SMT焊接质量影响因素及控制方法

SMT焊接质量影响因素及控制方法随着经济和科技的发展，电子应用技术趋于智能化、多媒体化和网络化，这使得人们对电子电路组装技术提出了更高的要求，即要能满足高密度化、高速化及标准化,于是电子装联装配技术全面转向SMT。特别是近年来，中国电子信息产品制造业加快了发展步伐，每年都以20%以上的速度高速增长，成为国民经济的新兴的支柱产业，整体规模连续三年居全球第2位。与此同时，中国的SMT技术及产业也同步迅猛发展，取得了不少成就，但是坦率来说还是存在很多问题，主要体现在规模小、技术含量水平不高、高水平技术人才和管理人才缺乏、制造服务能力不全面等方面。虽然在一些方面存在不足，但是市场的竞争却越来越激烈，出现了相互压价，相互贬低，甚至低于合理成本接单等不正当竞争行为。提供SMT服务的组装厂要在如此激烈的竞争环境中立于不败之地，就必须从降低生产成本和提高焊接质量两方面来入手。一方面，降低成本的最有效方式就是优化生产流程以提高生产效率，各焊接厂也都在不断的摸索和改进，逐步形成了比较成熟的生产模式和流程。另一方面，对从事SMT加工服务的企业来说，优质的焊接质量才是立足之本，才是与别人竞争的资本和筹码，因此焊接质量的保证显得尤为重要。以下将从SMT过程的各相关方面来分析影响焊接质量的主要因素和控制方法。提到SMT的焊接质量，我们首先可能都会想到回流焊的工艺和控制，这是没错的，回流焊确实是SMT关键工序之一，表面组装的质量直接体现在回流焊的结果之中，但SMT焊接质量问题却不完全是回流焊工艺造成的。SMT焊接质量除了与回流工艺（温度曲线）有直接关系外，还与PCB设计、网板设计、元件可焊性、生产设备状态、焊膏质量、加工工序工艺控制以及操作人员素质和车间管理水平都有密切关系一、PCB设计和网板设计SMT的焊接质量与PCB的可制造性设计有直接的、十分重要的关系。首先是PCB外形的设计，如添加工艺边（宽度5mm）和定位点（距板边至少3mm，不同品牌贴片机对此参数要求不一样），PCB单板尺寸小于50mmx50mm要设计为拼板，这样才能保证可以上机生产。其次是PCB焊盘的设计，如果PCB焊盘设计正确，贴装时即使有少量的偏移，回流焊时也可以由焊锡的表面张力作用而拉正（即自定位效应），如果PCB焊盘设计不合理，就算贴装位置十分准确，回流之后也会产生偏移、桥接、立碑等焊接缺陷。首先，CHIP元件两端焊盘大小应一致。图1中两端焊盘大小不对称，在回流时由于两端表面张力不一致可能会导致偏移、吊桥和立碑缺陷。其次，焊盘间距一定要合适，使物料和焊盘两端都能恰当接触。图2和图3中焊盘间距过大或者过小都将导致虚焊和移位。第三，焊盘宽度要与物料焊端基本保持一致，焊盘剩余尺寸（即物料正常贴装到焊盘上后，没有与物料焊端接触的焊盘尺寸）要能保证焊点能够形成弯月面。最后，焊盘上不能放置导通孔（如图4），此要求适用于所有类型的元件焊盘设计。焊盘上有过孔将导致焊接锡量不足，产生虚焊。若确实需要导通孔，则需要把孔放置在焊盘之外，然后再将孔和焊盘连接起来，如图5所示。除了PCB设计之外，网板设计也与焊接质量息息相关。因为网板是“丝印3S（网板、锡膏。刮刀）”中最关键的一项，网板设计不好，无论怎么印刷也不可能完全弥补其带来的缺陷。有数据统计显示有60%-70%的焊接缺陷都与印刷质量有关，可见网板设计对于提高焊接直通率起着举足轻重的作用。网板设计的主要控制点有以下几个方面：1、钢片厚度：为保证焊膏印刷量和焊接质量，网板表面必须平滑均匀、厚度均匀，网板厚度应以满足最细间距QFP、BGA为前提。如PCB上有0.5mm间距芯片和CHIP0402元件,网板厚度0.12mm合适，如PCB上有0.5mm间距以上芯片和CHIP0603以上元件,网板厚度0.15mm合适，如PCB上有CHIP0201元件,网板厚度0.1-0.12mm合适。另外，特殊部位还可以进行局部增厚或减薄。2、防锡球处理：0603以上的CHIP元件，为有效地防止回流后锡球的产生，其网板开孔应做防锡球处理。