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smt表面贴装技术,作者：farsi.yang rev: 01 date: 2006-10-6,目录,第一章 smt印刷工艺 第二章 smt贴装工艺 第三章 smt贴装工艺 第四章 smt再流焊接 第五章 湿敏感元器件msds的管控,储存及烘烤 第六章 锡焊机理及可靠性分析 第七章 dfm可制造性设计及审核清单 第八章 提高bga&csp焊点可靠性 第九章 元器件表面镀层种类,第一章 smt印刷工艺 *,焊膏的主要成分 不做介绍 * 2. 焊膏的评估 * 2.1 焊膏本身的认定 2.1.1 金属含量(wt%) 焊膏金属含量的范围:6596;及标准值的1(一般标准 值为88或89) 2.1.2 合金粉末大小分布(um) type 45 4525 38 3820 20 2.1.3 最大合金粉末直径(um) type3: 50 type4: 40,2.1.4 合金粉末形状 球形(90%的颗粒呈球形) 2.1.5 粘度 标准值的10% 2.1.6 焊膏坍塌试验要求 坍塌性能试验主要评估焊膏在印刷后和加热后是否 会塌陷连锡. 2.1.6.1 0.2mm厚的网印模板 a焊盘(0.63x2.03mm)在252，5010rh 环境下放置202min，0.56mm间隙不应该出现桥连在烘箱中加热到15010保持 152min，冷却到室温后, 0.63mm间隙不应该出现桥连 b焊盘(0.33x2.03mm)在252，5010rh 环境下放置202min，0.25mm间隙不应该出现 桥连在烘箱中加热到15010保持152min ，冷却到室温后, 0.30mm间隙不应该出现桥连,2.1.6.2 0.1mm厚的网印模板 c焊盘(0.33x2.03mm)在252，5010rh 环境下放置202min，0.25mm间隙不应该出现桥连在烘箱中加热到15010保持152min，冷却到室温后, 0.30mm间隙不应该出现桥连 d焊盘(0.20x2.03mm)在252，5010rh环境下放置202min，0.175mm间隙不应该出现桥连在烘箱中加热到15010保持152min，冷却到室温后, 0.20mm间隙不应该出现桥连 2.1.7 锡珠试验要求 锡球试验主要衡量锡膏的回流特性。即在不润湿表 面融合成一体的能力以及锡球产生情况。 在陶瓷基板上印刷锡膏，锡膏必须填平每个孔，每 种锡膏制定两个试样，一个样在印刷锡膏后1015分钟 后回流，另一个样在253，5010rh环境下放置4 小时左右，再回流。,评估方法：回流焊后检查不应超过一个出现有大于75um 的单个锡珠. 2.1.8 润湿性试验要求 浸润测试着重衡量锡膏对已氧化的铜表面润湿能 力。要求不应出现不润湿现象。 先将试样酸洗（5% 的h2so4）1分钟，而后彻底用水 清洗干净,用异丙醇冲洗，干燥后放置 在去离子水（蒸馏水）中煮沸10min后，干燥。 采用上述钢网在试片上印刷锡膏，将印有锡膏的试 片放在热板上（2405）回流，锡膏熔化后立即水平 地将试片从热板上移去，回流时间至放置于热板上算起 不得超过20s。回流后冷却，用溶剂将残留物去除。 评估方法：在显微镜下（10）观察，焊料必须均匀地 润湿铜片，无不润湿现象，且印刷 图形周围无溅落的锡球。,2.2 焊剂部分的认定,2.3 金属部分的认定 *,3. smt印刷过程介绍 * (2) (1) (3),主要分为三大过程： （1）filling （2）levelling (3) release,4. 影响smt印刷质量的因素 4.1 印刷锡膏的原理: 锡膏是触变流体,具有粘性.当刮刀以一定的速度和角 度向前移动时,对锡膏产生一定的压力,推动锡膏在刮板前 滚动,产生将锡膏注入网孔所需要的压力,锡膏的粘性摩擦 力使锡膏在刮刀和钢网交接处产生切变,切变力使锡膏的粘 性下降,使锡膏顺利地注入网孔. 4.2 影响smt印刷质量的因素 钢网的开口及钢网制作工艺 锡膏的本身质量及使用控制过程 印刷参数的设置 印刷设备及环境 (5) pcb本身来料的状况,5. smt钢网设计规范,5.1设计细则 开刻的位置尽量在钢板的中心位置钢板的尺寸大小 由smt印刷机机型所决定.,5.1.1 在一般组件中有以下几种开刻方式和尺寸:,5.1.2 一般片状元件如电阻电容的开刻,5.1.3 soj 和sop的ic脚pin的开口方式为0.41.3mm的pitch在宽度上减少0.03mm0.08mm.长度上减少0.05mm0.13mm. 5.1.4 密脚ic：宽收缩1015%,长开100%. 5.1.5 bga的开口方式为：在原有焊盘的基础上增加 0.050.08mm 5.1.6 另一方面，对焊盘直径小于13mil的细间距的bga （fbga）和csp,通常使用增加24mil的角的方形开孔 方法。 