【干货】浅析印刷参数对锡膏体积的影响

1、锡膏印刷的物理过程

锡膏印刷是SMT工艺的关键工序，由于是锡膏是锡粉（powder）和助焊剂（flux）的混合物，锡膏在印刷过程中偏流体形态。粘度是影响锡膏的流体形态的主要指标，粘度低容易流动，填充和坍塌；粘度高容易滚动、脱膜和成型。而在锡膏印刷不同阶段，对粘度的需求也是不一样的，表1表示SMT制程不同阶段对锡膏粘度的需求。可见不同阶段希望有不同的粘度。

序号

过程

粘度需求

作用

1

印刷-锡膏滚动

低

粘度太大滚不起来

2

印刷-图形填充

低

便于模板开口的填充

3

印刷-脱膜

高

锡膏粘住PCB，脱膜成型，不会坍塌

4

轨道移动

高

锡膏成型，无坍塌

5

贴片

高

锡膏成型，无坍塌

表1. SMT过程对锡膏粘度的需求

影响粘度的因素很多，比如锡粉含量越高粘度越大；锡粉颗粒越大粘度越小；温度越大粘度越小；剪切速率越大粘度越小。同时锡膏存在触变性，即粘度随着恒定剪切速率作用下随着时间/次数的增加而降低。综上所述，SMT对粘度是一个非恒定的需求，同时粘度本身也是极易改变的变量。这对锡膏印刷工艺及印刷机的参数设置提出很高要求。

锡膏印刷主要分为3个阶段：滚动，填充和脱膜。锡膏滚动如图1所示，在刮刀的移动下，锡膏受到左下的压力，这个压力可以分解为水平分量和竖直分量。水平分量推动锡膏向前滚动，竖直分量推动锡膏向下的开口填充。

图1.锡膏印刷时的物理过程

由于触变性的作用，锡膏在模板开口正上方移动时，剪切力使锡膏粘度最低，竖直分量的压力使锡膏迅速的向下跌路到模板开口里面。一旦锡膏落到模板开口里面，锡膏不动了，粘度上升，粘在PCB焊盘上面。

图2.锡膏脱膜时的物理过程

脱膜如图2所示，在印刷机机台将PCB向下拉力钢网模板的时候，锡膏主要受PCB的附着力和钢网壁的摩擦力。由于粘度的增加，PCB的附着力大于钢网壁的摩擦力，这样脱膜后，锡膏会停留在PCB焊盘上，从而实现锡膏的涂布。要是出现PCB的附着力不大于钢网壁的摩擦力，就会出现脱膜不良，PCB焊盘将会少锡。为了减少这种不良，通过锡膏解冻，搅拌，印刷寿命等管控，保证触变性和粘度正常。或者使用电铸钢网，纳米钢网，FG钢网来减少孔壁的摩擦力。

2.研究思路

要研究印刷参数对锡膏体积的影响，可以黑盒法进行建模，输入为印刷参数，输出为锡膏体积。即y=f(x1,x2,…,xn)。Y为因变量，即印刷体积；X为自变量，即印刷参数。在模型函数选择上，考虑到我们希望有个定性的关系，X变化对Y的影响，所以本次选用田口DOE OFAAT(one factor at a time,一次只改变一个变量)进行。

根据印刷设备参数及功能配置，我们选取印刷速度，刮刀压力，印刷间隙和脱膜速度作为自变量进行研究。表2为OFAAT实验计划表。

运行序

印刷速度

刮刀压力

脱膜速度

印刷间隙

1

10

5

0.3

-0.5

2

10

6

0.3

-0.5

3

10

7

1

0.5

4

10

9

1

0.5

5

20

5

0.3

0.5

6

20

6

0.3

0.5

7

20

7

1

-0.5

8

20

9

1

-0.5

9

30

5

1

-0.5

10

30

6

1

-0.5

11

30

7

0.3

0.5

12

30

9

0.3

0.5

13

40

5

1

0.5

14

40

6

1

0.5

15

40

7

0.3

-0.5

16

40

9

0.3

-0.5

表2. DOE计划表

3.印刷参数对锡膏体积的影响

3.1 锡膏体积均值分析

根据DOE实验数据分别进行均值、标准差和信噪比的分析，图3是锡膏体积均值响应表及主效应图。

图3.均值响应表及主效应图

从图3可以看到，不同印刷参数水平对锡膏体积产生影响。随着速度增加，锡膏体积先增加后降低；随着压力增大，锡膏体积呈上下跳动；脱膜越快，体积越多；间隙越大，体积越多。d (delta)代表锡膏体积变化的最大值，从排秩来看，速度引起的变化最大，其次为印刷间隙，再次是脱膜速度，压力是影响最小的因素了。

