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1、SMT工艺技术改进:通孔元件再流焊工艺及部分问题解决方案实例,顾霭云,工艺改进不仅给企业带来生产效率和质量，同时带来工艺技术水平的不断提高和进步。,是工艺优化和技术改进的实例,部分问题解决方案实例,通孔元件再流焊工艺,内容,1.通孔元件再流焊工艺 2.部分问题解决方案实例,一.通孔元件再流焊工艺,把引脚插入填满焊膏的插装孔中，并用回流法焊接。可以替代波峰焊、选择性波峰焊、自动焊接机器人、手工焊。,通孔元件再流焊工艺,目前绝大多数PCB上通孔元件的比例只占元件总数的105%以下，采用波峰焊、选择性波峰焊、自动焊接机器人、手工焊以及压接等方法的组装费用远远超过该比例，而且组装质量也不如再流焊。因此
2、通孔元件再流焊技术日渐流行。,1.通孔元件采用再流焊工艺的优点（与波峰焊相比）,a 可靠性高，焊接质量好，不良比率DPPM可低于20。b 虚焊、桥接等焊接缺陷少，修板的工作量减少。C 无锡渣的问题，PCB板面干净，外观明显比波峰焊好。机器为全封闭式，干净，生产车间里无异味。d 简化工序，节省流程时间，节省材料，设备管理及保养简单，使操作和管理都简单化了。e 降低成本，增加效益（厂房、设备、人员）。,与波峰焊相比的缺点,(1)焊膏的价格成本相对波峰焊的锡条较高。(2)有些工艺需要专用模板、专用印刷设备和回流炉，价格较贵。而且不适合多个不同的PCBA产品同时生产。(3)传统回流炉可能会损坏不耐高温
3、的元件。在选择元件时，特别注意塑胶元件，如电位器、铝电解电容等可能由于高温而损坏。（如果采用专用回流炉，元件表面最高温度可以控制在120150。因此一般的电解电容，连接器等都无问题）,2.通孔元件采用再流焊工艺的适用范围,a 大部分SMC/SMD，少量(105%以下)THC的产品。b 要求THC能经受再流焊炉的热冲击，例如线圈、连接器、屏蔽等。有铅焊接时要求元件体耐温240，无铅要求260以上。c 电位器、铝电解电容、国产的连接器、国产塑封器件等不适合再流焊工艺。（除非采用专用回流炉）c 个别不能经受再流焊炉热冲击的元器件，可以采用后附手工焊接的方法解决。,通孔元件再流焊工艺的应用实例,彩电调
4、谐器 CD，DVD激光机芯伺服板以及DVD-ROM伺服板 笔记本电脑主板.等等,3.对设备的特殊要求,3.1 印刷设备 双面混装时，需要用特殊的立体式管状印刷机或焊膏滴涂机。有时也可以采用普通印刷机。,3.2 再流焊设备,a 由于SMC/SMD焊接面在顶面，而THC的焊接面在底面，要求各温区上、下独立控制温度,底部温度需要调高。设备的顶部可采用一些白色、光亮（反光）材料；或采用白色、光亮（如锡箔、铝箔）材料加工专门的焊接工装。b 由于通孔元件焊锡量多，热容量大，要求炉温高一些。c 专用再流焊设备.d 有时也可以采用原来的再流焊设备。,4.工艺方面的特殊要求,4.1 施加焊膏有四种方法管状印刷机
5、印刷点胶机滴涂模板印刷印刷或滴涂后+焊料预制片,各种施加焊膏方法的应用,a 单面混装时可采用模板印刷、管状印刷机印刷或点焊膏机滴涂。b 双面混装时,因为在THC元件面已经有焊接好的SMC/SMD，因此不能用平面模板印刷焊膏，需要用特殊的立体式管状印刷机或点焊膏机施加焊膏。c 当焊膏量不能满足要求时可采用印刷或滴涂后+焊料预制片。,方法1 管状印刷机印刷,刮刀 印刷方向,支撑台,间隙0.10.3mm,印刷模板已焊接SMD,焊膏,漏嘴,焊膏PCB,方法2点胶机滴涂,焊膏,方法3 模板印刷,方法4：印刷或滴涂后+焊料预制片,采用焊料预制片的优点：THC的焊膏量比SMC/SMD的焊膏量多许多。当THC
