电子设备制造工艺——第三章 制造电子产品的常用材料和工具

.,电子产品制造技术,讲课教师陈小勇,第三章制造电子产品的常用材料和工具,常用导线和绝缘材料制造印刷电路板的材料覆铜板焊接材料其他常用材料SMT工艺的生产材料电子产品装配常用五金工具焊接工具,.,3,3.1.1导线,导线是能够导电的金属线，是电能和电磁信号的传输载体。,（1）导线材料,导线分类,可分成裸线、电磁线、绝缘电线电缆和通信电缆四类。,.,4,裸线：指没有绝缘层的单股或多股导线，大部分作为电线电缆的线芯，少部分直接用在电子产品中连接电路。,电磁线：有绝缘层的导线，绝缘方式有表面涂漆或外缠纱、丝、薄膜等，一般用来绕制电感类产品的绕组，所以也叫做绕组线、漆包线。,.,5,绝缘电线电缆：包括固定敷设电线、绝缘软电线和屏蔽线，用做电子产品的电气连接。,通信电缆：包括用在电信系统中的电信电缆和高频电缆。,.,6,导线的构成材料,导线一般由导体芯线和绝缘体外皮组成。,a.导体材料,主要有铜线和铝线。,纯铜线的表面很容易氧化，一般导线是在铜线表面镀耐氧化金属。如：,高频用导线镀银能提高电性能；普通导线镀锡能提高可焊性；耐热导线镀镍能提高耐热性能；,.,7,b.绝缘外皮材料,绝缘外皮除了电气绝缘外，还有增强导线机械强度、保护导线不受外界环境腐蚀的作用。,导线绝缘外皮的材料主要有：塑料类（聚氯乙烯、聚四氟乙烯等）、橡胶类、纤维类（棉、化纤等）、涂料类（聚脂、聚乙烯漆）。,常见的有塑料导线、橡皮导线、纱包线、漆包线等。,.,8,（2）安装导线、屏蔽线,.,9,常用安装导线,表1,.,10,表2,.,11,表3,.,12,选择使用安装导线，要注意以下几点：,a.安全载流量,铜芯导线的安全载流量（25）,.,13,线规：指导线的粗细标准，有线号和线径两种表示方法。,线号制：按导线的粗细排列成一定号码，线号越大，其线径越小，英、美等国家采用线号制。,线径制：用导线直径的毫米（mm）数表示线规，中国采用线径制。,.,14,b.最高耐压和绝缘性能,导线标志的试验电压，是表示导线加电1分钟不发生放电现象的耐压特性。实际使用中，工作电压应该大约为试验电压的1/3-1/5。,c.导线颜色,.,15,选择安装导线颜色的一般习惯,.,16,d.工作环境条件,室温和电子产品机壳内部空间的温度不能超过导线绝缘层的耐热温度；当导线（特别是电源线）受到机械力作用的时候，要考虑它的机械强度。,e.要便于连线操作,.,17,（3）电磁线,常用电磁线的型号、特点及用途,表1,.,18,表2,常用电磁线的型号、特点及用途,.,19,（4）带状电缆（电脑排线）,导线根数有8、12、16、20、24、28、32、37、40线等规格。,.,20,（5）电源软导线,选择电源线的载流量，要比机壳内导线的安全系数大。(2)要考虑气候的变化，应该能经受弯曲和移动。要有足够的机械强度。,.,21,（6）高压电缆,高压电缆一般采用绝缘耐压性能好的聚乙烯或阻燃性聚乙烯作为绝缘层，而且耐压越高，绝缘层就越厚。,耐压与绝缘层厚度的关系,.,22,3.1.2绝缘材料,（1）绝缘材料的主要性能及选择,抗电强度,机械强度,耐热等级,.,23,绝缘材料的耐热等级,.,24,(2)常用绝缘材料,薄型绝缘材料：主要应用于包扎、衬垫、护套等。,包括：绝缘布；有机薄膜；粘带；塑料套管,绝缘漆,热塑性绝缘材料。,热固性层压材料,云母制品,橡胶制品,.,制造印制电路板的材料覆铜板,.,26,准备制作电路板的敷铜板,.,27,人工切割敷铜板,.,28,人工切割敷铜板,.,29,机器切割敷铜板,.,30,3.2.1覆铜板的组成,单面覆铜板,基板,铜箔,.,31,基板,铜箔,双面覆铜板,.,32,覆铜板的基板,酚醛树脂基板和酚醛纸基覆铜板,用酚醛树脂浸渍绝缘纸或棉纤维板，两面加无碱玻璃布，就能制成酚醛树脂层压基板。