DIP生产流程介绍及PCB设计工艺简析

生产工艺介绍1.1SMT生产流程介绍1.2DIP生产流程介绍1.3PCB设计工艺简析“SMT”表面安装技术(SurfaceMountingTechnology)(简称SMT)它是将电子元器件直接安装在印制电路板的表面，它的主要特征是元器件是无引线或短引线，元器件主体与焊点均处在印制电路板的同一侧面。1.1表面安装的工艺流程1.1.1表面安装组件的类型:表面安装组件(SurfaceMountingAssembly)(简称：SMA)类型：全表面安装(Ⅰ型)双面混装(Ⅱ型)单面混装(Ⅲ型)a.全表面安装(Ⅰ型)：全部采用表面安装元器件，安装的印制电路板是单面或双面板.表面安装示意图b.双面混装(Ⅱ型)：表面安装元器件和有引线元器件混合使用，印制电路板是双面板。双面混装示意图c.单面混装(Ⅲ型)：表面安装元器件和有引线元器件混合使用，与Ⅱ型不同的是印制电路板是单面板。单面混装示意图1.1.2工艺流程由于SMA有单面安装和双面安装；元器件有全部表面安装及表面安装与通孔插装的混合安装；焊接方式可以是回流焊、波峰焊、或两种方法混合使用；通孔插装方式可以是手工插，或机械自动插……；从而演变为多种工艺流程，目前采用的方式有几十种之多，下面仅介绍通常采用的几种形式。a.单面全表面安装单面安装流程b．双面全表面安装双面安装流程c.单面混合安装单面混合安装流程d、双面混合安装双面混合安装流程1.1.3锡膏印刷锡膏印刷工艺环节是整个SMT流程的重要工序，这一关的质量不过关，就会造成后面工序的大量不良。因此，抓好印刷质量管理是做好SMT加工、保证品质的关键。锡膏印刷工艺的控制包括几个方面：锡膏的选择锡膏的储存锡膏的使用和回收钢网开口设计印刷注意事项线路板的储存和使用等下面就来具体的谈一下这些工序如何进行有效的管控。1、锡膏的选择：锡膏的成份包含﹕金属粉末﹑溶济﹑助焊剂﹑抗垂流剂﹑活性剂﹔按重量分﹐金属粉末占85-92%﹐按体积分金属粉末占50%﹔锡膏中锡粉颗粒与Flux(助焊剂)的体积之比约为1:1,重量之比约为9:1;助焊剂在焊接中的主要作用是去除氧化物﹑破坏融锡表面张力﹑防止再度氧化。锡膏分为有铅锡膏和无铅锡膏两种a、有铅锡膏:有铅锡膏中的主要金属粉末为锡和铅：的有传统的63Sn/37Pb（即锡膏含量中锡占63%，铅占37%）,和62Sn/36.5Pb/0.5Ag(含银锡膏）,熔点为183℃；b、无铅锡膏：分类：SN—Ag系列SN—Ag-Cu系列SN—AB系列目前，锡-银-铜是一种用于SMT装配应用的常用合金。这些合金的回流温度范围为217-221C，峰值温度为235-255C时即可对大多数无铅表面(如锡、银、镍镀金、以及裸铜OSP)达到良好的可焊性。2、锡膏的储存：锡膏的储存环境必须是在3到10度范围内，储存时间是出厂后6个月。超过这个时间的锡膏就不能再继续使用，要做报废处理。因此，锡膏在购买回来以后一定要做管控标签，上面必须注明出厂时间、购入时间、最后储存期限。同时，对于储存的温度也必须每天定时进行检查，以确保锡膏是在规定的范围内储存。锡膏的使用要做到先进先出，以避免因为过期而造成报废。3、锡膏的使用和回收：锡膏在使用前4个小时必须从储存柜里拿出来，放在常温下进行回温，回温时间为4个小时。回温后的锡膏在使用时要进行搅拌，搅拌分为机器搅拌和手工搅拌。机器搅拌时间为15分钟，手工搅拌时间为30分钟，以搅拌刀勾取的锡膏可以成一条线流下而不断为最佳。目的是﹕让冷藏的锡膏温度回复常温﹐以利印刷。如果不回温则在PCBＡ进Reflow后易产生的不良为锡珠。添加锡膏时以印刷机刮刀移动时锡膏滚动不超过刮刀的三分之二为原则，过少印刷不均匀，会出现少锡现象；过多会因短时间用不完，造成锡膏暴露在空气中时间太长而吸收水分，引起焊接不良。4、钢网开口设计：印刷效果的好坏和焊接质量的好坏，取决于钢网的开口设计。钢网开口设计不好就会造成印刷少锡、短路等不良，回流焊接时会出现锡珠、立碑等现象。