6、引出端子较少时可使用增加模板厚度和开口尺寸的措施，点焊膏工艺时增加焊膏量的方法。当THC引出端子较多时，例如PGA矩阵连接器的端子（针）很多，如果增加模板厚度会影响印刷质量，如果增大开口尺寸受到引脚间距的限制会引起焊膏粘连，导致大量的锡珠。当焊膏量不能满足要求时，采用焊料预制片能实现在增加焊膏量的同时避免焊膏粘连和锡珠的产生。,预制片是100%合金冲压出来的,可用于再流焊的连接器,插装孔焊料填充要求75%,垫圈形焊料预制片的放置方法:,（1）：用适当的吸嘴将垫圈形焊料预制片贴装在焊膏上。,垫圈形焊料预制片,根据垫圈形焊料预制片的外径和内径加工一个与连接器引脚（针）相匹配的模具将预制片撒在模具上
7、振动，筛入模具的每个钻孔中将连接器压入模具收回连接器时预制片就套在引脚上了。,（2）：通过模局具将垫圈形焊料预制片预先套在引脚上,（3）：用贴装机将矩形焊料预制片放置在通孔附近,焊料预制片被包装在卷带上、或通过散料喂料系统，类似无源元件那样被依次贴放在通孔附近的焊膏上。,矩形焊料预制片卷带,贴放在通孔附近的焊膏上,4.2 通孔元件的焊膏施加量,THC的焊膏量由通孔的体积、焊盘面积决定，可计算。除了有PCB上、下焊盘外，还有PCB厚度方向的通孔需要填满焊料，而且在元件引脚（针）与PCB两面焊盘的交接处还要形成半月形的焊点，因此需要的焊膏量约比SMC/SMD的焊膏量多34倍。焊膏量与PCB插孔直径
8、及焊盘大小成正比关系。可使用增加模板厚度、开口形状和尺寸等措施，采用点焊膏工艺时，也要掌握好适当多的焊膏量。,4.3 必须采用短插工艺,元件的引脚不能过长，长引脚也会吸收焊膏量，针长要与PCB厚度和应用类型相匹配，插装后在PCB焊接面的针长控制在11.5mm。控制元件插装高度，元件体、特别是连接器的外壳不能和焊膏接触。紧固件不要太大咬接力，因为贴装设备通常只支持1020牛顿的压接力。,4.4 THC的焊盘设计的特殊要求,a.需要根据引出脚的直径设计插孔直径，孔径不能太大，大孔径会增加焊膏的需求量，建议手工插装孔直径比针直径大20%（0.125mm），机器自动插装孔比针直径大2050%，较少端子
9、时插装孔直径可小一些。b.插装孔两面的焊盘也不能太大，大焊盘也会增加焊膏的需求量。,4.5 通孔回流焊接技术,要保证焊点处的最佳热流。当达到焊料的熔点温度时，通常在引脚底部（针尖）处的焊料熔化并浸润引脚（针）时，由于毛细作用，使液体焊料填满通孔。,再流焊温度曲线,温度曲线要根据PCB上元件的布局、THC和回流炉的具体情况进行调整。炉子导轨上面的温度要尽量调低，炉子导轨下面的温度应适当提高。找出既能保证PCB下面焊点质量，又能保证PCB上面的分立元器件不被损坏的最佳温度和速度。,4.6 焊点检测,通孔回流焊点要求与IPC-A-610波峰焊点的标准相同。理想的填充率达到100%或至少75%以上。焊
10、盘环的浸润角接近360或270以上。,IPC-A-610D标准：Acceptable-Class 2 Minimum 180 wetting present on lead and barrel,Figure 7-113.Acceptable-Class 3 Minimum 270 wetting present on lead and barrel,Figure 7-114.,4.7 不耐高温的元件采用手工焊接,如铝电解电容、国产塑封器件应采用后附手工焊接的方法来解决。,二.部分问题解决方案实例,案例1“爆米花”现象解决措施案例2 元件裂纹缺损分析案例3 连接器断裂问题案例4 金手指沾锡问题
