微电子表面贴装关键技术与装备

2013-08-15张雍蓉

电子工业专用设备 2013年6期

张雍蓉，刘昊

(1.南京莱斯信息技术股份有限公司、江苏南京 210007；2.中国电子科技集团公司第五十五研究所江苏南京210016)

微电子表面贴装技术（SMT）作为新一代电子组装技术已经得到长足的发展，在许多方面已经完全取代传统的电子组装技术。SMT 以自身的特点和优势，使电子组装技术产生了根本的、革命性的变革，并在应用过程中不断地发展完善。新型混装焊接工艺技术不断出现，如选择性焊接、通孔回流焊和使用屏蔽模具等，可以保护表面贴装元件来实现对通孔元件焊接，大幅度降低生产工序和周期时间。较以往波峰焊接不能在焊接面分布高密度、细间距贴片元件，桥接、漏焊较多，需喷涂助焊剂，印制板受到较大热冲击翘曲变形等，都有了较大的进步。

1 通孔回流焊技术

通孔回流焊技术是在印制板完成贴片后，使用一种安装有许多针管的特殊模板，调整模板位置使针管与插装元件的过孔焊盘对齐，使用刮刀将模板上的焊膏漏印到焊盘上，然后安装插装元件，最后插装元件与贴片元件一起通过回流焊，热风气流通过特制的模板上喷嘴，在一定的温度曲线下，将印刷在PCB 上元件孔位处的焊膏熔化，最后冷却，形成焊点。通孔回流焊相对于传统工艺的优越性：首先是减少了工序，省去了波峰焊这道工序，在费用上自然可以节省不少，同时也减少了所需的工作人员，在效率上也得到了提高；其次回流焊相对于波峰焊，产生桥接的可能性要小得多，这样就提高了一次通过率。通孔回流焊相对传统工艺在经济性、先进性上都有很大优势。通孔回流焊接技术起源于日本SONY 公司，20世纪90年代初已开始应用，但它主要应用于SONY 自己的产品上，如电视调谐器及CD Walkman。

通孔回流焊在很多方面可以替代波峰焊来实现对插装元件的焊接，特别是在处理焊接面上分布有高密度贴片元件（或有细间距SMD）的插件焊点的焊接，这时传统的波峰焊接已无能为力，另外通孔回流焊能极大地提高焊接质量，这足以弥补其设备昂贵的不足。通孔回流焊的出现，对于丰富焊接手段、提高线路板组装密度（可在焊接面分布高密度贴片元件）、提升焊接质量、降低工艺流程，都大有帮助。

1.1 选择性焊接技术

选择性焊接是与波峰焊比较而言得来的，两者间最明显的差异在于波峰焊中PCB的下部完全浸入液态焊料中，而在选择性焊接中，仅有部分特定区域与焊锡波接触。由于PCB 本身就是一种不良的热传导介质，因此焊接时它不会加热熔化邻近元器件和PCB 区域的焊点。在焊接前也必须预先涂敷助焊剂。与波峰焊相比，助焊剂仅涂覆在PCB 下部的待焊接部位。选择性焊接包括拖焊工艺，浸焊工艺。

1.1.1 拖焊工艺

选择性拖焊工艺是在单个小焊嘴焊锡波上完成。拖焊工艺适用于PCB 上非常紧密的空间进行焊接。如个别的焊点或引脚，单排引脚能进行拖焊工艺。PCB 以不同的速度及角度在焊嘴的焊锡波上移动达到最佳的焊接质量。为保证焊接工艺的稳定，焊嘴的内径小于6 mm。焊锡溶液的流向被确定后，为不同的焊接需要，焊嘴按不同方向安装并优化。机械手可从不同方向，即0°～12°间不同角度接近焊锡波，于是用户能在电子组件上焊接各种器件，对大多数器件，建议倾斜角为10°。

与浸焊工艺相比，拖焊工艺的焊锡溶液及PCB板的运动，使得在进行焊接时的热转换效率就比浸焊工艺好。然而，形成焊缝连接所需要的热量由焊锡波传递，但单焊嘴的焊锡波质量小，只有焊锡波的温度相对高，才能达到拖焊工艺的要求。通常焊锡温度为275～300℃，拖拉速度10～25 mm/s 通常是可以接受的。在焊接区域供氮，以防止焊锡波氧化，焊锡波消除了氧化，使得拖焊工艺避免桥接缺陷的产生，这个优点增加了拖焊工艺的稳定性与可靠性。