对于焊盘过大的器件，要采用网格分割，防止锡量过多。3、网框尺寸和MARK点：网框尺寸是根据丝印机的类型来确定，目前一般都采用29x29英寸大小。MARK点一般需要两个，近年也出现了采用焊盘开孔定位的丝印机，不再需要刻半透基准点。4、印刷方向：印刷方向也是一个十分关键的控制点，确定印刷方向时要注意避免密间距器件太靠近轨道，否则会造成锡量过多而桥接。另外印刷方向还要与后续贴片的方向保持一致，否则会影响生产效率。二、物料的质量和性能物料作为SMT贴装的重要组成元素，其质量和性能直接影响回流焊接直通率。首先，作为回流焊接的对象之一，必须具备最基本的一点就是耐高温，有铅元器件焊端或引脚可焊性要求235℃±5℃，2±0.2s，无铅器件要求250～255℃，2～3s。虽然这一点看似不会出问题，毕竟表面贴装物料已经发展了这么多年了，但是我们在实际生产过程中偶尔还会遇到某些客户采购的物料过炉后熔化，只能停产等待换料或者采用手工补装的方式解决，对生产进度、秩序和焊接质量都会造成影响。其次，元器件的外形要适合自动化表面贴装，且其形状要标准化并具有良好的尺寸精度，否则会带来较多的抛料和物料损耗，同时也会增加停机时间。最后，元器件的包装形式要适合贴片机自动贴装的要求。这一点对大批量的产品生产来说一般不会有问题，但是对于小批量研发中试的产品来说就不是都能保证了。有的客户一种产品可能只生产一到两块，为了节省成本每种物料都不会采购很多，用量少物料的料带甚至只有几厘米长，根本无法满足上机贴装的要求。我们建议此类客户应从长远考虑，可将常用的阻容件成盘采购建立一个物料库，每次生产时只用从中调用就可以了。这样既提高了生产的效率，实际上也降低了每次采购的成本。三、焊膏质量焊膏是回流焊工艺必需材料，它是由合金粉末（颗粒）与糊状助焊剂载体均匀混合而成的膏状焊料。其中合金颗粒是形成焊点的主要成分，焊剂则是去除焊接表面氧化层，提高润湿性，确保焊膏质量的关键材料。保证锡膏的质量主要从存储和使用两个方面来体现。锡膏必须放置在冷藏柜中，温度要控制在0-10℃之间（或按厂家要求），每天都要检查冷柜的温度是否正常并做好记录，发现温度异常立即通知工程技术人员进行处理。使用方面，要坚持“先进先出”的原则，做好取用记录，保证回温时间大于四小时，最好是前一天取出第二天要用的锡膏。印刷前充分搅拌锡膏，使其粘度具有优良的印刷性和脱模性。添加完锡膏后应立即盖好锡膏罐的盖子，印刷后确保在四小时以内完成回流焊接。若回温时间不够会造成回流后锡球多，直接影响焊接质量。若存储没有做好可能会导致助焊剂减少，回流后焊点光泽度差。四、焊接前元件焊端和PCB焊盘的氧化程度上线生产前如果元器件的焊端或者PCB焊盘有氧化，回流焊时会产生大量的焊接缺陷，主要表现为润湿不良和虚焊，对产品长期可靠性带来极大隐患。要避免这方面出问题，就要建立完善的物流管理制度：1、从物料和PCB采购的源头加以控制，选择资质较深的供应商，并且做好入库前的检验工作。2、加强对库存物料、PCB及其他生产辅料的存储环境的监控，保证合适的温度和湿度。3、建立从库房到产线之间的物料交接和检验制度，确保氧化的物料和PCB不上线焊接。4、发现已氧化物料和PCB要交由专人处理，严重氧化的必须更换，轻微氧化的做去氧化处理，处理完成由质检人员检验合格才能上线。五、焊接过程工艺控制焊接过程主要包括丝印、贴片和回流，每一个环节都至关重要。首先是丝印，前面提到了在PCB设计和网板设计正确、元器件和电路板质量都良好的前提下，表贴焊接的缺陷有60%~70%是因为印刷缺陷造成的。由于定位不准、刮刀速度和刮刀压力不合适、脱模速度不恰当会造成印刷错位、踏边、连点、缺锡、拉尖等问题，丝印环节一定要加强对印刷质量的检查，有问题及时调试，杜绝有印刷缺陷的PCB流到下一环节。接下来是贴片环节，众所周知，保证贴装质量的三要素是“元件正确”、“位置准确”和“贴装压力合适”。“元件正确”即要保证物料名称或料值合乎焊接BOM要求，供料器位置按优化顺序摆放。