SMT工藝 | 影響SMT焊接質(zhì)量的因素及改進(jìn)措施

隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，人們對(duì)電子產(chǎn)品的要求越來(lái)越高，這些電子產(chǎn)品必須滿足多功能、小型化、高密度、高性能、高質(zhì)量的要求。焊接，在SMT（表面貼裝技術(shù)）組裝生產(chǎn)過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，直接決定組裝電路板各組件之間的電氣連接質(zhì)量。所以，對(duì)于SMT行業(yè)而言，焊接的高質(zhì)量是電子產(chǎn)品的根本保障。

然而，在實(shí)際生產(chǎn)中，焊接缺陷常常發(fā)生，特別是在回流焊接階段。事實(shí)上，這些缺陷雖然在回流焊接階段暴露出來(lái)，但是問(wèn)題并非完全是由回流技術(shù)直接引起的，因?yàn)镾MT焊接質(zhì)量與PCB（印制電路板）焊盤(pán)的可制造性、鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)、元件和PCB焊盤(pán)可焊性、制造設(shè)備狀態(tài)、焊料質(zhì)量等因素密切相關(guān)，同時(shí)，也要考慮到每個(gè)組裝環(huán)節(jié)的技術(shù)參數(shù)設(shè)定和生產(chǎn)線每個(gè)工人的操作技能和熟練程度。如下圖所示，SMT組裝通常包含以下程序：

此流程的每個(gè)環(huán)節(jié)都可能出現(xiàn)問(wèn)題，最終影響SMT焊接質(zhì)量。本文將會(huì)對(duì)可能影響SMT焊接質(zhì)量的因素進(jìn)行討論和分析，以避免在實(shí)際生產(chǎn)制造中出現(xiàn)類(lèi)似問(wèn)題。

BOM（物料清單）準(zhǔn)備

作為SMT組裝中最重要的組成部分之一，BOM的質(zhì)量和性能直接關(guān)系到回流焊接的質(zhì)量。在準(zhǔn)備BOM的時(shí)候，工作人員需要遵從以下原則，以便更好地為后續(xù)焊接做充分的準(zhǔn)備。

a. 料件封裝必須滿足貼片機(jī)的自動(dòng)安裝要求

   每臺(tái)機(jī)器都有各自的可承受參數(shù)范圍，在實(shí)際生產(chǎn)之前務(wù)必要和組裝生產(chǎn)商進(jìn)行充分的溝通，獲得設(shè)備精確的參數(shù)范圍，這樣才能保證料件順利參與到生產(chǎn)流程中。例如，如果你的合作組裝生產(chǎn)商采用的設(shè)備能夠處理的元件最小封裝是0201，那么，你的BOM中的01005就無(wú)法處理。

b. 料件圖形必須滿足自動(dòng)SMT的要求，因?yàn)榫哂懈叱叽缇鹊臉?biāo)準(zhǔn)形狀有利于自動(dòng)SMT組裝的順利進(jìn)行

c. 料件的可焊端和PCB焊盤(pán)的焊接質(zhì)量應(yīng)滿足回流焊接的要求，并且料件和焊盤(pán)的可焊端要保證不受污染或氧化

   如果料件和PCB焊盤(pán)的可焊端受到氧化、污染或受潮，則可能會(huì)引起一些焊接錯(cuò)誤，例如潤(rùn)濕不良、偽焊接、焊球或空焊。濕度傳感器和PCB管理尤其，濕度傳感器必須在真空包裝后儲(chǔ)存在干燥箱中，并且在下一次生產(chǎn)前必須進(jìn)行烘烤。

PCB焊盤(pán)的可制造性設(shè)計(jì)

PCB設(shè)計(jì)質(zhì)量是影響表面貼裝質(zhì)量的第一個(gè)因素。根據(jù)行業(yè)統(tǒng)計(jì)，在基板材料選擇、元件布局、焊盤(pán)和散熱焊盤(pán)設(shè)計(jì)、阻焊層設(shè)計(jì)、元件封裝類(lèi)型、組裝方法、定位等因素中，70%到80%的組裝制造缺陷來(lái)源于PCB設(shè)計(jì)。

