CN107182172B - 印制电路板上3d打印焊膏体的工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种印制电路板上3D打印焊膏体的工艺方法，旨在提出一种焊膏体外形可控，焊膏涂覆效率高，并能实现不同厚度、不同外形的3D精确打印焊膏体的工艺方法。本发明通过下述技术方案予以实现：首先打印一层与焊盘形状一致的助焊剂作为焊锡粉末固定介质，再在这些位置的助焊剂上打印一层焊锡粉末，并在逐层打印完一个独立焊膏体后再进行下一个焊膏体的打印，让逐层打印的助焊剂层和焊锡粉末层进行混合，在打印过程中实时形成焊膏体，交替逐层打印，逐层交替打印助焊剂层和焊锡粉末层形成所需焊膏体，在最后一层以打印助焊剂作为3D打印焊结束，在同一块印制板上形成不同厚度、不同外形的助焊剂和焊锡粉末多层流体自然复合的焊膏体布局分布。

Description

印制电路板上3D打印焊膏体的工艺方法

技术领域

本发明涉及一种电子产品中印制板组装过程的焊膏涂覆应用中，用于无需漏印模板，实现同一块印制板中不同厚度、不同外形的焊膏体精确3D打印。

背景技术

如今，电子装联技术已普遍采用电子装联技术SMT。从广义上，新一代电子装联技术即表面贴装技术SMT包括了表面贴装组件SMC、表面贴装器件SMD、表面贴装印刷电路板SMB、普通混装印刷电路板PCB、点胶、涂膏、表面贴装设备、元器件取放系统、焊接及在线测试等技术内容，是一整套完整的工艺技术过程的统称。在SMT生产过程中,采用金属漏板模板漏印焊膏已成为分配焊膏的一个重要手段,它可以快速地,定量地将焊膏分配到每一个焊盘上去。焊膏漏印是一项复杂的工艺，既受材料的影响，同时又跟设备和参数有直接关系。印制电路板PCB装联工艺中的焊膏涂覆是应用丝网印刷机或漏印模版涂覆将焊膏或贴片胶漏印到PCB的焊盘上，为元器件的焊接做准备。在SMT工艺中，主要包括三个基本环节：涂布焊膏、贴片以及焊接，而最重要的是焊膏涂覆。焊膏涂覆可用丝网印刷／漏印模版印刷方法。它位于SMT生产线的最前端。在印刷中，刮刀在加压的情况下以一定的速度推动焊膏，使之通过漏印模版上的窗口分配到PCB焊盘上，这一过程实质上是焊膏流体的动态运动过程。在动态运动过程中，刮刀施加压力时材料易发生变形，从而使焊膏的分配发生偏差。SMT中的丝网印刷最困难的是怎样把适量的焊膏准确地分配到网印PCB的焊盘上，难点就在于适量和准确。适量是漏印到PCB焊盘上的焊膏既不靠丝网印刷机的印刷精度保证，而且还涉及网版材料、厚度；漏印模版的厚度、窗口设计形状及窗口尺寸大小，漏印模版与PCB工艺间距，包括刮刀材料、硬度、角度；印刷方向、速度、压力；焊膏种类、粘度，工作的环境温度、温度等十多种工艺因素的综合控制。漏印中如果刮刀间隙或焊膏黏度太大，漏印后焊盘易呈现小山峰状，产生拉尖。如果刮刀压力太大，焊膏黏度太小，PCB板定位不牢，印刷后，焊膏往两边塌陷，出现坍塌。如果印刷窗口阻塞或部份焊膏粘在模板底部，焊膏中有较大尺寸的金属粉末颗粒，易产生印刷不完全。印刷不完全是指焊盘上部分地方没有印上焊膏。基板厚和窗口尺寸过大，焊锡膏施放量就过多，易造成“桥接”。如果模板厚度不符合要求(太薄)；刮刀压力太大，焊膏流动性较差，会产生焊膏太薄。如果模板与PCB板不平，焊膏搅拌不均匀，使得颗粒度不一致，印刷后，会产生焊盘上焊膏厚度不一致。如果焊膏黏度偏低，焊盘涂覆层太厚，模板窗孔孔壁粗糙会产生边缘和表面有毛刺。如果模板窗口尺寸过大，钢板与PCB板之间的间隙太大，容易造成桥联而产生焊膏量太多的缺陷。如果以上所述的影响因素都得到控制，但是仍然不能实现同一块印制板上焊膏厚度可变的要求。虽然焊膏印刷作为电子行业中最主要的焊膏涂覆方式得到了广泛的应用。但随着组装工艺的复杂化和组装方式的多样化,传统焊膏印刷的使用受到了限制。

