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實用表面黏著技術---表面黏著材料及製程指南RobertJ.RowlandPaulBelangia著羅奇譯知識就是財富在電子業中,表面黏著技術日益為人們所接受且巿場占有率亦持續增長,在許多產品中均使用到該項技術,根據對表面黏著技術的增長預測,將有越來越多的問題與其物料及製程轉變并存,本書將有助于讀者(從事SMT裝配業者)了解其相關物料及制程問題。本書主要分為兩個基本部分:前面4章由保羅‧伯南爵撰寫,主要說明表面黏著用的物料零件及設計問題,接下來的8章,由羅伯特撰寫,將說明表面黏著的各類製程問題。SMT入門的首要條件是徹底明了相關術語定義及專有名詞,我們在每章的開始均為達成本要旨特別對相關的術語及定義進行詳細說明,此舉將會令讀者更方便地獲取所期望的參考。為使讀者能更多的吸收每一章的內容,我們建議諸位首先細閱每章開篇的術語說明。每章的基本問題說明與更高階者同樣重要。在未弄懂SMT的基礎知識前,將很難了解進階的知識。我們均認同未學會走勿償試跑的古訓。我們將提供盡量豐富的資訊給讀者,使之更多地了解相關的物料(零件)、設備及製程,令讀者可各取所需。希望本書對從事SMT設計及製程工程師、技術員、設計員及管理人員能有所助益。其主要對象是電工學人士,因為這是我們的專業知識領域,我們曾于工作中接觸過本書中的材料及製程。本書本著兩個宗旨完成,首先,讓其他從事SMT工作的同行分享我們的知識;第二,提升我們對SMT的認知。我們將盡力達成以上宗旨。一.表面黏著技術介紹術語:A級(CLASSA)僅使用穿孔零件的表面黏著裝配級別,由1型及2型SMT組成。B級(CLASSB)僅使用表面黏著零件的裝配等級,它亦可以分為1型及2型SMT。C級(CLASSC)混和使用穿孔零件及表面黏著零件的裝配等級,亦可以分為1型及2型SMT。雙排封裝(Dualin-linepackage)一種雙排封裝穿孔技術,它由兩排伸出的直角腳組成。集體(成)電路(IntegratedCircuit.IC)一種將多個電阻、電晶體、電容及其它零件集中一個單晶硅上的零件。焊墊(Land)供表面黏著腳焊接的金屬表面。焊圈(Pad)SMT板上穿孔及導通孔周圍的圈狀金屬表面。印刷電路板裝配(PCA)PCB印刷線路板。SMC(SurfaceMountComponent)表面黏著零件。SMT(SurfaceMountTechnology)表面黏著技術。SPC(StatisticalProcessControl)統計制程管制。1型PCB單面著裝零件的表面黏著類型。2型PCB雙面均著裝零件的表面黏著類型。1.0序本節我們將回顧SMT的發展史及其優缺點,并介紹多種制程類型及分級狀況。請注意本書中所有的尺寸及溫度均使用公制,且于括號內以英制附注。1.1什么是表面黏著技術?表面黏著技術是一種使用表面黏著零件并將其黏置于PCB上的系統或曰制程技術。表面黏著零件則是接腳(引腳)微小(細)或無腳且可直接焊接于PCB上的焊區(lands)或焊圈(墊)上的零件。直到80年代中期,表面黏著零件仍只使用于低密度的混合線路,主要是因為缺乏可生產大線路板裝配的自動化設備,然而,近年來,隨著技術的升級及各種自動生產設備上可把持各種零件的技術相繼成功問世,使產品零件數日益增多(密度增加),基材變小,生產能(量)提升。將SMT零件用于這些自動機,則PCA的成本將遠低于使用傳統穿孔技術,PCB的成本將會實現節省50-75%的減少,以及減少,接腳所產生的電容、電感(感應)影響,使制程更具效率,微量的重整及快捷的生產周期,正如我們之期望。PCA大約65%的成本取決于零件大小,正如圖1.1所示,我們可容易地推算若使用表面黏著技術,設備的投資回收將在二至六個月內快捷地完成!1.2表面黏著技術的歷史表面黏著技術發源于本世紀50年代,早期不使用穿孔技術而使用扁平包裝零件運用于高可靠性的軍用產品。