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文檔簡介
1、基礎(chǔ)知識 SMT 基本常識SMT 就是表面組裝技術(shù)(Surface Mounted Technology的縮寫),是目前電子組裝行業(yè)里最流行的一種技術(shù)和工藝。SMT 有何特點(diǎn):組裝密度高、電子產(chǎn)品體積小、重量輕,貼片元件的體積和重量只有傳統(tǒng)插裝元件的1/10左右,一般采用SMT 之后,電子產(chǎn)品體積縮小 40%60% ,重量減輕 60%80% 。 可靠性高、抗振能力強(qiáng)。焊點(diǎn)缺陷率低。 高頻特性好。減少了電磁和射頻干擾。 易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,提高生產(chǎn)效率。降低成本達(dá) 30%50% 。 節(jié)省材料、能源、設(shè)備、人力、時(shí)間等。 為什么要用 SMT : 電子產(chǎn)品追求小型化,以前使用的穿孔插件元件已無法縮小 電
2、子產(chǎn)品功能更完整,所采用的集成電路 (IC) 已無穿孔元件,特別是大規(guī)模、高集成IC ,不得不采用表面貼片元件產(chǎn)品批量化,生產(chǎn)自動(dòng)化,廠方要以低成本高產(chǎn)量,出產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品以迎合顧客需求及加強(qiáng)市場競爭力電子元件的發(fā)展,集成電路 (IC) 的開發(fā),半導(dǎo)體材料的多元應(yīng)用電子科技革命勢在必行,追逐國際潮流SMT 工藝流程 -雙面組裝工藝A:來料檢測1èPCB 的 A 面絲印焊膏(點(diǎn)貼片膠)è貼片 è烘干(固化) èA 面回流焊接 è清洗 è翻板 èPCB 的 B 面絲印焊膏(點(diǎn)貼片膠)è貼片 è烘干 è回
3、流焊接(最好僅對 B 面 è清洗 è檢測 è返修) 此工藝適用于在 PCB 兩面均貼裝有 PLCC 等較大的 SMD 時(shí)采用。B:來料檢測 èPCB 的 A 面絲印焊膏(點(diǎn)貼片膠)è貼片 è烘干(固化) èA 面回流焊接 è清洗 è翻板 èPCB 的 B 面點(diǎn)貼片膠 è貼片 è固化 èB 面波峰焊 è清洗 è檢測 è返修) 此工藝適用于在 PCB 的 A 面回流焊, B 面波峰焊。在 PCB 的 B 面組裝的SMD 中,只有 SOT 或
4、 SOIC(28 )引腳以下時(shí),宜采用此工藝。助焊劑產(chǎn)品的基本知識一. 表面貼裝用助焊劑的要求具一定的化學(xué)活性 具有良好的熱穩(wěn)定性具有良好的潤濕性對焊料的擴(kuò)展具有促進(jìn)作用 留存于基板的焊劑殘?jiān)?, 對基板無腐蝕性具有良好的清洗性氯的含有量在0.2%(W/W)以下 . 二. 助焊劑的作用焊接工序: 預(yù)熱 /焊料開始熔化 / 焊料合金形成 / 焊點(diǎn)形成 / 焊料固化作用 : 輔助熱傳異/ 去除氧化物 / 降低表面張力 / 防止再氧化說 明: 溶劑蒸發(fā) / 受熱 , 焊劑覆蓋在基材和焊料表面 , 使傳熱均勻 / 放出活化劑與基材表面的離子狀態(tài)的氧化物反應(yīng) ,去除氧化膜 / 使熔融焊料表面張力小 ,
5、潤濕良好 / 覆蓋在高溫焊料表面 ,控制氧化改善焊點(diǎn)質(zhì)量. 三. 助焊劑的物理特性助焊劑的物理特性主2要是指與焊接性能相關(guān)的溶點(diǎn), 沸點(diǎn) , 軟化點(diǎn) ,?;瘻囟?, 蒸氣 壓, 表面張力 , 粘度 , 混合性等 . 四. 助焊劑殘?jiān)a(chǎn)生的不良與對策助焊劑殘?jiān)鼤?huì)造成的問題對基板有一定的腐蝕性降低電導(dǎo)性 , 產(chǎn)生遷移或短路 非導(dǎo)電性的固形物如侵入元件接觸部會(huì)引起接合不良樹脂殘留過多 , 粘連灰塵及雜物 影響產(chǎn)品的使用可靠性 使用理由及對策選用合適的助焊劑 , 其活化劑活性適中使用焊后可形成保護(hù)膜的助焊劑 使用焊后無樹脂殘留的助焊劑使用低固含量免清洗助焊劑焊接后清洗五 .QQ-S-571E 規(guī)定的焊
6、劑分類代號代號 焊劑類型 S固體適度 ( 無焊劑 ) R 松香焊劑 RMA 弱活性松香焊劑RA 活性松香或樹脂焊劑 AC 不含松香或樹脂的焊劑美國的合成樹脂焊劑分類: SR非活性合成樹脂 , 松香類 SMAR 中度活性合成樹脂 , 松香類 SAR 活性合成樹脂 , 松香類 SSAR 極活性合成樹脂 , 松香類六.助焊劑噴涂方式和工藝因素噴涂方式有以下三種: 1. 超聲噴涂 :將頻率大于20KHz 的振蕩電能通過壓電陶瓷換能器轉(zhuǎn)換成機(jī)械能, 把焊劑霧化 ,經(jīng)壓力噴嘴到 PCB 上. 2. 絲網(wǎng)封方式 : 由微細(xì) , 高密度小孔絲網(wǎng)的鼓旋轉(zhuǎn)空氣刀將焊劑噴出 , 由產(chǎn) 生的噴霧 ,噴到 PCB 上.
