常見SMT貼裝工藝研究

電子技術的飛速發(fā)展促進了表面貼裝技術的不斷發(fā)展。電子元器件越做越精細；針腳間距越來越小；對元器件貼裝強度和可靠性的要求越來越高。根據(jù)貼裝精度要求以及元件種類和數(shù)量的不同，目前常用的方案如下幾種：
　　一、多片貼裝：多片FPC靠定位模板定位于托半上，并全程固定在托板上一起SMT貼裝。
　　1. 適用范圍：
　　A、 元件種類：片狀元件一般體積大于0603，引腳間距大于等于0.65的QFQ及其他元件均可。
　　B、 元件數(shù)量：每片F(xiàn)PC上幾個元件到十幾個元件。
　　C、 貼裝精度：貼裝精度要求中等。
　　D、FPC特性：面積稍大，有適當?shù)膮^(qū)域中無元件，每片F(xiàn)PC上都有二個用于光學定位的MARK標記和二個以上的定位孔。
　　2. FPC的固定：
　　根據(jù)金屬漏板的CAD數(shù)據(jù)，讀取FPC的內(nèi)定位數(shù)據(jù)，來制造高精度FPC定位模板。使模板上定位銷的直徑和FPC上定位孔的孔徑相匹配，且高度在2.5mm左右。FPC定位模板上還有托板下位銷二個。根據(jù)同樣的CAD數(shù)據(jù)制造一批托板。托板厚度以2mm左右為好，且材質(zhì)經(jīng)過多次熱沖擊后翹曲變形要小，以好的FR-4材料和其他優(yōu)質(zhì)材料為佳。進行SMT之前，先將托板套在模板上的托板定位銷上，使定位銷通過托板上的孔露出來。將FPC一片一片套在露出的定銷上，用薄型耐高溫膠帶固定位在托板上，不讓FPC有偏移，然后讓托板與FPC定位模板分離，進行焊接印刷和貼裝，耐高溫膠帶（PA保護膜）粘壓要適中，經(jīng)高溫沖擊后必須易剝離。而且在FPC上無殘留膠劑。
　　特別需要注意的是FPC固定在托板上開始到進行焊接印刷和貼裝之間的存放時間越短越好。
　　二、高精度貼裝：將一片或幾片F(xiàn)PC固定在高精度的定位托板上進行SMT貼裝。
　　1. 適用范圍：
　　A、元件種類：幾乎所有常規(guī)元件，引腳間距小于0.65mm的QFP也可。
　　B、元件數(shù)量：幾十個元件以上。
　　C、貼裝精度：相比較而言，高貼裝精度最高0.5mm間距的QFP貼裝精度也可保證。
　　D、FPC特性：面積較大，有幾個定位小孔，有FPC光學定位的MARK標記和重要元件如QFP的光學定位標記。
　　2. FPC的固定：
　　FPC固定在元件托板上。這種定位托板是批量定制的，精度極高，精度極高，每塊托板之間的定位的差異可以忽略不計。這種托板經(jīng)過必幾十次的高溫沖擊后尺寸變化和翹曲變形極小。這種定位托板上有兩個定位銷，一種定位銷高度與FPC厚度一致，直徑與FPC的定位的定位小孔的孔徑相匹配，另外一種T型定位銷高比前一種略高一點，由于FPC很柔，面積較大，形狀不規(guī)則，所以T型定位銷的作用是限制FPC某些部分的偏移，保證印刷和貼裝精度。針對這種固定方式，金屬板上對應與T型定位銷的地方可做適當處理。
　　FPC固定在定位托板上，其存放的時間雖沒有限制，但受環(huán)境條件的影響，時間也不宜太長。否則FPC容易受潮，引越翹曲變形，影響貼裝的質(zhì)量。在FPC上進行高精度貼裝和工藝要求和注意事項：
