厚度不均，由于純手工操作，刮刀角度、印刷力度均不可控，印刷質(zhì)量無法保證，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)不良率達(dá)20%以上，主要表現(xiàn)在精度不高、定位時(shí)間長、耗材浪費(fèi)嚴(yán)重、定位過程不易控制等問題，其中鋼片的張力失控是導(dǎo)致印刷不良率高的主要因素。因此擬開發(fā)一臺(tái)張力可控的高精度手動(dòng)錫膏印刷裝置來滿足生產(chǎn)工藝要求，適應(yīng)多元化、高精度、小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)特點(diǎn)，節(jié)省資金，提高生產(chǎn)效率。

1.2 手動(dòng)印刷工藝涉及的輔料和硬件

1.2.1 鋼網(wǎng)與鋼片的制作成本比對(duì)

目前市場上制造一塊符合工藝技術(shù)指標(biāo)要求的鋼網(wǎng)均價(jià)在700元左右，而鋼片僅需230元左右。眾所周知，從研發(fā)初期到成熟產(chǎn)品要經(jīng)過一個(gè)不斷改進(jìn)版本的過程，因此制作成本較低的鋼片來完成樣機(jī)及小批量試生產(chǎn)是最合適的一種選擇，可以想象，如果手動(dòng)錫膏印刷工裝達(dá)到一個(gè)先進(jìn)的工藝水平，不僅可以改善“純手動(dòng)操作”所帶來的種種印刷不良，而且可以節(jié)省鋼網(wǎng)制作成本，縮短加工周期，加快產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)度。

1.2.2 鋼網(wǎng)制作的一般要求

（1）外框及鋼網(wǎng)張力。鋼網(wǎng)邊框：外框采用鋁制材料，網(wǎng)框底部平整，其繃緊鋼網(wǎng)張力在 35N/cm2以上，因此邊框必須承受相當(dāng)高的張力和印刷機(jī)的夾緊壓力，否則會(huì)造成鋼網(wǎng)位置的偏移或錫膏滲漏到鋼網(wǎng)下面，對(duì)PCB造成污染。

（2）鋼網(wǎng)材料和厚度。鋼網(wǎng)材料選用不銹鋼板，其厚度為0.1～0.3mm。鋼網(wǎng)太薄，會(huì)造成少錫虛焊等缺陷；太厚，會(huì)造成不能脫模或脫模不良或連錫、錫珠等缺陷。制成的鋼網(wǎng)表面須平坦、光滑，厚度誤差在可接受范圍內(nèi)。

（3）鋼網(wǎng)MARK點(diǎn)的要求。為使鋼網(wǎng)與印制板對(duì)位準(zhǔn)確，鋼網(wǎng)上需制作MARK點(diǎn)，其邊緣應(yīng)清晰易辯，且與鋼網(wǎng)表面齊平，否則會(huì)造成不能識(shí)別或識(shí)別誤差。

（4）鋼網(wǎng)開口與開口比例。為了減少PCB、鋼網(wǎng)制造誤差可能帶來的印刷偏移等缺陷，一般鋼網(wǎng)開口會(huì)比PCB上的焊盤尺寸小。對(duì)分立元件來說會(huì)在四邊內(nèi)收5%--10%，在內(nèi)側(cè)會(huì)有“V”形開口，對(duì)IC來說，采用收縮的方式有內(nèi)削或側(cè)削。

1.2.3 印刷圖案布局

印刷圖案需居中布局，目的是在印刷受力的情況下，不因受力不對(duì)稱而出現(xiàn)微偏移。刮刀印刷角度控制得當(dāng)，可提高印刷質(zhì)量。

2 改善后的技術(shù)方案

2.1 鋼片

所謂鋼片，就是去除外邊框的鋼網(wǎng)，無需制作MARK點(diǎn)，其大小可隨PCB板的實(shí)際大小做適當(dāng)調(diào)整，省去保障張力控制的鋁質(zhì)框架，僅此一項(xiàng)就可節(jié)約制作鋼網(wǎng)成本的50%以上，同時(shí)又能滿足其技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)—張力控制。

