SMT工程师必备基础.docx

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SMT工程师必备基础

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SMT基础课

一、传统制程简介

传统穿孔式电子组装流程乃是将组件之引脚插入PCB的导孔固定之后，利用波峰焊（WaveSoldering）的制程，如图一所示，经过助焊剂涂布、预热、焊锡涂布、检测与清洁等步骤而完成整个焊接流程。

图一.波峰焊制程之流程

二、表面黏着技术简介

由于电子工业之产品随着时间和潮流不断的将其产品设计成短小轻便，相对地促使各种零组件的体积及重量愈来愈小，其功能密度也相对提高，以符合时代潮流及客户需求，在此变迁影响下，表面黏着组件即成为PCB上之主要组件，其主要特性是可大幅节省空间，以取代传统浸焊式组件（DualInLinePackage；DIP）.

表面黏着组装制程主要包括以下几个主要步骤:

锡膏印刷、组件置放、回流焊接.

其各步骤概述如下：

锡膏印刷（StencilPrinting）：

锡膏为表面黏着组件与PCB相互连接导通的接着材料，首先将钢板透过蚀刻或雷射切割后，由印刷机的刮刀（squeegee）将锡膏经钢板上之开孔印至PCB的焊垫上，以便进入下一步骤。

组件置放（ComponentPlacement）：

组件置放是整个SMT制程的主要关键技术及工作重心，其过程使用高精密的自动化置放设备，经由计算机编程将表面黏着组件准确的置放在已印好锡膏的PCB的焊垫上。

由于表面黏着组件之设计日趋精密，其接脚的间距也随之变小，因此置放作业的技术层次之困难度也与日俱增。

回流焊接（ReflowSoldering）：

回流焊接是将已置放表面黏着组件的PCB，经过回流炉先行预热以活化助焊剂，再提升其温度至183℃使锡膏熔化，组件脚与PCB的焊垫相连结，再经过降温冷却，使焊锡固化，即完成表面黏着组件与PCB的接合。

三.SMT设备简介

1. StencilPrinting:

 MPM3000/MPM2000/PVⅡ

2. ComponentPlacement:

 FUJI（CP643E/CP742ME&QP242E/QP341E） 

3. ReflowSoldering:

 FURUKAWA（XN-425PHG/XN-445PZ/XNⅡ-651PZ） ETC410,ETC411.

四.SMT常用名称解释

SMT:

surfacemountedtechnology（表面贴装技术）:

直接将表面黏着元器件贴装,焊接到印刷电路板表面规定位置上的组装技术.

SMD:

surfacemounteddevices（表面贴装组件）:

外形为矩形片状,圆柱行状或异形,其焊端或引脚制作在同一平面内,并适用于表面黏着的电子组件.

Reflowsoldering（回流焊接）:

通过重新熔化预先分配到印刷电路板焊垫上的膏状锡膏,实现表面黏着组件端子或引脚与印刷电路板焊垫之间机械与电气连接.

Chip:

rectangularchipcomponent（矩形片状元件）:

两端无引线,有焊端,外形为薄片矩形的表面黏着元器件.

SOP:

smalloutlinepackage（小外形封装）:

小型模压塑料封装,两侧具有翼形或J形短引脚的一种表面组装元器件.

QFP:

quadflatpack（四边扁平封装）:

四边具有翼形短引脚,引脚间距:

,,,,0.30mm等的塑料封装薄形表面组装集体电路.

BGA:

Ballgridarray（球栅列阵）:

集成电路的包装形式，其输入输出点是在组件底面上按栅格样式排列的锡球。

五.组件包装方式.

