现代电子元件装配技术

1、2013-2014学年第二学期现代电子元件装配技术(公选课) 戚宇恒现代电子元件装配技术第一章 表面贴装技术概述一、什么表面贴装技术表面贴装技术，是使用自动组装设备将表面贴装元器件贴装和焊接到印刷电路板表面指定位置的一种电子装联技术，简称SMT(Surface Mount Technology)二、表面贴装技术的内涵表面贴装技术是一门涉及微电子、精密机械、自动控制、焊接、精细化工、材料、检测、管理等多种专业和多门学科的系统工程。表面贴装技术的重要基础之一是表面贴装元器件，其发展需求和发展程度也是主要受表面贴装元器件发展水平的制约。表面贴装技术从20世纪60、70开始出现，并逐渐发展起来。三、表

2、面贴装技术的基本组成表面贴装技术是一项复杂的系统工程，它主要包含表面组装元器件、表面贴装电路板、材料、组装工艺、组装设计、检测技术、组装和检测设备、控制和管理等技术。SMT的主要组成部分设计结构尺寸、端子形式、耐焊接热等(1)表面贴装元器件制造各种元器件的制造技术包装编带式、棒式、散装等(2)表面贴装电路板单(多)层PCB、陶瓷、瓷釉金属板等(3)组装设计电设计、热设计、元器件布局、基板图形布线设计等组装材料粘接剂、焊锡膏、助焊剂、清洁剂等(1)组装工艺组装技术各种组装设备的工艺参数控制技术包装编带式、托盘示、棒式、散装等四、表面贴装技术的优缺点1.传统的通孔插装技术(THT)通孔插装技术，是

3、一种将元器件的引脚插入印刷电路板的通孔中，然后在电路板的引脚伸出面上进行焊接的电子装联技术，简称THT(Through Hole Packaging Technology)优点：工艺简单，可手工焊接，可用于高电压、强电流电路板的装联缺点：体积大，重量大，难以实现双面组装2.表面贴装技术的优缺点优点：组装密度高，体积小，重量轻，功耗小缺点：使用专用设备组装，设备成本投入高，工艺复杂五、典型表面贴装生产流程印刷电路板锡膏印刷元件贴装回流焊接电子产品- 17 -第二章 表面贴装元器件表面贴装元件(SMC，Surface Mount Component)表面贴装器件(SMD，Surface Mount

4、 Device) 表面贴装元器件的包装方式一、表面贴装元件(SMC) 1.电阻器(Resistance) 2.电容器(Capacity) 3.电感器(Inductance) 特点：微小型化、无引脚(或扁平、短小引脚)，适合在印刷电路板表面组装。1.电阻器(Resistance)从封装方式来分可分成a. Chip矩形片式元件一般标出数值，黑底白字，以三位数据为主例如：470代表47×10E047欧姆 b. Melf圆柱型元件 c. 电阻网络(已SOP小型扁平封装为主)SOP 小型扁平封装 (Small Outline Package) d. 可调电阻 2.电容器(Capacity)以材

5、料或结构来分，可分成片式瓷介电容器，MLC(Multilayer Ceramic Capacity)，独石电容器钽电解电容器铝电解电容器 从封装方式来分可分成a. Chip矩形片式元件一般没有标出数值，多数没有极性 b. Melf圆柱型元件 c.片式钽电解电容器比片式瓷介电容器厚，多数标出极性 d.片式铝电解电容器 e.可调电容器 3.电感器(Inductance)从封装方式来分可分成a. Chip矩形片式元件一般没有标出数值，多数没有极性 二、表面贴装器件(SMD)1. SOD小型二极管(Small Outline Diode) 2. SOT小型晶体管(Small Outline Trans

6、istor) 3. SOP小型扁平封装 (Small Outline Package) 4. QFP四边扁平封装器件(Quad Flat Package) 5. PLCC塑封有引线芯片载体(Plastic Leaded Chip Carrier) 6. BGA球形栅格阵列(Ball Grid Array)主要分成三种类型：塑料球形栅格阵列(PBGA，Plastic Ball Grid Array)陶瓷球形栅格阵列(CBGA，Ceramic Ball Grid Array)陶瓷柱栅格阵列(CCGA，Ceramic Column Grid Array) 三、表面贴装元器件的包装方式主要分成四种包装