钢网常见的制作方法为﹕化学蚀刻﹑激光切割﹑电铸;目前激光切割用的比较广泛。开钢网应注意的几点：钢网开口设计一般0805以上的焊盘不会有什么影响，但对于0603以下的元件和一些细间距IC，开口就必须考虑防锡珠、防立碑、防短路、防少锡等问题。一般对于小CHIP元件（即片状元件)，开口应设计为内凹形状或者是半圆形状，这样可以有效防止锡珠的产生。对于细间距IC焊盘，开口应设计为漏斗形，以便于印刷下锡。大小以覆盖焊盘的90%为宜，如果担心锡量不够的话，可以宽度缩小10%，长度加长20%，这样既可以防止印刷短路，又可以防止出现少锡现象。对于一些大焊盘元件，因为锡量比较多，因此要做局部扩大，一般扩大为120%到130%之间。钢网的厚度一般在0.13到0.15mm之间，有小元件和细间距IC的时候，厚度为0.13mm，没有小元件的时候厚度为0.15mm。5、印刷注意事项：印刷有手印和机器印刷两种，如果是手印的话，要注意调整好钢网，确保印刷没有偏移；同时要注意定时清洁钢网，一般是印刷50片左右清洁一次，如果有细间距元件则应调整为30片清洁一次；印刷时注意手不可触摸线路板正面焊盘位置，避免手上的汗渍污染焊盘，最好是戴手套作业。如果是机器印刷的话要注意定时检查印刷效果和随时添加锡膏，确保印刷出来的都是良品。6、线路板的储存和使用：线路板必须放在干燥的环境下保存，避免因为受潮而引起焊盘氧化，造成焊接不良。如果有受潮的现象，在使用时必须放在烤箱里以80到100摄氏度的温度烘烤8个小时才能使用，否则会因为线路板里的水分在过炉时蒸发而引起焊锡迸溅，造成锡珠。制程中因印刷不良造成短路的原因﹕a.锡膏金属含量不够，造成塌陷b.钢板开孔过大，造成锡量过多c.钢板品质不佳，下锡不良d.Stencil背面残有锡膏，降低刮刀压力1.1.4贴片在SMT流程中，贴片加工环节是完全靠机器完成的，当然也有采用手工贴片的，不过那是针对量少、元件数不多而且对加工品质要求不严格的产品。对于贴片机器的分类，一般按速度分为高速机和中速机；按贴片功能分，分为CHIP机和泛用机，也叫多功能机。贴片机器的工作原理是采用图形识别和坐标跟踪来决定什么元件该贴装到什么位置。贴片机器的工作程序一般来说有5大块：1、线路板数据：线路板的长、宽、厚，用来给机器识别线路板的大小，从而自动调整传输轨道的宽度；线路板的识别标识（统称MARK），用来给机器校正线路板的分割偏差，以保证贴装位置的正确。这些是基本数据2、元件信息数据：包括元件的种类，即是电阻、电容，还是IC、三极管等，元件的尺寸大小（用来给机器做图像识别参考），元件在机器上的取料位置等（便于机器识别什么物料该在什么位置去抓取）3、贴片坐标数据：这里包括每个元件的贴装坐标（取元件的中心点），便于机器识别贴装位置；还有就是每个坐标该贴什么元件（便于机器抓取，这里要和数据2进行链接）；再有就是元件的贴装角度（便于机器识别该如何放置元件，同时也便于调整极性元件的极性4、线路板分割数据：线路板的分板数据（即一整块线路板上有几小块拼接的线路板），用来给机器识别同样的贴装数据需要重复贴几次。5、识别标识数据：也就是MARK数据，是给机器校正线路板分割偏差使用的，这里需要录入标识的坐标，同时还要对标识进行标准图形录入，以供机器做对比参考。有了这5大基本数据，一个贴片程序基本就完成了，也就是说可以实现贴片加工的要求了。1.1.5回流焊（ReflowOven）回流焊的定义：是靠热气流对焊点的作用,胶状的焊剂(锡膏)在一定的高温气流下进行物理反应达到SMD的焊接;因为是气体在焊机内循环流动产生高温达到焊接目的,所以叫回流焊“1、回流焊设备在电子制造业中,大量的表面组装组件(SMA)通过回流焊进行焊接,回流焊的热传递方式可将其分为三类:远红外、全热风、红外/热风。a.远红外回流焊八十年代使用的远红外回流焊具有加热快、节能、运行平稳等特点,但由于印制板及各种元器件的材质、色泽不同而对辐射热吸收率有较大差异,造成电路上各种不同元器件以及不同部位温度不均匀,即局部温差。