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[導(dǎo)讀]1 前言 近年來,新型電子表面貼裝技術(shù)SMT(Surface Mount Tech-nology)已取代傳統(tǒng)的通孔插裝技術(shù),并支配電子設(shè)備發(fā)展,被共識(shí)為電子裝配技術(shù)的革命性變革。SMT以提高產(chǎn)品可靠性及性能,降低成本為目標(biāo),無論是在

1 前言
    近年來,新型電子表面貼裝技術(shù)SMT(Surface Mount Tech-nology)已取代傳統(tǒng)的通孔插裝技術(shù),并支配電子設(shè)備發(fā)展,被共識(shí)為電子裝配技術(shù)的革命性變革。SMT以提高產(chǎn)品可靠性及性能,降低成本為目標(biāo),無論是在消費(fèi)類電子產(chǎn)品,還是在軍事尖端電子產(chǎn)品領(lǐng)域中,都將使電子產(chǎn)品發(fā)生重大變革。

2 表面貼裝技術(shù)及元器件介紹
    表面貼裝工藝,又稱表面貼裝技術(shù)(SMT),是一種無需在印制板上鉆插裝孔,而直接將表面組裝元器件貼焊到印制線路板的規(guī)定位置,用焊料使元器件與印制線路板之間構(gòu)成機(jī)械和電氣連接的電子組裝技術(shù)。
    需要進(jìn)行表面貼裝的電子產(chǎn)品一般由印制線路板和表面貼裝元器件組成。印制線路板PWB(Printed Wire Board)是含有線路和焊盤的單面或雙面多層材料。表面貼裝元器件包括表面貼裝元件和表面貼裝器件兩大類。其中表面貼裝元件是指各種片狀無源元件,如電阻,電容,電感等;而表面貼裝器件是采用封裝的電子器件,通常是指各種有源器件,如小外形封裝器SOP(Small Outline Package),球柵陣列封裝器BGA(Ball Grid Array)等。有些元器件不能用于SMT,如部分接線器,變壓器,大電容等。

3 表面貼裝技術(shù)流程
    表面貼裝丁藝包括核心和輔助兩大工藝。其中核心工藝由印刷、貼片和回流焊3部分組成,任何類型產(chǎn)品的生產(chǎn)都要經(jīng)過這3道工序,各部分必不可少;輔助工藝主要由“點(diǎn)膠”工藝和光學(xué)輔助自動(dòng)檢測(cè)工藝等組成,并非必需,而是根據(jù)產(chǎn)品特性以及用戶需求決定的。
    印制線路板有單雙面之分,電子產(chǎn)品也相應(yīng)分為單面產(chǎn)品(印制線路板的一面需要貼裝元器件)和雙面產(chǎn)品(印制線路板的兩面均需要貼裝元器件),圖1為單面產(chǎn)品的表面貼裝工藝流程。圖2為雙面產(chǎn)品的表面貼裝工藝流程。

