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SMT工艺介绍

 

SMT工艺介绍

第一步: 电路设计

计算机辅助电路板设计已经不算是什么新事物了。我们一直是通过自动化和工艺优化,不断地提高设计的生产能力。对产品各个重要的组成部分进行细致的分析,并且在设计完成之前排除错误,因此,事先多花些时间,作好充分的准备,能够加快产品的上市时间。新产品引进(NPI)是针对产品开发、设计和制造的结构框架化方法,它可以保证有效地进行组织、规划、沟通和管理。在指导制造设计(DFM)的所有文件中,都必须包含以下各项:
• SMT和穿孔元件的选择标准;
• 印刷电路板的尺寸要求;
• 焊盘和金属化孔的尺寸要求;
• 标志符和命名规范;
• 元件排列方向;
• 基准;
• 定位孔;
• 测试焊盘;
• 关于排板和分板的信息;•
• 对印刷线的要求;
• 对通孔的要求;
• 对可测试设计的要求;
• 行业标准,例如,IPC-D-279、IPC-D-326、IPC-C-406、IPC-C-408和IPC-7351。如要了解这方面的详细信息,请到网址:www.ipc.org上查看相关的IPC技术规范。
在设计具有系统内编程(ISP)功能的印刷电路板时,需要做一些初步的规划,这样做能够减少电路板设计的反复次数。工程师可以从几个方面对印刷电路板进行优化,以便在生产线上进行(ISP)编程。工程师可以辨别电路板上的可编程元件。不是所有的器件都
可以进行系统内编程的,例如,并行器件。设计工程师首先要仔细地阅读每个元件的编程技术规范,然后再布置管脚的连线,要能够接触到电路板上的管脚。另一个步骤是,确定可编程元件在生产过程中是如何把电源加上去,而且还要弄清楚制造商比较喜欢使用哪些设备来编程。
    此外,还应当考虑信息追踪,例如,关于配置的数据。只要使用得当,电路板设计和DFM就可以有效地保证产品的制造和测试,缩短并且降低产品研发的时间、成本和风险。不准确的电路板设计可能会危及最终产品的质量和可靠性,因此,设计工程师必须充分了解DFM的重要性。

第二步: 工艺控制

工艺控制是防止出现缺陷最有效的手段,同时,它可以在整个组装生产线上进行追踪。随着全球化趋势的发展,越来越多公司在世界各地建立了工厂,他们需要对生产进行有效的控制,更重要的是对供应链进行有效的管理。尺寸更小、更精密的组件,无铅的使用,以及高可靠性的产品,这些因素综合起来,使工艺控制变得更复杂。消除可能出现的人为错误就可以减少缺陷。统计工艺控制(SPC)可以用来测试工艺和监测由于一般原因和特定原因而出现的变化。需要使用若干SPC工具来发挥工艺控制的长处。我们还应当使用SPC来稳定新工艺并改进现有的工艺。工艺控制还可以实现并且保持预的工艺水平、稳定性和重复性。它依靠统计工具进行测试、反馈和分析。
工艺控制的最基本内容是:
• 控制项目:需要监测的工艺或者机器;
• 监测参数:需要监测的控制项目;
• 检查频率:检查间隔的数量或者时间;
• 检查方法:工具和技术;
• 报告格式:SPC图表;
• 数据类型:属性或者易变的数据;
• 触发点:会发生变化的点。
随着无铅电子产品的出现,对工艺控制提出了新的要求:对材料进行追踪。产品的价格越来越低、质量的要求越来越高,这要求在整个组装工艺中进行更严格的控制。在各个领域,需要进行追踪。关键的一环是材料的追踪。通过材料追踪系统,我们可以了解车间中材料的状况和它们的位置,一目了然。在合金混合使用的情况下,组件追踪也非常重要。把无铅组件和锡铅组件错误地放在一起,可能会造成十分严重的后果。
工艺控制的其它内容包括:
• 设备的校准;
• 用好的电路板作为对照,找出缺陷;
• 机器的重复性;
• 系统之间的开放型软件接口;
• 生产执行系统(MES);
• 企业资源规划。
工艺工程师必须在引进新产品(NPI)的过程中,研究制定完整有效的装配工艺和高质量的规划。机器软件和数据结构的开发要同时进行,接口必须是开放的,这样,工程师就可以在多条生产线上同时设计、控制和监测SMT工艺。要提高质量,首先需要一套计划,一组不同于具体标准的目标,各种测试工具,以及作出改变并且通过交流来提高最终产品质量的方法。
 