對(duì)于焊盤(pán)設(shè)計(jì)正確的印制電路板，即使在表面貼裝過(guò)程中出現(xiàn)小的偏斜，也可以在熔錫焊錫表面張力的作用下進(jìn)行校正，這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為自動(dòng)定位或自校正效果。但是，如果PCB焊盤(pán)設(shè)計(jì)不正確，即使組裝位置非常精確，焊接缺陷仍然會(huì)出現(xiàn)，例如元件位置偏移和立碑。所以，SMT焊盤(pán)設(shè)計(jì)方面必須從以下方面著手。

● 焊盤(pán)對(duì)稱(chēng)性

  為了避免回流焊接后發(fā)生料件位置偏移或立碑問(wèn)題，封裝為0805或更低的芯片料件，其兩端的焊盤(pán)應(yīng)保持在焊盤(pán)尺寸、熱吸收和散熱能力方面的對(duì)稱(chēng)性，以維持熔融表面張力的平衡焊錫。如果一端在大銅箔上，則建議使用單線連接來(lái)連接大銅箔上的焊盤(pán)。

● 焊盤(pán)間距

  為了確保元件端部或引腳與焊盤(pán)之間適當(dāng)?shù)拇罱映叽?，?dāng)焊盤(pán)之間的間距太大或太小時(shí)，則會(huì)引起焊接缺陷。

● 焊盤(pán)剩余尺寸

   焊盤(pán)的剩余尺寸必須確保料件端部或引腳與焊盤(pán)之間的搭接接頭之后，焊點(diǎn)能夠呈現(xiàn)彎月面形狀。

● 焊盤(pán)寬度

   基本上來(lái)說(shuō)，焊盤(pán)寬度應(yīng)當(dāng)與料件端部或引腳的寬度相一致。

● 通孔不得放置在焊盤(pán)上

  通孔若放在焊盤(pán)上，在回流焊過(guò)程中，熔錫可能沿通孔流走，造成偽焊接和錫不足，這樣，就可能會(huì)流到板子的另一邊引起短路。

錫膏印刷

錫膏印刷技術(shù)的應(yīng)用主要是為了解決錫膏印刷量不相容的問(wèn)題。根據(jù)行業(yè)統(tǒng)計(jì)，在印制電路板正確設(shè)計(jì)的前提下，60%的返修電路板是由錫膏印刷不良導(dǎo)致的。在錫膏印刷過(guò)程中，三個(gè)元素必須充分考慮：錫膏、鋼網(wǎng)和刮刀。如果這三個(gè)元素在實(shí)際印刷過(guò)程中參數(shù)正確設(shè)置，那么就可以獲得出色的印刷效果。

● 錫膏

作為回流焊接所必需的材料，錫膏是一種由合金粉末和助焊劑均勻混合的膏狀焊料，其中合金粉末是焊點(diǎn)成分的關(guān)鍵元素。助焊劑是用來(lái)消除表面氧化，增加潤(rùn)濕性并確保錫膏質(zhì)量的關(guān)鍵材料。從成分方面來(lái)說(shuō)，一般說(shuō)來(lái)，80%到90%的錫膏屬于金屬合金，而其體積占50%。

要保障錫膏在應(yīng)用時(shí)達(dá)到最佳質(zhì)量和狀態(tài)，應(yīng)該在兩個(gè)方面努力：存儲(chǔ)和應(yīng)用。錫膏儲(chǔ)存的溫度通常在0到10℃之間，或者根據(jù)錫膏制造商要求的溫度進(jìn)行儲(chǔ)存。因此，SMT組裝車(chē)間應(yīng)該配備專(zhuān)業(yè)的恒溫錫膏保存箱，保障錫膏存儲(chǔ)的固定空間和要求溫度。在應(yīng)用錫膏的時(shí)候，SMT組裝車(chē)間的溫度應(yīng)當(dāng)設(shè)置為25℃±3℃，濕度必須達(dá)到50%±10%。此外，錫膏回收時(shí)間必須達(dá)到4小時(shí)或更長(zhǎng)，并且在其應(yīng)用前必須進(jìn)行充分?jǐn)嚢枰允蛊湔扯染哂袃?yōu)異的可印刷性。應(yīng)用后，錫膏必須封蓋妥善放置，并且回流焊接必須在錫膏印刷完畢后兩小時(shí)內(nèi)進(jìn)行。

