SMT、DIP生产流程介绍.ppt

生产工艺介绍 1 1SMT生产流程介绍1 2DIP生产流程介绍1 3PCB设计工艺简析 SMT 表面安装技术 SurfaceMountingTechnology 简称SMT 它是将电子元器件直接安装在印制电路板的表面 它的主要特征是元器件是无引线或短引线 元器件主体与焊点均处在印制电路板的同一侧面 1 1表面安装的工艺流程 1 1 1表面安装组件的类型 表面安装组件 SurfaceMountingAssembly 简称 SMA 类型 全表面安装 型 双面混装 型 单面混装 型 a 全表面安装 型 全部采用表面安装元器件 安装的印制电路板是单面或双面板 表面安装示意图 b 双面混装 型 表面安装元器件和有引线元器件混合使用 印制电路板是双面板 双面混装示意图 c 单面混装 型 表面安装元器件和有引线元器件混合使用 与 型不同的是印制电路板是单面板 单面混装示意图 1 1 2工艺流程由于SMA有单面安装和双面安装 元器件有全部表面安装及表面安装与通孔插装的混合安装 焊接方式可以是回流焊 波峰焊 或两种方法混合使用 通孔插装方式可以是手工插 或机械自动插 从而演变为多种工艺流程 目前采用的方式有几十种之多 下面仅介绍通常采用的几种形式 a 单面全表面安装 单面安装流程 b 双面全表面安装 双面安装流程 c 单面混合安装 单面混合安装流程 d 双面混合安装 双面混合安装流程 1 1 3锡膏印刷 锡膏印刷工艺环节是整个SMT流程的重要工序 这一关的质量不过关 就会造成后面工序的大量不良 因此 抓好印刷质量管理是做好SMT加工 保证品质的关键 锡膏印刷工艺的控制包括几个方面 锡膏的选择锡膏的储存锡膏的使用和回收钢网开口设计印刷注意事项线路板的储存和使用等下面就来具体的谈一下这些工序如何进行有效的管控 1 锡膏的选择 锡膏的成份包含 金属粉末 溶济 助焊剂 抗垂流剂 活性剂 按重量分 金属粉末占85 92 按体积分金属粉末占50 锡膏中锡粉颗粒与Flux 助焊剂 的体积之比约为1 1 重量之比约为9 1 助焊剂在焊接中的主要作用是去除氧化物 破坏融锡表面张力 防止再度氧化 锡膏分为有铅锡膏和无铅锡膏两种 a 有铅锡膏 有铅锡膏中的主要金属粉末为锡和铅 的有传统的63Sn 37Pb 即锡膏含量中锡占63 铅占37 和62Sn 36 5Pb 0 5Ag 含银锡膏 熔点为183 b 无铅锡膏 分类 SN Ag系列SN Ag Cu系列SN AB系列目前 锡 银 铜是一种用于SMT装配应用的常用合金 这些合金的回流温度范围为217 221C 峰值温度为235 255C时即可对大多数无铅表面 如锡 银 镍镀金 以及裸铜OSP 达到良好的可焊性 2 锡膏的储存 锡膏的储存环境必须是在3到10度范围内 储存时间是出厂后6个月 超过这个时间的锡膏就不能再继续使用 要做报废处理 因此 锡膏在购买回来以后一定要做管控标签 上面必须注明出厂时间 购入时间 最后储存期限 同时 对于储存的温度也必须每天定时进行检查 以确保锡膏是在规定的范围内储存 锡膏的使用要做到先进先出 以避免因为过期而造成报废 3 锡膏的使用和回收 锡膏在使用前4个小时必须从储存柜里拿出来 放在常温下进行回温 回温时间为4个小时 回温后的锡膏在使用时要进行搅拌 搅拌分为机器搅拌和手工搅拌 机器搅拌时间为15分钟 手工搅拌时间为30分钟 以搅拌刀勾取的锡膏可以成一条线流下而不断为最佳 目的是 让冷藏的锡膏温度回复常温 以利印刷 如果不回温则在PCB 进Reflow后易产生的不良为锡珠 添加锡膏时以印刷机刮刀移动时锡膏滚动不超过刮刀的三分之二为原则 过少印刷不均匀 会出现少锡现象 过多会因短时间用不完 造成锡膏暴露在空气中时间太长而吸收水分 引起焊接不良 4 钢网开口设计 印刷效果的好坏和焊接质量的好坏 取决于钢网的开口设计 钢网开口设计不好就会造成印刷少锡 短路等不良 回流焊接时会出现锡珠 立碑等现象 钢网常见的制作方法为 化学蚀刻 激光切割 电铸 目前激光切割用的比较广泛 开钢网应注意的几点 钢网开口设计一般0805以上的焊盘不会有什么影响 但对于0603以下的元件和一些细间距IC 开口就必须考虑防锡珠 防立碑 防短路 防少锡等问题 一般对于小CHIP元件 即片状元件 开口应设计为内凹形状或者是半圆形状 这样可以有效防止锡珠的产生 对于细间距IC焊盘 开口应设计为漏斗形 以便于印刷下锡 大小以覆盖焊盘的90 为宜 如果担心锡量不够的话 可以宽度缩小10 长度加长20 这样既可以防止印刷短路 又可以防止出现少锡现象 对于一些大焊盘元件 因为锡量比较多 因此要做局部扩大 一般扩大为120 到130 之间 钢网的厚度一般在0 13到0 15mm之间 有小元件和细间距IC的时候 厚度为0 13mm 没有小元件的时候厚度为0 15mm 5 印刷注意事项 印刷有手印和机器印刷两种 如果是手印的话 要注意调整好钢网 确保印刷没有偏移 同时要注意定时清洁钢网 一般是印刷50片左右清洁一次 如果有细间距元件则应调整为30片清洁一次 印刷时注意手不可触摸线路板正面焊盘位置 避免手上的汗渍污染焊盘 最好是戴手套作业 如果是机器印刷的话要注意定时检查印刷效果和随时添加锡膏 