先进电子制造技术表面组装技术(SMT)介绍(上)

1-1表面组装技术(SMT)概述(介绍),顾霭云,内容,一SMT技术的优势二表面组装技术介绍SMT组成（参考：基础与DFM第1章）生产线及设备（参考：基础与DFM第1章）元器件（参考：基础与DFM第3章）PCB（参考：基础与DFM第2章）工艺材料（参考：基础与DFM第4章）SMT工艺介绍（参考：工艺第3、5、6章）三SMT的发展动态及新技术介绍（参考：工艺第14章）,表面组装技术（SMT）是无需对印制板钻插装孔，直接将片式元器件或适合于表面贴装的微型元器件贴、焊到印制板或其他基板表面规定位置上的装联技术。“表面组装技术”的英文“SurfaceMountTechnolog”，缩写为“SMT”。,4,表面组装技术SMT,(SurfaceMountingTechnology)安装/组装/贴装/封装/黏著/着装/实装,THTSMT,一.SMT技术的优势,1结构紧凑、组装密度高、体积小、重量轻采用双面贴装时，组装密度达到5.520个/cm2，为插装元器件组装密度的5倍以上，从而使印制板面积节约60%70%以上，重量减轻90%以上。2高频特性好无引线或短引线，寄生参数（电容、电感）小、噪声小、去偶合效果好。3耐振动抗冲击。,THC1/8W电阻SMC0603电阻,SMT技术的优势,4有利于提高可靠性焊点面接触，消除了元器件与PCB之间的二次互连。减少了焊接点的不可靠因素。,SMT技术的优势,5工序简单，焊接缺陷极少（前提：设备、PCB设计、元器件、材料、工艺）。6适合自动化生产，生产效率高、劳动强度低等优点。7降低生产成本双面贴装起到减少PCB层数的作用、元件不需要成形、由于工序短节省了厂房、人力、材料、设备的投资。（目前阻、容元件的价格已经与插装元件合当、甚至还要便宜）,二.表面组装技术介绍,SMT组成生产线及设备元器件PCB工艺材料,1.表面组装技术的组成,表面组装元器件：封装技术、制造技术、包装技术；基板技术：单、多层印制板（PCB）、陶瓷基板、金属基板；组装材料：粘结剂、焊膏、焊丝、焊球、焊片、焊棒、阻焊剂、助焊剂、清洗剂；组装设计：电、结构、散热、高频、布线和元器件布局、焊盘图形和工艺性设计；组装设备：涂敷设备、贴装设备、焊接设备清洗设备、检测设备、修板工具、返修设备组装工艺：贴装技术、焊接技术、清洗技术检测技术、返修技术、防静电技术,表面组装技术,1.表面组装技术的组装类型（1）按焊接方式可分为再流焊和波峰焊两种类型a再流焊工艺在PCB的焊盘上印刷焊膏、贴装元器件，从再流焊炉入口到出口大约需要56分钟就完成了干燥、预热、熔化、冷却全部焊接过程。印刷焊膏贴装元器件再流焊,b波峰焊工艺用微量的贴片胶将片式元器件粘接在印制板上。然后插装分立元器件，最后与插装元器件同时进行波峰焊接。印刷贴片胶贴装元器件胶固化插装元器件波峰焊,（2）按组装方式可分为全表面组装、单面混装、双面混装,注：A面主面，又称元件面（传统）；B面辅面，又称焊接面（传统）,3SMT生产线及SMT生产线主要设备,3.1SMT生产线按照自动化程度可分为全自动生产线和半自动生产线；按照生产线的规模大小可分为大型、中型和小型生产线。,印刷机+高速贴片机+泛用贴片机+回流炉DEKFUJIFUJIBTUMPMPansertPansertHeller,小批量多品种生产线,传统配置：方式1：1台多功能机（或1台复合机）方式2：12台高速机+1台多功能（泛用）机,中大型生产线例如手机、电脑主板生产线,方式1：传统配置（1台多功能机+23台高速机）方式2：复合式系统。例如Simens的HS系列。方式3：平行（模块化）系统。例如PHILIPS公司的FCM系列。