上料完成后及班组交接时也一定要复查物料名称和位置是否正确。“位置准确”就是贴装坐标一定要正确，保证物料能准确贴装到焊盘上，而且还要特别注意贴装角度，保证极性器件方向正确。编程时就要把所有器件角度和坐标调整好，并在生产前上机检视，确保实际生产时不用再调整，保障生产的流畅性。“贴装压力合适”是指贴装后将物料压入锡膏的厚度，不能太小也不能太大。其影响因素有程序项里PCB厚度的设定、封装项里物料厚度的设定以及贴片机吸嘴压力的设定。现在新型的贴片机都装配有贴装压力回馈系统，会根据贴装情况自动进行调节。最后是回流的控制，贴装的质量直接体现在回流效果之中，而保证回流焊接质量的核心就是正确的温度曲线设定。温度曲线的控制点主要是升温斜率、峰值温度和回流时间三个方面。有铅无铅温度曲线的分析大家都很熟悉了，在此就不再介绍了，下面主要向大家介绍温度曲线的设定依据：1、依据所使用的锡膏推荐的温度曲线进行设置。因为锡膏的成分决定了其活化温度及熔点，这在根本上决定了设置的方向。2、根据PCB板材、尺寸大小、厚度和重量来设定。3、根据元件类型、大小和密度来设定，还要注意特殊器件的最高焊接温度限制。4、根据回流炉结构和温区长度来设定，不同的回流炉要设定不同的温度曲线。5、要根据环境温度和气流情况来设定，特别是温区短，进出口气流密封不太好的炉子。有这样一个实例：一年夏天，一工厂有一种生产过很多批次的产品在回流之后出现BGA分层（双球），但是锡膏、回流炉、温度设定都和以前一样，按常规不应该出这种问题。最后发现是空调的冷气直吹回流炉进板口，调整空调吹风方向后问题就解决了。六、设备的操作和维护保养生产人员对设备操作的熟悉程度直接关系到生产过程能否顺利流畅的进行，也会间接影响到最终的焊接质量。同时，设备的运行状态也会影响焊接质量。比如：吸嘴如果不定期检查和清洗，就有可能造成气路不通，吸不起料或者物料掉落，最终引起缺件或者BGA垫料等问题。为防止出现这类问题，一是要建立完善的岗位培训制度，定期对生产人员进行操作培训。二是要建立设备定期维护保养制度，确保生产设备处于良好的运行状态。七、质量管理措施现在所有的SMT工厂都十分关注“质量”，无论在哪一家企业，在其办公区和办公室我们都能看到一些醒目的标语，比如“质量第一”、“质量是我们生存之本”等等，还把ISO9000质量管理体系认证合格的证书展示出来，这都说明了大家对“质量管理”的高度重视。然而，“质量管理”并不仅仅是对产品质量的管理，事实上，产品的质量问题更多的时候是属于流程优化、员工素质、心态和沟通的问题，而这些问题不是仅靠提高技术水平就能解决的。“质量”的范围，不仅仅是产品和技术，而是包括了企业的全面管理和运作。要做好质量管理，可以从以下两个方面来进行：第一，全员质量意识的培养和树立。新加坡CCF公司SMT管理顾问薛竞成先生是这样来定义“质量”的，他说一个企业能够生存和发展是因为它有价值，这个价值就体现在客户为了得到产品和服务所支付给企业的回报，这个回报可以是物质上的也可以是非物质上的。客户所用来衡量所应支付多少回报的标准，就是所谓的“质量”。也就是说质量就是客户对于所获得产品和服务的满意程度。因此，我们的目标就能局限于是产品质量达到我们企业自己制定的或者是行业内的“质量标准”，我们的目标应该是努力为客户提供令其满意的产品和服务，这样才能体现我们企业的价值。质量意识的树立和培养，就是要让全体员工都有“客户意识”。这里提到的“客户”不仅仅是产品和服务的最终对象，还包括产品在生产流程中你的下一工序和部门，他们也是你的“客户”。只有这样，我们才能把好的质量和服务传递下去，才不会出现相互推诿和抱怨，进而才能促进大家的相互理解和沟通，逐渐营造一种和谐稳定的工作氛围。第二，管理方案和措施的制定执行。SMT技术近年来迅速发展，也带动了管理科学的不断发展，诞生了很多与质量管理有关的理论，例如“统计过程控制SPC”、“标杆管理”、“5S管理”、“目视管理”、“精益生