7、方式1. 编带包装(Tape)适用于Chip、Melf、SOP等小型元器件 2. 托盘包装(Tray)适用于SOP、QFP、BGA等较大型的元器件 3. 棒式包装(Stick)适用于DIP、SOP等元元件 4. 散装(Bulk)适用于SOT等元器件 第三章 表面贴装材料焊锡膏(Solder Paste)助焊剂 (Flux)贴装胶清洗剂其它材料 一、焊锡膏(Solder Paste)焊锡膏是由合金焊料粉末和糊状助焊接剂均匀混合而成的浆料或膏状体。1.焊锡膏的化学组成焊锡膏主要由合金焊料粉末和助焊剂组成。其中合金焊料粉末占总重量的85%-90%，助焊剂占15%-20%。a. 合金焊料粉末根据合金焊

8、料粉末的金属成分不同，主要分成有铅焊料和无铅焊料。表3-1 焊锡膏的组成和功能组成使用的主要材料功能合金焊料粉末SnPbSnPbAg等元器件和电路的机械和电气连接助焊剂焊剂松香，合成树脂净化金属表面，提高焊料润湿性粘接剂松香，松香脂，聚丁烯提供贴装元器件所需粘性活化剂硬脂酸，盐酸，联氨，三乙醇胺净化金属表面溶剂甘油，乙二醇调节焊膏特性触变剂防止分散，防止塌边表3-2 合金焊料温度合金焊料金属粉末比例熔点/ºCSnPb(有铅焊膏)Sn63Pb37183SnAgCu(无铅焊膏)Sn96.5Ag3Cu0.5221b. 助焊剂通过助焊剂中活性剂的作用，能清除被焊材料表面以及合金粉末本身的氧化

9、膜，使焊料迅速扩散并附着在被焊金属表面。助焊剂的组成对焊膏的扩展性、润湿性、塌陷、粘度变化、清洗性质、焊珠飞溅及储存寿命均有较大影响。 c. 焊锡膏的储存与使用储存：在04ºC低温储存有效时间：约半年(越快使用越好)使用：先在常温下密封解冻，使用前均匀搅拌。二、助焊剂 (Flux)助焊剂通常以松香作为基体，包括活性剂、成模物质、添加剂和溶剂等。助焊剂的主要功能a. 除去焊接表面的氧化物b. 防止焊接时焊料和焊接表面的再氧化c. 降低焊料的表面张力d. 有利于热量传递到焊接区三、贴装胶表面贴装胶通常由基体树脂、固化剂和固化促进剂、增韧剂和填料组成。粘装胶的主要作用是起到粘接、定位和密封

10、作用。1. 贴装胶的化学组成a. 基体树脂是贴装胶的核心，一般用环氧树脂和丙烯酸酯类聚合物。b. 固化剂和固化促进剂 常用的固化剂和固化促进剂为双氰胺、三氟化硼胺络合物、咪唑类衍生物等。c. 增韧剂 常用的增韧剂有邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯、液体丁腈橡胶和聚硫橡胶等。d. 填料 加入填料后可提高贴装胶的电绝缘性能和耐高温性能。常用的填料有硅微粉、碳酸钙、膨润土、白碳黑、硅藻土、钛白粉、铁红和碳黑。2. 贴装胶的分类a. 按基体材料分，有环氧树脂和聚丙烯两大类b. 按功能分，有结构型、非结构型和密封型c. 按化学性质分，有热固型、热塑型、弹性型和合成型d. 按使用方法分，有针式、注射式、

11、丝网漏印等方式的贴装胶 四、清洗剂常用的清洗剂有CFC113(三氟三氯乙烷)和甲基氯仿作为清洗剂的主体材料。五、其它材料a. 阻焊剂在阻焊剂中采用的基体树脂有环氧丙烯酸酯、丙烯酸聚氨酯、聚酯丙烯酸酯和有机硅丙酸酯。b. 防氧化剂c. 插件胶第四章 表面贴装电路板表面贴装电路板的特点SMB的结构可制造性设计一、表面贴装电路板的特点印刷电路板是一种附着于绝缘基材表面，用于连接电子元器件(包括屏蔽元件)的导电图形，简称PCB(Print Circuit Board)。专用于SMT的PCB(Print Circuit Board，印刷电路板)专称为SMB。特点：SMB比传统的PCB板的电路图形设计要高

12、，其主要特点是：高密度、小孔径、多层数、高板厚/孔径比、优秀的运输特性、高平整光洁度和尺寸稳定性等。二、SMB的结构SMB一般由基板材料、导体材料和阻焊层三部分组成。1. 基板材料SMB的基板材料主要有无机材料和有机材料两大类。无机材料主要指陶瓷电路基板，有机材料中最常用环氧玻璃纤维基板。a.陶瓷基板材料陶瓷电路基板的基板材料是95的氧化铝，在要求基板强度很高的情况下，可采用99的纯氧化铝。b.环氧玻璃纤维电路基板环氧玻璃纤维电路基板由环氧树脂和玻璃纤维组成，它结合了玻璃纤维强度好和环氧树脂韧性好的优点，故具有良好的强度和延展性，它有单面、双面和多层之分。日常生产中多数采用FR-4的环氧玻璃纤

