表面贴装技术.doc

淄 博 职 业 学 院 SMT生产工艺流程设计课题名称：SMT生产工艺流程设计姓 名：! 学 号：所 在 系：电 子 电 气 工 程 系专业年级： 电 子 信 息指导教师：? 职 称：讲师二O一O 年 六 月 二十八 日SMT生产流程工艺一、 SMT简介SMT 是Surface mount technology的简写，意为表面贴装技术。亦即是无需对PCB钻插装孔而直接将元器件贴焊到PCB表面规定位置上的装联技术(一) SMT特点从SMT的定义上看，我们知道SMT是从传统的穿孔插装技术（THT）发展起来的，但又区别于传统的THT。那么，SMT与THT比较它有什么优点呢？下面就是其最为突出的优点：1. 组装密度高、电子产品体积小、重量轻，贴片元件的体积和重量只有传统插装元件的1/10左右，一般采用SMT之后，电子产品体积缩小40%60%，重量减轻60%80%。 2. 可靠性高、抗振能力强。焊点缺陷率低。 3. 高频特性好。减少了电磁和射频干扰。 4. 易于实现自动化，提高生产效率。 5. 降低成本达30%50%。节省材料、能源、设备、人力、时间等。（二）采用表面贴装技术(SMT)是电子产品业的趋势我们知道了SMT的优点，就要利用这些优点来为我们服务，而且随着电子产品的微型化使得THT无法适应产品的工艺要求。因此，SMT是电子装联技术的发展趋势。其表现在：1. 电子产品追求小型化，使得以前使用的穿孔插件元件已无法适应其要求。 2. 电子产品功能更完整，所采用的集成电路(IC)因功能强大使引脚众多，已无法做成传统的穿孔元件，特别是大规模、高集成IC，不得不采用表面贴片元件的封装。 3. 产品批量化，生产自动化，厂方要以低成本高产量，出产优质产品以迎合顾客需求及加强市场竞争力。 4. 电子元件的发展，集成电路(IC)的开发，半导体材料的多元应用。5. 电子产品的高性能及更高装联精度要求。6. 电子科技革命势在必行，追逐国际潮流。(三)SMT有关的技术组成SMT从70年代发展起来，到90年代广泛应用的电子装联技术。由于其涉及多学科领域，使其在发展初其较为缓慢，随着各学科领域的协调发展，SMT在90年代得到讯速发展和普及，预计在21世纪SMT将成为电子装联技术的主流。下面是SMT相关学科技术:1. 电子元件、集成电路的设计制造技术 2. 电子产品的电路设计技术 3. 电路板的制造技术 4. 自动贴装设备的设计制造技术 5. 电路装配制造工艺技术 6. 装配制造中使用的辅助材料的开发生产技术二、 SMT工艺介绍(一) SMT工艺名词术语1. 表面贴装组件（SMA）（surface mount assemblys）采用表面贴装技术完成装联的印制板组装件。2. 回流焊（reflow soldering）焊膏 （ solder paste ）3. 由粉末状焊料合金、焊剂和一些起粘性作用及其他作用的添加剂混合成具有一定粘度和良好触变性的焊料膏。4. 固化在一定的温度、时间条件下，加热贴装了元器件的贴片胶，以使元器件与PCB板暂时固定在一起的工艺过程。5. 贴片胶 或称红胶（adhesives）（SMA）固化前具有一定的初粘度有外形，固化后具有足够的粘接强度的胶体6. 点胶 ( dispensing )表面贴装时，往PCB上施加贴片胶的工艺过程。7. 贴装（ pick and place ）将表面贴装元器件从供料器中拾取并贴放到PCB规定位置上的操作。8. 贴片机 （ placement equipment ）完成表面贴片装元器件贴片装功能的专用工艺设备。9. 高速贴片机 ( high placement equipment )贴装速度大于2万点/小时的贴片机。10. 多功能贴片机 ( multi-function placement equipment )用于贴装体形较大、引线间距较小的表面贴装11. 热风回流焊 ( hot air reflow soldering )以强制循环流动的热气流进行加热的回流焊。