现有焊膏涂覆技术中采用焊膏漏印、焊膏喷印两类涂覆方式。在焊膏漏印涂覆方式中，采用在印制板上放置开有不同孔洞（空洞位置和形状根据印制板元器件焊盘位置和大小对应）焊膏漏印模板，位置对齐后，印刷机通过焊膏刮刀以一定角度和速度对焊膏漏印模板施加一定的压力，让成品焊膏漏印到印制板中的焊盘上形成的焊膏体，该模式由于采用的焊膏漏印模板厚度是一定的，漏印形成的焊膏体厚度基本也是相同的，因此制约了在同个印制板中不同元器件焊盘的焊膏厚度变化，这就可能造成影响焊接质量的情况：在印制板非平坦的衬底表面进行焊膏印刷，可能同时包含大尺寸和小尺寸的元件，在焊接时，针对细间距器件距引线间的间距小、焊盘面积小、漏印的焊膏量较少。一些小型元器件焊盘小，需要的焊膏量少，在焊盘面积确定的情况下，焊膏涂覆厚度偏厚，焊膏量偏多，导致焊接产生锡珠、短路、浸润不好等焊接质量。而一些大的元器件焊盘大，需要的焊膏量多，在焊盘面积确定的情况下，焊膏涂覆厚度偏薄，使得焊膏量偏少，导致焊接少锡、开路等焊接质量。又由于焊膏漏印涂覆方式中，每块印制板至少需要一个漏印模板，尺寸大的还必须正反面各一个漏印模板，漏印模板的加工、漏印模板模板的清洗设备及辅料占据了很大的生产成本。同时，虽然对同一种印制板涂覆焊膏速度较快，但是在更换产品时，需要拆卸、装夹、清洗漏印模板等操作，这些操作同样需要花很多工作时间，影响工作效率。在回流焊接中出现的锡球常常藏于矩形片式组件两端之间的侧面或细距引脚之间。在组件贴装过程中，焊膏被置于片式组件的引脚与焊盘之间，随着印制板穿过回流焊炉，焊膏熔化变成液体，如果与焊盘和器件引脚等润湿不良，液态焊锡会因收缩而使焊缝填充不充分，所有焊料颗粒不能聚合成一个焊点。部分液态焊锡会从焊缝流出，形成锡球。若片式组件的一对焊盘大小不同或不对称，也会引起漏印的焊膏量不一致，小焊盘对温度响应快，其上的焊膏易熔化，大焊盘则相反。多年来，在电子表面组装生产中，虽然钢网印刷是一种成熟的工艺，但依然有一些公认的难点和缺陷。在小批量多品种的高混装生产中，产品的更换过程缺乏灵活性。在整个表面贴装工艺中，它依然是影响焊接质量的最主要的因素。在调试完好的工艺中，约70%的焊接问题源于钢网印刷。如桥接少锡、开路、桥接等大部分的问题源于网板印刷这道工序。制作和运输网板可能会占用生产时间，每个单独的组装工序会影响后面的工艺环节网板印刷有刮刀和钢网，有多个参数会影响印刷的结果。