7、 3. 壓力噴嘴噴涂 :直接用壓力和空氣帶焊劑從噴嘴噴出噴涂工藝因素 : 設(shè)定噴嘴的孔徑, 烽量 , 形狀 , 噴嘴間距 , 避免重疊影響噴涂的均勻性 . 設(shè)定超聲霧化器電壓 , 以獲取正常的霧化量 . 噴嘴運(yùn)動(dòng)速度的選擇 PCB 傳送帶速3度的設(shè)定焊劑的固含量要穩(wěn)定設(shè)定相應(yīng)的噴涂寬度七. 免清洗助焊劑的主要特性可焊性好, 焊點(diǎn)飽滿 , 無焊珠 ,橋連等不良產(chǎn)生無毒 ,不污染環(huán)境 , 操作安全焊后板面干燥 ,無腐蝕性 , 不粘板焊后具有在線測試能力與 SMD 和 PCB 板有相應(yīng)材料匹配性焊后有符合規(guī)定的表面絕緣電阻值 (SIR)適應(yīng)焊接工藝 (浸焊 , 發(fā)泡 , 噴霧 ,涂敷等助焊劑常見狀況
8、與分析一、焊后 PCB 板面殘留多板子臟 : 1. 焊接前未預(yù)熱或預(yù)熱溫度過低 ( 浸焊時(shí),時(shí)間太短 ) 。 2. 走板速度太快 (FLUX未能充分揮發(fā) )。 3. 錫爐溫度不夠。4. 錫液中加了防氧化劑或防氧化油造成的。5. 助焊劑涂布太多。6. 元件腳和板孔不成比例(孔太大)使助焊劑上升 。 9FLUX 使用過程中 ,較長時(shí)間未添加稀釋劑。二、 著 火: 1. 波峰爐本身沒有風(fēng)刀 , 造成助焊劑涂布量過多 , 預(yù)熱時(shí)滴到加熱管上。2. 風(fēng)刀的角度不對 (使助焊劑在 PCB 上涂布不均勻) 。 3.PCB 上膠條太多 , 把膠條引燃了。4. 走板速度太快 (FLUX未完全揮發(fā) ,FLUX 滴
9、下 )或太慢 ( 造成板面熱溫度太高 )。 5. 工藝問題(PCB 板材不好同時(shí)發(fā)熱管與PCB 距離太近 ) 。 三、腐蝕(元器件發(fā)綠,焊點(diǎn)發(fā)黑)預(yù)熱不充分(預(yù)熱溫度低,走板速度快)造成FLUX 殘留多,有害物殘留太多) 。使用需要清洗的助焊劑,焊完后未清洗或未及時(shí)清洗。四、連電,漏電(絕緣性不好)PCB 設(shè)計(jì)不合理,布線太近等。PCB 阻焊膜質(zhì)量不好,容易導(dǎo)電。五、4漏焊,虛焊,連焊FLUX 涂布的量太少或不均勻。部分焊盤或焊腳氧化嚴(yán)重。PCB 布線不合理(元零件分布不合理) 。 發(fā)泡管堵塞,發(fā)泡不均勻,造成 FLUX 在 PCB 上涂布不均勻。手浸錫時(shí)操作方法不當(dāng)。 鏈條傾角不合理。波峰不
10、平。 六、焊點(diǎn)太亮或焊點(diǎn)不亮1 可通過選擇光亮型或消光型的FLUX 來解決此問題); 2 所用錫不好(如:錫含量太低等) 。 七、短 路 1 )錫液造成短路:A、發(fā)生了連焊但未檢出。B、錫液未達(dá)到正常工作溫度,焊點(diǎn)間有“錫絲 ”搭橋。 C、焊點(diǎn)間有細(xì)微錫珠搭橋 。 D、發(fā)生了連焊即架橋 。 2 ) PCB的問題:如:PCB 本身阻焊膜脫落造成短路八、煙大,味大: 1.FLUX本身的問題A、樹脂:如果用普通樹脂煙氣較大B、溶劑:這里指FLUX 所用溶劑的氣味或刺激性氣味可能較大C、活化劑:煙霧大、且有刺激性氣味2. 排風(fēng)系統(tǒng)不完善九、飛濺、錫珠: 1 )工 藝 A 、預(yù)熱溫度低( FLUX 溶劑
11、未完全揮發(fā))B、走板速度快未達(dá)到預(yù)熱效果 C、鏈條傾角不好,錫液與PCB 間有氣泡,氣泡爆裂后產(chǎn)生錫珠D、手浸錫時(shí)操作方法不當(dāng)E、工作環(huán)境潮濕2)P C B 板的問題A、板面潮濕,未經(jīng)完全預(yù)熱,或有水分產(chǎn)生B、PCB 跑氣的孔設(shè)計(jì)不合理,造成 PCB 與錫液間窩氣C、PCB 設(shè)計(jì)不合理,零件腳太密集造成窩氣十、上錫不好 , 焊點(diǎn)不飽滿使用的是雙波峰工藝,一次過錫時(shí) FLUX 中的有效分已完全揮發(fā)走板速度過慢,使預(yù)熱溫度過高5FLUX 涂布的不均勻。 焊盤 , 元器件腳氧化嚴(yán)重 ,造成吃錫不良FLUX涂布太少;未能使PCB 焊盤及元件腳完全浸潤PCB 設(shè)計(jì)不合理;造成元器件在PCB 上的排布不合
12、理,影響了部分元器件的上錫十一、 FLUX 發(fā)泡不好FLUX 的選型不對發(fā)泡管孔過大或發(fā)泡槽的發(fā)泡區(qū)域過大氣泵氣壓太低發(fā)泡管有管孔漏氣或堵塞氣孔的狀況, 造成發(fā)泡不均勻稀釋劑添加過多十二、發(fā)泡太好氣壓太高發(fā)泡區(qū)域太小 助焊槽中 FLUX 添加過多未及時(shí)添加稀釋劑 , 造成 FLUX 濃度過高 十三、FLUX 的顏色有些無透明的 FLUX 中添加了少許感光型添加劑,此類添加劑遇光后變色,但不影響FLUX 的焊接效果及性能; 十四、 PCB 阻焊膜脫落、剝離或起泡1 、80% 以上的原因是PCB 制造過程中出的問題A、清洗不干凈B、劣質(zhì)阻焊膜C、PCB板材與阻焊膜不匹配D、鉆孔中有臟東西進(jìn)入阻焊膜
