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苏州治具--SMT概述及工艺
发布时间:2012/6/22 17:23:12  
      
一、SMT概述
SMT的组成:SMT由表面贴装元器件(SMD)、贴装技术和贴装设备三部分组成。
(1)       SMD包括以下几点:
1、  制造技术:是指SMD生产过程中的导电物印刷,加热,修整,焊接,成型等技术。
2、  产品设计:SMD设计中对尺寸精度,电极端结构/形状,耐热性的设计和规定。
3、  包装形式:指适合于自动贴装的编带、托盘或其他形式的包装。
(2)       贴装技术
1、  组装工艺类型:单面/双面表面贴装,单面混合贴装,双面混合贴装。
2、  焊接方式分类:
波峰焊接-------选配焊机,贴片胶,焊剂及贴片胶涂敷技术。
回流焊接-------加热方式有红外线、红外线加热风组合、VPS、热板、激光等。焊膏的涂敷方式有丝网印刷,分配器等。
3、  印刷电路板:
基板材料-------玻璃纤维、陶瓷、金属板。
电路设计------图形设计、布线间隙设定、SMD焊区设定和布局。
(3)       贴装设备
主要贴装方式为:顺序式、同时式、在线式,国内普遍使用的是顺序式贴装设备。
 
二、表面贴装生产工艺流程
现国内进行的表面贴装生产工艺流程大致分为如下几个步骤:(1)生产准备;(2)焊锡膏的涂覆;(3)贴装SMD;(4)回流焊;(5)清洗;(6)检验。
此外,组装工艺类型的不同,具体的表面贴装生产工艺流程也会有所不同:
如单面混合贴装,对应采用的生产工艺流程为:(1)生产准备;(2)焊锡膏的涂覆;(3)贴装SMD;(4)回流焊;(5)装配焊接通孔插装元器件;(6)清洗;(7)检验。
而双面混合贴装所采用的生产工艺流程又为:(1)生产准备;(2A面焊锡膏的涂覆;(3)贴装ASMD;(4)回流焊;(5)翻板B面焊锡膏的涂覆;(6)贴装BSMD;(7)回流焊;(8)装配焊接通孔插装元器件;(6)清洗;(7)检验。
 
1、  生产准备
生产准备包括许多不同的方面,表面贴装生产过程中最突出的是元器件选用、印制板入检、印制板设计与元器件选用匹配、焊料的选择以及温度曲线的建立等问题。
 
11元器件选用
回流焊炉焊接过程中需要使焊料达到熔融状态,焊料一般采用从固态到液态不经过塑性阶段的一种共晶合金。过去业内使用的共晶锡铅合金具有单一的熔点温度183℃,回流焊炉内温度为200~300℃,使共晶合金达到完全熔融状态从而完成焊接,它比一般使用电烙铁焊接的温度低80~100℃,因此对待选用器件的耐受温度要求大大放宽。
但是随着无铅化强制实施日期的到来,与铅有关的各行各业都在做无铅工艺的标准,特别是电子产品行业,产品的无铅化已经进行总结阶段。无铅焊接温度在230~245℃,相对有铅工艺来说对待选用器件的耐受温度要求要更高更严格。
贴片元器件要求密封包装,以防被焊金属被氧化。一般的贴片元器件都为编带装置,少部分为托盘放置,在SMT生产过程中,开封后未用完的托盘装置的元器件要及时采取防氧化措施,采用真空包装。此外,在制造过程中要保持制造过程范围内的环境清洁,空气要经过过滤网,防止环境污染。
 
1.  2印制板
SMT行业里,被焊件由印制线路板和贴片元器件组成,印制线路板无铅化有几种途径,有镀金板、化金板、化锡板、锡银板和铜板,电子行业一般常用铜板和化锡板,其它价格昂贵,一般用于精密产品的生产。铜板就是铜箔焊盘,这种就无须做大的改动,但要对焊盘的抗氧化进行要求,在无铅焊接时,温度要比有铅焊接高40℃左右,如果在高温下没有良好的可焊性,那么就会引起焊接不良。另一种途径有焊盘镀锡,由于焊盘镀锡,锡的溶解温度很高,大约在260℃,这在选择焊膏时就要注意它们是否相溶,是否能充分地熔化在一起,能否保持焊点的强度。元器件的无铅化,对供货厂家要进行要求,电极镀层保证无铅指标,要求提供相关参数的检验单,对供货厂家进行控制。
同时,要保证印制线路板表面的清洁。一是在来料时,要求供货厂家印制线路板成品保持清洁,合格后立即进行真空包装,防止焊盘氧化和污染。二是在SMT生产过程中的控制,要求印制线路板使用时才开封,在制造过程中要求在第一道工序开始4h内要进行焊接,开封后未用完的要及时采用真空包装,这是防氧化措施。
 
