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安悦科技:SMT印刷锡膏焊接质量的主要影响因素

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浏览:- 发布日期:2017-01-03 12:05:28【

引言

          随着工业化的提高和工业4.0时代的到来,人们对电子产品的要求也越来越高,既要能满足多功能、集约化、智能化的要求,同时还需要有良好的产品品质。有些客户还提出了零缺陷零维修的要求。因此,对于SMT行业来说,优质的焊接质量是产品的立足之本,是企业生存之道。

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在实际生产过程中,焊接缺陷集中体现在回流焊接完成阶段,但此时出现的焊接问题并不完全是由回流焊工艺造成的。因为SMT焊接质量除了与回流焊工艺(温度曲线)有直接关系外,还与PCB焊盘的可制造性设计、钢网设计、元件和PCB焊盘可焊性、生产设备状态、锡膏质量,以及每道工序的工艺参数和操作人员的操作技能有着密切关系。

SMT流水线

[1] 1SMT的生产流程图。

下面根据一般SMT的生产流程,以鱼骨图的方法找出影响焊接质量的主要影响因素。图2 是焊接不良鱼骨图。
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物料
          物料作为SMT贴装的重要组成元素之一,其质量和性能直接影响回流焊接质量,具体需注意以下几个方面:

1.    元器件的包装方式要满足贴片机自动贴装的要求;

2.    元器件的外形要满足自动化表面贴装的要求,要有标准化的形状及有良好的尺寸精度;

3.    元件可焊端和PCB焊盘镀层质量需满足回流焊接的要求,元件可焊端和焊盘无污染或氧化。如果元件可焊端和PCB焊盘氧化或污染或受潮时,在回流焊接时就会出现润湿不良、虚焊、产生焊锡珠和空洞等焊接缺陷。特别是湿敏元件和PCB的管控,未使用完要及时进行真空包装并放入干燥柜中贮藏,下次生产时如有必要还需进行烘烤。


PCB焊盘的可制造性设计 

          PCB设计质量是衡量表面贴装技术水平的一个重要标志,是保证表面贴装质量的首要条件之一。来自HP公司的统计数据,70%~80%的生产缺陷直接与设计有关。如基板材质选择、元件布局、焊盘及热焊盘设计、阻焊层设计、元件封装选型、组装方式、传送边、定位孔、光学定位点、EMC(电磁兼容) 等可靠性设计有关的焊盘、导线要求等。

如果PCB焊盘设计正确,贴装时如出现少量的歪斜,回流焊时,在熔融焊锡表面张力的作用下歪斜可以得到纠正(称为自定位或自校正效应);相反,如果PCB焊盘设计不正确,即使贴装位置十分准确,回流焊后反而会出现元件位置偏移、立碑等焊接缺陷。因此,SMT焊盘设计应把握好以下几点:

a.焊盘对称性,为了避免元件过回流焊后出现偏位、立碑现象, 0805以及0805以下片式元件两端焊盘应保证散热对称性,两端焊盘必须对称,不仅大小对称,吸散热能力也要保持对称,才能保证熔融焊锡表面张力平衡,如果一端在大铜箔上,建议连接大铜箔上的焊盘采用单线连接方式(热焊盘处理);(3)

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b.焊盘间距,确保元件端头或引脚与焊盘有合适的搭接尺寸,焊盘间距过大或过小都会引起焊接缺陷;

c.焊盘剩余尺寸,元件端头或引脚与焊盘搭接后的剩余尺寸必须保证焊点能够形成弯月面;

d.焊盘宽度,应与元件端头或引脚的宽度基本一致;

e.焊盘上禁止布置通孔,否则在回流焊接过程中,焊盘上的焊锡熔化后会沿着通孔流走,会产生虚焊、少锡,还可能流到板的另一面造成短路(图4)。
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锡膏印刷

锡膏印刷工艺,主要解决的是锡膏印刷量一致性的问题(锡膏的填充量与转移量)[2]。据业内评测分析排除设计问题,约有60%的返修板子是由锡膏印刷不良引起的,在锡膏印刷中,有三个重要部分:焊膏、钢网和刮刀(简称3S),如能正确选择,可以获得良好的印刷效果。

o    锡膏质量

锡膏是回流焊工艺必需的材料,它是由合金粉末(颗粒)与糊状助焊剂(松香、稀释剂、稳定剂等)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;助焊剂则是去除焊接表面的氧化层,提高润湿性,是确保锡膏质量的关键材料。锡膏就重量而言,一般80%~90%是金属合金,就体积而言,金属与焊剂各占50%

保证锡膏的质量主要从存储和使用两个方面来体现,锡膏一般贮存在0~10之间(或按厂家要求贮存)。使用方面,锡膏的使用环境一般要求SMT车间的温度为25±3,湿度为:50±10%(与锡膏的特性有关),使用时要按先进先出的原则,并做好取用记录,保证回温时间大于四小时,使用前需进行充分的搅拌,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内外盖子,印刷后确保在2小时以内完成回流焊接。

o    钢网设计

钢网的主要功能是将锡膏准确的涂敷在PCB的焊盘上。钢网在印刷工艺中是必不可少的,它的好坏直接影响锡膏印刷的质量。目前钢网主要有三种制作方法:化学腐蚀、激光切割、电铸成型。钢网设计主要的控制点有以下几个方面:

   a.钢片厚度:为保证锡膏印刷量和焊接质量,钢网表面必须平滑均匀,钢片厚度的选择应根据PCB板上管脚间距最小器件来决定;钢片厚度与最小Pitch、元件大小值的关系可参考表1所示。

