第四章　焊膏与焊膏印刷技术 　
{dy}节　锡铅焊料合金
  焊料是易熔金属，它在母材表面能形成合金，并与母材连为一体，不仅实现机械连，同时也用于电气连接。焊接学中，习惯上将焊接温度低于450 ℃ 的焊接称为软钎焊，用的焊料又称为软焊料。电子线路的焊接温度通常在 180 ℃～300 ℃ 之间，所用焊料的要成分是锡和铅，故又称为锡铅焊料。
一．电子产品焊接对焊料的要求

         电子产品的焊接中，通常要求焊料合金必须满足下列要求：
(1)焊接温度要求在相对较低的温度下进行，以保证元件不受热冲击而损坏。
(2)熔融焊料必须在被焊金属表面有良好的流动性，有利于焊料均匀分布，并为润湿奠定基础。
(3)凝固时间要短，有利于焊点成型，便于操作。
(4)焊接后，焊点外观要好，便于检查。
(5)导电性好，并有足够的机械强度。
(6)抗蚀性好，电子产品应能在一定的高温或低温、盐雾等恶劣环境下进行工作，特别是军事、航天、通信以及大型计算机等。为此焊料必须有很好的抗蚀性。
(7)焊料原料的来源应该广泛，即组成焊料的金属矿产应丰富，价格应低廉，才能保证稳定供货。
二．锡铅合金焊料

1．锡的特性
      锡是延展性很好的银白色金属，质地软，熔点是 231.9 ℃ ，密度为 7.28g/cm3 耐，常温下易氧化，性能稳定。

2．铅的特性
      铅也是质地柔软并呈灰色的金属，熔点327.4℃，密度为11.34g/cm3。铅的导电、导热性能差，铅与锡有良好的互溶性，塑性优异、铸造性好，并具有润滑性。纯铅耐腐蚀性极强，化学性能稳定，但有机酸和强酸对它有强腐蚀作用；铅对人体有害，以离子铅的形式进入人体，其毒性很大，尤其对婴幼儿。

3．锡铅合金的特性
4．铅在焊料中的作用
5．液态锡铅焊料的易氧化性
6．锡铅焊料中的杂质
三．锡铅合金相图与焊料特性
1．铅锡合金状态图
            铅锡合金状态图表示了不同比例的铅、锡的合金状态随温度变化的曲线。
2. 共晶焊料
        当Sn/Pb合金以 63 / 37 比例互熔时，升温至 183 ℃ ，将出现固态与液态的交汇点，即图中的T点，这一点称为共晶点，该点的温度称之为共晶温度，为183℃，是不同Sn/Pb配比焊料熔点中温度{zd1}的。对应的合金成分为Sn-62.7％、Pb-37.3％（实际生产中的配比是63：37)的铅锡合金称为共晶焊锡，是铅锡焊料中性能{zh0}的一种。
四．锡铅合金产品

对于铅－锡合金除了按其百分比构成不同而派生出很多种合金外。成份为Sn63Pb37的焊料，从形状和用途上又分为：锡膏、锡条、锡丝、锡箔。
第二节 无铅焊料合金
一. 废弃电子产品的危害性及铅的毒害性

        Sn-Pb 合金（特别是Sn-37Pb），因其成本低廉，良好的导电性和优良的力学和钎焊性能，一直以来广泛的用于电子整机装联、微电子元器件的封装和印刷电路板级组装。但是，Pb 及含Pb 物是危害人类健康和污染环境的有毒有害物质。Sn-Pb 钎料在生产及使用过程中会直接危害人体，它与人体蛋白质强烈结合而抑制人体正常的生理功能，造成神经系统和代谢紊乱，使神经系统和生理反应迟钝，减少血色素而造成贫血及高血压。此外电子元器件废弃物中含Pb 的钎料会被氧化成氧化铅，氧化铅和盐酸及酸雨中的酸反应形成铅的化合物，污染环境，最终危害人类的健康。
       目前，欧盟已通过立法明确在2008 年停止使用含铅钎料，全世界电子工业中禁止使用含铅钎料已是大势所趋。《报废电子电气设备指令》(WEEE)和《关于在电子电气设备中禁止使用某些有害物质指令》（RoHS）已经正式实施。
二．无铅焊料的定义

无铅焊料的标准，目前世界上尚无统一的标准。欧盟 EUELVD 协会的标准是： Pb 质量含量 < 0 . 1 % ；美国 JEDEC 协会的标准是： Pb 质量含量＜ 0 . 2 % ；国际标准组织(ISO)提案，电子装联用焊料合金中铅质量含量应低于0.1%。