　　1、FPC固定方向：在制作金屬漏板和托板之前，應先考慮FPC的固定方向，使其在回流焊時，產(chǎn)生焊接不良的可能性小。較佳的方案是片狀元件垂直方向、SOT和SOP水平方向放置。
　　2、FPC及塑封SMD元件一樣屬于“潮濕敏感器件”，F(xiàn)PC吸潮后，比較容易引起翹曲變形，在高溫下容易分層，所以FPC和所有塑封SMD一樣，平時要防濕保存，在貼裝前一定要進行驅(qū)濕烘干。一般在規(guī)模生產(chǎn)的工廠里采取高烘干法。125℃條件下烘干時間為12小時左右。塑封SMD在80℃-120℃下16-24小時。
　　3、焊錫膏的保存和便用前的準備：
　　焊錫膏的成份較復雜，溫度較高時，某些成份非常不穩(wěn)定，易揮發(fā)，所以焊錫膏平時應密封存在低溫環(huán)境中。溫度應大于0℃，4℃-8℃最合適。使用前在常溫中回溫8小時左右（密封條件下），當其溫度與常溫一致時。才能開啟，經(jīng)攪拌后使用。如果未達到室溫就開啟使用，焊膏就會吸收空氣中的水分，在回流焊會造成飛濺，產(chǎn)生錫珠等不良現(xiàn)象。同時吸收的水分在高溫下容易與某些活化劑發(fā)生反應，消耗掉活化劑，容易產(chǎn)生焊接不良。焊錫膏也嚴禁在高溫（32℃以上）下快速回溫。人工攪拌時要均勻用力，當攪拌到錫膏像稠稠的漿糊一樣，用刮刀挑起，能夠自然地分段落下，就說明能夠使用。最好能夠使用離心式自動攪拌機，效果更好，并且能夠避免人工攪拌在焊錫膏中殘留有氣泡的現(xiàn)象，使印刷效更好。
　　4、環(huán)境溫度及濕度：
　　一般環(huán)境溫度要求恒溫在20℃左右，相對濕度保持在60％以下，焊錫膏印刷要求在相對密閉且空氣對流小的空間中進行。
　　5、 金屬漏板
　　金屬漏板的厚度一般選擇在0.1mm-0.5mm之間。根據(jù)實際效果，當漏板的厚度為最小焊盤寬度的二分之一以下時，焊膏脫板的效果好，漏空中焊錫的殘留少。漏孔的面積一般比焊盤要小10％左右。由于貼裝元件的精度要求，常用的化學腐蝕不符合要求建議采用化學腐蝕加局部化學拋光法、激光法和電鑄法來制作金屬漏板。從價格性能比較，激光法為優(yōu)選。
　　1） 化學腐蝕加局部化學拋光法：
　　化學腐蝕法制造漏板，目前在國內(nèi)較為普遍，但孔壁不夠光滑，可采用局化學拋光法增加孔壁的光滑度。該方法制造成本較低。
　　2） 激光法：
　　成本高。但加工精度高，孔壁光滑，公差小，能適合印刷0.3mm間距的QFP的焊錫膏。
　　6、 焊錫膏：
　　根據(jù)產(chǎn)品的要求，可分別選用一般焊膏和免清洗焊錫膏。焊錫膏特性如下：
　　1） 焊錫膏的顆粒形狀和直徑：
　　顆粒膏的形狀為球型，非球型所占比例不能超過5％。直徑大小應根據(jù)一般法則，焊球直徑應小于金屬漏板厚度的三分之一，最小孔徑寬度的五分之一，否則直徑過大的焊球和不規(guī)則的顆粒容易阻塞漏印窗口，造成焊錫膏印刷不良。所以0.1-0.5mm厚度的金屬板和0.22mm左右的最小漏板窗口寬度決定了焊球直徑為40um左右。直徑最大最小的焊球的比例不能超過5％。焊球直徑過小，其表面氧化物會隨直徑變小而非線性快速增加，在回流焊中將大量消耗助焊成份，嚴重影響焊接質(zhì)量。如果為免清洗錫膏，其去氧化物物質(zhì)偏少，焊接效果會更差。所以大小均勻的直徑為40um的球型焊錫膏顆粒是較佳的選擇。