13、维作为电路板的基板材料。2.导体材料常用的导体材料有铜、铝、金等。为提高导体材料与基板之间的附着力，常采用过渡层(亦称打底)材料，如铬(Cr)、镍(Ni)、钛(Ti)等。过渡层厚度一般为50-60nm，导体层厚度一般为100-200nm。3.阻焊层在印刷电路板上涂覆阻焊层的目的是防止邻近布线和焊盘间焊锡连桥，保护电路板免受机械损伤和污染。三、可制造性设计DFM(Design for Manufacturing)，可制造性设计，就是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，并把它用于生产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从产品开

14、发设计时就考虑到可制造性，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%的制造成本取决与设计说明和设计规范，70-80%的生产缺陷是由于设计原因造成的。3.1. DFM的优点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。a. 有利于制造程序的标准化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。b. 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/CM之间的有效沟通非常必要。具有良好可制

15、造性的产品与OEM、EMS/CM间实现平滑的技术转移和过渡，快速组织生产。Electronic Manufacturing Services电子设备制造厂商(EMS)Contract Manufacturers签约厂商(CM)Original Equipment Manufacturers 原始设备制造厂商(OEM)Electronic Components Manufacturers电子元器件制造厂商(ECM) c. 降低新工艺引进成本，减少测试工艺开发的庞大费用d. 节约成本，改善供货能力低成本、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

16、多的人力、物力、财力达到目的，同时还付出延缓交货、失去市场等沉重代价。e. 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。3.2. PCB设计印刷电路板设计也称为印刷板排版设计，目前基本通过计算机辅助的方法使用CAD软件来实现。PCB设计质量是衡量表面组装技术水平的重要标志，是保证表面组装质量的首要条件之一。3.3. 可制造性设计的主要内容a. PCB的组装形式及加工工艺流程b. SMT设备对PCB设计的要求c. 元件的封装形式及焊盘设计d. SMT工艺对PCB

17、设计的要求e. 设计文件的输出f. 可制造性设计审核g. 加工中常见问题及解决措施a. PCB的组装形式及加工工艺流程考虑因素1) 尽量采用回流焊方式，因为回流焊比波峰焊具有以下优势：元器件受到的热冲击小能控制焊料量，焊接缺陷小，焊接质量好，可靠性高焊料中一般不会混入不纯物，能正确地确保焊料的组分；有自定位效应(self alignment)可在同一基板上，采用不同焊接工艺进行焊接工艺简单，修板量极小，从而节省了人力、电力、材料。2) 混装情况下尽量选择插件、贴片在同一面，其次选择贴片在两面，插件在一面，尽量不要双面混装。3) BGA设计时，最好一面有BGA元件，两面安排BGA元件会增加工艺难

18、度。b. SMT设备对PCB设计的要求1) 外形设计及尺寸2) 基准标志(Mark)设计3) PCB定位孔和夹持边的设计4) 拼板设计5) PCB要求与元器件选用1) 外形设计及尺寸形状设计PCB的外形应尽量简单，一般为矩形。板面不要设计得过大，以免回流焊接时引起变形。贴片机的PCB传输方式、贴装范围决定PCB外形。当PCB定位在贴装工作台上，通过工作台传输PCB时，对PCB的外形没有特殊要求；当直接采用导轨传输PCB时，PCB外形必须是笔直的。如果是异形PCB，必须设计工艺边使PCB的外形成直线。最大最小尺寸设计PCB最大尺寸贴片机最大贴装尺寸；PCB最小尺寸 50×50mm，当P

19、CB尺寸小于贴装最小尺寸时，必须采用拼板方式。厚度设计元件的重量和规格决定板的厚度，可通过计算重量来决定板厚。通常有3mm、2mm、1.6mm(标准)、1.5mm(国产)，多层板的层数决定厚度。具体尺寸可查标准。2) 基准标志(Mark)设计作用：用于修正PCB固定或者PCB加工引起的位移偏差。种类：分为PCB基准标志和局部基准标志(Board和local)形状与尺寸：优选实心圆；优选直径为1.5mm。(0.5-3mm)布放要求：PCB基准标志一般放三个，在PCB对角线上；局部基准标志在元件对角线上。基准标志要与周围环境有反差。3) PCB定位孔和夹持边的设计a. 定位孔一般两个，在PCB长边