● 鋼網(wǎng)

鋼網(wǎng)的主要功能在于使錫膏能夠均勻涂覆在PCB焊盤(pán)上。鋼網(wǎng)對(duì)于印刷技術(shù)來(lái)說(shuō)是必不可少的關(guān)鍵因子，其質(zhì)量直接影響錫膏印刷的效果。到目前為止，鋼網(wǎng)的生產(chǎn)方法有三種：化學(xué)蝕刻、激光切割和電鍍。只有在充分考慮和適當(dāng)處理以下幾個(gè)方面之后才能保障鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)正確、妥當(dāng)。

a. 鋼網(wǎng)厚度

為了保證錫膏涂覆量和焊接質(zhì)量，鋼網(wǎng)表面必須平滑均勻，并且鋼板厚度的選擇應(yīng)由引腳間距最小的元件決定。

b. 孔徑設(shè)計(jì)

孔徑是梯形截面孔，其開(kāi)口呈喇叭狀?？讖奖诒仨毠饣?、沒(méi)有毛刺。

c. 防焊球處理

為了有效避免回流焊接后產(chǎn)生焊球，應(yīng)當(dāng)在封裝尺寸為0603或以上芯片組件的鋼網(wǎng)孔徑上進(jìn)行防焊球處理。對(duì)于焊盤(pán)過(guò)大的元件，建議使用網(wǎng)格分隔來(lái)阻止太多的錫產(chǎn)生。

d. 標(biāo)記點(diǎn)

鋼網(wǎng)的背面應(yīng)該至少生成3個(gè)MARK點(diǎn)，并且鋼網(wǎng)應(yīng)該與PCB上的MARK點(diǎn)兼容。為了提高印刷精度，應(yīng)該設(shè)置一對(duì)對(duì)角線距離最長(zhǎng)的MARK點(diǎn)。

e. 印刷方向

印刷方向也是錫膏印刷過(guò)程中的關(guān)鍵控制點(diǎn)。在印刷方向確定的過(guò)程中，間距精細(xì)的元件不應(yīng)太靠近傳送軌道，否則，過(guò)多的錫可能會(huì)引起橋連。

● 刮刀

刮刀在一定程度上根據(jù)不同的硬度材料和形狀對(duì)印刷質(zhì)量產(chǎn)生影響。一般都是使用鍍鎳的鋼刮刀，角度設(shè)置為60°；如果有通孔部件，建議使用45°的刮刀，以便增加通孔部件的上錫量。刮刀設(shè)置需要從印刷參數(shù)設(shè)置、設(shè)備準(zhǔn)備性和PCB支持三個(gè)方面進(jìn)行。

☆ 印刷參數(shù)

印刷參數(shù)主要包括刮刀移動(dòng)速度、刮刀壓力、鋼網(wǎng)下降速度、鋼網(wǎng)清潔模式和頻率。刮刀角度、鋼網(wǎng)粘度和錫膏粘度之間存在限制關(guān)系，因此只有正確設(shè)置這些參數(shù)才能保證錫膏的印刷質(zhì)量。一般來(lái)說(shuō)，刮刀運(yùn)動(dòng)速度低會(huì)導(dǎo)致錫膏厚度較大，可能出現(xiàn)模糊的錫膏形狀。另外，極低的運(yùn)動(dòng)速度甚至?xí)档蜕a(chǎn)效率。相反，若刮刀運(yùn)動(dòng)速度較高，可能導(dǎo)致網(wǎng)孔中的錫膏填充不足。刮刀壓力過(guò)高可能會(huì)導(dǎo)致錫膏不足并增加刮刀與鋼網(wǎng)之間的磨損，而極低的壓力會(huì)導(dǎo)致錫膏印刷不完整。因此，通常滾動(dòng)的錫膏應(yīng)盡可能提高刮刀運(yùn)動(dòng)速度。而且，刮刀壓力應(yīng)調(diào)整至獲得較高的印刷質(zhì)量的程度。

