SMT的組裝質(zhì)量與PCB焊盤設(shè)計(jì)的關(guān)系

 本文關(guān)鍵字：

前言

smt的組裝質(zhì)量與PCB焊盤設(shè)計(jì)有直接的、十分重要的關(guān)系。如果PCB焊盤設(shè)計(jì)正確，貼裝時(shí)少量的歪斜可以在再流焊時(shí)，由于熔融焊錫表面張力的作用而得到糾正(稱為自定位或自校正效應(yīng));相反，如果PCB焊盤設(shè)計(jì)不正確，即使貼裝位置十分準(zhǔn)確，再流焊后反而會(huì)出現(xiàn)元件位置偏移、吊橋等焊接缺陷。

關(guān)鍵詞：smt PCB焊盤

1、PCB焊盤設(shè)計(jì)

根據(jù)各種元器件焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)分析，為了滿足焊點(diǎn)的可靠性要求，PCB焊盤設(shè)計(jì)應(yīng)掌握以下關(guān)鍵要素：

1.對(duì)稱性——兩端焊盤必須對(duì)稱，才能保證熔融焊錫表面張力平衡。

2.焊盤間距—確保元件端頭或引腳與焊盤恰當(dāng)?shù)拇罱映叽纭：副P間距過(guò)大或過(guò)小都會(huì)引起焊接缺陷。

3.焊盤剩余尺寸——元件端頭或引腳與焊盤搭接后的剩余尺寸必須保證焊點(diǎn)能夠形成彎月面。

4.焊盤寬度——應(yīng)與元件端頭或引腳的寬度基本一致。

以矩形片式元件為例，圖5為焊盤結(jié)構(gòu)示意圖。如果違反了設(shè)計(jì)要求，再流焊時(shí)就會(huì)產(chǎn)生焊接缺陷，而且PCB焊盤設(shè)計(jì)的問(wèn)題在生產(chǎn)工藝中是很難甚至是無(wú)法解決的。例如：

1.當(dāng)焊盤間距G過(guò)大或過(guò)小時(shí)，再流焊時(shí)由于元件焊端不能與焊盤搭接交疊，會(huì)產(chǎn)生吊橋、移位。

2.當(dāng)焊盤尺寸大小不對(duì)稱(見(jiàn)圖7)，或兩個(gè)元件的端頭設(shè)計(jì)在同一個(gè)焊盤上時(shí)(見(jiàn)圖8)，由于表面張力不對(duì)稱，也會(huì)產(chǎn)生吊橋、移位。

3.導(dǎo)通孔設(shè)計(jì)在焊盤上，焊料會(huì)從導(dǎo)通孔中流出，會(huì)造成焊膏量不足(見(jiàn)圖9)

(二)焊膏質(zhì)量及焊膏的正確使用

焊膏中的金屬微粉含量、金屬粉末的含氧量、粘度、觸變性都有一定要求。

如果焊膏金屬微粉含量高，再流焊升溫時(shí)金屬微粉隨著溶劑、氣體蒸發(fā)而飛濺，如金屬粉末的含氧量高，還會(huì)加劇飛濺，形成錫珠。此外，如果焊膏粘度過(guò)低或焊膏的保形性(觸變性)不好，印刷后焊膏圖 形會(huì)塌陷，甚至造成粘連，再流焊時(shí)也會(huì)形成錫珠、橋接等焊接缺陷。

焊膏使用不當(dāng)，例如從低溫柜取出焊膏直接使用，由于焊膏的溫度比室溫低，產(chǎn)生水汽凝結(jié)，即焊膏吸收空氣中的水分，攪拌后使水汽混在焊膏中，再流焊升溫時(shí)，水汽蒸發(fā)帶出金屬粉末，在高溫下水汽會(huì)使金屬粉末氧化，飛濺形成錫珠，還會(huì)產(chǎn)生潤(rùn)濕不良等問(wèn)題。

(三)元器件焊端和引腳、印制電路基板的焊盤質(zhì)量

當(dāng)元器件焊端和引腳、印制電路基板的焊盤氧化或污染，或印制板受潮等情況下，再流焊時(shí)會(huì)產(chǎn)生潤(rùn)濕不良、虛焊，錫珠、空洞等焊接缺陷。

(四)焊膏印刷質(zhì)量

據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，在PCB設(shè)計(jì)正確、元器件和印制板質(zhì)量有保證的前提下，表面組裝質(zhì)量問(wèn)題中有70%的質(zhì)量問(wèn)題出在印刷工藝。印刷位置正確與否(印刷精度)、焊膏量的多少、焊錫量是否均勻、焊膏圖形是否清晰有無(wú)粘連、印制板表面是否被焊膏粘污等都直接影響表面組裝板的焊接質(zhì)量。

