高精度手動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 論文詳細介紹了一款高精度手動錫膏印刷裝置的原理和研制方法，對現(xiàn)有簡易手動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，進行了分析并提出改善方法。研發(fā)這款手動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，貼裝密度高、電路引線細，對印刷機的印刷精度提出新的挑戰(zhàn)。特別是對手動印刷機來說，其操作平臺還滿足不了高精密的絲網(wǎng)印刷，純手工操作時刮刀的角度、壓力、移動速度等都不可控，導(dǎo)致精密印刷的一致性難以保證。因此，設(shè)想在現(xiàn)有手動錫膏印刷設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過工藝改進制造出一臺符合樣機及小批試制產(chǎn)品特點的新型手動精密印刷機裝置，解決在手動印刷過程中存在的問題，以期達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SMT電子裝聯(lián)工序中的首道工序，也是影響整個工序直通率的關(guān)鍵步驟。

對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)直接安裝在手動印刷機上印刷電路板錫膏，而鋼網(wǎng)相對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，造成嚴重的浪費和污染。為了降低開發(fā)費用、節(jié)約成本、提高效率，我們研制了這款手動錫膏印刷裝置，它是與手動高精密絲印機配合使用，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，無論是全自動還是手動印刷錫膏，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。要想實現(xiàn)鋼片的手動錫膏印刷操作，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)計不良率達20%以上，主要表現(xiàn)在精度不高、定位時間長、耗材浪費嚴重、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)一臺張力可控的高精度手動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，節(jié)省資金，提高生產(chǎn)效率。

1.2 手動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

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)過一個不斷改進版本的過程，因此制作成本較低的鋼片來完成樣機及小批量試生產(chǎn)是最合適的一種選擇，可以想象，如果手動錫膏印刷工裝達到一個先進的工藝水平，不僅可以改善“純手動操作”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)高的張力和印刷機的夾緊壓力，否則會造成鋼網(wǎng)位置的偏移或錫膏滲漏到鋼網(wǎng)下面，對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，會造成少錫虛焊等缺陷；太厚，會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點的要求。為使鋼網(wǎng)與印制板對位準(zhǔn)確，鋼網(wǎng)上需制作MARK點，其邊緣應(yīng)清晰易辯，且與鋼網(wǎng)表面齊平，否則會造成不能識別或識別誤差。

（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)開口會比PCB上的焊盤尺寸小。對分立元件來說會在四邊內(nèi)收5%--10%，在內(nèi)側(cè)會有“V”形開口，對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，其大小可隨PCB板的實際大小做適當(dāng)調(diào)整，省去保障張力控制的鋁質(zhì)框架，僅此一項就可節(jié)約制作鋼網(wǎng)成本的50%以上，同時又能滿足其技術(shù)關(guān)鍵點—張力控制。

2.2 錫膏印刷裝置結(jié)構(gòu)改進設(shè)計

一臺手動高精密絲印機，它的三軸精密移動平臺（見圖1）與安裝在模板支架（見圖2）上的手動錫膏印刷裝置（見圖3）配合使用，是實現(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板實際大小適當(dāng)調(diào)整，以確定鋼片尺寸。

手動錫膏印刷裝置的上壓塊和下壓塊（見圖4）是對鋼片起到夾持壓緊的作用；安裝鋼片時將鋼片嵌入牙形塊（見圖5、圖6）內(nèi)，目的是增大摩擦系數(shù)，滿足鋼片拉伸時所需的咬合力度，防止鋼片移位，達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)計為活動框架，操作旋轉(zhuǎn)拉伸旋柄時，精密絲杠帶動活動框架滑塊在導(dǎo)軌上前后移動，達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。

外邊框是保持整個裝置形體的框架；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，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，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)量的專項設(shè)計，同時也是保證鋼片張力達到工藝要求的關(guān)鍵部件。

2.3 本方案的技術(shù)特點

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

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

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

（3）拉伸：前后設(shè)計牙形塊，壓緊鋼片的同時，在可控范圍內(nèi)最大限度地增大摩擦咬合力，達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)計為活動框架，留有10mm左右的滑道，旋轉(zhuǎn)拉伸旋柄，精密絲杠帶動活動框架移動，達到拉伸繃緊鋼片的目的。

3 本方案的實施效果

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，通過手動印刷機與本文論述的手動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、使其定位時間減少，定位精度提高，同時鋼片的采用相比鋼網(wǎng)費用大幅降低、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

手動高精度錫膏印刷裝置采用四軸精密調(diào)整（小于0.01mm），實現(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°。使用本裝置定位時長僅需3分鐘，可解決僅靠肉眼定位（不精準(zhǔn)），定位耗時較長（10分鐘）的問題。通過精密導(dǎo)軌實現(xiàn)刮刀的運動，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500塊/小時，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

目前的簡易手動錫膏印刷機采用的是外來加工制作的鋼片，四周不繃框，印刷時鋼片三邊懸浮，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，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活動框架移動，鋼片四周繃緊，張力得以控制。快速壓緊手柄六點定位平面，保證PCB板和模板的水平度，印刷質(zhì)量接近全自動鋼網(wǎng)印刷，達到控制不良率，滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求的目的。

3.4 刮刀設(shè)計

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）運動，實現(xiàn)PCB板錫膏的精準(zhǔn)印刷。

3.5 PCB固定

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

3.6 安裝方便

自制的手動錫膏印刷裝置呈標(biāo)準(zhǔn)的長方形，可根據(jù)手動高精密絲印機模板安裝架尺寸設(shè)計，利用手動印刷機兩面固定的技術(shù)實現(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上。從而保證最大鋼片尺寸達到300×350mm，最大印刷面積：200×300mm

3.7 精密調(diào)整

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

3.8 改進前后對比

見表1。

4 結(jié)論

隨著電子行業(yè)的競爭日益激烈，可靠性和實操性俱佳的手工錫膏印刷技術(shù)對于保障電子產(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錫膏印刷裝置的實用性在實際生產(chǎn)中得到充分驗證，它不僅解決了以往單獨使用手動印刷機需制作鋼網(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)計過渡到產(chǎn)品制造，優(yōu)勢明顯，滿足產(chǎn)品制造的實用要求。

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作者單位

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