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SMT貼片機可制造性設計應用研討會講義
來源:廣州煌牌自動設備有限公司    日期:2011-01-26    瀏覽量:

  SMT可制造性設計應用研討會講義

  1.0可制造性設計概念

  不論是您公司從事的是什么作品,不論您的顧客是內部或是外部顧客,他們對您的要求都可說是一致的。他們的要求都離不了三方面。即優良或致少滿意的品質、相對較低的成本(或價格)、和較短而及時的交貨期。而身為一個作品的設計人員,您對以上的三個方面是絕對有影響和控制才能的。目前新一代的設計師,他們的職責已不是單純的把作品的功能和性能設計出來所以簡單,而是必須對以上所提到的三方面負責,并做出項獻。

  為什么現今的管理對設計師在這方面的表現特別重視呢?主要是因為設計是整個作品壽命的第一站。在效益學的觀點上來說,問題越是能夠越早解決,其成本效益也就越高,問題對公司造成的損失也就越低,在電子生產管理上,曾有學者做出這樣的預測,即在每一個主要工序上,其后工序的解決成本費用為前一道工序的10倍以上,例如設計問題如果在試制時才給予更正,其所需費用將會較在設計時解決高出超過10倍,而如果這設計問題沒法在試制時解決,當它流到再下一個主要工序的批量生產時,其解決費用就可能高達100倍以上。此外,對于設計造成的問題,即便您廠內擁有最好的設備和工藝知識,也未必能夠很完善的解決。所以基于以上的原因,把設計工作做好是門很重要的管理。所謂把設計做好,這里指的是包括作品功能、性能、可制造性和質量各方面。

  SMT是門復雜的科技。因此目前的設計師也面對許多方面的壓力。身為一個STM作品設計師,他必須對很多方面如元件和組裝壽命等等數十種科目具備絕對的知識。許多這方面的問題都是以往插件技術中不必加以考慮和照顧的,但如今卻成了必備的知識。所以當今的設計師,他們應當具備的知識面,已不能像以往處理電子作品設計時的范圍一樣。而本講座中談到的DFM技術,也正是當今SMT設計師必備的知識之一。

  目前在工業界里,幾乎沒有人不談‘品質'管理的。先進管理觀念強調,品質不是制造出來,而應當是設計出來的。這觀念有其重要的地方,是使用戶從以往較被動的關注點(生產線上)移到較主動的關注點(設計上)。但說法不夠完善。嚴格和具體來說,品質既不是生產來的,也不是單靠設計來的,而應當是配合來的。好的品質是通過良好的設計(配合工藝和生產才能的設計),優良的工藝調制,和生產線上的工藝管制而獲得的。而這三者又是需有良好的品質管理理念、知識、系統和制度來確保的。

  要確保作品高而穩定的品質、高生產效率和低生產成本、以及準確的交貨時間,咱們的生產線必需要有一套所謂的‘堅固工藝’(RobustProcess)。而堅固工藝是必須通過設計、工藝才能、和設備性能之間的完好配合才能實現的。所謂堅固工藝,是指其對外界各種影它表現的因素的靈敏度很低。也就是說,對這些因素的大調整,其整體效果還是穩定不變或只限于合格范圍內的變動。

  在咱們計劃引進一條生產線時,咱們必須確保此生產線能處理咱們所要制造的作品范圍。但當咱們有了生產線后,咱們則應當盡力使咱們的作品設計,能適用于此生產線上制造。這便是可制造性設計的基本理念。

  ‘堅固的工藝’是相對的,所以一套設計規范也是有其針對性的。它在某一生產環境下(設備、管理、材料、工藝才能、品質標準)可能是‘堅固’的,但在另一個環境下卻可能變得不‘堅固’。因此,設計的好與不好,也是有它的特定性。用戶必須理解和牢記這一點。

  作品壽命,是另一設計上應當注重的地方。因為作品在服務期內會受到各種不同的環境壓力(如熱調整、機械振動等等),作品的設計必須確保在這方面能經得起使用環境中會遇上的各種壓力。另一個要照顧到的是制造方面,可制造性和壽命有什么關系?一個設計得非常難組裝的作品,其對服務壽命的威脅一般也較大,而制造工藝上的小調整常常也會縮短其服務壽命。例如一個熱處理做得不好的設計其制造過程中所受到的焊接熱沖擊會較大,因溫差較大使焊點的可靠性也不簡單得到保證。這就影響了此作品的壽命。

  作品壽命的設計考慮,始于對作品壽命的定義。設計人員應當定下和壽命有關的一切條件,如壽命期(多少年?)、允許的故障率、故障定義、維修保養政策、使用環境條件、驗證技巧等等。再從使用環境條件的定義下設計作品的壽命考試技巧、選擇元件材料、選擇設計規范,并通過壽命考試來驗證設計和開發工藝等等。

  影響壽命的因素很多,可分為主因素和次因素兩大類。主因素如元件引腳種類、元件的大小、元件和基本的匹配等等,這些對壽命的影響較明顯嚴重。次因素雖然單獨的影響不是很明顯嚴重,但幾種次因素的作用加起來,其整體作用也能夠是相當可觀的。這方面的例子如焊點的形狀、成品的保護涂層(conformalcoating)、基板的外形比等等。在影響作品壽命的種種因素之中,熱處理的考慮應當算是SMT應用中最重要的一部分。因為在SMT應用上,許多和壽命有關的問題都是和熱處理有關。它同時也是影響可制造性的重要因素,所以在熱問題的考慮上,用戶應當同時兼顧到制造工藝上和作品壽命上的問題。另外一個對熱處理關注的原因,是絕大多數使用在電子作品上的,他們的性能都會隨溫度(即關系到熱處理)而發生調整的,輕則性能不穩定,重則可能失效(暫時性)或甚至被損壞(永久性)。

  咱們理解到設計規范對咱們的作品壽命(即質量)、成本和交貨期都有影響,那咱們該采用什么設計規范或標準呢?咱們能夠發現,公開市場上有不少類似IPC等機構推薦的設計標準。他們之間都有差別,加上各大電子廠也都有自己本身的一套規范,標準可謂五花八門。他們之中那一個較好呢?為什么大電子廠采用如IPC這類世界有聲望機構推薦呢?而咱們是否能夠采用呢?起初咱們必須理解和認同的一點,是SMT工藝是門復雜的科技學問,在SMT應用工作中,常出現一個問題現象是由無數因素聯合形成的這一現象。而有效的解決這些問題,有賴于咱們對整體的配合才能。這是所謂的技術整合。因為因素眾多,也隨時間在改變,所以要找到兩家完全一樣的工廠的機會是很微小的。既然設計規范優化情況下是必須配合工藝和設備才能等方面的,也就是說設計標準都有其范圍,越是要優化適用范圍就越小。所以如果要很好的使用設計來解決問題,一套適用于本身的規范標準是必須按本身持有的條件而開發的。


  作品開發,應當將它當成是整個技術整合的一部分,而不是單獨的作品開發工作。把整個技術合成一起管理,才能真正做到最優化程度,才有可能朝向‘無缺陷’或‘零缺陷’方向發展。在作品開發的初期,設計小組應當將作品的品質和壽命要求定下,如果廠內開發多種作品,有需要時能夠按他們之間的不同分成幾個檔次。各檔次都有對應的設計規范和工藝、材料規范來配合。這些規范能夠是以前開發驗證過的經驗,也能夠是為了應付新需求而開發的新規范。如果是新規范,設計方面也必須確保能夠給予配合,有需要是或是引進新設備,或是提升改進現有的設備。配合設計和工藝規范的設備再通過如TPM等的先進管理,來確保其穩定性的可靠性。同時在不斷標定的設備才能工作中使設計規范穩定的標準化。在另一方面,材料的規范化也應當推出對應的供應商選擇和管制系統。通過對供應商才能的要求和評估來確保對工藝和材料方面的配合。廠內的技術水平,因為直接決定廠內的工藝管制才能,也是個必須注意、檢測和調整的方面。


  因為當今設計工作范圍和職責的改變,以及為了應付日趨強烈的開發時間壓力,標準化和資訊管理成了非常重要的管理工作。對設計軟件的要求,也不像以往那樣注重現有的數據庫,而是較注重軟件的更改和兼容才能。對于CAD和PDM等管理軟件和數據方面的結合也進行越來越被重視了。目前作品的更改頻繁,作品的市場壽命較短等現象,使得許多工廠誤入歧途,過分的注重生產線的靈活性或柔性,而忽略了相等重要的穩定性。標準化的推行,能夠在這兩者之間獲得一個很好的平衡。適當的標準化有許多成本、質量和效益上的優勢,但太多或不當的標準對柔性和設計空間起了限制,所以用戶必須培養才能來維持這兩者的平衡。

  2.0工藝和設計的關系

  所謂SMT技術,指的是有關如何將基板、元件通過有效工藝材料和工藝組裝起來,并確保有良好壽命的一門科技。這其中便有許多種不同的組裝形式和對應的工藝做法。因為各種方式都有其優缺點和不同的工藝,設計師對這方面知識的吸收也就成了一件重要的工作。例如說單面全SMT元件回流焊接技術的組裝板,便具有外形薄和組裝工藝較簡單的優勢。但其組裝密度還不是很高,以及不能采用插件可能是其應用限制。而目前最多被采用的雙面混裝技術,具有密度較高,能混合采用SMD和插件,能發揮質量和成本之間的平衡利益。但卻含必須處理兩道焊接程序的弱點。諸這樣類的認識,設計師都應當擁有,才能在其工作上發揮。所以要成為一位非常出色的設計工程師,努力學習組裝工藝方面的知識的是重要的。詳細的工藝不在本講座的范圍之內,咱們接下來談談部分常用工藝和設計方面的關系。從以下的例子中能夠更好的理解到設計工作在整體SMT應用中的重要性。

  2.1錫膏絲印工藝

  這最常見的工藝包括4個主要工序,分別為對位、充填、整平、和釋放。要把整個工作做好,在基板上有絕對的要求。基板必須夠平,焊盤間尺寸準確和穩定(即便在經過焊接工作的高溫處理后),焊盤的設計應當配合絲印鋼網,并有良好的基準點設計來協助自動定位對中,此外基板上的標簽油印不能影響絲印部分,基板的設計必須方便絲印機的自動上下板,外形和厚度設計不能影響絲印時所需要的平整度等等。這些都必須經過設計師的考慮。

  另外常見的問題是基板上的綠油(阻焊涂層)印刷不斷或太厚,銅焊盤的保護處理選擇不當(例如在微間距應用上采用垂直熱風整平VHASL處理,雙回流應用中采用不當的OSP等等)都應當在設計時給予適當的考慮和處理。

  絲印鋼網的設計,有些工廠目前還是和焊盤設計分開考慮和進行的。這是種不當的做法。這兩者是息息相關的,其設計指標應當同時考慮和進行。常見的問題是鋼網的開孔被設計為比焊盤CAD數據稍為小些,同時在CAD數據上有允許焊盤在CAD數據上有個較小的公差(例如允許有+/-0.05mm值)。這使得在絲印鋼網上的縮小失去其實用意義。準確的做法應當是要求基板上焊盤的尺寸公差定為如-0.0,+0.05(即只允許比CAD大而不允許小)的范圍。鋼網設計和制造能夠由工藝或生產部門人員來執行,但必須和設計部的焊盤設計一塊考慮。

  2.2點錫膏工藝

  如果廠內采用的錫膏涂布工藝注射是方式的,在基板上的焊盤設計又和絲印有所不同。例如焊盤的長度應當受到更短的限制,銅焊盤的防氧化處理要求更嚴格。但對綠油的要求卻不高。對于不同元件封裝也應當有個別的考慮。例如J引腳的PLCC元件,如果采用一般的做法在每一焊盤上分點兩點錫膏,則有可能在回流前錫膏和引腳的接觸不良,引起引腳發生位移的問題。如果采用點3錫點的方式,則又浪費寶貴的生產時間。所以焊盤的尺寸設計因給予更改,要求對元件封裝進行較嚴格的范圍控制,同時將焊盤加寬和縮短以達到能采用單一錫點的工藝。


  對于采用不同的泵技術,焊盤設計也有絕對的不同,所以設計師嚴格對各中泵的性能和特點有足夠的理解。致少對本身廠內所使用的技術應當有足夠的理解。

  2.3黏膠應用

  目前較常用的有點膠和印膠工藝。點膠工藝中有各種的注射泵技術,還有適用于非常高產量的針印工藝。目前更發展出新一代的噴射工藝。印膠工藝方面的做法則和錫膏的絲印很相似。

  各種的泵在膠點的量控制才能和點出的膠點外形上也有不同,這是設計和工藝人員應當理解和注意到的。例如在同一直徑膠點的高度上,采用針印工藝的高度就來得低些,噴射工藝最高,而鞭他的泵則處于他們之間。這些調整也就影響了設計工作。例如在元件外形和尺寸不變的情況之下,為了確保膠點能對元件的底部有足夠的接觸面。采用針印工藝的膠點虛設銅盤的寬度就應當較大,以處理更大的膠點直徑。

  除此之外,膠水的種類和品牌也影響點的外形。所以在技術整合的觀念下,設計規范是必須和工藝規范同時開發的。

  2.4貼片工藝

  貼片機是否能處理咱們設計時所選的元件,把他們都準確的貼在所需的位置上,這問題直接影響了咱們的生產。所以在設計時的元件選擇工作上,對廠內貼片機性能的理解也是關鍵的。此外,出于貼片工序在整條生產線上經常是效率的‘瓶頸’(也就是限制整條生產線率的一節),在設計時咱們還得同時考慮對生產效率的影響。

  對于一個設計人員,在貼片這一工藝上應關注的有以下幾方面:

  1、能處理的元件范圍和個別元件的處理才能(拾放可靠性)。

  2、對各元件的對中才能(貼片精度和重復精度),包括基板的定位才能。

  3、靈活性和轉換才能(可行性、所需進間和資源)。

  4、對各元件的產量。

  5、基板的處理才能和范圍(材料種類、厚度、外形比等等)。

  市面上對貼片精度的規范和指標常出現錯誤或不完整的說法。正確的精度標法應包括分布系數SIGMA和貼片精度平均值U的資料,或是以Cp和Cpk兩者標出。設備科人員應當協助提供這方面的資料給設計部人員。通過對此的理解,設計師才能對其焊盤尺寸的考慮做出優化。

  設計人員也該進一步的理解貼片精度的誤差的來源。他們是有4個主要因素:基板質量、設備對基板的識別和定位才能、設備的機械精度、和設備對元件的識別和對中才能組成的。例如理解廠內設備對基板的識別的定位才能后,就能對應的設計合適的基準點(大小、形狀、位置分布和反差條件等),就能決定區域和專用基準點是否需要等來確保作品設計的可制造性。

  對設備的靈活性方面的理解也一樣。理解了什么元件能被處理,處理的可靠性如何,在處理不同元件時是否需要某程度的設備轉換,是自動還是人工轉換,對生產時間的浪費影響有多重等等之后,在選擇元件封裝上也能夠做出更好考慮。而這些考慮的內容也能夠提醒采購人員在采購時做出對應的要求。

  2.5波峰焊接工藝

  因為混裝板和插件元件在應用上的某些優勢,波峰焊接工藝目前仍是常見的組裝焊接工藝之一。波峰焊接工藝的問題,如橋接、‘陰影效應’等已是眾所周知的經驗。許多問題在設計上能夠給予絕對程度的協助,如為了減低SOIC引腳間橋接的‘吸錫盤’或‘盜錫盤’設計等。設計人員應當對他們有足夠的理解和應用。應當注意的一點,是這些問題的程度,在波峰焊接工藝中是和設備原理和調制有很大的關系的。設計工作必須嚴密的配合設備料的工藝調制規范進行。例如說為理解決矩形件和‘陰影效應’而增加的焊盤長度,到底應增加多少是和廠內的設備和工藝調制才能息息相關的。忽略對廠內工藝和設備才能的理解而盲目搞設備規范是錯誤的做法。