影響印刷質(zhì)量的因素很多，主要有以下因素：

1.首先是模板質(zhì)量

模板印刷是接觸印刷，因此模板厚度與開口尺寸確定了焊膏的印刷量。焊膏量過(guò)多會(huì)產(chǎn)生橋接，焊膏量過(guò)少會(huì)產(chǎn)生焊錫不足或虛焊。模板開口形狀以及開口是否光滑也會(huì)影響脫模質(zhì)量。模板開口一定要喇叭口向下，否則脫模時(shí)會(huì)從喇叭口倒角處帶出焊膏。

2.其次是焊膏的粘度、印刷性(滾動(dòng)性、轉(zhuǎn)移性)、觸變性、常溫下的使用壽命等都會(huì)影響印刷質(zhì)量。如果焊膏的印刷性不好，嚴(yán)重焊膏只是在模板上滑動(dòng)，這種情況下是根本印不上焊膏的。 
3.印刷工藝參數(shù)

焊膏是觸變流體，具有粘性。當(dāng)刮刀以一定速度和角度向前移動(dòng)時(shí)，對(duì)焊膏產(chǎn)生一定的壓力，推動(dòng)焊膏在刮板前滾動(dòng)，產(chǎn)生將焊膏注入網(wǎng)孔或漏孔所需的壓力，焊膏的粘性摩擦力使焊膏在刮板與網(wǎng)板交接處產(chǎn)生切變，切變力使焊膏的粘性下降，有利于焊膏順利地注入網(wǎng)孔或漏孔。

刮刀速度、刮刀壓力、刮刀與網(wǎng)板的角度以及焊膏的粘度之間都存在一定的制約關(guān)系，因此只有正確控制這些參數(shù)，才能保證焊膏的印刷質(zhì)量。例如刮刀壓力過(guò)大，印刷時(shí)會(huì)造成焊膏圖形粘連;印刷速度過(guò)快容易造成焊膏量不足。如沒(méi)有及時(shí)將模板底部的殘留焊膏檫干凈，印刷時(shí)使焊膏粘污焊盤以外的地方等等，這些因素都會(huì)引起橋接、虛焊、錫珠等焊接缺陷。

4.設(shè)備精度方面

在印刷高密度窄間距產(chǎn)品時(shí)，印刷機(jī)的印刷精度和重復(fù)印刷精度也會(huì)起一定的作用，如果印刷機(jī)沒(méi)有配置視覺(jué)對(duì)中系統(tǒng)，即使人工圖形對(duì)準(zhǔn)時(shí)很精細(xì)，PCB的焊盤圖形與模板漏孔圖形完全重合，但對(duì)于PCB的加工誤差還是無(wú)法解決的。

5.對(duì)回收焊膏的使用與管理，環(huán)境溫度、濕度、以及環(huán)境衛(wèi)生，對(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量都有影響?；厥盏暮父嗯c新焊膏要分別存放，環(huán)境溫度過(guò)高會(huì)降低焊膏粘度，濕度過(guò)大時(shí)焊膏會(huì)吸收空氣中的水分，濕度過(guò)小時(shí)會(huì)加速焊膏中溶劑的揮發(fā)，環(huán)境中灰塵混入焊膏中會(huì)使焊點(diǎn)產(chǎn)生針孔。

(五)貼裝元器件

貼裝質(zhì)量的三要素：元件正確、位置準(zhǔn)確、壓力(貼片高度)合適。

1.元件正確——要求各裝配位號(hào)元器件的類型、型號(hào)、標(biāo)稱值和櫥極性等特征標(biāo)記要符合產(chǎn)品的裝配圖和明細(xì)表要求，不能貼錯(cuò)位置。

2.位置準(zhǔn)確——元器件的端頭或引腳均和焊盤圖形要盡量對(duì)齊、居中。

元器件貼裝位置要滿足工藝要求。因?yàn)閮蓚€(gè)端頭Chip元件自定位效應(yīng)的作用比較大，貼裝時(shí)元件長(zhǎng)度方向兩個(gè)端頭只要搭接到相應(yīng)的焊盤上，寬度方向有1/2搭接在焊盤上，再流焊時(shí)就能夠自定位，但如果其中一個(gè)端頭沒(méi)有搭接到焊盤上，再流焊時(shí)就會(huì)產(chǎn)生移位或吊橋：而對(duì)于SOP、SOJ、QFP、PLCC等器件的自定位作用比較小，貼裝偏移是不能通過(guò)再流焊糾正的。因此貼裝時(shí)必須保證引腳寬度的3/4處于焊盤上，引腳的趾部和跟部也應(yīng)在焊盤上。如果貼裝位置超出允許偏差范圍，必須進(jìn)行人工撥正后再進(jìn)入再流焊爐焊接。否則再流焊后必須返修，會(huì)造成工時(shí)、材料浪費(fèi)，甚至?xí)绊懏a(chǎn)品可靠性。生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)貼裝位置超出允許偏差范圍時(shí)應(yīng)及時(shí)修正貼裝坐標(biāo)。