料条（magazine/stick）（装运管）-主要的组件容器：

料条由透明或半透明的聚乙烯（PVC）材料构成，挤压成满足现在工业标准的可应用的标准外形。

料条尺寸为工业标准的自动装配设备提供适当的组件定位与方向。

料条以单个料条的数量组合形式包装和运输。

托盘（tray）-主要的组件容器：

托盘由碳粉或纤维材料制成，这些材料基于专用托盘的最高温度率来选择的。

设计用于要求暴露在高温下的组件（潮湿敏感组件）的托盘具有通常150°C或更高的耐温。

托盘铸塑成矩形标准外形，包含统一相间的凹穴矩阵。

凹穴托住组件，提供运输和处理期间对组件的保护。

间隔为在电路板装配过程中用于贴装的标准工业自动化装配设备提供准确的组件位置。

托盘的包装与运输是以单个托盘的组合形式，然后堆迭和捆绑在一起，具有一定刚性。

一个空盖托盘放在已装组件和堆迭在一起的托盘上。

带卷（tape-and-reel）-主要组件容器：

典型的带卷结构都是设计来满足现代工业标准的。

有两个一般接受的覆盖带卷包装结构的标准。

EIA-481应用于压纹结构（embossed），而EIA-468应用于径向引线（radialleaded）的组件。

到目前为止，对于有源（active）IC的最流行的结构是压纹带（embossedtape）.

六.为什幺在表面贴装技术中应用免清洗流程？

1. 生产过程中产品清洗后排出的废水，带来水质、大地以至动植物的污染。

2. 除了水清洗外，应用含有氯氟氢的有机溶剂（CFC&HCFC）作清洗，亦对空气、大气层进行污染、破坏。

3. 清洗剂残留在机板上带来腐蚀现象，严重影响产品质素。

4. 减低清洗工序操作及机器保养成本。

5. 免清洗可减少组板（PCBA）在移动与清洗过程中造成的伤害。

仍有部分组件不堪清洗。

6. 助焊剂残留量已受控制，能配合产品外观要求使用，避免目视检查清洁状态的问题。

7. 残留的助焊剂已不断改良其电气性能，以避免成品产生漏电，导致任何伤害。

8. 免洗流程已通过国际上多项安全测试，证明助焊剂中的化学物质是稳定的、无腐蚀性的

"正确的温度曲线将保证高品质的焊接锡点。

"

