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SMT贴片相关知识梳理

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本文参考书《SMT生产实训(第2版)》


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1. SMT基本工艺流程
1.1. 单面全表面组装流程

单面全表面组装流程应用场景:元器件数量多但种类不多的电路
单面全表面组装流程为:备料->印刷焊锡膏->贴装元器件->回流焊接->清洗->检测


1.2. 双面全表面组装流程

双面全表面组装的特点及使用场合:
1.A面不有大型IC器件
2.B面已片式组件为主
3. 充分利用PCB空间,常用于密集型或超小型电子产品
流程为:先做B面,再做A面
B面流程:印刷焊锡膏->贴装元器件->回流焊接->翻板
A面流程:印刷焊锡膏->贴装元器件->回流焊接->清洗->检测


1.3. 双面混合组装流程

双面混合组装流程为:先做A面,再做B面,插装通孔元器件后再过波峰焊
A面流程:印刷焊锡膏->贴装元器件->回流焊接->翻板
B面流程:点贴片胶(B面)->贴装元器件->固化->翻板
波峰焊流程:插装元器件->波峰焊接->清洗->检测


1.4. 单面混合组装流程

单面混合组装流程为:点贴片胶->贴元器件->固化->翻板->插装->波峰焊接->清洗->固化


注:
贴片胶:用来将元器件固定在印制板上的粘合剂,与焊膏不同,一经加热硬化后,再加热也不会融化。
贴片胶作用:
1.波峰焊中防止元器件脱落;
2.双面回流焊中防止另一面元器件脱落;


2. 芯片干燥及烘烤工艺
2.1. 贴片芯片干燥通用工艺

贴片芯片干燥通用工艺的要求如下:
1.真空包装的芯片无需干燥;
2. 若真空包装的芯片在拆封时发现包内的湿度指示卡大于20%RH,则必须进行烘烤;
3.生产前,真空包装拆封后,若暴露在空气中的时间超过72h,则必须进行干燥;
4. 库存未上线或开发人员领用的是非真空包装的IC,若已无干燥标识,则必须进行干燥处理;
5.干燥箱温湿度控制器应设为10%,干燥时间为48h以上,实际湿度小于20%即为正常。


2.2. 贴片芯片烘烤通用工艺

贴片芯片烘烤通用工艺的要求如下:
1.在密封状态下,组件货架寿命为12个月;
2.打开密封包装后,在小于30℃和60%RH的环境下,组件通过回流焊接炉前的可停留时间如表1所示。
表 1 不同防潮等级的贴片芯片过回流焊接炉前的可停留时间


防潮等级停留时间
LEVEL1大于1年,无要求
LEVEL21年
LEVEL31周
LEVEL472h
LEVEL524h
LEVEL66h

1.打开密封包装后,如不生产,则应立即存储在小于20%RH的干燥箱中;
2.需要烘烤的情况(适用于防潮等级为LEVEL2及以上的材料):
1)当打开包装时,室温下读取湿度指示卡,湿度为20%;
2)当打开包装后,停留时间超过表1的要求且还没有贴装焊接的组件;
3)当打开包装后,没有按规定存储在小于20%RH的干燥箱内的组件;
4).自封日期开始超过1年的组件;
3.烘烤时间
1)在温度(40+/-5)℃且湿度小于5%RH的低温烤箱内烘烤192h;
2)在温度(125+/-5)℃的烤箱内烘烤24h;


3. 焊锡膏
3.1. 焊锡膏的组成

焊锡膏的组成如下:
1.焊料合金粉末(SMD与电路的连接):
1)Sn/Pb
2)助焊剂
2.助焊剂
1)活化剂(金属表面的净化)
2)增粘剂(净化金属表面,与SMT保持黏性)
3)溶剂(黏度的调节)
4)分散剂(防止分离)