1.    3元器件选用与印制板设计之间的关系
PCB焊盘设计一般可以从专用软件库中调取焊盘类型,但每种焊盘类型都是与一定的元器件封装形式相对应的,这是PCB焊盘设计的一个根本原则,若不遵循这个原则,就会产生各种焊接不良现象。例如:对于小外形集成电路SOIC有翼形引线与J型引线之分,它们在软件库中有不同的焊盘形式,非常相似却一一对应,容易产生焊盘调用错误或元器件选用错误,结果造成焊接不良,这对印制板设计及元器件选用都提出了非常严格的要求。
 
1.  4焊料的选择
焊膏的选择有很多的参数,它是一种均匀混合物,是由合金焊料粉、糊状焊剂和一些添加剂混合而成的具有一定粘性和良好触变性的膏状体。首先要选择焊膏的成分,这要考虑焊膏成分与印制线路板焊盘、元件电极镀层焊接时的附着性,模板制作最小开孔的大小值,以选择焊膏的模数,要求最小开口尺寸至少是六个焊膏直径,还有焊膏的粘度选择,这也和模板开孔大小有关,要使焊膏印刷能顺利脱模,并且焊膏成型要好,不能有塌边现象。
其它参数要通过做焊接实验才能决定,比如:助焊剂、防氧化剂等。如果出现由于焊膏成分比例不良造成的焊接问题,可以通过要求供货厂家派技术员来确认,调整焊膏成分比例,达到焊接要求。
 
1.  5温度曲线的设立
温度曲线是指SMA(采用表面组装技术完成装联的印制板组装件)通过回流焊炉时,SMA上某一点的温度随时间变化的曲线,温度曲线提供了一种直观的方法来分析某个元件在整个回流焊过程中的温度变化情况,这对于获得最佳的可焊性、避免由于超温而对元件造成损坏以及保证焊接质量都非常有用。
当印制线路板、焊膏一旦选择,温度曲线就已经决定。在无铅焊接中温度曲线的是否成功直接影响着焊接效果,也就直接影响产品质量,所以温度曲线的制作显得由为重要。首先要把焊膏生产厂家提供的此类焊膏焊接时的温度曲线进行详细研究,了解焊接整个过程需要的时间,各阶段的参数如:焊接升温区的时间和升温斜率,保温区的时间,但在无铅焊接时,由于无铅焊接温度较高,要在规定的时间内达到焊接温度240℃左右。保温区不是平直的,是有斜率的,然后焊接区,最高焊接温度,焊接时间,最后冷却时间,温度下降斜率。做了这部分工作后,就要针对自己工厂的设备和产品情况进行温度曲线的设置了。
一般采用如下方法:取一块实验板,选择合理的测试点(回流焊有横向温度误差的指标,误差越小,焊接效果越好,选择时至少不少于3个点,要根据自己的产品大小来决定,还要根据产品使用的元件种类来决定,不同大小的元件和焊点,都要选择测试点),利用温度测试仪与测温线,观察温度变化和差异,综合考虑各方面因素,保证最大和最密集的区域焊接温度和时间达到要求,最终得出生产实践中最理想的温度曲线,保存其设定值,在整批生产过程中确保其不变,从而使焊接质量的稳定性得到保证。
在温度曲线制作和实施时,一定要注意工艺窗口问题,无铅焊接温度在230~245℃,工艺窗口只有5~10℃,温度曲线的设置,特别注意焊接温度的稳定性,不能超过元件、基板的温度承受能力。选择不同厂家、不同型号的无铅焊膏,焊接温度有不同的要求,焊膏供应商会提供推荐性的温度曲线给使用厂家参考。设置温度时尽量靠近供应商提供的曲线,才能保证所使用焊膏的焊接效果。
 
