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1、SMT工程师必备基础SMT基础课一、传统制程简介传统穿孔式电子组装流程乃是将组件之引脚插入PCB的导孔固定之后，利用波峰焊(Wave Soldering)的制程，如图一所示，经过助焊剂涂布、预热、焊锡涂布、检测与清洁等步骤而完成整个焊接流程。图一.波峰焊制程之流程二、表面黏着技术简介由于电子工业之产品随着时间和潮流不断的将其产品设计成短小轻便，相对地促使各种零组件的体积及重量愈来愈小，其功能密度也相对提高，以符合时代潮流及客户需求，在此变迁影响下，表面黏着组件即成为PCB上之主要组件，其主要特性是可大幅节省空间，以取代传统浸焊式组件(Dual In Line Package；DIP).表面黏着
2、组装制程主要包括以下几个主要步骤: 锡膏印刷、组件置放、回流焊接.其各步骤概述如下：锡膏印刷(Stencil Printing)：锡膏为表面黏着组件与PCB相互连接导通的接着材料，首先将钢板透过蚀刻或雷射切割后，由印刷机的刮刀(squeegee)将锡膏经钢板上之开孔印至PCB的焊垫上，以便进入下一步骤。组件置放(Component Placement)：组件置放是整个SMT制程的主要关键技术及工作重心，其过程使用高精密的自动化置放设备，经由计算机编程将表面黏着组件准确的置放在已印好锡膏的PCB的焊垫上。由于表面黏着组件之设计日趋精密，其接脚的间距也随之变小，因此置放作业的技术层次之困难度也与日
3、俱增。回流焊接(Reflow Soldering)：回流焊接是将已置放表面黏着组件的PCB，经过回流炉先行预热以活化助焊剂，再提升其温度至183使锡膏熔化，组件脚与PCB的焊垫相连结，再经过降温冷却，使焊锡固化，即完成表面黏着组件与PCB的接合。三. SMT设备简介1.Stencil Printing: MPM3000 / MPM2000 / PV2.Component Placement: FUJI ( CP643E / CP742ME & QP242E / QP341E ) 3.Reflow Soldering: FURUKAWA( XN-425PHG / XN-445PZ / XN-65
4、1PZ ) ETC410, ETC411.四. SMT 常用名称解释 SMT : surface mounted technology (表面贴装技术):直接将表面黏着元器件贴装,焊接到印刷电路板表面规定位置上的组装技术. SMD : surface mounted devices (表面贴装组件): 外形为矩形片状,圆柱行状或异形,其焊端或引脚制作在同一平面内,并适用于表面黏着的电子组件.Reflow soldering (回流焊接):通过重新熔化预先分配到印刷电路板焊垫上的膏状锡膏,实现表面黏着组件端子或引脚与印刷电路板焊垫之间机械与电气连接.Chip : rectangular chip
5、 component (矩形片状元件): 两端无引线,有焊端,外形为薄片矩形的表面黏着元器件.SOP : small outline package(小外形封装): 小型模压塑料封装,两侧具有翼形或J形短引脚的一种表面组装元器件.QFP : quad flat pack (四边扁平封装): 四边具有翼形短引脚,引脚间距:1.00,0.80,0.65,0.50,0.40,0.30mm等的塑料封装薄形表面组装集体电路.BGA : Ball grid array (球栅列阵): 集成电路的包装形式，其输入输出点是在组件底面上按栅格样式排列的锡球。五. 组件包装方式.料条(magazine/stick