,丝印机AOI高速机高速机泛用机AOI回流焊,手机生产线,3.2SMT生产线主要设备,SMT生产线主要生产设备包括印刷机、点胶机、贴装机、再流焊炉和波峰焊机。辅助设备有检测设备、返修设备、清洗设备、干燥设备和物料存储设备等。,3.2.1印刷机用来印刷焊膏或贴片胶的。将焊膏（或贴片胶）正确地漏印到印制板相应的焊盘（位置）上。,3.2.1.1印刷机的基本结构a夹持基板（PCB）的工作台b印刷头系统c丝网或模板以及丝网或模板的固定机构；d保证印刷精度而配置的清洗、二维、三维测量系统等选件。e计算机控制系统3.2.1.2印刷机的主要技术指标a最大印刷面积：根据最大的PCB尺寸确定。b印刷精度：一般要求达到0.025mm。c印刷速度：根据产量要求确定。,3.2.2贴装机相当于机器人，把元器件从包装中取出，并贴放到印制板相应的位置上。,3.2.2.1贴装机的的基本结构a底座b供料器。c印制电路板传输装置d贴装头e对中系统f贴装头的X、Y轴定位传输装置g贴装工具（吸嘴h计算机控制系统,贴装机顶视图,供料器吸嘴库贴装头传送带,3.2.2.2贴装机的主要技术指标,(a)贴装精度：包括三个内容：贴装精度、分辨率、重复精度。贴装精度是指元器件贴装后相对于印制板标准贴装位置的偏移量，一般来讲，贴装Chip元件要求达到0.1mm，贴装高密度窄间距的SMD至少要求达到0.06mm。分辨率分辨率是贴装机运行时每个步进的最小增量。重复精度重复精度是指贴装头重复返回标定点的能力(b)贴片速度：一般高速机0.2S/Chip以内，多功能机0.30.6S/Chip左右。,(c)对中方式：机械、激光、全视觉、激光/视觉混合对中。(d)贴装面积：可贴装PCB尺寸，最大PCB尺寸应大于250300mm。(e)贴装功能：是指贴装元器件的能力。一般高速机只能贴装较小的元器件；多功能机可贴装最大6060mm器件，及异形元器件。(f)可贴装元件种类数：是指贴装机料站位置的多少（以能容纳8mm编带供料器的数量来衡量）(g)编程功能：是指在线和离线编程优化功能。,SMT贴片机器的类型,基本型.动臂式拱架型分为单臂式和多臂式多臂式贴片机可将工作效率成倍提高,基本型.转塔型,TCM-200超高速贴装机的塔转式贴装头,复合式,复合式机器是从动臂式机器发展而来，它集合了转盘式和动臂式的特点，在动臂上安装有转盘。例如Simens的Siplace80S系列贴片机，有两个带有12个吸嘴的转盘。由于复合式机器可通过增加动臂数量来提高速度，具有较大灵活性，Simens的HS50机器安装有4个这样的旋转头，贴装速度可达每小时5万片。,平行系统（模块式）,平行系统由一系列的小型独立贴装机组成。各自有定位系统、摄像系统、若干个带式送料器。能为多块电路板、分区贴装。例如PHILIPS公司的FCM机器有16个贴装头，贴装速度达到0.03秒Chip，每个头的贴装速度在1秒Chip左右FUJI的QP132等,富士NXT模组型高速多功能贴片机,该贴片机有8模组和4模组两种基座，M6和M3两种模组，8吸嘴,4吸嘴和单吸嘴三种贴片头，可通过灵活组合满足不同产量要求。单台产量最高可达40000芯片/小时单台机器可完成从微型0201到7474mm的大型器件（甚至大到32180mm的连接件）的贴装。,水平旋转贴装头,Simens垂直旋转贴装头,日本SONY公司的SI-E1000MK高速贴装机的45旋转贴装头,3.2.3再流焊炉再流焊炉是焊接表面贴装元器件的设备。再流焊炉主要有红外炉、热风炉、红外加热风炉、蒸汽焊炉等。目前最流行的是全热风炉。