SMT技术基础总结

1、SMT 技术基础：一、SMT 技术的发展SMT 的由来： SMT 是 Surface Mount Technology 的缩写形式，译成表面安 装技术。美国是 SMT 的发明地， 1963 年世界出现第一只表面贴装元器件和飞 利蒲公司推出第一块表面贴装集成电路以来， SMT 已由初期主要应用在军事， 航空，航天等尖端产品和投资类产品逐渐广泛应用到计算机，通讯，军事，工 业自动化，消费类电子产品等各行各业。 SMT 发展非常迅猛。 进入 80年代 SMT 技术已成为国际上最热门的新一代电子组装技术，被誉为电子组装技术一次革 命。 SMT 的应用： SMT 与我们日常生活息息相关，我们使用的计算机

2、手机 BP 机打印机 复印机掌上电脑快译通电子记事本 DVD VCD CD随身听摄象 机传真机微波炉高清晰度电视电子照相机 IC 卡，还有许多集成化程 度高体积小功能强的高科技控制系统， 都是采用 SMT 生产制造出来的， 可 以说如果没有 SMT 做基础，很难想象我们能使用上这些使生活丰富多采的商 品。SMT 的特点：采用 SMT 使得组装密度更高，电子产品体积更小，重量更 轻，可靠性更高，抗震能力增强，高频特性好，而且易于实现自动化，提高生 产效率，降低生产成本，一般来讲，采用 SMT 的产品体积缩小 40%60%，重 量 减 轻 60% 80% 。 SMT 组成：主要由表面贴装元器件（

3、SMD），贴装技术，贴装设备三部分。 其中 SMD 包括：1. 制造技术：指 SMD 生产过程中导电物印刷加热修正焊接成型等技 术。2. 产品设计：设计中对尺寸精度、电极端结构 /形状、耐热性的设计与规定。3. 包装设计：指适合于自动贴装的编带、托盘或其他形式的包装。关于贴装技术包括：1. 组装工艺类型：单面 /双面表面贴装、单面混合贴装、双面混合贴装。2. 焊接方式分类：波峰焊接 -选择焊机、贴片胶、焊剂、焊料及贴片涂敷技术。再流焊接 -加热方式有红外线、红外加热风组合、 VPS、热板、激光等。3. 印制电路板：基板材料 -玻璃纤维、陶瓷、金属板。电路板设计 -图形设计、布线、间隙设定、拼版

4、、 SDM 焊盘设计和布局、贴装 系列设备主要包括：电胶机、丝印机、贴片机、回流炉、自动检测设备和维修 设备等锡膏印刷：“即使是最好的锡膏、设备和应用方法，也不一定充分保证得到可接受的结 果。使用者必须控制工艺过程和设备变量，以达到良好的印刷品质。在表面贴装装配的回流焊接中，锡膏用于表面贴装元件的引脚或端子与焊 盘之间的连接。有许多变量，如锡膏、丝印机、锡膏应用方法和印刷工艺过程。 在印刷锡膏的过程中，基板放在工作台上，机械地或真空夹紧定位，用定位销 或视觉来对准。 或者丝网 (screen)或者模板 (stencil)用于锡膏印刷。 本文将着重讨 论几个关键的锡膏印刷问题，如模板设计和印刷工

5、艺过程。印刷工艺过程与设备在锡膏印刷过程中，印刷机是达到所希望的印刷品质的关键。今天可购买 到的丝印机分为两种主要类型：实验室与生产。每个类型有进一步的分类，因 为每个公司希望从实验室与生产类型的印刷机得到不同的性能水平。例如，一 个公司的研究与开发部门 (R&D) 使用实验室类型制作产品原型，而生产则会用 另一种类型。还有，生产要求可能变化很大，取决于产量。因为激光切割设备 是不可能分类的， 最好是选择与所希望的应用相适应的丝印机。 在手工或半自 动印刷机中， 锡膏是手工地放在模板 /丝网上，这时印刷刮板 (squeegee处) 于模板 的另一端。在自动印刷机中，锡膏是自动分配的。在

