PCB科技 - 電子表面貼裝科技的表面貼裝分析

近年來，新的電子表面貼裝科技SMT（surface mount technology）取代了傳統的通孔插入科技，主導了電子設備的發展。 它被認為是電子組裝技術的革命性變革。 表面貼裝科技旨在提高產品的可靠性和效能，降低成本。 它將給電子產品帶來重大變化，無論是消費電子產品還是軍用電子產品。

2表面貼裝科技簡介和 PCB組件

表面貼裝科技, also known as surface mount technology (SMT), 是一種電子組裝技術，直接將表面組裝的部件粘貼到 印刷電路板 無需在上鑽孔 印刷電路板, 並使用焊料在部件和之間形成機械和電力連接 印刷電路板.

需要表面安裝的電子產品通常由印刷電路板和表面安裝組件組成。 印刷線路板（PWB）是一種單面或雙面多層資料，包含線路和焊盤。 表面安裝組件包括表面安裝組件和表面安裝設備。 表面貼裝元件是指各種片狀無源元件，如電阻、電容、電感等； 表面貼裝器件是封裝的電子器件，通常指各種有源器件，如小外形封裝（SOP）、球栅陣列封裝（BGA）等。一些組件不能用於表面貼裝科技，如一些連接器、變壓器、大型電容器等。

3表面貼裝科技流程

表面貼裝定意包括兩個過程：和輔助。 該過程包括列印、晶片放置和回流焊接。 任何類型產品的生產都必須經過這3個過程，每個部分都是必不可少的； 輔助過程主要由“點膠”過程和光學輔助自動檢測過程組成。 這不是必須的，而是根據產品特性和用戶需求確定的。

印刷電路板可分為單面和雙面產品。 電子產品也可以分為單面產品（組件需要連接到印刷電路板的一側）和雙面產品（組件需要連接到印刷電路板的兩側）。 圖1顯示了單面產品的表面安裝工藝流程。 圖2顯示了雙面產品的表面貼裝工藝流程。

印刷工藝的目的是通過範本和印刷設備的共同作用，使焊膏準確地印刷到印刷電路板上。 印刷過程中涉及的工藝要素主要包括錫膏、範本和印刷系統。 焊膏是連接元件和印刷電路板並實現其電力和機械連接的重要資料。 焊膏主要由合金和助焊劑組成。 在焊接過程中，他們發揮各自的作用來完成焊接工作。 該範本用於在印刷電路板上精確列印錫膏。 範本的製造方法和開口設計對列印質量有很大影響。 列印系統主要指列印設備和列印參數。 印刷設備的質量對印刷精度有很大影響。 印刷設備的重複印刷精度與印刷參數設置的合理匹配是準確印刷的重要保證。 印刷參數很多，但影響印刷效果的關鍵參數是印刷速度、刮刀壓力、脫模速度和脫模距離。 這些關鍵參數需要設定並相互匹配。 提高印刷質量。 印刷速度一般為12.7～203.2mm/s，具體參數取決於刮刀壓力和錫膏的物理性質。 SMT工藝要求印刷刮刀壓力為4.448 222～6.672 333 n。

貼片過程的目的是確保所有零件準確快速地粘貼到印刷電路板上。 補丁過程主要涉及補丁機及其補丁能力。 貼片機的貼片能力是準確貼片的重要保證。 貼片機的關鍵技術包括：運動、執行和高速進給機构。 小型化科技； 高速機器視覺識別和照明科技； 高速、高精度智慧控制科技； 並行處理實时多工科技； 設備開放式柔性模組化科技和系統集成科技。

回流焊工藝是通過熔化預先分佈在PCB焊盤上的焊膏，實現表面貼裝元件的焊接表面或引脚與PCB焊盤之間的機械和電力連接。 回流焊可以保證良好的焊接效果。 回流焊工藝的主要工藝要素是回流焊爐及其焊接能力，主要體現在回流焊爐的加熱系統、冷卻系統、焊劑管理系統和惰性氣體保護系統。 加熱系統關係到加熱效率、溫度控制精度、溫度均勻性和穩定性； 冷卻系統的功能是：當回流焊的峰值溫度較高時，如果不能快速冷卻，則回流焊爐外的基板溫度過高，容易導致基板彎曲； 快速冷卻可以細化結構並防止金屬間化合物增厚。 提高可靠性。 在回流焊接過程中，助焊劑會揮發。 如果沒有理想的焊劑管理系統及時去除揮發焊劑並將其過濾迴圈，焊劑將隨著高溫氣流進入冷卻區域，並在散熱器和熔爐中冷凝，降低冷卻效果並污染設備和基板。 當與基板匹配的焊膏活性不够好，或電路板上存在超細間距元素和複雜元素，且基板需要多次通過回流爐時，考慮用惰性氣體填充回流爐，以减少氧化機會，提高焊接活性。 常用的惰性氣體是氮氣。 還需要通過編輯回流焊爐的控制程式來發揮回流焊爐的焊接能力。 當完成貼片的電路板通過回流焊爐時，通常會經過預熱階段、絕緣階段、回流焊階段和冷卻階段。 通過回流焊爐的控制程式確保焊接質量。

