专利名称：一种焊膏可印刷性测试装置和测试方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测试焊膏可印刷性的装置和方法，专门用于测量焊膏以及其他使用模板印刷或丝网印刷方式进行印刷的材料，如导电胶、印刷油墨等的印刷性能。
背景技术：
至今，在电子板卡组装生产中，最为常用的是表面贴装技术。它是采用焊膏作为连接材料，通过模板印刷或滴涂的方法将焊膏施加到印刷线路板需要焊接的焊盘上，然后对元器件进行贴片，最后通过回流工序就可以得到焊接好的板卡。
由于焊膏的模板印刷工艺十分简便，生产效率高，已成为主流技术。其具体做法是先将开有漏孔的平面模板安置在印刷线路板上，然后使用刮刀在模板上刮印焊膏，借助于上述漏孔的漏印，在印刷线路板的待印焊盘上形成焊膏堆积图案。
焊膏是由合金焊粉和助焊膏混合制成，其中焊粉为球形颗粒，由焊料合金制成，如Sn63Pb37、Sn96Ag3.5Cu0.5，助焊膏通常由溶剂、松香、有机酸、触变剂、增稠剂、防腐剂等多种原料制成。在焊膏回流过程中助焊膏中的酸性成分与焊粉、焊盘及元器件引脚表面的氧化物发生反应，使它们露出新鲜的金属表面，保证焊粉融化后对焊盘和引脚发生良好的润湿，形成牢固的冶金结合，满足焊点所要求的机械性能和电性能。由于焊膏成分复杂，其性质不十分稳定。例如，裸露在空气中时，焊膏会逐渐氧化、失去金属光泽，乃至发干发硬而导致失效。因此，焊膏制作完成后到使用前都要密封于罐中在0-10℃冷藏存放，且保存期一般只有六个月。
焊膏使用前，从冷藏箱中取出回温2-4小时，与环境温度一致方可开盖使用。环境温度须保持在25℃左右，湿度保持在60％RH以下。在印刷机上对焊膏进行印刷时，随着裸露时间延长，以及印刷次数的增加，焊膏印刷性能不可避免地在逐渐下降，其可能的原因有①焊膏吸收空气中的水分或与空气中的氧发生反应，导致助焊膏与焊粉提前发生反应，使得焊膏粘度上升；②长时间的刮印破坏了焊粉本身的球形形状，使焊膏滚动能力下降；③助焊膏中的各种助剂的作用逐渐消耗或下降等。
焊膏的印刷性能下降表现为焊膏的流变特性变化，如粘度上升、触变指数下降，使得焊膏在模板上的滚动性能下降，这样，会导致焊粉颗粒易于粘附在刮刀、模板表面，焊膏填充漏孔时不能充分填满，脱模时焊粉颗粒残留在漏孔内壁而影响下一次填充，等等，最终带来很多焊接质量问题，最常见的有立碑、锡珠、桥连、虚焊、假焊、冷焊、孔洞、焊点外观不良等。据统计，PCB组装生产中，由印刷缺陷带来的返修占到60％，因此，很有必要对焊膏的印刷性能进行测试和分析。
焊膏的印刷性能可以用可印刷性来表示，可印刷性是指印刷材料保持规定印刷质量要求的能力。目前，焊膏的可印刷性主要通过检测焊膏的流变特性(如粘度和触变性)变化来评价，通常的做法是在焊膏印刷时，每隔一段固定的时间，取出焊膏，使用粘度计测试焊膏的粘度和触变指数，做出粘度—时间和触变指数—时间曲线。粘度和触变指数随时间的变化程度反映了焊膏可印刷性的好坏。此外，通过统计焊膏漏印后的堆积形状、体积变化(采用二维或三维光学测量方法)，以及测试焊膏印刷后的回流性能，可从一个侧面反映焊膏可印刷性的变化。以上这些方法都是离线式的方法，即需要在印刷过程中停下来取出样品进行测试。