第三步: 焊接材料

多年来,我们在生产中一直使用锡铅焊料,现在,在欧盟和中国销售的产品要求改用无铅焊料合金。虽然有许多无铅焊料可供选择,不过,锡银铜(SAC)焊料合金已经成为首选的无铅焊料。
焊料有很多种类型的产品,有焊钖条、焊锡块、焊锡丝、焊锡粉末、成型焊锡、焊锡球和焊膏。焊接工艺使用各种不同的助焊剂,最常见的有:松香、轻度活性剂(RMA)和有机酸助焊剂。助焊剂基本分为两种:一种需要用水或者清洗溶剂来清洗的助焊剂,另一种是免清洗助焊剂。
这个行业之所以选择(SAC),主要是从以下几个方面考虑:
• 低熔点:在加热时,低熔点合金在从固态变成液态,没有经过“糊状”阶段。最初,正是这个原因使许多行业组织认为(SAC)是最适合的低熔点合金。后来的工作表明,如果(SAC)合金的温度只要稍稍偏离这个低熔点,就可以大量地减少失效,例如,无源分立组件一端立起的问题。最理想的合金是(SAC305),其中银占3.0%,铜占0.5%,其余是锡。
• 熔点:焊料合金的熔点或者液相线会因它的金相成分而发生变化。SAC305或者其他近低熔点无铅焊料的熔点大约是217℃。
• 合金价格:由于银的价格很高,在合金中银的含量最好少一些。对于焊膏来说,这并不是什么大问题因为焊膏制造工艺的价格远远高于材料的价格。不过,对于波峰焊,无铅焊料的价格比较高。
• 锡须:组件引脚上的无铅表面含的铅可能会引起锡须。
• 湿润特性:与锡铅或者传统的低熔点焊料合金相比,无铅焊料合金的湿润能力较差。
 
自动对正:由于无铅合金的湿润能力明显不如锡铅合金,因此它们也无法自动对正。因此,在再流焊中焊钖球对准的几率较低。
• 流变性:焊料的粘性和表面张力是一个需要重视的问题,而且,在选择新的无铅焊膏时,首先要对粘性和表面张力进行评估。
• 可靠性:焊点的可靠性是无铅技术需要考虑的一个紧迫问题。无铅焊点比较脆,一旦受到撞击或者掉到地上很容易损坏。不过,在压力较低的情况下,SAC的可靠性与锡铅合金相当,甚至更好。另外,无铅焊料合金的长期可靠性很值得商榷,因为关于这种合金我们还没有象锡铅焊料合金那样的可靠性数据。
• IPC标准:J-ST D – 0 02/0 03、JSTD – 0 0 4 / 0 0 5/ 0 0 6、I PC-TP-1043/1044(关于所有IPC标准的详细资料,请访问网址:www.ipc.org)。

第四步: 印刷   

焊膏印刷工艺包括一系列相互关联的变量,但是为了达到预期的印刷质量,印刷机起着决定性的作用。对于一个应用,最好的办法是选择一台符合具体要求的丝网印刷机。
在手动或者半自动印刷机中,是通过手工用刮刀把焊膏放到模板/丝网的一端。自动印刷机会自动地涂布焊膏。在接触式印刷过程中,电路板和模板在印刷过程中保持接触,当刮刀在模板上走过时,电路板和模板是没有分开的。
在非接触式印刷过程中,丝网在刮刀走过之后剥离或者脱离电路板,在焊膏涂布完了之后回到最初的位置。网板与电路板的距离和刮刀压力是两个与设备有关的重要变量。
刮刀磨损、压力和硬度决定了印刷质量。它的边缘应当锋利而且是直的。刮刀的压力较低,这会造成印刷遗漏和边缘粗糙;而刮刀的压力高或者刮刀软,印刷到焊盘上的焊膏会模糊不 清,而且可能会损坏刮刀、模板或者丝网。
双倍厚度的模板可以把适当数量的焊膏加到微间距组件焊盘和标准焊表面安装组件焊盘。这要用橡皮刮刀迫使焊膏进入模板上的小孔。使用金属刮刀可以防止焊膏体积出现变化,但是需要修改模板上孔的设计,避免把过多的焊膏涂在微间距焊盘上。模板孔的宽度与厚度之比最好是1:1.5,这样可以防止出现堵塞。
 