    印刷工藝目的是使焊膏通過模板和印刷設(shè)備的共同作用,準(zhǔn)確印刷到印制線路板。印刷工藝涉及的工藝元素主要有焊膏,模板和印刷系統(tǒng)。焊膏是將元器件與印制線路板連接導(dǎo)通,實(shí)現(xiàn)其電氣和機(jī)械連接的重要材料。焊膏主要由合金和助焊劑組成。在焊接過程中,它們分別發(fā)揮功效完成焊接工作。模板用來將焊膏準(zhǔn)確印到印制線路板上,模板的制作方法和開孔設(shè)計(jì)對(duì)印刷質(zhì)量有很大影響。印刷系統(tǒng)主要是指印刷設(shè)備和印刷參數(shù)。印刷設(shè)備的質(zhì)量對(duì)印刷準(zhǔn)確度影響很大,印刷設(shè)備的重復(fù)印刷精度與印刷參數(shù)設(shè)置的合理匹配,是準(zhǔn)確印刷的重要保證。印刷參數(shù)有很多,但對(duì)印刷效果影響最大的關(guān)鍵參數(shù)有印刷速度、刮刀壓力、脫模速度和脫模距離等。需要設(shè)置這些關(guān)鍵參數(shù)并使其相互匹配。以提高印刷質(zhì)量。印刷速度一般為12.7~203.2 mm/s,具體參數(shù)取決于刮板壓力和釬料膏的物理性能。而SMT工藝要求印刷刮板壓力為4.448 222~6.672 333 N。
    貼片工藝的目的是確保所有零件準(zhǔn)確、快速地被貼片到印制線路板。貼片工藝主要涉及貼片機(jī)及其貼片能力。貼片機(jī)的貼片能力是準(zhǔn)確貼片的重要保證。貼片機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)包括:運(yùn)動(dòng),執(zhí)行及送料機(jī)構(gòu)高速。微型化技術(shù);高速機(jī)器視覺識(shí)別及照明技術(shù);高速,高精度智能控制技術(shù);并行處理實(shí)時(shí)多任務(wù)技術(shù);設(shè)備開放式柔性模塊化技術(shù)及系統(tǒng)集成技術(shù)。
    回流焊工藝是通過熔化預(yù)先分配到印制線路板焊盤上的焊膏,實(shí)現(xiàn)表面貼裝元器件的焊接面或引腳與印制線路板焊盤之間機(jī)械和電氣連接的焊接?;亓骱缚杀WC優(yōu)異的焊接效果?;亓骱腹に嚨闹饕に囋厥腔亓骱笭t及其焊接能力,其焊接能力主要體現(xiàn)在回流焊爐的加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、助焊劑管理系統(tǒng)及惰性氣體保護(hù)系統(tǒng)。其中,加熱系統(tǒng)與加熱效率、溫控精度、溫度均勻性以及穩(wěn)定性有關(guān);冷卻系統(tǒng)的作用有:當(dāng)回流焊峰值溫度較高時(shí),如果不能快速冷卻,基板出回流焊爐口的溫度過高,容易造成基板板彎;快速冷卻可細(xì)化組織,防止金屬間化合物增厚。提高可靠性。助焊劑在回流焊的過程中會(huì)揮發(fā),如果沒有一個(gè)理想的助焊劑管理系統(tǒng)及時(shí)將揮發(fā)的助焊劑抽走并過濾循環(huán),助焊劑就會(huì)隨高溫氣流進(jìn)入冷卻區(qū),凝結(jié)在散熱片和爐內(nèi),降低冷卻效果并污染設(shè)備和基板。當(dāng)基板匹配使用的焊膏活性不夠好或線路板上有超細(xì)間距元件和復(fù)雜元片,再加上基板需要多次過回流焊爐,則考慮在回流焊爐內(nèi)充人惰性氣體,降低氧化機(jī)會(huì),提高焊接活性。一般使用的惰性氣體是氮?dú)?。回流焊爐的焊接能力還需通過編輯回流焊爐的控制程序發(fā)揮。完成貼片的線路板在通過回流焊爐時(shí),一般經(jīng)歷:預(yù)熱階段,保溫階段,回流階段以及冷卻階段。通過回流焊爐的控制程序管控,確保焊接質(zhì)量。
    輔助工藝用于協(xié)助貼裝順利進(jìn)行并積極預(yù)防檢測(cè)和事后檢測(cè)。輔助工藝主要由“點(diǎn)貼”工藝和光學(xué)輔助自動(dòng)檢測(cè)工藝組成。“點(diǎn)膠”工藝是通過將專用膠水“點(diǎn)貼” 到所需元件的下方或周邊,對(duì)元件進(jìn)行適當(dāng)保護(hù),以確保元器件在經(jīng)受多次回流焊接不脫落;減少元件在貼裝過程中受到的應(yīng)力沖擊;保護(hù)元件在復(fù)雜的使用環(huán)境中不受損?!包c(diǎn)膠”工藝的工藝元素主要包括“點(diǎn)膠”設(shè)備,專用膠水和“點(diǎn)膠”參數(shù)的設(shè)置。需要合理選擇設(shè)備,膠水并設(shè)計(jì)好參數(shù)設(shè)置才能確保工藝效果。光學(xué)輔助自動(dòng)檢測(cè)工藝主要是:一是使用專門光學(xué)設(shè)備測(cè)量印刷后的焊膏厚度均勻性和印刷準(zhǔn)確度,在貼片后檢測(cè)貼片準(zhǔn)確度,在回流焊前將有缺陷的線路板檢測(cè)出來并及時(shí)報(bào)警;二是在回流焊后使用專門的光學(xué)設(shè)備檢測(cè)焊點(diǎn),將有焊點(diǎn)缺陷的線路板檢測(cè)出來并報(bào)警。專門的光學(xué)測(cè)量設(shè)備主要有可見光檢測(cè)設(shè)備和X光檢測(cè)設(shè)備。前者主要是自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)設(shè)備AOI(Automatic Optional Inspection),后者主要是三維和五維的X-ray設(shè)備。前者主要用于檢測(cè)可視焊點(diǎn),而后者除了檢測(cè)可視焊點(diǎn)外,還可檢測(cè)不可目視的BGA類零件的焊點(diǎn)。是否采用輔助工藝則是根據(jù)所需貼裝產(chǎn)品的特性來決定的。

4 回流焊的原理及溫度曲線
    從回流焊溫度曲線(圖3)分析回流焊原理:當(dāng)PCB進(jìn)入預(yù)熱區(qū)時(shí),焊錫膏的溶劑、氣體被蒸發(fā),同時(shí)焊錫膏的助焊劑潤濕焊盤、元器件端頭和引腳,焊錫膏軟化、塌落、覆蓋了焊盤,將焊盤、元器件引腳與氧氣隔離;PCB進(jìn)入保溫區(qū)時(shí),PCB和元器件得到充分預(yù)熱。以防PCB突然進(jìn)入再流焊區(qū)升溫過快而損壞PCB和元器件;當(dāng)PCB進(jìn)入再流焊區(qū)時(shí),溫度迅速上升使焊錫膏達(dá)到熔化狀態(tài),液態(tài)焊錫對(duì) PCB的焊盤、元器件端頭和引腳潤濕、擴(kuò)散、漫流或回流混合形成焊錫接點(diǎn);PCB進(jìn)入冷卻區(qū),焊點(diǎn)凝固,完成整個(gè)回流焊。