☆ 設(shè)備準(zhǔn)確性

在印刷高密度、小空間產(chǎn)品的過(guò)程中，印刷精度和重復(fù)印刷精度會(huì)影響錫膏印刷的穩(wěn)定性。

☆ PCB支持

PCB支持是錫膏印刷的重要調(diào)整內(nèi)容。如果PCB缺乏有效的支撐或得到了不合適的支撐，厚度過(guò)高的錫膏或不均勻的錫膏。為了保證鋼網(wǎng)和PCB之間的接近度，PCB支撐應(yīng)該平坦而均勻地布置。

料件貼片

料件貼片的質(zhì)量取決于三個(gè)要素：正確選擇料件、準(zhǔn)確放置和合適的組裝壓力。選擇正確的料件是指料件必須符合BOM中的要求。準(zhǔn)確放置意味著組裝坐標(biāo)必須正確，貼片機(jī)的精度必須能夠保證組裝穩(wěn)定性并正確組裝在焊盤(pán)上的元件。同時(shí)，為了確保料件的方向性正確，組裝角度必須注意。合適的組裝壓力是指壓制元件的厚度，決不能太小或太大。組裝壓力可以通過(guò)設(shè)置PCB厚度、料件封裝厚度、噴嘴安裝器壓力和安裝器Z軸調(diào)節(jié)來(lái)確定。

回流焊接

焊點(diǎn)的焊接質(zhì)量在于回流焊溫度曲線的正確設(shè)置。良好的回流焊曲線要求PCB上所有的安裝元件必須具有優(yōu)良的焊接和焊點(diǎn)，同時(shí)具有出色的外觀和高品質(zhì)。如果溫度上升太快，一方面，元器件和PCB會(huì)受熱太快，導(dǎo)致器件容易損壞、PCB變形；另一方面，錫膏中的溶劑揮發(fā)速度過(guò)快，金屬化合物將作為鍍錫球?yàn)R出?；亓骱附訙囟确逯低ǔＴO(shè)定為高于焊膏熔點(diǎn)30℃至40℃。如果溫度過(guò)高并且回流時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則耐熱組件或組件塑料將損壞。相反，由于錫膏不完全熔化，便會(huì)形成不可靠的焊點(diǎn)。為了提高焊接質(zhì)量，阻止元器件氧化，可以采用氮?dú)饣亓骱附印；亓骱附訙囟惹€通常根據(jù)以下幾個(gè)方面進(jìn)行設(shè)置：

● 溫度曲線可以根據(jù)錫膏推薦的溫度曲線進(jìn)行設(shè)置。錫膏成分決定其活化溫度和熔點(diǎn)；

● 根據(jù)耐熱組件和有價(jià)值組件的熱性能參數(shù)，對(duì)于某些特殊組件，必須考慮最高焊接溫度；

● 應(yīng)根據(jù)PCB基材、尺寸、厚度和銅重進(jìn)行設(shè)置；

● 應(yīng)根據(jù)回流焊爐結(jié)構(gòu)和溫區(qū)長(zhǎng)度進(jìn)行設(shè)置，不同的回流爐應(yīng)接受不同的設(shè)置。

影響SMT焊接質(zhì)量的因素還有很多，包括元器件可焊性、PCB質(zhì)量、PCB焊盤(pán)設(shè)計(jì)、錫膏質(zhì)量、SMT組裝設(shè)備情況、SMT每個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)參數(shù)以及每個(gè)工人的操作技能等。在這些元素中，元件質(zhì)量、錫膏以及PCB設(shè)計(jì)是保證回流焊接質(zhì)量的基礎(chǔ)，因?yàn)檫@些元件引發(fā)的焊接缺陷很難或不可能通過(guò)技術(shù)方案來(lái)解決。因此，提高焊接質(zhì)量的優(yōu)越性在于對(duì)材料質(zhì)量和PCB焊盤(pán)設(shè)計(jì)的良好控制。