化学蚀刻模板:可以用化学蚀刻在金属模板和柔性金属模板的两侧进行蚀刻。在这个工艺中,蚀刻是在规定的方向上(纵向和横向)进行。这些模板的壁可能并不平整,需要电解抛光。
激光切割模板:这种削切工艺会生成一个模板,它直接使用G e r b e r文件产生激光。我们可以调整文件中的数据来改变模板的尺寸。
电铸成型的模板:这是附加工艺,它把镍沉积到铜基板上,形成小孔。在铜箔上形成一层光敏干薄膜。在显影后,得到底片。只有模板上的小孔会被光阻剂所覆盖。光阻剂四周的镍电镀层会增加,直至形成模板。在达到预定的厚度后,再把光阻剂从小孔中除去,电铸成型的镍箔与铜基板分离,然后再把铜基板拿开。
要想得到最理想的印刷效果,需要把正确的焊膏材料、工具和工艺妥善地结合起来。最好的焊膏、设备和使用方法还不能保证得到最理想的印刷效果。用户还必须控制好设备的变化。

第五步: 粘合剂/环氧化树脂与 点胶技术

环氧化树脂粘合剂的涂敷能力好、胶点的形状和尺寸一致、湿润性和固化强度高、固化快、有柔性,而且能够抗冲击。它们还适合高速涂敷非常小的胶点,在固化后电路板的电气特性良好。粘接强度是粘合剂性能中最重要的参数。组件和印刷电路板的粘接度,胶点的形状和大小,以及固化程度,这些因素将决定粘接强度。
流变性会影响环氧化树脂点的形成,以及它的形状和尺寸。为了保证胶点的形状合乎要求,粘合剂必须具有触变性,意思是粘合剂在搅动时会越来越稀薄,而在静止时则越来越稠。在建立可重复使用的粘合剂涂敷系统时,最重要的一点是如何把各种正确的流变特性结合起来。
粘合剂是按照电气、化学或者固化特性,以及它的物理特性分类。导电性粘合剂和非导电性粘合剂用在表面安装上。
自动涂敷系统的适用范围很广,从简单的涂布胶水到要求严格的材料涂布,例如,涂布焊膏、表面安装粘合剂(SMA)、密封剂和底部填充胶。
注射式点胶机可以用手动或者气动的办法控制。由注射技术发展而来的产品,具有精确、可重复和稳定的特点。目前有几种不同类型的阀适合注射点胶机,包括扣管点胶笔,还有隔膜、喷雾、针、滑阀和旋转阀。针在台式涂敷设备中也是一个重要的组件。精确涂敷需要使用金属涂敷针。
 
针的直径在0.1mm到1.6mm之间,当然,还有其他规格的针可供选择。喷涂技术非常适合对速度、精度要求更高或者要求对材料贴装进行控制的应用。它的主要适用范围包括,芯片级封装(CSP)、倒装芯片、不流动和预先涂布的底部填充胶,以及传统的导电粘合剂和表面安装粘合剂。喷涂技术使用机械组件、压电组件或者电阻组件迫使材料从喷嘴里射出去。
材料涂敷决定最终产品的成败。充分了解并选出最理想的材料、点胶机和移动的组合,是决定产品成败的关键。