在线式测量焊膏可印刷性的方法报道极少。在已报道的方法中，一种方法是采用阻抗谱法(C.R.Herman，V.A.Skormin，G.R.Westby，″Application of ImpedanceSpectroscopy for On-line Monitoring of Solder Paste，″ASME Transactions，Journal ofElectronic Packaging，115，pp.44-54，(March 1993)，以及M.A.Seitz，R.W.Hirthe M.N.Amin，M.H.Polczynski，″Monitoring Solder Paste Properties Using ImpedanceSpectroscopy，″ISHM Proceedings，pp.503-509，(1992))，这种技术通过施加振荡电压并测量相应的电流来测量焊膏的电频率响应。焊膏在印刷过程中电容和电阻的变化反映了印刷物理特性的变化，因此焊膏的阻抗谱数据反映了印刷过程参数的变化。另外，美国专利5,131,265用一个专门的夹子夹住金属刮片，同时在刮片侧壁上安装应变计，测量印刷时刮片的变形，用以反映材料的流变性能变化。美国专利5,988,856在工业使用的焊膏印刷机的刮刀支架横梁的顶面和侧面上安装两个电阻应变传感器，测量印刷时刮刀受到的正应力和剪切力，借助专门的模型计算待测流体印刷性能的变化。
以上这些焊膏可印刷性测试方法的缺点在于1、离线式测试方法不能反映焊膏可印刷性的连续变化；2、在线式方法测量手段比较粗糙，精度不高。
随着现代传感器技术以及成像识别技术的进步，需要对焊膏可印刷性进行更精确地测试。
发明内容
本发明的目的是针对上述现状，旨在提供一种对焊膏的可印刷性可快速、准确测试的测试装置和测试方法。
本发明目的的实现方式为，一种焊膏可印刷性测试装置，温湿度气氛控制箱19座落于包含各种指示器的控制台30上，控制台30与计算机31相连接，温湿度气氛控制箱19中通有保护气体，减速直流电机18输出轴通过可旋转芯轴15与转盘14连接，转盘14的凸台嵌入环形模板7中，在环形模板7内壁左右对称安装两个刮刀挡环6，螺钉3与压杆5螺纹连接，螺钉3的顶尖压在刮刀压力传感器2上，刮刀压力传感器2的底面由弹簧1顶托，压杆5的另一端与刮刀架8连接，刮刀9安装在刮刀架8下部，刮刀架8和刮刀9伸入环形模板7中，刮刀9的刀尖全部压在环形模板7内壁底侧，压杆5中部与压杆支架4连接，在刮刀9正面或背面，或在压杆5的右端安装测量装置，测量装置有摄像头13、微应变片10、11、微力传感器12。
一种焊膏可印刷性的测试方法，环形模板7为一内壁光滑，可旋转的模板，由减速直流电机18、通过可旋转芯轴15、转盘14带动，刮刀9通过弹簧1、螺钉3和压杆5施加压力，使刮刀9的刀尖全部压在环形模板7内壁底侧，每厘米刮刀长度上施加的压力范围为0-4Kgf，焊膏涂于环形模板7的内壁底侧，将刮刀9压下，环形模板7旋转，固定的刮刀9做相对反向运动，焊膏在刮刀9和环形模板7的挤压力下刮印，采用三种方法测试焊膏的可印刷性变化1)在刮刀9的正面安装一个摄像头13，对刮印的焊膏32进行监视，摄像头13的图像信号传递给计算机31进行处理，2)在压杆5的右端安装微应变片10，微应变片10分别贴在压杆5顶面和侧面，分别可以测量压杆5受到的正应力和弯曲应力，在刮刀9背面正中安装微应变片11，测量刮刀9受到的弯曲应力，微应变片10和11实时测量焊膏32刮印时的各种应力变化，数据传输到计算机31中进行处理，3)在刮刀9背面安装一个微力传感器12，微力传感器12的传感头从刮刀9背面通过一个小孔穿过刮刀9，直接伸入刮印的焊膏中，微力传感器12探测焊膏32刮印时对传感头的压力，数据传输到计算机31中进行处理。