,环氧树脂基板和环氧玻璃布覆铜板,纤维纸或无碱玻璃布用环氧树脂浸渍后热压而成的环氧树脂层压基板，电气性能和机械性能良好。,.,33,聚四氟乙烯基板和聚四氟乙烯玻璃布覆铜板,用无碱玻璃布浸渍聚四氟乙烯分散乳液后热压制成的层压基板，是一种高度绝缘、耐高温的新型材料。,.,34,铜箔,铜箔是制造覆铜板的关键材料，必须有较高的导电率及良好的焊接性。铜箔表面不得有划痕、砂眼和皱折，金属纯度不低于99.8%，厚度误差不大于5m。,原电子工业部的部颁标准规定：铜箔厚度的标称系列为18m、25m、35m、50m、70m和105m。目前普遍使用的是35m厚度的铜箔。,.,35,粘合剂,铜箔能否牢固地附着在基板上，粘合剂是重要因素。覆铜板的抗剥强度主要取决于粘合剂的性能。常用的覆铜板粘合剂有酚醛树脂、环氧树脂、聚四氟乙烯和聚酰亚胺等。,.,36,3.2.2几种常用覆铜板的性能特点,.,37,表2,.,焊接材料,3.3.1焊接的基础知识,焊接分类及特点焊接一般分三大类：熔焊、接触焊和钎焊。熔焊熔焊是指在焊接过程中，将焊件接头加热至熔化状态，在不外加压力的情况下完成焊接的方法。如电弧焊、气焊等。接触焊在焊接过程中，必须对焊件施加压力(加热或不加热)完成焊接的方法。如超声波焊、脉冲焊、摩擦焊等。,钎焊钎焊采用比被焊件熔点低的金属材料作焊料，将焊件和焊料加热到高于焊料的熔点而低于被焊物的熔点的温度，利用液态焊料润湿被焊物，并与被焊物相互扩散，实现连接。钎焊根据使用焊料熔点的不同又可分为硬钎焊和软钎焊。(450oc)电子产品安装工艺中所谓的“焊接”就是软钎焊的一种，主要使用锡、铅等低熔点合金材料作焊料，因此俗称“锡焊”。,.,41,焊接的机理1,(1)润湿过程熔融的焊料在被焊金属表面上形成均匀、平滑、连续并且付着牢固的合金的过程，称之为焊料在母材表面的润湿。浸润程度主要决定于焊件表面的清洁程度及焊料的表面张力。金属表面看起来是比较光滑的，但在显微镜下面看，有无数的凸凹不平、晶界和伤痕，的焊料就是沿着这些表面上的凸凹和伤痕靠毛细作用润湿扩散开去的，因此焊接时应使焊锡流淌。流淌的过程一般是松香在前面清除氧化膜，焊锡紧跟其后，所以说润湿基本上是熔化的焊料沿着物体表面横向流动。,.,42,焊接的机理2,润湿的好坏用润湿角表示,a）90不润湿b）=90润湿不良c）90润湿良好,.,43,(2)扩散过程几乎在润湿同时，焊料与金属表面分子互相扩散，在接触面形成310um厚合金层，称为扩散过程。例如，用锡铅焊料焊接铜件，焊接过程中既有表面扩散，又有晶界扩散和晶内扩散。锡铅焊料中的铅只参与表面扩散，而锡和铜原子相互扩散，这是不同金属性质决定的选择扩散。正是由于这种扩散作用，在两者界面形成新的合金，从而使焊料和焊件牢固地结合。,焊接的机理3,.,44,合金层,一个好的焊点必须具备：良好的机械性能使元器件牢牢固定在PCB板上优良导电性能,焊接要素,焊接母材的可焊性可焊部位必须清洁焊接工具焊料助焊剂温度（焊锡的最佳温度为2505C）时间（一般IC、三极管焊接时间小于3S，其他元件焊接时间为4-5S）正确的工作方法,3.3.2焊料,焊料凡是用来熔合两种或两种以上的金属面，使之形成一个整体的金属的合金都叫焊料。根据其组成成分，焊料可以分为锡铅焊料、银焊料、及铜焊料。按熔点，焊料又可以分为软焊料（熔点在450以下）和硬焊料（熔点在450以上）。在电子装配中常用的是锡铅焊料,.,47,锡（Sn）是一种质软低熔点的金属，熔点为232，纯锡较贵，质脆而机械性能差；在常温下，锡的抗氧化性强。