13、E、熱風(fēng)整平時(shí)過錫次數(shù)太多2 、錫液溫度或預(yù)熱溫度過高3 、焊接時(shí)次數(shù)過多4 、手浸錫操作時(shí), PCB 在錫液表面停留時(shí)間過錫膏印刷IlYGl(KIShO36dp本文介紹: “即使是最好的錫膏、設(shè)備和應(yīng)用方法,也不一定充分保證得到可接受的結(jié)果。使用者必須控制工藝過程和設(shè)備變量,以達(dá)到良好的印刷品質(zhì)。 ”在表面貼裝裝配的回流焊接中,錫膏用于表面貼裝元件的引腳或端子與焊盤之間的連接。有許多變量,如錫膏、絲印機(jī)、錫膏應(yīng)用方法和印刷工藝過程。在印刷錫膏的過程中,基板放在工作臺上,機(jī)械地或真空夾緊定位,用定位銷或視覺來對準(zhǔn)。或者絲網(wǎng) (screen)或者模板 (stencil)用于錫膏印刷。本文將著重討
14、論幾個(gè)關(guān)鍵的錫膏印刷問題,如模板設(shè)計(jì)和印刷工藝過程。印刷工藝過程與設(shè)備在錫膏印刷過程中 ,印刷機(jī)是達(dá)到所希望的印刷品質(zhì)的關(guān)鍵。今天可購買到的絲印機(jī)分為兩種主要類型:實(shí)驗(yàn)室與生產(chǎn)。每個(gè)類型有進(jìn)一步的分類,因?yàn)槊總€(gè)公司希望從實(shí)驗(yàn)室與生產(chǎn)類型的印刷機(jī)得到不同的性能水平。例如,一個(gè)公司的研究與開發(fā)部門(R&D) 使用實(shí)驗(yàn)室類型制作產(chǎn)品原型,而生產(chǎn)則會(huì)用另一種類型。還有,生產(chǎn)要求可能變化很大,取決于產(chǎn)量。因?yàn)榧す馇懈钤O(shè)備是不可能分類的,最好是選擇與所希望的應(yīng)用相適應(yīng)的絲印機(jī)。在手工或半自動(dòng)印刷機(jī)中,錫膏是手工地放在模板/ 絲網(wǎng)上,這時(shí)印刷刮板(squeegee)處于模板的另一端。在自動(dòng)印刷機(jī)中,
15、錫膏是自動(dòng)分配的。在印刷過程中,印刷刮板向下壓在模板上,使模板底面接觸到電路板頂面。當(dāng)刮板走過所腐蝕的整個(gè)圖形區(qū)域長度時(shí),錫膏通過模板7/ 絲網(wǎng)上的開孔印刷到焊盤上。在錫膏已經(jīng)沉積之后,絲網(wǎng)在刮板之后馬上脫開 (snap off) ,回到原地。這個(gè)間隔或脫開距離是設(shè)備設(shè)計(jì)所定的,大約 0.020"0.040"。脫開距離與刮板壓力是兩個(gè)達(dá)到良好印刷品質(zhì)的與設(shè)備有關(guān)的重要變量。如果沒有脫開,這個(gè)過程叫接觸 (on-contact)印刷。當(dāng)使用全金屬模板和刮刀時(shí),使用接觸印刷。非接觸 (off-contact)印刷用于柔性的金屬絲網(wǎng)。刮板(squeegee) 類型刮板的磨損、壓力
16、和硬度決定印刷質(zhì)量,應(yīng)該仔細(xì)監(jiān)測。對可接受的印刷品質(zhì),刮板邊緣應(yīng)該鋒利和直線。刮板壓力低造成遺漏和粗糙的邊緣 ,而刮板壓力高或很軟的刮板將引起斑點(diǎn)狀的 (smeared) 印刷,甚至可能損壞刮板和模板或絲網(wǎng)。過高的壓力也傾向于從寬的開孔中挖出錫膏,引起焊錫圓角不夠。常見有兩種刮板類型:橡膠或聚氨酯 (polyurethane)刮板和金屬刮板。當(dāng)使用橡膠刮板時(shí),使用 70-90 橡膠硬度計(jì) (durometer)硬度的刮板。當(dāng)使用過高的壓力時(shí),滲入到模板底部的錫膏可能造成錫橋,要求頻繁的底部抹擦。為了防止底部滲透,焊盤開口在印刷時(shí)必須提供密封(gasketing) 作用。這取決于模板開孔壁的粗糙
17、度。金屬刮刀也是常用的。隨著更密間距元件的使用,金屬刮刀的用量在增加。它們由不銹鋼或黃銅制成,具有平的刀片形狀,使用的印刷角度為3045 °。一些刮刀涂有潤滑材料。因?yàn)槭褂幂^低的壓力,它們不會(huì)8從開孔中挖出錫膏,還因?yàn)槭墙饘俚?,它們不象橡膠刮板那樣容易磨損,因此不需要鋒利。它們比橡膠刮板成本貴得多,并可能引起模板磨損。使用不同的刮板類型在使用標(biāo)準(zhǔn)元件和密腳元件的印刷電路裝配 (PCA) 中是有區(qū)分的。錫膏量的要求對每一種元件有很大的不同。密間距元件要求比標(biāo)準(zhǔn)表面貼裝元件少得多的焊錫量。焊盤面積和厚度控制錫膏量 。一些工程師使用雙厚度的模板來對密腳元件和標(biāo)準(zhǔn)表面貼裝焊盤施用適當(dāng)?shù)腻a膏數(shù)