6、)(装运管) - 主要的组件容器：料条由透明或半透明的聚乙烯(PVC)材料构成，挤压成满足现在工业标准的可应用的标准外形。料条尺寸为工业标准的自动装配设备提供适当的组件定位与方向。料条以单个料条的数量组合形式包装和运输。托盘(tray) - 主要的组件容器：托盘由碳粉或纤维材料制成，这些材料基于专用托盘的最高温度率来选择的。设计用于要求暴露在高温下的组件(潮湿敏感组件)的托盘具有通常150C或更高的耐温。托盘铸塑成矩形标准外形，包含统一相间的凹穴矩阵。凹穴托住组件，提供运输和处理期间对组件的保护。间隔为在电路板装配过程中用于贴装的标准工业自动化装配设备提供准确的组件位置。托盘的包装与运输是以单
7、个托盘的组合形式，然后堆迭和捆绑在一起，具有一定刚性。一个空盖托盘放在已装组件和堆迭在一起的托盘上。带卷(tape-and-reel) - 主要组件容器：典型的带卷结构都是设计来满足现代工业标准的。有两个一般接受的覆盖带卷包装结构的标准。EIA-481应用于压纹结构(embossed)，而EIA-468 应用于径向引线(radial leaded)的组件。到目前为止，对于有源(active)IC的最流行的结构是压纹带 (embossed tape).六. 为什幺在表面贴装技术中应用免清洗流程？1.生产过程中产品清洗后排出的废水，带来水质、大地以至动植物的污染。 2.除了水清洗外，应用含有氯氟氢
8、的有机溶剂(CFC&HCFC)作清洗，亦对空气、大气层进行污染、破坏。 3.清洗剂残留在机板上带来腐蚀现象，严重影响产品质素。 4.减低清洗工序操作及机器保养成本。 5.免清洗可减少组板(PCBA)在移动与清洗过程中造成的伤害。仍有部分组件不堪清洗。 6.助焊剂残留量已受控制，能配合产品外观要求使用，避免目视检查清洁状态的问题。 7.残留的助焊剂已不断改良其电气性能，以避免成品产生漏电，导致任何伤害。 8.免洗流程已通过国际上多项安全测试，证明助焊剂中的化学物质是稳定的、无腐蚀性的正确的温度曲线将保证高品质的焊接锡点。 在使用表面贴装元件的印刷电路板(PCB)装配中，要得到优质的焊点，一条优化
9、的回流温度曲线是最重要的因素之一。温度曲线是施加于电路装配上的温度对时间的函数，当在笛卡尔平面作图时，回流过程中在任何给定的时间上，代表PCB上一个特定点上的温度形成一条曲线。 几个参数影响曲线的形状，其中最关键的是传送带速度和每个区的温度设定。带速决定机板暴露在每个区所设定的温度下的持续时间，增加持续时间可以允许更多时间使电路装配接近该区的温度设定。每个区所花的持续时间总和决定总共的处理时间。 每个区的温度设定影响PCB的温度上升速度，高温在PCB与区的温度之间产生一个较大的温差。增加区的设定温度允许机板更快地达到给定温度。因此，必须作出一个图形来决定PCB的温度曲线。接下来是这个步骤的轮廓
10、，用以产生和优化图形。 在开始作曲线步骤之前，需要下列设备和辅助工具：温度曲线仪、热电偶、将热电偶附着于PCB的工具和锡膏参数表。可从大多数主要的电子工具供应商买到温度曲线附件工具箱，这工具箱使得作曲线方便，因为它包含全部所需的附件(除了曲线仪本身)。 现在许多回流焊机器包括了一个板上测温仪，甚至一些较小的、便宜的台面式炉子。测温仪一般分为两类：实时测温仪，即时传送温度/时间数据和作出图形；而另一种测温仪采样储存数据，然后上载到计算机。 热电偶必须长度足够，并可经受典型的炉膛温度。一般较小直径的热电偶，热质量小响应快，得到的结果精确。 有几种方法将热电偶附着于PCB，较好的方法是使用高温焊锡如