无论是 0 . 1 ％还是 0 . 2 ％均是很低的数值。所以目前国际公认的无铅焊料的定义为：以Sn为基体，添加了其它金属元素，而Pb的含量在0.1～0.2wt%（wt%重量百分比）以下的主要用于电子组装的软钎料合金。

三．无铅焊料应具备的条件

             无铅焊料也应该具备与Sn-Pb合金大体相同的特征，具体目标如下：
1) 替代合金应是xx性的。
(2) 熔点应同锡铅体系焊料的熔点(183℃) 接近, 要能在现有的加工设备上和现有的工艺条件下操作。
(3) 供应材料必须在世界范围内容易得到, 数量上满足全球的需求。某些金属如铟和铋数量比较稀少, 只够用作无铅焊锡合金的添加成分。
(4) 替代合金还应该是可循环再生的。
(5) 机械强度和耐热疲劳性要与锡铅合金大体相同。
(6) 焊料的保存稳定性要好。
(7) 替代合金必须能够具有电子工业使用的所有形式, 包括返工与修理用的锡线、锡膏用的粉末、波峰焊用的锡条、以及预成型。不是所有建议的合金都可制成所有的形式, 例如铋含量高将使合金太脆而不能拉成锡线。
(8) 合金相图应具有较窄的固液两相区。能确保有良好的润湿性和安装后的机械可靠性。
(9) 焊接后对各种焊接点检修容易。(10) 导电性好, 导热性好。
四．无铅焊料的发展状况

       通过长时间的研究, 锡被认定为是{zh0}的基础金属, 因为锡的货源储备充足, xx害, 检修容易, 有良好的物理特性, 熔点是232℃, 与其他金属进行合金化后熔点不会很高。所以目前广泛采用的替代Sn/Pb焊料的元毒合金，是Sn为主，添加Ag、Zn、Cu、Sb、Bi、In等金属元素，组成三元合金和多元合金。
       经过大量的比较后筛选出几种好的锡合金, 它们为铜(Cu)、银(A g)、铟( In)、锌(Zn)、铋(Bi)、锑(Sb)。选择这些金属材料可在和锡组成合金时降低焊料的熔点, 使其得到理想的物理特性
 
①锡锌系(Sn-Zn)
②锡铜系(Sn99. 3- Cu0. 7)
③锡银系(Sn-Ag)
④锡锑系(Sn- Sb)
⑤锡铋系(Sn – Bi)
⑥锡银铜系(Sn-Ag-Cu) 简称SAC
五．目前应用最多的无铅焊料合金

       目前应用最多的用于再流焊的无铅焊料是三元共晶或近共晶形式的 Sn-Ag-Cu 焊料。Sn (3 ～ 4) wt％Ag(0.5～0.7) wt%Cu（wt%重量百分比）是可接受的范围，其熔点为 217 ℃ 左右。
       Sn-Ag-Cu合金，相当于在Sn-Ag合金里添加Cu，能够在维持Sn-Ag合金良好性能的同时稍微降低熔点。因此 Sn - Ag-  Cu 合金已成为国际上应用最多的无铅合金。
       关于Sn - Ag-  Cu 系焊料的{zj0}成分，日、美、欧之间存在一些微小的差别。美国采用Sn3.9wt%Ag0.6wt%Cu（wt%重量百分比）无铅合金,欧洲采用Sn3.8wt%Ag0.7wt%Cu无铅合金，日本采用Sn3.0wt％Ag0.5wt%Cu无铅合金。
第三节 焊膏
焊膏是由合金焊粉、焊剂载体等组成的膏状稳定混合物。在表面安装技术中起到粘固元件，促进焊料润湿，xx氧化物、硫化物、微量杂质和吸附层，保护表面防止再次氧化，形成牢固的冶金结合等作用。
一．焊膏的特性与要求
 ( l ）粘度
( 2 ）坍塌性
( 3 ）工作寿命
二．焊膏的组成
焊膏是将焊料粉末与具有助焊功能的糊状焊剂混合而成的，通常合金焊料粉末比例占总的重量的85%～90％左右，占体积的50%左右。其余是化学成分。