锡容易同多数金属形成金属化合物。,铅（Pb）是一种浅青白色的软金属，熔点为327，机械性能也很差。铅的塑性好，有较高的抗氧化性和抗腐蚀性。铅属于对人体有害的重金属。,.,48,（1）铅锡合金,铅锡焊料具有一系列铅和锡所不具备的优点：熔点低，低于铅和锡的熔点，有利于焊接；机械强度高，合金的各种机械强度均优于纯锡和铅；表面张力小、粘度下降，增大了液态流动性，有利于在焊接时形成可靠接头；抗氧化性好，铅的抗氧化性优点在合金中继续保持，使焊料在熔化时减少氧化量。,.,49,（2）铅锡合金状态图,上图中在共晶点所对于的对应合金成分为Pb-38.1、Sn-61.9的铅锡合金称为共晶焊锡，它的熔点最低，只有183，是铅锡焊料中性能最好的一种。,.,50,.,51,常用焊锡：一般铅锡焊料的成分及用途,表1,.,52,表2,.,53,电子产品生产常用的低温焊锡,常用焊锡1,焊锡丝是手工焊接用的焊料。焊锡丝是管状的，由焊剂与焊锡制做在一起，在焊锡管中夹带固体焊剂。焊剂一般选用特级松香为基质材料，并添加一定的活化剂。锡铅组分不同，熔点就不同。抗氧化焊锡在锡铅合金中加入少量的活性金属，保护焊锡不被继续氧化。这类焊锡适用于浸焊和波峰焊。,常用焊锡2,焊膏是表面安装技术中的一种重要贴装材料，由焊粉，有机物和溶剂组成，制成糊状物，能方便地用丝网、模板或点膏机印涂在印制电路板上。含银的焊锡在锡铅焊料中添加0.52.0的银，可减少镀银件中的银在焊料中的溶解量，并可降低焊料的熔点。,.,56,3.3.3助焊剂,（1）助焊剂的作用,去除氧化膜防止氧化减小表面张力使焊点美观,（2）助焊剂的分类,见下表,.,57,助焊剂的分类及主要成分,.,58,无机焊剂的活性最强，能除去金属表面的氧化膜，但同时有强腐蚀作用，一般不能在焊接电子产品中使用。,有机焊剂的活性次于氯化物，有较好的助焊作用，但是也有一定腐蚀性，残渣不易清理，且挥发物对操作者有害。,说明：,.,59,松香焊剂主要成分是松香，松香加热到70以上时开始呈液态，此时有一定的化学活性，呈现较弱的酸性，可与金属表面的氧化物发生化学反应；冷却后松香又变成稳定的固体，无腐蚀性，绝缘性强。,.,60,2.3.4膏状焊料,用再流焊设备焊接SMT电路板要使用膏状焊料。膏状焊料俗称焊膏，焊锡膏由焊粉和糊状助焊剂组成。,锡膏,.,61,（1）焊粉和助焊剂,焊粉,焊粉是合金粉末，是焊膏的主要成分。焊粉是把合金材料在惰性气体（如氩气）中用喷吹法或高速离心法生产的，并储存在氮气中避免氧化。,焊粉的合金组分、颗粒形状和尺寸对焊膏的特性和焊接的质量（焊点的润湿、高度和可靠性）产生关键性的影响。,.,62,理想的焊粉应该是粒度一致的球状颗粒，国内外销售的焊粉的粒度有150目、200目、250目、350目和400目等的数种。注：粒度用来描述颗粒状物质的粗细程度，原指筛网在每1英寸长度上有多少个筛孔（目数），目数越多，筛孔就越小，能通过的颗粒就越细小。,.,63,常用焊粉的金属成分对温度特性及焊膏用途的影响,表1,.,64,表2,常用焊粉的金属成分对温度特性及焊膏用途的影响,.,65,对不同粒度等级的焊粉的质量要求,.,66,助焊剂,助焊剂重量百分含量一般占焊膏的8-15%，其主要成分有树脂（光敏胶）、活性剂和稳定剂等。助焊剂的化学活性可分为3个等级：非活性（R,松香助焊剂-Rosinflux）、中等活性（RMA，MiddleActivated）和全活性（RA，Activated）。,.,67,在向印制电路板上涂敷焊膏时，助焊剂影响焊膏图形的形状、厚度及塌落度。一般，采用模板印刷的焊膏，其助焊剂含量不超过10%。