摘 要：本文介绍一种模板印刷实时视象监测系统，监测焊膏在模板与电路基板之间的脱模与淀积过程。这种独特的监测方法，排除了印后测量系统的固有误差。关键词：视象监测，模板印刷，脱模。

1.      引 言

在印制板组装过程中,经常将焊膏模板印刷看作为产生缺陷的主要来源。对模板印刷操作过程的基本原理有了更好的理解，就有可能提高表面贴装及精细尺寸图形印刷的产能。

本文介绍的模板印刷实时视象监测系统是用于研究在印刷过程焊膏从模板窗口脱模流动的工艺性能。监测系统由高速摄像机，光学凸透镜及精密的照明与光路控制组合构成，能准确地实现对焊膏印刷过程的实时视象监测。

这种独特的监测方法能完成焊膏脱模的快速定量分析，排除了原有印后测量系统的固有误差。此项技术也能实时观察在印刷过程中焊膏流体及表面的作用，由此能说明焊膏脱模过程的一些机理。

2.      实时视象监测-----焊膏脱模过程

2.1       视象监测系统

本文介绍的视象监测系统在模板与电路基板开始分离,同时获取模板与基板的视象。此项技术来自先前对小窗口脱模研究工作的启发。系统安装如图 1所示。使用可变焦光学镜头的高速摄像机，采集模板与基板间狭小空间的视象信息，整个测试过程的设计必须非常仔细。

图 1 实时视象监测系统

 

2.2        测试取样分组排序方法

本文实验对比两种焊膏的脱模性能，焊膏A组；焊膏B组。每组分又分为4次脱模排序，A组为；A₁， A₂，A₃，A₄；B组为；B₁，B₂，B₃，B₄。

两组实验按排序对比；A₁ / B₁  ，A₂ / B₂ ，A₃ / B₃，A₄ / B₄ 。

每对比组的比较，不论A_i / B_j 的结果如何，按A_i 优于B_j  = + 1；

A_i 差于B_j  =－１；A_i 等于B_j  ＝０，进行计算。

全部不重复对比组的比较结果总和就是Ａ组与Ｂ组的最终对比结果。这样某焊膏相对另一焊膏的最终对比结果是16（最小值为-16 ）。

多项实验比较，将所有的对比结果的总和就是该项实验对比结果，最终得到整个实验的相对比较结果。

3.       模板脱模性能

实验使用7种不同类型的焊膏,在印刷模板脱模后,对焊膏定义的图形进行比较,按上述的排序对比方法,7种焊膏的相对对比结果在96/-96之间。

焊膏最终相对比较结果如表 1所列；从表中数据可将焊膏分为，优，中优，中差，差 四个等级。分别以绿，黄，白，红标识。

表 1  7种焊膏的脱模性能比较（4种模板窗口尺寸）

 

焊膏的性能与模板窗口尺寸相关。例如；大尺寸窗口焊膏的脱模性能优于小尺寸窗口。焊膏D在模板窗口尺寸为20mil直径，具有良好的脱模性能，而在10mil窗口显示差的对比结果。

图 2，图 3 为高速摄像机摄下的优，差两等级的焊膏脱模的实时照片，图中兰色虚线表示模板与点平面相交，红色实线表示基板与点平面相交。

图 2 焊膏C脱模实时照片

（模板圆形窗口直径10mil，板厚6mil）

 

图 3 焊膏D脱模实时照片

（模板圆形窗口直径10mil，板厚6mil）

 

 

4.      模板的脱模性能

根据焊膏脱模性能，由两家制板厂提供的三种不同的制板技术，化学刻蚀，激光切割，电铸法进行脱模性能比较。模板窗口尺寸为4种不同规格（25，20，15，10mil），对比实验的最大/最小对比结果分别为；48/-48。使用不同焊膏（焊膏C，D）独立完成两组实验。

表 2 所列数据显示电铸法制板与焊膏类型无关，具有优良的脱模性能。激光切割制板有时具有优良的脱模性能，有时甚至优于电铸制板。例如；焊膏D组，激光模板对比值为26，而电铸模板对比值为24。从表2的第二部分可见，不同制造厂提供的激光模板有很大差别。化学制板在本实验中显示最差的脱模性能。其原因可能是化学刻蚀窗口呈沙漏状，妨碍了焊膏从模板窗口中完全脱模。

 

 