5.1.7 激光加电抛光开孔的钢板通常开梯形孔壁来帮助锡 膏的释放。,5.1.8 通孔器件开口说明,5.1.10 基准点的开法 所有的网板应刻有基准点,基准点应于钢网的底面半蚀 刻,并用电镀方式用黑色环氧树脂填充处理.一般为2-3个基 点.,5.2 钢板厚度 印锡钢网的厚度主要取决于板上细间距组件的pitch值 及钢网制作方式 *，下表是一般选择钢网厚度的参考标准：,5.3 蚀刻方法: 一般情况下,开孔宽度小于或等于25mil的,要 求使用激光切割法,化学腐蚀法适用于不锈钢板开 孔大于25mil pth,除此之外,当制造高精度的bga 和ubga 或csp时,需要electropolishing 的抛光过 程. 5.4. 宽厚比及面积比 为保证良好的脱模,网板的开孔设计应遵守适当的宽 度比及面积比,在长度大于宽度的五倍时考虑宽深比,对所 有其它情况考虑面积比.其相应的计算公式及标准如下: - 宽厚比(aspect ratio)=开口的宽度(w)/钢网的 厚度(t)1.5 - 面积比(area ratio)=开口面积(lw)/孔壁的面 积2(l+w) t0.66,5.5 精度要求: 5.5.1 定位精度:+/-0.005mm 5.5.2 开孔位置精度 :+/-3mil. 5.5.3 开孔尺寸精度: +/-2mil. 5.6 钢网的张力要求 5.6.1 钢网的张力要求: 张力在3545n/cm2 之间比较合理. *,6. 锡膏厚度测量及管控,锡膏的厚度对smt质量的影响是非常关键的, 可以这么说控制好了锡膏印刷的厚度(如果设备有能力,也需要将体积作为控制点)就等于控制好了smt总体质量的一大半.当然了,我们这里制的锡膏厚度不单单是从字面上理解,它牵涉到非常多的东西.下面是一个比较好地锡膏管控模板,第三章 smt贴装工艺 *,1。贴装过程介绍 这里不做详细介绍 吸嘴取料(打开真空)-旋转角度-影像处理-对中处理(角度微调)-贴片(关闭真空) 2。影响smt贴装质量的因素 (1) 贴装速度 (2) 贴装的稳定性 (3) 贴装精度 贴装精度主要靠影像视觉及伺服控制系统来保证. (4) 贴装压力 贴片压力过大,可能会造成细间距的ic短路或者损 坏,但是压力太小,又会引起不能良好地接触到锡膏造成 虚焊等缺陷.,第四章 smt再流焊接 *,1.再流焊定义 再流焊-通过重新熔化预先分配到印制板焊盘上的膏状 软钎焊料,实现表面组装元器件焊端或引脚与 印制板焊盘之间机械与电气连接的软钎焊. 2.再流焊原理,从温度曲线分析再流焊的原理: （1）当pcb进入升温区(预热区)时,焊膏中的溶剂,气体蒸 发掉,焊膏软化,塌落,覆盖了焊盘,将焊盘,元件焊端 与氧气隔离; （2）pcb进入保温区(预热2区)时,pcb和元器件得到充分 的预热,以防pcb突然进入焊接高温区而损坏pcb和元 器件,焊膏中的助焊剂润湿焊盘,元件焊端,并清洗氧 化层. （3）当pcb进入焊接区(回流区)时,温度迅速上升时焊膏 达到熔化状态,液态焊锡润湿pcb的焊盘,元件焊端, 同时发生扩散,溶解,冶金结合,浸润或回流混合形成 焊锡接点. （4）当pcb进入冷却区时,焊点凝固,3.再流焊工艺特点 自定位效应-当元器件贴放位置有一定偏位时,由于熔 融焊料表面张力的作用,当其全部焊端或 引脚与相应焊盘同时被润湿时,在表面张 力作用下,自动被拉回到近似目标位置的 现象. 4.再流焊的分类 按加热区域可分为两大类: (1) 对pcb整体加热 热板再流焊,红外再流焊,热风再流焊,热风加红外再流 焊,气相再流焊 (2)对pcb局部加热 激光再流焊,聚焦红外再流焊,光束再流焊,热气流再流焊.,5.影响再流焊质量的因素 再流焊是smt关键工艺之一,表面组装的质量直接体现在再流焊结果中,但再流焊中出现的焊接质量问题不完全是再流焊工艺造成的,因为再流焊接质量除了与焊接温度(温度曲线)有直接关系以外,还与生产线设备条件,pcb焊盘和可生产性设计,元器件可焊性,焊膏质量,印制电路板的加工质量,以及smt每道工序的工艺参数,甚至与操作人员的操作都有密切的关系. 5.1 pcb焊盘设计对再流焊质量的影响 smt的组装质量与pcb焊盘设计有直接的,十分重要的关系.如果pcb焊盘设计正确,贴装时少量的歪斜可以在再流焊时,由于熔融的焊锡表面张力的作用而得到纠正;相反,如果pcb焊盘设计不正确,即使贴装位置十分准确,再流焊后反而会出现位置偏移,吊桥等焊接缺陷. 由于这部分我们会在另外一个章节里详细介绍,在此就不做重点介绍.,pcb焊盘设计应掌握以下关键因素: (1)对称性-两端焊盘必须对称,才能保证熔融焊锡表面 张力平衡 (2)焊盘间距-确保元件端头或引脚与焊盘恰当的搭接尺 寸. (3)焊盘剩余尺寸-搭接后的剩余尺寸必须保证焊点能够 形成弯月面 (4)焊盘宽度-应与元件端头或引脚的宽度基本一致(对 于引脚的焊盘应该大于引脚的宽度),5.2 焊膏质量及焊膏的正确使用对再流焊质量的影响 焊膏中的金属微粉含量,颗粒度,金属粉末的含氧量, 粘度,触变性都有一定要求. 