20、一则，孔径为3-5mm，一般取4mm，定位孔的位置距离PCB各边5mm处。b. 夹持边夹持边要平整光滑，尺寸一致，误差小。夹持边3mm范围内不允许布元件。4) 拼板设计PCB小于50×50mm必须组成拼板；为提高贴装效率对某些板、异形板也需拼板。每个拼板的对角线上要有基准标志。拼板中各块PCB之间的互连有双面对刻V形槽和断签式两种方式。要求既有一定的机械强度，又便于贴装后的分离。5) PCB要求与元器件选用PCB要求：a. 外观质量无毛刺，四周光滑；一致性好；丝印清晰，丝印不偏移；阻焊层均匀，无脱落。b. 要求平整度好对PCB翘曲度的要求：一般板为1.5%，带插头处为1.0%，SMB

21、为0.5%。c. 选择Tg(玻璃化转变温度)较高的基板材料，Tg应高于电路工作温度。d. 选择CTE(热膨胀系数)低的材料c. 元件的封装形式及焊盘设计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d. SMT工艺对PCB设计的要求1)元件分布均匀，疏密有序2)元器件在PCB上的方向排列相同3)大型器件的四周要留一定的维修空隙4)抗干扰，防止耦合e. 设计文件的输出1)元器件明细表BOM(Bill of Material，物料清单), 描述产品零件、半成品和成品之间的关系。 2)丝印图3)PCB坐标纯文本文件4)焊盘图形第五章 锡

22、膏印刷工艺锡膏印刷工艺就是在PCB焊盘上施加适量的焊锡膏，为后续工艺打下基础。锡膏印刷工艺所使用的工具和材料锡膏印刷工艺流程及关键参数 锡膏印刷缺陷分析及排除 一、锡膏印刷工艺所使用的工具和材料1.材料：焊锡膏 2.工具： a. 钢网：由金属模板、铝合金边框和丝网构成。 b. 金属刮刀：使用刮刀刮印时，刮刀倾斜角度为45-60度。a. 金属模板开口设计参数使用激光雕刻、腐蚀等手段制作出与焊盘大小和位置一致的漏孔。一般漏孔的尺寸与焊盘尺寸基本相等或者比焊盘尺寸略小。漏孔的形状一般与焊盘的形状一致，也可以根据实际需要选择合适的漏孔形状。表5-1 金属模板开口设计参数元件类型引脚间距焊盘宽度焊盘长度

23、开口宽度开口长度模板厚度0402无0.500.650.450.60.125-0.1502010.250.400.230.350.075-0.125QFP0.300.201.000.150.950.075-0.125QFP0.6350.351.500.301.450.15-0.18BGA1.270.80无0.75无0.15-0.20BGA0.500.30无0.28无0.075-0.125PLCC1.270.652.000.601.950.15-0.25尺寸单位为mm二、锡膏印刷工艺流程及关键参数表5-2 锡膏印刷工艺关键参数工艺参数优化设置印刷厚度基本由金属模板的厚度决定，并通过调节刮刀刮印速度

24、和印刷压力调节当元器件脚间距为0.3mm时，模板厚度0.1mm，锡膏厚度0.09-0.1mm当元器件脚间距为0.5mm时，模板厚度0.15mm，锡膏厚度0.13-0.15mm印刷速度元器件引脚小于0.5mm时，印刷速度20mm/s-30mm/s印刷角度刮刀与水平面倾斜45-60度脱模速度间距小于0.3mm，速度0.1mm/s-0.5mm/s间距大于0.65mm，速度0.8mm/s-2.0mm/s模板清洗一般每印刷10块左右PCB板就要对模板底部进行清洗，通常使用无水酒精等溶剂作为清洁液清除模板底部的附着物三、锡膏印刷缺陷分析及排除 表5-3 锡膏印刷工艺缺陷分析工艺缺陷原因分析位置偏移装置本身