   在使用表面贴装元件的印刷电路板（PCB）装配中，要得到优质的焊点，一条优化的回流温度曲线是最重要的因素之一。

温度曲线是施加于电路装配上的温度对时间的函数，当在笛卡尔平面作图时，回流过程中在任何给定的时间上，代表PCB上一个特定点上的温度形成一条曲线。

   几个参数影响曲线的形状，其中最关键的是传送带速度和每个区的温度设定。

带速决定机板暴露在每个区所设定的温度下的持续时间，增加持续时间可以允许更多时间使电路装配接近该区的温度设定。

每个区所花的持续时间总和决定总共的处理时间。

   每个区的温度设定影响PCB的温度上升速度，高温在PCB与区的温度之间产生一个较大的温差。

增加区的设定温度允许机板更快地达到给定温度。

因此，必须作出一个图形来决定PCB的温度曲线。

接下来是这个步骤的轮廓，用以产生和优化图形。

   在开始作曲线步骤之前，需要下列设备和辅助工具：

温度曲线仪、热电偶、将热电偶附着于PCB的工具和锡膏参数表。

可从大多数主要的电子工具供应商买到温度曲线附件工具箱，这工具箱使得作曲线方便，因为它包含全部所需的附件（除了曲线仪本身）。

   现在许多回流焊机器包括了一个板上测温仪，甚至一些较小的、便宜的台面式炉子。

测温仪一般分为两类：

实时测温仪，即时传送温度/时间数据和作出图形；而另一种测温仪采样储存数据，然后上载到计算机。

   热电偶必须长度足够，并可经受典型的炉膛温度。

一般较小直径的热电偶，热质量小响应快，得到的结果精确。

   有几种方法将热电偶附着于PCB，较好的方法是使用高温焊锡如银/锡合金，焊点尽量最小。

另一种可接受的方法，快速、容易和对大多数应用足够准确，少量的热化合物（也叫热导膏或热油脂）斑点覆盖住热电偶，再用高温胶带（如Kapton）粘住。

   还有一种方法来附着热电偶，就是用高温胶，如氰基丙烯酸盐粘合剂，此方法通常没有其它方法可靠。

附着的位置也要选择，通常最好是将热电偶尖附着在PCB焊盘和相应的元件引脚或金属端之间。

（图一、将热电偶尖附着在PCB焊盘和相应的元件引脚或金属端之间）

   锡膏特性参数表也是必要的，其包含的信息对温度曲线是至关重要的，如：

所希望的温度曲线持续时间、锡膏活性温度、合金熔点和所希望的回流最高温度。

   开始之前，必须理想的温度曲线有个基本的认识。

理论上理想的曲线由四个部分或区间组成，前面三个区加热、最后一个区冷却。

炉的温区越多，越能使温度曲线的轮廓达到更准确和接近设定。

大多数锡膏都能用四个基本温区成功回流。

（图二、理论上理想的回流曲线由四个区组成，前面三个区加热、最后一个区冷却）

   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，产品的温度以不超过每秒2~5°C速度连续上升，温度升得太快会引起某些缺陷，如陶瓷电容的细微裂纹，而温度上升太慢，锡膏会感温过度，没有足够的时间使PCB达到活性温度。

炉的预热区一般占整个加热通道长度的25~33%。

   活性区，有时叫做干燥或浸湿区，这个区一般占加热通道的33~50%，有两个功用，第一是，将PCB在相当稳定的温度下感温，允许不同质量的元件在温度上同质，减少它们的相当温差。

第二个功能是，允许助焊剂活性化，挥发性的物质从锡膏中挥发。

一般普遍的活性温度范围是120~150°C，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，但是理想的曲线要求相当平稳的温度，这样使得PCB的温度在活性区开始和结束时是相等的。

市面上有的炉子不能维持平坦的活性温度曲线，选择能维持平坦的活性温度曲线的炉子，将提高可焊接性能，使用者有一个较大的处理窗口。

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装配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205~230°C，这个区的温度设定太高会使其温升斜率超过每秒2~5°C，或达到回流峰值温度比推荐的高。

这种情况可能引起PCB的过分卷曲、脱层或烧损，并损害元件的完整性。

   今天，最普遍使用的合金是Sn63/Pb37，这种比例的锡和铅使得该合金共晶。

共晶合金是在一个特定温度下熔化的合金，非共晶合金有一个熔化的范围，而不是熔点，有时叫做塑性装态。

本文所述的所有例子都是指共晶锡/铅，因为其使用广泛，该合金的熔点为183°C。

   理想的冷却区曲线应该是和回流区曲线成镜像关系。

越是靠近这种镜像关系，焊点达到固态的结构越紧密，得到焊接点的质量越高，结合完整性越好。

   作温度曲线的第一个考虑参数是传输带的速度设定，该设定将决定PCB在加热通道所花的时间。

典型的锡膏制造厂参数要求3~4分钟的加热曲线，用总的加热通道长度除以总的加热感温时间，即为准确的传输带速度，例如，当锡膏要求四分钟的加热时间，使用六英尺加热通道长度，计算为：