确保印刷出来的都是良品 6 线路板的储存和使用 线路板必须放在干燥的环境下保存 避免因为受潮而引起焊盘氧化 造成焊接不良 如果有受潮的现象 在使用时必须放在烤箱里以80到100摄氏度的温度烘烤8个小时才能使用 否则会因为线路板里的水分在过炉时蒸发而引起焊锡迸溅 造成锡珠 制程中因印刷不良造成短路的原因 a 锡膏金属含量不够 造成塌陷b 钢板开孔过大 造成锡量过多c 钢板品质不佳 下锡不良d Stencil背面残有锡膏 降低刮刀压力 1 1 4贴片 在SMT流程中 贴片加工环节是完全靠机器完成的 当然也有采用手工贴片的 不过那是针对量少 元件数不多而且对加工品质要求不严格的产品 对于贴片机器的分类 一般按速度分为高速机和中速机 按贴片功能分 分为CHIP机和泛用机 也叫多功能机 贴片机器的工作原理是采用图形识别和坐标跟踪来决定什么元件该贴装到什么位置 贴片机器的工作程序一般来说有5大块 1 线路板数据 线路板的长 宽 厚 用来给机器识别线路板的大小 从而自动调整传输轨道的宽度 线路板的识别标识 统称MARK 用来给机器校正线路板的分割偏差 以保证贴装位置的正确 这些是基本数据 2 元件信息数据 包括元件的种类 即是电阻 电容 还是IC 三极管等 元件的尺寸大小 用来给机器做图像识别参考 元件在机器上的取料位置等 便于机器识别什么物料该在什么位置去抓取 3 贴片坐标数据 这里包括每个元件的贴装坐标 取元件的中心点 便于机器识别贴装位置 还有就是每个坐标该贴什么元件 便于机器抓取 这里要和数据2进行链接 再有就是元件的贴装角度 便于机器识别该如何放置元件 同时也便于调整极性元件的极性 4 线路板分割数据 线路板的分板数据 即一整块线路板上有几小块拼接的线路板 用来给机器识别同样的贴装数据需要重复贴几次 5 识别标识数据 也就是MARK数据 是给机器校正线路板分割偏差使用的 这里需要录入标识的坐标 同时还要对标识进行标准图形录入 以供机器做对比参考 有了这5大基本数据 一个贴片程序基本就完成了 也就是说可以实现贴片加工的要求了 1 1 5回流焊 ReflowOven 回流焊的定义 是靠热气流对焊点的作用 胶状的焊剂 锡膏 在一定的高温气流下进行物理反应达到SMD的焊接 因为是气体在焊机内循环流动产生高温达到焊接目的 所以叫 回流焊 1 回流焊设备在电子制造业中 大量的表面组装组件 SMA 通过回流焊进行焊接 回流焊的热传递方式可将其分为三类 远红外 全热风 红外 热风 a 远红外回流焊八十年代使用的远红外回流焊具有加热快 节能 运行平稳等特点 但由于印制板及各种元器件的材质 色泽不同而对辐射热吸收率有较大差异 造成电路上各种不同元器件以及不同部位温度不均匀 即局部温差 例如 集成电路的黑色塑料封装体上会因辐射吸收率高而过热 而其焊接部位 银白色引线上反而温度低产生虚焊 另外 印制板上热辐射被阻挡的部位 例如在大 高 元器件阴影部位的焊接引脚或小元器件会由于加热不足而造成焊接不良 b 全热风回流焊全热风回流焊是一种通过对流喷射管嘴或者耐热风机来迫使气流循环 从而实现被焊件加热的焊接方法 该类设备在90年代开始兴起 由于采用此种加热方式 印制板 PCB 和元器件的温度接近给定加热温区的气体温度 完全克服了红外回流焊的局部温差和遮蔽效应 故目前应用较广 在全热风回流焊设备中 循环气体的对流速度至关重要 为确保循环气体作用于印制板的任一区域 气流必须具有足够快的速度 这在一定程度上易造成印制板的抖动和元器件的移位 此外 采用此种加热方式的热交换效率较低 耗电较多 C 红外热风回流焊这类回流焊炉是在红外炉基础上加上热风使炉内温度更均匀 是目前较为理想的加热方式 这类设备充分利用了红外线穿透力强的特点 热效率高 节电 同时有效克服了红外回流焊的局部温差和遮蔽效应 并弥补了热风回流焊对气体流速要求过快而造成的影响 因此这种回流焊目前是使用得最普遍的 氮气回流焊在回流焊工艺中使用惰性气体 通常是氮气 已经有一段时间了 但对于成本效益的评估还有很多争论 在回流焊工艺中 惰性气体环境能减少氧化 而且可以降低焊膏内助焊剂的活性 这一点对一些低残留物或免洗焊膏的有效性能来讲 或者在回流焊工艺中需要经过多次的时候 比如双面板 可能是必需的 如果涉及到多个加热过程 带OSP的板子也会受益 因为在氮气里底层铜线的可焊性会得到比较好的保护 氮气工艺其它好处还包括较高表面张力 可以扩宽工艺窗口 尤其对超细间距器件 改善焊点形状以及降低覆层材料变色的可能性 另一个方面是成本 在一个特定的工厂里氮气的成本根据地理位置和用量的不同差别很大 严格的构成成本研究通常都显示出 在将生产率和质量改善的成本效益进行分解后 氮气的成本就不是一个主要的因素了 在没有强制对流同时气流又呈薄片状的炉内 控制气体的消耗量 图1 相对比较容易 有几种方法可用来减少氮气的消耗 包括减小炉子两端的开口大小 使用空白档板 涡形帘子或其它类似的设置将入口和出口的孔缝没有用到的部分挡住等 用档板或帘子隔开的区域可以用来控制流出炉子的气流 并尽量减少与外部空气的混和 另一种方法应用回流炉改进技术 它利用热的氮气会在空气上面形成一个气层 而两层气体不会混和的原理 在炉子的设计中加热室比炉子的入口和出口都要高 