SMT基础知识(MOBI)

SMT Introduction射频工艺部射频工艺部12/17/20221.0 SMT简介SMT 是Surface Mount Technology的简写，意为表面贴装技术。亦即是无需对PCB钻插装孔而直接将元器件贴焊到PCB表面规定位置上的一种装联技术。1.1 SMT特点特点SMT是从传统的穿孔插装技术（THT）发展起来的，但又区别于传统的THT。那么，SMT与THT比较它有什么优点呢？下面就是其最为突出的优点：组装密度高、电子产品体积小、重量轻，贴片元件的体积和重量只有传统插装元件的1/10左右，一般采用SMT之后，电子产品体积缩小40%-60%，重量减轻60%-80%。可靠性高、抗振能力强。焊点缺陷率低。高频特性好。减少了电磁和射频干扰。易于实现自动化，提高生产效率。降低成本达30%-50%。节省材料、能源、设备、人力、时间等。我们知道了SMT的优点，就要利用这些优点来为我们服务，而且随着电子产品的微型化使得THT无法适应产品的工艺要求。因此，SMT是电子装联技术的发展趋势。其表现在：电子产品追求小型化，使得以前使用的穿孔插件元件已无法适应其要求。电子产品功能更完整，所采用的集成电路(IC)因功能强大使引脚众多，已无法做成传统的穿孔元件，特别是大规模、高集成IC，不得不采用表面贴片元件的封装。1.2 SMT发展趋势发展趋势产品批量化，生产自动化，厂方要以低成本高产量，出产优质产品以迎合顾客需求及加强市场竞争力。电子元件的发展，集成电路(IC)的开发，半导体材料的多元应用。电子产品的高性能及更高装联精度要求。电子科技革命势在必行，追逐国际潮流。1.2 SMT发展趋势发展趋势2.0 SMT工艺介绍工艺介绍2.1 名词术语名词术语SMTSMT：是Surface Mount Technology的简写（即表面贴装技术），是直接将元器件贴焊到PCB表面规定位置上的一种装联技术 焊膏焊膏（solder paste）：由粉末状焊料合金、焊剂和一些起粘性作用及其他作用的添加剂混合成具有一定粘度和良好触变性的焊料膏钢网印刷钢网印刷（stencil printing）：使用不锈钢网板将焊锡膏印到PCB焊盘上的印刷工艺过程贴装贴装（pick&place）：将表面贴装元器件从供料器中拾取并贴放到PCB规定位置上的操作回流焊回流焊（reflow soldering）：通过熔化预先分配到PCB焊盘上的焊膏，实现表面贴装元器件与PCB焊盘的电气及机械连接2.2 2.2 表面组装方式表面组装方式PCB焊接工艺一般分为3种：回流焊接、波峰焊接和手工焊接，按组装方式可分为全表面组装、单面混装、双面混装：组装方式示意图焊接方式特点单面表面贴装单面回流焊工艺简单，适用于薄型简单电路双面表面组装双面回流焊适用于高密度、薄型电路单面贴装及插装A面回流焊B 面波峰焊先贴后插件，工艺简单一面贴装一面插装B 面波峰焊先胶水沾贴后插件，工艺不复杂双面贴装一面插装A面回流焊B面波峰焊高密度组装双面贴装双面插装一面回流焊一面波峰焊+手焊工艺复杂，一般不采用2.3 SMT2.3 SMT产线及设备产线及设备一条SMT完整的产线通常按照如下流程设置：送板印锡贴片炉前检验回流焊卸板炉后检验（测试）2.3 SMT2.3 SMT产线及设备产线及设备SMT通常用到的一些设备主要包括印刷机、贴片机、回流炉以及一些辅助设备如AOI、X-RAY、ICT、放大设备、返修设备等2.3 SMT2.3 SMT产线及设备产线及设备印刷机印刷机-用来印刷焊膏或贴片胶。将焊膏（或贴片胶）通过网板漏印到PCB的焊盘（位置）上。主要包括夹持基板工作台、印刷头、钢网固定机构、识别系统、擦网系统以及计算机控制系统2.3 SMT2.3 SMT产线及设备产线及设备网板网板-用来将焊膏定量分配到PCB焊盘上，是保证印刷质量的关键工装。