2、  焊锡膏的涂覆
回流焊采用焊锡膏来进行焊接,在常温下,焊膏可将电子元器件粘在既定位置,当被加热到一定温度时,随着焊剂和部分添加剂的挥发,合金粉熔化,使被焊元件和焊盘连在一起,冷却形成永久连接的焊点。进行回流焊之前必须将焊锡膏涂覆于印制板待贴装元器件的焊盘上,点涂是最基本的方法,即通过压力的作用使焊锡膏发生位移,从而实现焊锡膏的涂覆;另外采用丝网印刷的技术同样也可以实现焊锡膏的涂覆。
 
2.  1点涂
在表面贴装工艺过程中,最基本方法是直接采用压缩空气或者机械方式如旋转螺旋泵或活塞泵来实现点涂。例如采用气压泵作为最直接的点涂方式,它根据时间——压力原理利用压缩机产生受控脉冲气流进行工作。它有一个注射器,工作时气流脉冲作用时间越长,从针头推出的焊锡膏量就越多。
将选用的焊锡膏提前从冰箱中取出,恢复至室温,将焊锡膏搅拌5min后填入点胶机的针管内,控制气压泵将针管中的空气及气泡挤出,然后在针管上装上适配的针头。调节点胶面气压至一固定值,根据印制板焊盘大小的不同,调节点胶机气流脉冲作用时间,控制气压泵便可将符合要求的焊锡膏量点涂至焊盘,当然,要想得到理想的焊锡膏流量,要通过反复的试验来确定脉冲气流作用时间。
点涂的顺序一般是从左至右、从上至下,这样可基本保证点涂过的焊锡膏不被触碰而产生变形、流出等不良现象。
印制板经过回流焊后焊盘上焊锡的长、宽、高以及与元器件引脚形成合金的程度都有严格要求,焊锡膏的点涂量是保证这些要求的重要因素之一,因此,焊锡膏的点涂是回流焊工艺过程中非常重要的一步。
 
2.  2丝网印刷
丝网印刷即利用模板将印料印到承印物上的印刷工艺过程,简称丝印,模板是由网框、丝网和掩膜图形构成的丝印用印刷模板。丝印也是涂覆焊锡膏的一种形式,它是根据印制板设计成金属漏板,通过丝印机准确定位、覆盖于待印刷的印制板之上,用刮刀将搅拌均匀的焊锡膏刮过金属漏板,取下印制板,印制板的待贴装元器件的焊盘上便布满了焊锡膏。
模板设计中开口大小,模板厚度等都影响焊锡膏的涂覆量和准确程度,是整个生产过程中非常重要的一个环节。
 
23点涂和丝网印刷的对比
生产中为将焊锡膏涂覆于焊盘之上,可选择点涂或丝网印刷中的任一种形式,但它们还是有不同的适用场合。
点涂的缺点在于使用点胶机时,焊锡膏在升温时始终有气压,这会使其稠度与流变性发生改变;随着涂覆材料的消耗,压缩腔会越来越大最后变空,这将影响气流脉冲信号的响应时间,从而导致无法准确控制材料的涂覆数量。
点涂不可能像丝网印刷一样快捷,但丝网印刷却不具有点涂的灵活性。因为点涂是一个“参数驱动”过程,它不需要任何硬件加工,而且还可以涂覆多少不同的焊锡膏量,另外对一些不能印刷的场合也只能采用点涂。它最大的优点在于其灵活性,而且成本相对较低,它不需用要为每一个新产品或每一次布局改动去制作昂贵的模板,然后留待以后使用。采用丝网印刷时,哪怕只是对板面设计的某一个元件进行了变动,也需要制作一块全新的模板。而对于点涂来说,只需对点涂过程中的某个动作进行小小的调整即可,所做的工作也许只是调节几个旅钮,不需要额外的投入,这使得点涂焊锡膏特别适合于小批量或多品种产品的生产。对于大批量、少品种产品的生产,丝网印刷仍是最合适的焊锡膏涂覆方法,因为它具有绝对的速度优势,而且相对大批量的产品而言,模板的制作费用基本可以忽略;对于细间距、高密度焊盘来说,丝网印刷可保证焊锡膏精确地点涂于焊盘,不产生桥接、拉丝等不良现象,而且它的速度相当快,因此,就此种情况而言,丝网印刷相对于点涂具有绝对优势。
 
