表贴器件的装焊技术
引 言
近几年来，人们惊喜地看到电子产品特别是消费类电子产品的体积和重量正在成倍地变小变轻。这些产品包括蜂窝电话，计算机，打印机，摄像机等。它们的体积和重量减小的幅度将达到原来大小的3/4之多。这些产品的小型化主要归功于IC细间距引脚器件及表面贴装器件（SM）。通孔器件封装（TM）体积大及重量重，消耗功率与安装占用空间都很大，使得最终产品的重量大大增加。
现在器件小型化的第二代已经出现，其体积与重量进一步减小。这种新型封装器件称之为芯片级封装（CSP）。CSP器件是消费类新型电子产品的基础。CSP器件现有两种封装规格；这两种CSP器件的封装的大小仅是裸芯片的1.2倍。在封装体的底部周边布置焊垫引脚实现芯片与外界电路的互连。另一种是全阵列/部分阵列I/O的小型球引脚阵列器件。
CSP产量的上升显然和设计前所未有的微型手持电子产品的设计师们有关。新型CSP器件在一块你所期望的小尺寸印制板上进行器件高密度安装，也就是高密度印制板带给了最终产品的体积，重量及制造成本的减小。
高I/O裸芯片的CSP封装及无源器件现广泛用于袖珍型手持摄像机。CSP另一个优点是其器件尺寸已接近信号传输线，这样可满足高速电路的应用。
器件体积减小，重量减轻，安装密度及性能的提高，伴随而来的是印制板装联相关的工艺技术必须与其适应。
器件外形尺寸的比较
塑封Dip，SOIC，CSP-24Pin
塑封Dip，SOIC，micro-SMD，CSP-8Pin
表面贴装器件封装（SM）与双排直列器件相比，其安装密度及性能明显超过后者。表贴器件提供与Dip相同的可靠性。
芯片级封装（CSP）与表面铁装器件（SM）相比，其其安装密度及性能又明显超过后者。CSP提供与表贴器件及Dip封装相同的可靠性。
TSSOP/CSP-24Pin
国家半导电器件公司的CSP/SM封装器件在所有的例行条件，与标准Dip封装器件相同的可靠性性能条件下， CSP/SM产品测试结果全部符合质量标准。
加速潮湿试验 DIP,SO,CSP
图 1 所示; 15V CMOS, 30V BIPOLAR 两种芯片分别采用DIP, SM形式封装的加速潮湿试验测试结果;
图内文字; Failure rate 缺陷率
Test Time 测试时间
PCB组装工艺流程 (通孔器件)
图内文字; 通孔器件插装(1#面)
波峰焊接(2#面)
PCB水清洗
检查/返工
PCB测试
混装工艺流程 ( 通孔 1#,SM 1#, 2#)
通孔器件插装( 1# 面)
翻板（2＃）
涂加粘接剂
无源器件（SM）贴装
粘接剂固化
翻板 (1#)
波峰焊接TH/SM器件
PCB水清洗
检查/返工
PCB测试
热应力测试---双面表贴器件
在波封焊过程中,1#面的通孔器件与2#面的表贴器件相比,其承受的热应力冲击明显小于后者。通孔器件只有引脚与高温熔融焊锡接触，而SM器件是整个器件封装浸入焊锡缸中。
图 2 所示；在波峰焊过程中，1#的通孔器件和2#面的表贴器件封装体的温度比较。
图 2
在理想条件下，封装引脚和塑料外壳间的热膨胀速率一致。这样两种材料在波峰焊的高温条件下，以相同的速率热膨胀，金属与塑料之间的机械连接能保持牢固。但做到这一点是很不容易的，因为环氧有机材料要满足接近金属引脚的热膨胀系数的要求是极其困难的。在高温时，有些点就会产生失配。当有些杂质进入就会造成开裂。
通常，对环样塑封材料和金属引脚材料在160°其热膨胀系数接近，且呈线性。如图 3 所示；在低温时，两种材料的热膨胀系数没有大到足以造成连接的开裂。然而当温度超过环氧的玻离化温度（Tg，160-165°）封装的热膨胀急快增加，材料转变为塑性状态。此时环氧开始以三倍于金属的速度膨胀，造成器件引脚与封装体连接界面开裂。
图 3 浸入360°焊锡缸
混装工艺流程 TH/SM 1# SM2#
焊膏印刷 1#
表贴器件贴装
再流焊
插装通孔器件 1#
翻板 2#
涂印粘接剂
表贴器件贴装
粘接剂固化
翻板 1#
波峰焊通孔器件
PCB水清洗
检查/返工
PCB测试
表 1 建议采用波峰焊的SM器件
l 按器件技术文件检查
l 其他器件及有引脚器件不采纳。
图示文字；焊膏印刷 1#