例如,集成电路的黑色塑料封装体上会因辐射吸收率高而过热,而其焊接部位———银白色引线上反而温度低产生虚焊。另外,印制板上热辐射被阻挡的部位,例如在大(高)元器件阴影部位的焊接引脚或小元器件会由于加热不足而造成焊接不良。b、全热风回流焊全热风回流焊是一种通过对流喷射管嘴或者耐热风机来迫使气流循环,从而实现被焊件加热的焊接方法,该类设备在90年代开始兴起。由于采用此种加热方式,印制板(PCB)和元器件的温度接近给定加热温区的气体温度,完全克服了红外回流焊的局部温差和遮蔽效应,故目前应用较广。在全热风回流焊设备中,循环气体的对流速度至关重要。为确保循环气体作用于印制板的任一区域,气流必须具有足够快的速度,这在一定程度上易造成印制板的抖动和元器件的移位。此外,采用此种加热方式的热交换效率较低,耗电较多。C、红外热风回流焊这类回流焊炉是在红外炉基础上加上热风使炉内温度更均匀,是目前较为理想的加热方式。这类设备充分利用了红外线穿透力强的特点,热效率高、节电;同时有效克服了红外回流焊的局部温差和遮蔽效应,并弥补了热风回流焊对气体流速要求过快而造成的影响,因此这种回流焊目前是使用得最普遍的。氮气回流焊在回流焊工艺中使用惰性气体(通常是氮气)已经有一段时间了，但对于成本效益的评估还有很多争论。在回流焊工艺中，惰性气体环境能减少氧化，而且可以降低焊膏内助焊剂的活性，这一点对一些低残留物或免洗焊膏的有效性能来讲，或者在回流焊工艺中需要经过多次的时候(比如双面板)，可能是必需的。如果涉及到多个加热过程，带OSP的板子也会受益，因为在氮气里底层铜线的可焊性会得到比较好的保护。氮气工艺其它好处还包括较高表面张力，可以扩宽工艺窗口(尤其对超细间距器件)、改善焊点形状以及降低覆层材料变色的可能性。另一个方面是成本，在一个特定的工厂里氮气的成本根据地理位置和用量的不同差别很大。严格的构成成本研究通常都显示出，在将生产率和质量改善的成本效益进行分解后，氮气的成本就不是一个主要的因素了。在没有强制对流同时气流又呈薄片状的炉内，控制气体的消耗量(图1)相对比较容易。有几种方法可用来减少氮气的消耗，包括减小炉子两端的开口大小，使用空白档板、涡形帘子或其它类似的设置将入口和出口的孔缝没有用到的部分挡住等。用档板或帘子隔开的区域可以用来控制流出炉子的气流，并尽量减少与外部空气的混和。另一种方法应用回流炉改进技术，它利用热的氮气会在空气上面形成一个气层，而两层气体不会混和的原理。在炉子的设计中加热室比炉子的入口和出口都要高，这样氮气会自然形成一个气层，可以减少为维持一定气体纯度所需输入的气体数量。2温度曲线分析与设计温度曲线是指SMA通过回流炉,SMA上某一点的温度随时间变化的曲线;其本质是SMA在某一位置的热容状态。温度曲线提供了一种直观的方法,来分析某个元件在整个回流焊过程中的温度变化情况。这对于获得最佳的可焊性,避免由于超温而对元件造成损坏以及保证焊接质量都非常重要。温度曲线热容分析理想的温度曲线由四个部分组成,前面三个区加热和最后一个区冷却。一个典型的温度曲线其包含回流持续时间、锡膏活性温度、合金熔点和所希望的回流最高温度等。回流焊炉的温区越多,越能使实际温度曲线的轮廓达到理想的温度曲线。大多数锡膏都能用有四个基本温区的温度曲线完成回流焊工艺过程。温度曲线图a、预热区也叫斜坡区,用来将PCB的温度从周围环境温度提升到所须的活性温度。在这个区,电路板和元器件的热容不同,他们的实际温度提升速率不同。电路板和元器件的温度应不超过每秒3℃速度连续上升,如果过快,会产生热冲击,电路板和元器件都可能受损,如陶瓷电容的细微裂纹。而温度上升太慢,锡膏会感温过度,溶剂挥发不充分,影响焊接质量。炉的预热区一般占整个加热区长度的15～25%。b、活性区也叫做均温区,这个区一般占加热区的30～50%。活性区的主要目的是使SMA内各元件的温