这样氮气会自然形成一个气层 可以减少为维持一定气体纯度所需输入的气体数量 2温度曲线分析与设计温度曲线是指SMA通过回流炉 SMA上某一点的温度随时间变化的曲线 其本质是SMA在某一位置的热容状态 温度曲线提供了一种直观的方法 来分析某个元件在整个回流焊过程中的温度变化情况 这对于获得最佳的可焊性 避免由于超温而对元件造成损坏以及保证焊接质量都非常重要 温度曲线热容分析理想的温度曲线由四个部分组成 前面三个区加热和最后一个区冷却 一个典型的温度曲线其包含回流持续时间 锡膏活性温度 合金熔点和所希望的回流最高温度等 回流焊炉的温区越多 越能使实际温度曲线的轮廓达到理想的温度曲线 大多数锡膏都能用有四个基本温区的温度曲线完成回流焊工艺过程 温度曲线图 a 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 电路板和元器件的热容不同 他们的实际温度提升速率不同 电路板和元器件的温度应不超过每秒3 速度连续上升 如果过快 会产生热冲击 电路板和元器件都可能受损 如陶瓷电容的细微裂纹 而温度上升太慢 锡膏会感温过度 溶剂挥发不充分 影响焊接质量 炉的预热区一般占整个加热区长度的15 25 b 活性区也叫做均温区 这个区一般占加热区的30 50 活性区的主要目的是使SMA内各元件的温度趋于稳定 尽量减少温差 在这个区域里给予足够的时间使热容大的元器件的温度赶上较小元件 并保证焊膏中的助焊剂得到充分挥发 到活性区结束 焊盘 焊料球及元件引脚上的氧化物被除去 整个电路板的温度达到平衡 应注意的是SMA上所有元件在这一区结束时应具有相同的温度 否则进入到回流区将会因为各部分温度不均产生各种不良焊接现象 一般普遍的活性温度范围是120 170 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 但是理想的温度曲线应当是平稳的温度 C 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焊膏合金的熔点温度加40 左右 回流区工作时间范围是30 60s 这个区的温度设定太高会使其温升斜率超过每秒3 或使回流峰值温度比推荐的高 或工作时间太长可能引起PCB的过分卷曲 脱层或烧损 并损害元件的完整性 回流峰值温度比推荐的低 工作时间太短可能出现冷焊等缺陷 d 冷却区这个区中焊膏的锡合金粉末已经熔化并充分润湿被连接表面 应该用尽可能快的速度来进行冷却 这样将有助于合金晶体的形成 得到明亮的焊点 并有较好的外形和低的接触角度 缓慢冷却会导致电路板的杂质更多分解而进入锡中 从而产生灰暗粗糙的焊点 在极端的情形下 其可能引起沾锡不良和减弱焊点结合力 冷却段降温速率一般为3 10 S 按工作热容设计温度曲线温度曲线的本质是描述SMA在某一位置的热容状态 温度曲线受多个参数影响 其中最关键的是传输带速度和每个区温度的设定 而传输带速度和每个区温度的设定取决与SMA的尺寸大小 元器件密度和SMA的炉内密度 作温度曲线首先考虑传输带的速度设定 该设定值将决定PCB在加热通道所花的时间 典型的锡膏要求3 4分钟的加热时间 用总的加热通道长度除以总的加热时间 即为准确的传输带速度 传送带速度决定PCB暴露在每个区所设定的温度下的持续时间 增加持续时间可以使表面组装组件接近该区的温度设定 接下来必须确定各个区的温度设定 由于实际区间温度不一定就是该区的显示温度 因此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 显示的温度将比区间实际温度高 热电偶越靠近PCB的直接通道 显示的温度将越能反应区间实际温度 速度和温度确定后 将参数输入到焊炉的控制器 从而调整设定温度 风扇速度 强制空气流量和惰性气体流量等 炉子稳定后 可以开始作曲线 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进行比较 首先 必须确定从环境温度到回流峰值温度的总时间和所希望的加热时间相协调 如果太长 按比例地增加传送带速度 如果太短 则相反 图形曲线的形状必须和所希望的曲线相比较 如果形状不协调 则继续调整 选择与理论图形形状最相协调的曲线 例如 如果预热和回流区中存在差异 首先将预热区的差异调整 一般最好每次调一个参数 在作进一步调整之前运行这个曲线设定 这是因为一个给定区的改变也将影响随后区的结果 当最后的曲线图尽可能的与所希望的图形相吻合 应该把炉的参数记录或储存以备后用 结论在SMT回流焊工艺造成对元件加热不均匀的原因主要有 回流焊元件热容量的差别 传送带或加热器边缘影响 回流焊炉上的负载等三个方面 通常PLCC QFP BGA 屏蔽罩等器件热容量大 焊接面积大 焊接困难 在回流焊炉中传送带在周而复始传送产品进行回流焊的同时 也成为一个散热系统 此外在加热部分的边缘与中心散热条件不同 边缘一般温度偏低 炉内除各温区温度要求不同外 同一载面的温度也有差异 产品装载量不同的影响 回流焊温度曲线的调整要考虑在空载 负载及不同负载因子 负载因子定义为 Ls S1 S 其中S1 组装基板的面积 S 