6、印刷过程中，印刷刮板向 下压在模板上，使模板底面接触到电路板顶面。当刮板走过所腐蚀的整个图形 区域长度时，锡膏通过模板 /丝网上的开孔印刷到焊盘上。 在锡膏已经沉积之 后，丝网在刮板之后马上脱开 (snap off) ，回到原地。这个间隔或脱开距离是设 备设计所定的，大约 0.020"0.040"。脱开距离与刮板压力是两个达到良好印刷 品质的与设备有关的重要变量。 如果没有脱开，这个过程叫接触 (on-contact) 印刷。当使用全金属模板和刮刀时，使用接触印刷。非接触 (off-contact)印刷用 于柔性的金属丝网。刮板 (squeegee) 类型 刮板的磨损、压力

7、和硬度决定印刷质量，应该仔细监测。对可接受的印刷 品质，刮板边缘应该锋利和直线。刮板压力低造成遗漏和粗糙的边缘，而刮板 压力高或很软的刮板将引起斑点状的 (smeared)印刷，甚至可能损坏刮板和模板 或丝网。过高的压力也倾向于从宽的开孔中挖出锡膏，引起焊锡圆角不够。 常见有两种刮板类型：橡胶或聚氨酯 (polyurethane)刮板和金属刮板。当使用橡 胶刮板时，使用 70-90 橡胶硬度计 (durometer)硬度的刮板。当使用过高的压力时， 渗入到模板底部的锡膏可能造成锡桥，要求频繁的底部抹擦。为了防止底部渗 透，焊盘开口在印刷时必须提供密封 (gasketing)作用。这取决于模板开

8、孔壁的粗 糙度。金属刮刀也是常用的。 随着更密间距元件的使用， 金属刮刀的用量在增加。 它们由不锈钢或黄铜制成，具有平的刀片形状，使用的印刷角度为3045°。一些刮刀涂有润滑材料。因为使用较低的压力，它们不会从开孔中挖出锡膏，还 因为是金属的，它们不象橡胶刮板那样容易磨损，因此不需要锋利。它们比橡胶刮板成本贵得多，并可能引起模板磨损使用不同的刮板类型在使用标准元件和密脚元件的印刷电路装配(PCA)中是有区分的。锡膏量的要求对每一种元件有很大的不同。密间距元件要求比标 准表面贴装元件少得多的焊锡量。焊盘面积和厚度控制锡膏量。一些工程师使用双厚度的模板来对密脚元件和标准表面贴装焊盘施用适

9、当 的锡膏数量。 其它工程师采用一种不同的方法 - 他们使用不需要经常锋利的更 经济的金属刮刀。用金属刮刀更容易防止锡膏沉积量的变化，但这种方法要求 改良的模板开孔设计来防止在密间距焊盘上过多的锡膏沉积。这个方法在工业 上变得更受欢迎，但是，使用双厚度印刷的橡胶刮板也还没有消失。模板 (stencil) 类型 重要的印刷品质变量包括模板孔壁的精度和光洁度。保存模板宽度与厚度 的适当的纵横比 (aspect ratio)是重要的。推荐的纵横比为 1.5。这对防止模板阻 塞是重要。 一般，如果纵横比小于 1.5，锡膏会保留在开孔内。 除了纵横比之外， 如 IPC-7525模板设计指南所推荐的，还要

10、有大于 0.66 的面积比 ( 焊盘面积 除以孔壁面积 )。IPC-7525 可作为模板设计的一个良好开端。制作开孔的工艺过程控制开孔壁的光洁度和精度。有三种常见的制作模板 的工艺：化学腐蚀、激光切割和加成 (additive)工艺。化学腐蚀 (chemically etched) 模板 金属模板和柔性金属模板是使用两个阳性图形通过从两面的化学研磨来蚀 刻的。在这个过程中，蚀刻不仅在所希望的垂直方向进行，而且在横向也有。 这叫做底切 (undercutting) - 开孔比希望的较大，造成额外的焊锡沉积。因为 50/50 从两面进行蚀刻，其结果是几乎直线的孔壁，在中间有微微沙漏形的收窄。因为电