12. 贴片检验 ( placement inspection )贴片时或完成后，对于有否漏贴、错位、贴错、元器件损坏等情况进行的质量检验。13. 钢网印刷 ( metal stencil printing )使用不锈钢漏板将焊锡膏印到PCB焊盘上的印刷工艺过程。14. 印刷机 ( printer)在SMT中，用于钢网印刷的专用设备。15. 炉后检验 ( inspection after soldering )对贴片完成后经回流炉焊接或固化的PCBA的质量检验。16. 炉前检验 (inspection before soldering )贴片完成后在回流炉焊接或固化前作贴片质量检验。17. 返修 ( reworking )为去除PCBA的局部缺陷而进行的修复过程。18. 返修工作台 ( rework station )能对有质量缺陷的PCBA进行返修的专用设备19. 点胶机 ( dispenser )能完成点胶操作的设备。(二)SMT组件的类型表面安装组件(Surface Mounting Assembly) (简称：SMA)类型：1. 全表面安装(型) 全部采用表面安装元器件，安装的印制电路板是单面或双面板。如下图：2. 双面混装 (型) 表面安装源器件和有引线元器件混合使用，印制电路板是双面板。 3. 单面混装(型) 表面安装元器件和有引线元器件混合使用，与型不同的是印制电路板是单面板。（三）SMT工艺流程 由于SMA有单面安装和双面安装；元器件有全部表面安装及表面安装与通孔插装的混合安装；焊接方式可以是回流焊、波峰焊、或两种方法混合使用；通孔插装方式可以是手工插，或机械自动插；从而演变为多种工艺流程，目前采用的方式有几十种之多，下面仅介绍通常采用的几种形式：1. 单面全表面安装单面全表面安装的流程如图：2双面全表面安装双面全表面安装的流程如下：3. 单面混合安装单面混合安装的流程图如下：4、双面混合安装双面混合安装的流程图如下：三. SMT的生产工艺流程领PCB、贴片元件 贴片程式录入、道轨调节、炉温调节 上料 上PCB 点胶（印刷） 贴片 检查 回流焊 检查 包装 保管。各工序的工艺要求与特点： (一) 生产前准备清楚产品的型号、PCB的版本号、生产数量与批号。清楚元器件的数量、规格、代用料。清楚贴片、点胶、印刷程式的名称。有清晰的上料卡。有生产作业指导卡、及清楚指导卡内容。（二）转机时要求确认机器程式正确、确认每一个Feeder位的元器件与上料卡相对应、确认所有 轨道宽度和定位针在正确位置、确认所有Feeder正确、牢固地安装与料台上、确认所有Feeder的送料间距是否正确、确认机器上板与下板是非顺畅、检查点胶量及大小、高度、位置是否适合、检查印刷锡膏量、高度、位置是否适合、检查贴片元件及位置是否正确、检查固化或回流后是否产生不良。（三）点胶 点胶工艺主要用于引线元件通孔插装（THT）与表面贴装（SMT）共存的贴插混装工艺。在整个生产工艺流程（见图）中，我们可以看到，印刷电路板（PCB）其中一面元件从开始进行点胶固化后，到了最后才能进行波峰焊焊接，这期间间隔时间较长，而且进行其他工艺较多，元件的固化就显得尤为重要。PCB点B面贴片B面再流焊固化丝网印刷A面贴片A面再流焊焊接自动插装人工流水插装波峰焊接B面点胶过程中的工艺控制。生产中易出现以下工艺缺陷：胶点大小不合格、拉丝、胶水浸染焊盘、固化强度不好易掉片等。因此进行点胶各项技术工艺参数的控制是解决问题的办法。（四） 印刷在表面贴装装配的回流焊接中，锡膏用于表面贴装元件的引脚或端子与焊盘之间的连接，有许多变量。如锡膏、丝印机、锡膏应用方法和印刷工艺过程。在印刷锡膏的过程中，基板放在工作台上，机械地或真空夹紧定位，用定位销或视觉来对准，用模板(stencil)进行锡膏印刷。在模板锡膏印刷过程中，印刷机是达到所希望的印刷品质的关键。在印刷过程中，锡膏是自动分配的，印刷刮板向下压在模板上，使模板底面接触到电路板顶面。