6英尺÷4分钟=每分钟英尺=每分钟18英寸。

   接下来必须决定各个区的温度设定，重要的是要了解实际的区间温度不一定就是该区的显示温度。

显示温度只是代表区内热敏电偶的温度，如果热电偶越靠近加热源，显示的温度将相对比区间温度较高，热电偶越靠近PCB的直接通道，显示的温度将越能反应区间温度。

明智的是向炉子制造商咨询了解清楚显示温度和实际区间温度的关系。

本文中将考虑的是区间温度而不是显示温度。

表一列出的是用于典型PCB装配回流的区间温度设定。

表一、典型PCB回流区间温度设定

区间 区间温度设定 区间末实际板温

预热 210°C（410°F） 140°C（284°F）

活性 177°C（350°F） 150°C（302°F）

回流 250°C（482°C） 210°C（482°F）

   速度和温度确定后，必须输入到炉的控制器。

看看手册上其它需要调整的参数，这些参数包括冷却风扇速度、强制空气冲击和惰性气体流量。

一旦所有参数输入后，启动机器，炉子稳定后（即，所有实际显示温度接近符合设定参数）可以开始作曲线。

下一部将PCB放入传送带，触发测温仪开始记录数据。

为了方便，有些测温仪包括触发功能，在一个相对低的温度自动启动测温仪，典型的这个温度比人体温度37°C（98.6°F）稍微高一点。

例如，38°C（100°F）的自动触发器，允许测温仪几乎在PCB刚放入传送带进入炉时开始工作，不至于热电偶在人手上处理时产生误触发。

   一旦最初的温度曲线图产生，可以和锡膏制造商推荐的曲线或图二所示的曲线进行比较。

首先，必须证实从环境温度到回流峰值温度的总时间和所希望的加热曲线居留时间相协调，如果太长，按比例地增加传送带速度，如果太短，则相反。

   下一步，图形曲线的形状必须和所希望的相比较（图二），如果形状不协调，则同下面的图形（图三~六）进行比较。

选择与实际图形形状最相协调的曲线。

应该考虑从左道右（流程顺序）的偏差，例如，如果预热和回流区中存在差异，首先将预热区的差异调正确，一般最好每次调一个参数，在作进一步调整之前运行这个曲线设定。

这是因为一个给定区的改变也将影响随后区的结果。

我们也建议新手所作的调整幅度相当较小一点。

一旦在特定的炉上取得经验，则会有较好的"感觉"来作多大幅度的调整。

图三、预热不足或过多的回流曲线 

图四、活性区温度太高或太低 

图五、回流太多或不够 

图六、冷却过快或不够

   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。

 理解锡膏的回流过程

当锡膏至于一个加热的环境中，锡膏回流分为五个阶段，

1.首先，用于达到所需粘度和丝印性能的溶剂开始蒸发，温度上升必需慢（大约每秒2-3°C），以限制沸腾和飞溅，防止形成小锡珠，还有，一些组件对内部应力比较敏感，如果组件外部温度上升太快，会造成断裂。

2.助焊剂活跃，化学清洗行动开始，水溶性助焊剂和免洗型助焊剂都会发生同样的清洗行动，只不过温度稍微不同。

将金属氧化物和某些污染从即将结合的金属和焊锡颗粒上清除。

好的冶金学上的锡焊点要求"清洁"的表面。

3.当温度继续上升，焊锡颗粒首先单独熔化，并开始液化和表面吸锡的过程。

这样在所有可能的表面上覆盖，并开始形成锡焊点。

4.这个阶段最为重要，当单个的焊锡颗粒全部熔化后，结合一起形成液态锡，这时表面张力作用开始形成焊脚表面，如果组件引脚与PCB焊盘的间隙超过4mil，则极可能由于表面张力使引脚和焊盘分开，即造成锡点开路。