本发明的优点为1、提出了一种专门的焊膏可印刷性测试装置，不同于通常的焊膏印刷采用平面模板来回刮印的方式，使用环形模板7，环形模板7上没有漏孔，可充当模板表面，焊膏在刮刀9和环形模板7的挤压力下刮印，实现连续的印刷；2、本装置在连续刮印时，对刮刀压力、刮刀角度、刮印速度和刮印里程可精确设定，从而提供一致的印刷条件；3、以摄像、微应变片和微力传感器三种方式监测焊膏滚动状态变化，评价焊膏可印刷性快速、准确；4、装置同样可以通过离线方法检测焊膏的印刷性能，即，每隔相等的时间取出焊膏样品进行测量。
本发明的测试装置和测试方法还可以用于测量与焊膏印刷性能要求类似的其他印刷材料，比如采用模板印刷的导电胶，丝网印刷的油墨等，因为它们与焊膏一样，需要具备印刷所需的流变特性，同样有测量可印刷性的要求。
图1是本测试装置的结构正视图之一图2是焊膏滚动状态示意3是图1A-A向、安装摄像头测量焊膏滚动线速度示意4是图1A-A向、在刮刀背面安装微应变片测量焊膏滚动阻力示意5是图1A-A向、在刮刀背面安装微力传感器测量焊膏滚动压力的示意6是本发明实施例2中的测试装置环形模板旋转部分的侧面示意图具体实施方式
参照图1，本发明测试装置包括由弹簧1，螺钉3，压杆支架4，压杆5，刮刀架8，刮刀9组成的刮刀加载部分，由刮刀挡环6，环形模板7，转盘14，芯轴15，轴承17，减速直流电机18组成的环形模板旋转部分，控制测试部分及外围设备组成。
控制测试部分，包含以下几个组成部分(a)温湿度气氛控制温湿度气氛控制箱19，温度调节指示器20，湿度调节指示器21；(b)刮刀压力设定刮刀压力传感器2，刮刀压力指示器23；(c)转速调节与测量直流电压调节指示器22(调节减速直流电机18的电压)，转速指示器24，光电计数器16，计米器25；(d)焊膏压力测试(伸入焊膏内)微力传感器12，焊膏压力指示器26；(e)刮刀阻力测试微应变片10和11，刮刀阻力指示器27；(f)焊膏线速度监测摄像头13；(g)其它电源开关28，蜂鸣器29。
上述显示仪表和电源开关28、蜂鸣器29集成在控制台30中。
外围设备为计算机31。
下面举出本发明具体实施例实施例1参照图1，所有的印刷机构置于温湿度气氛控制箱19中，通过调节温度调节指示器20和湿度调节指示器21，对温湿度气氛控制箱19内未示出的加热器和湿度调节器进行控制，使温湿度气氛控制箱19内的温度和湿度达到设定值，同时可以向温湿度气氛控制箱19内通入保护气体，如氮气。
减速直流电机18的输出轴与芯轴15使用键槽刚性连接，芯轴15与转盘14用螺钉进行刚性连接，转盘14的凸台嵌入环形模板7，芯轴15安装于轴承17中，可以旋转，转盘14与环形模板7则连接在芯轴15上成为悬臂结构。这样，当调节直流电压调节指示器22时，可以调节减速直流电机18的转速，通过芯轴15带动转盘14与环形模板7同步旋转。环形模板7的转速值可以通过转速指示器24指示。同时，在轴承17的座台上安装一个光电计数器16，环形模板7每旋转一周记数一次，信号传递到计米器25后显示焊膏刮印的长度。另外，在环形模板7内壁左右对称安装两个刮刀挡环6，用以挡住刮刀9刮印焊膏时的侧漏。