SM贴装
再流焊
水清洗
检查/返工
PCB测试
SMT双面工艺流程
焊膏印刷 1#
涂印粘接剂 1#
SM贴装
粘接剂固化 1#
PCB翻板 2#
焊膏印刷 2#
SM贴装 2#
再流焊（双面）
水清洗
PCB检查/返工
PCB测试
波峰焊/再流焊组合工艺
现代电子产品的印制板都有通孔双排直列引脚（DIP）器件及TH径向引脚器件，为了与印制板实现电路连接，就需要采用波峰焊工艺。如表 1 所列；有些器件可安装在印制板底面（2# 面），采用相同的工艺。这种工艺能够很好利用印制板的底面，而顶面安装高引脚数的器件，底面的SM器件在波峰焊前，使用粘接剂固化来固定器件。的安装位置。因此，工程师在选择器件时，必须考虑到这些器件能否承受在波峰焊过程中只有通孔器件引脚能够承受的高温，以此来选用器件。
细间距引脚器件1#，2#再流焊工艺
细间距引脚器件没有粘接剂的条件下，印制板双面装焊器件，在选择器件时，应考虑到焊膏熔态对器件产生拉力大小的关系。
焊膏的选用
含有金属及清洗成分的焊膏为器件印脚与印制板的焊盘建立机械及电气的连接。
在焊膏内的焊剂系统能有效湿润金属连接的表面，这样就建立良好的电通路。焊剂清洗去除掉器件引脚及印制板焊盘表面的氧化物，
能保护新金属表面在焊接过程，特别在焊接的最高温度，避免焊接表面氧化。
焊膏内焊剂的类型
焊膏中的焊剂系统由焊剂与载体组成。一般可分为松香型，水溶型，免清洗。
松香型基焊剂分为；
R 松香基 非活 性
RMA 松香基 中等活性
RA 松香激 活性
水溶性
WS 水溶性
免清洗
NC 免清洗
各种焊膏金属颗粒度与形状的比较
标准SMD的焊膏印刷工艺
对任一种类型的焊膏，其一致性及均匀性是关键因素。原子级的金属合金与焊剂，载体及溶剂的混合物基本要求是稳定，匀质的，避免组分的分离。这些需要保证了丝网或模板印刷形成焊膏的正确图形。
选用焊膏都标明其金属，焊剂，载体及溶剂的组分，以防造成损害，或在印刷时发生过早地干燥。通常焊膏必须保持48小时的印后待贴时间。焊膏应保证8小时的印刷使用时间，在印刷过程不存在漏印，凹坑，块状等缺陷。
标准引脚间距的SM器件丝网印刷，焊锡金属颗粒形状是圆形，极少氧化，颗粒为45-75μm。焊膏金属含量为88%-90%，粘度在
500,000—600,000厘泊。
标准引脚间距的SM器件模板印刷，焊锡金属颗粒形状，含量相同，粘度在700,000—800,000厘泊。
在大多数情况，R，RMA，RA基焊剂可使用加热去离子水清洗系统加入皂化液或表面活性剂进行清洗。清洗水分解漂清被皂化的PCB。
细间距引脚器件使用的焊膏
用于高引脚数，引脚间距为0.015”的细间距引脚器件需要设计独特的配方用于丝网,模板及自动滴膏。
这种细间距引脚器件焊膏的主要组分与上述类同,但其焊剂系统专门设计,以保证一定的湿润,而不发生坍落。
细间距焊膏在进行再流焊时不应该产生桥接，短路或焊球等缺陷。
对标准细间距器件，R，RMA，RA基焊剂可使用加热去离子水清洗系统加入皂化液或表面活性剂进行清洗。
细间距表贴器件使用的水溶性焊膏
水溶性焊膏具有常规松香基焊膏所有的丝网及模板印刷的质量。但水溶性焊膏不含有松香基焊剂的卤化物，氯化及其他混合物，省了清洗的工作量。
水溶性焊膏可在水中溶解，无吸水性。能提供与松香基焊膏相同的大于8小时的印刷时间及48小时的印后待贴时间。
水溶性焊膏不含卤化物，水溶性焊膏的剩余物的抗吸水性，表面电阻等性能与RMA焊剂相同，而且可用冷水浸洗去掉（140 °F）。
模板厚度
表格
模板材料
不锈钢是用于制作模板最好的材料。但铜，Alloy42，钼及镀镍铜箔都可使用。
刮刀
金属材料是用作刮刀最常见的材料。使用金属刮刀的理由是模板凹下在PCB上沉积焊膏时，刮刀在模板平面应该均匀接触。
80-90布氏硬度橡胶材料也可用作刮刀。
印刷速度
根据印刷机的类型及性能，通常采用每秒15-65mm。
印刷压力
在焊膏印刷过程中，通过刮刀相对模板表面朝下的压力刮清焊膏。印刷压力按印刷机不同设置，但同常为刮刀每一英寸1.25—2.5 lbs。
接触/非接触式印刷工艺
接触/非接触式印刷工艺都能印刷成功.非接触式印刷建议脱开距离为
0.005.