单嘴焊锡波拖焊工艺不足之处在于：焊接时间是在焊剂喷涂、预热和焊接3个工序中时间最长。并且由于焊点是一个一个的拖焊，随着焊点数的增加，焊接时间会大幅增加，在焊接效率上是无法与传统波峰焊工艺相比的。但情况正发生着改变，多焊嘴设计可最大程度地提高产量。

1.1.2 浸焊工艺

浸入选择焊系统有多个焊锡嘴，并与PCB 待焊点是一对一设计，虽然灵活性不及机械手，但产量却相当于传统波峰焊设备，设备造价相对机械手也较低。根据PCB的尺寸，可以进行单板或多板并行传送，所有待焊点都将以并行方式同一时间内完成助焊剂喷涂、预热、和焊接。但由于不同PCB 上焊点的分布不同，因而对不同的PCB 需制作专用的焊锡嘴。焊嘴的尺寸尽可能大，保证焊接工艺的稳定，不影响PCB 上的周边相邻器件，这一点对设计工程师讲是重要的，也是困难的，因为工艺的稳定性可能依赖于它。

使用浸入选择焊工艺，可焊接0.7～10 mm的焊点，短引脚及小尺寸焊盘的焊接工艺更稳定，桥接可能性也小，相邻焊点边缘、器件及焊嘴间的距离应大于5 mm。

1.2 使用屏蔽模具波峰焊接工艺技术

为了解决传统波峰焊接技术无法应对焊接面细间距以及高密度贴片元件的焊接，目前采用更多的是：使用屏蔽模具遮蔽贴片元件来实现对焊接面插装引线的波峰焊接。

使用屏蔽模具波峰焊接技术的优点：

（1）实现双面混装PCB 波峰焊生产，能大幅提高双面混装PCB 生产效率，避免手工焊接存在的质量一致性差的问题；

（2）减少粘贴阻焊胶的准备时间，提高生产效率，降低生产成本；

（3）产量相当于传统波峰焊。

屏蔽模具材料：

（1）制作模具必须防静电，常见材料为：铝合金，合成石（国产/ 进口），纤维板。黑色合成石或者可能会使波峰焊传感器灵敏度降低，建议尽量不要使用。

（2）制作模具基材厚度。根据机盘反面元件的厚度，选取5～8 mm 厚度的基材制作模具。

模具工艺尺寸要求：

（1）模具的外形尺寸：模具的长与宽分别等于PCB的长与宽加上60 mm的载具边的宽度，且模具宽度必须≤350 mm，当PCB 宽度小于140 mm时，可以考虑在同一模具同时放置两块PCB 焊接。

（2）工艺边离边缘8 mm，另外两边贴近边缘地方加装10 mm 宽、10 mm 高的电木条，以增加模具的强度，减少模具变形。

（3）每个加强档条上必须使用螺丝固定，螺丝与螺丝的间必需在150 mm 以下。

（4）在模具制作完成后，需在四周且间距100 mm 以内安装压扣(固定PCB 于模具上)，且须注意几点：①旋转一周不碰触到零件；②不影响DIP 插件；③能将PCB 稳固于模具。

（5）模具的4个角要开成R5 mm 圆角。

（6）模具上的PCBA 在过锡炉时，有些零件受锡波的冲击会产生浮高，因此对一些容易浮高的零件采用压件的方法来解决。目前主要采用的方式：①金属铁块压件；②模具上安装压扣压件；③制作防浮高压件治具压件。

2 SMT 印刷设备

焊膏印刷是SMT 生产工艺中的首道工序，对SMT 生产的产量和质量都会有至关重要的影响，目前焊膏印刷设备有以下几个发展方向：

（1）新型的模板印刷设备正朝双路输送板印刷方向发展。为了提高生产效率，尽量减少生产占地面积，新型的SMT 模板印刷设备正从传统的输送、印刷单路的PCB 朝双路PCB的输送、印刷方向发展，这适应了双路贴装和焊接的需要。这种新型的印刷设备在保留印刷机主要性能的基础上，将传统的输送和印刷单路结构改为双路结构，可以进行双路PCB的输入、定位、校正、印刷、检测和输送，其生产效率比单路结构的印刷机提高50%以上。