螺钉3与压杆5螺纹连接，螺钉3的顶尖压在刮刀压力传感器2上，刮刀压力传感器2的底面则由弹簧1顶托。压杆5的另一端与刮刀架8用销钉连接，刮刀架8可以绕销钉允许一定幅度的转动，刮刀9按一定角度(通常为45°或60°)安装在刮刀架8下部。刮刀架8和刮刀9伸入环形模板7中，刮刀9的刀尖可全部压在环形模板7内壁底侧。压杆5中部与压杆支架4以销钉连接，允许压杆5围绕销钉有一定幅度的转动。当需要刮刀9压在环形模板7上进行刮印时，螺钉3旋下，借助于弹簧1的顶托，压杆5左端绕压杆支架4的销钉轴向上移动，而压杆5的右端则带动刮刀架8向下移动，最终使得刮刀9的刀尖全部压在环形模板7内壁底侧，完成刮刀9的下压动作；反之，当不需要刮刀9刮印时，螺钉3旋上，刮刀9从环形模板7上渐渐抬离，刮刀9的刀刃与环形模板7之间形成一定的间隙。刮刀9对环形模板7的压力通过测量螺钉3对刮刀压力传感器2的压力来反映，两者之间可以通过力臂关系进行换算。刮刀压力传感器2将压力转化为电信号，并通过刮刀压力指示器23指示出来，刮刀9的压力可以根据刮刀压力指示器23的示值进行调节。
参照图3，在刮刀9的正面(刮印焊膏32的一面，也是刮刀9与环形模板7形成锐角的一面)与环形模板7之间，安装一个摄像头13，拍摄焊膏的滚动行为，摄像头13的图像信号传递给计算机31进行处理，通过测量图像上特征点的移动距离和移动时间，可以得到焊膏表面线速度的变化。随着印刷时间延长，焊膏滚动变慢，焊膏表面线速度降低；焊膏滚动停止时，线速度为零，反映了焊膏可印刷性在逐步下降。
参照图1、图3，在压杆5的右端安装微应变片10，分别贴在压杆5顶面和侧面，分别可以测量压杆5受到的正应力和弯曲应力，如果侧面的微应变片10按45°方向安装，则可以测量压杆5受到的扭转应力。在刮刀9背面正中安装微应变片11，距离刮刀9的刀尖10-30mm，可以测量刮刀9受到的弯曲应力，反映刮刀9在刮印时的阻力。上述微应变片10和11可以实时测量焊膏32刮印时的各种应力变化，通过刮刀阻力指示器27的示值指示出来，并可将数据传输到计算机31中进行处理，用以监视焊膏32滚动状态的变化。因随着印刷时间延长，焊膏滚动变慢，逐渐变为拖动，刮印逐渐困难，刀-环之间印刷阻力增大，微应变片10和11测量的应力增大，表明焊膏可印刷性下降。
参照图5，在刮刀9背面安装一个微力传感器12，微力传感器12的传感头从刮刀9背面通过一个小孔穿过刮刀9，可以直接伸入刮印的焊膏32中0-5mm，传感头距离刮刀9的刀尖2～20mm。微力传感器12可以探测焊膏32刮印时对传感头的压力，并通过焊膏压力指示器26显示。同样，也可将数据传输到计算机31中进行处理，用以监视焊膏32滚动状态的变化。因随着印刷时间延长，焊膏滚动变慢，焊膏对微力传感器传感头的压力逐渐增大，表明焊膏的可印刷性下降。
参照图1，温湿度气氛控制箱19座落于包含各种指示器的控制台30上。控制台30的面板右端安装一个电源开关28，和一个蜂鸣器29，当计米器25到达设定值时，蜂鸣器29报警，刮印动作停止。控制台30与计算机31相连接，将各种仪表测量的信号传递给计算机31处理。