温度与湿度
焊膏印刷可在20-26°的温度环境中进行,工作区内的相对湿度应保持在35%-65%之间。印刷完毕多余焊膏不能放入原来的容器内。
丝网/模板的清洗
丝网或模板上剩余的焊膏可使用加热到（140 °F）的低温水喷冲。初冲可不使用去离子水，但最后建议使用去离子水清洗。对其他手工工具及刮刀之类与焊膏接触的物品都应按上述程序进行清洗。
器件贴装系统
系统的配置及技术性能
电子产品设计要求器件封装尺寸不断减小，及与之相配的高密度PCB装联技术。器件贴装设备必须通过采用高精度，计算机控制，视觉系统保证贴装吸嘴能准确对准器件完成吸持及贴装动作。
下面是作为一台高速，高密度准确贴装的贴装设备应具有的功能；
l 计算机控制系统
l Windows或专用软件
l 视觉校正系统
l 器件高度调整
l Z轴贴装可编程
l 单头多个吸嘴可编程
l 双头多个吸嘴可编程
l 双头-每头6个吸嘴
l 双贴装工作台-12头，每头3个吸嘴
贴装系统
器件类型
器件的类型受到安装在贴装设备上的送料器的规格及数量的制约。
最新设计的贴装设备能对下面几种器件封装类型进行自动吸持贴装；
l 片式器件
l CSP
l QFP
l TAB
l BGA
l MELF
l SOIC
l PLCC
l TSOP
l TSSOP
l Flip-Chip
送料器件规格
许多数器件采用卷带包装形式，卷带包装能保证质量及质量控制，纸质卷带一般用于小型封装及分立无源器件，卷带规格如下；
l 8mm
l 8mm塑压带
l 12mm塑压带
l 16mm塑压带
l 24mm塑压带
l 32mm塑压带
l 48mm塑压带
l 管装送料器
l 华夫盘送料器
l 超小尺寸4.5mm
l 异形器件(中等尺寸28mm)
l 异形器件(大尺寸38mm)
l 异形器件(特大尺寸74mm)
印制板的尺寸
现有贴装设备被设计能提供用户在X/Y向最大印制板的尺寸,通过计算机控制系统的传送装置的程序指令自动调整传送带的宽度
最小尺寸;80×50mm
最大尺寸;508×457mm
器件贴装视觉系统
视觉系统是贴装设备最基本的部件,具有能处理(X,Y,Teta)器件吸持位置与器件对准PCB焊盘的能力。要达到所需的贴装精度，必须满足下面条件；
256灰度级视像处理
贴装器件算法
基准识读摄像机
器件/焊盘对准摄像机
贴装速度
通常提出器件的贴装速度近似为每次贴装0.1秒,Flip-Chip器件每次贴装则达到3.5-5.0秒。器件的贴装速度取决于贴装头在吸持到贴装区间移动的时间，以及加上在贴装前为器件与焊盘准确对准需要对引脚及焊盘检查的时间。
每个器件最小贴装时间；0.09秒
每个器件最大贴装时间；0.12秒
贴装精度器件对准贴装在焊盘上,取决于几个因素;
局部基准标志,贴装位置的数据,印制板的尺寸,印制板平整度等
最小值;+/- 0.025mm(使用局部基准标志)
最大值:+/- 0.1mm
贴装头的类型
贴装头通过吸嘴与器件的顶面接触由系统产生的恒定的负压力吸持器件,当转为正压力时器件落下完成贴装操作。
真空吸嘴
机械吸盘
器件贴装压力
对每个器件可编程器件贴装压力，使得其能贴装非常精确的器件
对流再流焊炉
焊接互连技术
印制板通孔器件/表贴器件的焊接互连有两种类型；
局部器件加热
局部器件加热有5种方法；
热板
电烙铁
热棒
热风枪
激光
印制板整板加热焊接
印制板整板加热焊接有5种方法；
浸焊
IR红外再流焊热风再流焊
气相再流焊
对流炉再流焊
热加工（再流焊）系统
正如贴装设备一样，热加工（再流焊）系统在其寿命周期内再流焊接的技术性能正在不断得到改进。这不仅是现有待焊接的器件封装类型及布局的要求，而且许多粘接剂也需要固化。