11、案例5 抛料的预防和控制案例6 0201的印刷和贴装案例7 QFN的印刷、贴装和返修,案例1“爆米花”现象解决措施,高温损伤元器件,受潮器件再流焊时，在器件内部的气体膨胀使邦定点的根部“破裂”,平焊点,“爆米花”现象,PBGA器件的塑料基板起泡,“爆米花”现象机理:,水蒸气压力随温度上升而增加,典型共晶SnPb回流峰值温度为2200C，水蒸气压力约17396毫米。无铅焊SnAgCu的熔点2170C，即便一块相对小的记忆卡或手机板也需要2302350C的峰值温度，而大而复杂的产品可能需要2502600C。此点水蒸气压力为35188 毫米，是2200C时的两倍，因此任何焊接前吸潮的器件在回流焊过程
12、中都会造成损坏的威胁。根据经验，如果SnPb器件定级为MSL3，无铅制程时将至少减到MSL4。,SMD潮湿敏感等级,敏感性 芯片拆封后置放环境条件 拆封后必须使用的期限（标签上最低耐受时间）1级 30，90%RH 无限期2级 30，60%RH 1年 2a级 30，60%RH 4周3级 30，60%RH 168小时4级 30，60%RH 72小时5级 30，60%RH 48小时5a级 30，60%RH 24小时（1）设计在明细表中应注明元件潮湿敏感度（2）工艺要对潮湿敏感元件做时间控制标签（3）对已受潮元件进行去潮处理,“爆米花”现象解决措施,（a）器件供应商正在努力争取2600C的MSL3目标
13、，但达到此目标需要时间，目前我们只能继续使用2200C MSL3的器件。因此必须采取仔细储存、降级使用，将由于吸潮器件失效的风险减到最少。,（b）严格的物料管理制度建立潮湿敏感元件储存，使用，烘烤规则的B0M表。领料时进行核对器件的潮湿敏感度等级。对于有防潮要求的器件，检查是否受潮，对受潮器件进行去潮处理。开封后检查包装内附的湿度显示卡，当指示湿度20（在235时读取）,说明器件已经受潮，在贴装前需对器件进行去潮处理。去潮的方法可采用电热鼓风干燥箱，根据潮湿敏感度等级在1251下烘烤1248h。,（c）另一解决措施。选择具有优良活性焊剂的SnAgCu焊膏，通过优化再流焊工艺，将峰值温度降到最低
14、（2302400C），在接近Sn63/Pb37，在回流峰值仅高于Sn63/Pb37温度100C的情况下，将由于吸潮器件失效的风险减到最少。(d)再流焊时缓慢升温（轻度受潮时有一定效果）。,去潮处理注意事项：,a 应把器件码放在耐高温(大于150)防静电塑料托盘中进行烘烤；b 烘箱要确保接地良好，操作人员手腕带接地良好的防静电手镯；c 操作过程中要轻拿轻放，注意保护器件的引脚，引脚不能有任何变形和损坏。,对于有防潮要求器件的存放和使用：,开封后的器件和经过烘烤处理的器件必须存放在相对湿度20的环境下（干燥箱或干燥塔），贴装时随取随用；开封后，在环境温度30，相对湿度60的环境下，在规定时间内完成
15、贴装；当天没有贴完的器件，应存放在233、相对湿度20的环境下。,案例2 元件裂纹缺损分析,元件裂纹缺损分析,设计锡量PCB翘曲贴片产生的应力热冲击弯折产生的机械应力印制板分割引力运输及装配过程所形成,电容器微裂会造成短路 全裂会造成断路,MLC结构是由多层陶瓷电容器并联层叠起来组成的。,陶瓷电容器微裂会造成短路 全裂会造成断路,锡量,焊料量过大时，或两端焊接料量差异较大时，由焊料冷却固化时收缩，产生横向拉应力，会引起纵向裂纹的产生。,贴片压力过大产生裂痕或应力,焊后产生裂纹,吸嘴压痕,吸嘴压力过大,热冲击所造成的裂痕,裂痕,元件、PCB、焊点之间热膨胀系数不匹配；PCB翘曲，或焊接过程中变形
