高精度手动锡膏印刷装置的开发和研制

郝威武 王东山 赵坤 刘伟霞 鲁剑杰

摘 要 论文详细介绍了一款高精度手动锡膏印刷装置的原理和研制方法，对现有简易手动锡膏印刷工装存在的定位精度不高、印刷速度慢、无张力控制、不良率高、不能满足密集管脚的贴片器件加工要求等质量问题，进行了分析并提出改善方法。研发这款手动高精度锡膏印刷装置，旨在解决上述问题。本文就SMT锡膏印刷过程中产生的质量问题提出了改善的工艺方法。

【关键词】装置 钢网 钢片 PCBA 张力控制 制造成本

随着电子行业芯片的集成度增强，贴装密度高、电路引线细，对印刷机的印刷精度提出新的挑战。特别是对手动印刷机来说，其操作平台还满足不了高精密的丝网印刷，纯手工操作时刮刀的角度、压力、移动速度等都不可控，导致精密印刷的一致性难以保证。因此，设想在现有手动锡膏印刷设备的基础上，通过工艺改进制造出一台符合样机及小批试制产品特点的新型手动精密印刷机装置，解决在手动印刷过程中存在的问题，以期达到用较低的成本来获取高质量的PCBA。

所谓SMT就是直接将元器件贴焊到PCB表面设定位置的装联技术，而锡膏印刷则是把一定量的锡膏按要求印刷到PCB上的过程，它是整个SMT电子装联工序中的首道工序，也是影响整个工序直通率的关键步骤。

对一些科研性及多品种、小批量生产为主的电子厂商而言，由于生产的PCBA数量有限，往往采取手工锡膏印刷工艺。它是将制作好的钢网直接安装在手动印刷机上印刷电路板锡膏，而钢网相对于钢片的制作成本高，制作周期长，使用频次低，印刷数量少，用后一般不再继续使用，造成严重的浪费和污染。为了降低开发费用、节约成本、提高效率，我们研制了这款手动锡膏印刷装置，它是与手动高精密丝印机配合使用，无需制作钢网，仅制作钢片即可，不仅可满足多元化、高精度的印刷品质要求，同时也能够有效地缩短钢网制作周期，降本增效。

1 现有的技术方案

1.1 目前PCB锡膏印刷方式

在焊膏涂覆传统工艺中，无论是全自动还是手动印刷锡膏，都需要辅以钢网作为锡膏印刷的配套装备，而无法使用钢片。要想实现钢片的手动锡膏印刷操作，现有的方法是一边夹紧，其余三边均为悬空状态，印刷时无张力控制，导致漏印、偏位、锡膏厚度不均，由于纯手工操作，刮刀角度、印刷力度均不可控，印刷质量无法保证，数据统计不良率达20%以上，主要表现在精度不高、定位时间长、耗材浪费严重、定位过程不易控制等问题，其中钢片的张力失控是导致印刷不良率高的主要因素。因此拟开发一台张力可控的高精度手动锡膏印刷装置来满足生产工艺要求，适应多元化、高精度、小批量产品的生产特点，节省资金，提高生产效率。

1.2 手动印刷工艺涉及的辅料和硬件

1.2.1 钢网与钢片的制作成本比对

目前市场上制造一块符合工艺技术指标要求的钢网均价在700元左右，而钢片仅需230元左右。众所周知，从研发初期到成熟产品要经过一个不断改进版本的过程，因此制作成本较低的钢片来完成样机及小批量试生产是最合适的一种选择，可以想象，如果手动锡膏印刷工装达到一个先进的工艺水平，不仅可以改善“纯手动操作”所带来的种种印刷不良，而且可以节省钢网制作成本，缩短加工周期，加快产品研发进度。

1.2.2 钢网制作的一般要求

（1）外框及钢网张力。钢网边框：外框采用铝制材料，网框底部平整，其绷紧钢网张力在 35N/cm2以上，因此边框必须承受相当高的张力和印刷机的夹紧压力，否则会造成钢网位置的偏移或锡膏渗漏到钢网下面，对PCB造成污染。

（2）钢网材料和厚度。钢网材料选用不锈钢板，其厚度为0.1～0.3mm。钢网太薄，会造成少锡虚焊等缺陷；太厚，会造成不能脱模或脱模不良或连锡、锡珠等缺陷。制成的钢网表面须平坦、光滑，厚度误差在可接受范围内。

