SMT工藝技術問題

作者：博維科技 時間：2018-07-18 10:08

SMT——表面貼裝技術（Surface Mount Technology）
SMC——表面安裝元件（Surface Mount Componet）
SMD——表面安裝器件（Surface Mount Device）
SMB——表面安裝印刷電路板（Surface Mount Printed Circuit Board）
THT ——通孔插裝技術
MSI——中規模集成電路
LSI——大規模集成電路
SMT的優點：
1． 元器件安裝密度高，電子產品體積小，重量輕。
2． 可靠性高，抗振能力強。
3． 高頻特性好。
4． 易于實現自動化，提高生產效率。
5． 可以降低成本。

SMT的八大技術問題：管理工程，測試，材料，設備，工藝方法，圖形設計，基板，元器件。一．錫膏要具備的條件

 焊膏是由合金焊料粉、糊狀焊劑和一些添加劑混合成而成的具有一定粘性和良好觸變性特性的膏狀體。它是一種均相的、穩定的混合物。在常溫下焊膏可將電子元器件初粘在既定位置，當焊膏被加熱到一定溫度時，隨著溶劑和部分添加劑的揮發、合金粉的熔化，焊膏再流使被焊元器件與焊盤互聯在一起經冷卻形成永久連接的焊點。
   對焊膏要求能采用多種方式涂布，特別要具有良好的印刷性能和再流焊特性，并且在貯存時要具有穩定性。
1． 焊膏應用前需具備以下特性：
  1）。具有較長的貯存壽命，在2~5度下保存3~6個月，貯存時不會發生化學變化，也不會出現焊料粉和焊劑分離的現象，并保持其粘度和粘接性不變。
   2）。吸濕性小、低毒、無臭、無腐蝕性。
2． 涂布時以及再流焊預熱過程中具有的特性。
1）。要具有良好的印刷性和滴涂性，脫膜性良好，能連續順利的進行涂布，不會堵塞絲網或漏板的孔眼及注射用的管嘴，也不會溢出不必要錫膏。
2）。有較長的工作壽命運，在印刷或滴涂后通常要求在常溫下能放置12-24小時，其性能保持不變。
3）。在再流焊預熱過程中，焊膏應保持原來的形狀和大小，不產生塌落。塌落是指一定體積的焊膏印刷或滴涂于PCB后，由于重力和表面張力的作用及溫度升高或停放時間過長而引起的高度降低，底面積超出規定邊界的現象，塌落的程度稱為塌落度。
3． 再流焊加熱時具有的特性
1）。良好的潤濕性能。要正確選用焊劑中活性劑和潤濕劑成份，以便達到潤濕性要求。
2）。不發生焊料飛濺。這主要取決于焊膏的吸水性、焊膏中溶劑的類型、沸點和用量以及焊料粉中的雜質類型及含量。
3）。形成最少量的焊料球。
4． 再流焊后具有的特性
1）。有較好的焊接強度，確保不會因振動等因素出現元器件脫落。
2）。焊后殘留物穩定性能好，無腐蝕，有較高的絕緣電阻，且清洗性好。
二．影響焊膏特性的重要參數
1． 粘度
焊膏是一種流體，它具有流變性，在外力作用下能產生流動，在印刷和再流焊過程中極為有用。焊膏在印刷時，由于受到刮刀壓力的作用開始流動，當刮刀壓力消失時，焊膏恢復到原來的高粘度狀態，這樣才能在PCB上留下精確的圖形。
2． 合金焊料粉成份、配比以及焊劑含量
焊膏中合金焊料粉和焊劑的組成以及兩者的配比對焊膏的特性有很大影響。
合金焊料粉是錫膏的主要成分，約占焊膏重量的85%~90%。常用的合金焊料粉有以下幾種：錫——鉛（Sn-Pb）、錫——鉛——銀（Sn-Pb-Ag）、錫——鉛——鉍（Sn-Pb-Bi）等。最常用的合金成分為Sn63/Pb37和Sn62/Pb36/Ag2，其中Sn63/Pb37的熔點為183℃，共晶狀態，摻入2%的銀后熔點為179℃，共晶狀態，它具有良好的物理特性和優良的焊接性能，且不具有腐蝕性，適用范圍廣，加入銀可提高焊點的機械強度。
3． 熔點
Sn63/Pb37 -----183,  Sn62/Pb36/Ag2-----179,  Sn43/Pb43/Bi14----114~163, Sn96.5/Ag3/Cu0.5-----217
4． 合金焊料粉的形狀和粒度
為免使錫粉氧化，須要球形粉體，因為球形的面積最小，一定容量內總面積也最小。并且同時把球形體積制造粗大，可以減少被氧化的范圍。 粒度通常使用20~45um，但是為應付將來愈微細型體的焊接趨勢，勢必取向粉末粒度分布越狹小、越細的粉粒。
    一般錫粉的大小是要印刷厚度的約三分之一以下，而印版開口部的最小幅度的約五分之一以下最為標準。不過粒度愈小也有它的缺點，①總面積愈大，易氧化，②易生細錫球，③焊接后的引張強度較小。
5． 觸變性和塌落度