2.2 錫膏印刷裝置結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

一臺(tái)手動(dòng)高精密絲印機(jī)，它的三軸精密移動(dòng)平臺(tái)（見圖1）與安裝在模板支架（見圖2）上的手動(dòng)錫膏印刷裝置（見圖3）配合使用，是實(shí)現(xiàn)錫膏印刷的關(guān)鍵部件；模板安裝架左右方向固定尺寸300mm，前后方向可調(diào)裕度310±40mm，可根據(jù)PCB板實(shí)際大小適當(dāng)調(diào)整，以確定鋼片尺寸。

手動(dòng)錫膏印刷裝置的上壓塊和下壓塊（見圖4）是對(duì)鋼片起到夾持壓緊的作用；安裝鋼片時(shí)將鋼片嵌入牙形塊（見圖5、圖6）內(nèi)，目的是增大摩擦系數(shù)，滿足鋼片拉伸時(shí)所需的咬合力度，防止鋼片移位，達(dá)到張力工藝控制要求。

在固定邊框的左右兩端，分別留有10mm左右的導(dǎo)軌，用于鋼片的夾持。裝置的末端框架固定，前端設(shè)計(jì)為活動(dòng)框架，操作旋轉(zhuǎn)拉伸旋柄時(shí)，精密絲杠帶動(dòng)活動(dòng)框架滑塊在導(dǎo)軌上前后移動(dòng)，達(dá)到拉伸繃緊鋼片的目的。滑塊是為拉伸旋柄提供松弛、拉緊，嵌于導(dǎo)軌滑道內(nèi)的輔助設(shè)計(jì)。

外邊框是保持整個(gè)裝置形體的框架；壓緊手柄是用于鋼片壓緊、張開的快速手柄；直立松弛，側(cè)壓緊固，是用于鋼片安裝、拆卸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，它可保持鋼片均衡受力，操作簡單易行。

固定塊是防止上下壓塊移位的限位塊。水平支板略高出牙形塊，目的是在拉伸旋柄所連精密絲杠旋緊時(shí)，使鋼片保持水平繃直，精準(zhǔn)定位于印制線路板焊盤，保證錫膏印刷質(zhì)量的專項(xiàng)設(shè)計(jì)，同時(shí)也是保證鋼片張力達(dá)到工藝要求的關(guān)鍵部件。

2.3 本方案的技術(shù)特點(diǎn)

本手動(dòng)錫膏印刷裝置，關(guān)鍵在于鋼片壓緊拉伸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（1）水平：水平支板略高出牙形塊5～6mm，使鋼片繃緊時(shí)可最大程度地保持水平。

（2）壓緊：前后各設(shè)計(jì)3個(gè)快速壓緊手柄，保持均衡受力，操作簡單易行。

（3）拉伸：前后設(shè)計(jì)牙形塊，壓緊鋼片的同時(shí)，在可控范圍內(nèi)最大限度地增大摩擦咬合力，達(dá)到張力工藝控制要求。

（4）滑道：裝置的末端框架固定，前端設(shè)計(jì)為活動(dòng)框架，留有10mm左右的滑道，旋轉(zhuǎn)拉伸旋柄，精密絲杠帶動(dòng)活動(dòng)框架移動(dòng)，達(dá)到拉伸繃緊鋼片的目的。

3 本方案的實(shí)施效果

刮刀的長度，操作手法（印刷速度、印刷壓力），PCB和鋼網(wǎng)間的印刷間隙，PCB與鋼網(wǎng)的分離速度，鋼網(wǎng)的清潔頻次等，通過手動(dòng)印刷機(jī)與本文論述的手動(dòng)錫膏印刷裝置完美結(jié)合，改善了利用鋼片印刷錫膏的工藝控制、使其定位時(shí)間減少，定位精度提高，同時(shí)鋼片的采用相比鋼網(wǎng)費(fèi)用大幅降低、制作周期相應(yīng)縮短，提高了生產(chǎn)效率，并保證了產(chǎn)品質(zhì)量。具體體現(xiàn)如下：

3.1 精準(zhǔn)定位

手動(dòng)高精度錫膏印刷裝置采用四軸精密調(diào)整（小于0.01mm），實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，由于PCB居中要求，所以PCB中心、鋼片中心與本裝置的外框中心需重合，三者中心距最大值不超過3mm。PCB、鋼片、裝置外框的軸線在方向上應(yīng)一致，任兩條軸線角度偏差不超過2°。使用本裝置定位時(shí)長僅需3分鐘，可解決僅靠肉眼定位（不精準(zhǔn)），定位耗時(shí)較長（10分鐘）的問題。通過精密導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)刮刀的運(yùn)動(dòng)，確保刮刀和模板之間的無縫接觸，來保證印刷的精度。理想最大印刷精度可達(dá)0.4mm IC，錫球大于0.5mm的BGA。重復(fù)精度小于0.03mm，重復(fù)誤差極小。