第六步: 组件贴装

分立组件变得越来越小,于是组件的贴装变得越来越难。我们要求组件贴装准确,同时又要保证贴装可靠和重复,这是很困难的。0201组件已经越来越普通;但是,我们很快就会在电路板上看到01005组件。组件尺寸越来越小,电路板越来越复杂,需要在电路板上贴装各种各样的组件,而且组件的数量也越来越多。
贴装组件是很简单的,就是从传送带、传送架或者料盘中拾取组件,然后再把它们正确地贴到电路板上。组件贴装分为手动贴装、半自动贴装和全自动贴装。手动贴装非常适合返修时使用,但是它的精确度差,速度也不快,不适合目前的组件技术和生产线的要求。半自动贴装是用真空的办法把组件吸起来,然后放到电路板上。这个方法比手动贴装快得多,但是,由于它需要人的干预,还是会有出错的可能。全自动贴装在大批量组装中的应用非常普遍。高速组件贴装使用的可能就是这种机器,贴片速度从每小时三千到八万个组件不等。
贴片机的类型分为转动架型贴片机、龙门贴片机和灵活型贴片机三种。龙门贴片机的速度较快、尺寸较小、价格较低,而且它的编程能力较强,便于使用带装组件,因此,未来的SMT生产线都将使用龙门贴片机。这种机器可以迅速完成大型组件和微间距组件的贴装,这是它的优势。
不同的生产环境需要使用不同类型的贴片机。生产规模是首先需要考虑的问题。机器是否符合生产的要求,这要取决于需要把哪些组件贴装在电
路板上,需要贴装多少种组件,以及具体的生产环境情况如何。贴片机有几种,制造商可能无法只用一台机器来满足用户所有的要求。在购买新的贴片机时,你首先需要明确以下几个问题:
• 它可以生产规格多大的电路板?
• 需要使用多少种不同的组件?
• 会用到哪几类/哪几种规格的组件?
• 会出现多少变化?
• 每个面板的平均贴装组件数量是多少?
• 每小时可以生产多少块电路板?
• 投资回报可以达到什么水平?成本是多少?
成功的组件贴装往往与各种设备有关。了解了整个工艺的各个环节,就可以根据不同贴片机的优点与缺点更容易地做出最有利的决定。

第七步: 焊接

无铅对生产制造的各个环节或多或少都会有些影响,但是没有哪个环节能够与再流焊相提并论。由于熔点温度较高,无铅焊料合金再流焊温度曲线的变化,因此在再流焊管理方面需要做一些调整。我们需要考虑的再熔工艺参数包括,峰值温度、液相线时间(TAL)以及温度上升和下降速度。此外,还要考虑冷却方面的要求、离开电路板时的温度和助焊剂的控制。
在无铅再流焊方面,最常见的问题是,气泡、电路板变形和元件的损坏,这些都是再流焊工艺在超出技术规范规定的范围时造成的。有一些元件,例如,铝电解电容器和一些其他塑料连接器,要求温度比较低,要防止温度过高而造成损坏,但是象插座这样的大元件需要更多的热量才能得到好的焊点,因此当电路板上有这些不同类型元件时,制定再流焊温度曲线是一个挑战性的问题。向后兼容性(装在锡铅电路板上的无铅BGA元件)也使问题变得更加复杂。
在对流焊接中,再流焊的温度较高,这表示,要求助焊剂不可以很容易就燃烧。对再流焊炉来说,助焊剂收集系统不仅要在更高的温度下工作,并且要容纳更多的助焊剂。
在加热过程中氮气(N2)可以防止金属表面出现氧化,并且保证助焊剂妥善地激活。但是,值得一提的是,在使用无铅SAC305合金时时,氮气在再流焊炉中是起不了什么作用的。对价格敏感的行业,可能还不打算在无铅中使用氮气。
就穿孔或者表面安装的分立元件而言,在转到无铅波峰焊时,由于无铅焊料中锡占的比例较高,炉温也较高,因此焊锡炉要能够抗腐蚀。在无铅焊料中,锡的含量最高,要求的温度也较高,会促进残渣的形成。
无铅焊锡炉需要进行水平较高的预防性维护和保养,以便保证机器的正常运作。像锡银铜这样的合金会侵蚀较旧的波峰焊接机上使用的材料。
汽相再流焊工艺在无铅合金上已经取得了成功,它可以
避免高温处理时出现变化。这个工艺具有良好的热转移特性。
激光焊接有利于改善这种自动化工艺,而且非常适合对温度比较敏感的元件。这种方法的速度较慢,但是它符合无铅的要求。关于使用无铅合金进行批量焊接的大部份观点同样也适用于返修用的手工焊接。
在使用免清洗工艺时,助焊剂的选择是关键。固化能力较强的免清洗助焊剂能够降低焊接缺陷,但是它会在电路板上留下更多肉眼看得到的助焊剂。
在进行无铅焊接时需要考虑以下几方面的问题:焊接方法、焊接设备、焊料合金、助焊剂、热电耦、氮气、焊锡炉,同时还要解决在过渡阶段在同一块电路板上既有锡铅焊料又有无铅焊料的问题。