当刮板走过所腐蚀的整个图形区域长度时，锡膏通过模板/丝网上的开孔印刷到焊盘上。在锡膏已经沉积之后，丝网在刮板之后马上脱开(snap off)，回到原地。这个间隔或脱开距离是设备设计所定的，大约0.0200.040。脱开距离与刮板压力是两个达到良好印刷品质的与设备有关的重要变量。其次，还有锡膏的使用也是非常重要的。关于印刷我们应注意一下几点:1. 印刷速度印刷期间，刮板在印刷模板上的行进速度是很重要的， 因为锡膏需要时间来滚动和流入模孔内。如果时间不够，那么在刮板的行进方向，锡膏在焊盘上将不平。 当速度高于每秒20 mm 时， 刮板可能在少于几十毫秒的时间内刮过小的模孔。2. 印刷压力印刷压力须与刮板硬度协调，如果压力太小，刮板将刮不干净模板上的锡膏，如果压力太大，或刮板太软，那么刮板将沉入模板上较大的孔内将锡膏挖出。压力的经验公式在金属模板上使用刮板， 为了得到正确的压力， 开始时在每50 mm的刮板长度上施加1 kg 压力，例如300 mm 的刮板施加6 kg 的压力， 逐步减少压力直到锡膏开始留在模板上刮不干净，然后再增加1 kg 压力。 在锡膏刮不干净开始到刮板沉入丝孔内挖出锡膏之间，应该有12 kg的可接受范围都可以到达好的丝印效果。3. 锡膏印刷工艺的控制包括几个方面：为了达到良好的印刷结果，必须有正确的锡膏材料(黏度、金属含量、最大粉末尺寸和尽可能最低的助焊剂活性)、正确的工具(印刷机、模板和刮刀)和正确的工艺过程(良好的定位、清洁拭擦)的结合。根据不同的产品，在印刷程序中设置相应的印刷工艺参数，如工作温度、工作压力、刮刀速度、模板自动清洁周期等，同时要制定严格的工艺管理制定及工艺规程。（1）锡膏的选取锡膏的成份包含金属粉末溶济助焊剂抗垂流剂活性剂按重量分金属粉末占85-92%按体积分金属粉末占50%锡膏中锡粉颗粒与Flux(助焊剂)的体积之比约为1:1, 重量之比约为9:1;助焊剂在焊接中的主要作用是去除氧化物破坏融锡表面张力防止再度氧化。锡膏分为有铅锡膏和无铅锡膏两种（2）锡膏的存储锡膏的储存环境必须是在3到10度范围内，储存时间是出厂后6个月。超过这个时间的锡膏就不能再继续使用，要做报废处理。因此，锡膏在购买回来以后一定要做管控标签，上面必须注明出厂时间、购入时间、最后储存期限。同时，对于储存的温度也必须每天定时进行检查，以确保锡膏是在规定的范围内储存。锡膏的使用要做到先进先出，以避免因为过期而造成报废。（3）锡膏的使用和回收锡膏在使用前4个小时必须从储存柜里拿出来，放在常温下进行回温，回温时间为4个小时。回温后的锡膏在使用时要进行搅拌，搅拌分为机器搅拌和手工搅拌。机器搅拌时间为15分钟，手工搅拌时间为30分钟，以搅拌刀勾取的锡膏可以成一条线流下而不断为最佳。目的是让冷藏的锡膏温度回复常温以利印刷。如果不回温则在PCB进Reflow后易产生的不良为锡珠。添加锡膏时以印刷机刮刀移动时锡膏滚动不超过刮刀的三分之二为原则，过少印刷不均匀，会出现少锡现象；过多会因短时间用不完，造成锡膏暴露在空气中时间太长而吸收水分，引起焊接不良。4. 钢网开口设计： 印刷效果的好坏和焊接质量的好坏，取决于钢网的开口设计。钢网开口设计不好就会造成印刷少锡、短路等不良，回流焊接时会出现锡珠、立碑等现象。钢网常见的制作方法为化学蚀刻激光切割电铸;目前激光切割用的比较广泛。印刷注意事项： 印刷有手印和机器印刷两种，如果是手印的话，要注意调整好钢网，确保印刷没有偏移；同时要注意定时清洁钢网，一般是印刷50片左右清洁一次，如果有细间距元件则应调整为30片清洁一次；印刷时注意手不可触摸线路板正面焊盘位置，避免手上的汗渍污染焊盘，最好是戴手套作业。如果是机器印刷的话要注意定时检查印刷效果和随时添加锡膏，确保印刷出来的都是良品。5. 线路板的储存和使用：线路板必须放在干燥的环境下保存，避免因为受潮而引起焊盘氧化，造成焊接不良。