（2）新型的模板印刷设备正朝智能化方向发展。新型的MPM模板印刷设备利用改进的视觉算法，可以更快速、更准确地将模板与PCB 对准，改进后的运动加速度曲线可以提高各轴的运动精度和重复精度。采用四轴同时驱动，速度控制的功率提高了，在智能化软件的控制下，多种印刷动作同时运作，从而使生产效率也得到提高。这种设备具有独特的Y 轴PCB 定位装置和Z 轴PCB 定位夹具，可在连续印刷时提供良好的支撑，再配以自动焊膏点涂装置、环境控制装置和在线SPC 数据采集系统，可提供高质量、高效率的模板印刷。

（3）焊膏工作环境由开放向封闭发展。在传统的焊膏印刷过程中，焊膏长时间暴露在开放环境下是引起印刷缺陷的重要原因。目前已经有设备厂家推出的ProFlow 封闭挤压式印刷头可有效解决上述问题。与焊膏在开放的环境中滚动不同，ProFlow中的焊膏被装在密封的印刷头中，只有开孔焊膏才与网板接触，标准焊膏封装夹筒不断地通过压力来填充焊膏，并提供动压力，使焊膏进入开孔。这一ProFlow 技术从根本上消除了影响焊膏印刷的最大变量因素，使用户无需考虑印刷时间歇或机器工作时间等情况，从而得到满意的效果。

（4）由漏印向喷印发展。毫无疑问，焊膏喷印技术是最近几年SMT 设备领域中出现的最具革命性的新技术。它一改传统的丝网漏印模式，采用类似喷墨打印机的喷涂方式，并应用在最新推出的MY500焊膏喷印机上，机器以每秒500点的速度在电路板的焊盘上滑动喷印，焊膏通过一个螺旋杆进入到一个密封的压力舱，然后由一个压杆压出。由于无需网板，使它具备众多优点，极大地减少了生产转换和交货的时间。如同计算机的喷墨打印机一样，MY500分为三部分：喷印机本身，喷印头和焊膏盒，以及离线编程软件。焊膏盒更换很快，就如同喷墨打印机更换墨盒一样容易。虽然容量只有100 g，但是焊膏装在密封容器内，几乎没有损耗，实际使用下来非常节省。MY500 不需钢板、清洗剂、擦拭纸、焊膏搅拌机等的辅助下，仍可承担繁重的生产任务，作用很大。MY500 还以其速度闻名，它采用有专利的JetPrinting Technology 以每秒500点的速度喷涂焊膏，也就是每小时1 800 000个点。配有便于使用的触摸屏界面，触摸屏位于喷印机侧面，在喷印机设置过程提供操作指导。可以直接从多种格式CAD 文件中转化并生成喷印程序，编程效率大幅度提升。在生产过程中，不必再调整刮刀压力、速度或其他的丝网印刷参数。因为程序完全由软件控制，可以根据需要随时调整焊膏量，控制每个元件或个别焊盘的焊膏量，而这在传统丝网印刷机中是无法实现的。正因为焊膏喷印技术具有众多优点，所以一经推出，就吸引了很多业内人士的注意，可以预计焊膏喷印会成为今后焊膏涂覆技术发展的一个方向。

3 SMT 贴片设备

贴片设备是SMT 生产线中至关重要的设备，通常占到整条SMT 生产线投资的60%以上，所以贴片设备的发展最引人注目，目前有以下发展趋势：

（1）朝高效率双路输送结构方向发展。新型贴片机为了更高地提高生产效率，减少工作时间，正朝高效率双路输送结构方向发展。双路输送贴片机在保留传统单路贴片机性能的基础上，将PCB的输送、定位、检测、贴片等设计成双路结构。这种双路结构贴片机的工作方式可分为同步方式和异步方式。同步方式是将两块大小相同的PCB 由双路轨道同步送入贴装区域进行贴装，异步方式则是将不同大小的PCB 分别送于贴装区域。这两种工作方式均能缩短贴片机的无效工作时间，提高机器的生产效率。

