FPC-SMT-工艺要点

FPCSMT工艺要点湖州生力电子有限公司沈新海摘要：在消费类电子产品追求小型化的趋势下，FPC的应用越来越广泛，FPC的SMT工艺有不同于传统PCB的特点，本文详细描述了FPCSMT生产中关于FPC的预处理、固定、印刷、贴片、回流焊、测试、检验、分板等工序的工艺要点，能对初涉FPCSMT生产的读者有所帮助。关键词：FPCSMT工艺要点PCB(PrintedCircuitBoard)是印刷电路板，简称硬板。FPC(FlexiblePrintedCircuit)是软性电路板，又称柔性电路板或挠性电路板，简称软板。电子产品小型化是必然发展趋势，相当一部分消费类产品的表面贴装，由于组装空间的关系，其SMD都是贴装在FPC上来完成整机的组装的，FPC在计算器、手机、数码相机、数码摄像机等数码产品上得到了普遍应用，在FPC上进行SMD的表面贴装已成为SMT技术发展趋势之一。图1-1FPC样品示例图1-2带金属加强板的FPC样品示例FPC表面SMT的工艺要求与传统硬板PCB的SMT解决方案有很多不同之处，要想做好FPC的SMT工艺，最重要的就是定位了。因为FPC板子的硬度不够，较柔软，如果不使用专用载板，就无法完成固定和传输，也就无法完成印刷、贴片、过炉等基本SMT工序。下面就FPCSMT生产中关于FPC的预处理、固定、印刷、贴片、回流焊、测试、检验、分板等工序的工艺要点分别详述。一．FPC的预处理FPC板子较柔软，出厂时一般不是真空包装，在运输和存储过程中易吸收空气中的水分，需在SMT投线前作预烘烤处理，将水分缓慢强行排出。否则，在回流焊接的高温冲击下，FPC吸收的水分快速气化变成水蒸气突出FPC，易造成FPC分层、起泡等不良。预烘烤条件一般为温度80-100℃时间4-8小时，特殊情况下，可以将温度调高至125℃以上，但需相应缩短烘烤时间。烘烤前，一定要先作小样试验，以确定FPC是否可以承受设定的烘烤温度，也可以向FPC制造商咨询合适的烘烤条件。烘烤时，FPC堆叠不能太多，10-20PNL比较合适，有些FPC制造商会在每PNL之间放一张纸片进行隔离，需确认这张隔离用的纸片是否能承受设定的烘烤温度，如果不能需将隔离纸片抽掉以后，再进行烘烤。烘烤后的FPC应该没有明显的变色、变形、起翘等不良，需由IPQC抽检合格后才能投线。二．专用载板的制作根据电路板的CAD文件，读取FPC的孔定位数据，来制造高精度FPC定位模板和专用载板，使定位模板上定位销的直径和载板上的定位孔、FPC上定位孔的孔径相匹配。很多FPC因为要保护部分线路或是设计上的原因并不是同一个厚度的，有的地方厚而有的地方要薄点，有的还有加强金属板，所以载板和FPC的结合处需要按实际情况进行加工打磨挖槽的，作用是在印刷和贴装时保证FPC是平整的。载板的材质要求轻薄、高强度、吸热少、散热快，且经过多次热冲击后翘曲变形小。常用的载板材料有合成石、铝板、硅胶板、特种耐高温磁化钢板等。普通载板：普通载板设计方便，打样快捷。常用的普通载板材料为工程塑料（合成石）、铝板等，工程塑料载板寿命有3000-7000次，操作性方便，稳定性较好，不易吸热，不烫手，价格是铝板的5倍以上。铝质载板吸散热快，内外无温差，变形可简单修复，价格便宜、寿命长，主要缺点是烫手，要使用隔热手套取送。硅胶板：该材料具有自粘性，FPC直接粘在上面，不用胶带，而且取下也较容易，没有残胶，又耐高温。