11、蚀刻模板孔壁可能不平滑，电抛光，一个微蚀刻工艺，是达到平滑 孔壁的一个方法。另一个达到较平滑孔壁的方法是镀镍层 (nickel plating) 。抛光 或平滑的表面对锡膏的释放是好的，但可能引起锡膏越过模板表面而不在刮板 前滚动。这个问题可通过选择性地抛光孔壁而不是整个模板表面来避免。镀镍 进一步改善平滑度和印刷性能。可是，它减小了开孔，要求图形调整激光切割 (laser-cut) 模板激光切割是另一种减去 (subtractive)工艺，但它没有底切问题。模板直接从 Gerber 数据制作，因此开孔精度得到改善。数据可按需要调整以改变尺寸。更 好的过程控制也会改善开孔精度。 激光切割模板的

12、另一个优点是孔壁可成锥形。 化学蚀刻的模板也可以成锥形，如果只从一面腐蚀，但是开孔尺寸可能太大。 板面的开口稍微比刮板面的大一点的锥形开孔 (0.001"0.002"，产生大约 2°的角 度)，对锡膏释放更容易。激光切割可以制作出小至 0.004"的开孔宽度，精度达到 0.0005"，因此很适 合于超密间距 (ultra-fine-pitch) 的元件印刷。激光切割的模板也会产生粗糙的边 缘，因为在切割期间汽化的金属变成金属渣。这可能引起锡膏阻塞。更平滑的 孔壁可通过微蚀刻来产生。激光切割的模板如果没有预先对需要较薄的区域进 行化学腐蚀，就不能

13、制成台阶式多级模板。激光一个一个地切割每一个开孔， 因此模板成本是要切割的开孔数量而定。电铸成型 (electroformed) 模板 制作模板的第三种工艺是一种加成工艺，最普遍地叫做电铸成型。在这个 工艺中，镍沉积在铜质的阴极心上以形成开孔。一种光敏干胶片叠层在铜箔上 (大约 0.25"厚度 )。胶片用紫外光通过有模板图案的遮光膜进行聚合。经过显影 后，在铜质心上产生阴极图案，只有模板开孔保持用光刻胶(photoresist)覆盖。然后在光刻胶的周围通过镀镍形成了模板。在达到所希望的模板厚度后，把光 刻胶从开孔除掉。 电铸成型的镍箔通过弯曲从铜心上分开 - 一个关键的工艺步 骤。现

14、在箔片准备好装框，制作模板的其它步骤。电铸成型台阶式模板可以做得到，但成本增加。由于可达到精密的公差， 电铸成型的模板提供良好的密封作用，减少了模板底面的锡膏渗漏。这意味着模板底面擦拭的频率显著地降低，减少潜在的锡桥。结论 化学腐蚀和激光切割是制作模板的减去工艺。化学蚀刻工艺是最老的、使 用最广的。激光切割相对较新，而电铸成型模板是最新时兴的东西。 为了达到 良好的印刷结果，必须有正确的锡膏材料 （黏度、金属含量、最大粉末尺寸和尽 可能最低的助焊剂活性 ）、正确的工具 （印刷机、模板和刮刀 ）和正确的工艺过程 （良好的定位、清洁拭擦 ）的结合。锡膏评估 :本文介绍，想成为公司的主角吗？学会怎样

15、通过一个稳健的焊锡系统评估的 模式来为公司节省经费。焊接系统是化学可兼容性过程的一个重要部分，应该彻底地评估，以得到 维持或改进。一个焊接系统可定义为所有具有助焊剂的化学物质，诸如锡膏、 波峰焊接助焊剂和多数的返工材料。为了本评估的目的，我们认为波峰焊接系 统用的焊锡条和锡线严格地说是一种商品，不是系统评估的部分。我们使用一个在下面将要详细描述的 6 程序来进行焊接系统的评估分 析。在过去三年里， 通用电气公司 （General Electric Company）已经使用 6 程 序来评估和引入工艺。 在 6 程序中使用的统计工具与方法适合于一个焊接系 统评估所要求的分析类型。在我们的焊接系统

16、评估开始时，我们决定任何认可的系统必须至少与我们 现有的系统一样好，不管价格。与工业中其它人的讨论使我们相信我们现有的 焊接系统是一个非常令人敬畏的敌人。我们的目标是以许多标准来评估许多的 供应商。我们将认可所有比我们现有系统表现更好的系统。通过认可几个不同的系统， 采购部门将能够讨价还价， 而不陷入唯一来源。当我们简单地宣布我们计划进行评估时，我们现在的焊锡系统供应商将其价格 降低 39%! 认可几个不同的系统给你机会节约公司的资金。要评估哪些制造商？评估中我们的第一步是决定我们要求的锡膏 (solder paste) 类型。我们的 板有密间距 (fine pitch ，小于 20-mil)

