表面貼裝技術(shù)

1 前言

近年來，新型電子表面貼裝技術(shù)SMT(Surface Mount Tech-nology)已取代傳統(tǒng)的通孔插裝技術(shù)，并支配電子設(shè)備發(fā)展，被共識(shí)為電子裝配技術(shù)的革命性變革。SMT以提高產(chǎn)品可靠性及性能，降低成本為目標(biāo)，無論是在消費(fèi)類電子產(chǎn)品，還是在軍事尖端電子產(chǎn)品領(lǐng)域中，都將使電子產(chǎn)品發(fā)生重大變革。

2 表面貼裝技術(shù)及元器件介紹

表面貼裝工藝，又稱表面貼裝技術(shù)(SMT)，是一種無需在印制板上鉆插裝孔，而直接將表面組裝元器件貼焊到印制線路板的規(guī)定位置，用焊料使元器件與印制線路板之間構(gòu)成機(jī)械和電氣連接的電子組裝技術(shù)。

需要進(jìn)行表面貼裝的電子產(chǎn)品一般由印制線路板和表面貼裝元器件組成。印制線路板PWB(Printed Wire Board)是含有線路和焊盤的單面或雙面多層材料。表面貼裝元器件包括表面貼裝元件和表面貼裝器件兩大類。其中表面貼裝元件是指各種片狀無源元件，如電阻，電容，電感等；而表面貼裝器件是采用封裝的電子器件，通常是指各種有源器件，如小外形封裝器SOP(Small Outline Package)，球柵陣列封裝器BGA(Ball Grid Array)等。有些元器件不能用于SMT，如部分接線器，變壓器，大電容等。

3 表面貼裝技術(shù)流程

表面貼裝丁藝包括核心和輔助兩大工藝。其中核心工藝由印刷、貼片和回流焊3部分組成，任何類型產(chǎn)品的生產(chǎn)都要經(jīng)過這3道工序，各部分必不可少；輔助工藝主要由“點(diǎn)膠”工藝和光學(xué)輔助自動(dòng)檢測(cè)工藝等組成，并非必需，而是根據(jù)產(chǎn)品特性以及用戶需求決定的。

印制線路板有單雙面之分，電子產(chǎn)品也相應(yīng)分為單面產(chǎn)品(印制線路板的一面需要貼裝元器件)和雙面產(chǎn)品(印制線路板的兩面均需要貼裝元器件)，圖1為單面產(chǎn)品的表面貼裝工藝流程。圖2為雙面產(chǎn)品的表面貼裝工藝流程。

印刷工藝目的是使焊膏通過模板和印刷設(shè)備的共同作用，準(zhǔn)確印刷到印制線路板。印刷工藝涉及的工藝元素主要有焊膏，模板和印刷系統(tǒng)。焊膏是將元器件與印制線路板連接導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)其電氣和機(jī)械連接的重要材料。焊膏主要由合金和助焊劑組成。在焊接過程中，它們分別發(fā)揮功效完成焊接工作。模板用來將焊膏準(zhǔn)確印到印制線路板上，模板的制作方法和開孔設(shè)計(jì)對(duì)印刷質(zhì)量有很大影響。印刷系統(tǒng)主要是指印刷設(shè)備和印刷參數(shù)。印刷設(shè)備的質(zhì)量對(duì)印刷準(zhǔn)確度影響很大，印刷設(shè)備的重復(fù)印刷精度與印刷參數(shù)設(shè)置的合理匹配，是準(zhǔn)確印刷的重要保證。印刷參數(shù)有很多，但對(duì)印刷效果影響最大的關(guān)鍵參數(shù)有印刷速度、刮刀壓力、脫模速度和脫模距離等。需要設(shè)置這些關(guān)鍵參數(shù)并使其相互匹配。以提高印刷質(zhì)量。印刷速度一般為12．7~203．2 mm／s，具體參數(shù)取決于刮板壓力和釬料膏的物理性能。而SMT工藝要求印刷刮板壓力為4．448 222~6．672 333 N。

貼片工藝的目的是確保所有零件準(zhǔn)確、快速地被貼片到印制線路板。貼片工藝主要涉及貼片機(jī)及其貼片能力。貼片機(jī)的貼片能力是準(zhǔn)確貼片的重要保證。貼片機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)包括：運(yùn)動(dòng)，執(zhí)行及送料機(jī)構(gòu)高速。微型化技術(shù)；高速機(jī)器視覺識(shí)別及照明技術(shù)；高速，高精度智能控制技術(shù)；并行處理實(shí)時(shí)多任務(wù)技術(shù)；設(shè)備開放式柔性模塊化技術(shù)及系統(tǒng)集成技術(shù)。