（2）朝高速、高精密、多功能、智能化方向发展。贴片机的贴装速度、精度与贴装功能一直是相对矛盾的，新型贴片机一直在努力朝高速、高精密、多功能方向发展。由于表面贴装元器件（SMC/SMD）的不短发展，其封装形式也在不断变化。新的封装如BGA、FC、CSP 等，对贴片机的要求越来越高。美国和法国的贴片机为了提高贴装速度采用了“飞行检测”技术，贴片头吸片后边运行边检测，以提高贴片机的贴装速度。德国Siemens 公司在其新的贴片机上引入了智能化控制，使贴片机保持较高的产能下有最低失误率，在机器上有FC Vision 模块和Flux Dispenser 等以适应FC的贴装需要。日本Yamaha 公司在新推出的YV88X 机型中引入了双组旋转贴片头，不但提高了集成电路的贴装速度，而且保证了较好的贴装精度。

（3）高速贴片机朝多悬臂、多贴装头方向发展。在传统拱架式贴片机中，仅含有一个悬臂和贴装头，这已不能满足现代生产对速度的需求，为此，人们在单悬臂贴片机基础上发展出了双悬臂贴片机，例如环球的GSM2、Siemens的S25 等，两个贴片头交替贴同一块PCB，在机器占地面积变化不大的情况下，成倍提高了生产效率。为了进一步提高生产效率，人们又在双悬臂机器的基础上推出了四悬臂机器，如Siemens的HS60、环球的GC120、松下的CM602、日立的GHX-1 等，都是目前市场上主流高速贴片机型。多悬臂机器已经取代转塔机的地位，成为今后高速贴片机发展的主流趋势。

（4）朝柔性连接模块化方向发展。新型贴片机为了增强适应性和使用效率朝柔性贴装系统和模块化结构发展。日本Fuji 公司一改传统概念，将贴片机分为控制主机和功能模块机，根据用户的不同需求，由控制主机和功能模块机柔性组合来满足用户的需求。模块机有不同的功能，针对不同元器件的贴装要求，可以按不同的精度和速度进行贴装，以达到较高的使用效率；当用户有新的要求时，可以根据需要增加新的功能模块机。

模块化的另一个发展方向是功能模块组件，具体表现在：将贴片机的主机做成标准设备，并装备统一标准的机座平台和通用的用户接口；将点胶贴片的各种功能做成功能模块组件，用户可以根据需要在主机上装置所需的功能模块组件或更换新的组件，以实现用户需要的新的功能要求。如美国环球公司的贴片机，在从点胶到贴片的功能互换时，只需将点胶组件与贴片组件互换。这种设备适合多任务、多用户、投产周期短的加工企业。

4 SMT 焊接设备

4.1 再流焊设备

再流焊设备正朝着高效率、多功能、智能化方向发展，主要表现在以下几个方面：

（1）具有独特的多喷嘴气流控制的再流焊炉。为了更好地控制再流焊炉内的温度，以达到较好的焊接效果，ERSA 公司的新型再流焊炉在炉内安装了独特的多喷嘴气流控制装置，热气流通过喷嘴喷出，在周围形成微小循环，以提供最佳的温度分布。该设备采用区域分离体系，每个区域内气流速度、气流方向、空气量和空气温度均由专用软件进行控制，以达到热风强制全面对流效果。

（2）带局部强制冷却的再流焊炉。新型再流焊炉在炉内再流焊区域的底部或冷却区上部增加了强制快速冷却装置，采用分段控制方式约束冷却的速度。再流焊区域的底部强制冷却是为了保证双面SMT的再流焊效果，使双面再流焊的PCB，在再流焊接区域内板的两面具有30℃以上的温差，以优化工艺；冷却区增加的强制快速冷却装置，确保SMT 板的良好焊接，得到优化的再流焊曲线。

（3）可以监测元器件温度的再流焊炉。美国BTU 公司的一种新型再流焊采用了自适应智能再流技术（AIRT），这种再流焊炉在再流焊过程中可以监测PCB 上元器件的温度变化，它只测量用户在每个PCB 上选定点的温度。炉内的智能温度摄像头可监视板上的元器件、焊膏的实际温度情况，识别温度变化，判断对产品质量的影响程度，为操作人员提供数据。这种实时监测避免了再流测试板所需的设置时间。