18、量。其它工程師采用一種不同的方法- 他們使用不需要經(jīng)常鋒利的更經(jīng)濟(jì)的金屬刮刀。用金屬刮刀更容易防止錫膏沉積量的變化,但這種方法要求改良的模板開孔設(shè)計(jì)來防止在密間距焊盤上過多的錫膏沉積。這個(gè)方法在工業(yè)上變得更受歡迎,但是,使用雙厚度印刷的橡膠刮板也還沒有消失。模板(stencil)類型重要的印刷品質(zhì)變量包括模板孔壁的精度和光潔度。保存模板寬度與厚度的適當(dāng)?shù)目v橫比(aspect ratio)是重要的。推薦的縱橫比為1.5 。這對防止模板阻塞是重要。一般,如果縱橫比小于 1.5 ,錫膏會(huì)保留在開孔內(nèi) 。除了縱橫比之外 ,如 IPC-7525模板設(shè)計(jì)指南所推薦的,還要有大于0.66的面積比 ( 焊盤面
19、積除以孔壁面積 )。IPC-7525可作為模板設(shè)計(jì)的一個(gè)良好開端。制作開孔的工藝過程控制開孔壁的光潔度和精度。有三種常見的制作模板的工藝:化學(xué)腐蝕、激光切割和加成(additive)工藝?;瘜W(xué)9腐蝕 (chemically etched)模板金屬模板和柔性金屬模板是使用兩個(gè)陽性圖形通過從兩面的化學(xué)研磨來蝕刻的。在這個(gè)過程中,蝕刻不僅在所希望的垂直方向進(jìn)行,而且在橫向也有。這叫做底切(undercutting) -開孔比希望的較大,造成額外的焊錫沉積。因?yàn)?0/50從兩面進(jìn)行蝕刻,其結(jié)果是幾乎直線的孔壁,在中間有微微沙漏形的收窄。因?yàn)殡娢g刻模板孔壁可能不平滑,電拋光,一個(gè)微蝕刻工藝,是達(dá)到平滑孔
20、壁的一個(gè)方法。另一個(gè)達(dá)到較平滑孔壁的方法是鍍鎳層 (nickel plating)。拋光或平滑的表面對錫膏的釋放是好的,但可能引起錫膏越過模板表面而不在刮板前滾動(dòng)。這個(gè)問題可通過選擇性地拋光孔壁而不是整個(gè)模板表面來避免。鍍鎳進(jìn)一步改善平滑度和印刷性能。可是,它減小了開孔,要求圖形調(diào)整激光切割 (laser-cut)模板激光切割是另一種減去 (subtractive)工藝,但它沒有底切問題。模板直接從Gerber數(shù)據(jù)制作,因此開孔精度得到改善。數(shù)據(jù)可按需要調(diào)整以改變尺寸。更好的過程控制也會(huì)改善開孔精度。激光切割模板的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是孔壁可成錐形。化學(xué)蝕刻的模板也可以成錐形,如果只從一面腐蝕,但是開孔
21、尺寸可能太大。板面的開口稍微比刮板面的大一點(diǎn)的錐形開孔(0.001"0.002",產(chǎn)生大約 2°的角度 ),對錫膏釋放更容易。激光切割可以制作出小至 0.004" 的開孔寬度,精度達(dá)到0.0005",因此很適合于超密間距10(ultra-fine-pitch)的元件印刷。激光切割的模板也會(huì)產(chǎn)生粗糙的邊緣,因?yàn)樵谇懈钇陂g汽化的金屬變成金屬渣。這可能引起錫膏阻塞。更平滑的孔壁可通過微蝕刻來產(chǎn)生。激光切割的模板如果沒有預(yù)先對需要較薄的區(qū)域進(jìn)行化學(xué)腐蝕,就不能制成臺階式多級模板。激光一個(gè)一個(gè)地切割每一個(gè)開孔,因此模板成本是要切割的開孔數(shù)量而定。電鑄成型
22、 (electroformed)模板制作模板的第三種工藝是一種加成工藝,最普遍地叫做電鑄成型。在這個(gè)工藝中,鎳沉積在銅質(zhì)的陰極心上以形成開孔。一種光敏干膠片疊層在銅箔上( 大約 0.25" 厚度)。膠片用紫外光通過有模板圖案的遮光膜進(jìn)行聚合 。經(jīng)過顯影后,在銅質(zhì)心上產(chǎn)生陰極圖案 ,只有模板開孔保持用光刻膠 (photoresist)覆蓋。然后在光刻膠的周圍通過鍍鎳形成了模板。在達(dá)到所希望的模板厚度后,把光刻膠從開孔除掉。電鑄成型的鎳箔通過彎曲從銅心上分開 - 一個(gè)關(guān)鍵的工藝步驟。現(xiàn)在箔片準(zhǔn)備好裝框,制作模板的其它步驟。電鑄成型臺階式模板可以做得到,但成本增加。由于可達(dá)到精密的公差,電
23、鑄成型的模板提供良好的密封作用,減少了模板底面的錫膏滲漏。這意味著模板底面擦拭的頻率顯著地降低,減少潛在的錫橋。結(jié)論化學(xué)腐蝕和激光切割是制作模板的減去工藝?;瘜W(xué)蝕刻工藝是最老的、使用最廣的。激光切割相對較新,而電鑄成型模板是最新時(shí)興的東西。為了達(dá)到良好的印刷結(jié)果,必須11有正確的錫膏材料 (黏度、金屬含量、最大粉末尺寸和盡可能最低的助焊劑活性 ) 、正確的工具 ( 印刷機(jī)、模板和刮刀 ) 和正確的工藝過程( 良好的定位、清潔拭擦 ) 的結(jié)合。W&O(g#Cq*,n-#H9gWt/m_Rp ki#i712y0b>o印刷的相關(guān)術(shù)語1 開孔面積百分率open mesh area per
