第八章 SMT 工艺介绍 一、锡膏印刷工艺 1.1 影响印刷质量的要素 锡膏印刷质量对表面贴装产品的质量影响很大,有统计资料表明,60%的返修理工板是因锡膏印刷不良引起故障的,丝印的好坏基本上决定了SMT好坏程度。所以在表面贴装中严格把好锡膏印刷这一关。即使是最好的锡膏、设备和应用方法,也不一定充分保证得到可接受的结果。使用者必须控制工艺过程和设备变量,以达到良好的印刷品质。在印刷锡膏的过程中,基板放在工作台上,机械地或真空夹紧定位,用定位销或视觉来对准。在手工或半自动印刷机中,印刷刮板向下压在模板上,使模板底面接触到电路板顶面。当刮板走过所腐蚀的整个图形区域长度时,锡膏通过模板/丝网上的开孔印刷到焊盘上。在锡膏已经沉积之后,丝网在刮板之后马上脱开(snap off),回到原地。脱开距离与刮板压力是两个达到良好印刷品质的与设备有关的重要变量。还有丝印速度,丝印期间,刮板在丝印模板上的行进速度是很重要的,因为锡膏需要时间来滚动和流入丝孔内。如果允许时间不够,那么在刮板的行进方向,锡膏在焊盘上将不平。决定印刷质量的因素还有:印刷脱模延时、印刷间隙等,只要较好地把握上述因素,一般印出来的锡膏图形应平整,边缘较齐。 锡膏(Solder Paste)选择: 锡膏是由焊料合金和助焊剂等组成的混合物。锡膏中锡珠的大小选择应适当,必须与丝印模板相匹配。粘度是锡膏的一个重要特性,从动态方面来说,在丝印行程中,其粘性越低,则流动性越好,易于流入丝印孔内,印到PCB的焊盘上。从静态方面考虑,丝印刮过后,锡膏停留在丝印孔内,其粘性高,则保持其填充的形状,而不会往下塌陷。 刮板(squeegee)类型: 分橡胶刮刀和金属刮刀两种。刮刀的磨损、压力和硬度决定印刷质量,应该仔细监测。对可接受的印刷品质,刮板边缘应该锋利和直线。刮板压力低造成遗漏和粗糙的边缘,而刮板压力高或很软的刮板将引起斑点状的(smeared)印刷,甚至可能损坏刮板和模板或丝网。过高的压力也倾向于从宽的开孔中挖出锡膏,引起焊锡圆角不够。 模板(stencil)类型: 分金属与尼龙丝两种。制作开孔的工艺过程控制开孔壁的光洁度和精度,而且开孔尺寸必须合适。有三种常见的制作模板的工艺:化学腐蚀、激光切割和加成(additive)工艺。为了达到良好的印刷结果,必须有正确的锡膏材料(粘度、金属含量、最大粉末尺寸和尽可能最低的助焊剂活性)、正确的工具(印刷机、模板和刮刀)和正确的工艺过程(良好的定位、清洁拭擦)的结合。再者,印刷后的检验也是必不可少的,它可以大大地减少后道工序因印刷不良而造成的返修损失。 1.2锡膏丝印缺陷分析
二、表面贴装工艺 贴装是SMT工艺性相对较简单的环节,只要调整好贴装叁数及位置,贴装的好坏就在于贴 片机的精度了。人为因素较小。不过由于贴装误差的客观存在,所以贴装后检查是不可避免的,因为在这个地方修正贴错的元器件比较简单,易行,且不会损坏元器件,如果在焊接后修正就费事多了。 2.1 贴片机抛料原因分析及对策 贴片机抛料是指贴片机在生产过程中,吸到料之后不贴而是将料抛到抛料盒里或其它地方, 或者没有吸到料而执行抛料动作。 抛料的主要原因及对策主要有以下几点: 2.1.1 来料的问题: 小型IC有些是管装料,尺寸较小,取料困难,料带较粘,取料时胶带拉不开。 BGA为44mm的带装料,但44mm的Tape Feeder 不够用而用56mm的,取料时抛料较多。 对策:来料为带装料,或手工定位;购买44mm Tape Feeder。 供料器位置变形,进料不良;供料器棘齿轮损坏,料带孔没有卡在供料器的棘 齿上;供料器下方有异物、弹簧老化或电气不良,造成取料不到或取料不良而抛料。 