如果有受潮的现象，在使用时必须放在烤箱里以80到100摄氏度的温度烘烤8个小时才能使用，否则会因为线路板里的水分在过炉时蒸发而引起焊锡迸溅，造成锡珠。制程中因印刷不良造成短路的原因（1）锡膏金属含量不够，造成塌陷（2）钢板开孔过大，造成锡量过多（3）钢板品质不佳，下锡不良（4）Stencil背面残有锡膏，降低刮刀压力 （五）贴装在SMT流程中，贴片加工环节是完全靠机器完成的，当然也有采用手工贴片的，不过那是针对量少、元件数不多而且对加工品质要求不严格的产品。对于贴片机器的分类，一般按速度分为高速机和中速机；按贴片功能分，分为CHIP机和泛用机，也叫多功能机。贴片机器的工作原理是采用图形识别和坐标跟踪来决定什么元件该贴装到什么位置。贴片机器的工作程序一般来说有5大块：1. 线路板数据线路板的长、宽、厚，用来给机器识别线路板的大小，从而自动调整传输轨道的宽度；线路板的识别标识（统称MARK），用来给机器校正线路板的分割偏差，以保证贴装位置的正确。这些是基本数据2. 元件信息数据包括元件的种类，即是电阻、电容，还是IC、三极管等，元件的尺寸大小（用来给机器做图像识别参考），元件在机器上的取料位置等（便于机器识别什么物料该在什么位置去抓取）3. 贴片坐标数据这里包括每个元件的贴装坐标（取元件的中心点），便于机器识别贴装位置；还有就是每个坐标该贴什么元件（便于机器抓取，这里要和数据2进行链接）；再有就是元件的贴装角度（便于机器识别该如何放置元件，同时也便于调整极性元件的极性 4. 线路板分割数据线路板的分板数据（即一整块线路板上有几小块拼接的线路板），用来给机器识别同样的贴装数据需要重复贴几次。5. 识别标识数据也就是MARK数据，是给机器校正线路板分割偏差使用的，这里需要录入标识的坐标，同时还要对标识进行标准图形录入，以供机器做对比参考。有了这5大基本数据，一个贴片程序基本就完成了，也就是说可以实现贴片加工的要求了。但是，贴装前应进行下列项目的检查：元器件的可焊性、引线共面性、包装形式、PCB尺寸、外观、翘曲、可焊性、阻焊膜（绿油）、料站的元件规格核对、是否有手补件或临时不贴件、加贴件、Feeder与元件包装规格是否一致。贴装时应检查项目：检查所贴装元件是否有偏移等缺陷，对偏移元件进行调校、检查贴装率，并对元件与贴片头进行临控。（六） 固化、回流焊回流焊的定义： 是靠热气流对焊点的作用,胶状的焊剂(锡膏)在一定的高温气流下进行物理反应达到SMD的焊接;因为是气体在焊机内循环流动产生高温达到焊接目的,所以叫回流焊“1. 回流焊设备在电子制造业中,大量的表面组装组件(SMA)通过回流焊进行焊接, 回流焊的热传递方式可将其分为三类:远红外、全热风、红外/ 热风。（1）远红外回流焊八十年代使用的远红外回流焊具有加热快、节能、运行平稳等特点,但由于印制板及各种元器件的材质、色泽不同而对辐射热吸收率有较大差异,造成电路上各种不同元器件以及不同部位温度不均匀,即局部温差。例如,集成电路的黑色塑料封装体上会因辐射吸收率高而过热,而其焊接部位银白色引线上反而温度低产生虚焊。另外,印制板上热辐射被阻挡的部位,例如在大(高) 元器件阴影部位的焊接引脚或小元器件会由于加热不足而造成焊接不良（2）全热风回流焊全热风回流焊是一种通过对流喷射管嘴或者耐热风机来迫使气流循环,从而实现被焊件加热的焊接方法,该类设备在90年代开始兴起。由于采用此种加热方式,印制板(PCB)和元器件的温度接近给定加热温区的气体温度,完全克服了红外回流焊的局部温差和遮蔽效应,故目前应用较广。在全热风回流焊设备中,循环气体的对流速度至关重要。为确保循环气体作用于印制板的任一区域,气流必须具有足够快的速度,这在一定程度上易造成印制板的抖动和元器件的移位。此外,采用此种加热方式的热交换效率较低,耗电较多（3）红外热风回流焊这类回流焊炉是在红外炉基础上加上热风使炉内温度更均匀,是目前较为理想的加热方式。这类设备充分利用了红外线穿透力强的特点,热效率高、节电;同时有效克服了红外回流焊的局部温差和遮蔽效应,并弥补了热风回流焊对气体流速要求过快而造成的影响,因此这种回流焊目前是使用得最普遍的。