1．焊粉

(1)．焊粉的制造
焊粉，即焊料粉末，是由焊料合金熔化后，采用高压惰性气体喷雾或离心喷雾法、超声法等方法雾化制成，然后过筛就可以得到不同粒度的焊粉。
焊粉末的粒度、形态等对锡膏的质量有举足轻重的影响，它又取决于雾化工艺及设备的质量。
(2). 焊粉形状及其对焊膏性能的影响
下图是放大后的焊粉表面形貌，其中黑色的为富锡相，其亮区为富铅相。焊粉形状可分为有规和无规两种，其形态对焊膏使用性能有一定影响。
(3)．焊粉的粒度
SMT焊膏常用的焊粉为光滑球形。过粗的粉末会导致焊膏粘结性能变差，随着细间距QFP焊接的需要，将越来越多地使用20μm以下的合金粉末。
焊粉颗粒的粗细程度一般用粒度来描述，粒度的单位是目。原指筛网在每1英寸长度上有多少个筛孔（目数），目数越多，筛孔就越小，能通过的颗粒就越细小。
(4)．焊料粉末中杂质及其影响
2．糊状焊剂

糊状焊剂在焊膏中的比重一般为10％～15％，体积百分比为50～60％。作为焊粉载体，它起到结合剂、助熔剂、流变控制剂和悬浮剂等作用。它由树脂、活化剂（表面活性剂、催化剂）、触变剂、溶剂和添加剂等组成。
优良的焊剂应具备①高的沸点，以防止焊膏在再流过程中出现喷射；②高的粘稠性，以防止焊膏在存放过程中出现沉降；③低卤素含量，以防止再流焊后腐蚀元器件；④低的吸潮性，以防止焊膏在使用过程中吸收空气中的水蒸汽而引起粉末氧化。
性能的物质，常用的有调节剂、消光剂、缓蚀剂、光亮剂、阻燃剂等。
焊剂的含量对焊膏的塌落度、粘度、粘结性能有显著影响；另外还能影响到焊接后焊料的堆积厚度
三．焊膏的分类及标识

目前，焊膏的品种繁多，尚缺乏统一的分类标准，现仅进行技术性的分类。一般根据合金熔点、焊剂的活性程度及粘度进行分类。
1.按焊料合金熔化温度分类
2．按焊剂活性分类
           可分为：活性（RA)，中等活性（RMA），无活性（R)，水洗，免清洗几大类，以适应不同场合的焊接需要。
3．按焊膏粘度分类

四．几种常见的焊膏

1．松香型焊膏
2. 水溶性焊膏
3.免清洗低残留物焊膏
4.无铅焊膏
五．焊膏的评价方法

            焊膏的检验包括三部分：焊膏的使用性能、焊料粉末及焊剂.

1．焊膏的外观
2．粘度的测量
3 ．触变系数的计算
4．焊膏的印刷性能
5.   焊膏的粘结力
6．焊球试验
7 ．焊膏扩展率试验（润湿性试验）
8 ．焊粉在焊膏中所占百分率（质量）
9．焊剂酸值、卤化物、水溶物电导率、铜镜腐蚀性、绝缘电阻测定

第四节 模板
模板（ stencil )，又称为网板、钢网，它是焊膏印刷的关键工具之
一,用来定量分配焊膏。

一．模板概述
（1）模板的结构
             图4-9 中所见的模板，其外框是铸铝框架（或铝方管焊接而成），中心是金属模板，框架与模板之间依靠张紧的丝网相连接，呈“钢一柔一钢”的结构。这种结构确保金属模板既平整又有弹性，使用时能紧贴 PCB表面。
 (2)．模板的管理
2. 模板的制造

( l ）化学腐蚀法
( 2 ）激光切割法
( 3 ）电铸法
三. 模板的设计工艺

             模板基材厚度及窗口尺寸大小直接关系到焊膏印刷量，从而影响到焊接质量。模板基材厚和窗口尺寸过大会造成焊膏施放量过多，易造成“桥接’’ ; 窗口尺寸过小，会造成焊膏施放量过少，会产生“虚焊’’。因此 SMT 生产中应重视模板的设计。

1 ．模板良好漏印性的必要条件

宽厚比＝窗口的宽度／模板的厚度＝ W / H ,
     W 是窗口的宽度， H 是模板的厚度。宽厚比参数主要适合验证细长形窗口模板的漏印性。

面积比＝窗口的面积／窗口孔壁的面积＝ ( L × W)／ 2×( L ＋W) ×H ,
     L 是窗口的长度。面积比参数主要适合验证方形／圆形窗口模板的漏印性。