5.2.1 焊膏质量 * 如果金属微粉含量高,再流焊升温时金属微粉随着溶剂,气体蒸发而飞溅(将锡膏颗粒百分比列近来,举例说明). * 颗粒过大,印刷时会影响焊膏的填充和脱膜将锡膏颗粒百分比列近来,举例说明. * 如果金属粉末的焊氧量高,还会加剧飞溅,形成焊锡球,同时还会引起不润湿等缺陷 焊膏章节内容补充 * 另外,如果焊膏粘度过低或焊膏的保形性(触变性)不好,印刷后焊膏图形会塌陷,再流焊时也会形成焊锡球,桥接等焊接缺陷. 焊膏章节内容补充,5.2.2 焊膏使用不当 焊膏的储存解冻搅拌印刷后4小时内完成焊接 新旧锡膏区分 5.3 元器件焊端和引脚,印制电路板的焊盘质量对再流焊 质量的影响 当元器件焊端和引脚,印制电路板的焊盘氧化或污染,平整度超差,活印制板受潮,变形等情况下,再流焊时会产生不良,虚焊,焊锡球,空洞等焊接缺陷.*,5.4 焊膏印刷质量 5.5 贴装元器件 5.6 再流焊温度曲线 前面已经详细讲过,下面讲一下设置再流焊温度曲线的依据 5.6.1 设置再流焊温度曲线的依据: 不同金属焊量的焊膏有不同的温度曲线,应按照焊膏厂 家提供的温度曲线进行设置 根据pcb板的材料,厚度,是否多层板,尺寸大小 根据表面组装板元器件的密度,大小以及有无bga,csp等 特殊元器件进行设置 根据设备的具体情况,例如加热区长度,热传导方式等进 行设置.,热风炉和红外炉有很大区别, 红外炉主要是辐射传导,其优点: 效率高,温度陡度大,易控制温度曲线,双面焊时pcb上,下温度易控制.当然其缺点也是非常明显的: 温度不均匀,在同一块pcb上由于器件的颜色和大小不相同,其温度就不同.为了使深颜色器件周围的焊点和大体积元器件达到焊接温度,必须提高焊接温度. 热风炉主要是对流传导.其优点是温度均匀,焊接质 量好, 缺点是: 上下温度不易控制. * 环境温度对炉温也有影响,特别是加热温区短.在炉子进出口处要避免对流风. * 由于现在是过度无铅过度阶段(无铅bga+有铅焊膏),还应该根据具体的环境及可靠性试验来验证我们的温度曲线设置是否合理.,5.7 再流焊设备对焊接质量的影响 a.温度控制精度 b.传输带横向温度均匀性 c.加热区长度,数量 d.要求传送带运行平稳,震动会造成移位,吊桥等缺陷,6.如何正确测试再流焊实时温度曲线 6.1 热电偶的种类 目前我国全部按iec国际标准生产,并指定 s.b.e.k.r.j.t七种标准化热电偶为我国统一设计型热电 偶.smt一般采用k型热电偶. 6.2 测温方式:分为接触式和非接触式两大类, smt热电偶采用接触式测温方式. 6.3 k型热电偶 镍铬镍硅(镍铝)热电偶 该种热电偶的正极为含铬10%的镍铬合金,负极为含 硅3%的镍硅合金. k型热电偶适用于在氧化性及惰性气氛中连续使用, 短期使用温度为1200,长期使用温度为1000 k型热电偶允许的测量误差0.75%,6.4 热电偶的固定方法 将热电偶固定在电路板的各个位置上,可以在焊接 过程中监测实时温度曲线. 固定方法主要有四种: 高温焊料; 采用胶粘剂; 高温胶粘带; 机械固定,7.回流焊接常见的缺陷及预防 * 7.1 虚焊 7.2 短路 7.3 空洞 等等,第五章 湿敏感元器件msds的管控,储存及烘烤,1.概述 为什么要在这里谈msds的管控,储存及烘烤? 主要是如果在产线上处理不当,对元器件的损伤及产品的质量有非常大的影响,主要表现器件”分层”及”爆米花”现象,最终导致元器件失效! 2.msds的管控,储存及烘烤 2.1 iqc检验来料是否位湿度敏感元件，如果不是，则按普通物料处理；如果是湿度敏感元件，则检验其包装袋是否受损和物料是否超出其保存期限。只要有上面两种情况之一发生，应将该物料退回供货商。 2.2 仓库人员根据先入先出的原则将湿度敏元件发放给 生产线。 2.3 msds物料在生产线上的处理方法,2.3.1 所有相关人员都应知道什幺是湿度敏感元件，一 种方法是从防潮元件清单上获知，另一种方法是 看元件是否是有真空包装袋包装，而且在包装袋 上有msds标识,见下图。,2.3.2 pmc物流人员在将湿敏元件发到生产线后，产线物 料负责人员要贴上湿度敏感元件跟踪标签（见下 表一）,2.3.3 ipqc检查msds是否超过保存期限，如果超过，则要做烘烤处理。烘烤条件参考步骤6.5。 2.3.4 在拆封防潮袋时，上料员在防潮包装袋上的湿度敏感元件跟踪标签（见表一）上填写开封时间，然后检查湿度指示卡，如图2,如果发现hic卡显示值30%为粉红色,表示ic已吸湿气 则此料必须烘烤后才能使用。