25、的位置精度不好锡膏印刷时进入钢网开口部的均匀性差由刮刀及其摩擦因素对钢网形成的一种拉力不良锡膏量不足因印刷压力过大对钢网开口部生长一种挖取力所致因印刷压力过大引起其中的焊料溢出，产生脱模性劣化因印刷压力不足，焊膏滞留钢网表面造成脱模性劣化锡膏量过多由印刷压力不足，钢网表面留存的焊锡膏会使印刷量增加锡膏渗流到钢网底面，影响钢网的紧贴性，使印刷量增加印刷形状不良锡膏的触变系数太小或脱模方向错误(园角、塌边)锡膏渗透PCB与钢网紧贴性差印刷时压力过大会产生锡膏的溢出由刮刀及其摩擦因素对钢网形成的一种拉力原因所至备注触变指数和塌落度触变指数是指触变性流体受外力的作用时黏度能迅速下降，停止外力后能迅速恢

26、复黏度的性能。焊锡膏是触变性流体，锡膏的塌落度主要与焊膏的粘度和触变性有关。触变指数和塌落度主要与合金焊料与焊剂的配比，即合金粉末在焊膏中的重量百分含量有关，还与焊膏载体中的触变剂性能和添加量有关。还与颗粒形状、尺寸有关。第六章 元件贴装工艺元件贴装工艺就是通过编程，用表面贴装设备自动将PCB上的元器件贴装到指定位置。贴片机的重要特性贴片机的基本工作原理元件贴装缺陷分析及排除一、贴片机的重要特性1.1. 精度a. 贴装精度，元器件相对PCB板标定位置的偏差大小b. 分辨率，贴片机分析空间连续点的能力c. 重复精度，重复贴装时，实际贴装位置和目标位置之间的综合偏差1.2. 速度a. 贴装周期b.

27、 贴装率c. 生产量1.3. 适应性适应不同贴装要求的能力。包括：元器件种类、供料器数目和类型、贴片机的可调整性等。1.4. 贴片机的类型1)按贴装方式分类a. 顺序式b. 同时式c. 在线式2)按贴装速度分类a. 低速贴片机，低于3000片/小时b. 中速贴片机，3000-8000片/小时c. 高速贴片机，8000片/小时以上3)按价格分类a. 低档，从几万美元到10万美元；b. 中档，从10万美元到20万美元；c. 高档，大于20万美元。4)综合分类a. 小型机，容纳15个SMC/SMD材料架b.中型机，容纳20-30个SMC/SMD材料架c.中型机，容纳50个以上SMC/SMD材料架5)

28、按贴装元件类型分类a. 专用机b. 多功能机二、贴片机的基本工作原理 1. 定位原理2. 修正偏差原理 三、元件贴装缺陷分析及排除 表6-1 元件贴装工艺缺陷分析 工艺缺陷原因分析贴装位置偏离坐标位置坐标定位错误元件厚度设置错误贴装高度太高，贴片时元件从高处扔下贴装高度太低，使元件滑动吸嘴缺损老化或者气缸主轴移位元器件贴错或极性方向错误贴片编程错误取料编程错误或者装错供料器位置晶体管、电解电容器等有极性元器件，不同生产厂家编带时方向不一致贴装头无法吸取元器件供料器的元件没有装好吸嘴磨损老化，有裂纹引起漏气吸嘴孔内被锡膏等脏物堵塞气压不够，真空管道漏气形成不完全真空第七章 SMT焊接技术SMT焊

29、接技术是使焊料合金和要结合的金属表面之间形成合金层的一种连接技术。回流焊接技术波峰焊接技术 一、回流焊接技术通过重新熔化预先分配到PCB焊盘上的锡膏，实现表面贴装元器件引脚与PCB焊盘之间机械与电气连接的一种焊接工艺。常见的回流焊接技术有：热风循环、红外、激光等1. 回流焊接的工作原理通过加热使印刷电路板上预先分配的焊锡膏熔化，流动的液态焊锡膏与元器件引脚和电路板焊盘形成焊点，冷却固化后形成稳定可靠的机械和电气连接。以时间为横坐标，以加热温度为纵坐标构成一个二维的回流焊温度曲线图。印刷电路板从进入回流焊机到焊接完毕出来的整个温度变化过程，可以分成四个区：预热区、保温区、焊接区和冷却区。1.预热区：印刷电路板上所有材料的温度上升，焊锡膏中的助焊剂开始挥发。2.保温区：电路板和元器件得到充分的预热，焊锡膏中的助焊剂充分活化，获得良好的润湿条件。3.焊接区：温度迅速上升并使焊锡膏处于熔化状态，液态焊锡膏对元器件引脚和电路板焊盘润湿、扩散，三部分混合组成焊点。4.冷却区：在冷却风的吹送下电路板温度逐渐下降，焊锡膏固化后建立电气和机械连接，实现电路功能。回流焊机通过对加热温度和传送速度两个参数的合理设置，实现加热过程和加热时间的控制。2. 回流焊接的