3.2. 焊锡膏应具备的条件

1.保质期内,黏度的经时变化要很小,在常温下锡粉和助焊剂不会分离,需要保持均质;
2.要有良好的印刷性。要好印刷,丝印版的透出性要好,不会溢粘在印版开口周围,经搅拌后,在常温下要能保持较长时间,有一定的黏着性,也就是说放置IC零件时,要有良好的位置安定性;
3.加热后对IC零件盒回路导体要有良好的焊接性,并要有良好的凝集性,不可产生过于滑散的现象;
4.助焊剂要有耐蚀性、空气绝缘性,要有良好的标准规格,并无毒性;
5.助焊剂的残渣要有良好的溶解性及洗净性;
6.锡粉和助焊剂不可分离;


3.3. 焊锡膏的保存、使用及环境要求

焊锡膏的存放:
1.存货储存时间不超过3个月;
2.焊锡膏入库保存要按不同种类、批号以及不同厂家分开放置;
3.焊锡膏的存储条件要求温度为4~8℃,相对湿度低于50%,不能把焊锡膏放到冷冻室,特殊焊锡膏的存储条件依厂家资料而定;
4.焊锡膏的使用遵循先进先出的原则,并做记录;
5.每周检测存储的温度及湿度,并做记录;
焊锡膏的使用及环境要求:
6.将焊锡膏从冰箱取出,贴上控制使用标签,并填上回温开始时间和签名。焊锡膏须完全解冻方可开盖使用,解冻时间规定为6~12h。若未回温完全便使用,焊锡膏会冷凝空气中的水汽,造成塌陷、锡爆等问题。
7.焊锡膏使用前应先在罐内进行充分搅拌;
8.从瓶内取焊锡膏时应注意尽量取少量添加到钢模,添加完后一定要旋好盖子,放置焊锡膏暴露在空气中,开盖后的焊锡膏使用的有效期在24h以内;
9.印刷后尽量在4h内完成回流焊;
10.免清洗焊锡膏修板后不能用酒精擦洗;
11.需要清洗的产品,回流焊后应在当天完成清洗。


3.4. 焊锡膏的选择方法

1.根据PCB和元器件存放时间和表面氧化程度选择焊锡膏的活性:
1)RMA:一般产品采用
2) R: 高可靠性产品采用
3) RA:可焊性盖的PCB和元器件采用
2. 根据组装工艺、印制板、元器件的具体情况选择合金成分。一般镀锡铅印制板采用Sn63/Pb37;钯金和钯银厚膜端头和引脚可焊性较差的元器件、要求焊点质量高的印制板采用Sn62/Pb38.
3.根据产品对清洁度的要求选择是否采用免清洗:
1)免清洗工艺要选用不含有卤素或其他强腐蚀性化合物的焊锡膏;
2)航天、竣工、仪器仪表以及涉及生命安全的医用器械可靠性要求高,需要采用水清洗或溶剂清洗的焊锡膏,焊后必须清理干净;
4.BGA和CSP一般都需要采用高质量的免清洗焊锡膏;
5.焊接热敏组件时,应选用含铋的低熔点焊锡膏;
6.根据PCB的组装密度(有无窄间距)来选择合金粉末颗粒度,常用焊锡膏的合金粉末颗粒度分为4个粒度等级,窄间距一般选择20~45um。SMD引脚间距和焊料颗粒的关系如表2所示:
表 2 SMD引脚间距和焊料颗粒的关系


引脚间距/mm>0.80.650.50.4
颗粒直径/um<75<60<50<40

7.根据施加焊锡膏的工艺以及组装密度选择焊锡膏的黏度,模板印刷工艺应选择高黏度焊锡膏,点胶工艺应选择低黏度焊锡膏。


4. 模板(钢网)

模板制作工艺
3个主要技术:化学蚀刻、激光切割和电铸成形。


4.1. 化学蚀刻法

工艺流程:数据文件PCB->菲林制作->曝光->显影->蚀刻->钢片清洗->张网
优点:一次成型,速度快,价格便宜;
缺点:易形成沙漏形状或开口尺寸变大;客观因素影响大;不适合细间距模板制作;制作过程有污染;


