SMT电子产品装配工艺技术的高质量与可靠性【标准】

                                                                                                   


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1．概述
电子产品装联是指用规定的电子元器件和零、部（组）经过电子及机械的装配和连接，使电子产品满足设计任务书要求的工艺技术。因此，没有一整套较为先进的、可操作性的电子装联工艺技术，是不可能保证电子装联的高质量和电子产品的可靠性。1.1 电子产品的分级按IPVJ-STD-001“电子电气组装件焊接要求”标准规定，根据产品最终使用条件进行分级。1级（通用电子产品）：指组装完整，以满足使用功能主要要求的产品。2级（专用服务类电子产品）：该产品具有持续的性能和持久的寿命。需要不间断的服务，但不是主要的。通常在最终使用环境下使用不会失效。3级（高性能电子产品）：指具有持续的高性能或能严格按指令运行的设备和产品，不允许停歇，最终使用环境异常苛刻。需要时产品必须有效，例如生产救治和其它关键的设备系统。1.2 电子装联工艺技术的主要内容电子装联涉及众多的工艺技术，如下图所示。随着电子技术的不断发展和新型元器件的不断出现，电子装联技术也在不断变化和发展。电子装联工艺的主要内容；2. 装联前的准备工艺元器件引线的可焊性检查可焊性是可锡焊性的简称，它是衡量元器件引线好不好焊接的重要特 性，是保证焊点质量，防止焊点缺陷的重要条件。可焊性检查的重要方法：（1） 焊槽法（垂直浸渍法）：（2） 焊球法（润湿时间法）：（3） 润湿称量法（GB2423、IPCJ-STD-002）2.2 元器件引线搪锡工艺为保证焊接质量，提高引线可焊性，元器件引线在装联前一般需进行搪锡处理，特别对3级电子产品。锡和锡铅合金为最佳的可焊性镀层，其厚度为5～7μm。镀金引线的搪锡（除金）：金镀层是抗氧化性很强的镀层，与SnPn焊料有很好的润湿性，但直接焊接金镀层时，SnPn合金对金镀层产生强烈的溶解作用，金与焊料中的Sn金属结合生成AuSn合金，其性能变脆，机械强度下降。为防止金脆现象出现，镀金引线在焊接前必须经过搪锡除金处理。IPC-J-STD-001D对镀金引线除金的规定：（1） 具有2.5μm或更厚金层的通孔元件引线至少95%的被焊表面；（2） 不管金层厚度的表面安装元件所有95%的被焊表面；（3） 镀有2.5μm或更厚金层的焊接端头表面经过二次搪锡工艺或波峰焊接，可用来去除金属。（4） 在印制板上化学浸镍金（ENIG）的表面镀层可以免除这一要求。2.3 元器件引成型工艺元器件引线在安装前应根据产品技术要求和安装位置，预先弯曲成形。成型后的元器件既便于安装，又利于消除应力，提高安装质量和效率，又能加强元器件安装后的抗震能力。引线成形的工艺要求（1） 引线成形一般应有专用工具或设备完成。SMD引线成形必须由专用工装完成；（2） 保持一定的弯曲半径，以消除应力影响；（3） 保持元器件本体或熔接点到弯曲点的最小距离至少为一倍的引线直径，但不得小于0.8mm。（4）引线成形后的尺寸与PCB安装孔孔距相匹配；（5）引线直径大于1.3mm时，一般不可弯曲成形，小于1.3mm的硬引线（回火处理），也不允许弯曲成形。