  另一個經常受到關注的波峰焊接問題,是元件的受熱問題。對于雙面有元件的作品來說,一面的元件有可能在經過波峰焊時完全浸在高溫的熔錫中,那熱沖擊能夠高達每秒200多度。元件的封裝是否經得起這樣的熱處理,在其壽命和性能方面會產生什么影響,是設計人員應當給予考慮的。

  為了處理只要少數插件的作品,或為了保護部分對熱較敏感的元件不受熔錫的熱沖擊,目前有些部分波峰焊接的工藝和設備。廠內如果有采用這類設備,板上元件的編排會可能受到設備動作的部分限制。例如必須留下某些空位等等。

  2.6回流焊接工藝

  回流焊接工藝是目前最流行和常用的批量生產焊接技術。回流焊接工藝的關鍵在于找出最適當的穩定時間關系(即所謂的溫度曲線設置)。并使它不斷的重復。溫度曲線必須配合所采用的工藝材料(錫膏),注意的參數有升溫效率、溫度的高低、在各溫度下的時間、和降溫效率。市場上出現了多種不同加熱原理回流爐子,其實如何加溫還是次要,最重要的是必須能夠隨意控制溫度的調整和保持穩定。

  市場上采用的加溫法,仍然不外3個基本的熱傳播方式。即傳導、對流和輻射。各種爐子的原理也能夠這技巧來分類。在采用傳導方式的有熱板、熱絲和液態熱(很少用)三種主要技術。采用對流的有強制熱風、惰性熱氣、和氣相回流(已基本不用)技術三種。而采用輻射技術的,有紅外線、激光和白光三大源流。

  熱板回流技術仍用在陶瓷基本工藝上,它只能用在單板上,而必須靠基板的良好熱導性能才能發揮效益,限制了他在大部分電子組裝業上的用途。熱絲技術在英文中常稱hot-bar焊接技術,是因為他常用在以金屬或陶瓷片為加熱媒介的設備上而得名。它適用于長、平和柔軟引腳的元件上(如柔性板和TAB工藝上)。通過控制溫度、壓力和時間來控制焊接效果。需要不同的焊頭來處理不同的元件。是屬于較慢的工藝。工藝控制可能不易。此技術可應用在反修工作上。

  熱風或熱氣技術有兩種,一上適合批量生產的自動化回流爐子,另一是供部分焊接用的吹管技術(常用在返修技術上)。通過空氣或惰性氣體的對流作用來傳熱。在部分焊接技術上必須使用不同的吹管來處理不同元件是它的一個弱點。在使用空氣為媒介時是個經濟的方案,但工藝效率較慢。

  白光和紅外線在小批量生產的應用上,都是通過光學聚集的原理將光內的熱能集中起來,對焊點做部分加熱的。其好處是沒有機械接觸(不像熱絲技術),部分焊接不會對元件封裝造成過熱的威脅,能夠自動化編程。缺點是焊接以點進行,效率較慢,雖不會對元件封裝有過熱的威脅,但失控時對焊點有過熱的可能,而白光對人的眼睛不利。其加熱效率快使他在對熱容量大和封裝對熱較敏感的元件應用上有優勢。

  激光技術和以上的白光和紅外線原理類似,不過媒介同。這是種較新的技術,還未普遍被接受,主要原因可能是價格方面(非常昂貴)。激光的能量能夠被很準確的進行控制,重復性很高,焊點能夠很細(對微間距技術沒困難),因為部分性很高而能保證很好的焊點質量(沒有內部潛在應力)。此技術或許有很好的發展潛能,但目前說法不一。

  電感焊接技術,是一種通過電感效應的渦流加熱原理來進行焊接的工藝。具有沒有機械接觸、加熱快和熱容量高的優點。缺點是技術不易掌握,焊點周邊不能有某些金屬部件,高頻信號對某些電子元件不利和加熱頭的位置敏感度高等等。目前的應用還不普遍。

  火炬焊接技術,適用于焊點熱容量特高的應用上。如在基板上有大的插座或金屬屏蔽板等等的場合。也屬于非接觸式和部分焊接的工藝。缺點是工藝經驗缺乏,對焊點的可靠性數據理解和考察不夠(不過在某些應用上不是太重要)。

  紅外線用在批量生產焊接技術上已有很長的時間,它是熱風回流技術成熟前的主要工藝。目前還有些產家還在推薦遠紅外線技術的爐子。此技術的優點是加熱效率較高,重復率很好,熱容量也好,對部分回流工藝問題如吸錫(wicking)和立碑等較能應付。缺點是作品板上的溫度較大,對部分元件的外形和封裝材料調整較大,而且有超溫的可能。另一更常見的批量焊接技術是熱風回流技術,他基本是解決了紅外線技術存在的問題,但設備困難,好的設備價格高于紅外線技術,(差的設計性能不如紅外線技術),而且應用上對知識的要求也較高,設備保養要求也高,設備選擇不易,必需要有一套考試技巧。

  回流曲線設置的關鍵,在于將作品板上最熱和最冷點找出,通過對爐溫的調制使這兩點的范圍設置在錫膏性能的要求范圍內,工作便可說是搞定了。板上熱點和冷點的熱學特,影響的因素很多,在設計作品時便應當考慮到和照顧到這些,使設計出來的作品上,熱點和冷點的溫差盡量做到最小為此。這不但使生產簡單控制,對設備的性能(和價格相關)和保養的要求也較低,而且對作品焊點的質量也較簡單保證,是個設計時很重要的考慮點和做法。

  3.0理解您的制造才能

  理解廠內實際的制造才能,是推動DFM管理的重要部分。工作包括對廠內設備的才能進行量化考察、規劃和制定規范指標。這做法的主要原因有四:一是因為每個設計規范都有它特定的適用性或針對性,它只要在特定的條件下才能最優化的發揮其功能。第二個原因是大多數的生產線都是不同的,即便設備的硬件配置一樣,管理、工藝知識、品質標準等等軟科學會使其不同。所以在另一個工廠適用的設計規范,未必也適用于您的工廠。只要完全和準確的理解您廠內的才能情況后您才可能制定出一套優化的設計規范或標準。第三個原因是許多有用和重要的資料,除非您親身去考察、考試和記錄,您不可能在市場上得到現成的,即便是設備供應商也提供不了。第四原因,是在優化設計上,基本沒有所謂的通用標準可被使用。

  在您的生產環境里,有什么是需要您的關注和量化理解的呢?您能夠從四個方面著手。即生產線的功能(能做些什么?)生產線的柔性或靈活性(需要什么改變處理工作的變更?)、質量(能把作品做到多好?包括長期壽命方面和直通率方面的考慮)、以及生產效率(產量和成本)。

  生產線才能規劃的例子,例如每一條生產線對基板的處理才能范圍,包括如基板的材料、基板的厚度范圍,板的尺寸限制、重量限制、板邊的留空要求、定位要求(如基準點、定位孔、邊定位的厚度和曲翹限制等等)、以及如果采用自動條碼識別系統的位置要求等,這些都必須有詳細和準確的規劃。應注意這些規劃應以整線而不是以個別設備的層次來進行的。如果廠內有多條不同規范的線,能夠考慮以統一規范(最嚴格的規范)或分等級來簡化。

  同樣的,對于元件的處理才能,咱們也應當給予理解和規劃。這方面可包括如各種常用元件的釋放才能(以dpm計)、貼片機吸咀的種類和要求、對中技術和才能、貼片力度(靜和動態)、供料器種類、數目和性能、以及各元件對效率效率的影響等。

  對于各設備的性能和技術限制,咱們也應當有足夠的理解和記錄。例如廠內所采用的回流爐子是屬于什么加熱原理的,如果是熱風原理,那它對排風調整的影響或靈敏度又如何;如果是紅外線對元件的外形和顏色有什么影響;爐子的軌道是否會因為吸熱而對板的兩邊造成冷區效應,程度又如何等等這類的性能問題,都應當給予詳細的考察和記錄在設計規范內。

  除了設備的才能,整體的工藝才能也必須是規劃的內容。廠內應當有最少一份的工藝規范,內容詳細的類出廠內工藝的才能和極限。例如在錫膏工藝上能采用什么工藝(絲印、點錫)、達到什么程度(0.3mm間距、0.12mm開孔、AspectRatio1:1.5、雙面印刷才能等等)。注意一切重要的條件(如錫膏種類、基板厚度和表面處理要求)也都必須清楚的列出。訂立設備和工藝規范的技巧,能夠配合供應商資料、生產線的實際經驗(但必須是科學性的)和廠內設立的試驗結果,使經過難驗證的數據經驗被納入設計數據庫使用。一切驗證和分析、決策的過程都應當有份記錄檔案,方便日后改進工作。

  要正確和有效的進行以上工作,您廠內必須具備良好的設備工程學和SMT工藝知識。在這些才能未足夠建立起來之前,推行的工作有可能是白費和誤導的。工廠管理應當注意這一點而不可沖動行事。以免招到投入后沒有效果的失敗。

  SMT可制造性設計應用研討會講義(中)

  4.0基板和元件的選擇

  選擇適當的材料是設計工作內的注意部分。材料的選擇必須考慮到他的壽命和可制造性。許多設計人員只注重在元件的電氣性能、供應和成本的做法是不全面的。在電子工業中,大部分所用的材料都對溫度有絕對的反應和敏感性。而在電子板的組裝過程中又必須經過絕對程度,而有時又不只一次的高溫處理。所選用的元件和基板等是否會變質呢?元件原有的壽命是否會縮短了呢?這些也都是需要加以考慮的。在作品的服務期內,作品本身也會經歷部分熱調整,如環境的溫度調整,作品本身電源的接通和切斷產生的熱功率等等。這些熱起的體形調整對SMD焊點起著不利的影響,是SMT作品中的一個主要壽命問題根源。所以在設計時對這方面的考慮也是重要的工作。

  4.1基板的選擇和考慮

  基板的作用,除了提供組裝所需的架構外,也提供電源和電信號所需的引線和散熱的功能。所以對于一個好的基板,咱們要求它有以下的功能:

  1.足夠的機械強度(附扭曲、振動和撞擊等)。2.能夠承受組裝工藝中的熱處理和沖擊。3.足夠的平整度以適合自動化的組裝工藝。4.能承受多次的返修(焊接)工作。5.適合PCB的制造工藝。6.良好的電氣性能(如阻抗、介質常數等)。

  在基板材料的選擇工作上,設計部門能夠將所有作品性能參數(如耐濕性、布線密度、信號頻率或效率等)和材料性能參數(如表面電阻、熱導、溫度膨脹系數等)的關系列下。做為設計選擇時的考慮用。

  目前較常用的基板材料有XXXPC、FR2、FR3、FR4、FR5、G10、和G11數種。XXXPC是低成本的酚醛樹脂,其它的為環氧樹脂。FR2的特性和XXXPC接近,但付阻燃性。FR3是在FR2的基礎上提高了其機械性能。G10較FR3的各方面特性都較強,尤其是防潮、機械性能和電介質方面。G11和G10接近,不過有較好的溫度穩定性。FR4最為常用,性能也接近于G10,能夠說是在G10的基礎上加了阻燃性。FR5則是在G11的基礎上加了阻燃性。目前在成本和性能質量方面的考慮上,FR4可說是最適合一般電子作品的批量生產應用。對于有大和微間距的元件,而由采用雙面回流工藝的用戶,能夠選擇FR5以求較可控的工藝和質量。

  為理解決基板和元件之間溫度膨脹系數匹配的問題,目前有采用一種金屬層夾板技術的。在基板的內層夾有是銅和另一種(常用的為殷鋼,也有的用42號合金或鉬),這中間層可用做電源和接地板。通過這種技術,基板的機械性能、熱導性能和溫度穩定性都能夠得到改善。最有用的是,通過對銅和殷鋼金屬比例的控制,基板的溫度膨脹系數能夠得到控制,使其和采用的元件有較好的匹配,而增加了作品的壽命。

  在整個SMT技術應用中,基板技術能夠算是較落后的。從目前的用戶要求和基板發展商方面理解到,今后基板技術的發展,應當是朝以下的方向前進。

  1.注更細的引線和間距工藝(層加技術已進行成熟)。2.更大和更厚(用于更多層基板)。3.減少溫度膨脹系數(新的材料或夾板技術)。4.更好的熱傳導性能(目前也有在研究通過輻射散熱的)。5.更好的尺寸和溫度穩定性。6.可控基板阻抗。

  7.氧化保護工藝的改革(錫膏成份有可能改變)。

  這些展望意味著基板技術有可能在將來有個大的改革。設計師應對這方面的動向保持留意。做好需求改變的準備。

  在基板技術的可制造性考慮上,綠油(防焊層)的應用是其中的一個重點。一般SMT用戶很少去理解基板制造商對淥油的選擇和應用。也缺乏這方面折知識。所使用淥油的化學特性,必須能符合基板的組裝工藝(返修、點膠固化、油印等),也必須能融合或接受組裝工藝上所采用的一切化學材料,如助焊劑和清潔劑等。這方面的資料應向基板供應商要求。注意有些化學反應的資料未必有。但致少用戶能夠理解那方面是可能存在問題的。在需要時能夠要求基板或綠油供應商協助試驗分析。

  基板業中常用的綠油工藝有四種,分別為液態絲印工藝、液態光繪工藝、干膜工藝和干濕混合工藝。液態絲印工藝成本最低,但質量(精度和分析度)較差,用于面積較小和密度較低的作品基板。干膜工藝精度和分析度很好,但成本高和涂布后的厚度較高,不利于某些工藝。干濕混合工藝的強點是對接通孔的充填才能強,但固化工藝必須做得完整,否則在SMT組裝中會有泄氣的不良問題。液態光繪工藝的發展潛能很高,他有很好的精度和分析度,成本低于干膜工藝,而且能控制較薄的厚度,對錫膏絲印工藝有利。不足的是此工藝對接通孔的充填才能較弱。

  在SMT組裝工藝上常見的綠油相關問題不少,如綠油太厚造成錫膏絲印工藝的難控,綠油在基板制造時固化不良而泄氣(形成焊點氣孔)或裂開(腐蝕進行和應力集中),材料吸濕而造成綠油層在回流時的脫離,基板綠油工藝不良而造成綠油和焊盤界面的斷裂,以及某些干膜材料簡單引起焊球問題等等都是較常見的。

  4.2元件的選擇和考慮

  對元件的選擇,一般必須做到的考慮點最少有以下幾方面

  1.電氣性能。2.占地效率(三維)。3.成本和供應。4.元件可靠性和使用環境條件。5.和設計規范的吻合。6.適合廠內的工藝和設備規范。7.可組裝性、可考試性(包括目視檢查)。8.和制造相關的資料是否完整可得(如元件完整詳細外形尺寸、引腳材料、工藝溫度限制等)。

  在可制造性考慮上,元件的選擇始于對封裝的理解。元件的封裝種類繁多,也各有各的長處。做為設計人員,對這些封裝技術應當有絕對的認識。才有才能在可選擇的范圍內做出最優化(即適合高質量高效率的生產)最適當的選擇。要很好的做出選擇,設計人員應當要有最基礎知識的認識。例如去理解元件封裝的目的。如果理解封裝的目的之一是提供散熱,那在設計上自但是然的考慮到不同封裝的散熱性能。理解到散熱和IC的引腳材料有關后,便自但是然地考慮到是否需要采用銅而放棄42號合金的引腳之類的問題。

  對于元件封裝和組裝工藝相關的問題,已不在不過工藝或生產工程師的事了。設計人員也應當有所理解。例如在‘爆米花效應’(Pop-comeffect,因元件吸濕而在回流過程中爆裂的現象)的考慮上,在可選的情況下會優選PLCC44而不用QFP44。又如對SOIC的底部浮起高度的考慮,市面上有不太統一的規范,設計人員應當理解到不同高度指標對廠內現有的工藝和設備將會造成什么問題。如當作品設計較大,廠內工藝采用精洗工藝時,元件選擇上就應當規定較高standoff的元件。另一個例子,如果廠內采用的貼片機注意的。元件的選擇考慮也應包括元件的包裝。不同的包裝有不同的生產效率和成本。應按廠內設備和管理的情況加以考慮選擇。