焊膏喷印涂覆在技术上采用了免网板印刷和高速焊膏涂覆的喷印方法。这种技术类似于文件的喷墨打印技术。换而言之，这意味着某个PCB的CAD数据或光绘数据可以离线转换，然后被传送到喷印机中，并可按需要的份数来喷印。由于独特的喷射系统，高速的焊膏喷涂条形码和ID芯片有效防止焊膏被用错的风险。这种技术根据PCB的设计，通过喷印头结构，将焊膏管中的焊膏以极微小点喷射到PCB的焊盘位置上。喷印头系统经测试最快每秒钟能喷出500点，实现飞行的焊膏喷印。高速焊膏喷印达到3G的加速度需要一个非常坚固的设计。焊膏管装在轻质化设计的焊膏盒中，而焊膏盒能快速切换式地卡入机器内。焊膏盒能在几秒钟内完成更换，能在极短的时间内进行有铅和无铅焊膏生产的转换。这种无接触的喷印技术没有压力加在PCB上，不需要任何PCB的支撑销。喷印程序能根据参考点来自动对位和调整。3D方向喷印过程不受操作员影响。控制软件整个过程完全由软件来控制，焊膏量能根据需要来改变。可在需要印刷的每个单独的焊盘、元件和封装来微调焊膏的涂覆量、覆盖面积、厚度和层数。使用喷印技术后，影响印刷质量的参数，包括刮刀压力和速度、脱模速度等，或者说间接影响焊接效果的参数被减少很多。总体而言，参数或者是工艺步骤的减少，提高了可靠性。在网板印刷中，各种参数或工序会影响到印刷的结果，包括网板的制作等，共涉及到大约有十多种不同的操作。而在焊膏喷印时，参数被减少到二到三个。每一个参数的去除，均提高了工艺的稳定性。由于喷印技术不需要使用网板，可以离线编程，所以完成整个的生产转换只需要几秒钟，每种产品的生产从开始至完成的效率极高。机器的准备软件会把数据自动转换而生成“虚拟网板”。“自动匹配”功能会确定每个焊盘的最佳焊膏量，操作员可以在焊盘库内作选择，也可以为复杂或异型元件自建新的喷印图案。当操作员完成后，会生产喷印程序，并传送到喷印机。省却了网板意味着节省了其它的成本。例如触点阵列封装 L BGA焊接后的支撑高度很低，清洗困难，而且由于焊剂残留问题，形成空洞和锡珠的几率会增大，空洞和锡珠的形成与焊膏成分又有着密切关系。触点阵列封装 L BGA器件部分焊盘上有较多焊锡，在焊盘中间还存在或大或小的锡珠，很多焊盘上明显少锡，部分焊盘则几乎没有焊料润湿，对应的PCB焊盘上也是同样的情况。焊膏喷印量及湿度的变化对触点阵列封装 L BGA焊点少锡合并锡珠缺陷的产生影响显著。造成该焊接缺陷的机理是： L BGA这种封装底部间隙非常小的元器件存在毛细管现象，在回流焊过程中，喷印焊膏飞溅极易产生锡珠。该缺陷直观表现为部分焊盘上的焊锡被偷走至其他焊盘上了，过多的焊锡使得整个器件浮高，从而使得其他焊盘几乎没有焊锡润湿。

由于焊膏喷印涂覆方式采用对成品焊膏施加气压，使得焊膏喷射在印制板上，每个焊盘由多个点状焊膏点阵排列形成最终的焊膏体，虽然焊膏量可以根据焊盘大小进行控制，但是，由于焊膏体由多个点状焊膏组成，其外形不可控，焊膏体外形精度差导致小型封装器件焊接容易短路。又由于目前采用焊膏喷印涂覆方式为了取得好的精度，不得不采用口径小的喷嘴，口径越小越容易堵塞。虽然焊膏喷印不需要漏印涂覆方式中的焊膏漏印模板，但是这种涂覆方式中，每一个焊膏体需要多次喷射点状焊膏才完成，导致焊膏涂覆的效率很低，最主要是焊膏形状不可精确控制。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提出一种焊膏体外形可控，焊膏涂覆效率高，并能实现不同厚度、不同外形、助焊剂与焊锡粉末不同比例混合的自然复合的3D精确打印焊膏体的工艺方法。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供的一种印制电路板上3D打印焊膏体的工艺方法，其特征在于包括如下步骤：在所述印制电路板上的元器件焊盘位置，通过不同3D打印头、3D打印的层文件和打印程序控制焊膏体中的每层助焊剂的厚度和每层焊锡层粉末的厚度，先打印一层与焊盘形状一致的助焊剂作为焊锡粉末稳定介质，再在这些位置的助焊剂上打印一层焊锡粉末，并在逐层打印完一个独立焊膏体后再进行下一个焊膏体的打印，让逐层打印的助焊剂层和焊锡粉末层按照焊膏助焊剂与焊锡粉末不同比例确定不同层厚进行混合，在打印过程中，不需要熔化焊膏固化成型，实时形成不同粘度、不同形状的焊膏体，交替逐层打印，逐层交替打印助焊剂层和焊锡粉末层形成所需焊膏体，在最后一层以打印助焊剂作为3D打印焊结束，完成最后一层焊锡粉末稳定，在同一块印制板上形成不同厚度、不同外形、助焊剂与焊锡粉末不同比例混合的自然复合的焊膏体布局分布，便于后续元器件的可靠焊接。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