（6）成形不当或不符合要求时，原弯曲半径在1～2倍引线直径内，可以矫直后在原处再弯曲一次。2.4 PCB组装前的预处理（1）PCB的复验·外观质量·基本尺寸·金属化孔·可焊性·电路通断（2）组装前要求·贮存·包装·组装前预烘去湿3印制电路板组装工艺3.1元器件通孔插装（TH.T）（1）安装原则元器件在PCB上安装的形式多样，但都必须符合产品质量和可靠性要求，必须遵守有关原则：a．元器件安装应满足产品力学和气候环境条件的要求；b．疏密均匀、排列整齐、不允许立体交叉和重叠；c．轴向引线元器件必须平行于板面安装，非轴向引线的元器件原则上不得水平安装；d．元器件之间要保持合理的安全间隙或套套管；e．大质量元器件的加固；f．大功率元器件的散热和悬空安装；g．热敏元器件安装，应远离发热元件或隔热措施；h．静电敏感元器件安装，采取防静电措施；i．元器件安装后，不得挡住其它元器件引线，以便于拆装、清洗；（2）安装次序先低后高、先轻后重、先非敏感元器件后敏感元件、先表面安装后通孔插装、先分立元器件后集成电路。（3）安装要求a．安装高度要符合产品防震、绝缘、散热等要求及设计文件要求；b．元器件加固要求：7g、3.5g及设计工艺文件的规定；c．接线端子、铆钉不应作界面或层间连接用，导通孔（金属化孔）不能安装元器件；d．一孔一线，孔径与引线直径的合理间隙e．空心铆钉不能用于电气连接；f．元器件之间有至少为1.6mm的安全间距；g．如底面无裸露的电路(印制导线)；元件可贴板安装(玻璃二极管除外),如底面有裸露电路,至少有0.25mm间距,最大为1mm.
h．元器件安装应做到不妨碍焊料流向金属化孔另一面；i．跨接线应看作轴向引线元件,并符合轴向引线元件的安装要求;j．双列直插IC安装在导电电路上时,元器件底面离板面的间隙最大为1mm或肩高；k．陶瓷封装的双列IC安装后,引线可以弯曲(30°)每侧二根。(4)安装形式水平贴板安装,水平悬空安装,,立式安装(非轴向)支架固定,嵌入式安装(圆壳封装IC,有高度限制的元器件)(5)元器件插装方法1)手工插装(2)半自动插装(3)全自动插装3.2元器件表面贴装(SMT)(1)贴片胶的特征要求a.固化时间短,固化温度低；b.涂覆性能良好,稳定,不出现塌边；c.有一定的粘接强度；d.可在液态下储存却不影响使用性能；e.对任何材质的基板均可使用,没有腐蚀性；f.具有稳定的物理特性和电气特性；贴片胶成分:环氧树脂 63% 无机填料 30% 固化剂 4% 无机颜料 3%(2)焊膏的特性要求a.具有优异的保存稳定性；b.具有良好的印刷性(流动性、脱板性、连续印刷性等)；c．在一定时间内对SMC/SMD持有一定的粘合性；d．焊接后，能得到良好的结合状态（焊点）；e．焊剂成分，具有高绝缘性，低腐蚀性；f．焊后焊剂残渣有良好的清洗性。焊膏成分：焊料合金（SnPb、SnPbAg等）活化剂（松香、三乙醇胺等）增粘剂（松香醇、聚乙烯等）溶剂（丙三醇、乙二醇等）摇溶性附加剂（石蜡软膏基剂）（3）焊料的特性要求a．其熔点比母材的熔点低；b．与被焊金属有良好的亲和性；c．焊料具有良好的机械性能；d．焊料和被焊金属经反应后不产生脆化相及脆性金属化合物；e．有良好的导电性；f．作为柔软合金能吸收部分热应力；g．适合自动化生产。（4）焊剂的特性要求a．具有一定的化学活性；b．具有良好的热稳定性；c．对焊料的扩展具有一定的促进作用；d．对焊料的和被焊金属润湿性良好；e．焊剂残渣对元器件和基板腐蚀性小；f．