对策:调整供料器,清扫供料器平台(操作员负责);更换已坏部件或供料器。 吸嘴变形、堵塞、破损造成气压不足、漏气,造成吸料不起,取料不正,识别通 不过而抛料。 对策:清洁、更换吸嘴(技术员负责)。 2.1.4 位置问题: 取料不在料的中心位置,而造成取料不正,有偏移,吸料时达不到设定的真空水 平而抛料。 对策:调整取料位置。(技术员负责) 2.1.5 真空问题: 气压不足,真空气管信道不顺畅,有杂物堵塞气管信道或真空发生器损坏,产生 真空压力不足,造成取料不起或取起后在去贴的途中脱落。 对策:清洁真空气管信道,保养真空发生器。(技术员负责) 2.1.6 识别系统问题: 视觉不良,视觉或镭射镜头不清洁,有杂物干扰识别。 对策:清洁、擦拭识别系统表面,保持干净无杂物污染等。(技术员负责) 装料没有装好,供料孔没有对准棘齿,或8mm以上Feeder供料间距没有调对,取料位置不对造成取料不到。 对策:加强装料培训。(技术员负责培训,操作员提高技能) 当抛料现象出现时,可以先询问现场人员,再根据观察、分析,直接找到问题所在,这样 更能有效地找出问题,加以解决。 三、回流焊接工艺 回流焊接也是SMT中一项重要的工艺过程,回流焊炉的温度曲线设定是否合理是焊接效果好坏的重要原因。温度曲线跟链条速度及各温区温度设定值有重大关系。一般温度曲线分预热、保温、回流焊接、冷却四大部分。温度曲线的设定没有固定模式,一般是根据锡膏的性质和所焊接的PCB以及元器件的种类多少而定的,设定时以锡膏厂商提供的参考温度曲线为基础,结合PCB实际情况,根据自己的经验进行较小调整,一般在设定时多测几次,直到达到满意为止。
3.2焊锡膏回流焊接常见问题分析焊锡膏的回流焊接是用在SMT装配工艺中的主要板级互连方法,这种焊接方法把所需要的焊接特性极好地结合在一起,这些特性包括易于加工、对各种SMT设计有广泛的兼容性,具有高的焊接可靠性以及成本低等;然而,在回流焊接被用作为最重要的SMT组件级和板级互连方法的时候,它也受到要求进一步改进焊接性能的挑战,事实上,回流焊接技术能否经受住这一挑战将决定焊膏能否继续作为首要的SMT焊接材料,尤其是在超细微间距技术不断取得进展的情况之下。
总结 焊膏的回流焊接是SMT装配工艺中的主要的板极互连方法,影响回流焊接的主要问题包括:底面组件的固定、未焊满、断续润湿、低残留物、间隙、焊料成球、焊料结珠、焊接角焊缝抬起、Tombstoning、BGA成球不良、形成孔隙等,问题还不仅限于此,在本文中未提及的问题还有浸析作用,金属间化物,不润湿,歪扭,无铅焊接等.只有解决了这些问题,回流焊接作为一个重要的SMT装配方法,才能在超细微间距的时代继续成功地保留下去。 附:1.BGA焊接炉温曲线要求:(锡膏为63Pb/37Sn)
2. 爆米花现象(Popcorn) 主要会在环氧树脂等非气密性封装组件发生,包括PCB和IC.当湿气敏感组件暴露在环境中,湿气会渗透进封装材料,聚集在内部接口.当组件经过回流焊接高温时,聚集在内部的湿气会因快速的温升而瞬间气化,在内部产生较大的应力,导致内部发生分层,严重的称为爆米花现象.对于PCB,如果已经暴露过长时间而吸收湿气,应当进行烘烤,否则会发生分层现象.一般PCB厂商会标识PCB可暴露时间,在允许时间之内,通常不需烘烤。 四、手工烙铁焊接技术 使用电烙铁进行手工焊接,掌握起来并不因难,但是要有一些技朮要领。长期从事电子产品生产的人们总结出了焊接的四个要素(又称4M):材料、工具、方式﹑方法及操作者。其中最主要的当然还是人的技能。