3.2锡膏体积信噪比分析

图4是S/N（Signal to noise ratio,信噪比）响应表及主效应图。

图4.信噪比响应表及主效应图

S/N代表数据集中在目标的值的密集程度，在锡膏印刷中则表示锡膏体积的稳定性，也就是与Cpk强相关的指标。信噪比越高，Cpk越高；信噪比越低，Cpk越越低。对应信噪比和Cpk是否存在函数的映射关系？可以进行另外专题研究。

从图4可以看出，印刷参数的水平对信噪比影响比较大，随着速度增加，S/N 先增加后降低；随着压力增加，S/N 先降低后增加；而脱膜速度和和印刷间隙也对S/N有微小的影响，相较于速度和压力的言属于次要因素。

d代表锡膏体积S/N变化的最大值，从排秩来看，刮刀压力变化范围最大，其次刮刀速度，印刷间隙再之，最后是脱膜速度。这表明不同参数类别对锡膏体积稳定性的影响是不一样的，压力和速度是影响比较剧烈的，间隙和脱膜是影响比较温和的。

3.3 位置—散度模型

锡膏印刷属于典型的望目型工程问题。我们希望最好的目标是100%，上下有点小波动就最完美了。

使用位置—散度模型可以快速实现稳健参数的识别和设置。所以识别位置因子和散度因子对指导参数调试有现实意义。位置因子是根据均值排秩决定的，它代表了锡膏体积数据中心值相对目标值的位置。偏左代表锡膏体积小于目标；偏右代表锡膏体积大于目标，正中表示锡膏体积为100%（完美状态）。散度因子是根据S/N排秩决定的,它代表了锡膏体积数据分布的分散性，S/N越高，对应的均方差越低，数据分布越集中，锡膏体积印刷过程变异越小；S/N越低，对应的均方差越大，数据分布越分散，锡膏体积印刷过程变异越大。

根据均值和S/N排秩，锡膏体积印刷的位置因子和散度因子如图5所示，

图5. 位置因子和散度因子

3.4 印刷参数设置的工程指导

确定了印刷参数的位置因子和散度因子，对SMT的锡膏印刷工艺有巨大的指导意义。工程参数调试主要分为望目型和非望目型（望大或者望小）。他们在参数调整是顺序是有差异的。

1、锡膏印刷的物理过程

锡膏印刷是SMT工艺的关键工序，由于是锡膏是锡粉（powder）和助焊剂（flux）的混合物，锡膏在印刷过程中偏流体形态。粘度是影响锡膏的流体形态的主要指标，粘度低容易流动，填充和坍塌；粘度高容易滚动、脱膜和成型。而在锡膏印刷不同阶段，对粘度的需求也是不一样的，表1表示SMT制程不同阶段对锡膏粘度的需求。可见不同阶段希望有不同的粘度。

序号

过程

粘度需求

作用

1

印刷-锡膏滚动

低

粘度太大滚不起来

2

印刷-图形填充

低

便于模板开口的填充

3

印刷-脱膜

高

锡膏粘住PCB，脱膜成型，不会坍塌

4

轨道移动

高

锡膏成型，无坍塌

5

贴片

高

锡膏成型，无坍塌

表1. SMT过程对锡膏粘度的需求

影响粘度的因素很多，比如锡粉含量越高粘度越大；锡粉颗粒越大粘度越小；温度越大粘度越小；剪切速率越大粘度越小。同时锡膏存在触变性，即粘度随着恒定剪切速率作用下随着时间/次数的增加而降低。综上所述，SMT对粘度是一个非恒定的需求，同时粘度本身也是极易改变的变量。这对锡膏印刷工艺及印刷机的参数设置提出很高要求。

锡膏印刷主要分为3个阶段：滚动，填充和脱膜。锡膏滚动如图1所示，在刮刀的移动下，锡膏受到左下的压力，这个压力可以分解为水平分量和竖直分量。水平分量推动锡膏向前滚动，竖直分量推动锡膏向下的开口填充。

图1.锡膏印刷时的物理过程

由于触变性的作用，锡膏在模板开口正上方移动时，剪切力使锡膏粘度最低，竖直分量的压力使锡膏迅速的向下跌路到模板开口里面。一旦锡膏落到模板开口里面，锡膏不动了，粘度上升，粘在PCB焊盘上面。

