預測焊膏的轉印效率及其印刷量（上）
全文選自《SMT China表面組裝技術》雜誌文章，作者是Mitch Holtzer、Karen Tellefsen和Westin Bent。平台首發，不支持私自轉載，尤其是不註明出處的非法刊登及相關商業用途。版權所有，違者必究！
目前如J-STD-005和JIS Z 3284-1994等行業標準均呼籲採用粘度測量來用作保證焊膏質量的試驗方法，幾乎所有生產和銷售的焊膏都採用在單一剪切速率下的粘度範圍值來做為判斷它們是否符合出貨和客戶規格要求的一項標準。
已經有了多次報道，在與表面貼裝技術工藝相關的缺陷中，約有80％的缺陷涉及到焊膏印刷過程。焊膏在單一剪切速率下的粘度值可以用來預測焊膏樣品在可印刷性上的致命性缺陷。然而，對單剪切速率下粘度讀數在缺陷預測上可能產生的假陽性問題還是不十分清楚。
直觀地來說，焊膏在印刷過程中將會受到幾種剪切速率的影響。用刮刀將焊膏壓入模板的孔中，該過程中施加到焊膏上的應變將是最高的。而模板與印刷電路分離的過程，將帶來第二高的應變。焊膏與刮刀的相互作用也是產生高應變的重要因素之一。非常低的剪切力特性則預示著焊膏產生塌陷的可能性較大。
本項研究將採用一種可變速率的流變儀（配合錐形和板形配件），來觀察焊膏在流變學與印刷量之間的相關性及其印刷重複性。我們的研究目標是：確定粘度-剪切應變速率曲線是否可以用作預測焊膏的缺陷率，與此同時，對用戶所使用的焊膏性能做出更為準確的預測。我們期望這項工作能夠對今後一系列有價值的研究起到引導作用。
引言
對於任何電路組裝工藝而言，預測焊膏的轉印效率及其印刷量的可重複性都是十分有價值的工作。預測一罐焊膏能製造出多少優質電路板的數量，對於精打細算的合同製造商而言是至關重要。在大多數情況下，一級組件供應商並不具備修復具有缺陷電路板的能力，將會因為缺陷而付出昂貴的代價。他們必須丟棄這些有缺陷的組件，並停止生產線，直到確定並糾正缺陷的根本原因為止。
市售焊膏的粘度具有其規格上限和下限值。通常，在一個特定的剪切速率下來測量該焊膏的粘度，該剪切速率與每分鐘10轉（RPM）的螺旋粘度計相關聯。如果焊膏中所含的粉末被酸性活化劑溶解在焊膏流體中，則焊膏的粘度將會迅速增加。如果粘度增加超過規格上限值的20%?30%，它的印刷結果就可能變得很差，此時焊膏甚至無法塗刷整個模板，並且模板中有的孔將呈現沒有填充的現象，導致印刷圖案的部完整跳躍。
我們的研究的目的是要確定焊膏的印刷產額和流變學之間是否存在相關性，最終的目標是使流變學測量能更好地預測各種焊膏樣品的印刷量及其重複性。
這種測試方法的另一個好處是可以減少焊膏的浪費，螺旋式粘度計測量需要一瓶500克的焊膏，由於焊膏長時間暴露會產生相對較高的剪切力，這個500克焊膏樣品就不能再用於組裝過程，而錐形/板形流變測量中只使用幾克焊膏。
本研究僅限於一種免清洗焊膏，SAC 305無鉛粉末和三種粒度尺寸分布。應當注意的是，由於上述相同的機理，水溶性焊膏的粘度也將會增加而變得不可印刷。事實上，當暴露於較高的溫度時，水溶性焊膏的粘度會增加得更快。此外，它們在較低的濕度下粘度也會增加，因此對水溶性焊膏的行為評估已超出了本項研究的範圍。
試驗條件
我們採用了商業化設備製作了三種焊膏樣品來進行實驗。已經有多個實例表明，實驗室規模製作的焊膏具有與商業化批量生產的焊膏具有不同的流變性質。在本實驗中，在相同的實驗室條件下製備了三種焊膏樣品。
令人值得注意的是，對於一定量的焊膏體，在一個固定的金屬含量下的改變其粒度分布，將會產生不同的粘度。89％金屬含量的3型粉末具有比相同金屬含量的4型粉末更低的粘度。
在較低剪切速率下，樣品的粘度差異更為明顯。圖1顯示了在同樣金屬含量下，具有兩種SAC 305粉末粒徑分布的焊膏粘度-剪切速率曲線。我們採用標準的測試板和無塗層的.004英寸（100微米厚）的激光切割不鏽鋼模板，用標準的測試方法對三種焊膏的印刷量及其印刷重複性進行了評估（圖2）。使用Koh Young Aspire焊膏檢查（SPI）儀測量焊膏的印刷量，然後將這些測量值輸出到Minitab統計分析軟體程序，來報告焊膏的印刷能力。
圖1. 粘度（Y軸）與粘度計轉速（RPM，X軸）的關係曲線。
圖2. 焊膏印刷量的測試板
流變學測量
錐形和板式流變儀
我們使用帶有錐形和平板探頭的Malvern Kinexus流變儀來測量流變性。該設備能產生連續一個連續變化的剪切速率，可同時測量在每個剪切速率下的焊膏粘度，圖3是該設備的照片。
圖3. 錐形和板式流變儀
圖4是錐形和板式流變儀的特寫。由於處在錐體和平板之間的焊膏會發生摩擦而產生熱量，它的底板連接有一個冷卻單元，並與25℃的水浴裝置相鄰，水浴裝置向底板下方連續流出25℃的水流，以保持粘度測量時所需的等溫條件。
圖4. 錐形和板形流變儀的特寫
剪切速率的對數將連續地從每秒0.1/秒變到100/秒，同時測量在不同剪切速率下的粘度，總測量時間為2分鐘，在每10個剪切速率下進行10次測量。
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