4.2. 激光切割法

工艺流程:菲林PCB->取坐标->数据文件->数据处理->激光切割->表面打磨->张网
优点:数据制作精度高;客观因素影响小;梯形开口利于脱模;可作精密切割;价格适中;
缺点:需要逐个切割,制作速度慢;


4.3. 电铸成形法

工艺流程:基板上涂感光膜->曝光->显影->电铸镍->成型->钢片清洗->张网
优点:孔壁光滑,特别适合超细间距模板的制作
缺点:工艺较难控制;客观因素影响大;制作周期大;价格太高;


4.4. 模板后处理

表面打磨
1.去除开口处熔渣;
2. 增加表面摩擦力,以利于焊锡膏滚动,达到良好的下锡效果;
电抛光
3. “抛光”孔壁,减小表面摩擦力、焊锡膏释放良好,减少空洞
4. 在提高模板底面清洁度


5. 表面组装印刷工艺
5.1. 基本过程

第一步:定位
PCB通过自动*寤凸沤胗∷⒒冢紫扔闪奖吖斓兰映趾偷撞恐С沤谢刀ㄎ唬缓笥晒庋侗鹣低扯杂≈频缏钒搴湍0褰惺侗鹦W迹Vつ0宓拇翱诤鸵碌缏钒宓暮概套既范晕弧
第二步:填充刮*
刮刀带动焊锡膏刮过模板的窗口区,在这一过程中,必须让焊锡膏能进行良好的滚动和良好的填充。多余的焊锡膏由刮刀刮走并整*。
第三步:释放
释放是指将印好的焊锡膏由模板窗口转移到印制电路板的焊盘上的过程,良好的释放可以保证得到良好的焊锡膏外形。
第四步:擦网
擦网是指将残留在模板底部和窗口内的焊锡膏清除的过程。


5.2. 表面组装印刷工艺的常见问题及解决措施




6. 表面贴装工艺
6.1. 表面贴装工艺基本过程


6.2. 贴片机的构成

JUKI KE-2060贴片机通过采用可进行4吸嘴同时识别的激光校准传感器实现了高速贴片,总体结构由机架、贴片头、供料器、PCB传送机构及支撑台,以及X、Y与Z伺服、定位系统、光学识别系统、传感器和计算机操作系统等组成。
贴片头中的拾取和贴放的贴装工具是吸嘴。




6.3. 常见问题及解决措施







7. 回流焊接工艺
7.1. 基本过程

1.基板传送
2.预热。把PCB温度加热到150℃。
预热阶段的目的是把焊锡膏中较低熔点的溶剂挥发走。预热阶段须把过多的溶剂挥发掉,但是一定要控制升温速率,抬高的升温速率会造成元件的热应力冲击,损伤元件或降低元件的性能和寿命。另外,太高的升温速率会造成焊锡膏的塌陷,引起短路的危险,并且太快的升温速率使得溶剂挥发速度过快,容易溅出金属成分,出现锡珠。
3.均热。把整个板子从150℃加热到180℃,使电路板温度变得均匀。时间一般为70~120s。
保温阶段有3个作用:第一个是使整个PCB都能达到均匀的温度,减少进入回流区的热应力冲击,以及其他焊接缺陷如元件翘起、某些大体积元件冷焊等;第二个重要作用就是焊锡膏中的助焊剂发生活性反应,增大焊件表面润湿性能,使得熔融焊料能够很好地润湿焊件表面;第三个作用就是进一步挥发助焊剂中的溶剂。
4.回流。把板子加热到熔化区,使焊锡膏融化,板子达到最高温度,一般为230~245℃。
5.冷却。温度下降的过程,冷却速率为3~5℃/s。
好的冷却过程对焊接的最后结果也起着关键作用。较快的冷却速度可以细化焊点微观组织,改变IMC的形态和分布,提高焊料合金的力学性能。


7.2. 温度曲线


7.3. 回流焊接工艺的常见问题及解决措施








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