测试的运行工序为(1)将温湿度气氛控制箱19打开，在环形模板7内下侧添加适量的待测焊膏32；(2)按下电源开关28，电源开关28上的指示灯亮。所有指示仪表开始显示，打开计算机31；(3)调节螺钉3，借助于弹簧1，通过压杆5使刮刀9压在环形模板7内壁上，根据刮刀压力指示器23的显示值，调整螺钉3，使刮刀9的压力到达预定值；(4)合上温湿度气氛控制箱19，调节温度调节指示器20和湿度调节指示器21到设定的温湿度值；如果需要气体保护，可向温湿度气氛控制箱19中通入保护气体；(5)预先设定计米器25到指定值；(6)调节直流电压调节指示器22，使减速直流电机18开始运转，直至转速指示器24到达设定值。减速直流电机18通过芯轴15、转盘14带动环形模板7匀速旋转。刮刀9做相对反向运动，开始刮印焊膏32。同时，按下计米器25，开始计算刮印的里程，焊膏压力指示器26和刮刀阻力指示器27指示出焊膏压力和刮刀阻力值，并输出到计算机31上，计算机31记录焊膏压力和刮刀阻力随时间实时变化的曲线。摄像头13对被刮印的焊膏32进行拍摄，通过计算机31进行图像处理后显示焊膏32滚动时的线速度-时间变化曲线；(7)计米器25到达指定值，给出信号，蜂鸣器29报警，减速直流电机18停止运转，刮刀9停止刮印；(8)关上电源开关28，打开温湿度气氛控制箱19，调节螺钉3，抬起刮刀9，将温湿度气氛控制箱19内部清理干净，最后再合上温湿度气氛控制箱19。
(9)在计算机31中处理焊膏32的线速度-时间、刮刀阻力-时间、焊膏压力-时间曲线，给出焊膏32的可印刷性评价报告。
使用实施例1所述的装置对焊膏可印刷性进行测试，焊膏处于连续印刷过程，印刷平稳，对刮刀压力、刮刀角度、刮印速度和刮印里程可以精确的控制，使不同焊膏可印刷性之间的对比更加精确；同时采用摄像、微应变片、微应力传感器等方式实时测试相关的参数，能够在线定量考察焊膏的可印刷性；另外，焊膏用量较小，一般为10-50g。
实施例2环形模板旋转部分如图6所示。
实施例2的装置与实施例1的装置除环形模板旋转部分设计不同外，其余功能和工序皆相同，只需将图1中的控制台和温湿度气氛控制箱中的其他机构、仪表的位置略做变动。本实施例的环形模板旋转部分为齿轮齿带传动结构，具体结构见图6，环形模板外带齿圈33，减速直流电机通过芯轴35、主动轮36、齿形传动带34带动带齿圈33的环形模板。支撑轮37用以支撑环形模板33的旋转运动。本实施例除具有实施例1的优点外，由于环形模板并非实施例1中的刚性结构，可以允许一定的径向串动，使得刮刀与环形模板之间的压力能够做自适应的微调，因而印刷更加平稳，刮印压力波动减小；并且，结构更加紧凑。
权利要求
1.一种焊膏可印刷性测试装置，其特征在于温湿度气氛控制箱(19)座落于包含各种指示器的控制台(30)上，控制台(30)与计算机(31)相连接，温湿度气氛控制箱(19)中通有保护气体，减速直流电机(18)输出轴通过可旋转芯轴(15)与转盘(14)连接，转盘(14)的凸台嵌入环形模板(7)中，在环形模板(7)内壁左右对称安装两个刮刀挡环(6)，螺钉(3)与压杆(5)螺纹连接，螺钉(3)的顶尖压在刮刀压力传感器(2)上，刮刀压力传感器(2)的底面由弹簧(1)顶托，压杆(5)的另一端与刮刀架(8)连接，刮刀(9)安装在刮刀架(8)下部，刮刀架(8)和刮刀(9)伸入环形模板(7)中，刮刀(9)的刀尖全部压在环形模板(7)内壁底侧，压杆(5)中部与压杆支架(4)连接，在刮刀(9)正面或背面，或在压杆(5)的右端安装测量装置，测量装置有摄像头(13)、微应变片(10)、(11)、微力传感器(12)。