24、centage絲網(wǎng)所有網(wǎng)孔的面積與相應(yīng)的絲網(wǎng)總面積之比,用百分?jǐn)?shù)表示。2模版開孔面積open stencil area絲網(wǎng)印刷模版上所有圖像區(qū)域面積的總和。3網(wǎng)框外尺寸outer frame dimension在網(wǎng)框水平位置上,測得包括網(wǎng)框上所有部件在內(nèi)的長與寬的乘積。4印刷頭 printing head印刷機(jī)上通過靠著印版動(dòng)作、為焊膏或膠水轉(zhuǎn)移提供必要壓力的部件。 5焊膏或膠水印刷過程中敷附于PCB 板上的物質(zhì)。6印刷面printing side(lowerside)絲網(wǎng)印版的底面 ,即焊膏或膠水與PCB 板相接觸的一面。 7 絲網(wǎng) screen mesh一種帶有排列規(guī)則、大小相同的開孔的絲
25、網(wǎng)印刷模版的載體。8 絲網(wǎng)印刷screen printing使用印刷區(qū)域呈篩網(wǎng)狀開孔印版的漏印方式。9 印刷網(wǎng)框screenprinting frame固定并支撐絲網(wǎng)印刷模版載體的框架裝置。10離網(wǎng) snap-off印刷過程中,絲網(wǎng)印版與附著于PCB 板上的焊膏或膠水的脫離。11刮刀 squeegee在絲網(wǎng)印刷中,迫使絲網(wǎng)印版緊靠PCB 板,并使焊膏或膠水透過絲網(wǎng)印版的開孔轉(zhuǎn)移到 PCB 板上,同時(shí)刮除印版上多余焊膏或膠水的裝置。 12刮刀角度squeegee angle刮刀的切線方向與PCB 板水平面或與壓印輥接觸點(diǎn)的切線之間的夾角,在刮刀定位后非受力或非運(yùn)動(dòng)13的狀態(tài)下測得。13 刮刀 s
26、queegee blade刮刀的刀狀部分,直接作用于印版上的印刷焊膏或膠水,使焊膏或膠水附著在PCB板上。14 刮區(qū) squeegeeing area刮刀在印版上刮墨運(yùn)行的區(qū)域。15 刮刀相對壓力squeegee pressure, relative刮刀在某一段行程內(nèi)作用于印版上的線性壓力除以這段行程的長度。16絲網(wǎng)厚度thickness of mesh絲網(wǎng)模版載體上下兩面之間的距離。錫膏印刷質(zhì)量控制在表面貼裝裝配的回流焊接中,錫膏用于表面貼裝元件的引腳或端子與焊盤之間的連接。有許多變量,如錫膏、絲印機(jī)、錫膏應(yīng)用方法和印刷工藝過程。在印刷錫膏的過程中,基板放在工作臺上,機(jī)械地或真空夾緊定位,用
27、定位銷或視覺來對準(zhǔn)?;蛘呓z網(wǎng) (screen)或者模板 (stencil)用于錫膏印刷。本文將著重討論幾個(gè)關(guān)鍵的錫膏印刷問題,如模板設(shè)計(jì)和印刷工藝過程。印刷工藝過程與設(shè)備在錫膏印刷過程中 ,印刷機(jī)是達(dá)到所希望的印刷品質(zhì)的關(guān)鍵。今天可購買到的絲印機(jī)分為兩種主要類型:實(shí)驗(yàn)室與生產(chǎn)。每個(gè)類型有進(jìn)一步的分類,因?yàn)槊總€(gè)公司希望從實(shí)驗(yàn)室與生產(chǎn)類型的印刷機(jī)得到不同的性能水平。例如,一個(gè)公司的研究與開發(fā)部門 (R&D) 使用實(shí)驗(yàn)室類型制作產(chǎn)品原型,而生產(chǎn)則會(huì)用另一種類型。還有,生產(chǎn)要求可能變化很大,取決于產(chǎn)量。因?yàn)榧す馇懈钤O(shè)備是不可能分類的,最好是選擇與所希望的應(yīng)用相適應(yīng)的絲印機(jī)。14在手工或半自動(dòng)印
28、刷機(jī)中,錫膏是手工地放在模板/ 絲網(wǎng)上,這時(shí)印刷刮板 (squeegee)處于模板的另一端。在自動(dòng)印刷機(jī)中,錫膏是自動(dòng)分配的。在印刷過程中,印刷刮板向下壓在模板上,使模板底面接觸到電路板頂面。當(dāng)刮板走過所腐蝕的整個(gè)圖形區(qū)域長度時(shí),錫膏通過模板 / 絲網(wǎng)上的開孔印刷到焊盤上。在錫膏已經(jīng)沉積之后,絲網(wǎng)在刮板之后馬上脫開(snap off),回到原地。這個(gè)間隔或脫開距離是設(shè)備設(shè)計(jì)所定的,大約0.020"0.040"。脫開距離與刮板壓力是兩個(gè)達(dá)到良好印刷品質(zhì)的與設(shè)備有關(guān)的重要變量。如果沒有脫開,這個(gè)過程叫接觸 (on-contact)印刷。當(dāng)使用全金屬模板和刮刀時(shí),使用接觸印刷。非
29、接觸 (off-contact)印刷用于柔性的金屬絲網(wǎng)。刮板 (squeegee)類型刮板的磨損、壓力和硬度決定印刷質(zhì)量,應(yīng)該仔細(xì)監(jiān)測。對可接受的印刷品質(zhì),刮板邊緣應(yīng)該鋒利和直線。刮板壓力低造成遺漏和粗糙的邊緣,而刮板壓力高或很軟的刮板將引起斑點(diǎn)狀的 (smeared)印刷,甚至可能損壞刮板和模板或絲網(wǎng)。過高的壓力也傾向于從寬的開孔中挖出錫膏,引起焊錫圓角不夠。常見有兩種刮板類型:橡膠或聚氨酯(polyurethane)刮板和金屬刮板。當(dāng)使用橡膠刮板時(shí),使用70-90橡膠硬度計(jì) (durometer)硬度的刮板。當(dāng)使用過高的壓力時(shí),滲入到模板底部的錫膏可能造成錫橋,要求頻繁的底部抹擦。為了防止