烘烤条件见供货商说明或jedec j-std-033a 的表4-1和表4-2。(注意：粘有msds 跟踪标签的防潮袋必须保存到湿度敏感元件用完为止),图2 : 湿度指示卡,2.3.5 产线相关人员每四小时检查温湿敏感元件一次，确保所有的元件没有过期,ipqc也应作不定期的检查。如果生产线上的温湿敏感元件暴露在空气中超过规定的时间,必须烘烤过才能使用。暴露期限见供货商的说明或参考下表二。 表(二)湿度等级及相应的暴露期限,2.3.6 如果生产线短时间停止使用msds到不超过其暴露失效期，应将其放入相对湿度小于10%的防潮箱里(有条件)。 2.3.7 凡是开封后未使用完的湿敏元件，超过其暴露失效期后在上线前一定要经过烘烤，如果长时间内不使用，还要用真空袋加干燥剂和hic卡重新包装。 2.3.8 一旦已烘烤的防潮包装料再次开封, 同样要填写湿度敏感元件跟踪标签(见表一). 2.4 将防潮元件从其它掉落的物料中分类出来，然后全部烘烤后再利用。 2.5 烘烤条件 如果在防潮包装袋上供货商提供烘烤说明，则按说明烘烤需要烘烤的湿度敏感元件或防潮元件清单，否则参考表 ipc/jedec j-std-033a中的表4-1和4-2的要求进行烘烤,2.6 由于不同的车间环境因素暴露期限将会改变 ipc/jedec j-std-033a中的表7-1 列出三种不同温度下湿度范围从5%到90%的情况下的msds暴露期限的参考等效期，该表适合于smds是由树脂,联苯或多功效环氧聚合物。 2.7 ic元件之吸湿与去湿曲线 *,第六章 锡焊机理及可靠性分析 *,1。概述 焊接种类:熔焊,压焊,钎焊 电子装配的核心-连接技术:焊接技术 焊接技术的重要性-焊点是元器件与印制电路板电气 连接和机械连接的连接点,焊点的 结构和强度就决定了电子产品的 性能和可靠性. 焊接方法(钎焊技术): （1）手工烙铁焊接 （2）浸焊 （3）波峰焊 （4）再流焊,软钎焊定义: 焊接学中,把焊接温度低于450的焊接称 为软钎焊,所有焊料为软钎焊料. 软钎焊的特点: （1）钎料熔点低于焊件熔点 （2）加热到钎料熔化,润湿焊件 （3）焊接过程焊件不熔化 （4）焊接过程需要加焊剂(清除氧化层) （5）焊接过程可逆(解焊) 电子焊接-是通过熔融的焊料合金与两个被焊接金属表 面之间生成金属间合金层,从而实现两个被焊 接金属之间电气与机械连接的焊接技术.,2。锡焊机理 当焊料被加热到熔点以上,焊接金属表面在助焊剂的活化作用下,对金属表面的氧化层和污染物起到清洗作用,同时使金属表面获得足够的激活能,熔融的焊料在经过助焊剂净化的金属表面上进行浸润,发生扩散,溶解,冶金结合,在焊料和被焊接金属表面之间生成金属间结合层(焊缝),冷却后使焊料凝固,形成焊点,焊点的抗拉强度与金属间结合层的结构和厚度有关. 2.1 锡焊过程: * 焊接过程是焊接金属表面,助焊剂,熔融焊料和空气等 之间相互作用的复杂过程 表面清洁-焊件加热-熔锡润湿-扩散结合层-冷 却后形成焊点,2.1.1 助焊剂与母材(以cu为例)的反应 2.1.1.1 松香去除氧化模:松香的主要成分是松香酸,融 点为74.170层活性反应,300以上无活性. 松香酸和cu2o反应生成松香酸铜.松香酸在常温 下和300以上不能和cu2o起反应. 2.1.1.2 熔融盐去除氧化模:一般采用cl-离子或氟离子 f-,使氧化模生成cl化物或氟化物. 2.1.1.3 母材被熔融:活性强的助焊剂容易熔融母材. 2.1.1.4 助焊剂中金属盐与母材进行置换反应.,2.1.2. 助焊剂与焊料的反应 2.1.2.1 助焊剂中活性剂在加热时能释放出的hcl,与sno 起还原反应. 2.1.2.2 活性剂的活化反应产生激活能,减小界面张力, 提高浸润性. 2.1.2.3 焊料氧化,产生锡渣. 2.1.3.焊料与母材的反应 润湿,扩散,溶解,冶金结合,形成结合层,2.2 锡焊机理 润湿-扩散-溶解-冶金结合,形成结合层 2.2.1 润湿 2.2.1.1 润湿力 液体在固体表面浸润的物理现象 润湿是物质固有的性质 润湿是焊接的首要条件 润湿角=焊料和母材之间的界面与焊料表面切线之间的夹角. * wa(润湿力)=alv(1+cos) alv-液体与气体之间的界面张力 从润湿力公式可以看出: 润湿角越小, 润湿力越大.,2.2.2 润湿条件 * (1) 液态焊料与母材之间有良好的亲和力,能互相溶解. (2) 液态焊料与母材表面清洁,无氧化层和其它污染物.,2.2.3 表面张力 表面张力-在不同相共同存在的体系中,由于相界面分子 与相体内分子之间作用力不同,导致相界面总 是趋于最小的现象. 由于液体内部分子受到四周分子的作用力是对称的,作 用彼此抵消,合力=0.但是液体表面分子受到液体内分子的 引力大于大气分子对它的引力,因此液体表面都有自动缩 成最小的趋势. 