  5.0熱處理設計

  熱處理在SMT的應用上是很重要的學問。原因之一是SMT技術在組裝密度上不斷增加,而在元件體形上不斷縮小,造成單位體積內的熱量不斷提高。另一原因是SMT的元件和組裝結構,對因尺寸調整引起的應力的消除或分散才能不佳,造成對熱調整引起的問題特別嚴重。常見的故障是經過絕對時間的熱循環后(環境溫度和內部電功率溫度),焊點發生斷裂的現象。

  在設計是考慮熱處理問題有兩方面,一是半導體本身界面的溫度,另一是焊點界面的溫度。在分析熱性能的時間,有兩大注意方面。一是溫度的調整幅度和速率,另一是處在高低溫度下的時間。前者關系到和溫差有關的故障,如熱應力斷裂等。后者關系到和時間長短有關的故障,如蠕變之類。所以他們的影響是不同的,故障分析時都應個別考試和考慮。

  因為受熱而為害作品的其中一種方式是熱沖擊。作品在其壽命期間,尤其是在組裝過程受到的熱沖擊(來自焊接和老化),如果處理不當,將會大大的影響其質量和壽命。這種熱沖擊,因為來得較快,即便材料在溫度系數上完全配合也會因溫差而造成問題。除了制造上的熱沖擊,作品在服務期間也會經歷程度不一的熱沖擊,例如汽車電子在冷天氣下啟動而升溫等等。所以一件作品在其壽命期間,將會面對制造、使用環境(包括庫存和運輸)和本身的電功率耗損三方面的熱磨損。

  為確保壽命而努力的熱處理工作,對于半導體或元件供應商、設計和組裝工廠、元件作品的用戶各方面都有本身的責任。元件商的責任在于確保良好的封裝設計、使用優良的封裝材料和工藝、并提供完整有用的設計數據給他的用戶(即作品設計和組裝工廠)。作品設計和組裝工廠的責任則在于設計時的熱處理考慮,正確和足夠散熱的采用,以及正確的組裝工藝應用和管制。至于作品用戶,則應根據供應商建議的使用技巧、環境和保養來使用這作品。

  要確保作品有較長的壽命,有效的散熱處理和熱平衡設計就成了重要的工作。散熱的方式,一般還是通過熱傳播的三個基本原理,即熱的傳導、對流和輻射來達到的。在散熱考慮上有幾個難處。從避免有噪音(機械和電氣噪音)和成本的觀點上,咱們偏向于采用自然空氣對流的技巧來散熱。但從防止腐蝕和電移等觀點上,咱們又希望將作品和空氣隔開。這樣的矛盾,加上空氣流動學和復雜學問,而作品組裝起來的外形(元件高矮距離的布局)對空氣的流動造成的影響,基本的結構和對各不同熱源(元件)的散熱分擔等等都是復雜的學問。目前也還沒有能較好準確進行整體分析軟件之類的工具來協助設計工作。所以這工作做起來相當棘手。很多時間還得憑經驗和嘗試。傳統的以熱阻公式的估計法依然通用,唯對多元件合成的整體作品的分析準確度不高(個別估計還能夠)。但因為沒有更可靠的技巧,目前的軟件還是建立在這基礎上的。

  從THT(插件技術)到SMT的轉變中,咱們能夠發現元件的體形縮小了,作品的組裝密度增加了,元件第部和基本間的距離縮短了,這些都導致通過對流和輻射散熱功效的減低,而通過基板的傳導來散熱就更重要了(雖然基板因密度增加也造成傳導散熱效率不良)。在元件封裝技術上,SMDIC方面的設計通過不同引腳材料的選用和內部引腳底盤的尺寸設計而大有改善(較插件DIP的效果好),但這改進很多時間還應付不了組裝密度的增加、元件的微型化和信號效率快速增加等方面發展連帶的散熱問題。

  溫度膨脹系數失配的問題,除了材料外也和元件和基板的大小有關。例如2220的矩形件在這方面的壽命就較1206來得短,而LCCC156也會較LCCC16的壽命短許多。一份試驗報告顯示LCCC156的熱循環考試壽命為183周,對同考試條件下LCCC16的722周壽命小了許多,只要他的25%左右。

  解決這類問題或延長壽命的技巧,工業界中有幾種對策。當然最基本的是盡量選擇有引腳的元件,尤其是體形較大的元件。其中翼形引腳在這方面的可靠性算是較好的。另一種做法是采用有金屬夾層(如上提到的銅一殷鋼夾板)的基本設計,這是種相當理想的做法。但價格昂貴而且供應商少。第三種做法是采用在環氧樹脂和銅焊盤間加入一層彈膠物的基板設計,這彈膠層的柔性能夠大大吸收因溫度調整產生的應力。還有一種做法是采用了一種特制的錫膏,在錫膏中加入了某些專人成份的陶瓷或金屬細球體,使焊點在回流后被托高起來。較高的焊點有更強的吸收應力的才能。

  很多時間,單靠正確的材料選擇和設計還是不足以完全解決散熱的問題。因此額外的設計就必須被用上。在散熱處理中,通過輻射的技巧以往不被采用(這方面有新發展,稍后提到)。原因是輻射散熱需要有較大的溫差才有效,也就是說熱源要相當的熱而一般不被接受(散熱就是使元件處于低熱);同時散熱的途徑不易被控制(輻射是往各方向進行的),會造成對周邊元件的加熱現象。對流散熱常被使用,其中有自然對流和強制對兩種技巧。自然對流較經濟簡單,但有絕對的限制。如熱源不應超過每單位立方米1萬兩千瓦特、空氣和熱源的溫差應超過30度以上等等條件。強制對流,即采用風扇吹風或排風的做法,是個相當常用和有效的技巧。能夠用在整機或單一元件(如電腦中的處理器IC)上。一般它的散熱效率可達自然對流的4至8倍。缺點是成本、重量、耗能等都高。傳導散熱技術,在作品不斷微型化下逐漸被重視和采用。一般配合基板材料的選用和設計(如金屬內夾板),使熱能通過基板的傳導擴散到基板外去。一般傳到板邊緣的金屑支架或機殼上。散熱才能能夠達到每單位立方米25萬瓦特(自然對流的20倍)。另外還有很少被使用和液體散熱技術,散熱才能可達自然對流的80倍。因為作品的基板必須被浸在冷卻液體中,液體材料的選擇要很小心。以確保不會影響作品的電氣性能和起化學調整。這方面系統的設計也較困難,成本很高,所以只用在特大功率如特大型的電腦上。采用黏性較大的冷卻液體還能同時起著避震的作用。液態散熱也有自然對流和強制對流兩種做法。

  目前工業界中有工廠在開發一套新的散熱技術,是采用輻射原理的。利用于類似無線電天線的發射原理,把熱能當做是一種波來發射離熱源。據已表的研究報告,通過在元件底部基板上銅分布和圖形,元件基板內層的結構設計,其輻射散熱的效果能夠達到采用一般散熱器的兩倍多。目前這項研究仍進行中,是要找出銅分布圖形和散熱才能的確實關系。

  以下是部分有用的散熱考慮:

  1.在空氣流動的方向上,對熱較敏感的元件應分布在‘上游’的位置2.發熱較高的元件分散開來,使單位面積的熱量較小3.將熱源盡量靠近冷卻面(如傳導散熱的板邊等等

  在使用強制空氣對流的情況下:

  4.較高的元件應分布在熱源的下游地方

  5.下游的高元件應和熱源有絕對的距離

  6.高長形的元件應和空氣流動方向平行

  SMT可制造性設計應用研討會講義(下)

  6.0焊盤設計

  焊盤的尺寸,對SMT作品的可制造性和壽命有著很大的影響。所以它是SMT應用中一個必須做得好的工作。影響焊盤尺寸的因素眾多,必須全面的配合才能做得好。要在眾多因素條件中找到完全一樣的機會很小。所以SMT用戶應當開發適合自己的一套尺寸規范。而且必須有良好的檔案記錄,詳細記載各重要的設計考慮和條件,以方便將來優化和更改。因為目前在部分因素和條件上還不能找出具體的有效的綜合數學公式,用戶還必須配合計算和試驗來優化本身的規范,而不能單靠采用他人的規范或計算得出的結果。

  6.1良好焊盤和影響它的因素

  一個良好的焊盤設計,應當提供在工藝上簡單組裝、便于檢查和考試、以及組裝后的焊點很長的使用壽命等條件。設計考慮上的焊盤定義,包括焊盤本身的尺寸、綠油或阻焊層框框的尺寸、元件占地范圍、元件下的布線和(在波峰焊工藝中)點膠用的虛設焊盤或布線的所有定義。

  決定焊盤尺寸的,有五方面的主要因素。他們是元件的外形和尺寸、基板種類和質量、組裝設備才能、所采用的工藝種類和才能、以及要求的品質水平或標準。在考慮焊盤的設計時必須配合以上五個因素整體考慮。計算尺寸公差時,如果采用最差情況技巧(即將各公差加起來做總公差考慮的技巧),雖然是保險的做法,但對微型化不利而有難照顧到目前統一不足的巨大公差范圍。所以工業界中較常用的是統計學中接受的有效值或均方根技巧。這做法在各方面達到較好的平衡。

  6.2設計前的準備工作

  焊盤設計必須配合多方面的資料,所以在進行焊盤設計有以下的準備工作先得做好。

  1.收集元件封裝和熱特性的資料。注意國際是對元件封裝雖然有規范,但東西方規范在某些方面的相差還是挺大的。有時要以統一的焊盤尺寸來處理這巨大的規范范圍,同時又要配合廠內的各種條件而做到最優化是不可能的。用戶必須在元件范圍上做出選擇或把設計規范分成等級。

  2.整理基板的規范。對于基板的質量(如尺寸和溫度穩定性)、材料、油印的工藝才能和相對的供應商都必須有一個清楚詳細記錄。

  3.制定廠內的工藝和設備才能規范。例如基板處理的尺寸范圍、貼片精度、絲印精度、回流原理和點膠工藝采用的是什么注射泵等等。這方面的量化理解對焊盤的設計也有很重要的幫助。

  4.對各制造工藝的問題和知識有足夠的理解。這協助對設計焊盤時的考慮和取舍,有些時間設計無法面面俱顧,這方面的知識和才能能夠使設計人員做出較好的決策。

  5.制定廠內或對某一作品上的品質標準。只要在理解到具體的作品品質標準后,焊盤設計才能夠有意義的推算出來。品質標準是指如焊點的大小、需要怎么樣的外形等等。

  6.3波峰焊工藝中的部分考慮

  波峰焊接工藝中,較常見的工藝問題有‘陰影效應’(缺焊)、‘橋接’(短路)和元件脫落。‘陰影效應’是因為元件封裝的不潤濕性和溶錫的強大表面張力造成的,為了避免這種問題的產生,焊盤的長度必須有足夠的伸延出元件體外,越高的元件封裝伸延也應越長。而元件和元件之間的距離也不能太靠近,應保留有足夠的孔隙讓熔錫滲透。注聲這些尺寸都和廠內的設備和調制才能有絕對的關系,所以設計時必須理解到廠內這方面的特性。

  ‘橋接’問題常發生在IC引腳上和距離太近的元件。解決的技巧是給予足夠的元件間距,對于IC引腳(一般在離開錫爐的最后引腳上)能夠在焊盤設計上加入‘吸錫’或‘盜錫’虛焊盤。此焊盤的尺寸和位置看IC的引腳間距和類型而定。對于較細間距的翼形引腳應采用較長的吸錫焊盤。此外,對于四邊都有引腳的QFP應采用45度角置放,以減少橋接的機會。對于J形引腳和間距較寬的PLCC則無此需要。

  元件脫落的問題,一般是因為黏膠工藝做得不好造成的。最常見的是因為膠點的高度不夠引起而很多時間是因為工藝(泵技術)和材料(黏膠、元件)的選擇不當,以及因基板上焊盤高度將元件托起而引起的。設計時除了要具體和嚴格的規定元件的封裝尺寸、工藝規范中規定技術和材料外,在基板的設計上可采用所謂的‘墊盤’(膠點處的一種虛焊盤)來協助增加膠點的高度。這‘墊盤’也能夠采用信號布線來代替。


  6.4焊點質量的考慮


  決定焊盤的尺寸大小,起初要從焊點的質量來考慮。什么樣的焊點(大小、外形)才算是優良的焊點呢?在點廠內的品質部應當配合設計和工藝部有一認同。科學性的確認是通過對不同焊點大小和外形進行壽命考試而得來的。這類考試費用高、技術難、所需時間也長,因此不是每一家工廠都能負擔的。不過工業界中有許多經驗是能夠被咱們參考和借用的。例如說矩形元件的焊點,咱們要求底部端點最少有一半的面積必須和焊盤焊接(家電和消費作品),端點兩側要有0.3mm以上或元件高度的三份一的潤濕面等的最低要求。


  對于設計工作,重要的是咱們應當理解到焊點組成各部分的功能和作用。例如理解到矩形元件兩端延伸方向處是影響焊點的機械力,是提供工藝效果有用的檢查點。而它在組裝工藝上是影響立碑和陰影效應的重要部分和關系后,咱們在設計時就能很好的給予尺寸方面取舍的決定。有例如咱們理解到矩形元件各端點兩側只提供未必需要的額外機械強度,而它又是決定回流時‘浮動’效應(引起立碑的成因之一)時,咱們能夠在小元件上放棄這兩鍘的焊盤面積來換取較高的工藝直通率。


  6.5焊盤尺寸的推算


  焊盤尺寸的初步推算,應當考慮元件尺寸的范圍和公差,焊點大小的需要,基板的精度和穩定性和廠內的工藝才能(如定位和貼片精度等)。推算的公式內應當包含這些因素的考慮。讓咱們來看以下的例子。


  在焊盤尺寸X的考慮上,為了確保端點底部有足夠的焊接面,咱們采用了元件范圍中最長的L值,加上品質標準中所需的端點焊點(0.3mm或元件端點高度的1/3),再加上貼片精度的誤差(注:有些認為回流時元件會自動對中而不考慮,這種做法不當。因為不是在任何情況下都會自動對中,而且即便能自動對中,在對中前會產生中貼偏而不利工藝的其他問題)。此外因基板尺寸誤差在制造時是以只允許大而不可小的指標來控制的(見以上2.1一章),所以基板的誤差能夠不加在公式內。因此,X的推算概括如下:


  X最小值=L最大值+2X優良焊點所需的延伸+2X貼片精度


  X最大值=L最大值+1.5X元件端點高度-2X貼片精度


  注:焊盤延伸長度超過元件高度的1.5倍時簡單引起浮動立碑問題。


  對于D的考慮,為確保有足夠的端點底部焊接面,采用了元件S的最低值,減去品質標準中所需焊點大小。成為:


  D最大值=S最小值-2X優良焊點的延伸


  因為在質量觀點上元件底下內部焊點不是很重要,此處的貼片精度和焊點保留區能夠同時考慮(包括在一起)。用戶也能夠采用:


  D最大值=S最小值-2X貼片精度


  一般以上的抉擇是看那一個公差較大而定。D最小值的考慮點是焊球問題,但能夠提供絲印鋼網的設計來補償。一般在設計D尺寸時用以上的公式而不找其最小值(沒額外的好處)。


  Y值的考慮和X值類似。但無需考慮最大值,因為延伸以下的焊盤沒有什么意義。


  Y最小值=W最大值+2X優良焊點所需的延伸+2X貼片精度


  因為從W值再向外延伸的焊盤尺寸,對元件的壽命和可制造性沒有什么更有益的作用,而縮小這方面的尺寸對元件回流時的‘浮動’效應有制止的作用,許多設計人員因此將焊盤的Y值方面不加入這方面的值,甚至還有為了更強的工藝管制而使用稍小于W值的。對于小的矩形(0603或更小)能夠考慮此做法。


  以上是以矩形為例子,用戶該做到的是理解焊點的作用細節,理解尺寸和工藝方面可能發生的誤差,那不管是什么引腳,什么封裝的元件焊盤都能較科學的推算了。


  6.6綠油(阻焊層)的考慮


  對于綠油無覆蓋框的尺寸考慮,主要是看基板制造商在綠油工藝上的才能(印刷定位精度和分析度)而定。只要保留足夠的孔隙確保綠油不會覆蓋焊盤和不會因太細而斷裂便能夠了。一般采用液態絲印綠油涂布技術的,約需保留0.4mm。而采用光繪綠油涂布技術的,則只需約0.15mm的間隙。最細的綠油部分,絲印技術應有0.3mm而光繪技術應有0.2mm。