11、银/锡合金，焊点尽量最小。另一种可接受的方法，快速、容易和对大多数应用足够准确，少量的热化合物(也叫热导膏或热油脂)斑点覆盖住热电偶，再用高温胶带(如Kapton)粘住。 还有一种方法来附着热电偶，就是用高温胶，如氰基丙烯酸盐粘合剂，此方法通常没有其它方法可靠。 附着的位置也要选择，通常最好是将热电偶尖附着在PCB焊盘和相应的元件引脚或金属端之间。(图一、将热电偶尖附着在PCB焊盘和相应的元件引脚或金属端之间) 锡膏特性参数表也是必要的，其包含的信息对温度曲线是至关重要的，如：所希望的温度曲线持续时间、锡膏活性温度、合金熔点和所希望的回流最高温度。 开始之前，必须理想的温度曲线有个基本的认识。
12、理论上理想的曲线由四个部分或区间组成，前面三个区加热、最后一个区冷却。炉的温区越多，越能使温度曲线的轮廓达到更准确和接近设定。大多数锡膏都能用四个基本温区成功回流。(图二、理论上理想的回流曲线由四个区组成，前面三个区加热、最后一个区冷却) 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，产品的温度以不超过每秒25C速度连续上升，温度升得太快会引起某些缺陷，如陶瓷电容的细微裂纹，而温度上升太慢，锡膏会感温过度，没有足够的时间使PCB达到活性温度。炉的预热区一般占整个加热通道长度的2533%。 活性区，有时叫做干燥或浸湿区，这个区一般占加热通道的3350%，有两
13、个功用，第一是，将PCB在相当稳定的温度下感温，允许不同质量的元件在温度上同质，减少它们的相当温差。第二个功能是，允许助焊剂活性化，挥发性的物质从锡膏中挥发。一般普遍的活性温度范围是120150C，如果活性区的温度设定太高，助焊剂没有足够的时间活性化，温度曲线的斜率是一个向上递增的斜率。虽然有的锡膏制造商允许活性化期间一些温度的增加，但是理想的曲线要求相当平稳的温度，这样使得PCB的温度在活性区开始和结束时是相等的。市面上有的炉子不能维持平坦的活性温度曲线，选择能维持平坦的活性温度曲线的炉子，将提高可焊接性能，使用者有一个较大的处理窗口。 回流区，有时叫做峰值区或最后升温区。这个区的作用是将P
14、CB装配的温度从活性温度提高到所推荐的峰值温度。活性温度总是比合金的熔点温度低一点，而峰值温度总是在熔点上。典型的峰值温度范围是205230C，这个区的温度设定太高会使其温升斜率超过每秒25C，或达到回流峰值温度比推荐的高。这种情况可能引起PCB的过分卷曲、脱层或烧损，并损害元件的完整性。 今天，最普遍使用的合金是Sn63/Pb37，这种比例的锡和铅使得该合金共晶。共晶合金是在一个特定温度下熔化的合金，非共晶合金有一个熔化的范围，而不是熔点，有时叫做塑性装态。本文所述的所有例子都是指共晶锡/铅，因为其使用广泛，该合金的熔点为183C。 理想的冷却区曲线应该是和回流区曲线成镜像关系。越是靠近这种
15、镜像关系，焊点达到固态的结构越紧密，得到焊接点的质量越高，结合完整性越好。 作温度曲线的第一个考虑参数是传输带的速度设定，该设定将决定PCB在加热通道所花的时间。典型的锡膏制造厂参数要求34分钟的加热曲线，用总的加热通道长度除以总的加热感温时间，即为准确的传输带速度，例如，当锡膏要求四分钟的加热时间，使用六英尺加热通道长度，计算为：6 英尺 4 分钟 = 每分钟 1.5 英尺 = 每分钟 18 英寸。 接下来必须决定各个区的温度设定，重要的是要了解实际的区间温度不一定就是该区的显示温度。显示温度只是代表区内热敏电偶的温度，如果热电偶越靠近加热源，显示的温度将相对比区间温度较高，热电偶越靠近PC