16、；再流焊升温、降温速度过快；,PCB热应力会损坏元件,陶瓷CTE：35 ppm/PCBCTE：20 ppm/焊点CTE：18 ppm/,拼板设计元件排列不恰当，分割时产生裂损,B=D 最好其次CA最差,案例3 连接器断裂问题,再流焊后 助焊剂将插销粘在连接器的导槽内,使插销拉出时,稍微用力过猛就会将插销拉断。解决方案：可在再流焊前，预先将插销拉出；另一方法焊后用溶剂溶解清洗助焊剂。,连接器断裂问题,案例4 金手指沾锡问题,金手指沾锡问题,原因：PCB化学镀金后清洗不良印刷机支撑顶针上的残留焊膏钢板底部污染环境污染 再流焊升温速度过快PCB受潮,PCB金手指化学镀金工艺（其它部分为噴錫),金手指
17、化金貼防焊胶布浸錫及噴錫清洗去防焊胶布清洗刷板面沾污及錫珠粉垢叠板檢驗叠板包裝 因沟槽清洗不净，残留锡珠附着于阻焊膜与金手指交接处。,解决方案,反馈给PCB加工厂清洗钢板底面、支撑、注意环境卫生。设置合理的温度曲线对PCB镀金部分贴防焊胶带隔离缺点：增加焊膏印刷厚度；不规则的区域难以粘贴；焊后易形成残胶；费工时。,案例5 抛料的预防和控制,抛料的预防和控制,抛料是生产中常见的问题。造成的危害是：轻则不能正常生产，重则无法交货给客户。标准元件贴装时，设备的抛料应能达到小于0.3%，对于IC应为0，,抛料通常发生在以下情况,1.取料时2.图像处理通不过3.运动过程中4.贴装时,抛料产生的原因,1.
18、设备2.材料3.人为4.静电,1.设备产生抛料的原因,A.真空系统：负压过大、过小、漏气 B.吸嘴：规格不合适、端面赃物、或有裂纹 C.供料器 D.图像处理系统或软件不好 E.贴装压力不能自动修正,2.材料产生抛料的原因,A.元件规格误差不一致、元器件引脚变形。B.TAPE质量（太厚）、孔穴过大、过小。C.塑料粘带不良(太松,过粘剥离不良)。D.特殊材料。,3.人为产生抛料的原因,A.编程 元器件的类型、包装、尺寸等数据输入不准确，造成拾片贴片高度不合适。B.元器件视觉图像做得好不好。C.供料器安装不到位。,抛料的预防与控制,A.工艺监控：建立抛料的监控机制 建立合理的保养制度 对供料器做定期
19、的校准B.供应链管理：选用合格的材料C.工艺优化和改进：建立标准的元件描述程序，提高操作人员素质，全面掌握设备功能，不断提高工艺技术水平。,案例6 0201的印刷和贴装,0201模板开口设计,用钢板的开口尺寸和形状来调整錫量和元件位置,0201（0.6mm0.3mm）焊盘设计,模板开口设计,0.26,0.30,0.24,0.15,0.31,0.20,0.15,0.60,0.08,0.23,0.35,0.26,模板厚度：0.10.12mm,宽(W)/厚(T)1.5(2.62.16)面积比：0.66(0.7460.62),模板加工方法,（1）采用激光+电抛光工艺,（2）采用电铸工艺,焊膏合金粉末颗
20、粒尺寸,可选择4#粉，2038 m或更小。,0201的贴装问题,尺寸：L0.6xW0.3xT0.25 mm 重量：約0.15mg体积：比0402小77%焊盘面积：比0402小66%用途：目前大多用于手机,PDA,GPS等无线通讯等产品。,0201的贴装问题,1)高速机设备的精准度。2)高密度,元件间贴装位置互相干涉。3)元件太轻,造成焊接不良。,0.150.2mm的窄间距贴装,元件间距走势图,窄间距贴装元件间位置互相干涉,吸嘴,吸嘴外形的误差量,吸嘴中心与元件中心的偏移量,Gap(相邻元件间距),后贴元件,先贴元件,焊盘,元件尺寸误差,程序贴片位置,0201贴装问题的解决措施,双孔式真空吸嘴,