炉内加热区的有效面积 情况下能得到良好的重复性 回流焊工艺要得到重复性好的结果 必须控制负载因子 负载因子愈大 焊接质量愈难控制 通常回流焊炉的最大负载因子的范围为0 3 0 5 这要根据产品情况 元件焊接密度 不同基板 和回流炉的性能来决定 同时 要得到良好的焊接效果和重复性 实践经验很重要 与回流焊相关的焊接缺陷很多 主要有 桥接 立碑 曼哈顿现象 润湿不良等 究其原因多数与温度曲线有关 设定合理的焊接温度曲线 选择合适的焊料 应用合理的工艺是保证质量的关键 回流焊接是SMT工艺中复杂而关键的工艺 涉及到自动控制 材料 流体力学和冶金学等多种科学 要获得优质的焊接质量 必须深入研究回流焊接工艺参数的设计 温度场的影响 元器件的影响 焊接材料影响 焊接设备等方方面面 1 2DIP生产流程 元件成型加工 插件 过波峰焊 元件切脚 补焊 洗板 功能测试 波峰焊Wavesolder 定义 波峰焊是将熔融的液态焊料 借助与泵的作用 在焊料槽液面形成特定形状的焊料波 插装了元器件的PCB置与传送链上 经过某一特定的角度以及一定的浸入深度穿过焊料波峰而实现焊点焊接的过程 波峰焊有单波峰焊和双波峰焊之分 单波峰焊用于SMT时 由于焊料的 遮蔽效应 容易出现较严重的质量问题 如漏焊 桥接和焊缝不充实等缺陷 而双波峰则较好地克服了这个问题 大大减少漏焊 桥接和焊缝不充实等缺陷 因此目前在表面组装中广泛采用双波峰焊工艺和设备 波峰焊解析图 设备组成 不同的波峰焊机设备组成的原理不同 但是各部件最终的结果相同 大体上可以分成以下几个部分 治具安装喷涂助焊剂系统预热系统焊接系统冷却系统 2 1 1治具安装治具安装是指给待焊接的PCB板安装夹持的治具 可以限制基板受热变形的程度 防止冒锡现象的发生 从而确保浸锡效果的稳定 2 1 2助焊剂系统 助焊剂系统是保证焊接质量的第一个环节 其主要作用是均匀地涂覆助焊剂 除去PCB和元器件焊接表面的氧化层和防止焊接过程中再氧化 助焊剂的涂覆一定要均匀 尽量不产生堆积 否则将导致焊接短路或开路 助焊剂系统 助焊剂在焊接过程中的作用 不同的产品需要的助焊剂成份类型各有不同 但是使用助焊剂的目的是相同的 这就是助焊剂在焊接过程中的作用 a 获得无锈金属表面 保持被焊面的洁净状态 b 对表面张力的平衡施加影响 减小接触角 促进焊料漫流 c 辅助热传导 浸润待焊金属表面 助焊剂系统有多种 包括喷雾式 喷流式和发泡式 目前一般使用喷雾式助焊系统 采用免清洗助焊剂 这是因为免清洗助焊剂中固体含量极少 不挥发无含量只有1 5 1 20 所以必须采用喷雾式助焊系统涂覆助焊剂 同时在焊接系统中加防氧化系统 保证在PCB上得到一层均匀细密很薄的助焊剂涂层 这样才不会因第一个波的擦洗作用和助焊剂的挥发 造成助焊剂量不足 而导致焊料桥接和拉尖 喷雾式有两种方式 一是采用超声波击打助焊剂 使其颗粒变小 再喷涂到PCB板上 二是采用微细喷嘴在一定空气压力下喷雾助焊剂 这种喷涂均匀 粒度小 易于控制 喷雾高度 宽度可自动调节 是今后发展的主流 喷雾式及发泡式 2 1 3预热系统a预热系统的作用 1 挥发助焊剂中的溶剂 使助焊剂呈胶粘状 液态的助焊剂内有大量溶剂 主要是无水酒精 如直接进入锡缸 在高温下会急剧的挥发 产生气体使焊料飞溅 在焊点内形成气孔 影响焊接质量 2 活化助焊剂 增加助焊能力 在室温下焊剂还原氧化膜的作用是很缓慢的 必须通过加热使助焊剂活性提高 起到加速清除氧化膜的作用 3 减少焊接高温对被焊母材的热冲击 焊接温度约245 在室温下的印制电路板及元器件若直接进入锡槽 急剧的升温会对它们造成不良影响 4 减少锡槽的温度损失 未经预热的印制电路板与锡面接触时 使锡面温度会明显下降 从而影响润湿 扩散的进行 b 预热方法波峰焊机中常见的预热方法有三种 空气对流加热红外加热器加热热空气和辐射相结合的方法加热 c 预热温度一般预热温度为90 150 预热时间为1 3min 预热温度控制得好 可防止虚焊 拉尖和桥接 减小焊料波峰对基板的热冲击 有效地解决焊接过程中PCB板翘曲 分层 变形问题 有铅焊接时预热温度大约维持在80 100 之间 而无铅免洗的助焊剂由于活性低需在高温下才能激化活性 故其活化温度维持在150 左右 在能保证温度能达到以上要求以及保持元器件的升温速率 2 S以内 情况下 此过程所处的时间为1分半钟左右 若超过界限 可能使助焊剂活化不足或焦化失去活性引起焊接不良 产生桥连或虚焊 2 1 4焊接系统焊接系统一般采用双波峰 在波峰焊接时 PCB板先接触第一个波峰 然后接触第二个波峰 第一个波峰是由窄喷嘴喷流出的 湍流 波峰 流速快 对组件有较高的垂直压力 使焊料对尺寸小 贴装密度高的表面组装元器件的焊端有较好的渗透性 通过湍流的熔融焊料在所有方向擦洗组件表面 从而提高了焊料的润湿性 并克服了由于元器件的复杂形状和取向带来的问题 同时也克服了焊料的 遮蔽效应 湍流波向上的喷射力足以使焊剂气体排出 因此 即使印制板上不设置排气孔也不存在焊剂气体的影响 从而大大减小了漏焊 桥接和焊缝不充实等焊接缺陷 提高了焊接可靠性 经过第一个波峰的产品 因浸锡时间短以及部品自身的散热等因素 浸锡后存在着很多的短路 锡多 