	1).金屬含量較高（大于90%）時，可改善錫膏的塌落性，有利于形成飽滿的焊點，并且
	由于燭劑量相對較少可減少焊劑殘留物，有效的防止錫球的出現，缺點是對印刷和焊
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	接工藝要求更嚴格。金屬含量較低時（小于85%），印刷性好，潤濕性好，但缺點是
	易塌落，形成錫球和短路等缺陷。
	2).焊料粉粒度對粘度的影響如下圖：

6． 工作壽命和貯存壽命       
三． 焊    劑
1．焊劑的作用及必需條件
焊劑的作用，①除掉金屬表面的氧化物和小酸化物，②覆蓋加熱中的金屬面，防止再次氧化，③助強焊接流動性（減少焊物的表面張力）。
而其必備要件是
（a） 焊劑與焊料合金粉要能混合均勻。
（b） 要采用高沸點溶劑，防止再流焊時產生飛濺。
(c) 高粘度，使合金焊料粉與焊劑不會分層。
(d) 低吸濕性，防止因水蒸汽引起的飛濺。
(e) 氯離子含量低。
2．焊劑的成分：
活性劑、成膜劑、潤濕劑、穩定劑和溶劑外，為改善粘接性、觸變性和印刷性，還需要加入膠粘劑、增稠劑、觸變劑和其它添加劑。焊劑的組成對焊膏的擴展性、潤濕性、塌落度、粘度變化、清洗性、焊珠飛濺及貯存壽命均有較大影響。
焊劑組成：
1． 松香（ROSIN）3-4種
2． 活性劑（ACTIVATOR）3-4種
3． 保形劑（THIXOTROPIC AGENT）4-5種
4． 高沸點溶劑（SOLVENT）3種
1-1． 軟化點80-100度，加熱時防止再氧化

1-2． 降低錫膏的表面張力
1-3． 錫膏離開鋼網內面的時候摩擦低下
2-1．去除氧化膜，活性溫度>100度
3-1．印刷時間內機械壓力抵抗
3-2．粘度回復
3-3．鋼膏離鋼網內面的時候摩擦低下             
3-4．高溫抵抗
4-1．粘著性長時間內保持（沸點220-290度）
4-2．SHELF LIFE 保持
松脂 50-60%        可焊性有效
活性劑 10%         可焊性有效
保形劑 15%          印刷性有效
溶劑  15-25%
3．焊劑的種類與清洗：
1）無機焊劑：                    需要清洗         水洗、熱水洗
2）樹脂焊劑： 松香R類，         無需清洗
             溫和的活性RMA    無需清洗
                                 需清洗            溶劑清洗
              高活性RA類        需要清洗          溶劑清洗
3）水溶性焊劑：                     需清洗           水洗、熱水洗
高沸點溶劑的應對法：
使用高沸點溶劑及增加含量可能導致在錫膏內部發生空焊。
應對方法：溫度上升a預熱時溫度加高
                   b預熱時間加長
                   c峰值溫度提高
                   d高濕潤性錫膏
四． 膏的重量比和體積比
焊膏中的合金焊料粉與焊劑的通用配比：