60年代,更多的SMT零件湧入市場,復合材料如陶瓷,作為零件已可焊接在基材表面,到了70年代,東方的日本電子業異軍突起,因其資源饋乏,必需減低成本。產品的小型化也確實順應了巿場的需求,最先被廣泛使用的是電阻及電容,他們的使用不僅節省了PCB的面積,而且又符合高速貼裝的要求,使日本成為早期實現以無腳的圓筒型/長方型零件取代早前需成型、剪切及折彎的業界先驅。70年代后期及80年代早期集體電路已趨成熟且電路日益復雜。這一劇變使零件接腳數急增,大多超過100PIN,使得若使用雙排腳封裝需承受大的面積(空間)的損失以適應這些怪物。現在,SMT工業正以跳躍式的方式成長發展。SMT零件几乎使用于所有消費性及商用產品中,品種繁多的SMT零件目前適用于從電源到通訊等等產品,圖1.2可証實從80年代到90年代這趨勢的成長率,本表是用焊點數作為預測參數來衡量SMT的成長的。1.3為什么要使用表面黏著技術?1.3.1表面黏著技術的優點(勢):產品的價格/功能比大幅提升,這就意味著產品重量及尺寸的降低。SMT通過解決高針數集體電路成本問題,使用替代材料有效地降低產品的重量及尺寸而獲得高額利潤,在非常小的封裝要求情形下SMT將有助于PCB的雙面著裝,在成本方面SMT具備其獨特的有利地位。利用SMT的自動裝著零件可獲至很高的生產良率。通過零件密度的增加提升了自動化的品質,而且自動化自然節省了生產的周期時間,使投資回收得到最大限度地實現,通過利用電腦化的設備,制程控制變得容易且簡單,更適宜于推行SPC,大多數SMT設備均可實現以低單價獲至高產能。SMT的板子的重整及修理是簡單易行的,其使用的標準工具是細尖烙鐵或熱風槍,均只需小額投資。SMT零件的庫存空間僅為穿孔零件的10%,也即其空間主要為包裝之盤帶所占。1.3.2SMT的缺點:SMT也有几個小小的缺點,常用零件巿場對此劇烈的變化反應遲鈍,因此並非所有的零件有表面黏著式封裝。再者穩定地測試存在一定的困難,因為空間太小,需要細小的彈簧探針,而且用于SMT制程的PCB復雜且對設備的要求是很嚴的,這就意味著一筆巨大的資金輸出,另外一個缺點是公司導入SMT則必須學習大量的新制程知識。1.4表面黏著裝配的分類:(如附圖)表面黏著裝配分為2種類型:1型及2型。它們又分別可分為A、B、C三級,分類的依據是不同的零件裝著位置,是單面抑或雙面以及裝配零件的種類是SMT型或穿孔型等等來決定的。B、C級也可單純分為簡單型及復合型,這一分法乃依據IPC-CM-770,“印刷線路板的零件裝著”而來。(詳見圖1.3)1型(TYPE1)零件僅裝著于PCB的某一面.2型(TYPE2)零件在PCB的兩面均有裝著.A級(CLASSA)僅在PCB上裝著穿孔型零件.B級(CLASSB)僅在PCB上裝著SMT型零件.C級(CLASSC)PCB上裝著有SMT、穿孔型零件(同一PCB)例如:2B型裝配就是中PCB的兩面均裝著SMT型零件的形式。1.5基本製程及流程表製程的流程方式依不同的SMT類型而不一,表1.4為2B及1B的流程範例:單面錫膏印刷→零件裝著→錫膏干燥→迴流焊→清洗→PCB翻轉→另一面錫膏印刷→零件裝著→錫膏干燥→迴流焊→清洗→測試*可依據最終清潔之要求作取舍。1型:簡單SMT流程2型:復合SMT流程表1.4:1B及2B表面黏著裝配流程穿孔零件插件及折腳→PCB翻轉→點膠→SMT零件裝著→烘膠(硬化)→翻板→波峰焊→清洗→測試表1.52C型裝著簡要流程以下是美國業界的幾個制程標準組合,他們所公布的標準名稱及名細可參照附錄A所列:錫膏印刷→表面黏著零件裝置→錫膏干燥(視需要)→迴流焊→*清洗→穿孔零件插入及折腳固定→翻板→點膠→SMT零件裝著→黏膠干燥→翻板→波峰焊→清洗→測試Clean清洗,可依據最終清潔要求及所使用的助焊劑作取舍。表1.62C混合型表面黏著裝置.二.表面黏著用零件及零件封裝術語:帶角方型扁平封裝(怪物)(BQFP)(BumperedQuadFlatPack)一種標準腳距且四周均為歐翼腳型的集體線路封裝,通常腳中心距為0.635mm(0.025),也有較小腳距者,如0.508mm(0.020)也較常用。