焊点光洁度不正常以及焊接强度不足等不良内容 因此 紧接着必须进行浸锡不良的修正 这个动作由喷流面较平较宽阔 波峰较稳定的二级喷流进行 这是一个 平滑 的波峰 流动速度慢 有利于形成充实的焊缝 同时也可有效地去除焊端上过量的焊料 并使所有焊接面上焊料润湿良好 修正了焊接面 消除了可能的拉尖和桥接 获得充实无缺陷的焊缝 最终确保了组件焊接的可靠性 2 1 5冷却系统浸锡后适当的冷却有助于增强焊点接合强度的功能 同时 冷却后的产品更利于炉后操作人员的作业 因此 浸锡后产品需进行冷却处理 2 2提高波峰焊接质量的方法和措施 分别从焊接前的质量控制 生产工艺材料及工艺参数这三个方面探讨提高波峰焊质量的方法 2 1焊接前对印制板质量及元件的控制2 2 1焊接前对印制板质量及元件的控制 a 焊盘设计 1 在设计插件元件焊盘时 焊盘大小尺寸设计应合适 焊盘太大 焊料铺展面积较大 形成的焊点不饱满 而较小的焊盘铜箔表面张力太小 形成的焊点为不浸润焊点 孔径与元件引线的配合间隙太大 容易虚焊 当孔径比引线宽0 05 0 2mm 焊盘直径为孔径的2 2 5倍时 是焊接比较理想的条件 2 在设计贴片元件焊盘时 应考虑以下几点 为了尽量去除 阴影效应 SMD的焊端或引脚应正对着锡流的方向 以利于与锡流的接触 减少虚焊和漏焊 波峰焊时推荐采用的元件布置方向图如图4所示 波峰焊接不适合于细间距QFP PLCC BGA和小间距SOP器件焊接 也就是说在要波峰焊接的这一面尽量不要布置这类元件 较小的元件不应排在较大的元件后 以免较大元件妨碍锡流与较小元件的焊盘接触 造成漏焊 b PCB平整度控制波峰焊接对印制板的平整度要求很高 一般要求翘曲度要小于0 5mm 如果大于0 5mm要做平整处理 尤其是某些印制板厚度只有1 5mm左右 其翘曲度要求就更高 否则无法保证焊接质量 c 妥善保存印制板及元件 尽量缩短储存周期在焊接中 无尘埃 油脂 氧化物的铜箔及元件引线有利于形成合格的焊点 因此印制板及元件应保存在干燥 清洁的环境下 并且尽量缩短储存周期 对于放置时间较长的印制板 其表面一般要做清洁处理 这样可提高可焊性 减少虚焊和桥接 对表面有一定程度氧化的元件引脚 应先除去其表面氧化层 2 3生产工艺材料的质量控制在波峰焊接中 使用的生产工艺材料有 助焊剂和焊料 助焊剂质量控制助焊剂在焊接质量的控制上举足轻重 其作用是 1 除去焊接表面的氧化物 2 防止焊接时焊料和焊接表面再氧化 3 降低焊料的表面张力 4 有助于热量传递到焊接区 目前波峰焊接所采用的多为免清洗助焊剂 选择助焊剂时有以下要求 1 熔点比焊料低 2 浸润扩散速度比熔化焊料快 3 粘度和比重比焊料小 4 在常温下贮存稳定 焊料的质量控制锡铅焊料在高温下 250 不断氧化 使锡锅中锡 铅焊料含锡量不断下降 偏离共晶点 导致流动性差 出现连焊 虚焊 焊点强度不够等质量问题 可采用以下几个方法来解决这个问题 添加氧化还原剂 使已氧化的SnO还原为Sn 减小锡渣的产生 不断除去浮渣 每次焊接前添加一定量的锡 采用含抗氧化磷的焊料 采用氮气保护 让氮气把焊料与空气隔绝开来 取代普通气体 这样就避免了浮渣的产生 这种方法要求对设备改型 并提供氮气 目前最好的方法是在氮气保护的氛围下使用含磷的焊料 可将浮渣率控制在最低程度 焊接缺陷最少 工艺控制最佳 焊接过程中的工艺参数控制焊接工艺参数对焊接表面质量的影响比较复杂 并涉及到较多的技术范围 预热温度的控制预热的作用 使助焊剂中的溶剂充分发挥 以免印制板通过焊锡时 影响印制板的润湿和焊点的形成 印制板在焊接前达到一定温度 以免受到热冲击产生翘曲变形 一般预热温度控制在90 150 预热时间1 3min b 焊接轨道倾角轨道倾角对焊接效果的影响较为明显 特别是在焊接高密度SMT器件时更是如此 当倾角太小时 较易出现桥接 特别是焊接中 SMT器件的 遮蔽区 更易出现桥接 而倾角过大 虽然有利于桥接的消除 但焊点吃锡量太小 容易产生虚焊 轨道倾角应控制在5 8 之间 c 波峰高度波峰的高度会因焊接工作时间的推移而有一些变化 应在焊接过程中进行适当的修正 以保证理想高度进行焊接波峰高度 以压锡深度为PCB厚度的1 2 1 3为准 d 焊接温度焊接温度是影响焊接质量的一个重要的工艺参数 有铅焊料在223 245 之间都可以润湿 而无铅焊料则需在230 260 之间才能润湿 太低的锡温将导致润湿不良 或引起流动性变差 产生桥连或上锡不良 过高的锡温则导致焊料本身氧化严重 流动性变差 严重地将损伤元器件或PCB表面的铜箔 由于各处的设定温度与PCB板面实测温度存在差异 并且焊接时受元件表面温度的限制 有铅焊接的温度设定在245 左右 无铅焊接的温度大约设定在250 265 之间 在此温度下PCB焊点钎接时都可以达到上述的润湿条件 波峰焊后的补焊什么是补焊 在机械焊接后 对焊接面进行修整 通常称为 补焊 机械焊接的焊点不可能达到零缺陷 元器件虽经预成型 但插入后伸出板面的长度不可能全部符合要求 所以补焊是必不可少的 补焊的工艺规范通常包括如下内容 补焊内容 纠正歪斜元器件检查漏件修剪引出脚 歪斜不正 补焊不良焊点 假焊 空焊 连锡 虚焊 毛刺 锡多 锡少 标准 半焊 裂锡 烙铁焊 作用 