（4）带有双路输送装置的再流焊炉。随着PCB的厚度越来越薄和“邮票”板的大量使用，特别是PCB的厚度向0.2～0.4 mm 发展，对再流焊炉输送板稳定性的要求越来越高。新型的再流焊炉在输送轨道的中间安装了可伸缩中心支撑装置。这个装置在控制程序的控制下，需要时起支撑作用，不需要时自动移到一边，这样即可以保持炉内整个输送长度的稳定性，又可以很快地改变停机时间，提高生产效率。

4.2 波峰焊设备

波峰焊机在混合装联和双面SMT 中应用广泛，其新发展主要表现在以下几个方面：

（1）无助焊剂的波峰焊机。随着人们对环保意识的增强，满足PCB的洁净度、焊接质量以及CFC替代物严格要求的关键是在波峰焊工艺中消除助焊剂。ERSA 公司的新型波峰焊机安装了一个在惰性气体环境内工作的超声波焊料波装置，以取代助焊剂涂覆装置。这种超声波在焊接前可以除去PCB表面的氧化物，PCB和元器件表面的氧化物由焊料中的声纳气窝效应（cavitation effect）去除。该系统工作的最大超声波频率为20 kHz，波幅为微米级，通过优化的几何波形设计可保证表面安装和通孔元器件有良好的可焊性。

（2）用氮气支持焊料波的波峰焊机。SOLTEC公司的新型波峰焊机采用Nitro Wave，以在基于纯氮气条件下发出形态特别的焊料波，增强可焊性，在焊接过程中没有浮渣，没有过量的助焊剂，没有氧化物，从而实现无缺陷波峰焊接。Nitro Wave 具有氮气支持的焊料波，其主波从四面溢流形成，流速快，产量高，重复性好，工艺稳定。PCB板面干净，Nitro Wave 由碎波适配器、主波分生器和氮气供应装置组成。

（3）选择性焊接。在传统的波峰焊接中，PCB的下部完全浸入液态焊料中，因此在PCB的焊接面不能分布引脚间距较密或者密度很高的贴片器件，以免造成连焊等缺陷。但由于各种原因，有时不得不在焊接面布置并不适合波峰焊接的贴片元件，这时在焊接过程中就需要专用的保护膜保护其它的表面贴装元件，同时贴膜和脱膜均需手工操作。为克服上述影响，选择性焊接应运而生。在选择性焊接中仅有部分特定区域与焊锡波接触，这样可避免对焊接面已焊接好的贴片元件造成影响。大多数应用中都可以在再流焊接之后采用选择焊接，这将成为经济而有效地完成剩余插装件的焊接方法，而且对于将来的无铅焊接完全兼容。选择性焊接工艺有两中不同工艺：拖焊工艺，浸焊工艺。

选择性拖焊工艺是在单个小焊嘴焊锡波上完成，其工艺适用于PCB 上非常紧密的空间进行焊接。如个别的焊点或引脚，单排引脚能进行拖焊工艺。PCB 以不同的速度及角度在焊嘴的焊锡波上移动达到最佳的焊接质量。为保证焊接工艺的稳定，焊嘴的内径小于6 mm。焊锡溶液的流向被确定后，为不同的焊接需要，焊嘴按不同方向安装并优化。机械手可从不同方向，或以0°～12°间不同角度接近焊锡波，用户可在电子组件上焊接各种器件，对大多数器件，建议倾斜角为10°。

浸入选择焊系统有多个焊锡嘴，并与PCB 待焊点是一对一设计的，虽然灵活性不及机械手，但产量却相当于传统波峰焊设备，设备造价相对机械手式也较低。根据PCB的尺寸，可以进行单板或多板并行传送，所有待焊点都将以并行方式同一时间内完成助焊剂喷涂、预热、和焊接。但由于不同PCB 上焊点的分布不同，因而对不同的PCB需制作专用的焊锡嘴。焊嘴的尺寸尽可能大，保证焊接工艺的稳定，不影响PCB 上的周边相邻器件，这一点对设计工程师讲是重要的，也是困难的，因为工艺的稳定性可能依赖于它。