16、B的直接通道，显示的温度将越能反应区间温度。明智的是向炉子制造商咨询了解清楚显示温度和实际区间温度的关系。本文中将考虑的是区间温度而不是显示温度。表一列出的是用于典型PCB装配回流的区间温度设定。表一、典型PCB回流区间温度设定 区间区间温度设定区间末实际板温预热210C(410F)140C(284F)活性177C(350F)150C(302F)回流250C(482C)210C(482F) 速度和温度确定后，必须输入到炉的控制器。看看手册上其它需要调整的参数，这些参数包括冷却风扇速度、强制空气冲击和惰性气体流量。一旦所有参数输入后，启动机器，炉子稳定后(即，所有实际显示温度接近符合设定参数)可
17、以开始作曲线。下一部将PCB放入传送带，触发测温仪开始记录数据。为了方便，有些测温仪包括触发功能，在一个相对低的温度自动启动测温仪，典型的这个温度比人体温度37C(98.6F)稍微高一点。例如，38C(100F)的自动触发器，允许测温仪几乎在PCB刚放入传送带进入炉时开始工作，不至于热电偶在人手上处理时产生误触发。 一旦最初的温度曲线图产生，可以和锡膏制造商推荐的曲线或图二所示的曲线进行比较。首先，必须证实从环境温度到回流峰值温度的总时间和所希望的加热曲线居留时间相协调，如果太长，按比例地增加传送带速度，如果太短，则相反。 下一步，图形曲线的形状必须和所希望的相比较(图二)，如果形状不协调，则
18、同下面的图形(图三六)进行比较。选择与实际图形形状最相协调的曲线。应该考虑从左道右(流程顺序)的偏差，例如，如果预热和回流区中存在差异，首先将预热区的差异调正确，一般最好每次调一个参数，在作进一步调整之前运行这个曲线设定。这是因为一个给定区的改变也将影响随后区的结果。我们也建议新手所作的调整幅度相当较小一点。一旦在特定的炉上取得经验，则会有较好的感觉来作多大幅度的调整。图三、预热不足或过多的回流曲线图四、活性区温度太高或太低图五、回流太多或不够图六、冷却过快或不够 当最后的曲线图尽可能的与所希望的图形相吻合，应该把炉的参数记录或储存以备后用。虽然这个过程开始很慢和费力，但最终可以取得熟练和速度
19、，结果得到高品质的PCB的高效率的生产。理解锡膏的回流过程当锡膏至于一个加热的环境中，锡膏回流分为五个阶段， 1.首先，用于达到所需粘度和丝印性能的溶剂开始蒸发，温度上升必需慢(大约每秒2-3 C)，以限制沸腾和飞溅，防止形成小锡珠，还有，一些组件对内部应力比较敏感，如果组件外部温度上升太快，会造成断裂。 2.助焊剂活跃，化学清洗行动开始，水溶性助焊剂和免洗型助焊剂都会发生同样的清洗行动，只不过温度稍微不同。将金属氧化物和某些污染从即将结合的金属和焊锡颗粒上清除。好的冶金学上的锡焊点要求清洁的表面。 3.当温度继续上升，焊锡颗粒首先单独熔化，并开始液化和表面吸锡的过程。这样在所有可能的表面上覆
20、盖，并开始形成锡焊点。 4.这个阶段最为重要，当单个的焊锡颗粒全部熔化后，结合一起形成液态锡，这时表面张力作用开始形成焊脚表面，如果组件引脚与PCB焊盘的间隙超过4mil，则极可能由于表面张力使引脚和焊盘分开，即造成锡点开路。 5.冷却阶段，如果冷却快，锡点强度会稍微大一点，但不可以太快而引起组件内部的温度应力。 回流焊接要求总结：重要的是有充分的缓慢加热来安全地蒸发溶剂，防止锡珠形成和限制由于温度膨胀引起的组件内部应力，造成断裂痕可靠性问题。其次，助焊剂活跃阶段必须有适当的时间和温度，允许清洁阶段在焊锡颗粒刚刚开始熔化时完成。时间温度曲线中焊锡熔化的阶段是最重要的，必须充分地让焊锡颗粒完全熔
21、化，液化形成冶金焊接，剩余溶剂和助焊剂残余的蒸发，形成焊脚表面。此阶段如果太热或太长，可能对组件和PCB造成伤害。锡膏回流温度曲线的设定，最好是根据锡膏供货商提供的资料进行，同时把握组件内部温度应力变化原则，即加热温升速度小于每秒2-3 C，和冷却温降速度小于5 C。PCB装配如果尺寸和重量很相似的话，可用同一个温度曲线。重要的是要经常甚至每天检测温度曲线是否正确。SMT焊膏印刷的质量控制 摘要：表面安装工艺流程的关键工序之一就是焊膏印刷。其控制直接影响着组装板的质量。通过对焊膏的特性、模板设计制造、以及印刷设备工艺参数的优化设定等方面，对焊膏印刷质量的控制作初步探讨。关键词：焊膏 模板 印刷