机械自动焊后焊接面的修补及加强焊 整机组装中各部件装联焊接 产量很小或单件生产产品的焊接 温度敏感的元器件及有特殊抗静电要求的元器件焊接 作为产品设计人员及维修人员的焊接工具 电烙铁的分类 普通烙铁 手枪式电烙铁 自动温控或自动断电式 也叫恒温烙铁 不同烙铁相对应的焊接对象 烙铁头的特性 a 温度 待焊状态时为330 380 在连续焊接时 前一焊点完成后 焊接下一焊点前烙铁头温度应能恢复到上述温度 烙铁头与焊件接触时 在焊接过程中 焊接点温度能保持在240 250 b 烙铁头的形状 头部的形状应与焊接点的大小及焊点的密度相适应 一般应选择头部截面是园形的 特别在SMA的维修中使用的烙铁 更要注意烙铁头的形状随着整机内元器件密度的提高 一般不宜选择头部截面是扁形的烙铁头 c 烙铁头的耐腐蚀性应尽量采用长寿命烙铁头 它是在铜基体表面镀上一层铁 镍 铬或铁镍合金这种镀层不仅耐高温 而且具有良好沾锡性能 焊料的选择内带助焊剂的管状焊锡丝 锡铅合金的含量一般为50 60 为保证焊点的质量 应选择锡含量在55 以上 内藏松香 焊锡丝的直径有0 5 2 4mm的8种规格 应根据焊点的大小选择焊丝的直径 烙铁焊方法 a 焊前准备烙铁头部的预处理 搪锡 应在烙铁架的小盒内准备松香及清洁块 用水浸透 如果不是长寿命烙铁头 需要用锉刀将头部的氧化层清除 接通电源后片刻 待烙铁头部温度达到松香的熔解温度 约150 时 将烙铁头插入松香 使其表面涂敷上一层松香 脱离松香与锡丝接触 使烙铁头表面涂敷一层光亮的焊锡 长度约5 10mm b 焊接步骤 烙铁头接触工件 送上焊锡丝 焊锡丝脱离焊点 烙铁头脱离焊点 C 焊接要领 1 烙铁头与被焊工件的接触方式接触位置 烙铁头应同时接触需要互相连接的两个工件 烙铁一般倾斜45 接触压力 烙铁头与工件接触时应略施压力 以对工件表面不造成损伤为原则 2 焊锡的供给方法供给时间 工件升温达到焊料的熔解温度时立即送上焊锡 供给位置 送锡时焊锡丝应接触在烙铁头的对侧或旁侧 而不应与烙铁头直接接触 供给数量 锡量要适中 主要衡量标准为润湿角为15 45 不能呈 馒头 状 否则会掩盖假焊点 3 烙铁头的脱离方法脱离时间 观察焊锡已充分润湿焊接部位 而焊剂尚未完全挥发 形成光亮的焊点时立即脱离 若焊点表面变得无光泽而粗糙 则说明脱离时间太晚了 脱离动作 脱离时动作要迅速 一般沿焊点的切线方向拉出或沿引线的轴向拉出 即将脱离时又快速的向回带一下 然后快速的脱离 以免焊点表面拉出毛剌 按上述步骤及要领进行焊接是获得良好焊点的关键之一 在实际生产中 最容易出现的2种违反操作步骤的做法 其一 烙铁头不是先与工件接触 而是先与锡丝接触 熔化的焊锡滴落在尚未预热的焊接部位 这样很容易导致虚假焊点的产生 其二 更为严重的是有的操作者用烙铁头沾一点焊锡带到焊接部位 这时助焊剂已全部挥发或焦化 失去了助焊作用 焊接质量就可想而知了 因此在操作时 最重要的是烙铁必须首先与工件接触 先对焊接部位进行预热 它是防止产生虚假焊 最严重的焊接缺陷 的有效手段 1 3PCB设计工艺简析 以前的电子产品 插件 手焊 是PCB板的基本工艺过程 因而对PCB板的设计要求也十分单纯 随着表面安装技术的引入 制造工艺逐步溶于设计技术之中 对PCB板的设计要求就越来越苛刻 越来越需要统一化 规范化 产品开发人员在设计之初除了要考虑电路原理设计的可行性 同时还要统筹考虑PCB的设计和板上布局 工艺工序流程的先后次序及合理安排 下面就PCB设计工艺总结了几点 供大家探讨 1 焊接方式与PCB整体设计再流焊几乎适用于所有贴装元件的焊接 波峰焊则只适用于焊接矩形片状元件 圆柱形元器件 SOT等和较小的SOP 管脚数少于28 脚间距lmm以上 鉴于生产的可操作性 PCB整体设计尽可能按以下顺序优化 单面混装 即在PCB单面布放贴片元件或插装元件 两面贴装 PCB单面或两面均布放贴片元件 双面混装 PCBA面布放贴装元件和插装元件 B面布放适合于波峰焊的贴片元件 2 PCB基板的选用原则装载SMD的基板 根据SMD的装载形式 对基板的性能要求有以下几点 2 1外观要求基板外观应光滑平整 不可有翘曲或高低不平 基板表面不得出现裂纹 伤痕 锈斑等不良 2 2热膨胀系数的关系表面贴装元件的组装形态会由于基板受热后的胀缩应力对元件产生影响 如果热膨胀系数不同 这个应力会很大 造成元件接合部电极的剥离 降低产品的可靠性 一般元件尺寸小于3 2 1 6mm时 只遭受部分应力 尺寸大于3 2 1 6mm时 就必须注意这个问题 2 3导热系数的关系贴装与基板上的集成电路等 工作时的热量主要通过基板给予扩散 在贴装电路密集 发热量大时 基板必须具有高的导热系数 2 4耐热性的关系由于表面贴装工艺要求 一块基板至组装结束 可能会经过数次焊接过程 通常耐焊接热要达到260 10秒的要求 2 5铜箔的粘合强度表面贴装元件的焊区比原来带引线元件的焊区要小 因此要求基板与铜箔具有良好的粘合强度 一般要达到1 5kg cm2以上 2 6弯曲强度基板贴装后 因其元件的质量和外力作用 会产生翘曲 这将给元件和接合点增加应力 或者使元件产生微裂 因此要求基板的抗弯强度要达到25kg mm以上 2 7电性能要求由于电路传输速度的高速化 