SMT网板制造方法分为3种：化学腐蚀锡磷青铜或不锈钢板激光切割不锈钢、高分子聚酯板电铸法镍板2.3 SMT2.3 SMT产线及设备产线及设备3种网板制造方法的比较如下表：方法优点缺点适用对象化学腐蚀成本低易加工孔壁不光滑尺寸误差大Pitch0.65mm以上器件激光切割精度高孔壁光滑价格较高毛刺需抛光Pitch0.3mm以上器件电铸法精度高孔壁光滑价格昂贵制作周期长Pitch0.3mm器件2.3 SMT2.3 SMT产线及设备产线及设备贴装机贴装机-用来将元器件从料盘中取出，并放置到线路板上相应位置。包含的主要部件：底座、供料器、线路板传输装置、贴装头、对中系统、贴装头的X/Y轴定位传输装置、贴装工具（吸嘴）、计算机控制系统2.3 SMT2.3 SMT产线及设备产线及设备贴装机可分为高速机及多功能机。高速机通常贴装较小尺寸的贴片器件，贴装速度较快（一般在0.2s/chip以内）；多功能机可贴装各种贴片型器件，尤其是一些异型元件，贴装速度相对较慢一些（一般在0.3-0.6s/chip左右）2.3 SMT2.3 SMT产线及设备产线及设备回流炉回流炉-焊接设备，对预先分配到线路板焊盘上的焊膏加热，使其熔化结晶冷却固化，实现元件焊端或引脚与线路板焊盘之间的机械及电气连接。2.3 SMT2.3 SMT产线及设备产线及设备检验设备：检验设备：放大镜协助人工检验显微镜一般用于细微观察或切片分析ICT测试仪开短路、错漏反检验FVT测试仪电气功能测试X-RAY检测仪内部构造观察AOI检测仪自动光学检验2.4 SMT2.4 SMT工艺工艺锡膏印刷锡膏印刷在印刷锡膏的过程中，基板（线路板）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，用模板(stencil)进行锡膏印刷。锡膏用于表面贴装元件的引脚或端子与焊盘之间的连接。锡膏印刷有许多变量，如锡膏、丝印机、模板、锡膏应用方法和印刷工艺过程等，其中锡膏、模板、刮刀是影响锡膏印刷的3个关键因素。2.4 SMT2.4 SMT工艺工艺锡膏印刷锡膏印刷刮刀刮刀：在印刷时，刮板在模板上以一定角度（3060度）运动，使锡膏在前面滚动，使其流入模板孔内，然后刮去多余锡膏，在PCB焊盘上留下与模板一样厚的锡膏，刮刀影响印刷质量的主要参数：刮刀压力 刮刀速度 2.4 SMT2.4 SMT工艺工艺锡膏印刷锡膏印刷锡膏锡膏：锡膏是锡粉和助焊剂的混合物，它有两个作用：焊接前保持一定的粘性，使元器件在贴片过程中黏结在PCB焊盘上；焊接后完成PCB焊盘与元器件电极之间的物理及电气连接。2.4 SMT2.4 SMT工艺工艺锡膏印刷锡膏印刷锡膏选用锡膏选用：锡膏根据其成分、颗粒大小、活性强度等不同，其特性表现不同，通常需要根据产品特点进行选用：高可靠性要求的产品选择高质量的锡膏，一般采用RMA型，器件或PCB严重氧化的可选择RA型，但焊接后需要清洗 有BGA、CSP等倒装芯片的产品应选择高可靠性免清洗锡膏 热敏元件可考虑选用含Bi的低熔点锡膏2.4 SMT2.4 SMT工艺工艺锡膏印刷锡膏印刷锡膏选用锡膏选用：有细间距引脚封装的产品应选择锡粉颗粒度小的锡膏（2045um）目前电子行业中使用最普遍的无铅焊锡膏为锡银铜合金成分如SAC305SAC4052.4 SMT2.4 SMT工艺工艺锡膏印刷锡膏印刷锡膏粘度锡膏粘度：粘度是锡膏的一个重要特性，我们要求其在印刷行程中，其粘性越低，则流动性越好，易于流入模板孔内，印到PCB的焊盘上。在印刷过后，锡膏停留在PCB焊盘上，其粘性高，则保持其填充的形状，而不会往下塌陷。锡膏标准的粘度是在大约500kcps-1200kcps范围内，较为典型的800kcps用于模板丝印是理想的。