成分	重量比（%）	體積比（%）
合金焊料粉	85~90	60~50
焊劑	15~10	40~50

五．印刷注意事項
（1） 通常印板是接貼在基板面上面印刷，但厚度0.1mm以下的印刷，需要保持約0.15mm間隙以防止錫膏被削除的缺點，并且需要降慢印刷速度。
（2） 刮刀經久會磨損，所以定期檢查而加工修正。
（3） 板底面經久會附著溢散的錫膏，而定時用軟布拭除以防止錫膏屑重印刷在電極周邊會產生錫球。
（4） 印刷時刮刀的前后移動距離范圍內，在底面的基板務必平面，否則會引起基板兩端突起，其補救方法是調整印刷移動距離或放置輔助板。
 
六．使作方法
1．要保存在冰箱（2~10℃）
錫膏是固體（錫粉）和液體（焊劑溶劑）的混合物，經時會產生化學變化而影響品質。所以必需放在冷藏處，防止其變化的生成。
1． 冰霜取出的錫膏在常溫下要放置4~8小時，使它回常溫后才開蓋。
錫膏最忌水份，焊劑所使用的松香、溶劑特要求低耐吸濕性，何況外來水份而引起噴濺錫球的不良現象。
2． 開蓋后使用不銹鋼棒，攪拌約2分鐘使它均勻并增加了錫膏的活性。
3． 一般錫膏的用量要看印刷面積大小而定。不要一下子放過多以免浪費（會多飛濺散附在板框邊端），一天經數回補加為妥。留存錫膏密蓋封妥放于現場以備用就可。
4． 補填量要有打算，不要快要收工時，尚在印機上留存太多錫膏。
收工后備另外空瓶，收放印機上殘留錫膏。錫膏經印刷刮刀的推進翻來翻去，不但接觸空氣的機會多，會吸含空氣中的雜氣體，而失去一部分活性，所以收工時極力留存最少限量。對于使用回收過的錫膏，要用新錫膏與之混合，混合比是新2舊1，以挽回其活性。
5． 收集及收納錫膏方法
留存在印刷板上面、下面錫膏屑用洗凈液拭除或用氣槍清除，附著在錫膏容器壁面上的錫膏屑也要拭除，以免膏屑的固化細屑摻入錫膏內，引起印刷透出不良及影響焊接性。
7． 錫膏劣化的種種狀況
a) 保置不久表面透浮一層油面
因缺乏錫粉和溶劑的懸獨耐久性，雖經攪拌可回復膏性，但對印刷性及后面的焊接性都不好。
b) 經攪拌后沒有活性。
錫膏要附有一種流動工程上的活性，有黏著性的同時也要有適當流動性，并且富有收斂性（不可像雪膏就沒有活性），這樣才會有良好的印刷性。
七． 無鉛焊錫膏的發展
1．鉛是一種有毒物質，人體吸收了過量的鉛會引起鉛中毒，攝入低劑量的鉛可能對人的智力、神精系統和生殖系統造成影響。因此在不久的將來無鉛焊料將取代現有的含鉛焊料成為主導產品。
但無鉛焊料應必順滿足下述條件，方能條符合制造與使用上的要求：
（1） 熔點順與Sn/Pb焊料相近   
（2） 與各種基材均有良好的潤濕性。
（3） 物理特性不能比Sn/Pb合金差。
（4） 與各種基材的熱膨脹系數相近。
（5） 與現有的助焊劑相容。
（6） 無放射性。
（7） 適當的抗拉強度。
（8） 良好的抗氧化性。
（9） 良好的抗腐蝕性。
（10） 價格便宜。
  2． 目前常用的無鉛焊料：