要求基板的介电常数 介电正切要小 同时随着布线密度的提高 基板的绝缘性能要达到规定的要求 2 8基板对清洗剂的反应在溶液中浸渍5分钟 其表面不产生任何不良 并具有良好的冲裁性 基板的保存性与SMD的保管条件相同 3 PCB外形及加工工艺的设计要求 1 PCB工艺夹持边 在SMT生产过程中以及插件过波峰焊的过程中 PCB应留出一定的边缘便于设备夹持 这个夹持边的范围应为5mm 在此范围内不允许布放元器件和焊盘 2 定位孔设计 为了保证印制板能准确 牢固地放置在表面安装设备的夹具上 需要设置一对定位孔 定位孔的大小为5 0 1mm 为了定位迅速 其中一个孔可以设计成椭圆形状 在定位孔周围lmm范围内不能有元件 3 PCB厚度 从0 5mm 4mm 一般采用1 6mm及2mm 4 PCB缺槽 印制板的一些边缘区域内不能有缺槽 以避免印制板定位或传感器检测时出现错误 具体位置会因设备的不同而有所变化 5 拼板设计要求 SMT中 大多数表面贴装印制板面积比较小 为了充分利用板材 高效率地制造 安装 调试SMT 往往将同一设备上的几种板或数种板拼在一起成为一个大的版面 对PCB的拼板格式有以下几点要求 拼板的尺寸不可太大 也不可太小 应以制造 装配和测试过程中便于加工 不产生较大变形为宜 拼板的工艺夹持边和安装工艺孔应由印制板的制造和安装工艺来确定 每块拼板上应设计有基准标志 让机器将每块拼板当作单板看待 提高贴装精度 拼板可采用邮票版或双面对刻V型槽的分离技术 在采用邮票版时 应注意搭边均匀分布于每块拼板的四周 以避免焊接时由于印制板受力不均导致变形 在采用双面对刻的V形槽时 V形槽深度应控制在板厚的1 3左右 两边槽深之和 要求刻槽尺寸精确 深度均匀 设计双面贴装不进行波峰焊的印制板时 可采用双数拼板正反面各半 两面图形按相同的排列方式可以提高设备利用率 在中 小批量生产条件下设备投资可减半 节约生产准备费用和时间 6 PCB板的翘由度 用于表面贴装的印制板 为避免对元件贴装造成影响 对翘由度有较严格的工艺要求 PCB在焊接前的静态翘曲度要求小于0 3 4 PCB焊盘设计工艺要求 焊盘设计是PCB线路设计的极其关键部分 因为它确定了元器件在印制板上的焊接位置 而且对焊点的可靠性 焊接过程中可能出现的焊接缺陷 可清洗性 可测试性和检修量等起着显著作用 1 阻焊膜设计时考虑的因素 印制板上相应于各焊盘的阻焊膜的开口尺寸 其宽度和长度分别应比焊盘尺寸大0 05 0 25mm 具体情况视焊盘间距而定 目的是既要防止阻焊剂污染焊盘 又要避免焊膏印刷 焊接时的连印和连焊 阻焊膜的厚度不得大于焊盘的厚度 2 焊盘与印制导线 减小印制导线连通焊盘处的宽度 除非手电荷容量 印制板加工极限等因素的限制 最大宽度应为0 4mm 或焊盘宽度的一半 以较小焊盘为准 焊盘与较大面积的导电区如地 电源等平面相连时 应通过一长度较细的导电线路进行热隔离 印制导线应避免呈一定角度与焊盘相连 只要可能 印制导线应从焊盘的长边的中心处与之相连 3 导通孔布局 避免在表面安装焊盘以内 或在距表面安装焊盘0 635mm以内设置导通孔 如无法避免 须用阻焊剂将焊料流失通道阻断 作为测试支撑导通孔 在设计布局时 需充分考虑不同直径的探针 进行自动在线测试时的最小间距 在SMC SMD下部尽量不设导通孔 一可防止焊料流失 二可防止导通孔截留焊剂及朽物而无法清洁净 若不可避免这种情况 则应将孔堵死填平 导通孔与焊盘 印制导线及电源地线相连时 应用宽度为0 25mm的细颈线隔开 细颈线最小长度为0 5mm 4 对于同一个元件凡是对称使用的焊盘 如片状电阻 电容 SOIC QFP等 设计时应严格保持其全面的对称性 即焊盘图形的形状与尺寸应完全一致 以保证焊料熔融时 作用于元器件上所有焊点的表面张力能保持平衡 即其合力为零 以利于形成理想的焊点 5 凡多引脚的元器件 如SOIC QFP等 引脚焊盘之间的短接处不允许直通 应由焊盘加引出互连线之后再短接 以免产生桥接 另外还应尽量避免在其焊盘之间穿越互连线 特别是细间距的引脚器件 凡穿越相邻焊盘之间的互连线 必须用阻焊膜对其加以遮隔 6 焊盘内不允许印有字符和图形标记标志符号离焊盘边缘距离应大于0 5mm 凡无外引脚的器件的焊盘 其焊盘之间不允许有通孔 以保证清洗质量 7 采用波峰焊接工艺的要求插引脚的通孔 一般比其引脚线径大0 05 0 3mm为宜 其焊盘的直径应大于孔径的3倍 8 焊盘图形设计 5 元器件布局的要求 元器件布局应满足SMT生产工艺的要求 由于设计所引起的产品质量问题在生产中是很难克服的 因此 PCB设计工程师要了解基本的SMT工艺特点 根据不同的工艺要求进行元器件布局设计 正确的设计可以使焊接缺陷降低到最低 在进行元器件布局时要考虑以下几点 PCB上元器件分布应尽可能地均匀 大质量器件再流焊时热容量较大 因此 布局上过于集中容易造成局部温度低而导致假焊 大型器件的四周要留一定的维修空隙 留出SMD返修设备加热头能够进行操作的尺寸 功率器件应均匀地放置在PCB边缘或机箱内的通风位置上 单面混装时 应把贴装和插装元器件布放在A面 采用双面再流焊混装时 应把大的贴装和插装元器件布放在A面 PCBA