22、机 刮刀焊膏印刷工艺是SMT的关键工艺，其印刷质量直接影响印制板组装件的质量，尤其是对含有0.65mm以下引脚细微间距的IC器件贴装工艺，对焊膏印刷的要求更高。而这些都要受到焊膏印刷机的功能、模板设计和选用、焊膏的选择以及由实践经验所设定的参数的控制。本文就这些方面论述一下如何控制焊膏印刷质量。1、 焊膏要求 1、1良好的印刷性焊膏的粘度与颗粒大小是其主要性能。焊膏的粘度过大，易造成焊膏不容易印刷到模板开孔的底部，而且还会粘到刮刀上。焊膏的粘度过代，则不容易控制焊膏的沉积形状，印刷后会塌陷，这样较易产生桥接，同时粘度过代在使用软刮刀或刮刀压力较大时，会使焊膏从模板开孔被刮走，从而形成凹型焊膏沉
23、积，使焊料不足而造成虚焊。焊膏粘度过大一般是由于配方原因。粘度过低则可以通过改变印刷温度和刮刀速度来调节，温度和刮刀速度降低会使焊膏粒度增大。通常认为对细间距印刷焊膏最佳粘度范围是800pas1300pas，而普通间距常用的粘度范围是500 pas900 pas。焊膏的颗粒形状，直径大小及其均匀性也影响其印刷性能。一般焊膏颗粒为圆球形，直径约为模板开口尺寸的1/5，而且颗粒的直径应均匀一致，其最大尺寸与最小尺寸的颗粒数不应超过10%，这样才能提高印刷的均匀性和分辨率。我们可以从表1中了解焊膏的选择与器件间距的相应关系。表1 焊膏的选择与器件间距的关系焊膏尺寸范围（um） 目数 器件间距75-4
24、5 -200/+325 0.60-1.3045-25 -325/+500 0.40-0.6035-25 -400/+500 0.20-0.4020 -500 0.2 1、2 良好的粘结性焊膏的粘结性除与焊膏颗粒、直径大小有关外，主要取决于焊膏中助焊剂系统的成分以及其它的添加剂的配比量。焊膏良好的粘结性使其印刷时对焊盘的粘附力大于模板开口侧面的粘附力，使焊膏牢固的粘附在焊盘上，改善脱模性，粘接性好且能保持足够的时间，可使元件贴装时减少飞片或掉片。 1、3 良好的焊接性用于印刷的焊膏，典型金属含量为90%。焊膏的焊球必须符合无氧化物等级，即氧化物含量0.1%，包括表面吸附氧在内的氧化物总含理=30
25、MHz)后者则是较低频的部分(30MHz). 所以不能只注意高频而忽略低频的部分.一个好的EMI/EMC设计必须一开始布局时就要考虑到器件的位置, PCB迭层的安排, 重要联机的走法, 器件的选择等, 如果这些没有事前有较佳的安排, 事后解决则会事倍功半, 增加成本. 例如时钟产生器的位置尽量不要靠近对外的连接器, 高速信号尽量走内层并注意特性阻抗匹配与参考层的连续以减少反射, 器件所推的信号之斜率(slew rate)尽量小以减低高频成分, 选择去耦合(decoupling/bypass)电容时注意其频率响应是否符合需求以降低电源层噪声. 另外, 注意高频信号电流之回流路径使其回路面积尽量小
26、(也就是回路阻抗loop impedance尽量小)以减少辐射. 还可以用分割地层的方式以控制高频噪声的范围. 最后, 适当的选择PCB与外壳的接地点(chassis ground)。 Q: 线路板设计如果考虑EMC，必定提高不少成本。请问如何尽可能的答道EMC要求，又不致带太大的成本压力？谢谢。 A: PCB板上会因EMC而增加的成本通常是因增加地层数目以增强屏蔽效应及增加了ferrite bead、choke等抑制高频谐波器件的缘故。除此之外，通常还是需搭配其它机构上的屏蔽结构才能使整个系统通过EMC的要求。以下仅就PCB板的设计技巧提供几个降低电路产生的电磁辐射效应。1、尽可能选用信号斜