熔融焊料在金属表面也有表面张力现象.,2.2.4 表面张力与润湿力 熔融焊料在金属表面润湿的程度除了与液体焊料与母材表面清洁程度有关,还与液态焊料的表面张力有关.表面张力与润湿力的方向相反,不利于润湿.表面张力是物质的本性,不能消除,但可以改变.,2.2.5 表面张力在焊接中的作用 再流焊-当焊膏达到熔融温度时,在平衡的表面张力的作 用下,会产生自定位效应(self alignment).表 面张力使再流焊工艺对贴装精度要求比较宽松, 同时也正因为”再流焊”与”自定位效应”的特点, 再流焊工艺对焊盘设计,元器件标准化有更严格 的要求.如果表面张力不平衡,焊接后会出现元 器件位置偏移,吊桥,桥接等焊接缺陷. 波峰焊-波峰焊时,由于表面张力与与润湿力的方向相反 ,因此表面张力是不利于润湿的因素之一.造成阴 影效应.,2.2.6 粘度与表面张力 熔融合金的粘度与表面张力是焊料的重要性能.优良的焊料熔融时具有低的粘度和表面张力,以增加焊料的流动性及被焊金属之间的润湿性. 锡铅合金的粘度和表面张力与合金的成分密切相关,2.2.7 焊接中降低表面张力和粘度的措施 2.2.7.1 提高温度:升温可以降低粘度和表面张力的作用. 升高温度可以增加熔融焊料内的分子距离,减小 焊料内分子对表面分子的引力. 2.2.7.2 适当的金属合金比例:sn的表面张力很大,增加 pb可以降低表面张力 2.2.7.3 增加活性剂:能有效地降低焊料的表面张力,还 可以去掉焊料的表面氧化层. 2.2.7.4 采用氮气保护焊接可以减少高温氧化,提高润湿 性.,2.2.8 毛细管现象 毛细管现象是液体在狭窄间隙中流动时表面出来的特性 2.2.8.1 毛细管现象在焊接中的作用 * 2.2.8.2 液体在毛细管中上升高度的表达式 h-毛细管中液柱的高度 0-液体(焊料)的表面张力 p-液体的密度 g-重力加速度 r-毛细管半径 从公式中可以看出液体在毛细管中上升高度:与表面张力成正比;与液体的密度,比重成反比;与毛细管直径有关.,2.3 扩散 2.3.1 四种扩散形式 表面扩散-晶内扩散-晶界扩散-选择扩散. 2.3.2 扩散条件 相互距离(金属表面清洁,无氧化层和其它杂质,两块金属 原子间才会发生引力) 温度(在一定温度下金属分子才具有动能) 2.4 溶解 母材表面的cu分子被熔融的液态焊料溶解或溶蚀 2.5 冶金结合,形成结合层 生成金属间合金层cu6sn5和cu3sn.,3.焊点可靠性分析,影响焊点强度的主要因素: 1. 金属间合金层质量与厚度 2. 焊接材料的质量 3. 焊料量 4. pcb设计,1.金属间合金层质量与厚度 1.1 以sn63pb37焊料与cu表面焊接为例 当温度达到210230时,sn向cu表面扩散,而pb不扩散.初期生成的sn-cu合金为:cu6sn5(相).其中cu的重量百分比含量约为40%.随着温度升高和时间延长,cu原子渗透(溶解)到cu6sn5中,局部结构转变为cu3sn(相).cu含量由40%增加到60%,当温度继续升高和时间进一步延长,sn/pn的sn不断向cu表面扩散,在焊料一侧只留下pb,形成富pb层.cu6sn5和富pb层之间的界面结合力非常脆弱,当受到温度,振动等冲击,就会在焊接界面处发生裂纹. * 金属间合金层厚度一般为13um较佳.,1.2 金属间结合层的质量与厚度与以下因素有关: 1.2.1 焊料的合金成份和氧化程度 1.2.2 助焊剂质量 1.2.3 被焊接金属表面的氧化程度(只有在净化表面,才 能发生化学扩散反应) 1.2.4 焊接温度和焊接时间 2.焊接材料的质量 附上金相图 *,3.与焊料量有关 4.pcb设计,铅在焊料中的作用 : (1) 降低熔点 (2) 改善机械性能,提高锡铅合金的抗拉强 度和剪切强度 (3) 降低表面张力,有利于焊料在被焊金属 表面上的润湿性 (4) 抗氧化,增加焊料的抗氧化性能,减少 氧化量.,第七章 dfm可制造性设计及审核清单,1. dfm可制造性设计介绍 1.1 传统的设计方法与现代设计方法比较 传统的设计方法 现代设计方法 与传统设计方法相比较，现代从产品开发设计开始就考虑到可制造性与可测试性，使设计与制造之间紧密联系，实现从设计到制造一次成功的目的，具有缩短开发周期、降低成本、提高产品质量等优点。,1.2 现代设计dfx系列介绍 dfm: design for manufacturing 可制造性设计 dft: design for test 可测试性设计 dfd: design for diagnosibility 可分析性设计 dfa: design for aseembly 可装配性设计 dfe: desibn for enviroment 环保设计 dff: design for fabrication of the pcb pcb可加 工性设计 dfs: design for sourcing 物流设计 dfr: design for reliability 可靠性设计,1.3 dfm介绍 dfm: 主要研究产品本身的物理设计与制造系统各部分之间的相互关系,并把它用于产品设计中以便将整个制造系统融合在一起进行总体优化，是保证pcb设计质量的最有效的方法。