图2.锡膏脱膜时的物理过程

脱膜如图2所示，在印刷机机台将PCB向下拉力钢网模板的时候，锡膏主要受PCB的附着力和钢网壁的摩擦力。由于粘度的增加，PCB的附着力大于钢网壁的摩擦力，这样脱膜后，锡膏会停留在PCB焊盘上，从而实现锡膏的涂布。要是出现PCB的附着力不大于钢网壁的摩擦力，就会出现脱膜不良，PCB焊盘将会少锡。为了减少这种不良，通过锡膏解冻，搅拌，印刷寿命等管控，保证触变性和粘度正常。或者使用电铸钢网，纳米钢网，FG钢网来减少孔壁的摩擦力。

2.研究思路

要研究印刷参数对锡膏体积的影响，可以黑盒法进行建模，输入为印刷参数，输出为锡膏体积。即y=f(x1,x2,…,xn)。Y为因变量，即印刷体积；X为自变量，即印刷参数。在模型函数选择上，考虑到我们希望有个定性的关系，X变化对Y的影响，所以本次选用田口DOE OFAAT(one factor at a time,一次只改变一个变量)进行。

根据印刷设备参数及功能配置，我们选取印刷速度，刮刀压力，印刷间隙和脱膜速度作为自变量进行研究。表2为OFAAT实验计划表。

运行序

印刷速度

刮刀压力

脱膜速度

印刷间隙

1

10

5

0.3

-0.5

2

10

6

0.3

-0.5

3

10

7

1

0.5

4

10

9

1

0.5

5

20

5

0.3

0.5

6

20

6

0.3

0.5

7

20

7

1

-0.5

8

20

9

1

-0.5

9

30

5

1

-0.5

10

30

6

1

-0.5

11

30

7

0.3

0.5

12

30

9

0.3

0.5

13

40

5

1

0.5

14

40

6

1

0.5

15

40

7

0.3

-0.5

16

40

9

0.3

-0.5

表2. DOE计划表

3.印刷参数对锡膏体积的影响

3.1 锡膏体积均值分析

根据DOE实验数据分别进行均值、标准差和信噪比的分析，图3是锡膏体积均值响应表及主效应图。

图3.均值响应表及主效应图

从图3可以看到，不同印刷参数水平对锡膏体积产生影响。随着速度增加，锡膏体积先增加后降低；随着压力增大，锡膏体积呈上下跳动；脱膜越快，体积越多；间隙越大，体积越多。d (delta)代表锡膏体积变化的最大值，从排秩来看，速度引起的变化最大，其次为印刷间隙，再次是脱膜速度，压力是影响最小的因素了。

3.2锡膏体积信噪比分析

图4是S/N（Signal to noise ratio,信噪比）响应表及主效应图。

图4.信噪比响应表及主效应图

S/N代表数据集中在目标的值的密集程度，在锡膏印刷中则表示锡膏体积的稳定性，也就是与Cpk强相关的指标。信噪比越高，Cpk越高；信噪比越低，Cpk越越低。对应信噪比和Cpk是否存在函数的映射关系？可以进行另外专题研究。

从图4可以看出，印刷参数的水平对信噪比影响比较大，随着速度增加，S/N 先增加后降低；随着压力增加，S/N 先降低后增加；而脱膜速度和和印刷间隙也对S/N有微小的影响，相较于速度和压力的言属于次要因素。

d代表锡膏体积S/N变化的最大值，从排秩来看，刮刀压力变化范围最大，其次刮刀速度，印刷间隙再之，最后是脱膜速度。这表明不同参数类别对锡膏体积稳定性的影响是不一样的，压力和速度是影响比较剧烈的，间隙和脱膜是影响比较温和的。

3.3 位置—散度模型

锡膏印刷属于典型的望目型工程问题。我们希望最好的目标是100%，上下有点小波动就最完美了。

使用位置—散度模型可以快速实现稳健参数的识别和设置。所以识别位置因子和散度因子对指导参数调试有现实意义。位置因子是根据均值排秩决定的，它代表了锡膏体积数据中心值相对目标值的位置。偏左代表锡膏体积小于目标；偏右代表锡膏体积大于目标，正中表示锡膏体积为100%（完美状态）。散度因子是根据S/N排秩决定的,它代表了锡膏体积数据分布的分散性，S/N越高，对应的均方差越低，数据分布越集中，锡膏体积印刷过程变异越小；S/N越低，对应的均方差越大，数据分布越分散，锡膏体积印刷过程变异越大。

根据均值和S/N排秩，锡膏体积印刷的位置因子和散度因子如图5所示，

图5. 位置因子和散度因子

3.4 印刷参数设置的工程指导

确定了印刷参数的位置因子和散度因子，对SMT的锡膏印刷工艺有巨大的指导意义。工程参数调试主要分为望目型和非望目型（望大或者望小）。他们在参数调整是顺序是有差异的。