焊膏体外形可控。本发明在同一块印制板上，通过不同3D打印头、3D打印层文件和打印程序控制焊膏体中的每层助焊剂的外形厚度和每层焊锡层粉末的外形厚度，采用先在印制板的所有焊盘上打印一层与焊盘形状一致的助焊剂作为焊锡粉末固定介质，再在这些位置的助焊剂上打印一层焊锡粉末，通过助焊剂与焊锡合金粉末逐层打印，在印制板上形成元器件焊接所需的焊膏体，这样交替逐层打印，可以在同一块印制板上形成不同厚度、不同外形、助焊剂与焊锡粉末不同比例混合的自然复合的焊膏体布局分布。解决了现有技术由多个点状焊膏组成焊膏体，焊膏体外形不可控，焊膏体外形精度差导致小型封装器件焊接容易短路的问题。

焊膏涂覆效率高，本发明应用3D打印技术原理，在3D打印过程中，将助焊剂和焊锡粉末分开逐层交替打印，实时完成助焊剂与焊锡粉末的混合，形成可以焊接的焊膏体。这种逐层交替打印助焊剂和焊锡粉末形成所需焊膏体，不需要搅拌等工序，各层助焊剂和焊锡粉末流体在打印过程中自然混合，实时形成焊膏体，不仅大幅度地提高了焊锡膏涂覆速度，而且，这种实时形成的焊膏体成品不会出现储存后分层，使用中，避免了现有技术助焊剂和焊锡粉需要搅拌工序的复杂性，解决了搅拌工序中易吸附大量空气、水汽和粉尘等会产生锡珠或焊锡量少不均的质量问题和焊接时，可能导致产生焊膏炸裂的现象。利用本发明不需要漏印钢模板、漏印模板更换及清洗，没有漏印钢模板使用寿命限制，同时也不需要先前配制焊膏成品进行喷印，在节约成本上效果更明显。解决了现有技术焊膏喷印工艺，在同一块印制板上不能控制焊膏厚度变化，外形变化精确控制难的问题。避免了传统焊膏印刷工艺技术，不能精确控制焊膏外形，焊膏厚度可变难，外形变化精确控制难的问题。

实现不同厚度、不同外形的焊膏体精确3D打印。本发明在所述印制板上的元器件焊盘位置，由3D打印的层文件和打印程序控制焊膏体中的每层助焊剂的外形厚度和每层焊锡层粉末的外形厚度，助焊剂与焊锡合金颗粒逐层打印，在印制板上形成元器件焊接的焊膏体，在最后一层以打印助焊剂作为3D打印焊结束，在同一块印制板上形成不同厚度、不同外形的助焊剂和焊锡粉末多层流体自然复合的焊膏体布局分布，并且在同一块印制板上，打印形成的焊膏体的最终厚度也可以根据具体情况进行变化，保证了焊接质量。避免了传统焊膏印刷工艺技术中，在同一块印制板上不能控制焊膏厚度变化的缺点，同时避免了现有的焊膏喷印工艺技术中，不能精确控制焊膏外形的缺点。通过3D打印实时形成焊膏体，每层助焊剂和每层焊锡粉末的外形厚度都可以精确控制，不存在保存时效限制问题。在3D打印过程中，虽然应用了3D打印技术原理，但是，在打印过程中，并不采取任何措施让焊膏体中焊锡粉末熔化，只是形成精确的焊膏体形状，在后期焊接工序中才熔化焊膏体中焊锡。在同一块印制板上可能存在台阶、凹槽内有焊盘，由于打印头在程序控制下上下运动控制焊膏体的高度，可以在该印制板这些不同平面内同时进行焊膏3D打印。