具有良好的清洗性；g．氯的含量在0.2wt%以下。（5）焊膏印刷工艺要求a．印刷时膏量均匀，一致性好；b．焊膏图形清晰，相邻图形之间不粘连，并与焊盘图形基本一致；c．焊盘上单位面积上焊膏量一般为0.8mg/m㎡，厚度一般为0.2～0.25mm，细间距为0.15mm左右；d．焊膏覆盖每个焊盘的面积应在75%以上，无明显塌落，错位不大于0.2mm，细间距不大于0.1mm；（6）贴装工艺要求a．贴装位置准确，元器件引脚或焊端至少有75%在焊盘上；b．贴片压力适当，对矩形片式元件应l力为450—1000Pa，对多引脚元器件，每根引脚承受的压力为10—40Pa；c．严格控制贴片胶或焊料膏的挤出量。贴片胶不能沾污焊盘和元器件引脚或焊端，焊膏挤出焊盘应小于0.2mm，细间距应小于0.1mm。3.3 元器件混合安装（MMT）元器件混合安装是目前大多数电子产品采用的主要组装工艺。混合安装的关键是根据产品的特点和设备配制情况，安排合理可行的工艺流程，具体操作工艺按通孔插装和表面安装的工艺要求进行。4. 印制电路板组装件的焊接工艺焊接是电子产品实现电气连接的基本手段，其焊接质量直接影响产品的可靠性。4.1 焊接机理分析电子产品的焊接属软铅焊的一种，俗称锡焊。它是利用比被焊金属熔点低的焊料，与被焊金属一同加热，在被焊金属不熔化的条件下，熔融焊料润湿金属表面，并在接触界面上形成金属间化合物，从而达到可靠的电气连接。焊料的润湿和润湿力SnPb+Cu CubSn5/Cu3Sn+Pb金属间化合物（合金层）生成的条件：a．粘结力 > 表面张力 （润湿）；a．润湿角（接触角）θ< 90°（20-30°为良好润湿）；b．金属间的相互扩散（湿度、时间）；c．被焊金属与焊料之间的亲和力；d． 有一个清洁的接触表面4.2 焊接材料a．焊料：HLSn60Pb HLSn63Pb（GB 3131）无铅焊料（SnAg、SnAgCu、SnCu、SnZn等）共晶焊料配比：Sn61.9%、Pb38.1%b．焊剂：R、RMA、RA(GB 9491)\焊剂的化学作用：利用焊剂的活性，清除金属表面的氧化物。在达到焊接温度前焊剂充分地使金属表面的氧化物还原或置换，形成新的金属盐类化合物。以松香为例，对焊剂的化学作用进行分析。氧化铜 + 松香酸 松香酸铜松香酸铜 松香酸 + Cu（活性铜）松香酸铜 + SnPb 松香酸 + Cu - Sn -Pb（合金层）焊剂的物理作用：·降低焊料的表面张力，提高焊料润湿能力；·改善手工焊接的热传导；c．IPC标准（焊料焊剂）：
IPC-J-004 焊接助焊剂的要求IPC-J-005 焊膏的技术要求IPC-J-006 电子焊接使用的电子级焊料合金和助焊剂及无助焊剂的固态焊料电子产品的焊接主要有手工焊接、波峰焊接和再流焊接三种方法。下面主要讲述SMT再流焊接的质量分析。4.3 SMT再流焊接的质量分析（1） 焊盘设计a．对称性：两端焊盘必须对称，以保证焊料表面张力平衡；b．焊盘间距：确保元件焊端或引脚与焊盘合适的塔接尺寸；c．焊盘剩余尺寸：塔接后的剩余尺寸必须保证焊点能形成弯月面；d．焊盘宽度：应与元件焊端或引脚的宽度基本一致；e．导通孔：不能设计在焊盘上；（2） 焊膏质量及焊膏的正确使用a．控制金属微粉含量，以避免焊接时微粉随溶剂、气体蒸发而飞溅；b．控制金属粉末的含氧量，避免飞溅形成锡珠；c．控制粘度，粘度过低，焊膏图形会塌陷，甚至造成桥连；（3） 焊膏印制质量a．