簡論SMT技術(shù)

余建

(常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院江蘇常州213164)

簡論SMT技術(shù)

余建

(常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院江蘇常州213164)

SMT是目前電子產(chǎn)品裝配的主要技術(shù)，它具有高密度、高可靠、低成本、小型化和生產(chǎn)自動化等優(yōu)點，已取代了傳統(tǒng)的插裝裝配方式。簡要介紹SMT的主要工藝流程及相關(guān)設(shè)備，對SMT初學(xué)者及技術(shù)人員具有一定的指導(dǎo)作用。

SMT;插裝;高密度;小型化

0 引言

SMT，即表面組裝技術(shù)(Surface Mount Technology)，已漸漸地取代傳統(tǒng)“人工插件”的波焊組裝方式，已成為現(xiàn)代電子組裝產(chǎn)業(yè)的主流，因它可以組裝制造出相當(dāng)輕、薄、短、小且品質(zhì)良好的電子產(chǎn)品。據(jù)統(tǒng)計資料顯示大約百分之九十的個人計算機，都是利用表面貼裝生產(chǎn)線，而非由傳統(tǒng)的波焊生產(chǎn)方法所裝配起來的。其主要原因是由于現(xiàn)代的電子產(chǎn)品要求小型化、高密度化，及更高的電子訊號傳輸效率。這也就是表面組裝生產(chǎn)技術(shù)逐漸地取代傳統(tǒng)波焊生產(chǎn)技術(shù)的主要原因。

SMT技術(shù)的核心內(nèi)容包括組裝材料、組裝工藝、在線檢測及組裝設(shè)備等，下面就這幾部分內(nèi)容進行闡述。

1 組裝材料

SMT組裝材料包含粘接劑、焊料、焊膏等涂敷材料，以及焊劑、清洗劑、熱轉(zhuǎn)換介質(zhì)等工藝材料。組裝工藝材料是表面組裝工藝的基礎(chǔ)。不同的組裝工藝和組裝工序，采用不同的組裝工藝材料(如表1所示)。有時在同一組裝工序，由于后續(xù)工藝或組裝方式不同，所用材料也有所不同。

表1 組裝材料類型及其應(yīng)用

1.1 組裝材料的作用

1)焊料和焊膏用于連接被焊接物金屬表面并形成焊點。

2)焊劑主要作用是助焊。

3)粘接劑是表面組裝中的粘連材料。

4)清洗劑用于清洗焊接工藝后殘留在SMA(表面組裝組件)上的剩余物。

1.2 焊膏的組成成分及要求

在再流焊接工藝中采用膏狀焊料，稱為焊膏。焊膏是表面組裝焊接工藝的主要焊料形式。

錫膏主要由金屬合金顆粒、助焊劑、活化劑、粘度控制劑等四部分組成。其中金屬顆粒約占錫膏總體積的90.5%。常用的錫膏型號有:63Sn/37Pb; 62Sn/36Pb/2Ag;這些都稱為有鉛錫膏。從環(huán)保的角度出發(fā)，現(xiàn)在各電子企業(yè)都逐漸采用無鉛焊膏，96.5Sn/3.0Ag/0.5Cu這就是現(xiàn)在都談及的無鉛錫膏。

在SMT工藝中，對焊膏的特性有如下要求:

①熔點低于焊劑母材料的熔點，與被焊劑材料接合后不產(chǎn)生脆化相及脆化金屬化合物，有良好機械性能。

②與大多數(shù)金屬有良好親和力，能潤濕被焊接材料表面，焊料生成的氧化物不會成為焊劑潤濕不良的原因。

③良好的導(dǎo)電性，一定的熱應(yīng)力吸收能力。

④供應(yīng)狀態(tài)適合自動化生產(chǎn)。

2 組裝

SMT的組裝方式及其工藝流程主要取決于SMA的類型、使用的元器件種類和組裝設(shè)備條件。大體上可將SMA分成單面混裝、雙面混裝和全表面組裝三種類型共六種組裝方式，如表2、表3、表4所列。不同類型的SMA其組裝方式有所不同，同一種類型的SMA其組裝方式也可以有所不同。

根據(jù)組裝產(chǎn)品的具體要求和組裝設(shè)備的條件選擇合適的組裝方式，是高效、低成本組裝生產(chǎn)的基礎(chǔ)，也是SMT工藝設(shè)計的主要內(nèi)容。

2.1 組裝方式

2.1.1 單面混裝

單面混裝是指SMC(表面組裝元件)/SMD(表面組裝器件)與通孔插裝元件(THC)分布在PCB不同的一面上混裝，但其焊接面僅為單面［1］。其特點如表2所示。這一類組裝方式均采用單面PCB和波峰焊接(現(xiàn)一般采用雙波峰焊)工藝，具體有兩種組裝方式。

