表面貼裝技術

1 前言

近年來，新型電子表面貼裝技術SMT(Surface Mount Tech-nology)已取代傳統的通孔插裝技術，并支配電子設備發展，被共識為電子裝配技術的革命性變革。SMT以提高產品可靠性及性能，降低成本為目標，無論是在消費類電子產品，還是在軍事尖端電子產品領域中，都將使電子產品發生重大變革。

2 表面貼裝技術及元器件介紹

表面貼裝工藝，又稱表面貼裝技術(SMT)，是一種無需在印制板上鉆插裝孔，而直接將表面組裝元器件貼焊到印制線路板的規定位置，用焊料使元器件與印制線路板之間構成機械和電氣連接的電子組裝技術。

需要進行表面貼裝的電子產品一般由印制線路板和表面貼裝元器件組成。印制線路板PWB(Printed Wire Board)是含有線路和焊盤的單面或雙面多層材料。表面貼裝元器件包括表面貼裝元件和表面貼裝器件兩大類。其中表面貼裝元件是指各種片狀無源元件，如電阻，電容，電感等；而表面貼裝器件是采用封裝的電子器件，通常是指各種有源器件，如小外形封裝器SOP(Small Outline Package)，球柵陣列封裝器BGA(Ball Grid Array)等。有些元器件不能用于SMT，如部分接線器，變壓器，大電容等。

3 表面貼裝技術流程

表面貼裝丁藝包括核心和輔助兩大工藝。其中核心工藝由印刷、貼片和回流焊3部分組成，任何類型產品的生產都要經過這3道工序，各部分必不可少；輔助工藝主要由“點膠”工藝和光學輔助自動檢測工藝等組成，并非必需，而是根據產品特性以及用戶需求決定的。

印制線路板有單雙面之分，電子產品也相應分為單面產品(印制線路板的一面需要貼裝元器件)和雙面產品(印制線路板的兩面均需要貼裝元器件)，圖1為單面產品的表面貼裝工藝流程。圖2為雙面產品的表面貼裝工藝流程。

印刷工藝目的是使焊膏通過模板和印刷設備的共同作用，準確印刷到印制線路板。印刷工藝涉及的工藝元素主要有焊膏，模板和印刷系統。焊膏是將元器件與印制線路板連接導通，實現其電氣和機械連接的重要材料。焊膏主要由合金和助焊劑組成。在焊接過程中，它們分別發揮功效完成焊接工作。模板用來將焊膏準確印到印制線路板上，模板的制作方法和開孔設計對印刷質量有很大影響。印刷系統主要是指印刷設備和印刷參數。印刷設備的質量對印刷準確度影響很大，印刷設備的重復印刷精度與印刷參數設置的合理匹配，是準確印刷的重要保證。印刷參數有很多，但對印刷效果影響最大的關鍵參數有印刷速度、刮刀壓力、脫模速度和脫模距離等。需要設置這些關鍵參數并使其相互匹配。以提高印刷質量。印刷速度一般為12．7~203．2 mm／s，具體參數取決于刮板壓力和釬料膏的物理性能。而SMT工藝要求印刷刮板壓力為4．448 222~6．672 333 N。

貼片工藝的目的是確保所有零件準確、快速地被貼片到印制線路板。貼片工藝主要涉及貼片機及其貼片能力。貼片機的貼片能力是準確貼片的重要保證。貼片機的關鍵技術包括：運動，執行及送料機構高速。微型化技術；高速機器視覺識別及照明技術；高速，高精度智能控制技術；并行處理實時多任務技術；設備開放式柔性模塊化技術及系統集成技術。

回流焊工藝是通過熔化預先分配到印制線路板焊盤上的焊膏，實現表面貼裝元器件的焊接面或引腳與印制線路板焊盤之間機械和電氣連接的焊接。回流焊可保證優異的焊接效果。回流焊工藝的主要工藝元素是回流焊爐及其焊接能力，其焊接能力主要體現在回流焊爐的加熱系統、冷卻系統、助焊劑管理系統及惰性氣體保護系統。其中，加熱系統與加熱效率、溫控精度、溫度均勻性以及穩定性有關；冷卻系統的作用有：當回流焊峰值溫度較高時，如果不能快速冷卻，基板出回流焊爐口的溫度過高，容易造成基板板彎；快速冷卻可細化組織，防止金屬間化合物增厚。提高可靠性。助焊劑在回流焊的過程中會揮發，如果沒有一個理想的助焊劑管理系統及時將揮發的助焊劑抽走并過濾循環，助焊劑就會隨高溫氣流進入冷卻區，凝結在散熱片和爐內，降低冷卻效果并污染設備和基板。當基板匹配使用的焊膏活性不夠好或線路板上有超細間距元件和復雜元片，再加上基板需要多次過回流焊爐，則考慮在回流焊爐內充人惰性氣體，降低氧化機會，提高焊接活性。一般使用的惰性氣體是氮氣。回流焊爐的焊接能力還需通過編輯回流焊爐的控制程序發揮。完成貼片的線路板在通過回流焊爐時，一般經歷：預熱階段，保溫階段，回流階段以及冷卻階段。通過回流焊爐的控制程序管控，確保焊接質量。