在贴放元器件时，助焊剂影响粘度，助焊剂的含量高，粘度就小。,注意：,.,68,在再流焊过程中，助焊剂决定焊膏的润湿性、焊点的形状以及焊料球飞溅的程度。焊接完成后，助焊剂残留物的性质决定采用免清洗、可不清洗、溶剂清洗或水清洗工艺。免清洗焊膏内的助焊剂含量不得超过10%。助焊剂的成分影响焊膏的存储寿命。,.,69,焊膏中助焊剂的主要成分及其作用,.,70,（2）焊膏的组成和技术要求,焊膏是用合金焊料粉末和触变性助焊剂均匀混合的乳浊液。,组成：,.,71,对焊膏的技术要求：,合金组分尽量达到共晶温度特性。在存储期间，焊膏的性质保持不变，合金焊粉与助焊剂不分层。焊膏的粘度满足工艺要求，具有良好的触变性。,触变性，是指胶体物质随外力作用而改变粘度的特性。,.,72,焊料中合金焊粉的颗粒均匀，微粉少，助焊剂融熔汽化时不会爆裂，保证在再流焊时润湿性好，减少焊料球的飞溅。,涂敷焊膏的不同方法对焊膏粘度的要求,.,73,（3）常用焊锡膏及选择依据,市场销售的焊锡膏品种及适用范围,.,74,选择依据：,要根据电子产品本身的价值和用途选择焊膏的档次。根据产品的生产流程、印制电路板的制板工艺和元器件的情况来确定焊膏的合金组分：,最常用的焊膏合金组分是Sn63Pb37和Sn62Pb36Ag2；焊端或引脚采用钯金、钯银厚膜电极或可焊性差的元器件应该选择含银焊膏。,.,75,根据对印制电路板清洁度的要求以及焊接以后的清洗工艺来选择焊膏：采用溶剂清洗工艺时，要选用溶剂清洗型焊膏；采用水清洗工艺时，要选用水溶性焊膏；采用免清洗工艺时，要选用不含卤素和强腐蚀性化合物的免清洗焊膏；焊接BGA、CSP封装的集成电路，芯片的焊点处难于清洗，应该选用高质量的免清洗含银焊膏。,.,76,根据印制电路板和元器件的库存时间和表面氧化程度选择不同活性的焊膏。焊接一般SMT产品，采用活性RMA级的焊膏；高可靠性、航天和军工电子产品，可以选择R级活性的焊膏；印制板和元器件存放的时间长，表面氧化严重的，应该采用RA级活性的焊膏，焊接以后要清洗。,.,77,根据电路板的组装密度选择不同合金焊粉粒度的焊膏，焊接窄间距焊盘和引脚的电路板，要采用粒度3型（20-45m）的焊膏。根据在电路板上涂敷焊膏的方法和组装密度选择不同粘度的焊膏，高密度印刷工艺要求焊膏的粘度高，手工滴涂要求焊膏的粘度低。,.,78,（4）焊膏管理与使用的注意事项,焊膏通常应该保存在5-10的低温环境下，可以储存在电冰箱的冷藏室内。一般应该在使用的前一天从冰箱中取出焊膏。观察锡膏，如果表面变硬或有助焊剂析出，必须进行特殊处理，否则不能使用。使用时取出焊膏后，应该盖好容器盖，避免助焊剂挥发。,.,79,涂敷焊膏和贴装元器件时，操作者应该戴手套，避免污染电路板。如涂敷不准确，必须擦洗掉焊膏再重新涂敷。擦洗免清洗焊膏不得使用酒精。印好焊膏的电路板要及时贴装元器件，尽量在4小时内完成再流焊。免清洗焊膏原则上不允许回收使用。再流焊的电路板，需要清洗的应该在当天完成清洗，防止焊锡膏的残留物对电路产生腐蚀。,3.3.5阻焊剂,阻焊剂的作用在焊接时可将不需要焊接的部位涂上阻焊剂保护起来，使焊接仅在需要焊接的焊接点上进行。广泛用于浸焊和波峰焊。阻焊剂的优点防止焊锡桥连造成短路。使焊点饱满，减少虚焊，而且有助于节约焊料。由于板面部分为阻焊剂膜所覆盖，焊接时板面受到的热冲击小，因而不易起泡、分层。,对阻焊剂的要求粘度适宜，不封网，不润图像。在250-270oC的锡焊温度中经过1025s而不起泡；具有较好的耐溶剂化学药品性，能经受焊前的化学处理,有一定的机械强度，能承受尼龙刷的打磨抛光处理。阻焊剂的种类阻焊剂可分为热固化型、紫外线光固化型及电子束漫射固化型等几种。