2.4 SMT2.4 SMT工艺工艺锡膏印刷锡膏印刷锡膏粘度锡膏粘度：判断锡膏是否具有正确的粘度有一种实际和经济的方法：用刮勺在容器罐内搅拌锡膏约30秒钟，然后挑起一些锡膏，高出容器罐三、四英寸，让锡膏自行往下滴，开始时应该象稠的糖浆一样滑落而下，然后分段断裂落下到容器罐内。如果锡膏不能滑落，则太稠，如果一直落下而没有断裂，则太稀，粘度太低。2.4 SMT2.4 SMT工艺工艺锡膏印刷锡膏印刷锡膏的使用与保管锡膏的使用与保管：焊膏必须以密封状态在210 条件下存储。如果温度升高，焊膏中的合金粉末和焊剂化学反应后，使其粘度上升而影响其印刷性；如果温度过低（0 以下）焊剂中的松香成分会发生结晶想象，使焊膏状态恶化。2.4 SMT2.4 SMT工艺工艺锡膏印刷锡膏印刷锡膏的使用与保管锡膏的使用与保管：焊膏从冰箱里取出来后不能直接使用，必须在室温下回温，待焊膏温度达到室温后方可打开容器盖，以防止空气中的水汽凝结而混入其中。回温时间一般4 8小时（至少要2小时），切不可用加温方法使其回温，这样会使焊膏性能劣化。2.4 SMT2.4 SMT工艺工艺锡膏印刷锡膏印刷锡膏的使用与保管锡膏的使用与保管：使用前必须搅拌，使锡膏及焊剂充分混合 锡膏添加完后，要及时盖好容器盖 锡膏使用完毕后，要及时放回冰箱冷冻2.4 SMT2.4 SMT工艺工艺锡膏印刷锡膏印刷模板模板：又称钢板，目前行业使用的普遍为激光刻钢板，钢板的质量直接影响锡膏印刷的质量，其中钢板厚度及开口尺寸、形状是其影响的主要因素。2.4 SMT2.4 SMT工艺工艺锡膏印刷锡膏印刷模板厚度模板厚度：钢板厚度及尺寸基本决定了锡膏的印刷量。制作时必须根据线路板的组装密度、元器件大小、引脚间距（Pitch)等选择合适的钢板厚度。通常小CHIP件及窄间距IC要求锡膏量要少一些，则选择的钢板厚度要薄一些。当线路板上分布元件较复杂，要求锡膏量较悬殊时，可对钢板做局部处理，如阶梯钢板CHIP元件尺寸IC pitch（mm）钢板厚度（mils）0805及以上0.8及以上6-80603、04020.65-0.46-50402及以下0.4-0.35-42.4 SMT2.4 SMT工艺工艺锡膏印刷锡膏印刷模板开口模板开口：为了使锡膏印刷有良好的图形和脱模效果，钢板图形开口需满足两个基本条件：面积比：0.66 宽厚比：1.5 较大的元件其钢板开口可按照焊盘1：1开口，较小元件或窄间距器件（如0603以下、0.5pitch以下等）则必须考虑防锡珠、防连锡处理2.4 SMT2.4 SMT工艺工艺锡膏印刷锡膏印刷模板网框模板网框：网框尺寸是根据印刷机框架结构尺寸确定的，目前国内使用最多的是29*29inch，或23*23inch，考虑刮刀位置及焊锡膏流动，一般印刷图形区域四周离粘接胶边缘至少有40mm距离。网框网框不锈钢丝网不锈钢丝网粘接胶粘接胶不锈钢板不锈钢板印刷图形印刷图形40mm40mm2.4 SMT2.4 SMT工艺工艺锡膏印刷锡膏印刷模板模板 当PCB尺寸较小时，可将双面板或几个简单产品的印刷图形加工在同一个模板上，不同图形间隔约25mm即可，这样可以节省模板费用。根据印刷机类型，模板上除了印刷图形，可能还需制作MARK点（与PCB上设计的MARK点对应）如果线路板上有较窄间距IC器件，通常采用激光模板，且模板通常还需要经电抛光处理，以去除激光切割的毛刺2.4 SMT2.4 SMT工艺工艺贴片贴片贴片工序是用贴片机或人工将贴片元器件准确地放置到印好焊锡膏的PCB表面的相应位置上。贴片机已广泛用于各电子装配厂，其原理是利用编制好的贴片程序，控制贴装头真空吸取贴片元件，再准确放置到线路板上对应位置。2.4 SMT2.4 SMT工艺工艺贴片贴片贴片机贴片通常包含的一些要求：贴片程序：包括拾取程序和贴放程序两部分。拾取程序就是告诉机器拾取位置、取什么样的元件，贴放程序就是告诉机器把元件放到哪里，以什么角度、高度贴装等。