5.冷却阶段，如果冷却快，锡点强度会稍微大一点，但不可以太快而引起组件内部的温度应力。

   回流焊接要求总结：

重要的是有充分的缓慢加热来安全地蒸发溶剂，防止锡珠形成和限制由于温度膨胀引起的组件内部应力，造成断裂痕可靠性问题。

其次，助焊剂活跃阶段必须有适当的时间和温度，允许清洁阶段在焊锡颗粒刚刚开始熔化时完成。

时间温度曲线中焊锡熔化的阶段是最重要的，必须充分地让焊锡颗粒完全熔化，液化形成冶金焊接，剩余溶剂和助焊剂残余的蒸发，形成焊脚表面。

此阶段如果太热或太长，可能对组件和PCB造成伤害。

锡膏回流温度曲线的设定，最好是根据锡膏供货商提供的资料进行，同时把握组件内部温度应力变化原则，即加热温升速度小于每秒2-3°C，和冷却温降速度小于5°C。

PCB装配如果尺寸和重量很相似的话，可用同一个温度曲线。

重要的是要经常甚至每天检测温度曲线是否正确。

SMT焊膏印刷的质量控制

   摘要：

表面安装工艺流程的关键工序之一就是焊膏印刷。

其控制直接影响着组装板的质量。

通过对焊膏的特性、模板设计制造、以及印刷设备工艺参数的优化设定等方面，对焊膏印刷质量的控制作初步探讨。

关键词：

焊膏模板印刷机刮刀焊膏印刷工艺是SMT的关键工艺，其印刷质量直接影响印制板组装件的质量，尤其是对含有0.65mm以下引脚细微间距的IC器件贴装工艺，对焊膏印刷的要求更高。

而这些都要受到焊膏印刷机的功能、模板设计和选用、焊膏的选择以及由实践经验所设定的参数的控制。

本文就这些方面论述一下如何控制焊膏印刷质量。

1、焊膏要求

 1、1良好的印刷性焊膏的粘度与颗粒大小是其主要性能。

焊膏的粘度过大，易造成焊膏不容易印刷到模板开孔的底部，而且还会粘到刮刀上。

焊膏的粘度过代，则不容易控制焊膏的沉积形状，印刷后会塌陷，这样较易产生桥接，同时粘度过代在使用软刮刀或刮刀压力较大时，会使焊膏从模板开孔被刮走，从而形成凹型焊膏沉积，使焊料不足而造成虚焊。

焊膏粘度过大一般是由于配方原因。

粘度过低则可以通过改变印刷温度和刮刀速度来调节，温度和刮刀速度降低会使焊膏粒度增大。

通常认为对细间距印刷焊膏最佳粘度范围是800pa·s─1300pa·s，而普通间距常用的粘度范围是500pa·s─900pa·s。

焊膏的颗粒形状，直径大小及其均匀性也影响其印刷性能。

一般焊膏颗粒为圆球形，直径约为模板开口尺寸的1/5，而且颗粒的直径应均匀一致，其最大尺寸与最小尺寸的颗粒数不应超过10%，这样才能提高印刷的均匀性和分辨率。

我们可以从表1中了解焊膏的选择与器件间距的相应关系。

表1焊膏的选择与器件间距的关系焊膏尺寸范围（um）目数器件间距

75-45-200/+325

45-25-325/+500

35-25-400/+500-500<

 1、2良好的粘结性焊膏的粘结性除与焊膏颗粒、直径大小有关外，主要取决于焊膏中助焊剂系统的成分以及其它的添加剂的配比量。

焊膏良好的粘结性使其印刷时对焊盘的粘附力大于模板开口侧面的粘附力，使焊膏牢固的粘附在焊盘上，改善脱模性，粘接性好且能保持足够的时间，可使元件贴装时减少飞片或掉片。

