SMT工程师必备基础

SMT工程师必备基础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/PVⅡ2.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:1.00,0.80,0.65,0.50,0.40,0.30mm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1.5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