回流焊工藝是通過熔化預(yù)先分配到印制線路板焊盤上的焊膏，實(shí)現(xiàn)表面貼裝元器件的焊接面或引腳與印制線路板焊盤之間機(jī)械和電氣連接的焊接?；亓骱缚杀ＷC優(yōu)異的焊接效果。回流焊工藝的主要工藝元素是回流焊爐及其焊接能力，其焊接能力主要體現(xiàn)在回流焊爐的加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、助焊劑管理系統(tǒng)及惰性氣體保護(hù)系統(tǒng)。其中，加熱系統(tǒng)與加熱效率、溫控精度、溫度均勻性以及穩(wěn)定性有關(guān)；冷卻系統(tǒng)的作用有：當(dāng)回流焊峰值溫度較高時(shí)，如果不能快速冷卻，基板出回流焊爐口的溫度過高，容易造成基板板彎；快速冷卻可細(xì)化組織，防止金屬間化合物增厚。提高可靠性。助焊劑在回流焊的過程中會(huì)揮發(fā)，如果沒有一個(gè)理想的助焊劑管理系統(tǒng)及時(shí)將揮發(fā)的助焊劑抽走并過濾循環(huán)，助焊劑就會(huì)隨高溫氣流進(jìn)入冷卻區(qū)，凝結(jié)在散熱片和爐內(nèi)，降低冷卻效果并污染設(shè)備和基板。當(dāng)基板匹配使用的焊膏活性不夠好或線路板上有超細(xì)間距元件和復(fù)雜元片，再加上基板需要多次過回流焊爐，則考慮在回流焊爐內(nèi)充人惰性氣體，降低氧化機(jī)會(huì)，提高焊接活性。一般使用的惰性氣體是氮?dú)?。回流焊爐的焊接能力還需通過編輯回流焊爐的控制程序發(fā)揮。完成貼片的線路板在通過回流焊爐時(shí)，一般經(jīng)歷：預(yù)熱階段，保溫階段，回流階段以及冷卻階段。通過回流焊爐的控制程序管控，確保焊接質(zhì)量。

輔助工藝用于協(xié)助貼裝順利進(jìn)行并積極預(yù)防檢測(cè)和事后檢測(cè)。輔助工藝主要由“點(diǎn)貼”工藝和光學(xué)輔助自動(dòng)檢測(cè)工藝組成?！包c(diǎn)膠”工藝是通過將專用膠水“點(diǎn)貼” 到所需元件的下方或周邊，對(duì)元件進(jìn)行適當(dāng)保護(hù)，以確保元器件在經(jīng)受多次回流焊接不脫落；減少元件在貼裝過程中受到的應(yīng)力沖擊；保護(hù)元件在復(fù)雜的使用環(huán)境中不受損?！包c(diǎn)膠”工藝的工藝元素主要包括“點(diǎn)膠”設(shè)備，專用膠水和“點(diǎn)膠”參數(shù)的設(shè)置。需要合理選擇設(shè)備，膠水并設(shè)計(jì)好參數(shù)設(shè)置才能確保工藝效果。光學(xué)輔助自動(dòng)檢測(cè)工藝主要是：一是使用專門光學(xué)設(shè)備測(cè)量印刷后的焊膏厚度均勻性和印刷準(zhǔn)確度，在貼片后檢測(cè)貼片準(zhǔn)確度，在回流焊前將有缺陷的線路板檢測(cè)出來并及時(shí)報(bào)警；二是在回流焊后使用專門的光學(xué)設(shè)備檢測(cè)焊點(diǎn)，將有焊點(diǎn)缺陷的線路板檢測(cè)出來并報(bào)警。專門的光學(xué)測(cè)量設(shè)備主要有可見光檢測(cè)設(shè)備和X光檢測(cè)設(shè)備。前者主要是自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)設(shè)備AOI(Automatic Optional Inspection)，后者主要是三維和五維的X-ray設(shè)備。前者主要用于檢測(cè)可視焊點(diǎn)，而后者除了檢測(cè)可視焊點(diǎn)外，還可檢測(cè)不可目視的BGA類零件的焊點(diǎn)。是否采用輔助工藝則是根據(jù)所需貼裝產(chǎn)品的特性來決定的。

4 回流焊的原理及溫度曲線

從回流焊溫度曲線(圖3)分析回流焊原理：當(dāng)PCB進(jìn)入預(yù)熱區(qū)時(shí)，焊錫膏的溶劑、氣體被蒸發(fā)，同時(shí)焊錫膏的助焊劑潤(rùn)濕焊盤、元器件端頭和引腳，焊錫膏軟化、塌落、覆蓋了焊盤，將焊盤、元器件引腳與氧氣隔離；PCB進(jìn)入保溫區(qū)時(shí)，PCB和元器件得到充分預(yù)熱。以防PCB突然進(jìn)入再流焊區(qū)升溫過快而損壞PCB和元器件；當(dāng)PCB進(jìn)入再流焊區(qū)時(shí)，溫度迅速上升使焊錫膏達(dá)到熔化狀態(tài)，液態(tài)焊錫對(duì) PCB的焊盤、元器件端頭和引腳潤(rùn)濕、擴(kuò)散、漫流或回流混合形成焊錫接點(diǎn)；PCB進(jìn)入冷卻區(qū)，焊點(diǎn)凝固，完成整個(gè)回流焊。