 1、3良好的焊接性用于印刷的焊膏，典型金属含量为90%。

焊膏的焊球必须符合无氧化物等级，即氧化物含量<%，包括表面吸附氧在内的氧化物总含理=<%。

焊膏印后保存时间过长，印刷周期过长都会因熔剂等物质挥发而增加氧化程度，影响焊料的润湿性。

焊膏应在5-10℃保存，在22-25℃时使用。

根据焊膏的性能和使用要求，可参考以下几点选用适宜的焊膏：

   1）焊膏的活性可根据PCB表面清洁程度来决定，一般采用RMA级，必要时采用RA级；

   2）根据不同的涂覆方法选用不同粘度的焊膏；

   3）精细间距印刷时选用球形细颗粒焊膏；

   4）双面焊接时，第一面采用高熔点焊膏，第二面采用低熔点焊膏，保证两者相差30-40℃，以防止       第一面已焊元器件脱落；

   5）当焊接热敏元件时，应采用含铋的低熔点焊膏；

   6）采用免清洗工艺时，要用不含氯离子或其他强腐蚀性化合物焊膏。

   7）还要求焊膏回流焊后有良好的清洁性，极少产生焊料球，有足够的焊接强度。

2、模板模板是焊膏印刷的基本工具。

可分为三种主要类型：

丝网模板、全金属模板和柔性金属模板。

丝网模板制作简单，适合于小批量的产品，缺点是孔眼通过丝网不容易看到焊盘，定位困难，而通过丝网的焊膏只有孔眼的60%左右，容易堵塞。

模板的开口尺寸与模板厚度密切相关，过厚，会导致焊膏的脱模不良，且易造成焊点桥接；过薄，则很难满足粗细间距混装的组装板的要求。

选用参见表2

 器件类型引线间距（mm）焊盘宽度（mm）模板开口尺寸（mm）模板厚度（mm）通用SMT器件（注）BGA                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             

Flip　Ｃhip

   注：

包括SOIC、PLCC、TSOP、QFP等通用器件模板开口一般通过化学蚀刻，激光束切割以及电铸等方法制造。

在制造过程中均以取得光滑一致的开口侧壁为目标。

模板可采用有焊盘孔眼的锡青铜、铍青铜、不锈钢、箔片等材料制作。

不锈钢是激光切割来制造模板最常用的材料，经激光束切割后获得的模板开口可以自然形成锥形内壁，有助于焊膏的释放这一特点对于细间距印刷尤为重要。

另外，还可以通过电抛光或镀镍的方法使开口内壁更光滑致。

柔性金属模板是非曲直丝网模板与全金属模板的结合，将蚀刻后的金属模板四周打孔，尺寸范围控制在15-20mm之间，用于小接固定在丝网上，周围用胶带固定。

这种制做工艺简单，成本低，能满足中小批量的生产，目前国内外采用这类模板的最多。

金属模板四周距铝框架的距离不能太大，保证纤维拉紧超过弹性点，具有一定柔性，一般将距离控制在50-75mm。

3、印刷机的选择焊膏印刷机主要执行两大功能，模板与PCB的精确定位及刮刀的参数控制。

目前，印刷机发展迅速，大多数采用机器视觉系统对PCB上的基准点的自动定位来完成印刷前的快速调整。

MPM公司的Utraprint2000焊膏印刷机采用先进的上下照视及光学技术，为快速准确的定位提供了精巧的闭路反蚀系统，并且有3D高度探测系统以每秒12-14个焊盘的速度精确测量焊膏高度，可印刷的PCB为-12.7mm最小间距0.3mm。

适合于生产规模较大，产品要求较高的用户。

对于批量较小，品种较多的用户来说，选择半自动/手动印刷机灵活性好，价格比较经济，操作过程简单。

4、印刷工艺参数的设定

 4、1刮刀的类型不同厂家使用的刮刀类型不同，同时焊膏的差异也会要求使用不同的刮刀。

刮刀的类型有三种。

 4、2刮刀的调整a）刮刀运行角度θ一般为60-65o时焊膏印刷的品质最佳。

焊膏的传统印刷方法是刮刀沿模板的X或Y方向以90o角运行，这往往导致于器件在开口不同走向上焊训量的不同。

我们经多次印刷试验证明，刮刀以45o的方向进行印刷可明显改善焊膏不同模板开口走向上的失衡现象，同时还可以减少对细间距的模板开口的损坏。

b）刮刀压力并非只取决于气压缸行程要调整到最佳刮刀压力，还必须注意刮刀平行度。

压力一般为30N/mm2。

 4、3印刷速度焊膏在刮刀的推动下会在模板上向前滚动。

印刷速度快有利于模板的回弹，但同时会阻碍焊膏向PCB的焊盘上传递，而速度过慢，焊膏在模板上将不会滚动，引起焊盘上所印的焊膏分辨率不良，通常对于细间距的印刷速度范围为25-30mm/s，对于粗间距的印刷速度为25-50mm/s。

 4、4印刷方式目前最普遍的印刷方式分为接触式印刷和非接触式印刷。

模板与PCB之间存在间隙的印刷方式为非接触式印刷