  6.7占用面積


  占用面積指的是不能有其他物件的范圍。這方面的考慮是要確保檢查(光學或目視)和返修工具和工作所需的空間。設計人員應先理解廠內所采用的返修和檢查技巧和工具后再進行制定此規范。


  7.0基板設計和元件布局


  基板設計能夠從基板如何在自動化設備中處理進行。例如設備自動傳送帶所需的留空寬度、基板在每一處設備中的定位方式和需求(如邊定位需要絕對的厚度和平整度等等)、定位孔的位置、形狀和尺寸要求之類的,都應當給予清楚的定下。以免設計出的作品不適合處理或在處理中會有對質量和效率不利的現象。


  7.1定位孔


  基板的定位孔,如果是用做基準對位用途和不不過固定的作用的話,設計時只應當在基準孔上是正圓形的。一般設備的定位針都有兩根,所以定位孔也最小有兩個。除了基準孔外,另外的孔就不應當是正圓形。而應當是在基準孔同一方向上延伸式的設計。此外,為了避免錯位時損壞基板,可考慮把孔在基板的對邊也開出對稱的設計。如果基板尺寸是正方形的,那可能得確保四便對稱。注意這里所要防止的是基板因錯位而被損壞,自動設備應當還要有才能判斷錯位而停止進行無謂的加工。


  7.2基準標點


  基準標點是供自動化設備做自動對位用的,按精度需求可采用板基準(Panelfiducial或Globalfiducial)、電路基準(Circuit或Imagefiducial)、或個別基準(Localfiducial)。在不采用拼板設計上(即每一塊板是一個線路),前兩者是一樣的。對于尺寸較小、精度要求不高的基板,則最后的個別基板能夠不被采用。值得注意的是,采用基準點對中是未必需要的。所以設計時加以給予考慮。


  基準點的形狀能夠是有很多種。設備供應商常說其設備能夠處理各種各樣的基準圖形,甚至可采用焊盤圖形。其實多數的設計對不同的圖形都有不同才能的。為了做到最好(準確和穩定),設計人員應對廠內設備對不同圖形的識別和計算才能有足夠的理解。并采用對應最優化的圖形做為基準點。


  為了達到最準確,基準點的位置最好是在基板的對角上。而且距離越遠越好。基準點的數量也重要。最少兩點。但如果要處理非線性的補償則必需要有三點(應當確保所使用設備的補償計算有此功能)。還可采用第四點做為后備用途的(也需確保設備能處理)。基準點對基板在設備中的機械定位基準面(如板邊或定位孔)不應當有一樣的距離。最好是相差超出一個設備的視覺范圍FOV之外。這樣能用做錯位時分辨工作。


  為了確保有足夠和良好的光學反差,基準點的平整度應給予關注。如果基板采用熱風整平技術的,基準點應當設計的較大。OSP或鍍金技術較受推薦。綠油不可覆蓋基準點,以免造成反差不良。基準點周邊也應當有足夠的空位,以免布線或綠油等影響識別的穩定性。有一種好的做法是在基準位置的下方(基板背后或內層)設置足夠大小的銅片來增加反差。


  基準點的位置,也應當被用做是整個基板坐標的零點。許多設計還是采用板的一角等做為零點。這樣的做法對日后的工藝管制沒有幫助。


  7.3標記


  基板的布線和元件布局經常會留有空位,這些空位能夠用來印刷些有用的資料。常見的有作品型號、改進標號、基板制造商號和批號、線路標號等。如果有采用條碼標記的,應當考慮到條碼的大小和位置(如果是自動化的還得考慮設備限制)。


  7.4元件布局


  元件的布局能夠影響以后的工作效率,如檢驗和返修工作等。在有才能的情況下,設計人員應當盡量做到以下的布局法:


  1.元件方位的標記(盡量做大同類封裝元件方位一樣)。


  2.以同功能的線路集中在一起并印下方框。


  3.同類封裝元件的距離相等。


  4.所有元件編號的印刷方位一樣。


  拼板的做法很多時間值得考慮。拼板有以下的好處:


  1.對元件少的板,能夠通過加長貼片時間來提高貼片機的使用效率。


  2.對太小的基板提高其可處理性。


  3.改變異形(非正方或長方形)板或外形比不佳的板子外形,增加效益和可處理性。


  4.對從面回流技術的板,能夠通過正方拼來提高整體生產的效率。


  設計元件的方位時,除了以上通過第6章中提到的熱處理考慮外,還得注意方位對組裝工藝是否有不良的影響。如在波峰焊接工藝中,許多IC的方位對工藝的成功率都有些影響。除非在焊盤設計上有才能做到非常完善的補償,否則在元件布局時應盡量采用最佳方位來布局。


  7.5接通孔


  接通孔在作品的壽命故障上也是主要問題之一,在設計上也有些能夠照顧到的地方。較常見的問題是接通孔鍍層的斷裂而最終導致開路現象。斷裂的現象常出目前接通孔的內壁中間和孔上下面的轉彎處。孔內壁中間的問題是因為基板制造時鍍金屬的工藝做的不好。而在轉彎處是熱循環造成(FR4基板的垂直溫度膨脹系數較水平面的要高得多)。雖然這些的和基板的制造工藝有關,但不良的設計使基板的可制造性差而引起問題是常見的事。


  接通孔的鍍金工藝是否能做得好,除了制造商的工藝才能外,和接通孔的尺寸也很有關系。例如一般的工藝,對小于0.5mm孔徑和外形比(孔深對孔徑)大于3的接通孔尺寸,是較難有很可靠的工藝成果的。所以為了確保較可靠的作品,設計接通孔時就必須注意到這些。鍍層的厚度應當要求在25至40um之間。


  為禰補這方面的不足,有一個有效的做法是將接通孔完全充填。因為這樣有可能使應力更集中而縮短壽命。


  因為接通孔具有吸錫的才能,因此接通孔的位置設計應當盡量避免太靠近焊盤和看不見的元件封裝底部。


  7.6考試方面的考慮


  考試,雖然本意是用來確保作品是合格的,但應用不當卻會傷害作品的壽命。所以在設計作品時不得不小心加以考慮。考試用的探針對作品不利,但很多時間咱們還得借用它。尤其是在ICT(在線考試)上使用的特多。飛針式的考試,在對作品的破壞危險性上較小,但因為目前的效率還不理想而常常還是由針床式治具時,因為探針的數目可能相當可觀,而每一探針都需要絕對的力度來確保可靠的電氣接觸性,其總壓力能夠是非常大的。如果加上壓力的分布不均等問題,是有可能給考試中的作品造成內在的破壞,縮短其服務壽命。為了減少這方面的破壞,應當在設計考試點時使其均勻的分布在整個基板面上,采用虛設測點,采用正反面平衡測點或足夠的支撐和下壓柱等等技巧。


  雖然占用在方,但應當盡量采用個別的考試點而不是采用元件焊盤或元件引腳做為考試點。在密度較大的組裝板上能夠考慮使用接通孔兼考試點做法以及雙面考試。


  考試點的大小應看治具和探針的精度而定,采用壓縮距離較短的探針有利于精度的提升。探測點能夠考慮用技巧來取代一般的圓形,能夠考慮用六或八邊形的探測點,方便識別區別。因為探測點都不能有綠油覆蓋,要注意他們對鄰近焊盤的影響。


  探測點的布置最好是采用標準的柵陣排列(即坐標間距跟隨絕對的標準),這樣能夠方便日后測點的改變和針床治具的重復使用或修改。


  8.0設計文件檔案


  一個作品開發出來后,有一套隨著而生的重要文件檔案。這些文件包含了各種在制造、品質管理、采購、改進、和返修工作中需要的資料。如線路圖、Gerber檔案、物料清單、組裝文件等等。在種種關系到設計工作的文件檔案中,在以前較不被注重的是工藝的材料規范、合格供應商資料和物料清單中的部分資料。這些曾被忽略的文件檔案,在目前的先進管理上是不可不利用他們的。


  工藝和材料規范檔案,應當最少包括五個重要的組成部分。分別為:


  1.元件組裝資料檔案;


  2.基板材料和工藝規范;


  3.工藝材料規范;


  4.工藝規范;


  5.品質規范和標準。


  以上五者都必須整合開發,并使用在設計規范的參考上。


  合格供應商管理檔案中,也應當包括了四個重要的組成部分;


  1.和用戶本身有關的所有元件封裝和組裝上的初步資料;


  2.經過鑒定的合格封裝詳細資料;


  3.供應商的才能的評估記錄;


  4.合作和獨立的改進計劃和進展記錄(包括管理和技術、質量等全面的),元件未來發展計劃。


  在傳統的物料清單(BOM),一般只具備的資料有元件編號、元件封裝稱號、元件名稱簡述、單一作品是所需元件的數量、和元件參數值幾種。因為市面上元件的標準化還缺乏完整性。咱們常能夠發現采購中出現的問題(這完全符合設計和生產的要求)。其更正成本和時間往往相當可觀。為了避免以上的問題發生,在BOM資料中有兩個新成員是應當被加入的。其一是元件的詳細封裝資料(如尺寸和溫度時間限制等)和優選的供應商清單。另一是基板的詳細指標規范。


  在競爭日趨激烈的情況下,目前許多工廠都較重視作品的推出時間性。要提高這方面的才能,技術整合、標準化和不斷學習的做法是重要的。而這種做法的效益,在相當大的程度上有賴于信息的準確性和及時溝通。從本講座中所學到的,咱們能夠意識到在信息上的未來特性,咱們有必要考慮利用現今發達的信息資訊技術,考慮將咱們的信息高程度的電腦網絡化。電腦網絡化能夠帶給咱們許多好處,如減少重復的修改和輸入工作,也因此節省時間而較能及時化,也同時減少輸入量犯錯的機會,有能夠通過電腦軟件進行有效的控制和利用電腦的許多計算和處理才能。


  柔性印制板SMT工藝探討


  隨著電子作品向短小、輕薄方向發展,對應的便要求電子元器件集成化、微小型化。傳統的通孔安裝技術(THT)已不能滿足要求,新一代的貼裝技術,即表面貼裝技術(SMT)就應運而生。


  從廣義角度來說,SMT是包括了表面貼裝元件(SMC:SurfaceMountComponent)、表面貼裝器件(SMD:SurfaceMountDevice)、表面貼裝印刷電路板(SMB:SurfaceMountPrintedCircuitBoard)、一般混裝印刷電路板(PCB:PrintedCircuitBoard)、點膠、涂膏、表面貼裝設備、元器件取放系統、焊接及在線考試等技術內容的一整套完整工藝技術過程的統稱。


  因為SMC、SMD減少引線分布特性影響,而且在PCB表面貼焊牢固,大大降低了寄生電容和引線間寄生電感。在很大程度上減少了電磁干擾和射頻干擾,改善了高頻特性。這類元件已廣泛應用于衛星通信方面的作品中:例如,地面接收衛星信號時需使用的低噪聲降頻放大器(LNB)等高頻作品,另外高頻所用的PCB,對其特性參數:介電常數X,也有要求,例如,當電路的工作頻<109HZ時,一般要求PCB基材的X<2.5.實驗表明,PCB基材的X除了與基材的特性有關外,還與增強材料的含量有關。基材的增強材料含量越高,X值越大,故高頻電路用PCB基材的增強料含量不能太高,這使得高頻電路用PCB機械性能不夠強,甚至有些高頻作品還要求采的PCB非常薄,其厚度只要一般PCB厚度的1/3,這樣的PCB就更加易斷裂。這一特性會給該類作品的生產帶來困難。下面就這方面問題,談一談咱們在生產實踐中的部分體會及采用的上些手段以克服高頻作品所用薄型PCB在進行表面貼裝生產中易斷裂的弱點使這類作品的大批量生產能順利進行。


  表面貼裝過程主要包括三個基本環節:涂布焊膏、貼片以及焊接,下面咱們重點前二個基本環節。


  在進行大批量生產時,咱們一般采用全自動印刷機進行印刷的(即涂布焊膏),當PCB進入印刷機被涂布焊膏之前,需先固定于印刷機內,印刷機固定PCB方式一般有二種:第一種是傳送導軌并定位;第二種是傳送導軌下方采用真空吸附固定并定位。


  對于較薄且易斷的PCB而言,若在第一種固定PCB方式的印刷機中被涂布焊膏,咱們會看到PCB放入印刷機的傳送導軌上進入到適當位置后,兩傳送導軌會相向夾緊PCB,這會引起PCB板中間部分輕輕凸起。一方面這個夾持力易使PCB斷裂;另一方面,因為PCB中部凸起,使PCB整個需涂布面不平。這樣會影響到焊膏的涂布質量。若放在第二種固定PCB方式的印刷機中被涂布焊膏,就可避免上述情況,因為這種固定PCB方式時,傳送導軌是不相向運動,所以不會對PCB兩邊施加一相向的力,PCB中部也就不會凸起,這種印刷機是靠傳送導軌下方的真空吸附裝置將PCB吸附于傳送導軌上,PCB不會因受到夾緊的外力而折斷。另外,咱們會看到PCB中間底部是懸空的。為了保證薄型的PCB在涂布時,板面平整不彎曲,咱們在實際操作時會在真空吸附裝置上增加一自制平臺以支撐PCB。該平臺的面積可與PCB相匹配,這樣就避免了因PCB板面不平而影響涂布的質量的問題。


  為了保證成品率及作品質量,采用上述第二種具有真空吸附固定功能的印刷進行生產。


  涂布焊膏之后,就進入到貼片環節。同樣PCB進入貼片機進行貼片之前,起初需固定于貼片機內。貼片機夾持固定PCB的方式一般也有兩種,第一種為貼片平臺上傳送導軌相向運動夾緊PCB。從而固定PCB并定位;第二種為傳送導軌上裝有壓緊條,當PCB在傳送導軌上前進到對應的位置時,導軌上的壓緊條則自動壓下,將PCB兩邊壓在導軌上固定并定位。無論采用上述哪一種PCB固定方式,PCB中間底部均無支撐物,形成懸空,若對較薄且易斷裂的PCB在進行貼片時,隨著貼片平臺的運動及貼片關的動作,不能完全保證PCB板面不彎曲。這會影響到貼片位置的準確性,另外第一種PCB方式對較薄且易斷的PCB來說,它使PCB板兩邊受到一相向的夾緊力,易造成PCB中部凸起,若該PCB為拼板時,甚至會導致其拼接處斷裂。為此,咱們在實際操作中會采用將PCB固定在定制的托盤中,然后將托盤送入傳送導軌上,進入貼片機進行貼片,這樣PCB就不會直接受到導軌給予的外力而導致斷裂,而且托盤起到了對PCB的支撐作用,在貼片時,避免了因PCB無支撐物擊變形影響貼片位置的準確性的問題。采用這種技巧,咱們要求托盤之間的一致性要好(包括外形、邊框、尺寸及涉及PCB定位的尺寸)。托盤的一致性好壞,直接影響到貼片位置的準確性。


  當然上述技巧并不是十全十美的,它同樣也存在著某些缺陷。因為采用該技巧在托盤制作上要求比較高,除了一致性要求要高外,還有一個問題需解決,即PCB的固定問題。所以在托盤制作時還要注意固定PCB的方式,既要保證PCB在托盤中不能晃動,又要使PCB便于取放,這增加了托盤的制作難度及費用、鑒于這點,咱們提出了另一種解決技巧,這種技巧就是將托盤制成簡單的框架,而PCB在托盤中的固定,采用真空吸附的技巧,這使托盤制作簡便了,一致性也較簡單保證且PCB的取放也很簡單,但是該技巧需要對現有的貼片機進行稍稍改制。因目前貼片機不帶真空吸附固定PCB的功能,所以需另外增加一小型真空吸附裝置,而且該裝置的真空泵開啟的動作需與傳送導軌夾持固定PCB的動作同步。