3.2.3.1热风、红外再流焊炉的基本结构,炉体上下加热源PCB传输装置空气循环装置冷却装置排风装置温度控制装置以及计算机控制系统,3.2.3.2再流焊炉的主要技术指标a温度控制精度：应达到0.10.2；b传输带横向温差：要求5以下,无铅要求2以下；c温度曲线测试功能：如果设备无此配置，应外购温度曲线采集器；d最高加热温度：一般为300350，如果考虑无铅焊料或金属基板，应选择350以上。e加热区数量和长度：加热区数量越多、加热区长度越长，越容易调整和控制温度曲线。一般中小批量生产选择45温区，加热区长度1.8m左右即能满足要求，无铅要求7温区以上。f传送带宽度：应根据最大和最PCB尺寸确定。,3.2.4检测设备,自动光学检测AOI,焊端,自动光学检测（AOI）,随着元器件小型化、SMT的高密度化，人工目视检验的难度和工作量越来越大，而且检验人员的判断标准也不统一。为了SMT配合自动生产线高速度、大生产，以及保证组装质量的稳定性。AOI越来越被广泛应用。,AOI的应用,主要有三个放置位置：（1）锡膏印刷之后（2）回流焊前（3）回流焊后多品种、小批量生产时可以不连线。,（1）AOI置于锡膏印刷之后,可检查：焊膏量不足。焊膏量过多。焊膏图形对焊盘的重合不良。焊膏图形之间的粘连。PCB焊盘以外处的焊膏污染,（2）AOI置于回流焊前,可检查：是否缺件元件是否贴错极性方向是否正确有无翻面和侧立元件位置的偏移量焊膏压入量的多少。,（3）AOI置于回流焊后,可检查：是否缺件元件是否贴错极性方向是否正确有无翻面、侧立和立碑元件位置的偏移量焊点质量：锡量过多、过少（缺锡）、焊点错位焊点桥接,AOI有待改进的问题,(1)只能作外观检测，不能完全替代在线测（ICT）。(2)如无法对BGA、CSP、FlipChip等不可见的焊点进行检测。(3)对PLCC也要采用侧面的CCD才能较准确的检测。,BGA/CSP焊点检测x-ray,X光检测,BGA、CSP、FlipChip的焊点在器件的底部，用肉眼和AOI都不能检测，因此，X光检测就成了BGA、CSP器件的主要检测设备。目前X光检测设备大致有三种档次：传输X射线测试系统适用于单面贴装BGA的板以及SOJ、PLCC的检测。缺点是对垂直重叠的焊点不能区分。断面X射线、或三维X射线测试系统克服了传输X射线测试系统的缺点，该系统可以做分层断面检测，相当于工业CT。目前又推出X光/ICT结合的检测设备用ICT可以补偿X光检测的不足。适用于高密度、双面贴装BGA的板。,在线测,在线测试设备采用专门的隔离技术可以测试电阻器的阻值、电容器的电容值、电感器的电感值、器件的极性、以及短路（桥接）、开路（断路）等参数，自动诊断错误和故障，并可把错误和故障显示、打印出来，可直接根据错误和故障进行修板或返修，在线测的检测正确率和效率较高。,功能测,功能测用于表面组装板的电功能测试和检验。功能测就是将表面组装板或表面组装板上的被测单元作为一个功能体输入电信号，然后按照功能体的设计要求检测输出信号，大多数功能测都有诊断程序，可以鉴别和确定故障。但功能测的设备价格都比较昂贵。最简单的功能测是将表面组装板连接到该设备的相应的电路上进行加电，看设备能否正常运行，这种方法简单、投资少，但不能自动诊断故障。,4.表面组装元器件（SMC/SMD）介绍4.1表面组装元器件基本要求a元器件的外形适合自动化表面贴装；b尺寸、形状标准化、并具有良好的尺寸精度；c包装形式适合贴装机自动贴装要求；d具有一定的机械强度；e元器件焊端或引脚可焊性要求2355，20.2s或2305，30.5s，焊端90%沾锡(无铅250255，23s)f再流焊耐高温焊接要求：2355，20.2s；波峰焊：2605，50.5s(无铅265270，1015s)；g可承受有机溶剂的洗涤。