小腳距一般參考精細腳距封裝,怪物名稱乃所謂該封裝之四角塑膠伸長以保護零件腳,該類封裝腳數由53到240Pins不等。晶體零件(ChipComponent)泛指有2個接點的無腳表面黏著型零件,例如電容和電阻。陶瓷型晶片載器(CeramicLeadedChipCarrier.CLCC)類似無腳陶瓷載器的一種表面黏著型集體電路的封裝,使接腳依附于封裝壁以預防因封裝或基材的熱膨脹引發的問題,接腳數可由16到124Pins不等。熱膨脹系數(CoefficientofThermalExpansion.CTE)物體在單位溫度變化狀況下所致的尺寸微變。圓柱型零件(CyclindricalComponent)一種被動零件或二極體的封裝型式,呈圓柱型,主要有兩種規格,MLL34及MLL41介電質(Dielectric)一種中性位于兩個導體(電極)間的隔離層。雙列直插式封裝(Dualin-linePackageDIP.)一種用于穿孔裝配的雙排直角型集體電路封裝型式,有標準的腳距及行距,其標準間距為2.54mm(0.100)。精細間距(FinePitch)腳距等於或小於0.635mm(0.025)的表面黏著封裝型式。鷗翼型腳(GullWingLead)一種典型的小輪廓封裝的腳的外型,其腳之末端向外彎曲似飛翔中的海鷗。J-型腳(J-Lead)一種腳彎曲在封裝本体之下的封裝腳型稱謂,通常用於塑膠封裝体,由側面看其腳型類似字母J之輪廓。無腳陶瓷晶片載器(LCCC)一種陶瓷且密封用於軍方的集成電路封裝方式,其四周以特殊金屬處理以與金屬体互聯。腳距(LeadPitch)封裝零件上連續兩腳之中心距,精細的腳距可令小的封裝容下更多的針腳。DIP的腳距是2.54mm(0.100),而PLCC的腳距為1.27mm(0.050)。金屬無腳電極(MetalElectrodeLeadlessFace.MELF)雙端金屬化的圓柱型的零件,一般用於電阻、電容及二極体的封裝。多層電容晶片(MultilayerChipCapacitor.MLC)業界對表面黏著用的陶瓷電容之統稱。塑膠晶片載器(PlasticLeadedChipCarrierPLCC)本體四周為J-型腳的集成電路封裝型式,其腳距為1.27mm(0.050),腳數為20到124Pins不等。方形扁平封裝(QuadFlatPack)泛指四周均有接腳的表面黏著封裝,一般指鷗翼腳型封裝。方形零件(RectangularComponent)泛指四方形且有2個接點的無腳表面黏著零件(被動形),例如:電阻、電容亦稱為晶片零件。超小輪廓封裝(ShrinkSmallOutlinePackage.SSOP)一種類似SOIC的30腳IC的表面黏著形封裝,本體寬約為5.28mm(0.208),其腳距為0.63mm(0.025)。小輪廓集體電路(SmallOutlineIntegratedCircuit.SOIC)一種有兩排平行鷗翼16~28腳的表面黏著型集體電路,腳距為1.27mm(0.050),其本體寬度大致為3.81mm(0.150)。小輪廓J型腳封裝(SmallOutlineJ-leaded.SOJ)腳距為1.27mm(0.050),有兩排平行的14到40腳的一種表面黏著型集體電路封裝。大輪廓集體電路(SmallOutlineLargeIntegratedCircuit.SOLIC)一種腳距為1.27mm(0.05),有兩排平行腳的16~28Pin的鷗翼型表面黏著型集體線路封裝,其本體寬度為7.63mm(0.300)。小輪廓電晶體(SmallOutlineIntogratedTransistor.SOT)一種兩腳在本體一側,另一腳在另一側的鷗翼型表面黏著零件。帶式包裝(TAPEPAK)一種適用于集體電路卷狀封裝的方式,其零件儲存于成型的凹槽內。端子(Termination)被動零件的端點金屬面或端點的金屬殼。超薄小輪廓封裝(ThinSmallOut