            在印刷锡铅焊膏时，当宽厚比≥ 1 . 6 ，面积比≥0. 66 时，模板具有良好的漏印性：而在印刷无铅焊膏当宽厚比 ≥1 . 7 ，面积比≥0 . 7 时，模板才有良好的漏印性
2． 模板窗口的形状与尺寸

            为了得到高质量的焊接效果，近几年来人们对模板窗口形状与尺寸做了大量研究，将形状为长方形的窗口改为圆形或尖角形，其目的是防止印刷后或贴片后因贴片压力过大使锡膏铺展到焊盘外边，导致再流焊后焊盘外边的锡膏形成小锡球并影响到焊接质量。在印刷无铅焊膏时可直接按焊盘设计尺寸来作为窗口尺寸，必要时还可适当增大尺寸。对于间距>0.5mm的器件，一般采取1∶1.02 ~ 1∶1.1的开口；对于间距≤0.5mm的器件，一般采取1∶1的开口，原则上至少不用缩小
3 ．模板的厚度
           模板厚度直接关系到焊膏印刷后的数量，对焊接质量影响很大
 l）局部减薄（ Step -Down ）模板
2）局部增厚（ Step-Up ）模板

4 ．用于通孔再流焊模板设计
5 ．印刷贴片胶模板的设计
第五节 焊膏印刷机理
一．焊膏印刷机理
焊膏印刷机由开有印刷图形窗口的网板，把焊膏填充到网板开口部位的刮刀，及固定、定位电路板（PCB）的印刷工作台构成，材料使用的是焊膏和印制电路板。焊膏印刷时应先将模板窗口与 PCB 上焊盘图形对正，定位后，然后放上足够数量的焊膏，就可以印刷了，如图4-22显示的那样。在对刮刀施加压力的同时从左向右移动，使焊膏滚动，把焊膏填充到网板的开口部位。进而，利用焊膏的触变性和粘着性，把焊膏转到印制电路板上。焊膏印刷过程可细分为下述两过程来讨论。
1. 非接触式印刷机理
            非接触式印刷，使用筛孔网板(丝网)，在网板和PCB之间设置一定的间隙（间隙印刷）。
            非接触式印刷的问题点 ：
① 印刷位置偏离：
② 填充量不足、欠缺的发生：
③渗透、桥连的发生
2. 接触式印刷机理

        接触式印刷法中，采用金属模板代替非接触式印刷中的丝网进行焊膏印制。网板和基板直接接触，没有间隙。印刷时移动刮刀把焊膏填充到网板的开口部位。如果只是这样焊膏就不能填充到基板上，所以需要把印刷工作台下降，需要基板离开网板的动作，将焊膏转移到基板上，这个动作称为离网动作。
二. 焊膏印刷过程

1．焊膏印刷过程

     印刷焊膏的工艺流程如下：
印刷前的准备 ― 调整印刷机工作参数 ― 印刷焊膏／印刷质量检验 ― 清理与结束。

2．焊膏的保存与使用
第六节 印刷机简介
一．印刷机概述

焊膏印刷机用来印刷焊膏或贴片胶，并将焊膏（或贴片胶）正确地漏印到印制电路板相应的位置上。
当前，用于印刷焊膏的印刷机品种繁多，若以自动化程度来分类，可以分为：手工调节印刷机、半自动印刷机，视觉半自动印刷机、全自动印刷机。
二．印刷机系统组成

多数半自动印刷机和全自动印刷机基本都由以下几部分组成：基板夹持机构（工作台）、刮刀系统、PCB 定位系统、丝网或模板、模板的固定机构，以及为保证印刷精度而配置的其它选件等。焊膏印刷的特点是位置准确、涂敷均匀、效率高。印刷机必须结构牢固，具有足够的刚性，满足精度要求和重复性要求。
1. 基板夹持机构

基板夹持机构用来夹持 PCB ，使之处于适当的印制位置。包括工作台面、夹持机构、工作台传输控制机构等。

2. PCB 定位系统

带双面真空吸盘的工作台，可用来印制双面板。PCB的定位一般采用孔定位方式，再用真空吸紧。工作台的X-Y-Z 轴均可微调，以适合不同种类 PCB 的要求和xx定位。
 PCB 的放进和取出方式有两种：一种是将整个刮刀机构连同网板抬起，将 PCB 拉进或取出，采用这种方式时 PCB 的定位精度不高；另一种是刮刀机构及模板不动， PCB “平进平出”，使模板与 PCB 垂直分离，这种方式的定位精度高，印制焊膏形状好。