dfm就是从产品开发设计时起，就考虑到可制造性，使设计和制造之间紧密联系，实现从设计到制造一次成功的目的。 hp公司dfm统计调查表明:产品总成本60%取决于产品的最初设计，75的制造成本取决于设计说明和设计规范，7080的生产缺陷是由于设计原因造成的。,1.4 dfm优点 dfm具有缩短开发周期、降低成本、提高产品质量等优点，是企业产品取得成功的途径。 1.4.1 有利于制程的标准化。 dfm规范在企业内外部起到了一个良好的桥梁，它把设计、制造和产品部门有机地联系起来，同时可以达到生产测试设备的标准化。 1.4.2 有利于技术转移，简化产品转移流程。 企业一般外包，则企业与oem、ems之间的有效沟通非常必要。具有良好可制造性的产品可与oem、ems间实现平滑的技术转移和过渡，快速组织生产。 1.4.3 降低新工艺引进成本，减少测试工艺开发的庞大费用。 1.4.4 节约成本,改善供货能力。 追求目标：低成本、高产出、良好的供货能力。同时高可靠性是产品长期成本降低的基础。如果产品的可制造性差，往往花费更多的人力、物力、财力达到目的，同时还付出延缓交货、失去市场等沉重的代价。,1.4.5 新产品开发及验证的基础 没有dfm规范控制的产品，在产品开发的后期，甚至常常在批量生产阶段才会发现各种生产问题，此时又更改设计，无疑增加开发成本，延长产品推向市场的时间，失去主动权。 1.5 企业dfm的实施要点 1.5.1 认识dfm的必要性 管理者和员工都必须认识到dfm的重要性。 1.5.2 降低成本 在不影响功能的前提下，设计必须考虑：组装、测试、检验、返修等整个产品制造成本和工艺流程，即减少制造成本（特别是元器件和加工工艺），减少工艺流程；选择标准元器件和标准工艺；减少制具、工具的复杂性和成本。,1.5.3 制定内部标准dfm指南 dfm指南是公司制定预期结果基线所必需的，是设计与制造之间的桥梁。一般参照ipc的标准或国标，结合本公司的实际情况，如制造能力、工艺水平、设计规范等来制定，同时注意随时维护。 dfm指南既可以是一页简单合理的行动列表，类似检查表，也可以是一本复杂、全面的手册，定义每一个部分和过程。 1.5.4 信息沟通 统一从制造到工程的信息，设计了解生产，生产及时反馈设计（电话、网络等）。最好是ems的dfm工程师(或本单位的dfm)参与设计。 1.5.5 利用dfm工具和软件 1.dfm审核表,2.dfm软件工具 （1）购买商业性dfm软件工具 （2）自行创建适合自己的dfm软件工具。世界级公司常 常这样做。 3.dfm审核报告 dfm审核报告是反映整个dfm过程中所发现的问题。 1.5.6 dfm反馈 通过反馈步骤来证实所有dfm的内容对生产的影响，起到的作用。 1.5.7 建立假想分析模型（有生产的单位用/ems ） 作用: 对设计进行可制造性量化测量。 将标准产品所需的工艺过程，所有工序等过程罗列出来，每道工序所需时间、产量、成本、缺陷率（百万单位ppm ）以标准数值列出,输入每种新产品的组件数量、工序等，计算出预计的周期时间、预计成本和预计产量。 好处：比较每种产品在dfm前/后的效率和成本。,1.5.8 公司有专职或兼职（企业标准化人员）dfm工程师 全面了解工程和制造两大块，既懂设计又懂生产，同时不断进行培训，学习掌握新的技术和工艺。这样他不仅可以在新产品开发周期内的修正阶段影响产品，还可以给设计在整个产品设计、生产过程中提供各种建议。,2. pcb焊盘设计及工艺要求 2.1 pcb要求与元器件选用 2.1.1 工艺要求 1pcb要求 （1）外观质量 a). 一般外观无毛刺，四周光滑. b). 板的一致性要好：同样的板，几块放在一起对光 看，孔的位置不偏。 c). 丝印字迹清楚，不发生偏斜，不在焊盘上。 d). 阻焊层均匀，无脱落。 （2）要求平整度好。 对pcb翘曲度要求：一般板为1.5，带插头处为1.0，smt板为0.5。 （3）选择g较高的基材（玻璃化转变温度），tg应高 于电路工作温度,（4）选择cte低的材料由于x、y和厚度方向的热膨胀系 数不一致，容易造成pcb变形，严重时会造成金属 化孔断裂、降低焊点可靠性及损坏元件。 （5）耐热性高，一般要求pcb能有250/50s的耐热性。 