没有经过相当时间的焊接实践和用心体验、领会,就不能掌握焊接的技术要领;即使是从事焊接工作较长时间的技术工人,也不能保证每个焊点的质最。只有充分了解焊接原理再加上用心的实践,才有可能在较短的时间内学会焊接的基本技能。下面介绍的一些具体方法和注意要点,是初学者迅速掌握焊接技能的快捷方式。 初学者应该勤于练习,不断提高操作技艺,不能把焊接质量问题留到整机电路调试的时候再去解决。 4.1 焊接操作的正确姿势 掌握正确的操作姿势,可以保证操作者的身心健康,减轻劳动伤害。为减少焊剂加热时挥发出的化学物质对人的危害,减少有害气体的吸入量。一般情况下,烙铁到鼻子的距离应不少于20cm,通常以30cm为宜。 电烙铁有几种握法,反握法的动作稳定,长时间操作不易疲劳,适于大功率烙铁的操作;正握法适于中功率烙铁或带弯头电烙铁的操作;一般在操作台上焊接印刷制板等焊件时,多采用握笔法。 焊锡丝一般有两种成份。由于焊锡丝中含有一定比例的铅,而铅是对人体有害的一种金属,因此操作时应该戴手套或大操作后洗手,避免食入铅尘。 电烙铁使用以后,一定要稳妥地放大烙铁架上,并注意导线等物不要碰到烙铁头,以免烫伤导线,造成漏电等事故。 4.2 焊接操作的基本步骤 掌握好烙铁的温度和焊接时间,选择适当的烙铁头和焊点的接触位置,才可能得到良好 的焊点。 正确的焊接操作过程可以分成五个步骤: 在印制板上焊接元器件来说,要注意使烙铁头同时接触焊盘和元器件的引线。 把焊锡丝送到烙铁头上。 从第三步开始到第五步结束,时间大约也是1~2分钟。 对于热容量小的焊件,例如印制板上较细导线的连接,可以简化为三步操作: (1) 准备:同上步骤一。 (2) 加热与送丝:烙铁头放大焊件上后即放入焊丝。 (3) 去丝移烙铁:焊锡在焊接面上扩散达到预期范围后,立即取开焊丝并移开烙铁,并注意 焊丝的时间不得滞后于移开烙铁的时间。 对于吸收低热量的焊件而言,上述整个过程不过2~~4秒钟,各步骤时间的节奏控制,顺序的准确掌握,动作的熟练协调,都是要通过大量实践并用心体会才能解决的问题。有人总结出了五大步骤操作法中用数秒的办法控制时间:烙铁接触焊点后数一﹑二(约2秒钟),送入焊丝后数三﹑四,移开烙铁,焊丝熔化量要靠观察决定。此办法可以参考,但由于烙铁功率﹑焊点热量的差别等因素,实际掌握焊接火候并无规定可循,必须具体条件具体对待。试想,对于一个热量较大的焊点,若使用功率较小的烙铁焊接时,大上述时间内,可能温度还不能使焊锡熔化,那幺还谈什么焊接呢﹖ 4.3 焊接温度与加热时间 适当的温度对形成良好的焊点是不可少的。这个温度究竟如何掌握呢?当根据有关数据 可以很清楚地查出不同的焊件材料所需要的量佳温度,得到有关曲线。但是,在一般的焊接过 程中,不可能使用温度计之类的仪表来随时检测,而是希望用更直观明确的方法来了解焊件温度。 经过经验得出,烙铁头在焊件上停留的时间与焊件温度的升高是正比关系。同样的烙铁, 加热不同热量的焊件时,想达到同样焊接温度,可以通过控制加热时间来实现。但在实践中又不能仅仅依此关系决定加热时间,用中小功率烙铁加热较大的时件时,无论烙铁停留的时间多长,焊件的温度也上不去,原因是烙铁的供热容量小于焊件和烙铁在空气中散失的热量。此外,为防止内部过热损坏,有些元器件也不允许长期加热。 加热时间对焊和焊点的影响及其外部特征是什幺呢?如果加热时间不足,会使焊料不能 充分浸润焊件而形成松香夹渣而虚焊。反之,过量的加热,除有可能造成元器件损坏以外,还有如下危害和外部特征: (1) 点外观变差。