（3）钢网MARK点的要求。为使钢网与印制板对位准确，钢网上需制作MARK点，其边缘应清晰易辩，且与钢网表面齐平，否则会造成不能识别或识别误差。

（4）钢网开口与开口比例。为了减少PCB、钢网制造误差可能带来的印刷偏移等缺陷，一般钢网开口会比PCB上的焊盘尺寸小。对分立元件来说会在四边内收5%--10%，在内侧会有“V”形开口，对IC来说，采用收缩的方式有内削或侧削。

1.2.3 印刷图案布局

印刷图案需居中布局，目的是在印刷受力的情况下，不因受力不对称而出现微偏移。刮刀印刷角度控制得当，可提高印刷质量。

2 改善后的技术方案

2.1 钢片

所谓钢片，就是去除外边框的钢网，无需制作MARK点，其大小可随PCB板的实际大小做适当调整，省去保障张力控制的铝质框架，仅此一项就可节约制作钢网成本的50%以上，同时又能满足其技术关键点—张力控制。

2.2 锡膏印刷装置结构改进设计

一台手动高精密丝印机，它的三轴精密移动平台（见图1）与安装在模板支架（见图2）上的手动锡膏印刷装置（见图3）配合使用，是实现锡膏印刷的关键部件；模板安装架左右方向固定尺寸300mm，前后方向可调裕度310±40mm，可根据PCB板实际大小适当调整，以确定钢片尺寸。

手动锡膏印刷装置的上压块和下压块（见图4）是对钢片起到夹持压紧的作用；安装钢片时将钢片嵌入牙形块（见图5、图6）内，目的是增大摩擦系数，满足钢片拉伸时所需的咬合力度，防止钢片移位，达到张力工艺控制要求。

在固定边框的左右两端，分别留有10mm左右的导轨，用于钢片的夹持。装置的末端框架固定，前端设计为活动框架，操作旋转拉伸旋柄时，精密丝杠带动活动框架滑块在导轨上前后移动，达到拉伸绷紧钢片的目的。滑块是為拉伸旋柄提供松弛、拉紧，嵌于导轨滑道内的辅助设计。

外边框是保持整个装置形体的框架；压紧手柄是用于钢片压紧、张开的快速手柄；直立松弛，侧压紧固，是用于钢片安装、拆卸的结构设计，它可保持钢片均衡受力，操作简单易行。

固定块是防止上下压块移位的限位块。水平支板略高出牙形块，目的是在拉伸旋柄所连精密丝杠旋紧时，使钢片保持水平绷直，精准定位于印制线路板焊盘，保证锡膏印刷质量的专项设计，同时也是保证钢片张力达到工艺要求的关键部件。

2.3 本方案的技术特点

本手动锡膏印刷装置，关键在于钢片压紧拉伸的结构设计。

（1）水平：水平支板略高出牙形块5～6mm，使钢片绷紧时可最大程度地保持水平。

（2）压紧：前后各设计3个快速压紧手柄，保持均衡受力，操作简单易行。

（3）拉伸：前后设计牙形块，压紧钢片的同时，在可控范围内最大限度地增大摩擦咬合力，达到张力工艺控制要求。

（4）滑道：装置的末端框架固定，前端设计为活动框架，留有10mm左右的滑道，旋转拉伸旋柄，精密丝杠带动活动框架移动，达到拉伸绷紧钢片的目的。

3 本方案的实施效果

刮刀的长度，操作手法（印刷速度、印刷压力），PCB和钢网间的印刷间隙，PCB与钢网的分离速度，钢网的清洁频次等，通过手动印刷机与本文论述的手动锡膏印刷装置完美结合，改善了利用钢片印刷锡膏的工艺控制、使其定位时间减少，定位精度提高，同时钢片的采用相比钢网费用大幅降低、制作周期相应缩短，提高了生产效率，并保证了产品质量。具体体现如下：

3.1 精准定位

手动高精度锡膏印刷装置采用四轴精密调整（小于0.01mm），实现精准定位，由于PCB居中要求，所以PCB中心、钢片中心与本装置的外框中心需重合，三者中心距最大值不超过3mm。PCB、钢片、装置外框的轴线在方向上应一致，任两条轴线角度偏差不超过2°。使用本装置定位时长仅需3分钟，可解决仅靠肉眼定位（不精准），定位耗时较长（10分钟）的问题。通过精密导轨实现刮刀的运动，确保刮刀和模板之间的无缝接触，来保证印刷的精度。理想最大印刷精度可达0.4mm IC，锡球大于0.5mm的BGA。重复精度小于0.03mm，重复误差极小。