2元件要求 （1）元器件的外形适合自动化表面贴装，元件的上表面 应易于使用真空吸嘴吸取； （2）尺寸、形状标准化、并具有良好的尺寸精度和互换 性； （3）包装形式适合贴装机自动贴装要求；* （4）有一定的机械强度，能承受贴装机的贴装应力和基 板的弯折应力； （5）元器件的焊端或引脚的可焊性要符合要求； 2355，20.2s 或2305，30.5s， 焊端90%沾锡。,（6）符合再流焊和波峰焊的耐高温焊接要求； 再流焊：2355，20.2s。当然无铅一 般都要求：2555，20.2s。 波峰焊：2605，50.5s。 （7）可承受有机溶剂的洗涤； （8）元器件选用 选择元器件要根据具体产品电路要求以及pcb尺寸、组装密度、组装形式、产品的档次和投入的成本进行选择。 a） smd的选择 由于smd的价格已经与插装元件差不多，所以尽量选择表贴元件。,b） smd的选择小外形封装晶体管sot23 sot23是最常用的二、三极管封装，有三条“翼型”引脚，材质为42号合金，强度好，但可焊性差。在二极管中多用于复合二极管、开关二极管和高压二极管。在三极管中多用于小功率晶体管、场效应管和带电阻网络的复合晶体管。 sot143常用于射频、双栅场效应管及高频晶体管。 sot89常用于大功率器件如硅功率晶体管等。 to252用于各种功率晶体管. sop 、soj：是dip的缩小型，与dip功能相似. qfp：占有面积大，引脚易变形，易失去共面性；引脚的柔性又能帮助释放应力，改善焊点的可靠性。qfp引腿最小间距为0.3mm，目前0.5mm间距已普遍应用，0.3mm、0.4mm的qfp逐渐被bga替代。选择时注意贴片机精度是否满足要求。,plcc：占有面积小，引脚不易变形，但检测不方 便。 lccc：价格昂贵，主要用于高可靠性的军用组件 中。而且必须考虑器件与电路板之间的cet 问题。 bga 、csp：适用于i/o高的电路中。 c) 片式机电元件：用于高密度、要求体积小、重量轻 的电子产品。对于重量和体积大的电子产品应选用 有引脚的机电元件。 d) thc（插装元器件） 大功率器件、机电元件和特殊器件的片式化尚不成 熟，还得采用插装元器件 从价格上考虑，选择thc比smd较便宜。,2.1.2 焊盘设计 标准尺寸元器件的焊盘图形可以直接从cad软件的元件库中调用，也可自行设计。在实际设计时，有时库中焊盘尺寸不全、元件尺寸与标准有差异或不同的工艺，还必须根据具体产品的组装密度、不同的工艺、不同的设备以及特殊元器件的要求进行设计。 3.1 矩形片式元器件焊盘设计 3.1.1 chip元件焊盘设计应掌握以下关键要素： （1）对称性两端焊盘必须对称，才能保证熔融焊锡 表面张力平衡。 （2）焊盘间距确保元件端头或引脚与焊盘恰当的搭 接尺寸。 （3）焊盘剩余尺寸搭接后的剩余尺寸必须保证焊点 能够形成弯月面。 （4）焊盘宽度应与元件端头或引脚的宽度基本一致。,3.2 bga/csp应用设计 3.2.1 bga/csp分类、结构及特点 bga类型很多，结构也各不相同，只有了解bga/csp芯片的结构，才能根据其特点来设计和生产，下表列出了bga/csp类型、定义、外形图、内部结构图和特点。,3.2.2 bga焊盘设计 （1）按照阻焊方法不同可分为nsmd(non-soldermask defined)和smd(soldermask defined)两种。 nsmd 阻焊层围绕铜箔并留有间隙 smd 阻焊层在焊盘上，焊盘铜箔直径阻焊开孔直径大， 具体结构见下图。,在大多数情况下推荐使用nsmd。 它的优点是： (1).铜箔直径比阻焊尺寸容易控制。 (2). 降低了绿油上焊盘的风险，在bga焊点上应力集 中小，增加了焊点的可靠性。 缺点： (1)standoff低。 smd优点： (1)由于smd铜箔焊盘和阻焊层交迭，焊盘与基板有较大的附着强度，当pcb极其弯曲和加速热循环的条件下，焊盘和pcb的附着力极其微弱，很可能造成失效从而导致焊点断裂，所以这时应采用smd结构。 (2)standoff高。 缺点： (1)焊点可靠性比nsmd方式降低了2-3倍。,(2) 焊盘设计的一般规则 一般来说，大部分元器件供应商都特别推荐焊盘直径通常小于焊料直径。下表列出了各种bga/csp尺寸设计规范。,a) 焊盘直径既能影响焊点的可靠性又能影响元件的布线，焊盘直径通常小于焊料直径，为了获得可靠的附着力，一般减少20%-25%。焊盘越大，两焊盘之间的布线空间越小。如1.27mm间距的bga封装，采用0.63mm直径焊盘，线宽125微米，在焊盘之间可以安排2根导线通过，如果采用0.8mm的焊盘直径，只能通过1根线宽为125微米的导线。通常采用下列公式计算两焊盘间布线数： p-d(2n+1) x 其中p为封装间距、d为焊盘直径、n为布线数、x为线宽。方便设计，下表给出了各种焊盘直径和线宽线距的情况下，焊盘间可以布的导线数。