附图说明

下面结合附图和实施例进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

图1显示的是本发明一个典型实施例的3D打印焊膏体的印制电路板剖视图。

图2是图1的俯视图。

图3展示了本发明单个矩形焊膏体的3D打印过程示意图。

图4展示了变形焊膏体的3D打印过程示意图。

图中：1.印制板，2.助焊剂层，3.焊锡粉末层，4.焊膏体。

下面通过结合附图和实施例一步说明本发明。

具体实施方式

参阅图1～图4。根据本发明，在所述印制电路板上的元器件焊盘位置，通过不同3D打印头、3D打印的层文件和打印程序控制焊膏体中的每层助焊剂的厚度和每层焊锡层粉末的厚度，先在印制板的所有焊盘上打印一层与焊盘形状一致的助焊剂作为焊锡粉末固定介质，再在这些位置的助焊剂上打印一层焊锡粉末，并在逐层打印完一个独立焊膏体后再进行下一个焊膏体的打印，让逐层打印的助焊剂2和焊锡粉末3进行混合，在打印过程中实时形成焊膏体4，这样交替逐层打印，逐层交替打印助焊剂和焊锡粉末形成所需焊膏体，在最后一层以打印助焊剂作为3D打印焊结束，在同一块印制板上形成不同厚度、不同外形的助焊剂和焊锡粉末多层流体自然复合的焊膏体布局分布。

在以下附图和实施中，第一步，助焊剂打印头根据打印程序设置的助焊剂控制厚度，在印制板1上的焊盘位置，打印与焊盘形状相同的助焊剂层2和固定助焊剂层的焊锡粉末层3；整个印制板1上的焊盘的助焊剂1打印完成后，进行第二步，换作焊锡粉末打印头打印与焊盘形状相同的焊锡粉末层3，焊锡粉末层3厚度由打印程序设置厚度进行控制；整个印制板1上的焊锡粉末层3打印完成后，进行第三步，并依次类推，让逐层打印的助焊剂层和焊锡粉末层按照焊膏助焊剂与焊锡粉末不同比例确定不同层厚进行混合，在打印过程中，不需要熔化焊膏固化成型，实时形成不同粘度、不同形状的焊膏体，交替逐层打印，逐层交替打印助焊剂层和焊锡粉末层形成所需焊膏体，在最后一层以打印助焊剂作为3D打印焊结束，完成最后一层焊锡粉末稳定，在同一块印制板上形成不同厚度、不同外形、助焊剂与焊锡粉末不同比例混合的自然复合的焊膏体布局分布，打印完成后焊膏体4分布在印制板1（局部）上，便于后续元器件的可靠焊接。

焊膏体4已经打印完成，对于一些焊膏体还没有达到要求的厚度，继续对这些焊膏体继续交替打印焊锡粉末层3和助焊剂层2，直到整个焊膏体达到设计要求为止。

在逐步打印助焊剂层2和焊锡粉末层3的过程中，助焊剂层2是流动液体，在打印过程中不可能如图2中所示为矩形，除第一层附着在印制板1的焊盘上外，其他各层的助焊剂层2都会向下渗透，正是经过这一过程，让逐层打印的助焊剂层2和焊锡粉末层3进行混合，在打印过程中实时形成焊膏体4。