17、 、侵入式回流焊接 ( 通孔引脚在锡膏中 pin-in-paste) 、双面回流焊接和胶点。 通过考查我们的工艺过程和几个锡膏制 造商一起工作，我们决定我们需要免洗、低残留物、探针可测试的 (pin testable) 、63 锡/37 铅、 90%金属含量的锡膏。提前决定这些需求缩短了涉及 索求报价的时间与工作。简单地询求每年多少重量的锡膏将使供应商判断我们 的需求，引导他们适当地报价不同的产品。专门确定我们所要求的锡膏是比较 不同制造商类似产品的最好方法。其次，我们决定应该让哪些供应商来完成评估。我们开始包括我们认为是 主要制造商的。我们现存的系统用作其它产品比较的基线。因为我们正评估整

18、个焊接系统，我们优先放在那些提供锡膏、助焊接和返工材料的制造商。可是， 如果两家公司愿意一起工作提供其相互合作的证明 - 例如，一个供应助焊剂， 一个供应锡膏 - 那么我们允许评估他们。可是，注意，如果将来发生问题，这 种设置可能导致许多相互指责。在决定评估的供应商后，我们准备一个报价请求(RFQ, request forquote) 。这时我们通知采购部门，允许他们对 RFQ作适当的商业上的修改。 RFQ 的其中一行叙述，“报价可能作为候选系统选择的最初尝试，我们强烈鼓励进 取报价。”我们要求报价在规定日期 - 10 个日历日 - 回到我们的采购部门。 任何错过这个日期的供应商都从评估去掉。

19、我们认为在规定的时间回答与否表 明供应商对客户的反应时间。由于允许报价的制造商的数量，我们需要基于反应时间和价格的标准上减 少名单。在报价限期的第二天，我们取消了一个因为其价格非常高的制造商， 和一个没有在规定时间反应的制造商。我们剩下五个候选的制造商和我们的基线系统需要评估。选择试验载体 对这个评估，我们决定使用一种产品板，不计划任何毁坏性的试验。为了 使用一种产品板作评估，我们不得不相信锡膏制造商提供的资料。我们选择我 们通常在生产中处理的最变化多的板。这种板使用了密间距已经和侵入式回流 焊接(intrusive reflow) 。它也使用了双面锡膏，这允许我们通过测试顶面的 和底面的一些

20、载体减少试验的总数。设计试验为了这次评估的目的，我们决定进行一个统计有效的试验设计 (DoE, design of experiment) 。首先，我们选择锡膏将要评估的变量 - 变量的数量 越少，运行试验的数量就越少。选择了以下四个变量：印刷后的保留时间、贴 装后的保留时间、锡膏的不同批号、和回流焊接环境。选择这些变量是因为其 对我们的工艺过程重要， 可是， 对于你们各自的过程需要应该改变变量的选择。 虽然在最后认可之前需要评估更多的变量， 但是这四个变量允许我们缩窄竞争。对于四个变量的每一个，我们选择高与低值。每个保持时间的高与低值分 别为二与零小时。锡膏批号的高与低值简单地就是来自不同制

21、造商的两个不同 批号。回流焊接环境的高与低值是氮气和空气。我们设计该 DoE来评估在运行底面时的两个变量和在运行顶面时的两个变 量。该 DoE也是设定成在大多数时间有效的顺序来运行，因为经常改变锡膏和 清洗模板 (stencil) 是没有效率的。我们使用的板有一个 30 的批量。表一显示 用于运行所有评估板的矩阵。该矩阵对每一种锡膏重复使用。表一、用于运行所有评估板的矩阵底面顶面运行(板)变量 1( 印刷后变量 2( 贴装后变量3变量4保持 ）保持 ）（ 锡膏批 号）（回流环境）A(1-7)高（2 小时 ）高（2 小时 ）低（批号#1）低（空气）B(8-14)低（0 小时 ）高（2 小时 ）低