,.,82,3.3.6无铅焊料,（1）铅及其化合物带来的污染,（2）无铅焊接工艺的提出,日本首先研制出无铅焊料，立法规定有铅焊接的终止期限为2003年年底，从2004年开始将不允许含铅电子产品进口；欧盟2006年在电子产品中限制使用包括铅在内的有害物质。,.,83,（3）无铅焊料的研究与推广,对无铅焊料的理想化技术要求如下：,无毒性性能好兼容性好材料成本低,无铅锡丝,.,84,最有可能替代铅锡焊料的无毒合金是以锡（Sn）为主，添加银（Ag）、锌（Zn）、铜（Cu）、锑（Sb）、铋（Bi）、铟（In）等金属元素。,无铅焊料的可能选择方案：,Sn-Ag系焊料Sn-Zn系焊料Sn-Bi系焊料,.,85,无铅波峰焊设备,.,86,（4）无铅焊料引发的新课题,元器件问题印制电路板问题助焊剂问题焊接设备问题工艺流程中的问题废料回收问题,.,其它常用材料,.,88,3.4.1粘合剂,.,89,SMT所用的粘合剂,.,90,(1)SMT工艺对粘合剂的要求,对应用于SMT工艺来说，理想的粘合剂应该具有下列性能：,化学成分简单制造容易；存放期长不需要冷藏而不易变质；良好的填充性能能填充电路板与元器件之间的间隙；不导电不会造成短路；触变性好滴下的轮廓良好，不流动，不会因流动而污染元器件的焊盘；,.,91,无腐蚀不会腐蚀基板或元器件；充分的预固化粘性能靠粘性从贴装头上取下元器件；充分的在固化粘接强度能够可靠地固定元器件；化学性质稳定与助焊剂和清洗剂不会发生反应；可鉴别的颜色适合于视觉检查。,.,92,从加工操作的角度考虑，粘合剂还应该符合的要求有：,使用操作方法简单点滴、注射、丝网印刷等；容易固化固化温度低（不超过150-180，一般150）、耗能少、时间短（5s）；耐高温在波峰焊的温度（2505）下不会融化；可修正在固化以后，用电烙铁加热能再次软化，容易取下元器件。,.,93,市场上能够买到的贴片胶有两大类：,(3)SMT工艺常用的粘合剂,环氧树脂类贴片胶。热固化。,聚丙烯类贴片胶热固化和紫外光照射固化。,.,94,SMT工艺常用贴片胶,表1,.,95,.,96,电子安装小配件,（1）散热器,.,97,（2）焊片,常用焊片的形状和尺寸,.,98,（3）压片、卡子,.,焊接工具,.,100,3.5.1电烙铁分类及结构,按加热方式分类：有直热式、感应式等；从功能分：有单用式、两用式、调温式、恒温式等。按烙铁功率分类：20W、30W、500W等；,.,101,（1）直热式电烙铁,内热式电烙铁,.,102,特点：发热快、体积小、重量轻和耗电低,.,103,外热式电烙铁,.,104,外热直立式电烙铁的规格按功率分有30W、45W、75W、100W、200W、300W等,.,105,（2）感应式电烙铁,感应式电烙铁也叫速热烙铁，俗称焊枪。,特点：加热速度快；只需几秒钟。对电荷敏感器件，如绝缘栅型MOS电路，不能使用感应式电烙铁。,.,106,（3）两用式电烙铁,一种焊接、拆焊两用的电烙铁，又称吸锡电烙铁。,.,107,（4）调温式电烙铁,.,108,温控电烙铁,烙铁架,清洁海绵,烙铁架基座,电线,发热器指示灯,控温旋钮,校准旋钮,电源开关,烙铁头,烙铁手柄,主机,调温电烙铁：有自动和手动两种。手动式：将烙铁接到一个可调电源上，由调压器上的刻度可调定烙铁温度。自动式：靠温度传感器监测烙铁头的温度，并通过放大器将温度传感器输出信号放大，控制调压电路，达到恒温目的。,.,110,特点：恒温装置在烙铁本体内，核心是装在烙铁头上的强磁体传感器。升温快,TIP能在4S内自动升温到所需的温度温度稳定性好,1.1oC符合ESD防护的标准。,恒温式电烙铁：,.,111,（5）电烙铁的合