5.      脱模机理模型

5.1       予测技术

描述小尺寸窗口的脱模过程的模型已经建立,此模型是基于先前的研究由Rodriguez et al完成的。图 4 所示模板与基板分离的逐步脱模的模拟过程。

图 4 焊膏脱模机理图解

 

在每一步，焊膏沿着一个最大受力角度（θ）的剪切量，最后用于计算焊膏从模板转移到基板的全部沉积量。这个模型的精确度取决于每一步剪切量的大小。显然，剪切量大，予测的准确性低。对这个模型言，最大剪切量得到一个减小的予测焊膏沉积量。

当模板从基板分离，因窗口壁的剪切力（F_ws），使得有些焊膏仍留在模板的窗口内，同时由于粘着力（F_sa ），使得焊膏保持与基板接触。当剪切力（F_ws）与粘着力（F_sa ）平衡得；

方程1

τ_ws×湿润壁面积 = σ_sa ×湿润焊盘面积

式中τ_ws  接近窗口壁剪切产生的剪切力，σ_sa作用在基板上的粘着力。

使用已知的应力转换，单位量焊膏所碰到的最大剪切角度θ_shear可由下式计算得到；

tan（2θ_shear）= （σ_x-σ_y）/τ_xy = （σ_sa / 2 ）/τ_ws

式中σ_x，σ_y为作用在单位焊膏量X/Y轴向的正应力，τ_xy为作用在X/Y平面的剪切力。

方程1重新排列得；

方程3

τ_ws /σ_sa = 湿润焊盘面积 / 湿润壁面积

由方程2，3，根据焊盘面积及模板窗口壁面积，可确定最大剪切力的平面角度为；

方程4

tan（2θ_shear）=  （湿润壁面积/2）/ 湿润焊盘面积

模型假定焊膏开始从模板窗口壁分离的平均最小尺寸。焊膏保持在基板焊盘上的最初湿润直径可由下式估计；

方程5

D_i = D _o – 2 ×（平均最小直径）

接下后续步序，在i +1步时，焊膏的沉积直径为；

方程6

D_i+1 = D_i -（2×D_t tanθ_shear ）

方程7

t_i+1 = t_i – D_t

达到模板厚度或沉积直径为另之前，重复上述的脱模步序。

这里讨论的模型使用模板厚度为0.01in。焊膏3平均最小直径为1.375mil,焊膏5平均最小直径为0.785mil。

5.2       实验过程

印刷实验确认模型的正确性,实验使用三种不同厚度的模板(4,5,6mil),两种焊膏(焊膏3,焊膏5),两种窗口图形(圆形,方形),四种窗口尺寸(15,10,8,6mil)。窗口形状不同，其体积相同。

6.      实验与予测

图 5 焊膏3脱模予测与实验数据曲线比较

 

图6 焊膏5脱模与测于实验数据曲线比较

 

两种焊膏印刷量的测量如图5,图6所示,由从模型得到的予测数据及实验数据曲线。与测量技术相关两图的数据误差为标准15%误差。

在300-500mil³的窗口容积范围，予测与实验结果一致。对较厚的模板及大的窗口，两者结果更为一致，而对较厚模板及小的窗口，则准确度明显降低。正如所料，圆形窗口的较薄模板与方形窗口比较，呈现优良的脱模性能，而模型及实验也显示同样的结果前者具有高效的脱模性能。这项观察分析与先前的研究结论一致。

窗口尺寸小于300 mil³的予测结果转换效率趋于过高估计。在此范围内，使用本实验的测量技术也呈显准确性下降。

7.      结 论

视象监测系统技术在印刷过程用于实时获取焊膏从模板窗口转移到电路基板整个过程的信息。焊膏脱模实验采用各种模板，窗口尺寸，及不同焊膏的组合，建立半定量的排序分析方法进行对比。

由供应商提供的七种类型焊膏，三种制板技术的模板，按照其脱模性能排序。可确定脱模性能优良的焊膏。，模板对比得电铸法模板具有最好的焊膏转印效率，在有些对比时，激光模板同样与电铸法一样具有优良的性能。化学刻蚀模板显示最差的脱模性能。

本文介绍适于描述各种焊膏颗粒从不同的模板，窗口及形状脱模的模型，在300-500mil³的窗口容积范围，予测与实验结果一致。

对小容量，模型被认为是测量准确性下降，不可靠。