2.根据权利要求1所述的一种焊膏可印刷性测试装置，其特征在于在刮刀(9)的正面安装一个摄像头(13)。
3.根据权利要求1所述的一种焊膏可印刷性测试装置，其特征在于在压杆(5)的右端和刮刀(9)背面正中安装微应变片(10)、(11)。
4.根据权利要求1所述的一种焊膏可印刷性测试装置，其特征在于在刮刀(9)背面安装一个微力传感器(12)。
5.一种焊膏可印刷性测试方法，其特征在于环形模板(7)为一内壁光滑，可旋转的模板，由减速直流电机(18)、通过可旋转芯轴(15)、转盘(14)带动，刮刀(9)通过弹簧(1)、螺钉(3)和压杆(5)施加压力，使刮刀(9)的刀尖全部压在环形模板(7)内壁底侧，每厘米刮刀长度上施加的压力范围为0-4Kgf，焊膏涂于环形模板(7)的内壁底侧，将刮刀(9)压下，环形模板(7)旋转，固定的刮刀(9)做相对反向运动，焊膏在刮刀(9)和环形模板(7)的挤压力下刮印，采用三种方法测试焊膏的可印刷性变化1)在刮刀(9)的正面安装一个摄像头(13)，对刮印的焊膏(32)进行监视，摄像头(13)的图像信号传递给计算机(31)进行处理，2)在压杆(5)的右端安装微应变片(10)，微应变片(10)分别贴在压杆(5)顶面和侧面，分别可以测量压杆(5)受到的正应力和弯曲应力，在刮刀(9)背面正中安装微应变片(11)，测量刮刀(9)受到的弯曲应力，微应变片(10)和(11)实时测量焊膏(32)刮印时的各种应力变化，数据传输到计算机(31)中进行处理，3)在刮刀(9)背面安装一个微力传感器(12)，微力传感器(12)的传感头从刮刀(9)背面通过一个小孔穿过刮刀(9)，直接伸入刮印的焊膏中，微力传感器(12)探测焊膏(32)刮印时对传感头的压力，数据传输到计算机(31)中进行处理。
6.根据权利要求5所述的一种焊膏可印刷性测试方法，其特征在于微力传感器(12)的传感头直接伸入刮印的焊膏(32)中0-5mm，传感头距离刮刀(9)的刀尖2～20mm。
全文摘要
一种焊膏可印刷性测试装置和测试方法，涉及一种用于测试焊膏可印刷性的装置和方法。测试装置包括由弹簧、压杆支架、刮刀架、刮刀等组成的刮刀加载部分，由刮刀挡环、环形模板、转盘、芯轴、减速直流电机等组成的环形模板旋转部分，控制测试部分及外围设备组成。控制测试部分包含温湿度气氛控制箱、微应变片、微力传感器、摄像头等，集成在控制台中。外围设备为计算机。测试方法是在可控的温湿度和不同气氛环境下，使用具有刀－环结构的印刷装置连续印刷焊膏，同时以摄像、微应变片和微力传感器三种方式监测焊膏滚动状态变化，评价焊膏印刷耐受能力。本发明可实现连续的印刷，可提供一致的印刷条件，评价焊膏可印刷性快速、准确。
文档编号G01N21/84GK1673718SQ200510018539
公开日2005年9月28日 申请日期2005年4月13日 优先权日2005年4月13日
发明者吴懿平, 安兵, 汪洪生, 吴丰顺, 王磊 申请人:吴懿平