如果焊锡已经浸润焊件以后还继续进行过量的加热,将使助焊剂全部挥发完,造成熔态焊锡过热;当烙铁离开时容易拉出锡尖,同时焊点表面发黑,出现粗糙颗粒,失去光泽。 (2) 高温造成所加松香助焊剂的分解碳化。松香一般在210℃开始分解,不仅失去助焊剂的作用,而且造成焊点夹渣形成缺陷。如果在焊接中发现松香发黑,肯定是加热时间过长所致。 (3) 过量的受热会破坏印制板上铜箔的粘合层,导致铜箔焊般的剥落。因此,在适当的加热时间里,准确掌握加热火候是优质焊接的关键。 4.4 接操作的具体手法 在保证得到优质的目标下,具体的焊接操作手法可以因人而异,但下面这些前人总结的方法,对初学者的指导作用是不可忽略的。 (1) 保持烙铁头的清洁 焊接时,烙铁头长期处于高温状态,又接触焊剂等弱酸性物质,其表面很容易氧化并沾上一层黑色杂质。这些杂质形成隔热层。妨碍了烙铁头与焊件之间的热传导。因此,要注意在烙铁架上蹭去杂质。用一块湿布或湿海棉随时擦拭烙铁头,也是常用的方法之一。对于普通烙铁头,在污染严重时可以使用锉刀锉去表面氧化层。对于长寿命烙铁头,就绝对不能使用这种方法了。 (2) 靠增加接触面积来加快传热 加热时,应该让焊件上需要焊锡浸润的各部分均匀受热,而不是仅仅加热焊件的一部分,更不要采用烙铁对焊件增加压力的办法,以免造成损坏或不易觉察的陷患。有些初学者企图加快焊接,用烙铁头对焊接面施加压力,这是不对的。正确的方法是,要根据焊件的形状选用不同的烙铁头,或者自己修整烙铁头,让烙铁头与焊件形成面的接触而不是点或线的接触。这样,就能大大提高效率。 (3) 加热要靠焊锡桥 在非流水线作业中,焊接的焊点形状是多种多样的,不大可能不断更换烙铁头。要提高加热的效率,需要有进行热量传递的焊锡桥。所谓焊锡桥,就是靠烙铁头上保留焊锡加热时烙铁头与焊之间传热的桥梁。由于金属熔液的导热效率远远高于空气,使焊点快就被加热到焊接温度。应该注意,作为焊锡桥的锡量不可保留过多,以免造成误连。 (4) 烙铁撤离有讲究 烙铁的撤离要及时,而且撤离时的角度和方向与焊点的形成有关。如图所示为烙铁不同的撤离方向对焊料的影响。 工件 (a)沿烙铁轴向 (b)向上方 (c)水平方向 (d)垂直向下 (e)垂直向上 45度撤离 撤离 撤离 撤离 撤离 (5) 在焊锡凝固之前不能动 切勿使焊件移动或受到振动,特别是用镊子夹住焊件时,一定要等焊锡凝固后再移走 镊子,否则极易造成虚焊。 (6) 焊锡用量要适中 手工焊接常用管状焊锡丝,内部已装有松香和活化剂制成的助焊剂。焊锡丝的直径有 0.5﹑0.8﹑1.0…5.0mm等多种规格,要根据焊点的大小选用。一般,应使焊锡的直径略 小于焊盘直径。过量的焊锡不但无必要地消耗了较贵的锡,而且还增加焊接时间,降低工作速度。过量的锡很容易造成不易觉察的短路故障。焊锡过少也不能形成牢固的结合,同样是不利的,特别是焊接印制板引出导线时,焊锡用量不足,极容易造成导线脱落。 (7) 焊剂用量要适中 适量的助焊剂对焊接非常有利。过量使用松香焊剂,焊接以后必须擦除多余的焊剂, 并且延长了加热时间,降低了工作效率。当加热时间不足时,又容易形成“夹渣”的缺陷。焊接开关﹑接插件的时候,过量的焊剂容易流到触点处,会造成接触不良。合适的焊剂量,应该是松香水仅能浸湿将要形成的焊点,不会透过印制板流到组件面或插孔里。对使用松香芯焊丝的焊接来说,基本上不需要再涂松香水。目前,印制板生产厂的电路板在出厂前大多进行过松香浸润处理,无需再加助焊剂。 (8) 不要使用烙铁头作为运载焊料的工具 有人习惯用烙铁头沾上焊锡再去焊接,结果造成焊料的氧化。因为烙铁头的温度一般 都在300摄氏度左右,焊锡丝中的焊剂在高温时容易分解失效。