  綜上所述,薄型易斷PCB的SMT工藝探討,不過咱們對使用該類PCB的作品生產工作中的點滴體會,僅供同行們特別是在生產該類PCB的作品的同行們參考。


  SMT可制造性設計應用研討會講義


  1.0可制造性設計概念


  不論是您公司從事的是什么作品,不論您的顧客是內部或是外部顧客,他們對您的要求都可說是一致的。他們的要求都離不了三方面。即優良或致少滿意的品質、相對較低的成本(或價格)、和較短而及時的交貨期。而身為一個作品的設計人員,您對以上的三個方面是絕對有影響和控制才能的。目前新一代的設計師,他們的職責已不是單純的把作品的功能和性能設計出來所以簡單,而是必須對以上所提到的三方面負責,并做出項獻。


  為什么現今的管理對設計師在這方面的表現特別重視呢?主要是因為設計是整個作品壽命的第一站。在效益學的觀點上來說,問題越是能夠越早解決,其成本效益也就越高,問題對公司造成的損失也就越低,在電子生產管理上,曾有學者做出這樣的預測,即在每一個主要工序上,其后工序的解決成本費用為前一道工序的10倍以上,例如設計問題如果在試制時才給予更正,其所需費用將會較在設計時解決高出超過10倍,而如果這設計問題沒法在試制時解決,當它流到再下一個主要工序的批量生產時,其解決費用就可能高達100倍以上。此外,對于設計造成的問題,即便您廠內擁有最好的設備和工藝知識,也未必能夠很完善的解決。所以基于以上的原因,把設計工作做好是門很重要的管理。所謂把設計做好,這里指的是包括作品功能、性能、可制造性和質量各方面。


  SMT是門復雜的科技。因此目前的設計師也面對許多方面的壓力。身為一個STM作品設計師,他必須對很多方面如元件和組裝壽命等等數十種科目具備絕對的知識。許多這方面的問題都是以往插件技術中不必加以考慮和照顧的,但如今卻成了必備的知識。所以當今的設計師,他們應當具備的知識面,已不能像以往處理電子作品設計時的范圍一樣。而本講座中談到的DFM技術,也正是當今SMT設計師必備的知識之一。


  目前在工業界里,幾乎沒有人不談‘品質'管理的。先進管理觀念強調,品質不是制造出來,而應當是設計出來的。這觀念有其重要的地方,是使用戶從以往較被動的關注點(生產線上)移到較主動的關注點(設計上)。但說法不夠完善。嚴格和具體來說,品質既不是生產來的,也不是單靠設計來的,而應當是配合來的。好的品質是通過良好的設計(配合工藝和生產才能的設計),優良的工藝調制,和生產線上的工藝管制而獲得的。而這三者又是需有良好的品質管理理念、知識、系統和制度來確保的。


  要確保作品高而穩定的品質、高生產效率和低生產成本、以及準確的交貨時間,咱們的生產線必需要有一套所謂的‘堅固工藝’(RobustProcess)。而堅固工藝是必須通過設計、工藝才能、和設備性能之間的完好配合才能實現的。所謂堅固工藝,是指其對外界各種影它表現的因素的靈敏度很低。也就是說,對這些因素的大調整,其整體效果還是穩定不變或只限于合格范圍內的變動。


  在咱們計劃引進一條生產線時,咱們必須確保此生產線能處理咱們所要制造的作品范圍。但當咱們有了生產線后,咱們則應當盡力使咱們的作品設計,能適用于此生產線上制造。這便是可制造性設計的基本理念。


  ‘堅固的工藝’是相對的,所以一套設計規范也是有其針對性的。它在某一生產環境下(設備、管理、材料、工藝才能、品質標準)可能是‘堅固’的,但在另一個環境下卻可能變得不‘堅固’。因此,設計的好與不好,也是有它的特定性。用戶必須理解和牢記這一點。


  作品壽命,是另一設計上應當注重的地方。因為作品在服務期內會受到各種不同的環境壓力(如熱調整、機械振動等等),作品的設計必須確保在這方面能經得起使用環境中會遇上的各種壓力。另一個要照顧到的是制造方面,可制造性和壽命有什么關系?一個設計得非常難組裝的作品,其對服務壽命的威脅一般也較大,而制造工藝上的小調整常常也會縮短其服務壽命。例如一個熱處理做得不好的設計其制造過程中所受到的焊接熱沖擊會較大,因溫差較大使焊點的可靠性也不簡單得到保證。這就影響了此作品的壽命。


  作品壽命的設計考慮,始于對作品壽命的定義。設計人員應當定下和壽命有關的一切條件,如壽命期(多少年?)、允許的故障率、故障定義、維修保養政策、使用環境條件、驗證技巧等等。再從使用環境條件的定義下設計作品的壽命考試技巧、選擇元件材料、選擇設計規范,并通過壽命考試來驗證設計和開發工藝等等。


  影響壽命的因素很多,可分為主因素和次因素兩大類。主因素如元件引腳種類、元件的大小、元件和基本的匹配等等,這些對壽命的影響較明顯嚴重。次因素雖然單獨的影響不是很明顯嚴重,但幾種次因素的作用加起來,其整體作用也能夠是相當可觀的。這方面的例子如焊點的形狀、成品的保護涂層(conformalcoating)、基板的外形比等等。在影響作品壽命的種種因素之中,熱處理的考慮應當算是SMT應用中最重要的一部分。因為在SMT應用上,許多和壽命有關的問題都是和熱處理有關。它同時也是影響可制造性的重要因素,所以在熱問題的考慮上,用戶應當同時兼顧到制造工藝上和作品壽命上的問題。另外一個對熱處理關注的原因,是絕大多數使用在電子作品上的,他們的性能都會隨溫度(即關系到熱處理)而發生調整的,輕則性能不穩定,重則可能失效(暫時性)或甚至被損壞(永久性)。


  咱們理解到設計規范對咱們的作品壽命(即質量)、成本和交貨期都有影響,那咱們該采用什么設計規范或標準呢?咱們能夠發現,公開市場上有不少類似IPC等機構推薦的設計標準。他們之間都有差別,加上各大電子廠也都有自己本身的一套規范,標準可謂五花八門。他們之中那一個較好呢?為什么大電子廠采用如IPC這類世界有聲望機構推薦呢?而咱們是否能夠采用呢?起初咱們必須理解和認同的一點,是SMT工藝是門復雜的科技學問,在SMT應用工作中,常出現一個問題現象是由無數因素聯合形成的這一現象。而有效的解決這些問題,有賴于咱們對整體的配合才能。這是所謂的技術整合。因為因素眾多,也隨時間在改變,所以要找到兩家完全一樣的工廠的機會是很微小的。既然設計規范優化情況下是必須配合工藝和設備才能等方面的,也就是說設計標準都有其范圍,越是要優化適用范圍就越小。所以如果要很好的使用設計來解決問題,一套適用于本身的規范標準是必須按本身持有的條件而開發的。


  作品開發,應當將它當成是整個技術整合的一部分,而不是單獨的作品開發工作。把整個技術合成一起管理,才能真正做到最優化程度,才有可能朝向‘無缺陷’或‘零缺陷’方向發展。在作品開發的初期,設計小組應當將作品的品質和壽命要求定下,如果廠內開發多種作品,有需要時能夠按他們之間的不同分成幾個檔次。各檔次都有對應的設計規范和工藝、材料規范來配合。這些規范能夠是以前開發驗證過的經驗,也能夠是為了應付新需求而開發的新規范。如果是新規范,設計方面也必須確保能夠給予配合,有需要是或是引進新設備,或是提升改進現有的設備。配合設計和工藝規范的設備再通過如TPM等的先進管理,來確保其穩定性的可靠性。同時在不斷標定的設備才能工作中使設計規范穩定的標準化。在另一方面,材料的規范化也應當推出對應的供應商選擇和管制系統。通過對供應商才能的要求和評估來確保對工藝和材料方面的配合。廠內的技術水平,因為直接決定廠內的工藝管制才能,也是個必須注意、檢測和調整的方面。


  因為當今設計工作范圍和職責的改變,以及為了應付日趨強烈的開發時間壓力,標準化和資訊管理成了非常重要的管理工作。對設計軟件的要求,也不像以往那樣注重現有的數據庫,而是較注重軟件的更改和兼容才能。對于CAD和PDM等管理軟件和數據方面的結合也進行越來越被重視了。目前作品的更改頻繁,作品的市場壽命較短等現象,使得許多工廠誤入歧途,過分的注重生產線的靈活性或柔性,而忽略了相等重要的穩定性。標準化的推行,能夠在這兩者之間獲得一個很好的平衡。適當的標準化有許多成本、質量和效益上的優勢,但太多或不當的標準對柔性和設計空間起了限制,所以用戶必須培養才能來維持這兩者的平衡。


  2.0工藝和設計的關系


  所謂SMT技術,指的是有關如何將基板、元件通過有效工藝材料和工藝組裝起來,并確保有良好壽命的一門科技。這其中便有許多種不同的組裝形式和對應的工藝做法。因為各種方式都有其優缺點和不同的工藝,設計師對這方面知識的吸收也就成了一件重要的工作。例如說單面全SMT元件回流焊接技術的組裝板,便具有外形薄和組裝工藝較簡單的優勢。但其組裝密度還不是很高,以及不能采用插件可能是其應用限制。而目前最多被采用的雙面混裝技術,具有密度較高,能混合采用SMD和插件,能發揮質量和成本之間的平衡利益。但卻含必須處理兩道焊接程序的弱點。諸這樣類的認識,設計師都應當擁有,才能在其工作上發揮。所以要成為一位非常出色的設計工程師,努力學習組裝工藝方面的知識的是重要的。詳細的工藝不在本講座的范圍之內,咱們接下來談談部分常用工藝和設計方面的關系。從以下的例子中能夠更好的理解到設計工作在整體SMT應用中的重要性。


  2.1錫膏絲印工藝


  這最常見的工藝包括4個主要工序,分別為對位、充填、整平、和釋放。要把整個工作做好,在基板上有絕對的要求。基板必須夠平,焊盤間尺寸準確和穩定(即便在經過焊接工作的高溫處理后),焊盤的設計應當配合絲印鋼網,并有良好的基準點設計來協助自動定位對中,此外基板上的標簽油印不能影響絲印部分,基板的設計必須方便絲印機的自動上下板,外形和厚度設計不能影響絲印時所需要的平整度等等。這些都必須經過設計師的考慮。


  另外常見的問題是基板上的綠油(阻焊涂層)印刷不斷或太厚,銅焊盤的保護處理選擇不當(例如在微間距應用上采用垂直熱風整平VHASL處理,雙回流應用中采用不當的OSP等等)都應當在設計時給予適當的考慮和處理。


  絲印鋼網的設計,有些工廠目前還是和焊盤設計分開考慮和進行的。這是種不當的做法。這兩者是息息相關的,其設計指標應當同時考慮和進行。常見的問題是鋼網的開孔被設計為比焊盤CAD數據稍為小些,同時在CAD數據上有允許焊盤在CAD數據上有個較小的公差(例如允許有+/-0.05mm值)。這使得在絲印鋼網上的縮小失去其實用意義。準確的做法應當是要求基板上焊盤的尺寸公差定為如-0.0,+0.05(即只允許比CAD大而不允許小)的范圍。鋼網設計和制造能夠由工藝或生產部門人員來執行,但必須和設計部的焊盤設計一塊考慮。


  2.2點錫膏工藝


  如果廠內采用的錫膏涂布工藝注射是方式的,在基板上的焊盤設計又和絲印有所不同。例如焊盤的長度應當受到更短的限制,銅焊盤的防氧化處理要求更嚴格。但對綠油的要求卻不高。對于不同元件封裝也應當有個別的考慮。例如J引腳的PLCC元件,如果采用一般的做法在每一焊盤上分點兩點錫膏,則有可能在回流前錫膏和引腳的接觸不良,引起引腳發生位移的問題。如果采用點3錫點的方式,則又浪費寶貴的生產時間。所以焊盤的尺寸設計因給予更改,要求對元件封裝進行較嚴格的范圍控制,同時將焊盤加寬和縮短以達到能采用單一錫點的工藝。


  對于采用不同的泵技術,焊盤設計也有絕對的不同,所以設計師嚴格對各中泵的性能和特點有足夠的理解。致少對本身廠內所使用的技術應當有足夠的理解。


  2.3黏膠應用


  目前較常用的有點膠和印膠工藝。點膠工藝中有各種的注射泵技術,還有適用于非常高產量的針印工藝。目前更發展出新一代的噴射工藝。印膠工藝方面的做法則和錫膏的絲印很相似。


  各種的泵在膠點的量控制才能和點出的膠點外形上也有不同,這是設計和工藝人員應當理解和注意到的。例如在同一直徑膠點的高度上,采用針印工藝的高度就來得低些,噴射工藝最高,而鞭他的泵則處于他們之間。這些調整也就影響了設計工作。例如在元件外形和尺寸不變的情況之下,為了確保膠點能對元件的底部有足夠的接觸面。采用針印工藝的膠點虛設銅盤的寬度就應當較大,以處理更大的膠點直徑。


  除此之外,膠水的種類和品牌也影響點的外形。所以在技術整合的觀念下,設計規范是必須和工藝規范同時開發的。


  2.4貼片工藝


  貼片機是否能處理咱們設計時所選的元件,把他們都準確的貼在所需的位置上,這問題直接影響了咱們的生產。所以在設計時的元件選擇工作上,對廠內貼片機性能的理解也是關鍵的。此外,出于貼片工序在整條生產線上經常是效率的‘瓶頸’(也就是限制整條生產線率的一節),在設計時咱們還得同時考慮對生產效率的影響。


  對于一個設計人員,在貼片這一工藝上應關注的有以下幾方面:


  1、能處理的元件范圍和個別元件的處理才能(拾放可靠性)。


  2、對各元件的對中才能(貼片精度和重復精度),包括基板的定位才能。


  3、靈活性和轉換才能(可行性、所需進間和資源)。


  4、對各元件的產量。


  5、基板的處理才能和范圍(材料種類、厚度、外形比等等)。


  市面上對貼片精度的規范和指標常出現錯誤或不完整的說法。正確的精度標法應包括分布系數SIGMA和貼片精度平均值U的資料,或是以Cp和Cpk兩者標出。設備科人員應當協助提供這方面的資料給設計部人員。通過對此的理解,設計師才能對其焊盤尺寸的考慮做出優化。


  設計人員也該進一步的理解貼片精度的誤差的來源。他們是有4個主要因素:基板質量、設備對基板的識別和定位才能、設備的機械精度、和設備對元件的識別和對中才能組成的。例如理解廠內設備對基板的識別的定位才能后,就能對應的設計合適的基準點(大小、形狀、位置分布和反差條件等),就能決定區域和專用基準點是否需要等來確保作品設計的可制造性。

  對設備的靈活性方面的理解也一樣。理解了什么元件能被處理,處理的可靠性如何,在處理不同元件時是否需要某程度的設備轉換,是自動還是人工轉換,對生產時間的浪費影響有多重等等之后,在選擇元件封裝上也能夠做出更好考慮。而這些考慮的內容也能夠提醒采購人員在采購時做出對應的要求。

  2.5波峰焊接工藝

  因為混裝板和插件元件在應用上的某些優勢,波峰焊接工藝目前仍是常見的組裝焊接工藝之一。波峰焊接工藝的問題,如橋接、‘陰影效應’等已是眾所周知的經驗。許多問題在設計上能夠給予絕對程度的協助,如為了減低SOIC引腳間橋接的‘吸錫盤’或‘盜錫盤’設計等。設計人員應當對他們有足夠的理解和應用。應當注意的一點,是這些問題的程度,在波峰焊接工藝中是和設備原理和調制有很大的關系的。設計工作必須嚴密的配合設備料的工藝調制規范進行。例如說為理解決矩形件和‘陰影效應’而增加的焊盤長度,到底應增加多少是和廠內的設備和工藝調制才能息息相關的。忽略對廠內工藝和設備才能的理解而盲目搞設備規范是錯誤的做法。

  另一個經常受到關注的波峰焊接問題,是元件的受熱問題。對于雙面有元件的作品來說,一面的元件有可能在經過波峰焊時完全浸在高溫的熔錫中,那熱沖擊能夠高達每秒200多度。元件的封裝是否經得起這樣的熱處理,在其壽命和性能方面會產生什么影響,是設計人員應當給予考慮的。