硅胶板在使用过程中，采用化学过程，硅胶材料在使用过程中会老化粘性下降，使用期间未清洁时粘性也会下降，寿命较短，最多1000-2000次，价格也比较高。磁性治具；特种耐高温（350℃）钢片加强磁化性能处理，保证回流焊过程中“永磁”，弹性好，平整度好，高温不变形。因为加强磁化性能处理的钢片已经把FPC表面压紧压平，FPC在回流焊接时就避免被回流焊风吹起所焊接不良，保证焊接质量稳定，提高成品率。只要不是人为破坏和事故破坏可以永久使用，寿命长。磁性治具同时对FPC进行隔热保护，取板时不会对FPC产生任何破坏。但磁性治具设计复杂，单价高，大批量生产时才具成本优势。图2工程塑料（合成石）载板图3铝质载板图4硅胶板和定位模板三．生产过程.我们在这里以普通载板为例详述FPC的SMT要点，使用硅胶板或磁性治具时，FPC的固定要方便很多，不需要使用胶带，而印刷、贴片、焊接等工序的工艺要点是一样的。1.FPC的固定：在进行SMT之前，首先需要将FPC精确固定在载板上。特别需要注意的是，从FPC固定在载板上以后，到进行印刷、贴装和焊接之间的存放时间越短越好。载板有带定位销和不带定位销两种。不带定位销的载板，需与带定位销的定位模板配套使用，先将载板套在模板的定位销上，使定位销通过载板上的定位孔露出来，将FPC一片一片套在露出的定位销上，再用胶带固定，然后让载板与FPC定位模板分离，进行印刷、贴片和焊接。带定位销的载板上已经固定有长约1.5mm的弹簧定位销若干个，可以将FPC一片一片直接套在载板的弹簧定位销上，再用胶带固定。在印刷工序，弹簧定位销可以完全被钢网压入载板内，不会影响印刷效果。方法一（单面胶带固定）：用薄型耐高温单面胶带将FPC四边固定在载板上，不让FPC有偏移和起翘，胶带粘度应适中,回流焊后必须易剥离,且在FPC上无残留胶剂。如果使用自动胶带机，能快速切好长短一致的胶带，可以显著提高效率，节约成本，避免浪费。方法二（双面胶带固定）：先用耐高温双面胶带贴在载板上，效果与硅胶板一样，再将FPC粘贴到载板，要特别注意胶带粘度不能太高,否则回流焊后剥离时,很容易造成FPC撕裂。在反复多次过炉以后，双面胶带的粘度会逐步变低，粘度低到无法可靠固定FPC时必须立即更换。此工位是防止FPC脏污的重点工位，需要戴手指套作业。载板重复使用前，需作适当清理，可以用无纺布蘸清洗剂擦洗，也可以使用防静电粘尘滚筒，以除去表面灰尘、锡珠等异物。取放FPC时切忌太用力，FPC较脆弱，容易产生折痕和断裂。图5圆盘形自动胶带机图6防静电粘尘滚筒图7耐高温单面胶带图8耐高温双面胶带2.FPC的锡膏印刷：FPC对焊锡膏的成分没有很特别的要求，锡球颗粒的大小和金属含量等以FPC上有没有细间距IC为准，但FPC对焊锡膏的印刷性能要求较高，焊锡膏应具有优良的触变性，焊锡膏应该能够很容易印刷脱模并且能牢固地附着在FPC表面，不会出现脱模不良阻塞钢网漏孔或印刷后产生塌陷等不良。因为载板上装载FPC，FPC上有定位用的耐高温胶带，使其平面不一致,所以FPC的印刷面不可能象PCB那样平整和厚度硬度一致，所以不宜采用金属刮刀，而应采用硬度在80-90度的聚胺酯型刮刀。锡膏印刷机最好带有光学定位系统，否则对印刷质量会有较大影响，FPC虽然固定在载板上,但是FPC与载板之间总会产生一些微小的间隙，这是与PCB硬板最大的区别，因此设备参数的设定对印刷效果也会产生较大影响。印刷工位也是防止FPC脏污的重点工位，需要戴手指套作业，同时要保持工位的清洁，勤擦钢网，防止焊锡膏污染FPC的金手指和镀金按键。