B两面的大器件要尽量错开放置 采用A面再流焊 B面波峰焊混装时 应把大的贴装和插装元器件布放在A面 再流焊 适合于波峰焊的矩形 圆柱形片式元件 SOT和较小的SOP 引脚数小于28 引脚间距lmm以上 布放在B面 波峰焊接面 波峰焊接面上不能安放四边有引脚的器件 如QFP PLCC等 波峰焊接面上元器件封装必须能承受260度以上温度并是全密封型的 贵重的元器件不要布放在PCB的角 边缘 或靠近插件 安装孔 槽 拼板的切割 豁口和拐角等处 以上这些位置是印制板的高应力区 容易造成焊点和元器件的开裂或裂纹 波峰焊接元件的方向 所有的有极性的表面贴装元件在可能的时候都要以相同的方向放置 在任何第二面要用波峰焊接的印制板装配上 在该面的元件首选方向如图所示 使用这个首选方向是要使装配在退出焊锡波峰时得到的焊点质量最佳 在排列元件方向时应尽量作到 a 所有无源元件要相互平行 b 所有SOIC要垂直于无源元件的长轴 c SOIC和无源元件的较长轴要互相垂直 d 无源元件的长轴要垂直于板沿着波峰焊接机传送带的运动方向 e 当采用波峰焊接SOIC等多脚元件时 应于锡流方向最后两个 每边各1 焊脚处设置窃锡焊盘 防止连焊 贴装元件方向的考虑 类型相似的元件应该以相同的方向排列在板上 使得元件的贴装 检查和焊接更容易 还有 相似的元件类型应该尽可能接地在一起 例如 在内存板上 所有的内存芯片都贴放在一个清晰界定的矩阵内 所有元件的第一脚在同一个方向 这是在逻辑设计上实施的一个很好的设计方法 在逻辑设计中有许多在每个封装上有不同逻辑功能的相似元件类型 另一方面 模拟设计经常要求大量的各种元件类型 使得将类似的元件集中在一起颇为困难 不管是否设计为内存的 一般逻辑的 或者模拟的 都推荐所有元件方向为第一脚方向相同 6基准点标记 FiducidMarks 制作的要求 为了精密地贴装元器件 可根据需要设计用于整块PCB的光学定位的一组图形 全局基准点 用于引脚数较多 引脚间距小的单个器件的光学定位图形 局部基准点 如图4所示 若是拼板设计 则需要在每块面板上设计基准 让机器把每块面板当作单板看待 如图5所示 在设计基准点标记时还要考虑以下因素 基准标志常用图形有 等 推荐采用的基准点标记是实心圆 直径1mm 基准点标记最小的直径为0 5mm 0 020 最大直径是3mm 0 120 基准点标记不应该在同一块印制板上尺寸变化超过25微米 0 001 基准点可以是裸铜 由清澈的防氧化涂层保护的裸铜 镀镍或镀锡 或焊锡涂层 热风均匀的 电镀或焊锡涂层的首选厚度为5 10微米 0 0002 0 0004 焊锡涂层不应该超过25微米 0 001 基准点标记的表面平整度应该在15微 0 0006 之内 在基准点标记周围 应该有一块没有其它电路特征或标记的空旷区 Clearance 空旷区的尺寸最好等于标记的直径 如图6所示 基准点要距离印制板边缘至少5 0mm 0 200 SMEMA的标准传输空隙 并满足最小的基准点空旷度要求 当基准点标记与印制板的基质材料之间出现高对比度时可达到最佳的性能 7 布线布线的原则如下 1 输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行 最好加线间地线 以免发生反馈藕合 2 印制摄导线的最小宽度主要由导线与绝缘基扳间的粘附强度和流过它们的电流值决定 当铜箔厚度为0 05mm 宽度为1 15mm时 通过2A的电流 温度不会高于3 因此 导线宽度为1 5mm可满足要求 对于集成电路 尤其是数字电路 通常选0 02 0 3mm导线宽度 当然 只要允许 还是尽可能用宽线 尤其是电源线和地线 导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定 对于集成电路 尤其是数字电路 只要工艺允许 可使间距小至5 8mm 3 印制导线拐弯处一般取圆弧形 而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能 此外 尽量避免使用大面积铜箔 否则 长时间受热时 易发生铜箔膨胀和脱落现象 必须用大面积铜箔时 最好用栅格状 这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体 A 电源线设计 根据印制线路板电流的大小 尽量加租电源线宽度 减少环路电阻 同时 使电源线 地线的走向和数据传递的方向一致 这样有助于增强抗噪声能力 B 地线设计 地线设计的原则是 1 数字地与模拟地分开 若线路板上既有逻辑电路又有线性电路 应使它们尽量分开 低频电路的地应尽量采用单点并联接地 实际布线有困难时可部分串联后再并联接地 高频电路宜采用多点串联接地 地线应短而租 高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔 2 接地线应尽量加粗 若接地线用很纫的线条 则接地电位随电流的变化而变化 使抗噪性能降低 因此应将接地线加粗 使它能通过三倍于印制板上的允许电流 如有可能 接地线应在2 3mm以上 3 接地线构成闭环路 只由数字电路组成的印制板 其接地电路布成团环路大多能提高抗噪声能力