  為了處理只要少數插件的作品,或為了保護部分對熱較敏感的元件不受熔錫的熱沖擊,目前有些部分波峰焊接的工藝和設備。廠內如果有采用這類設備,板上元件的編排會可能受到設備動作的部分限制。例如必須留下某些空位等等。

  2.6回流焊接工藝

  回流焊接工藝是目前最流行和常用的批量生產焊接技術。回流焊接工藝的關鍵在于找出最適當的穩定時間關系(即所謂的溫度曲線設置)。并使它不斷的重復。溫度曲線必須配合所采用的工藝材料(錫膏),注意的參數有升溫效率、溫度的高低、在各溫度下的時間、和降溫效率。市場上出現了多種不同加熱原理回流爐子,其實如何加溫還是次要,最重要的是必須能夠隨意控制溫度的調整和保持穩定。

  市場上采用的加溫法,仍然不外3個基本的熱傳播方式。即傳導、對流和輻射。各種爐子的原理也能夠這技巧來分類。在采用傳導方式的有熱板、熱絲和液態熱(很少用)三種主要技術。采用對流的有強制熱風、惰性熱氣、和氣相回流(已基本不用)技術三種。而采用輻射技術的,有紅外線、激光和白光三大源流。

  熱板回流技術仍用在陶瓷基本工藝上,它只能用在單板上,而必須靠基板的良好熱導性能才能發揮效益,限制了他在大部分電子組裝業上的用途。熱絲技術在英文中常稱hot-bar焊接技術,是因為他常用在以金屬或陶瓷片為加熱媒介的設備上而得名。它適用于長、平和柔軟引腳的元件上(如柔性板和TAB工藝上)。通過控制溫度、壓力和時間來控制焊接效果。需要不同的焊頭來處理不同的元件。是屬于較慢的工藝。工藝控制可能不易。此技術可應用在反修工作上。

  熱風或熱氣技術有兩種,一上適合批量生產的自動化回流爐子,另一是供部分焊接用的吹管技術(常用在返修技術上)。通過空氣或惰性氣體的對流作用來傳熱。在部分焊接技術上必須使用不同的吹管來處理不同元件是它的一個弱點。在使用空氣為媒介時是個經濟的方案,但工藝效率較慢。

  白光和紅外線在小批量生產的應用上,都是通過光學聚集的原理將光內的熱能集中起來,對焊點做部分加熱的。其好處是沒有機械接觸(不像熱絲技術),部分焊接不會對元件封裝造成過熱的威脅,能夠自動化編程。缺點是焊接以點進行,效率較慢,雖不會對元件封裝有過熱的威脅,但失控時對焊點有過熱的可能,而白光對人的眼睛不利。其加熱效率快使他在對熱容量大和封裝對熱較敏感的元件應用上有優勢。

  激光技術和以上的白光和紅外線原理類似,不過媒介同。這是種較新的技術,還未普遍被接受,主要原因可能是價格方面(非常昂貴)。激光的能量能夠被很準確的進行控制,重復性很高,焊點能夠很細(對微間距技術沒困難),因為部分性很高而能保證很好的焊點質量(沒有內部潛在應力)。此技術或許有很好的發展潛能,但目前說法不一。

  電感焊接技術,是一種通過電感效應的渦流加熱原理來進行焊接的工藝。具有沒有機械接觸、加熱快和熱容量高的優點。缺點是技術不易掌握,焊點周邊不能有某些金屬部件,高頻信號對某些電子元件不利和加熱頭的位置敏感度高等等。目前的應用還不普遍。

  火炬焊接技術,適用于焊點熱容量特高的應用上。如在基板上有大的插座或金屬屏蔽板等等的場合。也屬于非接觸式和部分焊接的工藝。缺點是工藝經驗缺乏,對焊點的可靠性數據理解和考察不夠(不過在某些應用上不是太重要)。

  紅外線用在批量生產焊接技術上已有很長的時間,它是熱風回流技術成熟前的主要工藝。目前還有些產家還在推薦遠紅外線技術的爐子。此技術的優點是加熱效率較高,重復率很好,熱容量也好,對部分回流工藝問題如吸錫(wicking)和立碑等較能應付。缺點是作品板上的溫度較大,對部分元件的外形和封裝材料調整較大,而且有超溫的可能。另一更常見的批量焊接技術是熱風回流技術,他基本是解決了紅外線技術存在的問題,但設備困難,好的設備價格高于紅外線技術,(差的設計性能不如紅外線技術),而且應用上對知識的要求也較高,設備保養要求也高,設備選擇不易,必需要有一套考試技巧。

  回流曲線設置的關鍵,在于將作品板上最熱和最冷點找出,通過對爐溫的調制使這兩點的范圍設置在錫膏性能的要求范圍內,工作便可說是搞定了。板上熱點和冷點的熱學特,影響的因素很多,在設計作品時便應當考慮到和照顧到這些,使設計出來的作品上,熱點和冷點的溫差盡量做到最小為此。這不但使生產簡單控制,對設備的性能(和價格相關)和保養的要求也較低,而且對作品焊點的質量也較簡單保證,是個設計時很重要的考慮點和做法。

  3.0理解您的制造才能

  理解廠內實際的制造才能,是推動DFM管理的重要部分。工作包括對廠內設備的才能進行量化考察、規劃和制定規范指標。這做法的主要原因有四:一是因為每個設計規范都有它特定的適用性或針對性,它只要在特定的條件下才能最優化的發揮其功能。第二個原因是大多數的生產線都是不同的,即便設備的硬件配置一樣,管理、工藝知識、品質標準等等軟科學會使其不同。所以在另一個工廠適用的設計規范,未必也適用于您的工廠。只要完全和準確的理解您廠內的才能情況后您才可能制定出一套優化的設計規范或標準。第三個原因是許多有用和重要的資料,除非您親身去考察、考試和記錄,您不可能在市場上得到現成的,即便是設備供應商也提供不了。第四原因,是在優化設計上,基本沒有所謂的通用標準可被使用。

  在您的生產環境里,有什么是需要您的關注和量化理解的呢?您能夠從四個方面著手。即生產線的功能(能做些什么?)生產線的柔性或靈活性(需要什么改變處理工作的變更?)、質量(能把作品做到多好?包括長期壽命方面和直通率方面的考慮)、以及生產效率(產量和成本)。

  生產線才能規劃的例子,例如每一條生產線對基板的處理才能范圍,包括如基板的材料、基板的厚度范圍,板的尺寸限制、重量限制、板邊的留空要求、定位要求(如基準點、定位孔、邊定位的厚度和曲翹限制等等)、以及如果采用自動條碼識別系統的位置要求等,這些都必須有詳細和準確的規劃。應注意這些規劃應以整線而不是以個別設備的層次來進行的。如果廠內有多條不同規范的線,能夠考慮以統一規范(最嚴格的規范)或分等級來簡化。

  同樣的,對于元件的處理才能,咱們也應當給予理解和規劃。這方面可包括如各種常用元件的釋放才能(以dpm計)、貼片機吸咀的種類和要求、對中技術和才能、貼片力度(靜和動態)、供料器種類、數目和性能、以及各元件對效率效率的影響等。

  對于各設備的性能和技術限制,咱們也應當有足夠的理解和記錄。例如廠內所采用的回流爐子是屬于什么加熱原理的,如果是熱風原理,那它對排風調整的影響或靈敏度又如何;如果是紅外線對元件的外形和顏色有什么影響;爐子的軌道是否會因為吸熱而對板的兩邊造成冷區效應,程度又如何等等這類的性能問題,都應當給予詳細的考察和記錄在設計規范內。

  除了設備的才能,整體的工藝才能也必須是規劃的內容。廠內應當有最少一份的工藝規范,內容詳細的類出廠內工藝的才能和極限。例如在錫膏工藝上能采用什么工藝(絲印、點錫)、達到什么程度(0.3mm間距、0.12mm開孔、AspectRatio1:1.5、雙面印刷才能等等)。注意一切重要的條件(如錫膏種類、基板厚度和表面處理要求)也都必須清楚的列出。訂立設備和工藝規范的技巧,能夠配合供應商資料、生產線的實際經驗(但必須是科學性的)和廠內設立的試驗結果,使經過難驗證的數據經驗被納入設計數據庫使用。一切驗證和分析、決策的過程都應當有份記錄檔案,方便日后改進工作。

  要正確和有效的進行以上工作,您廠內必須具備良好的設備工程學和SMT工藝知識。在這些才能未足夠建立起來之前,推行的工作有可能是白費和誤導的。工廠管理應當注意這一點而不可沖動行事。以免招到投入后沒有效果的失敗。

  SMT可制造性設計應用研討會講義(中)

  4.0基板和元件的選擇

  選擇適當的材料是設計工作內的注意部分。材料的選擇必須考慮到他的壽命和可制造性。許多設計人員只注重在元件的電氣性能、供應和成本的做法是不全面的。在電子工業中,大部分所用的材料都對溫度有絕對的反應和敏感性。而在電子板的組裝過程中又必須經過絕對程度,而有時又不只一次的高溫處理。所選用的元件和基板等是否會變質呢?元件原有的壽命是否會縮短了呢?這些也都是需要加以考慮的。在作品的服務期內,作品本身也會經歷部分熱調整,如環境的溫度調整,作品本身電源的接通和切斷產生的熱功率等等。這些熱起的體形調整對SMD焊點起著不利的影響,是SMT作品中的一個主要壽命問題根源。所以在設計時對這方面的考慮也是重要的工作。

  4.1基板的選擇和考慮

  基板的作用,除了提供組裝所需的架構外,也提供電源和電信號所需的引線和散熱的功能。所以對于一個好的基板,咱們要求它有以下的功能

  1.足夠的機械強度(附扭曲、振動和撞擊等)。2.能夠承受組裝工藝中的熱處理和沖擊。3.足夠的平整度以適合自動化的組裝工藝。4.能承受多次的返修(焊接)工作。5.適合PCB的制造工藝。6.良好的電氣性能(如阻抗、介質常數等)。

  在基板材料的選擇工作上,設計部門能夠將所有作品性能參數(如耐濕性、布線密度、信號頻率或效率等)和材料性能參數(如表面電阻、熱導、溫度膨脹系數等)的關系列下。做為設計選擇時的考慮用。

  目前較常用的基板材料有XXXPC、FR2、FR3、FR4、FR5、G10、和G11數種。XXXPC是低成本的酚醛樹脂,其它的為環氧樹脂。FR2的特性和XXXPC接近,但付阻燃性。FR3是在FR2的基礎上提高了其機械性能。G10較FR3的各方面特性都較強,尤其是防潮、機械性能和電介質方面。G11和G10接近,不過有較好的溫度穩定性。FR4最為常用,性能也接近于G10,能夠說是在G10的基礎上加了阻燃性。FR5則是在G11的基礎上加了阻燃性。目前在成本和性能質量方面的考慮上,FR4可說是最適合一般電子作品的批量生產應用。對于有大和微間距的元件,而由采用雙面回流工藝的用戶,能夠選擇FR5以求較可控的工藝和質量。

  為理解決基板和元件之間溫度膨脹系數匹配的問題,目前有采用一種金屬層夾板技術的。在基板的內層夾有是銅和另一種(常用的為殷鋼,也有的用42號合金或鉬),這中間層可用做電源和接地板。通過這種技術,基板的機械性能、熱導性能和溫度穩定性都能夠得到改善。最有用的是,通過對銅和殷鋼金屬比例的控制,基板的溫度膨脹系數能夠得到控制,使其和采用的元件有較好的匹配,而增加了作品的壽命。

  在整個SMT技術應用中,基板技術能夠算是較落后的。從目前的用戶要求和基板發展商方面理解到,今后基板技術的發展,應當是朝以下的方向前進。

  1.注更細的引線和間距工藝(層加技術已進行成熟)。2.更大和更厚(用于更多層基板)。3.減少溫度膨脹系數(新的材料或夾板技術)。4.更好的熱傳導性能(目前也有在研究通過輻射散熱的)。5.更好的尺寸和溫度穩定性。6.可控基板阻抗。

7.氧化保護工藝的改革(錫膏成份有可能改變)。

  這些展望意味著基板技術有可能在將來有個大的改革。設計師應對這方面的動向保持留意。做好需求改變的準備。

  在基板技術的可制造性考慮上,綠油(防焊層)的應用是其中的一個重點。一般SMT用戶很少去理解基板制造商對淥油的選擇和應用。也缺乏這方面折知識。所使用淥油的化學特性,必須能符合基板的組裝工藝(返修、點膠固化、油印等),也必須能融合或接受組裝工藝上所采用的一切化學材料,如助焊劑和清潔劑等。這方面的資料應向基板供應商要求。注意有些化學反應的資料未必有。但致少用戶能夠理解那方面是可能存在問題的。在需要時能夠要求基板或綠油供應商協助試驗分析。

  基板業中常用的綠油工藝有四種,分別為液態絲印工藝、液態光繪工藝、干膜工藝和干濕混合工藝。液態絲印工藝成本最低,但質量(精度和分析度)較差,用于面積較小和密度較低的作品基板。干膜工藝精度和分析度很好,但成本高和涂布后的厚度較高,不利于某些工藝。干濕混合工藝的強點是對接通孔的充填才能強,但固化工藝必須做得完整,否則在SMT組裝中會有泄氣的不良問題。液態光繪工藝的發展潛能很高,他有很好的精度和分析度,成本低于干膜工藝,而且能控制較薄的厚度,對錫膏絲印工藝有利。不足的是此工藝對接通孔的充填才能較弱。

  在SMT組裝工藝上常見的綠油相關問題不少,如綠油太厚造成錫膏絲印工藝的難控,綠油在基板制造時固化不良而泄氣(形成焊點氣孔)或裂開(腐蝕進行和應力集中),材料吸濕而造成綠油層在回流時的脫離,基板綠油工藝不良而造成綠油和焊盤界面的斷裂,以及某些干膜材料簡單引起焊球問題等等都是較常見的。

  4.2元件的選擇和考慮

  對元件的選擇,一般必須做到的考慮點最少有以下幾方面

  1.電氣性能。2.占地效率(三維)。3.成本和供應。4.元件可靠性和使用環境條件。5.和設計規范的吻合。6.適合廠內的工藝和設備規范。7.可組裝性、可考試性(包括目視檢查)。8.和制造相關的資料是否完整可得(如元件完整詳細外形尺寸、引腳材料、工藝溫度限制等)。

  在可制造性考慮上,元件的選擇始于對封裝的理解。元件的封裝種類繁多,也各有各的長處。做為設計人員,對這些封裝技術應當有絕對的認識。才有才能在可選擇的范圍內做出最優化(即適合高質量高效率的生產)最適當的選擇。要很好的做出選擇,設計人員應當要有最基礎知識的認識。例如去理解元件封裝的目的。如果理解封裝的目的之一是提供散熱,那在設計上自但是然的考慮到不同封裝的散熱性能。理解到散熱和IC的引腳材料有關后,便自但是然地考慮到是否需要采用銅而放棄42號合金的引腳之類的問題。

  對于元件封裝和組裝工藝相關的問題,已不在不過工藝或生產工程師的事了。設計人員也應當有所理解。例如在‘爆米花效應’(Pop-comeffect,因元件吸濕而在回流過程中爆裂的現象)的考慮上,在可選的情況下會優選PLCC44而不用QFP44。又如對SOIC的底部浮起高度的考慮,市面上有不太統一的規范,設計人員應當理解到不同高度指標對廠內現有的工藝和設備將會造成什么問題。如當作品設計較大,廠內工藝采用精洗工藝時,元件選擇上就應當規定較高standoff的元件。另一個例子,如果廠內采用的貼片機注意的。元件的選擇考慮也應包括元件的包裝。不同的包裝有不同的生產效率和成本。應按廠內設備和管理的情況加以考慮選擇。

  5.0熱處理設計

  熱處理在SMT的應用上是很重要的學問。原因之一是SMT技術在組裝密度上不斷增加,而在元件體形上不斷縮小,造成單位體積內的熱量不斷提高。另一原因是SMT的元件和組裝結構,對因尺寸調整引起的應力的消除或分散才能不佳,造成對熱調整引起的問題特別嚴重。常見的故障是經過絕對時間的熱循環后(環境溫度和內部電功率溫度),焊點發生斷裂的現象。