22、（批号#1）高（ 氮气）C(15-21)高（2 小时 ）低（0 小时 ）高（批号#2）低（空气）D(22-30)低（0 小时 ）低（0 小时 ）高（批号#2）高（ 氮气）粗体输入项是标准 DoE。括号内的项是这个特殊 DoE的专门的为了说明表一，下面是运行 A 的分项列出：底面步骤·印刷板 17，使用制造批号 A。·印刷后保持两个小时 （变量 1）。·贴装元件。·贴装元件后保持两小时 （变量 2）。 ·把板翻转底朝天 10 分钟。·数出移位元件的数量和类型。·替换跌落的元件。·在空气中回流焊接板。顶面步骤·

23、;印刷板 17，使用制造批号 A（ 变量 3）。·贴装元件。·在空气中回流焊接板 （变量 4）。运行板 整个试验在开始实际运行之前设计好。设计好的试验在评估开始前送给所 有锡膏制造商。包括在步骤一起的是我们的回流焊接炉和印刷机的温度曲线和 设定。送这些信息给锡膏制造商的目的是要保证我们不会为了我们现在系统的 优点而偏置试验。 还有，我们不想任何设定问题使整个评估的有效性受到怀疑。 几个制造商要求我们在开始之前增加印刷其锡膏的速度，因为他们感觉其锡膏 会表现更好。我们想出了一个编号方案， 给每个板一个唯一的确认， 从而标贴每一块板。 板的运行使用我们标准的工艺步骤。 当从一个

24、锡膏制造商改变到另一个时， 模板和刮板很彻底地清洗。我们使用了一台自动模板清洗机以避免各人清洗能 力的多出一个变量。在板的底面贴装元件之后，我们把板翻转，保持 10 分钟。这个步骤是测量 锡膏的湿强度 (green strength)。在这一步没有元件掉落。我们的试验的严密性不 足以区分不同锡膏的湿强度。在运行这类试验时，记住你是在评估锡膏，不是在优化工艺。不要违背工 艺。这些调整将偏转你的结果，并引入你没有计划的变量。结果/缺陷记录 下一步，我们选择要记录的可观察的缺陷：锡球、锡桥、焊锡不足、开路、 光泽、熔湿(wetting)和残留物。我们创建一个记录每个板上的所有缺陷的数据表。 我们检查

25、每个板，所有检查员都应该校对，以减少操作员之间结果的不同。在我们工艺中一个重要的标准是在线测试机 (ICT, in-circuit tester)的探针可 测试性。为了这个测量的目的，我们在测试板时记录所有误失效。误失效定义 为重测时不重复出现的失效。我们在测试使用不同锡膏的板时更换所有的 ICT 探针，因此助焊剂的任何累积都不会偏移剩下的测试。我们记录在 ICT 上的实 际板的失效，然后消除与焊接无关的元件失效。分析结果每个板的视觉检查与 ICT 测试结果记录在一张表中。从这个表，我们计算 每钟锡膏的每个缺陷模式的或者平均值、 或者中间值或者总值 (表二 )。对于非常010少发生的缺陷如锡桥

26、，我们使用一个总和。对于较常见的缺陷，如锡珠和锡球， 我们使用或者平均值或者中间值来总结缺陷。我们在数据统计上成正态的地方 用平均值， 数据不在统计上成正态的地方用中间值。 这个结果值被转换成 的标准值。在结果值中，高分表示情况差。在标准值中，高分是好的。值的标 准化的目的建立一个比较的工具。表二、视觉检查与ICT 测试结果锡膏#板数5锡球5锡桥8少锡6残留3开路0光泽3熔湿4批号 不 同4ICT 误失 效9印刷 观 察3掉 落 元 件 0总数32004.402.32.0011001 81 93.2107.38.01 856 07 71028528103.002.01.4027101 80 1

27、06.0108.09.21 81 99 9104286103.804.02.2003430 9108 64.3103.97.7100 101 1103692003.003.03.0004832 8104 66.0106.05.9101 94 4104019503.701.81.60502 10100 104.7108.58.81 822 67 710372503.603.31.3061015 9100 104.8103.59.42 63 98 81043275840 85 01281.603.02.31 812 77 70250408.7106.07.510·斜体字的值是检查结果的汇总。 通过取原始数据的平均值、 中间值 或和来决定。汇总的方法取决于原始数据的频率和常态。·标准化值位于汇总值的右边。·粗体字的值是应用于每个缺陷模式的加权。·总