2. 温度曲线分析与设计温度曲线是指SMA 通过回流炉,SMA 上某一点的温度随时间变化的曲线;其本质是SMA在某一位置的热容状态。温度曲线提供了一种直观的方法,来分析某个元件在整个回流焊过程中的温度变化情况。这对于获得最佳的可焊性,避免由于超温而对元件造成损坏以及保证焊接质量都非常重要3. 温度曲线热容分析理想的温度曲线由四个部分组成,前面三个区加热和最后一个区冷却。一个典型的温度曲线其包含回流持续时间、锡膏活性温度、合金熔点和所希望的回流最高温度等。回流焊炉的温区越多,越能使实际温度曲线的轮廓达到理想的温度曲线。大多数锡膏都能用有四个基本温区的温度曲线完成回流焊工艺过程。（1）预热区 也叫斜坡区,用来将PCB的温度从周围环境温度提升到所须的活性温度。在这个区,电路板和元器件的热容不同,他们的实际温度提升速率不同。电路板和元器件的温度应不超过每秒3速度连续上升,如果过快,会产生热冲击,电路板和元器件都可能受损,如陶瓷电容的细微裂纹。而温度上升太慢,锡膏会感温过度,溶剂挥发不充分,影响焊接质量。炉的预热区一般占整个加热区长度的1525 %（2）活性区 也叫做均温区,这个区一般占加热区的30 50 %。活性区的主要目的是使SMA内各元件的温度趋于稳定,尽量减少温差。在这个区域里给予足够的时间使热容大的元器件的温度赶上较小元件,并保证焊膏中的助焊剂得到充分挥发。到活性区结束,焊盘、焊料球及元件引脚上的氧化物被除去,整个电路板的温度达到平衡。应注意的是SMA上所有元件在这一区结束时应具有相同的温度,否则进入到回流区将会因为各部分温度不均产生各种不良焊接现象。一般普遍的活性温度范围是120170,如果活性区的温度设定太高,助焊剂没有足够的时间活性化,温度曲线的斜率是一个向上递增的斜率。虽然有的锡膏制造商允许活性化期间一些温度的增加,但是理想的温度曲线应当是平稳的温度。（3）回流区 有时叫做峰值区或最后升温区,这个区的作用是将PCB的温度从活性温度提高到所推荐的峰值温度。活性温度总是比合金的熔点温度低一点,而峰值温度总是在熔点上。典型的峰值温度范围是焊膏合金的熔点温度加40左右,回流区工作时间范围是30 - 60s。这个区的温度设定太高会使其温升斜率超过每秒3,或使回流峰值温度比推荐的高,或工作时间太长可能引起PCB的过分卷曲、脱层或烧损,并损害元件的完整性。回流峰值温度比推荐的低,工作时间太短可能出现冷焊等缺陷（4）冷却区这个区中焊膏的锡合金粉末已经熔化并充分润湿被连接表面,应该用尽可能快的速度来进行冷却,这样将有助于合金晶体的形成,得到明亮的焊点,并有较好的外形和低的接触角度。缓慢冷却会导致电路板的杂质更多分解而进入锡中,从而产生灰暗粗糙的焊点。在极端的情形下,其可能引起沾锡不良和减弱焊点结合力。冷却段降温速率一般为310 / S按工作热容设计温度曲线温度曲线的本质是描述SMA 在某一位置的热容状态,温度曲线受多个参数影响,其中最关键的是传输带速度和每个区温度的设定。而传输带速度和每个区温度的设定取决与SMA 的尺寸大小、元器件密度和SMA 的炉内密度。当最后的曲线图尽可能的与所希望的图形相吻合，应该把炉的参数记录或储存以备后用。虽然这个过程开始很慢和费力，但最终可以取得熟练和速度，结果得到高品质的PCB的高效率的生产4. 回流焊主要缺陷分析：A. 锡珠(Solder Balls)：原因：（1）丝印孔与焊盘不对位，印刷不精确，使锡膏弄脏PCB。 （2）锡膏在氧化环境中暴露过多、吸空气中水份太多。（3）加热不精确，太慢并不均匀。（4）加热速率太快并预热区间太长。（5）锡膏干得太快。（6）助焊剂活性不够。（7）太多颗粒小的锡粉。（8）回流过程中助焊剂挥发性不适当。锡球的工艺认可标准是：当焊盘或印制导线的之间距离为0.13mm时，锡珠直径不能超过0.13mm，或者在600mm平方范围内不能出现超过五个锡珠。 B. 锡桥(Bridging)