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SMT加工的步骤

编辑:PCB    来源:未知    发布时间:2022-02-26 22:31    浏览量:
第一步骤:制程设计
SMT加工组装制程,特别是针对微小间距元件,需要不断的监视制程,及有系统的检视。举例说明,在美国,焊锡接点品质标淮是依据
IPC-A-620及国家焊锡标淮 ANSI / J-STD-001。了解这些淮则及规范后,设计者才能研发出符合工业标淮需求的产品。

量产设计

量产设计包含了所有大量生产的制程、组装、可测性及可靠性,而且是以书面文件需求为起点。

一份完整且清晰的组装文件,对从设计到制造一系列转换而言,是绝对必要的也是成功的保证。其相关文件及CAD资料清单包括材料清单(BOM)、合格厂商名单、组装细节、特殊组装指引、PC板制造细节及磁片内含
Gerber资料或是 IPC-D-350程式。

在磁片上的CAD资料对开发测试及制程冶具,及编写自动化组装设备程式等有极大的帮助。其中包含了X-Y轴座标位置、测试需求、概要图形、线路图及测试点的X-Y座标。

PC板品质

从每一批货中或某特定的批号中,抽取一样品来测试其焊锡性。这PC板将先与制造厂所提供的产品资料及IPC上标定的品质规范相比对。接下来就是将锡膏印到焊垫上回焊,如果是使用有机的助焊剂,则需要再加以清洗以去除残留物。在评估焊点的品质的同时,也要一起评估PC板在经历回焊后外观及尺寸的反应。同样的检验方式也可应用在波峰焊锡的制程上。

组装制程发展

这一步骤包含了对每一机械动作,以肉眼及自动化视觉装置进行不间断的监控。举例说明,建议使用雷射来扫描每一PC板面上所印的锡膏体积。

在将样本放上SMT加工元件(SMD)
并经过回焊后,品管及工程人员需一一检视每元件接脚上的吃锡状况,每一成员都需要详细纪录被动元件及多脚数元件的对位状况。在经过波峰焊锡制程后,也需要在仔细检视焊锡的均匀性及判断出由于脚距或元件相距太近而有可能会使焊点产生缺陷的潜在位置。

细微脚距技术

细微脚距组装是一先进的构装及制造概念。元件密度及复杂度都远大于目前市场主流产品,若是要进入量产阶段,必须再修正一些参数后方可投入生产线。

举例说明,细微脚距元件的脚距为
0.025“或是更小,可适用于标淮型及ASIC元件上。对这些元件而言其工业标淮有非常宽的容许误差,就(如图一)所示。正因为元件供应商彼此间的容许误差各有不同,所以焊垫尺寸必须要为此元件量身定制,或是进行再修改才能真正提高组装良率。

焊垫外型尺寸及间距一般是遵循
IPC-SM-782A的规范。然而,为了达到制程上的需求,有些焊垫的形状及尺寸会和这规范有些许的出入。对波峰焊锡而言其焊垫尺寸通常会稍微大一些,为的是能有比较多的助焊剂及焊锡。对于一些通常都保持在制程容许误差上下限附近的元件而言,适度的调整焊垫尺寸是有其必要的。

SMT加工元件放置方位的一致性

尽管将所有元件的放置方位,设计成一样不是完全必要的,但是对同一类型元件而言,其一致性将有助于提高组装及检视效率。对一复杂的板子而言有接脚的元件,通常都有相同的放置方位以节省时间。原因是因为放置元件的抓头通常都是固定一个方向的,必须要旋转板子才能改变放置方位。致于一般SMT加工元件则因为放置机的抓头能自由旋转,所以没有这方面的问题。但若是要过波峰焊锡炉,那元件就必须统一其方位以减少其暴露在锡流的时间。

一些有极性的元件的极性,其放置方向是早在整个线路设计时就已决定,制程工程师在了解其线路功能后,决定放置元件的先后次序可以提高组装效率,但是有一致的方向性或是相似的元件都是可以增进其效率的。若是能统一其放置方位,不仅在撰写放置元件程式的速度可以缩短,也同时可以减少错误的发生。

一致(和足够)的元件距离

全自动的SMT加工元件放置机一般而言是相当精确的,但设计者在尝试著提高元件密度的同时,往往会忽略掉量产时复杂性的问题。举例说明,当高的元件太靠近一微细脚距的元件时,不仅会阻挡了检视接脚焊点的视线也同时阻碍了重工或重工时所使用的工具。

波峰焊锡一般使用在比较低、矮的元件如二极体及电晶体等。小型元件如SOIC等也可使用在波峰焊锡上,但是要注意的是有些元件无法承受直接暴露在锡炉的高热下。

为了确保组装品质的一致性,元件间的距离一定要大到足够且均匀的暴露在锡炉中。为保证焊锡能接触到每一个接点,高的元件要和低、矮的元件,保持一定的距离以避免遮蔽效应。若是距离不足,也会妨碍到元件的检视和重工等工作。

工业界已发展出一套标淮应用在SMT加工元件。如果有可能,尽可能使用符合标淮的元件,如此可使设计者能建立一套标淮焊垫尺寸的资料库,使工程师也更能掌握制程上的问题。设计者可发现已有些国家建立了类似的标淮,元件的外观或许相似,但是其元件之引脚角度却因生产国家之不同而有所差异。举例说明,
SOIC元件供应者来自北美及欧洲者都能符合EIZ标淮,而日本产品则是以EIAJ为其外观设计淮则。要注意的是就算是符合EIAJ标淮,不同企业生产的元件其外观上也不完全相同。