以上所述的仅是本发明的优选实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作若干变形和改进。比如，本发明可以将焊膏的成分细分成更多种类的打印原料采用更多的3D打印头与之对应，逐层3D打印焊膏体。又比如，在本发明实例中，打印层数(或步骤数)并不只限于该优选实施例的层数(或步骤数)，实际应用中，打印多少层(或步骤数)均可以根据具体要求进行设置、改变。又比如，本发明在在印制板的所有焊盘上打印同一层时，可能存在印制板尺寸过大，3D打印头的工作范围不能涵盖整个印制板，那么，只能将每层分几次打印。又比如，在本发明实例中，打印的助焊剂层厚度和焊锡粉末层厚度是通过程序设置可以改变。又比如，本发明可以逐层打印完一个独立焊膏体后再进行下一个焊膏体的打印，即每个焊膏体单独逐层打印（如图3、图4）。又比如，3D打印的焊膏体剖面或俯视投影的形状可以是矩形、半圆形、三角形、梯形等所有基本形状以及由这些基本形状之间任意组合形成的不同形状。这些变更和改变应视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种印制电路板上3D打印焊膏体的工艺方法，其特征在于包括如下步骤：在所述印制电路板上的元器件焊盘位置，通过不同3D打印头、3D打印的层文件和打印程序控制焊膏体中的每层助焊剂的厚度和每层焊锡层粉末的厚度，首先打印一层与焊盘形状一致的助焊剂作为焊锡粉末稳定介质，再在这些位置的助焊剂上打印一层焊锡粉末，并在逐层打印完一个独立焊膏体后再进行下一个焊膏体的打印，让逐层打印的助焊剂层（2）和焊锡粉末层（3）按照焊膏助焊剂与焊锡粉末不同比例确定不同层厚进行混合，在打印过程中，不需要熔化焊膏固化成型，实时形成不同粘度、不同形状、焊膏助焊剂与焊锡粉末不同比例的焊膏体（4），交替逐层打印，逐层交替打印助焊剂层和焊锡粉末层形成所需焊膏体，在最后一层以打印助焊剂作为3D打印焊结束，完成最后一层焊锡粉末稳定，在同一块印制板上形成不同厚度、不同外形、助焊剂与焊锡粉末不同比例混合的自然复合的焊膏体布局分布，便于后续元器件的可靠焊接。

2.如权利要求1所述的印制电路板上3D打印焊膏体的工艺方法，其特征在于：第一步，助焊剂打印头根据打印程序设置的助焊剂厚度，控制助焊剂与焊锡粉末不同混合比例，利用在印制板（1）上的焊盘位置，喷印与焊盘形状相同的助焊剂（2）层用于稳定焊锡粉末（3）。

3.如权利要求1所述的印制电路板上3D打印焊膏体的工艺方法，其特征在于：整个印制板（1）上焊盘的助焊剂打印完成后，进行第二步，换作焊锡粉末打印头打印与焊盘形状相同的焊锡粉末层（3），焊锡粉末层（3）厚度由打印程序设置厚度进行焊锡金属粉末的控制，便于与上步的助焊剂形成焊膏体的基本层。

4.如权利要求2所述的印制电路板上3D打印焊膏体的工艺方法，其特征在于：整个印制板（1）上的焊锡粉末层（3）打印完成后，进行第三步，并依次类推，交替打印助焊剂层（2）和焊锡粉末层（3），直到焊膏体（4）的厚度达到打印程序设置厚度值为止，最后一步，打印一层助焊剂层（2），稳定上步打印的焊锡粉末层（3），最终形成不同厚度、不同外形、助焊剂与焊锡粉末不同比例混合的自然复合的焊膏体的焊膏体（4）。

5.如权利要求1所述的印制电路板上3D打印焊膏体的工艺方法，其特征在于：焊膏体（4）打印完成，对于一些焊膏体还没有达到要求的厚度，继续对这些焊膏体继续交替打印焊锡粉末层（3）和助焊剂层（2），直到整个焊膏体达到设计要求为止，解决一块印制板的不同尺寸元器件组装焊接所需要的不同厚度、不同外形、助焊剂与焊锡粉末不同比例混合的自然复合的焊膏体（4）。

6.如权利要求1所述的印制电路板上3D打印焊膏体的工艺方法，其特征在于：在逐步打印助焊剂层（2）和焊锡粉末层（3）的过程中，助焊剂层（2）流动液体，除第一层附着在印制板（1）的焊盘上外，利用各层助焊剂层（2）自然向下渗透的原理，与逐层打印的焊锡粉末层（3）进行混合，在3D打印过程中实时形成不同厚度、不同外形、助焊剂与焊锡粉末不同比例混合的自然复合的焊膏体（4）。