（1）Sn-Cu合金焊料    組成為99.3的Sn和0.7的Cu，為Sn-Cu共晶合金，熔點大約為227℃，比Sn/Pb合金高，具有相當好取代Sn/Pb焊料的能力。
（2）Sn-Bi合金焊料    組成為42Sn-58Bi，共晶溫度為138℃。它的優點是熔點低，性能與Sn/Pb相似；缺點是金屬鉍資源有限，潤濕性受雜質影響很大。
（3）Sn-Ag合金焊料   組成為95.5Sn-3.5Ag，熔點為221℃。因為熔點相對較高，使其應用受到限制。潤濕性比Sn/Pb合金相差較大，但在室溫與高剪切下的條件下，其熱疲勞性能比Sn/Pb焊錫好，具有良好的機械性能。
（4）錫鋅合金焊料    錫鋅合金的共晶組成為91Sn-9Zn，熔點為198℃，如果添加金屬銦，熔點可以降到175~188℃，并可以改善其潤濕性，但鋅易氧化，焊渣多等缺點需進一步改善。
3． 回流焊曲線設置
     使用無鉛錫膏，必順盡量降低元件之間的溫差。
     延長預熱時間：在進入峰值再流溫度之前，可以大大降低元器件之間的溫差。
     提高預熱溫度：傳統的預熱溫度一般為140~160℃，而無鉛錫膏的預熱溫度很有可能上升到170~190℃。提高預熱溫度縮短在峰值溫度中所需的滯留時間，這樣就會降低元件之間的溫差。
     大多數無鉛焊膏需要一段較傳統焊膏的40秒至60秒更長的液化時間，通常為60秒至秒。
4．回流焊爐
    一般采用具有工藝參數擴展作業的氮氣回流焊爐。采用氮氣保護工藝的益處在于可以采用低熔點焊膏（195℃）和改進焊料滲透及浸潤角度。氮氣保護工藝也可以減少無鉛焊膏要求的高溫和長回流焊時間引起的變色影響。除此之外，由于無鉛焊點較鉛錫焊點暗淡，氮氣保護工藝亦能夠改善焊點的外觀。
八．鋼網制作
焊錫膏印刷是表面貼裝工藝中第一個關鍵工藝，特別是對于細間距的組裝件，由于器件引線尺寸和引線間隔很小，焊膏印刷需要精細的工藝控制，而印刷焊膏用的漏印模板是關鍵的工藝設備之一。
1． 廠商選擇
選擇模板制作廠商很重要。選定前，要對廠商的設備先進性、交貨周期、價格及售后服務進行綜合評定，同時應注意到模板制作的幾個關鍵：
① 框架材料：為了滿足強度要求又便于印刷操作，多采用中空鋁合金型材，制作廠商具有與用戶絲印機相適應的型材材料。
② 漏印模板材料及加工方法：對于細間距組件的焊膏印刷來說，模板宜選用不銹鋼箔板激光切割的加工工藝制作廠商應具備先進的激光切割設備，滿足0.5mm腳間距器件的漏印要求及用戶要求的印刷漏印最大范圍。
③ 模板框架與模板的繃緊技術也是一個重要環節，繃網要平、要緊，保證焊膏印制板的厚度的均勻一致性。黏結膠的黏性要求不受模板清洗劑的影響，不得出現多次印刷后脫網現象。
④ 模板MARK點要求制作精細，根據絲印機的要求可以加工成蝕透或半蝕透，半蝕透的MARK點涂黑膠，涂膠要求平整、圓滑。
2． 網板厚度的選擇
模板厚度要根據印制板上最小腳間距器件的情況而定，通常的經驗數為：
           