　　2） 焊料比例：
　　焊料含量90％-92％左右的焊錫膏粘度適中，印刷時不易塌邊，而且再流焊后，厚度大致為印刷時的75％足夠焊料能夠保證可靠的焊接強度。
　　3） 粘度：
　　焊錫膏的流動力學是很復雜的。很明顯，焊錫膏應該能夠很容易印刷并且能牢固地附著在FPC表面，低粘度的焊錫膏（500Kcps）容易產(chǎn)生塌陷而形成短路，而高粘度的焊錫膏（1400Kcps）容易殘留在金屬漏孔中，慢慢地阻塞漏孔，影響印刷質(zhì)量。所以700-900Kcps的焊錫膏較為理想。
　　4） 觸變系數(shù)：一般選擇為0.45-0.60。
　　7、 印刷參數(shù)：
　　1） 刮刀種類及硬度：由于FPC固定方式的特殊性表現(xiàn)為印刷面不可能象PCB那樣平整和厚度硬度一致，所以不宜采用金屬刮刀，而應用硬度在80-90度的聚胺酯平型刮刀。
　　2） 刮刀與FPC的夾角：一般選擇在60-75度之間。
　　3） 印刷方向：一般為左右或前后印刷，最先進的印刷機刮刀與傳送方向呈一定角度印刷，能夠有效地保證QFP四邊焊盤上焊錫膏的印刷量，印刷效果最好。
　　4） 印刷速度：在10-25mm/s范圍內(nèi)。印刷速度太快將會造成刮刀滑行，導致漏印。速度太慢，會造成焊錫膏邊緣不整齊或污染FPC表面。刮刀速度應與焊盤間距成正比關系，而與漏板的厚度的粘度成反比。0.2mm寬度的焊盤漏孔在印刷速度為20mm/s時，焊錫膏的填充時間僅有10mm/s。所以適中的印刷速度能夠保證精細印刷時焊膏的印刷量。
　　5） 印刷壓力：一般設定為0.1-0.3kg/每厘米長度。由于改變印刷的速度會改變印刷的壓力，通常情況下，先固定印刷速度再調(diào)節(jié)印刷壓力，從小到大，直至正好把焊錫膏從金屬漏板表面刮干凈。太小的壓力會使FPC上錫膏量不足，而太大的印刷壓力會使焊錫膏印得太薄，同時增加了焊錫膏污染金屬漏板反面和FPC表面的可能性。
　　6） 脫板速度：0.1-0.2mm/s。由于FPC的特殊性，較慢的脫板速度有利于焊錫膏從漏孔中脫離。如果速度較快，在金屬漏板和FPC之間，在FPC和托板之間的空氣的壓力會快速變化，會造成FPC與托板之間的空隙大小瞬間變化，影響焊錫膏從漏孔中脫離和印刷圖形的完整性，造成不良。現(xiàn)在，更先進的印刷機，能將脫板速度設置成為可加速的，速度能從0逐漸加速，其脫板效果也非常好。
　　8、貼片：根據(jù)產(chǎn)品的特性、元件數(shù)量和貼片效率，一般采用中高速貼片機進行貼裝。由于每片F(xiàn)PC上都有定位用的光學MARK標記，所以在FPC上進行SMD貼裝與在PCB上進行貼裝區(qū)別不大。需要注意的是，元件貼片動作完成后，吸嘴中的吸力應及時變成0后，吸嘴才能從元件上移走。雖然后在PCB上進行貼裝時，這個過程設置不當也會引起貼裝不良，但是在柔軟的FPC上發(fā)生這種不良的概率要大得多。同時也應注意下貼高度，并且吸嘴移走的速度也不宜太快。