在进行再流焊时，需要考虑到PCB安装的表贴器件有无引脚，体积大小及再流高温的承受度。
因为今天电子产品中设计使用器件的机械强度小，而且在一块小尺寸印制板上相互排列紧密，所以在再流焊系统内选用的工艺是最苛刻的。
下面仅是热加工（再流焊）系统一些最常用参数的选择；
产能
产能是为了现在及予期将来生产要求热加工（再流焊）系统的加工容量。
这不仅需要考虑印制板的数量，还要考虑印制板传送的方式。
加热均匀性及精确度
再流焊系统应以准确的方法从加热元件提供均匀的热转换到印制板整个焊装面。是使得整个印制板表面能达到相等的温度上升及冷却速度。
耗氮量
在再流焊前和过程中冲灌氮气是有焊装工艺及材料决定的。尤其是裸铜电路板，免清洗焊膏都从氮气氛再流焊得到性能的提高。
金属含量超过98%的免清洗焊膏一般都需要采用氮气氛，使得余下的小于2%的焊剂剩余物防止氧化的焊点，而在空气中再流焊这就会造成问题。
有些材料及工艺需要在氮气氛中进行再流焊过程，这样焊炉的设计要求在再流予热升温，保温，峰值再流过程最低的耗氮量。
红外再流焊接工艺
红外是一种定向，聚集的加热源，初期已用于电子行业的焊膏再流焊工艺。如果印制板的距离没有正确调整，在再流过程中，定向聚集的过量的红外辐射热会对印制板及器件造成损坏。
此项技术已很少使用。
自然对流再流焊工艺
自然对流再流焊通常使用非聚集红外热源达到，其没有强对流再流焊的优点。这种工艺经常称之非聚集加热再流，效率低于强对流再流焊工艺，这是因为大尺寸器件屏挡了小尺寸器件。
强对流再流焊工艺
焊膏再流需要的热量是通过定向红外辐射金属或陶瓷面达到，或从被再流印制板相对对流达到，焊炉加热区的热量通过精心布置风扇位置，非定向，循环传递热量。印制板上的热点被消去。
固定对流再流接工艺
固定对流再流接工艺使用与强对流再流焊工艺精心布置风扇位置的技术。
加热区
加热区数量的多少由现在及予期将来的产量，要求，产品尺寸大小，物理质量，在焊炉内产品的传送方向及选用的焊膏性能的要求等因素综合考虑。再流焊炉通常可配置4-12个加热区。
冷却区
冷却区一般直接与加热区相连，应能满足焊膏制造商提出的再流焊要求。
需要的冷却量根据PCB的装载传送或下道焊装再流工艺来决定。
冷却区的数量可从1-12个。
PCB清洗工艺
如果PCB使用松香基或其他焊剂系统装焊就需要在再流焊后进行清洗去除这些焊剂的残留物，而且接下的清洗工作必须再流焊后尽可能短的时间内完成。清洗操作要求及时，这是焊剂聚集和在导线周围器件底部粘附的残留物硬化所致。因为不及时去除这些残留物，增加了不必要的困难。一些污染物可能被焊剂吸收，保留在PCB表面，对最终产品造成潜在的危害。
PCB清洗测试
PCB清洗后，应按IPC-6012标准进行离子及污染测试。如果PCB表面涂复阻焊膜层，则在涂复前，裸铜PCB也将进行离子及污染测试。
SM再流焊可靠性
许多新设计产品采用薄，高I/O引脚，细间距SM器件与SCP封装组合装联，高可靠互连增加了工艺的要求。细间距SM器件与CSP器件互连的潜在阻碍主要取决下面一些因素；
工艺和封装结构
再流焊工艺的质量与重复性
l焊膏和互连焊盘涂层的金属化和均匀PCB内部外部设计
产品使用条件
产品寿命
使用薄型，细间距，高引脚数微型IC器件，（如CSP，微型BGA）的电子产品的可靠性要比原来使用老式通用器件的产品高得多。
SM器件的热特征
CSP和SM器件一般使用金属引脚框；叠层基板；陶瓷基板或桡性基板。裸芯片粘接在基板上，金线把芯片和基板实现互连，然后采用环氧包封，因为这些材料的热膨胀速率不同，这些材料的热特性与热机分析图（TMA）相符。