表2 單面混裝

先貼法。第1種組裝方式稱為先貼法，即在PCB的B面(焊接面)先貼裝SMC/SMD，而后在A面插裝THC。

后貼法。第2種組裝方式稱為后貼法，是先在PCB的A面插裝THC，后在B面貼裝SMD。

2.1.2 雙面混裝

雙面混裝是指在PCB的雙面既有SMC/SMD，也有THC。其特點如表3所示。

表3 雙面混裝

雙面混裝方式中也有先貼還是后貼SMC/SMD的區(qū)別，一般根據(jù)SMC/SMD的類型和PCB的大小合理選擇，通常采用先貼法較多。該類組裝常用兩種組裝方式。

①SMC/SMD和THC同側(cè)方式。

②SMC/SMD和THC不同側(cè)方式。把表面組裝集成芯片(SMIC)和THC放在PCB的A面，而把SMC和小外形晶體管(SOT)放在B面。

這類組裝方式由于在PCB的單面或雙面貼裝SMC/SMD，而又把難以表面組裝化的有引線元件插入組裝，因此組裝密度相當(dāng)高。

2.1.3 全表面組裝

全表面組裝是指PCB上只有SMC/SMD而無THC。由于目前元器件還未完全實現(xiàn)SMT化，實際應(yīng)用中這種組裝形式不多。

①單面表面組裝方式。表4所列的第1種方式，采用單面PCB在單面組裝SMC/SMD。

②雙面表面組裝方式。表4所列的第2種方式，采用雙面PCB在兩面組裝SMC/SMD，組裝密度更高。

表4 全表面組裝

2.2 組裝流程

組裝工藝是SMT中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。組裝效果直接決定了整個電子產(chǎn)品的質(zhì)量。在具體實施過程中，每一步驟都必須精確設(shè)計工藝參數(shù)，只有按照所設(shè)定的參數(shù)進行組裝，才能保證良好的組裝效果。

2.2.1 印刷(screen printer)

印刷是在印刷機上完成的。它是指通過鋼板漏印的方式，將錫膏印刷到PCB板上焊接芯片引腳的地方。印刷示意圖如圖1所示。

金屬模板一般用彈性較好的黃銅或不銹鋼薄板，采用照相制板蝕刻加工、激光加工或電鑄(添加法)加工等方法制作［2］。不銹鋼模板從硬度、承受應(yīng)力、蝕刻質(zhì)量、印刷效果和使用壽命等各方面都優(yōu)于黃銅模板。因此，不銹鋼模板在焊膏印刷中廣為采用。

圖1 印刷工藝示意圖

焊膏印刷的主要工序為:基板輸入→基板定位→圖像識別→焊膏印刷→基板輸出。鋼板漏印工藝中，需設(shè)定一些重要的參數(shù)，如:

①刮刀壓力，一般使用較硬的刮刀或金屬刮刀。刮刀在理想的刮刀速度及壓力下把模板刮干凈;

②印刷厚度，主要是由模板的厚度決定的，而模板的厚度與IC腳距密切相關(guān);

③引腳間距:<0.5 mm;刀速度:一般在20～30 mm/s;刮刀角度:應(yīng)保持在45°～75°之間。

2.2.2 元件貼裝

SMC/SMD貼裝是SMT產(chǎn)品組裝生產(chǎn)中的關(guān)鍵工序。SMC/SMD貼裝一般采用貼裝機(亦稱貼片機)自動進行，也可采用手工借助輔助工具進行。手工貼裝只有在非生產(chǎn)線自動組裝的單件研制或試驗、返修過程中的元器件更換等特殊情況下采用，而且一般也只能適用于元器件引腳類型簡單、組裝密度不高、同一PCB上SMC/SMD數(shù)量較少等有限場合。

貼裝的主要設(shè)備是貼片機。SMT貼裝機是計算機控制，并集光、電、氣及機械為一體的高精度自動化設(shè)備。其組成部分主要有機體、元器件供料器、PCB承載機構(gòu)、貼裝頭、器件對中檢測裝置、驅(qū)動系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)等。

精度、速度和適應(yīng)性是貼裝機的三個最重要的特性。

①精度決定貼裝機能貼裝的元器件種類和它能適用的領(lǐng)域，精度低的貼裝機只能貼裝SMC和極少數(shù)的SMD，適用于消費類電子產(chǎn)品領(lǐng)域用的電路組裝。而精度高的貼裝機，能貼裝SOIC(小規(guī)模功率集成電路)和QFP(四方扁平封裝)等多引線細間距器件，適用于產(chǎn)業(yè)電子設(shè)備和軍用電子裝備領(lǐng)域的電路組裝。

②速度決定貼裝機的生產(chǎn)效率和能力。

③適應(yīng)性決定貼裝機能貼裝的元器件類型和能滿足各種不同貼裝要求;適應(yīng)性差的貼裝機只能滿足單一品種的電路組件的貼裝要求，當(dāng)對多品種電路組件組裝時，就須增加專用貼裝機才能滿足不同的貼裝要求。目前的高檔貼片機在上述三項性能上都有很高的指標。