特别应该指出的是,在一些陈旧的图书中还介绍过这种方法,请读者注意监别. 4.5 焊点质量及检查 对焊点的质量要求,应该包括电气接触良好,机械结合牢固和美观三个方面。保证焊点 质量最关键的一点,就是必须避免虚焊。 虚焊主要是由待焊金属表面的氧化物和污垢造成的,它使焊点成为有接触电阻的连接状 态 ,导致电路工作不正常,出现时好时坏的不稳定现象,噪声增加而没有规律性,给电路的调试,使用和维护带来重大的隐患。此外,也有一部分虚焊点在电路开始工作的一段较长时间内,保持接触尚好,因此不容易发现,但在温度,湿度的振动等环境条件作用下,接触表面逐步被氧化,接触慢慢地变得不完全起来。虚焊点的接触电阻会引起局部发热,局部温度升高又促使不完全接触的焊点情况进一步恶化,最终甚至使焊点脱落,电路完全不能正常工作。这一过程有时可长达一﹑二年。 据统计数字表明,在电子整机产品的故障中,有将近一半是由于焊接不良引起的。然而, 要从一台有成千上万个焊点的电设备里,找出引起故障的虚焊点来,实大不是一件容易的事, 所以,虚焊是电路可靠性的一大隐患,必须严格避免。进行手工焊接操作的时候,尤其要加 以注意。 一般来说,造成虚焊的主要原因为:焊锡质量差;助焊剂的还原性不良或用量不够接 处表成未预先清洁好,镀锡不牢;烙铁头的温度过高或过低,表面有氧化层;焊接进间太长 或太短,掌握得不好:焊接中焊尚未凝固时,焊接组件松动。 (1) 可靠的电气连接 焊接是电子线路从物理上实现电气连接的主要手段。焊锡连接不是靠压力,而是靠焊接过程形成的牢固的连接的合金层达到电气连接的目的。如果焊锡仅仅是堆在焊件的表面或只有少部分形成合金层,也许在最初的测试和工作中不会发现焊点存在问题,但随着条件的改变和时间的推移,接触层氧化,脱裂出现了,电路产生时通时断或者干脆不工作,而这时观察焊点外表,依然连接如初,这是电仪器使用中最头疼的问题,也是产品制造中必须十分重视的问题。 (2) 足够的机械强度 焊接有仅起到电气连接的作用,同时也是固定元器件,保证机械连接的手段。这就有个机械强度的问题。作为锡焊材料的铅锡合金,本身强度是比较低的,常用铅锡焊料抗拉强度约为3~4、7Kg/cm,只有普通钢材的10%。要想增加强度,就要有足够的连接面积。如果是虚焊点,焊料仅仅堆在焊盘上,自然就谈不到强度了。 常见的缺陷是焊锡未流满点或焊锡量少而造成强度较低;还可能因焊接时焊料尚未凝 固就使焊件振动而引起的焊点结晶粗大(象豆腐渣状)或有裂纹,从而影响机械强度。 (3) 光洁整齐的外观 薄而均匀可 良好的焊点求焊料用量恰到好处, 见导线轮廓 组件引线 典型焊点的外观要求是(参见右图): a=(1-1.2)b (1) 状为近似圆锥而表面微凹呈现漫坡状(以焊接导线为中心,对称成裙形拉开)。虚焊 点表面往往呈凸形,可以判别出来; (2) 焊料的连接面呈弓形凹面,焊料与焊件交界处平滑,接触角尽可能小; (3) 表面有光泽且平滑; (4) 无裂纹﹑针孔﹑夹渣;焊点的外观检查,除用目测(或借助放大镜,显微镜观测)焊点是否 合乎上述标准以外,对整块制电板进行以下几个方面焊接质量的检查:漏焊;焊料拉尖;焊料引起导线间短路(即所谓“桥接”);导线及元器件绝缘的损伤;焊料飞溅。检查时,除目测外还要用指触。镊子拨动﹑拉线等办法检查有无导线断线﹑焊盘剥离等缺陷。 在外观检查结束以后认为联机无误,才可进行通电检查,这是检验电路性能的关键。如 果不经过严格的外观检查,通电检查不仅困难较多,而且有可能损坏设备仪器,造成安全事故。例如电源联机虚焊,那幺通电时就会发现设备加不上电,当然无法检查。通电检查可以发现许多微小的缺陷,例如用目测观察不到的电路桥接,但对于内部虚焊隐患就不容易觉察。所以根本的问题还是要提高焊接操作的技艺水平。不能把问题留给检验工作去完成。 失效 元器件损坏 性能不良 时通时断 短路 通电检查 断路 导通不良 虚焊﹑插座接触不良