3、  贴装SMD(表面组装元器件)
当印制板待贴装元器件的焊盘上布满符合要求的焊锡膏后,就要将元器件贴装到相应位置。贴装方法可采用手工贴装及机械贴装。
 
3.  1手工贴装
当待贴装器件是大体积、少引脚、宽间距时,采用手工贴装是最恰当的方法。用镊子将器件取出,目视对准焊盘将元器件放下,适当施加背压,利用焊锡膏的黏性将元器件贴紧在印制板上。手工贴装辅以适当工具如真空吸笔、台式放大镜等可取得更优良的贴装效果。
 
32机械贴装
当待贴装器件引脚多、间距细时,要求贴装精度高,这时就需要采用机械贴装的方法。贴装机是通过真空吸笔将器件取出,通过放大镜,利用机械装置进行XYZ三方校准,控制操作手柄将器件准确地贴装到相应位置的设备。
贴装的顺序一般是从左至右、从上到丁,这样可基本保证贴装过的器件不被触碰而产生位移、脱落等不良现象。
 
33自动贴片机可实现SMT器件的自动贴装
将贴装完毕的印制板水平送入回流焊炉传送带就可以进行回流焊接了。
 
 
4、  回流焊
回流焊是通过重新熔化预先分配到印制板焊盘上的焊锡膏,实现表面组装元器件焊端或引脚与印制板焊盘之间机械与电气连接的焊接。要实现回流焊就必须选用回流焊炉。在进行无铅回流焊的选择时,要选择8温区以上的,这样便于很好地调整温度曲线,如果温区太少制作温度曲线就很困难了。
回流焊一般分为三个阶段:预热阶段、保温阶段、回流阶段。在进行回流焊之前,必须对这三个阶段进行温度设定,并且通过试验确定每次生产的温度曲线,这样才能确保每次焊接的高可靠性。
 
4.  1预热阶段
预热阶段的目的是把室温的印制板尽快加热,以将焊锡膏带到开始活化所希望的保温温度,但升温速率要控制在适当范围内,如果过快,会产生热冲击,电路板和元件都可能受损,例如一些元件对内部应力比较敏感,如果元件外部温度上升太快,会造成断裂; 如果过慢,则焊锡膏中的溶剂挥发不充分而影响焊接质量。 一般设定升温速率为3/s,这样可得到良好的预热效果,还可以有效地限制沸腾和飞溅,防止由焊膏的塌边而造成焊点的小焊锡珠和桥接等。以常用的无铅焊膏96.5Sn3.0Ag0.5Cu合金为例,预热要求必须在(45~90sec120~160℃)规范内,以控制由印制线路板的温差及焊剂性能变化等因素而发生回流焊时的不良。
 
42保温阶段
保温阶段是指温度升至焊锡膏熔点的区域。在这个区域里提供足够的时间使较大元件的温度赶上较小元件,此阶段的主要目的是使印制板上各元件的温度趋于稳定,接近焊锡膏的熔点,并尽量减少温差,使其较容易地转变到回流阶段;此区域的另一主要目的是活化焊锡膏中的助焊剂,使其得到充分挥发,清除焊盘与引脚的氧化物,留下焊锡可以附着的清洁表面。以常用的无铅焊膏96.5Sn3.0Ag0.5Cu合金为例,保温阶段一般普遍的适用温度范围是160~230℃,如果温度设定太高,助焊剂便没有足够的时间活性化,最终影响焊接效果。
 
43回流阶段
回流阶段的温度设置地最高,它的作用是将印制板的温度从活性温度提高到所推荐的峰值温度,使焊锡膏和焊盘以及引脚形成共晶合金。共晶是指从固态到液态不经过塑性阶段的一种合金,它也是对任何给定合金的最低融熔温度,现在无铅回流焊中最普遍使用的是合金Sn-Ag-Cu,熔点温度为217~219℃,因此典型的回流阶段温度范围是230~245℃。无铅焊膏96.5Sn3.0Ag0.5Cu合金,焊接的最高温度最好保持在230℃、20~30sec,以保证焊接的润湿性。回流阶段温度设置过高会引起印制板的翘曲、脱层或烧损,而且会损坏元件的完整性。理想的温度设定是超过焊锡熔点的“尖端区”覆盖的区域最小。
被送入回流焊炉传送带的印制板不间断地依次经过预热、保温、回流阶段,大约需要4min,经自然冷却,从传送带出口处便可得到焊接完毕的印制板。
回流焊过程结束以后,根据不同印制板的不同要求,进行常规的生产工艺过程,如装配焊接通孔插装式元器件、清洗、浸漆等,这样整个装配过程便可以完全结束了。
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