模板质量：模板厚度和开口尺寸确定焊膏的印刷量；b．焊膏质量：粘度、印刷性（转移性）、触变性（保形性）、常温下使用使用寿命；c．印刷工艺参数：刮刀速度、刮刀压力、刮刀与网板的角度；d．印刷精度：设备的精度要符合要求；e．对回收焊膏的使用和管理；（4） 贴装元器件质量a．元器件正确；b．位置正确：与焊盘尽量对齐、居中；c．压力合适：贴片压力要求元器件焊端或引脚不小于1/2厚度要埋入焊膏；（5） 再流焊接曲线设置的依据a．根据使用焊膏的温度曲线设置；b．根据PCB板的材料、厚度、层数、尺寸大小设置；c．根据组装元器件的密度、大小及有无BGA、CSP等特殊元器件设置；d．根据设备具体情况设置（加热区长度、炉子结构、热传导方式等）；e．根据温度传感器的实际位置确定各温区的温度；（6） 再流焊设备的质量要求a．温控精度：±0.1～0.2℃；b．传送带横向温差要求±5℃以下；c．传送带宽度要满足最大PCB尺寸要求；d．加热区长度越长，加热区数量越多，越容易调整和控制温度；e．上下加热区应独立控温，以便调整和控制；f．最高加热温度一般为300～350℃；g．传送带平稳（振动会造成位移、冷焊、立碑等缺陷）；h．应具备温度曲线测试功能；5. 清洗工艺PCB组装焊接完成以后的清洗是电子装联一项重要的工艺后处理技术。5.1 清洗剂（1）表面张力：表面张力越小，其润湿能力越好；（2）密度与沸点：密度越大的清洗液不易挥发，对降低成本，减轻对环境污染有好处。沸点高的清洗液完全性好，对提高清洗效果有利。（3）溶解能力：溶解能力（KB值）越大的清洗剂溶解焊剂残留物的能力越大；（4）最低限制值（TLV）：人体与清洗剂接触时能承受的最高限量值（安全指标），以PPM表示；（5）臭氧层破坏系数（ODP）；（6）经济性、操作性和安全性；5.2 清洗方法手工清洗超声波清洗（限制使用）气相清洗（禁止使用）水清洗和半水清洗5.3 清洁度检测：不同电子产品的清洁度要求见下表：
电子产品清洁度等级
电子产品总类、范围
清洗度标准
一级：军用及生命保障类
卫星、飞机仪表、潜艇通信、陆地通信设备、保障生命的医疗设备等
残留离子污染物含量：≤1.5μg/c㎡(NaCl)电导法测电阻率>2×106 Ω.Cm
二级：高级工业设备类
各种复杂的工业设备、计算机、中低档通信设备等
残留离子污染物含量：1.5～5.0μg/c㎡(NaCl)电导法测电阻率>2×106 Ω.Cm
三级：工业及医疗设备类
工业设备、非保障生命的医疗设备、低成本的外部设备
残留离子污染物含量：5.0～10.0/c㎡(NaCl)
四级：办公设备类
低成本仪器、仪表、办公设备、TV电路、音响等
残留离子污染物含量：>100μg/c㎡(NaCl)
五级：免清洗类
消费类电子产品、娱乐用品等

5.4 IPC有关清洗标准IPC-CH-65 印制板及组件清洗指南IPC-SC-60 焊接后溶剂清洗手册IPC-SA-61 焊接后半水溶剂清洗手册IPC-AC-62 焊接后水溶剂清洗手册IPC-TR-583 离子污染清洁度测试6 压接工艺技术压接是通过压力使导体间（压接端子和导线）形成永久性电气连接的一种工艺方法。6.1 压接机理6.2 压接件和压接工具（1）压接件的品种多样，但任何压接端子都由压接部分（压线筒）和外接部分组成导线 + 压接件 = 压接连接（2）质量检查的项目

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