27、率(slew rate)较慢的器件，以降低信号所产生的高频成分。 2、注意高频器件摆放的位置，不要太靠近对外的连接器。3、注意高速信号的阻抗匹配，走线层及其回流电流路径(return current path)， 以减少高频的反射与辐射。4、在各器件的电源管脚放置足够与适当的去耦合电容以缓和电源层和地层上的噪声。特别注意电容的频率响应与温度的特性是否符合设计所需。5、对外的连接器附近的地可与地层做适当分割，并将连接器的地就近接到chassis ground。6、可适当运用ground guard/shunt traces在一些特别高速的信号旁。但要注意guard/shunt traces对走线
28、特性阻抗的影响。7、电源层比地层内缩20H，H为电源层与地层之间的距离。Q:在高速PCB设计时为了防止反射就要考虑阻抗匹配，但由于PCB的加工工艺限制了阻抗的连续性而仿真又仿不到，在原理图的设计时怎样来考虑这个问题？另外关于IBIS模型，不知在那里能提供比较准确的IBIS模型库。我们从网上下载的库大多数都不太准确，很影响仿真的参考性。 A:在设计高速PCB电路时，阻抗匹配是设计的要素之一。而阻抗值跟走线方式有绝对的关系， 例如是走在表面层(microstrip)或内层(stripline/double stripline)，与参考层(电源层或地层)的距离，走线宽度，PCB材质等均会影响走线的特
29、性阻抗值。也就是说要在布线后才能确定阻抗值。一般仿真软件会因线路模型或所使用的数学算法的限制而无法考虑到一些阻抗不连续的布线情况，这时候在原理图上只能预留一些terminators(端接)，如串联电阻等，来缓和走线阻抗不连续的效应。真正根本解决问题的方法还是布线时尽量注意避免阻抗不连续的发生。IBIS模型的准确性直接影响到仿真的结果。基本上IBIS可看成是实际芯片I/O buffer等效电路的电气特性资料，一般可由SPICE模型转换而得 (亦可采用测量， 但限制较多)，而SPICE的资料与芯片制造有绝对的关系，所以同样一个器件不同芯片厂商提供，其SPICE的资料是不同的，进而转换后的IBIS模
30、型内之资料也会随之而异。也就是说，如果用了A厂商的器件，只有他们有能力提供他们器件准确模型资料，因为没有其它人会比他们更清楚他们的器件是由何种工艺做出来的。如果厂商所提供的IBIS不准确， 只能不断要求该厂商改进才是根本解决之道。 Q:通常Protel比较流行，市面上的书也多。请介绍一下Protel,PowerPCB,orCAD等软件的优劣和适用场合。谢谢。 A:我没有太多使用这些软件的经验, 以下仅提供几个比较的方向：1、使用者的接口是否容易操作；2、推挤线的能力(此项关系到绕线引擎的强弱)；3、铺铜箔编辑铜箔的难易；4、走线规则设定是否符合设计要求；5、机构图接口的种类；6、零件库的创建、管理、调用等是否容易；7、检验设计错误的能力是否完善；Q:首先谢谢专家对本人上一个问题的解答。这次想请教关于仿真的问题。关于RF电路的PCB仿真，特别是涉及到EMC方面的仿真，我们正在寻求合适的工具。目前在用的Agilent的ADS工具不少人觉得技术支持不够。 A:提供两个厂商给你参考：1、APSim () 2、Ansoft ()Q:（1）PROTEL98 中如何干预自动布线的走向？（2）PROTEL98 中PCB板上已经有手工布线，如何设置，在自动布线时才能不改变PCB板上已经布好的线条？ A: 抱歉，我没有使用Protel的经验所以无法给你建议。 Q:当一块PCB板