回流焊過程中，焊膏需經(jīng)溶劑揮發(fā)。焊劑清除焊件表面的氧化物，焊膏熔融、再流動(dòng)以及焊膏冷卻、凝固。所以，回流焊過程中，焊接溫度主要分4個(gè)溫度區(qū)：預(yù)熱區(qū)、保溫區(qū)、再流焊區(qū)以及冷卻區(qū)。預(yù)熱區(qū)為室溫到120℃；保溫區(qū)為120℃~170℃；回流區(qū)為170℃~230℃，最高溫度為210℃~230℃；冷卻區(qū)為從210℃降到約100℃。

溫度曲線是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵，實(shí)際溫度曲線和焊錫膏溫度曲線的升溫斜率和峰值溫度應(yīng)基本一致。160℃前的升溫速度控制在1℃／s～2℃／s，如果升溫速度太快，一方面使元器件及PCB受熱太快，易損壞元件，造成PCB變形；另一方面，焊錫膏中的溶劑揮發(fā)速度太快。容易濺出金屬成分，產(chǎn)生焊錫球。峰值溫度一般設(shè)定比焊錫膏熔化溫度高20℃～40℃(例如Sn63／Pb37焊錫膏的熔點(diǎn)為183℃，峰值溫度應(yīng)設(shè)置在205℃～230℃)，回(再)流時(shí)間 10～60 s，峰值溫度低或回(再)流時(shí)間短，會(huì)使焊接不充分，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成焊錫膏不熔；峰值溫度過高或回(再)流時(shí)間長(zhǎng)，造成金屬粉末氧化，影響焊接質(zhì)量，甚至損壞元器件和PCB。

設(shè)置回(再)流焊溫度曲線的依據(jù)：所使用焊錫膏的溫度曲線，根據(jù)PCB的材料、厚度、是否多層板、尺寸；表面組裝板搭載元器件的密度、元器件大小以及有無 BGA、CSP等特殊元器件；設(shè)備的具體情況，諸如加熱區(qū)的長(zhǎng)度、加熱源的材料、回流焊爐的構(gòu)造和熱傳導(dǎo)方式等因素。

某類印制板的實(shí)際生產(chǎn)中因設(shè)備緣故設(shè)定溫度區(qū)域?yàn)椋荷郎貐^(qū)，保溫區(qū)，快速升溫區(qū)，回流區(qū)。焊膏為Sn63Pb37型焊膏，其熔點(diǎn)為183℃，焊接采用某型回流焊接爐，每種印制板組件必須設(shè)計(jì)合適的焊接參數(shù)，做到一種印制板一個(gè)溫度曲線。圖4為標(biāo)準(zhǔn)回流焊接溫度曲線，圖5為某印制板實(shí)際回流焊接溫度曲線。

這是一個(gè)9溫區(qū)的回流焊接爐，實(shí)際的溫度測(cè)試有3個(gè)測(cè)試點(diǎn)，其中圖5是實(shí)際溫度曲線。溫區(qū)的參數(shù)設(shè)定要滿足以下要求：1)升溫區(qū)：從室溫到100℃的升溫速率不超過2℃／s；2)保溫區(qū)：從100℃～150℃保持時(shí)間70～120 s；3)快速升溫區(qū)：從150℃～183℃保持時(shí)間不要超過30s，升溫速度應(yīng)該在2～3℃／s：4)回流區(qū)：最高溫度為205℃～230℃，處于液相線以上的時(shí)間40～60 s；5)冷卻區(qū)：冷卻速度為2～4℃／s。經(jīng)圖4和圖5的理論與實(shí)際印制板溫度曲線對(duì)比，實(shí)際回流焊溫度區(qū)域在標(biāo)準(zhǔn)溫度范圍內(nèi)，從而得出此印制板表貼器件的焊接符合要求，保證印制板表面貼裝器件的電氣性能。需特別注意：回流焊爐必需每周測(cè)試一次，將測(cè)試溫度曲線與標(biāo)準(zhǔn)溫度曲線進(jìn)行對(duì)比，確定二者是否完全吻合。主要核對(duì)參數(shù)有：升溫區(qū)升溫速率，保溫區(qū)保持時(shí)間，快速升溫區(qū)和回流區(qū)的升溫速度、峰值溫度、液相線以上時(shí)間，冷卻區(qū)冷卻速率，及曲線是否存在異常波動(dòng)。

5 結(jié)束語

表面貼裝技術(shù)滲透于各個(gè)領(lǐng)域，可直接影響到電子產(chǎn)品的焊接水平，以及電子產(chǎn)品的性能與質(zhì)量。敘述表面貼裝技術(shù)整個(gè)流程，闡述焊接過程中的回流焊的原理及溫度曲線。對(duì)比實(shí)際生產(chǎn)過程中的某印制板的標(biāo)準(zhǔn)回流焊接溫度曲線與實(shí)際回流焊接溫度曲線，只要滿足實(shí)際回流焊溫度區(qū)域在標(biāo)準(zhǔn)溫度范圍內(nèi)，就可以滿足貼裝元器件的性能指標(biāo)。