輔助工藝用于協助貼裝順利進行并積極預防檢測和事后檢測。輔助工藝主要由“點貼”工藝和光學輔助自動檢測工藝組成。“點膠”工藝是通過將專用膠水“點貼” 到所需元件的下方或周邊，對元件進行適當保護，以確保元器件在經受多次回流焊接不脫落；減少元件在貼裝過程中受到的應力沖擊；保護元件在復雜的使用環境中不受損。“點膠”工藝的工藝元素主要包括“點膠”設備，專用膠水和“點膠”參數的設置。需要合理選擇設備，膠水并設計好參數設置才能確保工藝效果。光學輔助自動檢測工藝主要是：一是使用專門光學設備測量印刷后的焊膏厚度均勻性和印刷準確度，在貼片后檢測貼片準確度，在回流焊前將有缺陷的線路板檢測出來并及時報警；二是在回流焊后使用專門的光學設備檢測焊點，將有焊點缺陷的線路板檢測出來并報警。專門的光學測量設備主要有可見光檢測設備和X光檢測設備。前者主要是自動光學檢測設備AOI(Automatic Optional Inspection)，后者主要是三維和五維的X-ray設備。前者主要用于檢測可視焊點，而后者除了檢測可視焊點外，還可檢測不可目視的BGA類零件的焊點。是否采用輔助工藝則是根據所需貼裝產品的特性來決定的。

4 回流焊的原理及溫度曲線

從回流焊溫度曲線(圖3)分析回流焊原理：當PCB進入預熱區時，焊錫膏的溶劑、氣體被蒸發，同時焊錫膏的助焊劑潤濕焊盤、元器件端頭和引腳，焊錫膏軟化、塌落、覆蓋了焊盤，將焊盤、元器件引腳與氧氣隔離；PCB進入保溫區時，PCB和元器件得到充分預熱。以防PCB突然進入再流焊區升溫過快而損壞PCB和元器件；當PCB進入再流焊區時，溫度迅速上升使焊錫膏達到熔化狀態，液態焊錫對 PCB的焊盤、元器件端頭和引腳潤濕、擴散、漫流或回流混合形成焊錫接點；PCB進入冷卻區，焊點凝固，完成整個回流焊。

回流焊過程中，焊膏需經溶劑揮發。焊劑清除焊件表面的氧化物，焊膏熔融、再流動以及焊膏冷卻、凝固。所以，回流焊過程中，焊接溫度主要分4個溫度區：預熱區、保溫區、再流焊區以及冷卻區。預熱區為室溫到120℃；保溫區為120℃~170℃；回流區為170℃~230℃，最高溫度為210℃~230℃；冷卻區為從210℃降到約100℃。

溫度曲線是保證焊接質量的關鍵，實際溫度曲線和焊錫膏溫度曲線的升溫斜率和峰值溫度應基本一致。160℃前的升溫速度控制在1℃／s～2℃／s，如果升溫速度太快，一方面使元器件及PCB受熱太快，易損壞元件，造成PCB變形；另一方面，焊錫膏中的溶劑揮發速度太快。容易濺出金屬成分，產生焊錫球。峰值溫度一般設定比焊錫膏熔化溫度高20℃～40℃(例如Sn63／Pb37焊錫膏的熔點為183℃，峰值溫度應設置在205℃～230℃)，回(再)流時間 10～60 s，峰值溫度低或回(再)流時間短，會使焊接不充分，嚴重時會造成焊錫膏不熔；峰值溫度過高或回(再)流時間長，造成金屬粉末氧化，影響焊接質量，甚至損壞元器件和PCB。

設置回(再)流焊溫度曲線的依據：所使用焊錫膏的溫度曲線，根據PCB的材料、厚度、是否多層板、尺寸；表面組裝板搭載元器件的密度、元器件大小以及有無 BGA、CSP等特殊元器件；設備的具體情況，諸如加熱區的長度、加熱源的材料、回流焊爐的構造和熱傳導方式等因素。

某類印制板的實際生產中因設備緣故設定溫度區域為：升溫區，保溫區，快速升溫區，回流區。焊膏為Sn63Pb37型焊膏，其熔點為183℃，焊接采用某型回流焊接爐，每種印制板組件必須設計合適的焊接參數，做到一種印制板一個溫度曲線。圖4為標準回流焊接溫度曲線，圖5為某印制板實際回流焊接溫度曲線。

這是一個9溫區的回流焊接爐，實際的溫度測試有3個測試點，其中圖5是實際溫度曲線。溫區的參數設定要滿足以下要求：1)升溫區：從室溫到100℃的升溫速率不超過2℃／s；2)保溫區：從100℃～150℃保持時間70～120 s；3)快速升溫區：從150℃～183℃保持時間不要超過30s，升溫速度應該在2～3℃／s：4)回流區：最高溫度為205℃～230℃，處于液相線以上的時間40～60 s；5)冷卻區：冷卻速度為2～4℃／s。經圖4和圖5的理論與實際印制板溫度曲線對比，實際回流焊溫度區域在標準溫度范圍內，從而得出此印制板表貼器件的焊接符合要求，保證印制板表面貼裝器件的電氣性能。需特別注意：回流焊爐必需每周測試一次，將測試溫度曲線與標準溫度曲線進行對比，確定二者是否完全吻合。主要核對參數有：升溫區升溫速率，保溫區保持時間，快速升溫區和回流區的升溫速度、峰值溫度、液相線以上時間，冷卻區冷卻速率，及曲線是否存在異常波動。

5 結束語

表面貼裝技術滲透于各個領域，可直接影響到電子產品的焊接水平，以及電子產品的性能與質量。敘述表面貼裝技術整個流程，闡述焊接過程中的回流焊的原理及溫度曲線。對比實際生產過程中的某印制板的標準回流焊接溫度曲線與實際回流焊接溫度曲線，只要滿足實際回流焊溫度區域在標準溫度范圍內，就可以滿足貼裝元器件的性能指標。