3.2 印刷速度提升

大大提升了锡膏的印刷速度，理想最大印刷速度可达500块/小时，且刮刀印刷角度控制在45～60°，刮刀印刷速度控制在30～60mm/秒，以确保锡膏涂覆的一致性。可解决速度不均，印刷耗时长，操作者因人而异手法不同，锡膏涂覆一致性差的问题。

3.3 张力可控

目前的简易手动锡膏印刷机采用的是外来加工制作的钢片，四周不绷框，印刷时钢片三边悬浮，仅有一边夹紧，无张力控制，造成印刷偏移、漏印、焊锡坍塌等不良。而新技术采用的是类似于标准钢网结构设计，是将钢片夹持固定于金属框上，旋转拉伸旋柄使精密丝杠带动活动框架移动，钢片四周绷紧，张力得以控制。快速压紧手柄六点定位平面，保证PCB板和模板的水平度，印刷质量接近全自动钢网印刷，达到控制不良率，满足产品质量要求的目的。

3.4 刮刀设计

刮刀尺寸可选200mm/304mm，前后行程大于410mm。刮刀材质为不锈钢或定做其它材质。通过刮刀向后（前）运动，实现PCB板锡膏的精准印刷。

3.5 PCB固定

利用吸附于手动高精密丝印机平台上的磁性顶针和固定于平台上的万能顶针完成对PCB的精密对位和支撑固定，来保证印刷时的精密脱模。同时方便各种类型和各种形状电路板的印刷。

3.6 安装方便

自制的手动锡膏印刷装置呈标准的长方形，可根据手动高精密丝印机模板安装架尺寸设计，利用手动印刷机两面固定的技术实现本装置的精密安装，使本装置可以非常方便安装在印刷机上。从而保证最大钢片尺寸达到300×350mm，最大印刷面积：200×300mm

3.7 精密调整

选用的手动高精密丝印机无电气件和气动件，其中x、y、z和角度四轴都可以精密调整，通过调整四轴实现PCB板上的焊点和固定于模板框架上的模板相应开孔坐标的一一对应，并通过平台的上升下降调整PCB和模板之间的距离。

3.8 改进前后对比

见表1。

4 结论

随着电子行业的竞争日益激烈，可靠性和实操性俱佳的手工锡膏印刷技术对于保障电子产品的质量体系尤为重要。正如本文所述，我们研制的这款手动锡膏印刷装置的实用性在实际生产中得到充分验证，它不仅解决了以往单独使用手动印刷机需制作钢网印刷锡膏的操作模式，而且在改用制作钢片安装后，可大幅提高生产效率，降低制造成本，快速从产品设计过渡到产品制造，优势明显，满足产品制造的实用要求。

参考文献

[1]IPC-TA-722 INTRO；焊锡的技术评估.

[2]IPC/EIA J-STD -005；焊膏技术要求.

[3]IPC/EIA J-STD -001；电气、电子组件焊接技术要求.

[4]IPC-7525：钢网开孔设计指南.

[5]IPC-A-610E 2010：电子组装件验收条件.

[6]IPC/J-STD-003：印制板可焊性测试.

[7]IEC 61191.2 印制板组装件 第2部分 表面安装焊接组装要求.

[8]王华，张宪民，欧阳高飞，整体式三自由度精密定位平台的优化设计及实验研究[J].机械工程学报，2007，43（03）：66-71.

[9]江涛，王安鳞，王石光.基于机器视觉的印刷电路板误差校正方法[J].上海交通大学学报，2005，39（06）：945-949.

[10]ARAVAMUDHAN Srinvasa，SANTOS Daryl.Characteriza-tion of the Solder Paste Release from small stencil Aper-tures is the Stencil Printing Process[J].Journal of Elec-tronic Packaging，2005，127（03）：340-352.

[11]贺振兴.基于机器视觉的精密锡膏印刷设备精度研究[D].华南理工大学，2013.

[12]吴晖辉，张憲民，顺德职业技术学院机电工程系华南理工大学机械与汽车工程学院视觉全自动锡膏印刷机纠偏平台研究[J].机床与液压，2011，39（23）：31-34.

作者单位

国网信通集团北京智芯微电子科技有限公司 北京市 102200