,b)当焊点有大面积接地时，应该采用四条轮辐连接方式，每条轮辐宽度不超过焊盘直径的50%，如下图所示,(3) 焊盘、过孔及走线设计 a) 1.0mm间距、焊球直径为0.5mm的bga焊盘设计 焊盘结构：nsmd 焊盘直径(l mm)：0.4-0.55 阻焊开口直径(m mm)：比l大0.1. 过孔：过孔孔径(vh mm)0.3，0.25完成的孔；过孔焊盘(vl mm)0.6。引线宽度(w mm):0.127-0.152。过孔和焊盘间距(d mm)：0.7。 b) 布线和层数设计 使用bga/csp芯片，其pcb必须采用多层设计，才能将i/o引线引出。 （4）外形定位线设计 和qfp元件一样，bga/csp元件安装到pcb上需要画外形定位线，来表明元件的大小和方向，同时也为贴片的准确性提供了目视参考依据。bga焊盘设计好后，根据芯片厂商提供的元件几何尺寸，画外框丝印图，线宽为0.15mm，且与焊盘的位置公差为0.05mm。用45倒角表示芯片方向。,3.2.3 bga/csp焊盘表面处理 * (1) hasl (2) enig (3) osp 三者之间各有优缺点,4. pcb拼板设计 4.1 外形设计及尺寸 进行pcb设计时，首先要考虑pcb外形。pcb的外形尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。同时pcb外形尺寸的准确性与规格直接影响到生产加工时的可制造性与经济性。pcb外形设计的主要内容包括： （1）形状设计 a) 印制板的外形应尽量简单，一般为矩形，长宽比为3：2或4：3，其尺寸应尽量靠标准系列的尺寸，以便简化加工工艺，降低加工成本。 b) 板面不要设计得过大，以免再流焊时引起变形。 c) 贴装机的pcb传输方式、贴装范围决定pcb外形.*,（3）厚度设计 a、一般贴装机允许的板厚：0.55mm。 b、只装配集成电路、小功率晶体管、电阻、电容等小功率元器件，在没有较强的负荷振动条件下，使用厚度为1.6mm、板的尺寸在500mm500mm之内； c、有负荷振动条件下，要根据振动条件采取缩小板的 尺寸或加固和增加支撑点的办法，仍可使用1.6mm的板； d、板面较大或无法支撑时，应选择23mm厚的板。 e、当pcb尺寸小于最小贴装尺寸时，必须采用拼板方式。,4.2 基准标志(mark)设计 为保证精度，一般贴装机都配有pcb基准校正用的视觉定位系统，而半自动和全自动丝印机也配有pcb基准校正用的视觉定位系统。这就要求pcb上必须有基准标志以便视觉定位系统进行识别。 1基准标志(mark)作用：为了纠正pcb加工、变形引起的误差，在pcb上画出的用于光学定位的一组图形。主要用于丝印、贴装和检验等工序。 2基准标志的种类：分为pcb基准标志和局部基准标志。 pcb基准标志用于整个pcb光学定位的一组图形 局部基准标志是用于引脚数量多，引脚间距小（中心距0.65 mm）或bga的单个器件的一组光学定位图形。,3基准标志(mark)的形状和尺寸 （1）mark形状可以是实心圆、三角形、菱形、方形、十字、空心圆等都可以，优选实心圆。 （2）mark尺寸为0.5mm3mm。最小0.5mm。最大不能超过3mm。优选1.5mm 4基准标志(mark)的制作要求 （1）与电路原图同时生成，同时制作。 （2）mark表面为裸铜、镀铅锡、镀金均可，但要求镀层均匀、不要过厚。 5基准标志布放要求 （1）pcb基准标志一般在pcb上放三个，均在pcb的角上，局部基准标志在元件的对角线上，见图。 （2）mark周围：考虑到阻焊材料颜色与环境反差，在mark周围有12mm无阻焊区,（3）直接采用导轨传输pcb时，在导轨夹持边和定位孔附近不能布放mark，具体尺寸根据贴装机而异。 (a) 针定位时基准标志图形不能布放区域 (b) 边定位时，距板边3 mm内不能布放基准标志图形。 4.3 pcb定位孔和夹持边的设置 一般丝印机、贴装机对pcb定位方式有两种，针定位和边定位。对于针定位方式，pcb上必须设计定位孔。对于边定位方式，pcb的两边在一定范围内不能放置元件和mark点。 1. 定位孔 （1）定位孔的数量、大小和位置。 定位孔一般二个，位置在pcb的长边一侧，孔径为3 mm-5.0 mm，一般取4.0 mm； 定位孔的位置在离pcb各边5mm处。,2边定位 （1）夹持边要平整光滑，每块板的尺寸一致，公差尽 量小。 （2）夹持边3 mm范围内不允许布元件。 4.4 拼板设计 印制板小于50mm*50mm必须组成拼板；为了提高贴装效率对于某些板、异形板也需拚板。 (1) 拼板设计要求: a 拼板的尺寸不可太大，也不可太小，应以制造、装配、和测试过程中便以加工，不产生较大变形为宜。根据pcb厚度确定。(1mm厚度的pcb最大拼板尺寸200mm150mm),