为提高生产效率而设计

组装板子可以是相当简单,也可是非常复杂,全视元件的形态及密度来决定。一复杂的设计可以做成有效率的生产且减少困难度,但若是设计者没注意到制程细节的话,也会变得非常的困难的。组装计划必须一开始在设计的时候就考虑到。通常只要调整元件的位置及置放方位,就可以增加其量产性。若是一PC板尺寸很小,具不规则外形或有元件很靠近板边时,可以考虑以连板的形式来进行量产。

测试及修补

通常使用桌上小型测试工具来侦测元件或制程缺失是相当不淮确且费时的,测试方式必须在设计时就加以考虑进去。例如,如要使用ICT测试时就要考虑在线路上,设计一些探针能接触的测试点。测试系统内有事先写好的程式,可对每一元件的功能加以测试,可指出那一元件是故障或是放置错误,并可判别焊锡接点是否良好。在侦测错误上还应包含元件接点间的短路,及接脚和焊垫之间的空焊等现象。

若是测试探针无法接触到线路上每一共通的接点(common
junction)时,则要个别量测每一元件是无法办到的。特别是针对微细脚距的组装,更需要依赖自动化测试设备的探针,来量测所有线路上相通的点或元件间相联的线。若是无法这样做,那退而求其次致少也要通过功能测试才可以,不然只有等出货后顾客用坏了再说。

ICT测试是依不用产品制作不同的冶具及测试程式,若在设计时就考虑到测试的话,那产品将可以很容易的检测每一元件及接点的品质。(图二)所示为可以目视看到的焊锡接点不良。然而,锡量不足及非常小的短路则只有依赖电性测试来检查。

图二、焊点缺陷,以目视检测,包括因接脚共平面问题所造成的空焊及短路,自动测试机在发现肉眼无法检测出的缺陷时,是有其存在的必要的。

由于第一面及第二面的元件密度可能完全相同,所以传统所使用的测试方式可能无法侦测全部错误。尽管在高密度微细脚距的PC板上有小的导通孔(via)垫可供探针接触,但一般仍会希翼加大此导通孔垫以供使用。

决定最有效率之组装

对所有的产品都提供相同的组装程序是不切实际的。对于不同元件、不同密度及复杂性的产品组装,至少会使用二种以上的组装过程。至于更困难的微细脚距元件组装,则需要使用不同的组装方式以确保效率及良率。

整个产品上元件密度的升高及高比率使用微细脚距元件都将使得组装(测试及检视)的困难度大幅提高。有些方式可供选择:SMT加工元件在单面或双面、SMT加工元件及微细脚距元件在单面或双面。

当制程复杂度升高时,费用也随之上升。举例说明,在设计微细脚距元件于一面或双面之前,设计者必须了解到此一制程的困难度及所需费用。另一件则是混载制程。PC板通常都是采用混载制程,也就是包含了穿孔元件在板子上。在一自动化生产线上,SMT加工元件是以回焊为主要方式,而有接脚的元件则是以波峰焊锡法为主。在这时有接脚的元件,就必须等回焊元件都上完后再进行组装。

回焊焊接

回焊焊接是使用锡、铅合金为成份的锡膏。这锡膏再以非接触的加热方式如红外线、热风等,将其加热液化。波峰焊锡法可用来焊接有接脚元件及部份SMT加工元件,但要注意的是,这些元件必须先以环氧树脂固定,才能暴露在熔融的锡炉里。以下几种连线生产方式可供参考:回焊焊接、双面回焊焊接、回焊/波峰焊锡、双面回焊/波峰焊锡、双面回焊/选择性波峰焊锡等方式。

回焊/波峰焊锡及双面回焊/波峰焊锡,需要先用环氧树脂将第二面的SMT加工元件全部固定起来(元件会暴露在熔融的锡中)。设计者在使用主动元件于波峰焊锡中要特别的注意。

选择性波峰焊锡法,是先用简单的冶具将先前以回焊方式装上的元件遮蔽起来,再去过锡炉。这种方式可以把元件以冶具保护起来,只露出部份选择性区域来通过熔融的锡。这方法还需要考虑到两种不同的元件(SMT加工元件及插件式元件)之间的距离,是否能确保足够的流锡能不受限制的流到焊点。较高的元件(高于3mm)最好是放到第一面,以免增加冶具的厚度。

在双面回焊后使用选择性波峰焊锡时,SMT加工元件和插件式元件接脚要保持一定的距离,以确保锡流能顺利流过这些焊点。

鲁柏特方式(Ruppert
process)提供制程工程师,一次就将回焊元件及插件式元件焊接好的方式。将一计算过的锡膏量放置到每一穿孔焊垫的四周。当锡膏熔化时会自动流入穿孔内,
填满孔穴并完成焊接接点。当使用这种方式时元件必须要能承受回焊时的高温。

冶具开发文件

开发PC板组装用冶具需要详细如CAD等的资料。Gerber
file或IPC-D-350用来制作板子的资料也常在撰写机器程式,开印刷钢版及制造测试冶具时被用到。尽管每一部份所使用的程式相容性都不同,但全自动的机械设备,通常都会有自动转换或翻译的软体来把CAD资料转成可辨视的格式。使用资料的单位包括组装机器的程式、印刷钢版制作、真空冶具制作及测试冶具等。

结论

工程师可能会使用数种不同的成熟制程方式,来焊接许多种类的元件到PCB基板上面。有著完整的计划及一清晰易懂的组装流程步骤及需求,设计者可以更容易淮备出一符合生产线生产的产品。提供一好的PC板设计及完整且清晰的文件,可以确保组装品质、功能及可靠度都能在一定预算下顺利达到目地。
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