30、底部滲透,焊盤開口在印刷時(shí)必須提供15密封 (gasketing)作用。這取決于模板開孔壁的粗糙度。金屬刮刀也是常用的。隨著更密間距元件的使用,金屬刮刀的用量在增加。它們由不銹鋼或黃銅制成,具有平的刀片形狀,使用的印刷角度為3045 °。一些刮刀涂有潤滑材料。因?yàn)槭褂幂^低的壓力,它們不會(huì)從開孔中挖出錫膏,還因?yàn)槭墙饘俚?,它們不象橡膠刮板那樣容易磨損,因此不需要鋒利。它們比橡膠刮板成本貴得多,并可能引起模板磨損。使用不同的刮板類型在使用標(biāo)準(zhǔn)元件和密腳元件的印刷電路裝配 (PCA) 中是有區(qū)分的。錫膏量的要求對每一種元件有很大的不同。密間距元件要求比標(biāo)準(zhǔn)表面貼裝元件少得多的焊錫量。焊盤面
31、積和厚度控制錫膏量 。一些工程師使用雙厚度的模板來對密腳元件和標(biāo)準(zhǔn)表面貼裝焊盤施用適當(dāng)?shù)腻a膏數(shù)量。其它工程師采用一種不同的方法- 他們使用不需要經(jīng)常鋒利的更經(jīng)濟(jì)的金屬刮刀。用金屬刮刀更容易防止錫膏沉積量的變化,但這種方法要求改良的模板開孔設(shè)計(jì)來防止在密間距焊盤上過多的錫膏沉積。這個(gè)方法在工業(yè)上變得更受歡迎,但是,使用雙厚度印刷的橡膠刮板也還沒有消失。模板(stencil)類型重要的印刷品質(zhì)變量包括模板孔壁的精度和光潔度。保存模板寬度與厚度的適當(dāng)?shù)目v橫比(aspect ratio)是重要的。推薦的縱橫比為1.5 。這對防止模板阻塞是重要。一般,如果縱橫比小于 1.5 ,錫膏會(huì)保留在開孔內(nèi) 。除了
32、縱橫比之外 ,如 IPC-752516模板設(shè)計(jì)指南所推薦的,還要有大于0.66的面積比 ( 焊盤面積除以孔壁面積 )。IPC-7525可作為模板設(shè)計(jì)的一個(gè)良好開端。制作開孔的工藝過程控制開孔壁的光潔度和精度。有三種常見的制作模板的工藝:化學(xué)腐蝕、激光切割和加成(additive)工藝?;瘜W(xué)腐蝕 (chemically etched)模板金屬模板和柔性金屬模板是使用兩個(gè)陽性圖形通過從兩面的化學(xué)研磨來蝕刻的。在這個(gè)過程中,蝕刻不僅在所希望的垂直方向進(jìn)行,而且在橫向也有。這叫做底切(undercutting) -開孔比希望的較大,造成額外的焊錫沉積。因?yàn)?0/50從兩面進(jìn)行蝕刻,其結(jié)果是幾乎直線的孔
33、壁,在中間有微微沙漏形的收窄。因?yàn)殡娢g刻模板孔壁可能不平滑,電拋光,一個(gè)微蝕刻工藝,是達(dá)到平滑孔壁的一個(gè)方法。另一個(gè)達(dá)到較平滑孔壁的方法是鍍鎳層 (nickel plating)。拋光或平滑的表面對錫膏的釋放是好的,但可能引起錫膏越過模板表面而不在刮板前滾動(dòng)。這個(gè)問題可通過選擇性地拋光孔壁而不是整個(gè)模板表面來避免。鍍鎳進(jìn)一步改善平滑度和印刷性能。可是,它減小了開孔,要求圖形調(diào)整激光切割 (laser-cut)模板激光切割是另一種減去 (subtractive)工藝,但它沒有底切問題。模板直接從Gerber數(shù)據(jù)制作,因此開孔精度得到改善。數(shù)據(jù)可按需要調(diào)整以改變尺寸。更好的過程控制也會(huì)改善開孔精度
34、。激光切割模板的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是孔壁可成錐形。化學(xué)蝕刻17的模板也可以成錐形,如果只從一面腐蝕,但是開孔尺寸可能太大。板面的開口稍微比刮板面的大一點(diǎn)的錐形開孔(0.001"0.002",產(chǎn)生大約 2°的角度 ),對錫膏釋放更容易。激光切割可以制作出小至 0.004" 的開孔寬度,精度達(dá)到0.0005",因此很適合于超密間距(ultra-fine-pitch)的元件印刷。激光切割的模板也會(huì)產(chǎn)生粗糙的邊緣,因?yàn)樵谇懈钇陂g汽化的金屬變成金屬渣。這可能引起錫膏阻塞。更平滑的孔壁可通過微蝕刻來產(chǎn)生。激光切割的模板如果沒有預(yù)先對需要較薄的區(qū)域進(jìn)行化學(xué)腐蝕,就不
35、能制成臺階式多級模板。激光一個(gè)一個(gè)地切割每一個(gè)開孔,因此模板成本是要切割的開孔數(shù)量而定。電鑄成型 (electroformed)模板制作模板的第三種工藝是一種加成工藝,最普遍地叫做電鑄成型。在這個(gè)工藝中,鎳沉積在銅質(zhì)的陰極心上以形成開孔。一種光敏干膠片疊層在銅箔上( 大約 0.25" 厚度)。膠片用紫外光通過有模板圖案的遮光膜進(jìn)行聚合 。經(jīng)過顯影后,在銅質(zhì)心上產(chǎn)生陰極圖案 ,只有模板開孔保持用光刻膠 (photoresist)覆蓋。然后在光刻膠的周圍通過鍍鎳形成了模板。在達(dá)到所希望的模板厚度后,把光刻膠從開孔除掉。電鑄成型的鎳箔通過彎曲從銅心上分開 - 一個(gè)關(guān)鍵的工藝步驟?,F(xiàn)在箔片準(zhǔn)