3. 刮刀系统

             刮刀系统是印刷机上最复杂的运动机构。包括刮刀、刮刀固定机构、刮刀的传输控制系统等
            刮刀系统完成的功能包括：使焊膏在整个网板面积上扩展成为均匀的一层，刮刀按压网板，使网板与 PCB 接触；刮刀推动模板上的焊膏向前滚动，同时使焊膏充满模板开口；当模板脱开 PCB 时，在 PCB 上相应于模板图形处留下适当厚度的焊膏。刮刀有金属刮刀和橡胶刮刀等，分别应用于不同的场合。
4. 模板固定装置
如图4-37所示，是一个滑动式模板固定装置的结构示意图。松开锁紧杆，调整模板(钢网)安装框，可以安装或取出不同尺寸的模板
5. 模板清洁装置
滚筒式卷纸模板清洁装置，能有效的清洁模板背面和开孔上的焊膏微粒和助焊剂。装在机器前方的卷纸可以更换、维护。为了保证干净的卷纸清洁模板并防止卷纸浪费，上部的滚轴由带刹刀的电机控制。内部设有溶剂喷洒装置，清洁溶剂的喷洒量可以通过控制旋钮进行调整。
三．印刷机工艺参数的调节与影响

1．刮刀的夹角

2 ．刮刀的速度

3．刮刀的压力

4 ．刮刀宽度

5 ．印刷间隙

6 ．分离速度

7 ．离网距离

8．刮刀形状与制作材料
（1）刮刀材料：
               ① 橡胶（聚胺酯）刮刀               ② 金属刮刀
（2）刮刀形状和结构
第七节 常见印刷缺陷分析
一．印刷不良的含义
印刷品质:印刷精度正确的位置,填充率适当的量,填充形状 漂亮的形状,长时间的稳定性.
稳定的印刷
二．影响印刷性能的主要因素
模版材料、厚度、开孔尺寸、制作方法；
 焊膏粘度、成分配比、颗粒形状和均匀度；
印刷机精度和性能、印刷方式；
刮刀的硬度、刮印压力，刮印速度和角度；
印制电路板基板的平整度、阻焊膜；
其它方面如焊膏量、环境条件影响、模版网框和管理等
三．常见印刷不良分析

1 ．印刷位置偏离
产生原因：网板开口部位和基板焊盘的位置偏离，网板和基板的位置对准不良是主要原因，也有网板制作不良的情况；印刷机印刷精度不够。 
危害：易引起桥连。
对策：调整钢板位置：调整印刷机

2．填充量不足
对基板焊盘的焊膏供给量不足的现象。未填充、缺焊、少焊、 凹陷等都属于填充量不足。因为与印刷压力、刮刀速度、离网条件、焊膏性能和状态、网板的制作方法、网板清洁不良等多种因素相关，所以印刷条件的最合理化非常重要。

3.  渗透
助焊剂渗透在被填充的焊盘周围的现象。有印刷压力、网板和基板的间隙、焊膏、杂质、网板反面的脏等各种原因。应采取调整印刷参数，及时清洁网板等措施。

4.  桥连
焊膏被印刷到相邻的焊盘上的现象。可能的原因有网板和基板的位置偏离、印刷压力、间隙、网板反面的变脏等。应合理调整印刷参数，及时清洁网板。
5 ．焊焊膏图形拉尖，有凹陷
产生原因：刮刀压力过大；橡皮刮刀硬度不够；模板窗口太大。
危害：焊料量不够，易出现虚焊，焊点强度不够。
对策：调整印刷压力；更换为金属刮刀；改进模板窗口设计。
6 ．锡膏量太多
产生原因：模板窗口尺寸过大；模板与 PCB 之间的间隙太大。
危害：易造成桥连。
对策：检查模板窗口尺寸；调节印刷参数，特别是 PCB 模板的间隙。
7. 锡膏量不均匀，有断点
产生原因：模板窗口壁光滑度不好；印刷次数太多，未能及时擦去残留锡膏；锡膏触变性不好。
危害：易引起焊料量不足，如虚焊缺陷。
对策：擦净模板。

8 ．图形沾污
产生原因：模板印刷次数多，未能及时擦干净；锡膏质量差；离网时有抖动。
危害：易桥连。
对策：擦洗钢板；换锡膏；调整机器