  在設計是考慮熱處理問題有兩方面,一是半導體本身界面的溫度,另一是焊點界面的溫度。在分析熱性能的時間,有兩大注意方面。一是溫度的調整幅度和速率,另一是處在高低溫度下的時間。前者關系到和溫差有關的故障,如熱應力斷裂等。后者關系到和時間長短有關的故障,如蠕變之類。所以他們的影響是不同的,故障分析時都應個別考試和考慮。

  因為受熱而為害作品的其中一種方式是熱沖擊。作品在其壽命期間,尤其是在組裝過程受到的熱沖擊(來自焊接和老化),如果處理不當,將會大大的影響其質量和壽命。這種熱沖擊,因為來得較快,即便材料在溫度系數上完全配合也會因溫差而造成問題。除了制造上的熱沖擊,作品在服務期間也會經歷程度不一的熱沖擊,例如汽車電子在冷天氣下啟動而升溫等等。所以一件作品在其壽命期間,將會面對制造、使用環境(包括庫存和運輸)和本身的電功率耗損三方面的熱磨損。

  為確保壽命而努力的熱處理工作,對于半導體或元件供應商、設計和組裝工廠、元件作品的用戶各方面都有本身的責任。元件商的責任在于確保良好的封裝設計、使用優良的封裝材料和工藝、并提供完整有用的設計數據給他的用戶(即作品設計和組裝工廠)。作品設計和組裝工廠的責任則在于設計時的熱處理考慮,正確和足夠散熱的采用,以及正確的組裝工藝應用和管制。至于作品用戶,則應根據供應商建議的使用技巧、環境和保養來使用這作品。

  要確保作品有較長的壽命,有效的散熱處理和熱平衡設計就成了重要的工作。散熱的方式,一般還是通過熱傳播的三個基本原理,即熱的傳導、對流和輻射來達到的。在散熱考慮上有幾個難處。從避免有噪音(機械和電氣噪音)和成本的觀點上,咱們偏向于采用自然空氣對流的技巧來散熱。但從防止腐蝕和電移等觀點上,咱們又希望將作品和空氣隔開。這樣的矛盾,加上空氣流動學和復雜學問,而作品組裝起來的外形(元件高矮距離的布局)對空氣的流動造成的影響,基本的結構和對各不同熱源(元件)的散熱分擔等等都是復雜的學問。目前也還沒有能較好準確進行整體分析軟件之類的工具來協助設計工作。所以這工作做起來相當棘手。很多時間還得憑經驗和嘗試。傳統的以熱阻公式的估計法依然通用,唯對多元件合成的整體作品的分析準確度不高(個別估計還能夠)。但因為沒有更可靠的技巧,目前的軟件還是建立在這基礎上的。

  從THT(插件技術)到SMT的轉變中,咱們能夠發現元件的體形縮小了,作品的組裝密度增加了,元件第部和基本間的距離縮短了,這些都導致通過對流和輻射散熱功效的減低,而通過基板的傳導來散熱就更重要了(雖然基板因密度增加也造成傳導散熱效率不良)。在元件封裝技術上,SMDIC方面的設計通過不同引腳材料的選用和內部引腳底盤的尺寸設計而大有改善(較插件DIP的效果好),但這改進很多時間還應付不了組裝密度的增加、元件的微型化和信號效率快速增加等方面發展連帶的散熱問題。

  溫度膨脹系數失配的問題,除了材料外也和元件和基板的大小有關。例如2220的矩形件在這方面的壽命就較1206來得短,而LCCC156也會較LCCC16的壽命短許多。一份試驗報告顯示LCCC156的熱循環考試壽命為183周,對同考試條件下LCCC16的722周壽命小了許多,只要他的25%左右。

  解決這類問題或延長壽命的技巧,工業界中有幾種對策。當然最基本的是盡量選擇有引腳的元件,尤其是體形較大的元件。其中翼形引腳在這方面的可靠性算是較好的。另一種做法是采用有金屬夾層(如上提到的銅一殷鋼夾板)的基本設計,這是種相當理想的做法。但價格昂貴而且供應商少。第三種做法是采用在環氧樹脂和銅焊盤間加入一層彈膠物的基板設計,這彈膠層的柔性能夠大大吸收因溫度調整產生的應力。還有一種做法是采用了一種特制的錫膏,在錫膏中加入了某些專人成份的陶瓷或金屬細球體,使焊點在回流后被托高起來。較高的焊點有更強的吸收應力的才能。

  很多時間,單靠正確的材料選擇和設計還是不足以完全解決散熱的問題。因此額外的設計就必須被用上。在散熱處理中,通過輻射的技巧以往不被采用(這方面有新發展,稍后提到)。原因是輻射散熱需要有較大的溫差才有效,也就是說熱源要相當的熱而一般不被接受(散熱就是使元件處于低熱);同時散熱的途徑不易被控制(輻射是往各方向進行的),會造成對周邊元件的加熱現象。對流散熱常被使用,其中有自然對流和強制對兩種技巧。自然對流較經濟簡單,但有絕對的限制。如熱源不應超過每單位立方米1萬兩千瓦特、空氣和熱源的溫差應超過30度以上等等條件。強制對流,即采用風扇吹風或排風的做法,是個相當常用和有效的技巧。能夠用在整機或單一元件(如電腦中的處理器IC)上。一般它的散熱效率可達自然對流的4至8倍。缺點是成本、重量、耗能等都高。傳導散熱技術,在作品不斷微型化下逐漸被重視和采用。一般配合基板材料的選用和設計(如金屬內夾板),使熱能通過基板的傳導擴散到基板外去。一般傳到板邊緣的金屑支架或機殼上。散熱才能能夠達到每單位立方米25萬瓦特(自然對流的20倍)。另外還有很少被使用和液體散熱技術,散熱才能可達自然對流的80倍。因為作品的基板必須被浸在冷卻液體中,液體材料的選擇要很小心。以確保不會影響作品的電氣性能和起化學調整。這方面系統的設計也較困難,成本很高,所以只用在特大功率如特大型的電腦上。采用黏性較大的冷卻液體還能同時起著避震的作用。液態散熱也有自然對流和強制對流兩種做法。

  目前工業界中有工廠在開發一套新的散熱技術,是采用輻射原理的。利用于類似無線電天線的發射原理,把熱能當做是一種波來發射離熱源。據已表的研究報告,通過在元件底部基板上銅分布和圖形,元件基板內層的結構設計,其輻射散熱的效果能夠達到采用一般散熱器的兩倍多。目前這項研究仍進行中,是要找出銅分布圖形和散熱才能的確實關系。

  以下是部分有用的散熱考慮:

  1.在空氣流動的方向上,對熱較敏感的元件應分布在‘上游’的位置。

  2.發熱較高的元件分散開來,使單位面積的熱量較小。

  3.將熱源盡量靠近冷卻面(如傳導散熱的板邊等等)

  在使用強制空氣對流的情況下:

  4.較高的元件應分布在熱源的下游地方。

  5.下游的高元件應和熱源有絕對的距離。

  6.高長形的元件應和空氣流動方向平行。

  SMT可制造性設計應用研討會講義(下)

  6.0焊盤設計

  焊盤的尺寸,對SMT作品的可制造性和壽命有著很大的影響。所以它是SMT應用中一個必須做得好的工作。影響焊盤尺寸的因素眾多,必須全面的配合才能做得好。要在眾多因素條件中找到完全一樣的機會很小。所以SMT用戶應當開發適合自己的一套尺寸規范。而且必須有良好的檔案記錄,詳細記載各重要的設計考慮和條件,以方便將來優化和更改。因為目前在部分因素和條件上還不能找出具體的有效的綜合數學公式,用戶還必須配合計算和試驗來優化本身的規范,而不能單靠采用他人的規范或計算得出的結果。

  6.1良好焊盤和影響它的因素

  一個良好的焊盤設計,應當提供在工藝上簡單組裝、便于檢查和考試、以及組裝后的焊點很長的使用壽命等條件。設計考慮上的焊盤定義,包括焊盤本身的尺寸、綠油或阻焊層框框的尺寸、元件占地范圍、元件下的布線和(在波峰焊工藝中)點膠用的虛設焊盤或布線的所有定義。

  決定焊盤尺寸的,有五方面的主要因素。他們是元件的外形和尺寸、基板種類和質量、組裝設備才能、所采用的工藝種類和才能、以及要求的品質水平或標準。在考慮焊盤的設計時必須配合以上五個因素整體考慮。計算尺寸公差時,如果采用最差情況技巧(即將各公差加起來做總公差考慮的技巧),雖然是保險的做法,但對微型化不利而有難照顧到目前統一不足的巨大公差范圍。所以工業界中較常用的是統計學中接受的有效值或均方根技巧。這做法在各方面達到較好的平衡。

  6.2設計前的準備工作

  焊盤設計必須配合多方面的資料,所以在進行焊盤設計有以下的準備工作先得做好。

  1.收集元件封裝和熱特性的資料。注意國際是對元件封裝雖然有規范,但東西方規范在某些方面的相差還是挺大的。有時要以統一的焊盤尺寸來處理這巨大的規范范圍,同時又要配合廠內的各種條件而做到最優化是不可能的。用戶必須在元件范圍上做出選擇或把設計規范分成等級。

  2.整理基板的規范。對于基板的質量(如尺寸和溫度穩定性)、材料、油印的工藝才能和相對的供應商都必須有一個清楚詳細記錄。

  3.制定廠內的工藝和設備才能規范。例如基板處理的尺寸范圍、貼片精度、絲印精度、回流原理和點膠工藝采用的是什么注射泵等等。這方面的量化理解對焊盤的設計也有很重要的幫助。

  4.對各制造工藝的問題和知識有足夠的理解。這協助對設計焊盤時的考慮和取舍,有些時間設計無法面面俱顧,這方面的知識和才能能夠使設計人員做出較好的決策。

  5.制定廠內或對某一作品上的品質標準。只要在理解到具體的作品品質標準后,焊盤設計才能夠有意義的推算出來。品質標準是指如焊點的大小、需要怎么樣的外形等等。

  6.3波峰焊工藝中的部分考慮

  波峰焊接工藝中,較常見的工藝問題有‘陰影效應’(缺焊)、‘橋接’(短路)和元件脫落。‘陰影效應’是因為元件封裝的不潤濕性和溶錫的強大表面張力造成的,為了避免這種問題的產生,焊盤的長度必須有足夠的伸延出元件體外,越高的元件封裝伸延也應越長。而元件和元件之間的距離也不能太靠近,應保留有足夠的孔隙讓熔錫滲透。注聲這些尺寸都和廠內的設備和調制才能有絕對的關系,所以設計時必須理解到廠內這方面的特性。

  ‘橋接’問題常發生在IC引腳上和距離太近的元件。解決的技巧是給予足夠的元件間距,對于IC引腳(一般在離開錫爐的最后引腳上)能夠在焊盤設計上加入‘吸錫’或‘盜錫’虛焊盤。此焊盤的尺寸和位置看IC的引腳間距和類型而定。對于較細間距的翼形引腳應采用較長的吸錫焊盤。此外,對于四邊都有引腳的QFP應采用45度角置放,以減少橋接的機會。對于J形引腳和間距較寬的PLCC則無此需要。

  元件脫落的問題,一般是因為黏膠工藝做得不好造成的。最常見的是因為膠點的高度不夠引起而很多時間是因為工藝(泵技術)和材料(黏膠、元件)的選擇不當,以及因基板上焊盤高度將元件托起而引起的。設計時除了要具體和嚴格的規定元件的封裝尺寸、工藝規范中規定技術和材料外,在基板的設計上可采用所謂的‘墊盤’(膠點處的一種虛焊盤)來協助增加膠點的高度。這‘墊盤’也能夠采用信號布線來代替。

  6.4焊點質量的考慮

  決定焊盤的尺寸大小,起初要從焊點的質量來考慮。什么樣的焊點(大小、外形)才算是優良的焊點呢?在點廠內的品質部應當配合設計和工藝部有一認同。科學性的確認是通過對不同焊點大小和外形進行壽命考試而得來的。這類考試費用高、技術難、所需時間也長,因此不是每一家工廠都能負擔的。不過工業界中有許多經驗是能夠被咱們參考和借用的。例如說矩形元件的焊點,咱們要求底部端點最少有一半的面積必須和焊盤焊接(家電和消費作品),端點兩側要有0.3mm以上或元件高度的三份一的潤濕面等的最低要求。

  對于設計工作,重要的是咱們應當理解到焊點組成各部分的功能和作用。例如理解到矩形元件兩端延伸方向處是影響焊點的機械力,是提供工藝效果有用的檢查點。而它在組裝工藝上是影響立碑和陰影效應的重要部分和關系后,咱們在設計時就能很好的給予尺寸方面取舍的決定。有例如咱們理解到矩形元件各端點兩側只提供未必需要的額外機械強度,而它又是決定回流時‘浮動’效應(引起立碑的成因之一)時,咱們能夠在小元件上放棄這兩鍘的焊盤面積來換取較高的工藝直通率。

  6.5焊盤尺寸的推算

  焊盤尺寸的初步推算,應當考慮元件尺寸的范圍和公差,焊點大小的需要,基板的精度和穩定性和廠內的工藝才能(如定位和貼片精度等)。推算的公式內應當包含這些因素的考慮。讓咱們來看以下的例子。

  在焊盤尺寸X的考慮上,為了確保端點底部有足夠的焊接面,咱們采用了元件范圍中最長的L值,加上品質標準中所需的端點焊點(0.3mm或元件端點高度的1/3),再加上貼片精度的誤差(注:有些認為回流時元件會自動對中而不考慮,這種做法不當。因為不是在任何情況下都會自動對中,而且即便能自動對中,在對中前會產生中貼偏而不利工藝的其他問題)。此外因基板尺寸誤差在制造時是以只允許大而不可小的指標來控制的(見以上2.1一章),所以基板的誤差能夠不加在公式內。因此,X的推算概括如下:

  X最小值=L最大值+2X優良焊點所需的延伸+2X貼片精度

  X最大值=L最大值+1.5X元件端點高度-2X貼片精度

  注:焊盤延伸長度超過元件高度的1.5倍時簡單引起浮動立碑問題。

  對于D的考慮,為確保有足夠的端點底部焊接面,采用了元件S的最低值,減去品質標準中所需焊點大小。成為:

  D最大值=S最小值-2X優良焊點的延伸

  因為在質量觀點上元件底下內部焊點不是很重要,此處的貼片精度和焊點保留區能夠同時考慮(包括在一起)。用戶也能夠采用:

  D最大值=S最小值-2X貼片精度

  一般以上的抉擇是看那一個公差較大而定。D最小值的考慮點是焊球問題,但能夠提供絲印鋼網的設計來補償。一般在設計D尺寸時用以上的公式而不找其最小值(沒額外的好處)。

  Y值的考慮和X值類似。但無需考慮最大值,因為延伸以下的焊盤沒有什么意義。

  Y最小值=W最大值+2X優良焊點所需的延伸+2X貼片精度

  因為從W值再向外延伸的焊盤尺寸,對元件的壽命和可制造性沒有什么更有益的作用,而縮小這方面的尺寸對元件回流時的‘浮動’效應有制止的作用,許多設計人員因此將焊盤的Y值方面不加入這方面的值,甚至還有為了更強的工藝管制而使用稍小于W值的。對于小的矩形(0603或更小)能夠考慮此做法。

  以上是以矩形為例子,用戶該做到的是理解焊點的作用細節,理解尺寸和工藝方面可能發生的誤差,那不管是什么引腳,什么封裝的元件焊盤都能較科學的推算了。

  6.6綠油(阻焊層)的考慮

  對于綠油無覆蓋框的尺寸考慮,主要是看基板制造商在綠油工藝上的才能(印刷定位精度和分析度)而定。只要保留足夠的孔隙確保綠油不會覆蓋焊盤和不會因太細而斷裂便能夠了。一般采用液態絲印綠油涂布技術的,約需保留0.4mm。而采用光繪綠油涂布技術的,則只需約0.15mm的間隙。最細的綠油部分,絲印技術應有0.3mm而光繪技術應有0.2mm。