36、備好裝框,制作模板的其它步驟。電鑄成型臺階式模板可以做得到,但成本增加。由于可達(dá)到精密的公差,電鑄成型的模板提供良好的密封作用,減少了模板18底面的錫膏滲漏。這意味著模板底面擦拭的頻率顯著地降低,減少潛在的錫橋。結(jié)論化學(xué)腐蝕和激光切割是制作模板的減去工藝?;瘜W(xué)蝕刻工藝是最老的、使用最廣的。激光切割相對較新,而電鑄成型模板是最新時(shí)興的東西。為了達(dá)到良好的印刷結(jié)果,必須有正確的錫膏材料 (黏度、金屬含量、最大粉末尺寸和盡可能最低的助焊劑活性 ) 、正確的工具 ( 印刷機(jī)、模板和刮刀 ) 和正確的工藝過程( 良好的定位、清潔拭擦 ) 的結(jié)合。Vj19Go-cEs.20kHESMT 基本工藝構(gòu)成要素絲
37、印 (或點(diǎn)膠) 貼裝 (固化) 回流焊接清洗 檢測 返修 絲?。浩渥饔檬菍⒑父嗷蛸N片膠漏印到PCB 的焊盤上,為元器件的焊接做準(zhǔn)備。所用設(shè)備為絲印機(jī)(絲網(wǎng)印刷機(jī)),位于 SMT 生產(chǎn)線的最前端。 點(diǎn)膠:它是將膠水滴到 PCB 的的固定位置上,其主要作用是將元器件固定到 PCB 板上。所用設(shè)備為點(diǎn)膠機(jī),位于 SMT 生產(chǎn)線的最前端或檢測設(shè)備的后面。 貼裝:其作用是將表面組裝元器件準(zhǔn)確安裝到 PCB 的固定位置上。所用設(shè)備為貼片機(jī),位于 SMT 生產(chǎn)線中絲印機(jī)的后面。 固化:其作用是將貼片膠融化,從而使表面組裝元器件與 PCB 板牢固粘接在一起。所用設(shè)備為固化爐,位于 SMT 生產(chǎn)線中貼片機(jī)的后面
38、。 回流焊接:其作用是將焊膏融化,使表面組裝元器件與 PCB 板牢固粘接在一起。所用設(shè)備為回流焊爐,位于 SMT 生產(chǎn)線中貼片機(jī)的后面。 清洗:其作用是將組裝好的 PCB 板上面的對人體有害的焊接殘留物如助焊劑等除去。所用設(shè)備為清洗機(jī),位置可以不固定,可以在線,也可不在線。 檢測:其作用是對組裝好的 PCB 板進(jìn)行焊接質(zhì)量和裝配質(zhì)量的檢測。所用設(shè)備有放大鏡、顯微鏡、在線測試儀( ICT )、飛針測試儀、自動(dòng)光學(xué)檢測( AOI )、X-RAY 檢測系統(tǒng)、功能測試儀等。位置根據(jù)檢測的需要,可以配置在生產(chǎn)線合適的地方。 返修:其作用是對檢測出現(xiàn)故障的 PCB 板進(jìn)行返工。所用工具為烙鐵、返修工作站等
39、。配置在21生產(chǎn)線中任意位置。焊接材料焊錫作為所有三種級別的連接:裸片(die) 、包裝 (package)和電路板裝配 (board assembly)的連接材料。另外,錫 / 鉛(tin/lead)焊錫通常用于元件引腳和PCB 的表面涂層。考慮到鉛 (Pb) 在技術(shù)上已存在的作用與反作用,焊錫可以分類為含鉛或不含鉛?,F(xiàn)在,已經(jīng)在無鉛系統(tǒng)中找到可行的、代替錫/ 鉛材料的、元件和PCB 的表面涂層材料。可是對連接材料,對實(shí)際的無鉛系統(tǒng)的尋找仍然進(jìn)行中。這里,總結(jié)一下錫/ 鉛焊接材料的基本知識,以及焊接點(diǎn)的性能因素,隨后簡要討論一下無鉛焊錫。焊錫通常定義為液化溫度在400°C(750&
40、#176; F) 以下的可熔合金。裸片級的( 特別是倒裝芯片 ) 錫球的基本合金含有高溫、高鉛含量,比如Sn5/Pb95或 Sn10/Pb90。共晶或臨共晶合金,如Sn60/Pb40,Sn62/Pb36/Ag2和 Sn63/Pb37,也成功使用。例如,載體CSP/BGA板層底面的錫球可以是高溫、高鉛或共晶、臨共晶的錫/鉛或錫 / 鉛/ 銀材料。由于傳統(tǒng)板材料,如FR-4 ,的賴溫水平,用于附著元件和 IC 包裝的板級焊錫局限于共晶,臨共晶的錫 / 鉛或錫 / 鉛/銀焊錫。在某些情況,使用了錫/ 銀共晶和含有鉍 (Bi) 或銦 (In) 的低溫焊錫成分。焊錫可以有各種物理形式使用,包括錫條、錫錠
41、、錫線、錫粉、預(yù)制錠、錫球與柱、錫膏和熔化狀態(tài)。焊錫材料的固有特性可從三個(gè)方面考慮:物理、冶金和機(jī)械。物理特性對今天的包22裝和裝配特別重要的有五個(gè)物理特性:冶金相化溫度(Metallurgical phase-transition temperature)有實(shí)際的暗示,液相線溫度可看作相當(dāng)于熔化溫度,固相線溫度相當(dāng)于軟化溫度。對給定的化學(xué)成分,液相線與固相線之間的范圍叫做塑性或粘滯階段。選作連接材料的焊錫合金必須適應(yīng)于最惡劣條件下的最終使用溫度。因此,希望合金具有比所希望的最高使用溫度至少高兩倍的液相線。當(dāng)使用溫度接近于液相線時(shí) ,焊錫通常會(huì)變得機(jī)械上與冶金上“脆弱”。 焊錫連接的導(dǎo)電性 (