第八步: 清洗

清洗印刷电路板是非常重要而且能够增加价值的工艺,它可以清除由不同制造工艺和处理方法造成的污染。如果没有经过适当的清洗,表面污物可能会在生产过程中造成缺陷。无铅增加了清洗工艺的重要性。比起锡铅工艺,无铅焊接工艺通常需要使用更多的助焊剂和活性更高的助焊剂,因此,往往需要进行清洗,把去助焊剂残渣去掉。
在选择适当的清洗介质和设备时,主要考虑以下几个因素:系统必须环保,经济有效;关于挥发性有机化合物(VOC)的局部散发和废水的法规(COD/BOD/pH)可能会影响解决办法和设备的选择;这种清洗剂还必须适应组装材料和洗涤设备的要求。
在SMT组装中,最常用的清洗方法是在线喷洒系统或者批量喷洒系统。超声波和蒸汽去脂的方法属于其他的批量清洗方法。批量清洗方法最适合产量低、品种多的生产。在线喷洒针对的是产量高、品种单一的生产,或者是品种很多的生产。
水洗清洗—这种清洗方法使用水或者是含有清洗剂的水(清洗剂的含量一般在2–30%之间)。水溶性材料通常由可于用来喷洒的液态酒精或者VOC溶液构成。这种办法能够把表面安装技术或者穿孔技术中的使用松香的低残渣助焊剂清洗掉。水溶性清洗通常用于高压在线清洗设备。
半湿性清洗—这是溶剂清洗/水冲洗工艺。这项技术使用的一些化学材料包括非线性酒精和合成酒精化合物。非线性酒精把活性较低和活性适中的材料整合在一起,它可以清洗较难清除的助焊剂,例如,高温树脂和合成树脂,以及水溶性助焊剂和免清洗助焊剂。
我们使用三种常见的测试方法来确定SMT生产运作的清洁度:目视检查、表面绝缘电阻(SIR)和溶液提取法。在目视检查中,我们通过显微镜手动检查电路板。溶液提取法是把电路板浸泡在异丙基酒精和去离子(DI)水里,测定离子的传导性。SIR测试需要在工艺设计阶段和大规模生产阶段使用专门的测试电路板,然后,在SIR室内对这些测试电路板进行评估,在SIR室内,通了电的测试电路需要暴露在不同的环境条件下。
清洗是组装工艺中非常重要的一个环节。无铅焊料合金会对电路板表面清洗提出几个要求:使用等级较高和活性较强的助焊剂,需要较高的再流焊温度。这么高的温度可能会使助焊剂残渣糊掉,这样,清除起来就会更困难,如果使用的传统的化学材料清洗技术,更是如此。

第九步: 测试和检验

由于缩短上市时间、缩小元件尺寸以及转到无铅生产,需要使用更多的测试方法和检查办法。对缺陷程度(在生产过程中产生的缺陷)的要求,以及测试和检查的有效性,推动着测试行业向前发展。最好的测试策略往往会受到电路板特性的限制。需要考虑的几个重要因素包括:电路板的复杂性、计划的生产规模、是单面电路板还是双面电路板、通电检查和目视检查,以及元件方面的具体的问题。
这个行业现有的测试办法是:
在再流焊之后进行电路内测试(ICT),这是,对元件单独加电测试,来检验印刷电路板是否有问题。传统的ICT系统使用针床测试设备来接触印刷电路板下面一侧的多个测试点。
飞针是一种ICT测试,它使用一根探针在通电情况进行测试,在测试设备和印刷电路板之间不需要针床接口。它用大量到处游走的针来检查印刷电路板。
边界扫描测试可以弥补通电检查的不足。边界扫描使用边缘连接器或者一个有限的针床设备,它可以对ICT和飞针接触不到的被测元件和电路节点进行测试。
检验印刷电路板是否合格的最后一步是功能测试,然后才把印刷电路板送走。这些测试设备使用边缘连接器和/或者测试点来连接印刷电路板。测试仪器模拟最终的电气环境,检验电路板的功能是否符合要求。
检查不同于测试,检查是没有在通电的情况检验电路板的好与坏。我们可以在组装工艺中尽早进行检查,实现工艺监测与控制。有以下几种检查方法:
人工检查。这是检验员用目视的方法来检查印刷电路板,看看有没有缺陷。这个办法是最不可靠的,对于使用0201元件和微间距无铅元件的电路板来说,更是如此。而且,人工检查的成本也非常高。
 