21、无接触拾取方式,无接触拾取可减小震动,传统拾取,贴装精度与PCB焊盘平整度、厚度有关,一般采用：Ni/Au板 OSP,案例7 新型封装PQFN的印刷、贴装和返修,新焊端结构:LLP（Leadless Leadframe package）MLF（Micro Leadless Frame）QFN(Quad Flat No-lead),Plastic Quad Flat Pack No Leads(PQFN)方形扁平无引脚塑料封装,QFN封装具有良好的电和热性能、体积小、重量轻，已成为许多新应用的理想选择。,PQFN导电焊盘有两种类型,一种只裸露出封装底部的一面，其它部分被封装在元件内,另一种焊盘有
22、裸露在封装侧面的部分,PQFN两种导电焊盘的焊点形状,两种导电焊盘,导电焊盘在底部的焊点,导电焊盘暴露在侧面的焊点,焊盘设计,大面积热焊盘的设计=器件大面积裸露焊盘尺寸；导电焊盘与器件四周相对应的焊盘尺寸相似，但向四周外恻稍微长一些（0.30.5mm）。,0.30.5mm,器件示意图,焊盘的设计示意图,四周导电焊盘的模板开口设计,四周导电焊盘的模板开口设计与模板厚度的选取有直接的关系。根据PCB具体情况可选择100 150um较厚的模板可缩小开口尺寸较薄的网板开口尺寸1：1面积比要符合IPC-7525规定。推荐使用激光加工并经过电抛光处理的模板。,宽(W)/厚(T)1.5面积比：0.66,PQ
23、FN散热焊盘的模板开口设计,再流焊时，由于热过孔和大面积散热焊盘中的气体向外溢出时容易产生溅射、锡球和气孔等各种缺陷，减小焊膏覆盖面积可以得到改善。对于大面积散热焊盘，模板开口应缩小2050%。焊膏覆盖面积5080%较合适。,提高印刷和贴装精度,PQFN的印刷、贴装与CSP相似，由于不能目视检测，要求提高印刷和贴装精度。选择高质量的焊膏。建议选择3号焊粉，采用免清洗工艺。印刷后必须进行焊膏图形及焊膏量检测。贴装时注意贴片压力（Z轴高度）。焊膏量过多或贴片压力过大会造成锡珠或桥接。,PQFN焊后检查,焊后检查与CSP相同。但X-Ray对PQFN焊点的少锡和开路无法检测，只能依靠外部的焊点的情况加
24、以判断。,PQFN的返修,PQFN的焊接点完全处在元件体底部，桥接、开路、锡球等任何的缺陷都需要将元件拆除，与BGA、CSP的返修相似。由于PQFN热焊盘的热容量大，又是被使用在高密度的组装板上，返修的难度大于BGA。由于重量轻，焊料熔化时的表面张力很大，焊接时如果温度均匀性不好，焊料的熔化没有同时发生，那么在已熔化焊料表面张力的作用下，器件就会发生“自移动”（CHIP SWIMMING）因此PQFN的返修对温度均匀性要求更为严格，,PQFN的返修,涂敷焊膏的方法有三种：方法1：在PCB上用维修小丝网印刷焊膏，方法2：在组装板的焊盘上点焊膏；方法3：将焊膏直接印刷在PQFN的焊盘上。,对返修设备和人员要求,返修设备的选择非常重要。首先温度均匀性要好，同时又要防止因热风量太大将元件吹掉。要求操作人员具有非常熟练的返修技术。,IPC-A-610D焊点检验标准(PQFN),我国SMT处于快速发展阶段，已经成为SMT世界加工基地之一。目前设备已经与国际接轨，但设计/制造/工艺/管理技术与国际有差距。应加强基础工艺研究。努力使我国真正成为SMT制造大国/制造强国。,谢谢！,