器件規格	模板厚度
1.27mmQFP	0.25mm-0.3mm
0.65mmQFP	0.18mm-0.2mm
0.5mmQFP	0.12mm-0.15mm

（1） 模板開口尺寸的選擇
為了控制焊接過程中出現焊球或橋接質量問題，模板開口的尺寸通常情況下比焊盤圖形尺寸略小，特別是對于0.5mm以下細間距器件來說，開口寬度應比相應焊盤寬度縮減15%~20%，由此引起的焊料缺少可以通過適當加長焊盤方向設計尺寸來彌補。當設計已經定型或由于電路要求器件改型（如器件電極高度增加）而無法改變焊盤尺寸，如發現回流焊后焊料不足，爬升不夠可以在制作模板時將開口尺寸在焊盤長度方向上適當加大，但這樣做由于焊錫膏超出焊盤印到了印制板阻焊層上，會導致在器件端頭周圍出現焊球，應慎重使用。
3．蝕刻模板與激光模板之比較
蝕刻模板經照相制板、圖形轉移、曝光顯影、化學腐蝕等工序加工而成。在制作過程中，存在固有的側蝕及粗糙度較大問題。模板孔壁形成中間小，兩頭大，光滑度較差，影響印刷效果，特別是對于一些IC引腳中心距較小的，蝕刻模板無能為力。
激光模板直接利用PCB設計文件產生，高精度的GERBER格式文件，利用CAM軟件按客戶要求編輯處理后直接進行切割無需照相制版和圖形轉移等工序，簡單快捷，切割的模板焊盤尺寸精度高，孔壁光滑，且激光切割時、開口孔壁自然形成3~5°微小錐度，有利于焊錫漏過。
九．回流焊接工藝
1．  回流焊溫度曲線的設置
溫度曲線是指SMA通過回流爐時，SMA上某一點的溫度隨時間變化的曲線。溫度曲線提供了一種直觀的方法，來分析某個元件在整個回流過程中的溫度變化情況。這對于獲得最佳的可焊性，避免由于超溫而對元件造成損壞，以及保證焊接質量都非常重要。
預熱段：
該區域的目的是把室溫的PCB盡快加熱，以達到第二個特定目標，但升溫速率要控制在適當范圍以內，如果過快，會產生熱沖擊，電路板和元件都可能會受損，過慢，則溶劑揮發不充分，影響焊接質量。由于加熱速率過快，在溫區的后段SMA溫差較大。為防止熱沖擊對元件的損傷，一般規定最大速度為4℃/S。然而,通常上升速率設定1~3℃/S.
保溫段:
是指溫度從120~150℃升至焊膏熔點的區域.保溫段的主要目的是使SMA內各元件的溫度趨于穩定,盡量減少溫差.在這個區域里給予足夠的時間使較大元件的溫度趕上較小元件,并保證焊膏中的助焊劑得到充分揮發.到保溫段結束,焊盤,焊料球及元件引腳上的氧化物被除去,整個電路板的溫度達到平衡.
回流段:
在這一區域里加熱器的溫度設置得最高,使組件的溫度上升至峰值溫度.在回流段其焊接峰值溫度視所用的焊膏的不同而不同，一般推薦為焊膏的溶點溫度加20~40℃，對于熔點為183℃的63Sn/37Pb焊膏和熔點為179℃的Sn62/Pb36/Ag2焊膏，峰值溫度一般為210~230℃，再流時間不要過長，以防止對SMA造成不良影響。
冷卻段：
這段中焊膏中的鉛錫粉末已經熔化并充分潤浸，應該用盡可能快的速度來進行冷卻，這樣將有助于得到明亮的焊點并有好的外形和低的接觸角度。緩慢冷卻會導致電路板的更多分解而進入錫中，從而產生灰暗毛糙的焊點。冷卻段降溫速率一般為3~10℃/S。