3.2 印刷速度提升

大大提升了錫膏的印刷速度，理想最大印刷速度可達(dá)500塊/小時(shí)，且刮刀印刷角度控制在45～60°，刮刀印刷速度控制在30～60mm/秒，以確保錫膏涂覆的一致性。可解決速度不均，印刷耗時(shí)長，操作者因人而異手法不同，錫膏涂覆一致性差的問題。

3.3 張力可控

目前的簡易手動(dòng)錫膏印刷機(jī)采用的是外來加工制作的鋼片，四周不繃框，印刷時(shí)鋼片三邊懸浮，僅有一邊夾緊，無張力控制，造成印刷偏移、漏印、焊錫坍塌等不良。而新技術(shù)采用的是類似于標(biāo)準(zhǔn)鋼網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是將鋼片夾持固定于金屬框上，旋轉(zhuǎn)拉伸旋柄使精密絲杠帶動(dòng)活動(dòng)框架移動(dòng)，鋼片四周繃緊，張力得以控制。快速壓緊手柄六點(diǎn)定位平面，保證PCB板和模板的水平度，印刷質(zhì)量接近全自動(dòng)鋼網(wǎng)印刷，達(dá)到控制不良率，滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求的目的。

3.4 刮刀設(shè)計(jì)

刮刀尺寸可選200mm/304mm，前后行程大于410mm。刮刀材質(zhì)為不銹鋼或定做其它材質(zhì)。通過刮刀向后（前）運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)PCB板錫膏的精準(zhǔn)印刷。

3.5 PCB固定

利用吸附于手動(dòng)高精密絲印機(jī)平臺(tái)上的磁性頂針和固定于平臺(tái)上的萬能頂針完成對(duì)PCB的精密對(duì)位和支撐固定，來保證印刷時(shí)的精密脫模。同時(shí)方便各種類型和各種形狀電路板的印刷。

3.6 安裝方便

自制的手動(dòng)錫膏印刷裝置呈標(biāo)準(zhǔn)的長方形，可根據(jù)手動(dòng)高精密絲印機(jī)模板安裝架尺寸設(shè)計(jì)，利用手動(dòng)印刷機(jī)兩面固定的技術(shù)實(shí)現(xiàn)本裝置的精密安裝，使本裝置可以非常方便安裝在印刷機(jī)上。從而保證最大鋼片尺寸達(dá)到300×350mm，最大印刷面積：200×300mm

3.7 精密調(diào)整

選用的手動(dòng)高精密絲印機(jī)無電氣件和氣動(dòng)件，其中x、y、z和角度四軸都可以精密調(diào)整，通過調(diào)整四軸實(shí)現(xiàn)PCB板上的焊點(diǎn)和固定于模板框架上的模板相應(yīng)開孔坐標(biāo)的一一對(duì)應(yīng)，并通過平臺(tái)的上升下降調(diào)整PCB和模板之間的距離。

3.8 改進(jìn)前后對(duì)比

見表1。

4 結(jié)論

隨著電子行業(yè)的競爭日益激烈，可靠性和實(shí)操性俱佳的手工錫膏印刷技術(shù)對(duì)于保障電子產(chǎn)品的質(zhì)量體系尤為重要。正如本文所述，我們研制的這款手動(dòng)錫膏印刷裝置的實(shí)用性在實(shí)際生產(chǎn)中得到充分驗(yàn)證，它不僅解決了以往單獨(dú)使用手動(dòng)印刷機(jī)需制作鋼網(wǎng)印刷錫膏的操作模式，而且在改用制作鋼片安裝后，可大幅提高生產(chǎn)效率，降低制造成本，快速從產(chǎn)品設(shè)計(jì)過渡到產(chǎn)品制造，優(yōu)勢(shì)明顯，滿足產(chǎn)品制造的實(shí)用要求。

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作者單位

國網(wǎng)信通集團(tuán)北京智芯微電子科技有限公司 北京市 102200