贴片程序里通常包括MARK点坐标、元件位号、位置坐标、站位（Z位）、封装类型、使用吸嘴类型、贴片角度、高度、速度等 元件必须使用原料盘包装，符合EIA-481包装要求，否则可能需借助人工贴装2.4 SMT2.4 SMT工艺工艺贴片贴片 元件必须能够满足表面贴装要求，比如引脚共面性、封装外形、元件尺寸重量，元件引脚或焊端必须与焊盘对应居中 PCB外形尺寸（长宽厚）必须在贴片机的允许范围内，无明显变形、翘曲、残缺等 一些辅助的工艺设计依PCB布局可能需要增加，比如MARK点、工艺边、补偿块 PCB焊盘设计须尽可能适合贴片及回流焊接，焊盘设计参考公司标准或IPC-SM-7822.4 SMT2.4 SMT工艺工艺回流焊接回流焊接基本原理基本原理：在受热的条件下，熔化的焊锡材料中的锡原子与焊件表面的原子相互扩散，形成金属间化合物（IMC)Cu6Sn5,但随着时间的推移，会继续生产Cu3Sn，它将减弱焊接力或减低长期可靠性。2.4 SMT2.4 SMT工艺工艺回流焊接回流焊接 焊接条件焊接条件：1.焊件表面应是清洁的,油垢、锈斑或其它脏污都会影响焊接；2.能被锡焊料润湿的金属才具有可焊性；3.要有适当的加热温度,使焊锡料具有一定的流动性,才可以达到焊牢的目的,但温度也不可过高，过高时可能损坏焊件及容易形成氧化膜而影响焊接质量.2.4 SMT2.4 SMT工艺工艺回流焊接回流焊接 焊接温度焊接温度：温度是保证焊接质量的关键，焊接温度通常采用温度测试仪测得，在电脑上模拟出实时温度曲线，典型的温度曲线可划分为4个功能部分 预热区 活性区 回流区 冷却区2.4 SMT2.4 SMT工艺工艺回流焊接回流焊接焊接温度焊接温度：40-80s2.4 SMT2.4 SMT工艺工艺回流焊接回流焊接预热区预热区：用来将PCB的温度从周围环境温度提升到所须的活性温度。其温度以不超过每秒2-5C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、溅锡；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。当线路板上有较大热容量的器件时，要求有较缓慢的预热。回流炉的预热区一般占整个加热通道长度的25-33%。2.4 SMT2.4 SMT工艺工艺回流焊接回流焊接活性区活性区：也叫浸润区，从活性温度上升到熔点温度，该温区主要有两个功用：清洗焊接面的氧化层；同时要求助焊剂在焊料熔融时要保持一定的活性。活性区要求有较高的升温速率，时间较短（长时间处在高温下会使焊膏中的助焊剂提前结束活化反应，则焊料熔融时未有足够的焊剂活性，使焊料合金在高温下重新氧化而造成焊接不良）。2.4 SMT2.4 SMT工艺工艺回流焊接回流焊接回流区回流区：或叫焊接区，从焊料熔融温度到凝固温度，通常需要40-80s时间，其峰值温度一般为235-245C。回流区是扩散、溶解、冶金结合形成良好焊点的关键区域。由于无铅焊接温度高，既要保证充分焊接还要考虑到不要使高温损坏元器件和线路板，因此正确控制回流温度时间、以及峰值温度和时间是极其重要的。2.4 SMT2.4 SMT工艺工艺回流焊接回流焊接冷却区冷却区：或称降温区，从凝固温度下降到接近常温。由于回流区的峰值温度高，为了防止由于焊点冷却凝固时间过长，造成焊点结晶颗粒长大，因此焊接设备会增加冷却装置，使焊点快速降温，且加速冷区可以防止产生偏析，避免枝状结晶的形成。但降温也不能过快，否则可能损坏元器件。降温速率一般控制在-24C/s。2.4 SMT2.4 SMT工艺工艺回流焊接回流焊接温度设置的依据温度设置的依据：不同金属含量的焊膏有不同的温度曲线，应按照焊膏加工厂提供的温度曲线进行设置，因为合金成分决定熔点、助焊剂的活性温度及活性决定了助焊剂浸润区的温度和速率。各温区的升温速率、峰值温度及回流时间是温度设置时考虑的重点。