42、electrical conductivity)描述了它們的電氣信號的傳送性能 。從定義看,導(dǎo)電性是在電場的作用下充電離子( 電子) 從一個(gè)位置向另一個(gè)位置的運(yùn)動(dòng)。電子導(dǎo)電性是指金屬的,離子導(dǎo)電性是指氧化物和非金屬的。焊錫的導(dǎo)電性主要是電子流產(chǎn)生的。電阻 與導(dǎo)電性相反 隨著溫度的上升而增加 。這是由于電子的移動(dòng)性減弱,它直接與溫度上升時(shí)電子運(yùn)動(dòng)的平均自由路線(mean-free-path)成比例。焊錫的電阻也可能受塑性變形的程度的影響 ( 增加 ) 。 金屬的導(dǎo)熱性 (thermal conductivity)通常與導(dǎo)電性直接相關(guān),因?yàn)殡娮又饕菍?dǎo)電和導(dǎo)熱。( 可是,對絕緣體,聲子的活動(dòng)占主要
43、。 ) 焊錫的導(dǎo)熱性隨溫度的增加而減弱。自從表面貼裝技術(shù)的開始,溫度膨脹系數(shù)(CTE, coefficient of thermalexpansion)問題是經(jīng)常討論到的 ,它發(fā)生在 SMT 連接材料特性的溫23度膨脹系數(shù) (CTE) 通常相差較大的時(shí)候。一個(gè)典型的裝配由FR-4板、焊錫和無引腳或有引腳的元件組成。它們各自的溫度膨脹系數(shù)(CTE) 為, 16.0×10-6/°C(FR-4); 23.0×10-6/°C(Sn63/Pb37); 16.5×10-6/°C( 銅引腳 );和 6.4×10-6/°C( 氧化
44、鋁 Al2O3 無引腳元件 ) 。在溫度的波動(dòng)和電源的開關(guān)下,這些 CTE 的差別增加焊接點(diǎn)內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變,縮短使用壽命,導(dǎo)致早期失效。兩個(gè)主要的材料特性決定CTE 的大小,晶體結(jié)構(gòu)和熔點(diǎn)。當(dāng)材料具有類似的晶格結(jié)構(gòu),它們的CTE 與熔點(diǎn)是相反的聯(lián)系。 熔化的焊錫的表面張力 (surface tension)是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù),與可熔濕性和其后的可焊接性相關(guān)。由于在表面的斷裂的結(jié)合,作用在表面分子之間的吸引力相對強(qiáng)度比焊錫內(nèi)部的分子力要弱。因此材料的自由表面比其內(nèi)部具有更高的能量。對熔濕焊盤的已熔化的焊錫來說,焊盤的表面必須具有比熔化的焊錫表面更高的能量。換句話說,已熔化金屬的表面能量越低(或金屬焊
45、盤的表面能量越高),熔濕就更容易。冶金特性在焊錫連接使用期間暴露的環(huán)境條件下,通常發(fā)生的冶金現(xiàn)象包括七個(gè)不同的改變。塑性變形 (plasticdeformation)。當(dāng)焊錫受到外力,如機(jī)械或溫度應(yīng)力時(shí),它會(huì)發(fā)生不可逆變的塑性變形。通常是從焊錫晶體結(jié)合的一些平行平面開始,它可能在全部或局部 ( 焊錫點(diǎn)內(nèi) ) 進(jìn)行,看應(yīng)力水平、應(yīng)變率、溫度和24材料特性而定。連續(xù)的或周期性的塑性變形最終導(dǎo)致焊點(diǎn)斷裂。應(yīng)變硬化 (strain-hardening),是塑性變形的結(jié)果,通常在應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系中觀察得到?;貜?fù)過程 (recovery process)是應(yīng)變硬化的相反的現(xiàn)象,是軟化的現(xiàn)象,即,焊錫傾向于釋放儲(chǔ)存的應(yīng)變能量。該過程是熱動(dòng)力學(xué)過程,能量釋放過程開始時(shí)快速,其后過程則較慢。對焊接點(diǎn)失效敏感的物理特性傾向于恢復(fù)到其初始的值。僅管如此,這不會(huì)影響微結(jié)構(gòu)內(nèi)的可見的變化。 再結(jié)晶 (recrystallization)是經(jīng)常在使用期間觀察到的焊接點(diǎn)內(nèi)的另一個(gè)現(xiàn)象。它通常發(fā)生在相當(dāng)較高的溫度下,涉及比回復(fù)過程更大的從應(yīng)變材料內(nèi)釋放的能量。在再結(jié)晶期間
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