2.2.3 回流焊接

回流焊是SMT流程中非常關(guān)鍵的一環(huán)，其作用是將焊膏融化，使表面組裝元器件與PCB板牢固粘接在一起，如不能較好地對其進行控制，將對所生產(chǎn)產(chǎn)品的可靠性及使用壽命產(chǎn)生災(zāi)難性影響?；亓骱傅姆绞接泻芏?，較早前比較流行的方式有紅外式及氣相式，現(xiàn)在較多廠商采用的是熱風(fēng)式回流焊，還有部分先進的或特定場合使用的再流方式，如:熱型芯板、白光聚焦、垂直烘爐等?，F(xiàn)就比較流行的熱風(fēng)式回流焊作簡單的介紹。

熱風(fēng)對流法是利用加熱器與風(fēng)扇，使爐膛內(nèi)空氣不斷加熱并進行對流循環(huán)。爐中雖然有部分熱量輻射和傳導(dǎo)，但主要的傳熱方法是對流。它有加熱均勻、溫度穩(wěn)定的特點，消除了熱板傳導(dǎo)與紅外線輻射兩種方法的缺點。在再流區(qū)內(nèi)還可分成若干個溫區(qū)(如圖2所示)，分別進行溫度控制，以獲得合適的溫度曲線，必要時可向爐中充氮氣，以減少焊接過程中的氧化作用。

圖2 熱風(fēng)式回流焊溫區(qū)

3 SMT檢測

檢測是保障SMA可靠性的重要環(huán)節(jié)。隨著SMT的發(fā)展和SMA組裝密度的提高，以及電路圖形的細線化，SMD的細間距化，器件引腳的不可視化等特征的增強，給SMT產(chǎn)品的質(zhì)量控制和相應(yīng)的檢測工作帶來了許多新的難題。電子組裝測試包括兩種基本類型:裸板測試和加載測試。裸板測試是在完成線路板生產(chǎn)后進行，主要檢查短路、開路、網(wǎng)表的導(dǎo)通性。加載測試在組裝工藝完成后進行，它比裸板測試復(fù)雜。組裝階段的測試包括:生產(chǎn)缺陷分析(MDA)、在線測試(ICT)和功能測試(使產(chǎn)品在應(yīng)用環(huán)境下工作)及其三者的組合［3］。最近幾年，組裝測試還增加了自動光學(xué)檢測(AOI)和自動X射線檢測?，F(xiàn)就ICT技術(shù)進行簡要闡述。

ICT測試的原理是使用專門的針床與已焊接好的線路板上的元器件焊點接觸，并用數(shù)百毫伏電壓和10毫安以內(nèi)電流進行分立隔離測試，從而精確地測了所裝電阻、電感、電容、二極管、可控硅、場效應(yīng)管、集成塊等通用和特殊元器件的漏裝、錯裝、參數(shù)值偏差、焊點連焊、線路板開短路等故障，并將故障是哪個元件或開路位于哪個點準確告訴用戶。

這種測試方式的優(yōu)點是:測試速度快，適合單一品種民用型家電線路板及大規(guī)模生產(chǎn)的測試，而且主機價格便宜。但隨著線路板組裝密度的提高，特別是細間距SMT組裝以及新產(chǎn)品開發(fā)生產(chǎn)周期越來越短，線路板品種越來越多，針床式在線測試儀存在一些難以克服的問題:測試用針床夾具的制作、調(diào)試周期長、價格貴;對于一些高密度SMT線路板由于測試精度問題無法進行測試。

通過測試，至此，一塊完整的、具有電路功能的PCB組裝完成。

4 結(jié)束語

SMT工藝在組裝效率和組裝密度上，具有插裝技術(shù)無可比擬的優(yōu)勢，它將在現(xiàn)代電子產(chǎn)品裝配業(yè)上起著支配的地位。在未來一段時期里，SMT還將得到廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。

［1］周德金.表面組裝工藝技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2009:124-126.

［2］何麗梅.SMT——表面組裝技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2009:91-94.

［3］杜中一.SMT表面組裝技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009:125-127.

On SMT Technology

YU Jian
(School of Electronic and Electrical Engineering，Changzhou College of Information Technology，Changzhou 213164，China)

Now SMT is the most widely used technology in electronic product assembling.It has the advantages of high density，high reliability，low cost，miniaturization and automation.And it has replaced the traditional THC technology.The article briefly introduces the main process flow and related devices of SMT.It is useful to the SMT beginners and technical staff.

SMT;THC;high density;miniaturization

TN 405

A

1672-2434(2011)01-0023-04

2010-10-26

余建(1981-)，男，講師，從事研究方向:集成電路制造工藝