2.4 SMT2.4 SMT工艺工艺回流焊接回流焊接温度设置的依据温度设置的依据：根据线路板的材料、厚度、是否多层板、尺寸大小。根据表面贴装元器件的密度、热分布、元件大小及有无特殊元器件进行设置。根据回流炉的特点，如加热区长度、热源、排风量大小等。3.0 检验技术简介检验技术简介3.1 常用检验方法常用检验方法目前在电子组装领域中使用的测试技术种类繁多，常用的有：人工目检（Manual visual inspection）在线测试（In-circuit tester)自动光学测试(Automatic Optical Inspection)自动X射线测试(Automatic X-ray Inspection)、功能测试(Functional Tester，简称FT)这些检测方式都有各自的优点和不足之处，要根据各公司的检测设备配置以及表面组装板的组装密度、器件类型而定。3.0 检验技术简介检验技术简介3.2 人工目检人工目检(MVI)人工目检是一种用肉眼检察的方法。其检测范围有限，只能检察器件漏装、方向极性、型号正误、桥连以及部分虚焊。由于人工目检易受人的主客观因素的影响，具有很高的不稳定性。在处理0603、0402和细间距芯片时人工目检更加困难，特别是当BGA器件大量采用时，对其焊接质量的检查，人工目检几乎无能为力。3.0 检验技术简介检验技术简介3.3 在线测试在线测试(ICT)ICT针床测试是通过对在线元器件的电性能及电气连接进行测试来检查生产制造缺陷及元器件不良的一种标准测试手段。它主要检查在线的单个元器件以及各电路网络的开、短路情况。其优点是测试速度快，适合于单一品种大批量的产品。但是随着产品品种的丰富和组装密度的提高以及新产品开发周期的缩短，其局限性也越发明显：需要专门设计测试点和测试模具，制造周期长，价格贵，编程时间长；器件小型化带来的测试困难和测试不准确等。3.0 检验技术简介检验技术简介3.4 自动光学检测自动光学检测(AOI)自动光学检测是近几年兴起一种检测方法。它是通过CCD照相的方式获得器件、焊点或PCB的图像，然后经过计算机的处理和分析比较来判断缺陷和故障。其优点是检测速度快，编程时间较短，可以放到生产线中的不同位置，便于及时发现故障和缺陷，使生产、检测和二为一。可缩短发现故障和缺陷时间，及时找出故障和缺陷的成因。因此它是目前采用得比较多的一种检测手段。但AOI系统也存在不足，如不能检测电路错误，同时对不可见焊点的检测也无能为力。3.0 检验技术简介检验技术简介3.5 自动自动X光检测光检测(AXI)AXI（Automatic X-ray Inspection）是近几年才兴起的一种新型测试技术。当组装好的线路板沿导轨进入机器内部后,位于线路板上方的X-Ray发射管将其发射的X射线穿过线路板后并被置于下方的探测器（一般为摄象机）接收到,由于焊点中含有可以大量吸收X射线的铅,因此与穿过玻璃纤维、铅、硅等其它材料的X射线相比,照射在焊点上的X射线被大量吸收而呈黑点,从而产生良好图像,使得对焊点的分析变得相当直观,因此,采用简单的图像分析算法就可以自动且可靠地检验到焊点缺陷。3.0 检验技术简介检验技术简介3.5 自动自动X光检测光检测(AXI)AXI技术已从以往的2D检验法发展到目前的3D检验法。3D检验法采用分层技术，即将光束聚焦到任何一层并将相应图像投射到一高速旋转的接受面上，由于接受面高速旋转使位于焦点处的图像非常清晰，而其它层上的图像则被消除，故3D检验法可对线路板两面的焊点独立成像。3D X-Ray技术还可对那些不可见焊点如BGA等进行多层图象“切片”检测,即对BGA焊接连接处的顶部、中部和底部进行彻底检验。同时利用此方法可以测通孔（PTH）焊点,检查通孔中焊料是否充实,从而极大地提高焊点的焊接质量。演讲完毕，谢谢观看！