    回流焊過程中,焊膏需經(jīng)溶劑揮發(fā)。焊劑清除焊件表面的氧化物,焊膏熔融、再流動(dòng)以及焊膏冷卻、凝固。所以,回流焊過程中,焊接溫度主要分4個(gè)溫度區(qū):預(yù)熱區(qū)、保溫區(qū)、再流焊區(qū)以及冷卻區(qū)。預(yù)熱區(qū)為室溫到120℃;保溫區(qū)為120℃~170℃;回流區(qū)為170℃~230℃,最高溫度為210℃~230℃;冷卻區(qū)為從210℃降到約100℃。
    溫度曲線是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵,實(shí)際溫度曲線和焊錫膏溫度曲線的升溫斜率和峰值溫度應(yīng)基本一致。160℃前的升溫速度控制在1℃/s~2℃/s,如果升溫速度太快,一方面使元器件及PCB受熱太快,易損壞元件,造成PCB變形;另一方面,焊錫膏中的溶劑揮發(fā)速度太快。容易濺出金屬成分,產(chǎn)生焊錫球。峰值溫度一般設(shè)定比焊錫膏熔化溫度高20℃~40℃(例如Sn63/Pb37焊錫膏的熔點(diǎn)為183℃,峰值溫度應(yīng)設(shè)置在205℃~230℃),回(再)流時(shí)間 10~60 s,峰值溫度低或回(再)流時(shí)間短,會(huì)使焊接不充分,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成焊錫膏不熔;峰值溫度過高或回(再)流時(shí)間長,造成金屬粉末氧化,影響焊接質(zhì)量,甚至損壞元器件和PCB。
    設(shè)置回(再)流焊溫度曲線的依據(jù):所使用焊錫膏的溫度曲線,根據(jù)PCB的材料、厚度、是否多層板、尺寸;表面組裝板搭載元器件的密度、元器件大小以及有無 BGA、CSP等特殊元器件;設(shè)備的具體情況,諸如加熱區(qū)的長度、加熱源的材料、回流焊爐的構(gòu)造和熱傳導(dǎo)方式等因素。
    某類印制板的實(shí)際生產(chǎn)中因設(shè)備緣故設(shè)定溫度區(qū)域?yàn)椋荷郎貐^(qū),保溫區(qū),快速升溫區(qū),回流區(qū)。焊膏為Sn63Pb37型焊膏,其熔點(diǎn)為183℃,焊接采用某型回流焊接爐,每種印制板組件必須設(shè)計(jì)合適的焊接參數(shù),做到一種印制板一個(gè)溫度曲線。圖4為標(biāo)準(zhǔn)回流焊接溫度曲線,圖5為某印制板實(shí)際回流焊接溫度曲線。

    這是一個(gè)9溫區(qū)的回流焊接爐,實(shí)際的溫度測(cè)試有3個(gè)測(cè)試點(diǎn),其中圖5是實(shí)際溫度曲線。溫區(qū)的參數(shù)設(shè)定要滿足以下要求:1)升溫區(qū):從室溫到100℃的升溫速率不超過2℃/s;2)保溫區(qū):從100℃~150℃保持時(shí)間70~120 s;3)快速升溫區(qū):從150℃~183℃保持時(shí)間不要超過30s,升溫速度應(yīng)該在2~3℃/s:4)回流區(qū):最高溫度為205℃~230℃,處于液相線以上的時(shí)間40~60 s;5)冷卻區(qū):冷卻速度為2~4℃/s。經(jīng)圖4和圖5的理論與實(shí)際印制板溫度曲線對(duì)比,實(shí)際回流焊溫度區(qū)域在標(biāo)準(zhǔn)溫度范圍內(nèi),從而得出此印制板表貼器件的焊接符合要求,保證印制板表面貼裝器件的電氣性能。需特別注意:回流焊爐必需每周測(cè)試一次,將測(cè)試溫度曲線與標(biāo)準(zhǔn)溫度曲線進(jìn)行對(duì)比,確定二者是否完全吻合。主要核對(duì)參數(shù)有:升溫區(qū)升溫速率,保溫區(qū)保持時(shí)間,快速升溫區(qū)和回流區(qū)的升溫速度、峰值溫度、液相線以上時(shí)間,冷卻區(qū)冷卻速率,及曲線是否存在異常波動(dòng)。

5 結(jié)束語
    表面貼裝技術(shù)滲透于各個(gè)領(lǐng)域,可直接影響到電子產(chǎn)品的焊接水平,以及電子產(chǎn)品的性能與質(zhì)量。敘述表面貼裝技術(shù)整個(gè)流程,闡述焊接過程中的回流焊的原理及溫度曲線。對(duì)比實(shí)際生產(chǎn)過程中的某印制板的標(biāo)準(zhǔn)回流焊接溫度曲線與實(shí)際回流焊接溫度曲線,只要滿足實(shí)際回流焊溫度區(qū)域在標(biāo)準(zhǔn)溫度范圍內(nèi),就可以滿足貼裝元器件的性能指標(biāo)。

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