导线断丝,焊盘剥落 造成焊接缺陷的原因很多,在材料(焊料与焊剂)与工具(烙铁﹑夹具)一定的情况下,采 用什幺样的方法以及操作者是否有责任心,就是决定性的因素了。在接线端上焊接导线时常 见的缺陷如图所示,供检查焊点时参考。表中列出了各种焊点缺陷的外观、特点及危害,并 分析了产生的原因。
五.静电简介 5.1. 静电怎样产生的 物质都是由分子组成, 分子由原子组成, 原子中负电荷的电子和带正电的质子组成。在正常状况下, 一个原子的质子数与电子数量相同, 正负平衡, 所以对外表现出不带电的现象。但是电子环绕于原子核周围,一经外力即脱离轨道, 离开原来的原子而侵入其它的原子B, A原子因缺少电子数而带有正电现象,称为阳离子, B原子因增加电子数而呈带负电现象, 称为阴离子。 造成不平衡电子分布的原因即是电子受外力而脱离轨道,这个外力包含各种能量 (如动 能, 位能, 热能, 化学能…等) 在日常生活中, 任何两个不同材质的物体接触后再分离, 即可产生静电。固体﹑液体和气体都会因接触分离而带上静电, 所以我们的周围环境甚至我们的身上都会带有不同程度的静电,当静电积累到一定程度时就会发生放电。 5.2. 人体身上的静电有多高 在干燥的季节若穿上纤维衣物和绝缘的地面行走等活动, 人体身上的静电可达几千伏 甚至几万伏。
5.3 静电对电子产品损害有哪些形式 静电的基本物理特性为: 吸引或排斥, 与大地有电位差, 会产生放电电流。这三种特性能对电子组件的三种影响: 1. 静电吸附灰尘,降低组件绝缘电阻 (缩短寿命)。 2. 静电放电破坏,使组件受损不能工作 (完全破坏)。 3. 静电放电产生的电磁场幅度很大 (达几百伏/米)对电子产品造成干扰甚至损坏 (电磁干扰)。 如果组件全部损坏, 必能在生产及品质管理中被察觉而排除, 影响较小, 如果组件轻微受损, 在正常检测下不易发现, 在这种情形下,常会因经过多层的加工,甚至已在使用时, 才发现破坏, 不但检查不易, 而且其损失亦难以预测。 5.4 ESD是什幺意思 ESD是代表英文Electro Static Discharge即"静电放电"的意思。ESD是本世纪中期以来形成的以研究静电的产生与衰减,静电放电模型,静电放电效应如电流热 (火花) 效应 (如静电引起的着火与爆炸) 及和电磁效应 (如电磁干扰) 等的学科。近年来随着科学技术的飞速发展, 微电子技术的广泛应用及电磁环境越来越复杂,对静电放电的磁场效应如电磁干扰 (EMI) 及电磁兼容性 (EMC) 问题越来越重视。 5.5 防静电腕带的使用中要注意哪些问题 腕带扣得不紧造成人体与腕带的接触电阻变大。腕带应用专门的带插座的接地线与地连接, 不能夹在桌面或桌边的金属体上, 因为这些金属体对地的电阻可能很大, 同时要经常检查腕带的电阻。 5.6 防静电腕带的使用中人体安全问题 从防静电的角度考虑时, 人体总的对地电阻越小越好, 但最小值受到安全方面的限制, 人体必须具有一定值的对地电阻, 以便万一发生金属设备或装置与工频源短接的情况下该电阻能够限制流过操作工作的人体的电流。最小值不应小于100K欧姆, 通常腕胁的限流电阻在1M欧姆。 |
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