　　9、 回流焊：應采用強制性熱風對流紅外回流焊，這樣FPC上的溫度能較均勻地變化，減少焊接不良的產(chǎn)生。
　　1）溫度曲線測試方法：
　　由于托板的吸熱性不同、FPC上元件種類的不同、它們在回流焊中受熱后，溫度上升的速度不同，吸收的熱量也不同，因此仔細地設置回流焊的溫度曲線，對焊接質(zhì)量大有影響。比較妥當?shù)姆椒ㄊ牵鶕?jù)實際生產(chǎn)時的托板間隔，在測試板前各放兩塊裝有FPC的托板，同時在測試托板的FPC上貼裝有元件，用高溫焊錫絲將測試溫探頭焊在測試點上，同時用耐高溫膠帶（PA保護膜）將探頭導線固定在托板上。注意，耐高溫膠帶不能將測試點覆蓋住。測試點應選在靠托板各邊較近的焊點上和QFP引腳等處，這樣的測試結果更能反映真實情況。
　　2）溫度曲線的設置及傳送速度：
　　由于我們采用的焊錫膏焊料的重量比達到90％-92％，焊劑成分較少，因此整個回流焊時間控制在3分鐘左右，我們應根據(jù)回流焊溫區(qū)的多少以及各功能段所需時間的多少，來設置回流焊各溫區(qū)的加熱及傳送速度。需要注意的是，傳送速度不宜過快，以免造成抖動，引起焊接不良。
　　大家知道免清洗焊錫膏中的活化劑較少，活化程度較低，如果采用常規(guī)溫度曲線，則預熱時間過長，焊粒氧化程度也較高，將有過多的活化劑在達到溫度峰值區(qū)前就被耗盡，在峰值區(qū)內(nèi)沒有足夠的活化劑來還原被氧化的焊料和金屬表面。焊料無法快速熔化并濕潤金屬表面造成焊接不良，因此對于免清洗焊錫膏而言，應采用與常規(guī)焊錫膏不同的定位曲線，才能得到良好的焊接效果。這一點住住被一些SMT工藝師所忽視。
　　1.常規(guī)焊錫膏的回流焊曲線
　　不同品牌的焊錫膏推薦的溫度曲線有所不同，不同焊劑比例的焊錫膏溫度曲線也有較明顯的差異。下面介紹的是我們使用的溫度曲線：
　　A、預熱階段：溫度從室溫到150℃，上升速度約為1-2℃/左右。
　　B、保溫階段：溫度從150℃上升到170℃，保溫時間30-60秒。
　　C、焊接階段：溫度升高速度約為20C/s，最高溫度峰值不能超過230℃，200℃。以上的區(qū)域要保持20-40秒，220℃-230℃的時間控制在3-5秒。
　　D、冷卻階段：溫度達到峰值后自然下降，下降速度在2℃-5℃/s之間，溫度下降速度太慢，容易形成共聚金屬化合物，影響焊接強度。
　　2.免清洗焊錫膏的回流焊曲線
　　A．不同特性的免清洗焊膏其溫度曲線有一定的差異。
　　B．使用充氮再流焊工藝時，免清洗焊膏的溫度曲線與一般再流焊條件下的普通焊錫膏溫度曲線相似，具有150℃左右的保溫區(qū)域，只過時間上有差異。
　　C．使用普通再流焊時，免清洗焊錫膏的溫度曲線與常規(guī)的溫度曲線有明顯不同。根據(jù)供應商的推薦，預熱曲線須呈性上升到160℃左右，上升速率為1.5-2℃/s，然后以2-4℃的速度上升至峰值，其中明顯的保溫區(qū)域。最高溫度峰值不能超過230℃，200℃以上的區(qū)域要保持20-40秒時間同，220℃-230℃的時間控制在3-5秒。