,4.2表面组装元件（SMC）的外形封装、尺寸、主要参数及包装方式,(a)表面组装元件（SMC）封装命名方法：SMC常用外形尺寸长度和宽度命名，来标志其外形大小，通常有公制(mm)和英制(inch)两种表示方法，如英制0805表示元件的长为0.08英寸，宽为0.05英寸，其公制表示为2012（或2125），即长2.0毫米，宽1.25毫米。(b)公制(mm)/英制(inch)转换公式：25.4mm英制(inch)尺寸=公制(mm)尺寸举例：将0402（0.04inch0.02inch）英制表示法转换为公制表示法元件长度=25.4mm0.04=1.0161.0mm；元件宽度=25.4mm0.02=0.5080.5mm0402的公制表示法为：1005(1.0mm0.5mm),(C)表面组装元件（SMC）常用的公制和英制的封装尺寸以及包装编带宽度如下：英制(inch)公制(mm)编带宽（mm）182545641218124532121210322581206（3216）80805（2012）80603（1608）80402（1005）80201（0603）801005最新推出（0402）8(01005C、01005R已经在模块工艺中应用),(d)表面组装电阻、电容标称值表示方法举102十位和百位表示数值个位表示0的个数a片式电阻举例（片式电阻表面有标称值）102表示1K；471表示470；105表示1M。b片式电容举例（片式电容表面没有标称值）102表示1000Pf；471表示470Pf；105表示1uf。,(e）表面组装电阻、电容的阻值、容值误差表示方法阻值误差表示方法J5%K10%M20%容值误差表示方法C0.25PfD0.5PfF1.0PfJ5%K10%M20%,4.3表面贴装电阻器、电容器的命名电阻器：不同厂家的电阻型号、规格、表示方法均有不同，但是最基本要标注的有：标称阻值、额定功率、阻值公差、封装尺寸、包装形式等。例如：a）KOA公司的标注方法。b)日本村田公司RX391G561JTA种类尺寸外观特性标称阻值阻值误差包装形式c)成都无线电四厂RI111/8561J种类尺寸额定功耗标称阻值阻值误差,多层片状瓷介电容器命名,a)日本村田公司GRM4F6COG101J50PT电极结构尺寸温度特性标称容值容量误差耐压包装形式b)成都无线电四厂CC4103CH101J50T瓷料类型尺寸温度特性标称容值容量误差耐压包装形式,4.4表面组装器件（SMD）的外形封装、引脚参数及包装方式,4.5表面组装元器件的焊端结构4.5.1表面组装元件（SMC）的焊端结构无引线片式元件焊接端头电极一般为三层金属电极，见图1。其内部电极一般为厚膜钯银电极，由于钯银电极直接与铅锡焊料焊接时，在高温下，熔融的铅锡焊料中的焊锡会将厚膜钯银电极中的银食蚀掉，这样会造成虚焊或脱焊，俗称“脱帽”现象。因此在钯银电极外面镀一层镍，镍的耐焊性比较好，而且比较稳定，用镍作中间电极可起到阻挡层的作用。但是镍的可焊性不好，因此还要在最外面镀一层铅锡，以提高可焊性。,无引线片式元件端头三层金属电极示意图,外部电极（镀铅锡）,中间电极（镍阻挡层）,内部电极（一般为钯银电极）,Chip元件的发展动态,4.5.2表面组装器件（SMD）的焊端结构表面组装器件的焊端结构可分为羽翼形、J形和球形。羽翼形J形球形新动态表面组装器件（SMD）的焊端结构示意图羽翼形的器件封装类型有：SOT、SOP、QFP。J形的器件封装类型有：SOJ、PLCC。球形的器件封装类型有：BGA、CSP、FlipChip。新焊端结构:LLP（LeadlessLeadframepackage）MLF（MicroLeadlessFrame）QFN(QuadFlatNo-lead),新型元器件,表面贴装电阻器矩形片式电阻器、圆柱形片式电阻器、电阻网络和电位器,表面贴装电容器,多层片状瓷介电容器,钽电解电容器,云母电容器,铝电解电