  6.7占用面積

  占用面積指的是不能有其他物件的范圍。這方面的考慮是要確保檢查(光學或目視)和返修工具和工作所需的空間。設計人員應先理解廠內所采用的返修和檢查技巧和工具后再進行制定此規范。

  7.0基板設計和元件布局

  基板設計能夠從基板如何在自動化設備中處理進行。例如設備自動傳送帶所需的留空寬度、基板在每一處設備中的定位方式和需求(如邊定位需要絕對的厚度和平整度等等)、定位孔的位置、形狀和尺寸要求之類的,都應當給予清楚的定下。以免設計出的作品不適合處理或在處理中會有對質量和效率不利的現象。

  7.1定位孔

  基板的定位孔,如果是用做基準對位用途和不不過固定的作用的話,設計時只應當在基準孔上是正圓形的。一般設備的定位針都有兩根,所以定位孔也最小有兩個。除了基準孔外,另外的孔就不應當是正圓形。而應當是在基準孔同一方向上延伸式的設計。此外,為了避免錯位時損壞基板,可考慮把孔在基板的對邊也開出對稱的設計。如果基板尺寸是正方形的,那可能得確保四便對稱。注意這里所要防止的是基板因錯位而被損壞,自動設備應當還要有才能判斷錯位而停止進行無謂的加工。

  7.2基準標點

  基準標點是供自動化設備做自動對位用的,按精度需求可采用板基準(Panelfiducial或Globalfiducial)、電路基準(Circuit或Imagefiducial)、或個別基準(Localfiducial)。在不采用拼板設計上(即每一塊板是一個線路),前兩者是一樣的。對于尺寸較小、精度要求不高的基板,則最后的個別基板能夠不被采用。值得注意的是,采用基準點對中是未必需要的。所以設計時加以給予考慮。

  基準點的形狀能夠是有很多種。設備供應商常說其設備能夠處理各種各樣的基準圖形,甚至可采用焊盤圖形。其實多數的設計對不同的圖形都有不同才能的。為了做到最好(準確和穩定),設計人員應對廠內設備對不同圖形的識別和計算才能有足夠的理解。并采用對應最優化的圖形做為基準點。

  為了達到最準確,基準點的位置最好是在基板的對角上。而且距離越遠越好。基準點的數量也重要。最少兩點。但如果要處理非線性的補償則必需要有三點(應當確保所使用設備的補償計算有此功能)。還可采用第四點做為后備用途的(也需確保設備能處理)。基準點對基板在設備中的機械定位基準面(如板邊或定位孔)不應當有一樣的距離。最好是相差超出一個設備的視覺范圍FOV之外。這樣能用做錯位時分辨工作。

  為了確保有足夠和良好的光學反差,基準點的平整度應給予關注。如果基板采用熱風整平技術的,基準點應當設計的較大。OSP或鍍金技術較受推薦。綠油不可覆蓋基準點,以免造成反差不良。基準點周邊也應當有足夠的空位,以免布線或綠油等影響識別的穩定性。有一種好的做法是在基準位置的下方(基板背后或內層)設置足夠大小的銅片來增加反差。

  基準點的位置,也應當被用做是整個基板坐標的零點。許多設計還是采用板的一角等做為零點。這樣的做法對日后的工藝管制沒有幫助。

  7.3標記

  基板的布線和元件布局經常會留有空位,這些空位能夠用來印刷些有用的資料。常見的有作品型號、改進標號、基板制造商號和批號、線路標號等。如果有采用條碼標記的,應當考慮到條碼的大小和位置(如果是自動化的還得考慮設備限制)。

  7.4元件布局

  元件的布局能夠影響以后的工作效率,如檢驗和返修工作等。在有才能的情況下,設計人員應當盡量做到以下的布局法:

  1.元件方位的標記(盡量做大同類封裝元件方位一樣)。

  2.以同功能的線路集中在一起并印下方框。

  3.同類封裝元件的距離相等。

  4.所有元件編號的印刷方位一樣。

  拼板的做法很多時間值得考慮。拼板有以下的好處:

  1.對元件少的板,能夠通過加長貼片時間來提高貼片機的使用效率。

  2.對太小的基板提高其可處理性。

  3.改變異形(非正方或長方形)板或外形比不佳的板子外形,增加效益和可處理性。

  4.對從面回流技術的板,能夠通過正方拼來提高整體生產的效率。

  設計元件的方位時,除了以上通過第6章中提到的熱處理考慮外,還得注意方位對組裝工藝是否有不良的影響。如在波峰焊接工藝中,許多IC的方位對工藝的成功率都有些影響。除非在焊盤設計上有才能做到非常完善的補償,否則在元件布局時應盡量采用最佳方位來布局。

  7.5接通孔

  接通孔在作品的壽命故障上也是主要問題之一,在設計上也有些能夠照顧到的地方。較常見的問題是接通孔鍍層的斷裂而最終導致開路現象。斷裂的現象常出目前接通孔的內壁中間和孔上下面的轉彎處。孔內壁中間的問題是因為基板制造時鍍金屬的工藝做的不好。而在轉彎處是熱循環造成(FR4基板的垂直溫度膨脹系數較水平面的要高得多)。雖然這些的和基板的制造工藝有關,但不良的設計使基板的可制造性差而引起問題是常見的事。

  接通孔的鍍金工藝是否能做得好,除了制造商的工藝才能外,和接通孔的尺寸也很有關系。例如一般的工藝,對小于0.5mm孔徑和外形比(孔深對孔徑)大于3的接通孔尺寸,是較難有很可靠的工藝成果的。所以為了確保較可靠的作品,設計接通孔時就必須注意到這些。鍍層的厚度應當要求在25至40um之間。

  為禰補這方面的不足,有一個有效的做法是將接通孔完全充填。因為這樣有可能使應力更集中而縮短壽命。

  因為接通孔具有吸錫的才能,因此接通孔的位置設計應當盡量避免太靠近焊盤和看不見的元件封裝底部。

  7.6考試方面的考慮

  考試,雖然本意是用來確保作品是合格的,但應用不當卻會傷害作品的壽命。所以在設計作品時不得不小心加以考慮。考試用的探針對作品不利,但很多時間咱們還得借用它。尤其是在ICT(在線考試)上使用的特多。飛針式的考試,在對作品的破壞危險性上較小,但因為目前的效率還不理想而常常還是由針床式治具時,因為探針的數目可能相當可觀,而每一探針都需要絕對的力度來確保可靠的電氣接觸性,其總壓力能夠是非常大的。如果加上壓力的分布不均等問題,是有可能給考試中的作品造成內在的破壞,縮短其服務壽命。為了減少這方面的破壞,應當在設計考試點時使其均勻的分布在整個基板面上,采用虛設測點,采用正反面平衡測點或足夠的支撐和下壓柱等等技巧。

  雖然占用在方,但應當盡量采用個別的考試點而不是采用元件焊盤或元件引腳做為考試點。在密度較大的組裝板上能夠考慮使用接通孔兼考試點做法以及雙面考試。

  考試點的大小應看治具和探針的精度而定,采用壓縮距離較短的探針有利于精度的提升。探測點能夠考慮用技巧來取代一般的圓形,能夠考慮用六或八邊形的探測點,方便識別區別。因為探測點都不能有綠油覆蓋,要注意他們對鄰近焊盤的影響。

  探測點的布置最好是采用標準的柵陣排列(即坐標間距跟隨絕對的標準),這樣能夠方便日后測點的改變和針床治具的重復使用或修改。

  8.0設計文件檔案

  一個作品開發出來后,有一套隨著而生的重要文件檔案。這些文件包含了各種在制造、品質管理、采購、改進、和返修工作中需要的資料。如線路圖、Gerber檔案、物料清單、組裝文件等等。在種種關系到設計工作的文件檔案中,在以前較不被注重的是工藝的材料規范、合格供應商資料和物料清單中的部分資料。這些曾被忽略的文件檔案,在目前的先進管理上是不可不利用他們的。


  工藝和材料規范檔案,應當最少包括五個重要的組成部分。分別為:


  1.元件組裝資料檔案;2.基板材料和工藝規范;3.工藝材料規范;4.工藝規范;5.品質規范和標準。


  以上五者都必須整合開發,并使用在設計規范的參考上。合格供應商管理檔案中,也應當包括了四個重要的組成部分;

  1.和用戶本身有關的所有元件封裝和組裝上的初步資料;

  2.經過鑒定的合格封裝詳細資料;

  3.供應商的才能的評估記錄;

  4.合作和獨立的改進計劃和進展記錄(包括管理和技術、質量等全面的),元件未來發展計劃。

  在傳統的物料清單(BOM),一般只具備的資料有元件編號、元件封裝稱號、元件名稱簡述、單一作品是所需元件的數量、和元件參數值幾種。因為市面上元件的標準化還缺乏完整性。咱們常能夠發現采購中出現的問題(這完全符合設計和生產的要求)。其更正成本和時間往往相當可觀。為了避免以上的問題發生,在BOM資料中有兩個新成員是應當被加入的。其一是元件的詳細封裝資料(如尺寸和溫度時間限制等)和優選的供應商清單。另一是基板的詳細指標規范。

  在競爭日趨激烈的情況下,目前許多工廠都較重視作品的推出時間性。要提高這方面的才能,技術整合、標準化和不斷學習的做法是重要的。而這種做法的效益,在相當大的程度上有賴于信息的準確性和及時溝通。從本講座中所學到的,咱們能夠意識到在信息上的未來特性,咱們有必要考慮利用現今發達的信息資訊技術,考慮將咱們的信息高程度的電腦網絡化。電腦網絡化能夠帶給咱們許多好處,如減少重復的修改和輸入工作,也因此節省時間而較能及時化,也同時減少輸入量犯錯的機會,有能夠通過電腦軟件進行有效的控制和利用電腦的許多計算和處理才能。

  柔性印制板SMT工藝探討

  隨著電子作品向短小、輕薄方向發展,對應的便要求電子元器件集成化、微小型化。傳統的通孔安裝技術(THT)已不能滿足要求,新一代的貼裝技術,即表面貼裝技術(SMT)就應運而生。

  從廣義角度來說,SMT是包括了表面貼裝元件(SMC:SurfaceMountComponent)、表面貼裝器件(SMD:SurfaceMountDevice)、表面貼裝印刷電路板(SMB:SurfaceMountPrintedCircuitBoard)、一般混裝印刷電路板(PCB:PrintedCircuitBoard)、點膠、涂膏、表面貼裝設備、元器件取放系統、焊接及在線考試等技術內容的一整套完整工藝技術過程的統稱。

  因為SMC、SMD減少引線分布特性影響,而且在PCB表面貼焊牢固,大大降低了寄生電容和引線間寄生電感。在很大程度上減少了電磁干擾和射頻干擾,改善了高頻特性。這類元件已廣泛應用于衛星通信方面的作品中:例如,地面接收衛星信號時需使用的低噪聲降頻放大器(LNB)等高頻作品,另外高頻所用的PCB,對其特性參數:介電常數X,也有要求,例如,當電路的工作頻<109HZ時,一般要求PCB基材的X<2.5.實驗表明,PCB基材的X除了與基材的特性有關外,還與增強材料的含量有關。基材的增強材料含量越高,X值越大,故高頻電路用PCB基材的增強料含量不能太高,這使得高頻電路用PCB機械性能不夠強,甚至有些高頻作品還要求采的PCB非常薄,其厚度只要一般PCB厚度的1/3,這樣的PCB就更加易斷裂。這一特性會給該類作品的生產帶來困難。下面就這方面問題,談一談咱們在生產實踐中的部分體會及采用的上些手段以克服高頻作品所用薄型PCB在進行表面貼裝生產中易斷裂的弱點使這類作品的大批量生產能順利進行。

  表面貼裝過程主要包括三個基本環節:涂布焊膏、貼片以及焊接,下面咱們重點前二個基本環節。

  在進行大批量生產時,咱們一般采用全自動印刷機進行印刷的(即涂布焊膏),當PCB進入印刷機被涂布焊膏之前,需先固定于印刷機內,印刷機固定PCB方式一般有二種:第一種是傳送導軌并定位;第二種是傳送導軌下方采用真空吸附固定并定位。

  對于較薄且易斷的PCB而言,若在第一種固定PCB方式的印刷機中被涂布焊膏,咱們會看到PCB放入印刷機的傳送導軌上進入到適當位置后,兩傳送導軌會相向夾緊PCB,這會引起PCB板中間部分輕輕凸起。一方面這個夾持力易使PCB斷裂;另一方面,因為PCB中部凸起,使PCB整個需涂布面不平。這樣會影響到焊膏的涂布質量。若放在第二種固定PCB方式的印刷機中被涂布焊膏,就可避免上述情況,因為這種固定PCB方式時,傳送導軌是不相向運動,所以不會對PCB兩邊施加一相向的力,PCB中部也就不會凸起,這種印刷機是靠傳送導軌下方的真空吸附裝置將PCB吸附于傳送導軌上,PCB不會因受到夾緊的外力而折斷。另外,咱們會看到PCB中間底部是懸空的。為了保證薄型的PCB在涂布時,板面平整不彎曲,咱們在實際操作時會在真空吸附裝置上增加一自制平臺以支撐PCB。該平臺的面積可與PCB相匹配,這樣就避免了因PCB板面不平而影響涂布的質量的問題。

  為了保證成品率及作品質量,采用上述第二種具有真空吸附固定功能的印刷進行生產。

  涂布焊膏之后,就進入到貼片環節。同樣PCB進入貼片機進行貼片之前,起初需固定于貼片機內。貼片機夾持固定PCB的方式一般也有兩種,第一種為貼片平臺上傳送導軌相向運動夾緊PCB。從而固定PCB并定位;第二種為傳送導軌上裝有壓緊條,當PCB在傳送導軌上前進到對應的位置時,導軌上的壓緊條則自動壓下,將PCB兩邊壓在導軌上固定并定位。無論采用上述哪一種PCB固定方式,PCB中間底部均無支撐物,形成懸空,若對較薄且易斷裂的PCB在進行貼片時,隨著貼片平臺的運動及貼片關的動作,不能完全保證PCB板面不彎曲。這會影響到貼片位置的準確性,另外第一種PCB方式對較薄且易斷的PCB來說,它使PCB板兩邊受到一相向的夾緊力,易造成PCB中部凸起,若該PCB為拼板時,甚至會導致其拼接處斷裂。為此,咱們在實際操作中會采用將PCB固定在定制的托盤中,然后將托盤送入傳送導軌上,進入貼片機進行貼片,這樣PCB就不會直接受到導軌給予的外力而導致斷裂,而且托盤起到了對PCB的支撐作用,在貼片時,避免了因PCB無支撐物擊變形影響貼片位置的準確性的問題。采用這種技巧,咱們要求托盤之間的一致性要好(包括外形、邊框、尺寸及涉及PCB定位的尺寸)。托盤的一致性好壞,直接影響到貼片位置的準確性。

  當然上述技巧并不是十全十美的,它同樣也存在著某些缺陷。因為采用該技巧在托盤制作上要求比較高,除了一致性要求要高外,還有一個問題需解決,即PCB的固定問題。所以在托盤制作時還要注意固定PCB的方式,既要保證PCB在托盤中不能晃動,又要使PCB便于取放,這增加了托盤的制作難度及費用、鑒于這點,咱們提出了另一種解決技巧,這種技巧就是將托盤制成簡單的框架,而PCB在托盤中的固定,采用真空吸附的技巧,這使托盤制作簡便了,一致性也較簡單保證且PCB的取放也很簡單,但是該技巧需要對現有的貼片機進行稍稍改制。因目前貼片機不帶真空吸附固定PCB的功能,所以需另外增加一小型真空吸附裝置,而且該裝置的真空泵開啟的動作需與傳送導軌夾持固定PCB的動作同步。

  綜上所述,薄型易斷PCB的SMT工藝探討,不過咱們對使用該類PCB的作品生產工作中的點滴體會,僅供同行們特別是在生產該類PCB的作品的同行們參考。

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