X射线检查。这个方法主要用于再流焊后检查元件,这些元件无法接触到,或者不能用ICT测试,也无法用肉眼看清楚。我们可以手动操作这些系统,测试样品,或者用全自动的方式在生产线上测试样品(AXI)。
自动光学检查(AOI)。这个方法是利用照相机成像技术来检查印刷电路板。AOI可以迅速检查出各种各样的缺陷,而且可以在生产线上进行,每一道贴装工序完成之后进行。在贴装后进行AOI检查,能够提高贴装工艺的精确度,并且可以检查元件是否贴到印刷电路板上。它还可以用来检查元件的位置和放置的情况。在再流焊后进行AOI检查,还可以发现可能是再流焊引起的一些缺陷。
在整个组装工艺中,控制缺陷和找出缺陷将直接关系到质量控制和成本。制造商需要通过全面的测试和检查来确定哪些测试和检查最符合生产线的要求。

第十步: 返修与维修

返修与维修是必不可少的。之前所有步骤的目标只有一个,提高工艺的准确性和可靠性,但是,仍然免不了要把元件取下来,需要更换。返修工艺包括以下四个步骤:
1、找出失效的元件,造成失效的可能原因;
2、把失效的元件拿下来;
3、完成印刷电路板安放位置的准备工作;
4、装上元件,然后再流焊。
无铅生产需要较高的温度,这可能会给返修工艺带来新的难题。由于电路板处在较高的温度,可能会损坏元件和电路板。无铅焊接的再流焊工艺窗口更窄,对于容易受温度影响的元件来说,例如,BGA和CSP,需要精确地控制温度。当这些较大的封装在接近最高温度时,附近的较小元件会因为热容量较小和再流焊工艺的较高温度而过热。尺寸较大的多层印刷电路板,上面使用了阵列封装元件,是返修工艺最大的难题。
当遇到损坏了的元件时,返修技师首先必须确定是否可以用手工进行返修,或者是否必须把元件取下来换一个。同时还需要对印刷电路板进行功能测试。
通常,在返修时只需要使用手工操作的铬铁。在手工焊接时,已经很热的铬铁头接触元件的引脚和焊盘,把热量传到引脚和焊盘上,把温度提高到高于无铅焊料的熔点(通常是217℃)。含有助焊剂的焊钖丝与加热了的部位接触,焊锡丝熔化,湿润表面,并且在凝固时形成电气和机械连接的焊点。烙铁不可以直接碰到元件,防止可能出现的热冲击和破裂。手工焊接台相对较便宜,但是需要熟练的操作人员。
其他的返修工作可能需要使用手工操作的热气笔,它使用强制对流的方法把少量热气流直接喷射到引脚和焊盘上,完成焊接。尽管这个方
 
时,通常都推荐使用热气笔。在返修阵列式封装器件时,例如,在返修BGA和CSP时,需要使用返修台。这些返修台一般包括一个可移动的X/Y支架(用来安装和支撑印刷电路板)、一个热气喷嘴和向上/向下进行光学对正的机构。在对正后,吸嘴拾起元件,并把元件放到电路板上。然后,喷嘴对这个元件进行再流焊接。一些返修台还使用红外线来加热或者使用激光。
转到使用无铅焊料将会增加返修工艺的难度。虽然基本的步骤是一样的,但是,负责返修的操作人员必须注意到无铅的工艺窗口较窄,同时还要注意,工艺温度上升可能给印刷电路板和元件带来的危险。

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