3.FPC的贴片：根据产品的特性、元件数量和贴片效率，采用中、高速贴片机进行贴装均可。由于每片FPC上都有定位用的光学MARK标记，所以在FPC上进行SMD贴装与在PCB上进行贴装区别不大。需要注意的是，虽然FPC被固定在载板上，但是其表面也不可能像PCB硬板一样平整，FPC与载板之间肯定会存在局部空隙，所以，吸嘴下降高度、吹气压力等需精确设定，吸嘴移动速度需降低。同时，FPC以联板居多，FPC的成品率又相对偏低，所以整PNL中含部分不良PCS是很正常的，这就需要贴片机具备BADMARK识别功能，否则，在生产这类非整PNL都是好板的情况下，生产效率就要大打折扣了。4.FPC的回流焊：应采用强制性热风对流红外回流焊炉，这样FPC上的温度能较均匀地变化，减少焊接不良的产生。如果是使用单面胶带的，因为只能固定FPC的四边，中间部分因在热风状态下变形，焊盘容易形成倾斜，熔锡（高温下的液态锡）会流动而产生空焊、连焊、锡珠，使制程不良率较高。1）温度曲线测试方法：由于载板的吸热性不同，FPC上元件种类的不同，它们在回流焊过程中受热后温度上升的速度不同，吸收的热量也不同，因此仔细地设置回流焊炉的温度曲线，对焊接质量大有影响。比较稳妥的方法是，根据实际生产时的载板间隔，在测试板前后各放两块装有FPC的载板，同时在测试载板的FPC上贴装有元件，用高温焊锡丝将测试温探头焊在测试点上，同时用耐高温胶带将探头导线固定在载板上。注意，耐高温胶带不能将测试点覆盖住。测试点应选在靠近载板各边的焊点和QFP引脚等处，这样的测试结果更能反映真实情况。2）温度曲线的设置：在炉温调试中，因为FPC的均温性不好，所以最好采用升温/保温/回流的温度曲线方式，这样各温区的参数易于控制一些，另外FPC和元件受热冲击的影响都要小一些。根据经验，最好将炉温调到焊锡膏技术要求值的下限，回焊炉的风速一般都采用炉子所能采用的最低风速，回焊炉链条稳定性要好,不能有抖动。5.FPC的检验、测试和分板：由于载板在炉中吸热，特别是铝质载板，出炉时温度较高，所以最好是在出炉口增加强制冷却风扇，帮助快速降温。同时，作业员需带隔热手套，以免被高温载板烫伤。从载板上拿取完成焊接的FPC时，用力要均匀，不能使用蛮力，以免FPC被撕裂或产生折痕。取下的FPC放在5倍以上放大镜下目视检验，重点检查表面残胶、变色、金手指沾锡、锡珠、IC引脚空焊连焊等问题。由于FPC表面不可能很平整，使AOI的误判率很高，所以FPC一般不适合作AOI检查，但通过借助专用的测试治具，FPC可以完成ICT、FCT的测试。由于FPC以联板居多，可能在作ICT、FCT的测试以前，需要先做分板，虽然使用刀片、剪刀等工具也可以完成分板作业，但是作业效率和作业质量低下，报废率高。如果是异形FPC的大批量生产，建议制作专门的FPC冲压分板模，进行冲压分割，可以大幅提高作业效率，同时冲裁出的FPC边缘整齐美观，冲压切板时产生的内应力很低，可以有效避免焊点锡裂。图9FPC冲压分板模图10FPCFCT测试治具四．小结在FPC上进行SMD贴装，FPC的精确定位和固定是重点，固定好坏的关键是制作合适的载板。其次是FPC的预烘烤、印刷、贴片和回流焊。显然FPC的SMT工艺难度要比PCB硬板高很多，所以精确设定工艺参数是必要的，同时，严密的生产制程管理也同样重要，必须保证作业员严格执行SOP上的每一条规定，跟线工程师和IPQC应加强巡检，及时发现产线的异常情况，分析原因并采取必要的措施，才能将FPCSMT产线的不良率控制在几十个PPM之内。