輔助過程用於協助順利安裝，並積極防止檢測和後檢測。 輔助過程主要由“粘點”過程和光學輔助自動檢測過程組成。 “點膠”過程是將專用膠水“點”到所需部件的下部或週邊，以適當保護部件，以確保部件在重複回流焊後不會脫落； 减少安裝過程中對部件的應力影響； 在複雜的服務環境中保護組件免受損壞。 “點膠”過程的工藝要素主要包括“點膠”設備、專用膠水和“點膠”參數的設定。 合理選擇設備、膠水和設計參數設置，確保工藝效果。 光學輔助自動檢測過程主要包括：首先，使用專用光學設備量測印刷後錫膏的厚度均勻性和印刷精度，檢測一片接一片的精度，並在回流焊前檢測有缺陷的電路板並及時報警； 第二，回流焊後，使用專用光學設備檢測焊點，檢測有焊點缺陷的電路板並報警。 專用光學量測設備主要包括可見光檢測設備和X射線檢測設備。 前者主要是自動光學檢測（AOI），後者主要是3維和五維X射線設備。 前者主要用於檢測視覺焊點，後者除了可以檢測視覺焊點外，還可以檢測非視覺BGA部件的焊點。 是否使用輔助工藝取決於待安裝產品的特性。

4回流焊原理和溫度曲線

從回流焊接溫度曲線（圖3）分析回流焊接原理：當PCB進入預熱區域時，焊膏的溶劑和氣體蒸發，焊膏的助焊劑潤濕焊盤、元件端和引脚。 焊膏軟化、折疊並覆蓋焊盤，將焊盤和元件引脚與氧氣隔離； 當PCB進入絕緣區域時，PCB和組件完全預熱。 防止PCB突然進入回流焊區域，並因快速升溫而損壞PCB和組件； 當PCB進入回流焊接區域時，溫度迅速上升，使焊膏達到熔化狀態，液態焊料潤濕、擴散、擴散或回流PCB焊盤、元件端部和引脚，形成焊料接觸； PCB進入冷卻區域，焊點固化，整個回流焊接完成。

在回流焊接過程中，焊膏需要被溶劑揮發。 焊劑去除焊件表面的氧化物，焊膏熔化並再次流動，焊膏冷卻並固化。 囙此，在回流焊過程中，焊接溫度主要分為四個溫度區：預熱區、絕緣區、回流區和冷卻區。 預熱區為室溫至120℃； 絕緣面積為120℃～170℃； 回流區為170℃～230℃，溫度為210℃～230℃； 冷卻區從210攝氏度降至約100攝氏度。

溫度曲線是保證焊接質量的關鍵。 實際溫度曲線和錫膏溫度曲線的加熱斜率和峰值溫度應基本一致。 160攝氏度之前的加熱速度應控制在1攝氏度/秒~ 2攝氏度/秒。如果加熱速度過快，一方面，元件和PCB會加熱過快，容易損壞元件，導致PCB變形； 另一方面，錫膏中的溶劑揮發太快。 很容易溢出金屬部件並產生錫球。 峰值溫度一般設定為比錫膏的熔化溫度高20℃～40℃（例如，Sn63/Pb37錫膏的熔點為183℃，峰值溫度應設定為205℃～230℃）， 回流時間為10～60s，峰值溫度低或回流時間短，嚴重時會導致焊膏焊接不足和不熔化； 過高的峰值溫度或較長的返回（RE）時間將導致金屬粉末氧化，影響焊接質量，甚至損壞組件和PCB。

設定回流焊接溫度曲線的依據：根據PCB的資料、厚度、多層板和尺寸，使用的焊膏的溫度曲線； 表面組裝板上攜帶的元件的密度和尺寸，是否有BGA、CSP等特殊元件； 設備的具體條件，如加熱區的長度、熱源的資料、回流爐的結構和熱傳導模式。

在實際生產某種類型的印製板時，因設備而設定的溫度區域有：加熱區、保溫區、快速加熱區和回流區。 焊膏為sn63pb37焊膏，熔點為183℃。 採用某回流焊爐進行焊接。 每個印製板組件必須設計適當的焊接參數，以實現每個印製板的溫度曲線。 圖4顯示了標準回流焊接溫度曲線，圖5顯示了印製板的實際回流焊接溫度曲線。

這是一個在9個溫度區的回流焊爐。 實際溫度測試有3個測試點，圖5是實際溫度曲線。 溫區參數設置應滿足以下要求：1）溫昇區：室溫至100℃的溫昇速率不超過2℃/S； 2）絕緣面積：從100℃～150℃持續70～120秒； 3）快速加熱區：150℃～183℃保溫時間不超過30s，加熱速率2～3℃/s:4）回流區：溫度205℃～230℃，高於液相線時間40～60s； 5）冷卻區：冷卻速度為2～4攝氏度/秒。通過比較圖4和圖5中的理論和實際PCB溫度曲線，實際回流溫度區域在標準溫度範圍內， 囙此可以得出結論，表面安裝設備在PCB上的焊接符合要求，並確保了表面安裝設備在PCB上的電力效能。 特別注意：回流焊爐必須每週測試一次。 將測試溫度曲線與標準溫度曲線進行比較，以確定它們是否完全一致。 主要檢查參數包括：加熱區的加熱速率、保持區的保持時間、快速加熱區和回流區的加熱速率、峰值溫度、高於液相線的時間、冷卻區的冷卻速率以及曲線中是否存在异常波動。

5結論

表面貼裝科技滲透到各個領域，直接影響到電子產品的焊接水准，以及電子產品的效能和質量。 本文描述了表面貼裝科技的全過程，闡述了焊接過程中回流焊的原理和溫度曲線。 比較印製板在實際生產過程中的標準回流焊接溫度曲線和實際回流焊接溫度曲線，只要實際回流焊接溫度區域在標準溫度範圍內，就可以滿足安裝部件的性能指標。