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b.
开口设计:开口为喇叭口向下成梯形截面孔,光滑,无毛刺。
宽厚比=开孔的宽度/钢网的厚度(针对Fine-PitchQFP IC 等细长、条装管脚类器件适用);面积比=开孔底面积/开孔孔壁面积(针对04020201BGACSP之类的小管脚类器件适用)(如图5)。[3]

c.防锡珠处理0603及以上CHIP元件,为了有效地防止回流焊接后焊锡珠的产生,其钢网开孔应做防锡珠处理。对于焊盘过大的器件,建议采用网格分割,防止锡量过多。

d.钢网MARK点的要求:钢网B面上需制作至少三个MARK点,钢网与印制板上的MARK点位置应一致。需有一对对角线距离最远的MARK点,提高印刷精度。制作方式为正反面半刻,图形清晰。
e.
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。

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o    刮刀

不同硬度材质和形状的刮刀对印刷质量有一定的影响,一般使用镀镍的钢刮刀,60度的刮刀使用较普遍。如有通孔元器件建议使用45度的刮刀,可以增加通孔元件的锡量。

o    印刷参数

印刷参数主要包括刮刀速度、刮刀压力、钢网脱膜速度、钢网清洗模式和频率等,刮刀与钢网的角度,以及锡膏的粘度之间存在一定制约关系,因此,只有正确控制这些参数,才能保证锡膏的印刷质量。一般而言, 刮刀速度慢,可得到较好的印刷品质, 但可能会导致锡膏形状模糊,速度太慢还会影响生产效率;如果刮刀速度过快,可能导致锡膏无足够的时间填入网孔,造成锡膏量不足。刮刀压力过高会导致网孔内的焊膏被拖出而造成少锡,还会加速钢网和刮刀的磨损,压力过低则导致锡膏印刷不完全。因此,在锡膏能够保持正常滚动的状态下,尽可能提高速度,并配合调整刮刀压力,以达到良好的印刷质量。脱膜速度过快会造成印刷锡膏拉尖或成型不良,速度太慢会影响生产效率。钢网清洗模式和频率如设置不当会造成钢网清洗不干净,窄间距产品容易连锡或钢网堵孔少锡。[4]

o    设备精度

在印刷高密度、窄间距产品时,印刷机的印刷精度和重复印刷精度也会影响锡膏印刷的稳定性。

o    PCB支撑

PCB支撑是锡膏印刷的重要调试内容,如果在印刷过程中PCB缺乏有效的支撑或支撑不合理,会造成印刷锡膏偏厚或不均匀。布置PCB支撑要平整,均匀,确保在印刷时钢网能够紧贴PCB。有条件的可以制作顶针模板或支撑载具。

回流焊接

正确设置回流焊温度曲线,是确保焊点焊接质量的保障。一个好的回流焊曲线要求对所要焊接的PCB板上的各种贴装元器件都能够达到良好的焊接,焊点不仅要具有良好的外观品质而且还要有良好的内在品质。如果升温斜率速度太快,一方面,会导致元器件及PCB受热太快,易损坏元器件,还会造成PCB变形;另一方面,锡膏中的熔剂挥发速度太快,容易溅出金属成份,产生焊锡球;峰值温度一般设定比锡膏熔点高30~40左右较好,如温度太高,回流时间太长会造成热敏感元件或元件塑胶本体损坏,反之会导致锡膏熔融不充分无法形成可靠的焊点。为了增强焊接质量,避免元件的氧化问题,有条件的可以使用氮气回流焊。回流曲线设置的依据一般主要参考以下几个方面[5]

a.    根据所使用的锡膏推荐的温度曲线进行设置。锡膏的成分决定了其活化温度及熔点。

b.    根据热敏感元件和贵重元件的热性能参数,还要考虑特殊元器件的最高焊接温度等限制。

c.    根据PCB板材、尺寸大小、厚度和重量来设定。

d.    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

 

总结

影响SMT焊接质量的影响因素有很多,如元器件可焊性、PCB质量、PCB焊盘设计、锡膏质量、印制电路板的加工质量、SMT生产设备状况、SMT每道工序的工艺参数,以及操作人员的操作技能等都有密切的关系。其中,元器件和PCB及锡膏质量与PCB设计是保证回流焊质量的基础,因为这些问题导致的焊接缺陷在生产过程中,通过工艺方法是很难甚至是无法解决的。因此,要提高和保证良好的焊接质量,前提是需要控制好来料质量和良好的PCB焊盘设计,对锡膏印刷、贴装、回流焊的每道工序的工艺参数进行管控和优化,并制定完善的生产工艺流程。

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