手工貼裝時(shí)要求貼裝位置準(zhǔn)確，引腳與焊盤對(duì)齊，居中，切勿貼放不準(zhǔn)，在焊膏上拖動(dòng)找正，以免焊膏圖形粘連，造成橋接。

3.壓力(貼片高度)——貼片壓力(高度)要恰 當(dāng)合適，元器件焊端或引腳不小于1/2厚度要浸入焊膏。對(duì)于—般元器貼片時(shí)的焊膏擠出量(長(zhǎng)度)應(yīng)小于0.2mm，對(duì)于窄間距元器件貼片時(shí)的焊膏擠出量(長(zhǎng)度)應(yīng)小于0.1mm。貼片壓力過(guò)小，元器件焊端或引腳浮在焊膏表面，焊膏粘不住元器件，在傳遞和再流焊時(shí)容易產(chǎn)生位置移動(dòng)。此外，由于z軸高度過(guò)高，貼片時(shí)元件從高處扔下，會(huì)造成貼片位置偏移。貼片壓力過(guò)大，焊膏擠出量過(guò)多，容易造成焊膏粘連，再流焊時(shí)容易產(chǎn)生橋接，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞元器件。

(六)再流焊溫度曲線

溫度曲線是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵，實(shí)時(shí)溫度曲線和焊膏溫度曲線的升溫斜率和峰值溫度應(yīng)基本—致。160℃前的升溫速度控制在1℃/s—2℃/s。如果升溫斜率太大，一方面使元器件及PCB受熱太陜，易損壞元器件，易造成PCB變形。另一方面，焊膏中的溶劑揮發(fā)速度太快，容易濺出金屬成份，產(chǎn)生錫珠;峰值溫度一般設(shè)定在比焊膏金屬熔點(diǎn)高30℃~40℃左右(例如63Sn/37Pb焊膏的熔點(diǎn)為183℃，峰值溫度應(yīng)設(shè)置在215℃左右)，再流時(shí)間為30s~60s。峰值溫度低或再流時(shí)間短，會(huì)使焊接不充分，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成焊膏不熔。峰值溫度過(guò)高或再流時(shí)間長(zhǎng)，造成金屬粉末氧化，影響焊接質(zhì)量，甚至?xí)p壞元器件和印制板。 
設(shè)置再流焊溫度曲線的依據(jù)：

1.根據(jù)使用焊膏的溫度曲線進(jìn)行設(shè)置。不同金屬含量的焊膏有不同的溫度曲線，應(yīng)按照焊膏加工廠提供的溫度曲線進(jìn)行設(shè)置具體產(chǎn)品的再流焊溫度曲線。

2.根據(jù)PCB板的材料、厚度、是否是多層板和尺寸大小設(shè)置。

3.根據(jù)表面組裝板搭載元器件的密度、元器件的大小以及有無(wú)bga、CSP等特殊元器件進(jìn)行設(shè)置。

4.根據(jù)設(shè)備的具體情況，例如加熱區(qū)的長(zhǎng)度、加熱源的材料、再流焊爐的構(gòu)造和熱傳導(dǎo)方式等因素進(jìn)行設(shè)置。

熱風(fēng)爐和紅外爐有很大區(qū)別，紅外爐主要是輻射傳導(dǎo)，其優(yōu)點(diǎn)是熱效率高，溫度陡度大，易控制溫度曲線，雙面焊時(shí)PCB上、下溫度易控制;其缺點(diǎn)是溫度不均勻。在同—塊PCB上由于器件的顏色和大小不 同、其溫度就不同。為了使深顏色器件周圍的焊點(diǎn)和大體積元器件達(dá)到焊接溫度，必須提高焊接溫度。

熱風(fēng)爐主要是對(duì)流傳導(dǎo)。其優(yōu)點(diǎn)是溫度均勻、焊接質(zhì)量好;缺點(diǎn)是PCB上、下溫差以及沿焊接爐長(zhǎng)度方向溫度梯度不易控制。目前許多熱風(fēng)爐在對(duì)流方式上采取了一些改進(jìn)措施，例如小對(duì)流方式、采用各溫區(qū)獨(dú)立調(diào)節(jié)風(fēng)量、在爐子下面采用制冷手段等，以保證爐子上、下和長(zhǎng)度方向的溫度梯度。以達(dá)到工藝曲線的要求。

5.還要根據(jù)溫度傳感器的實(shí)際位置來(lái)確定各溫區(qū)的設(shè)置溫度，若溫度傳感器位置在發(fā)熱體內(nèi)部，設(shè)置溫度比實(shí)際溫度高近—倍左右，若溫度傳感器位置在爐體內(nèi)腔的頂部或底部，設(shè)置溫度比實(shí)際溫度高30℃左右。

6.還要根據(jù)排風(fēng)量的大小進(jìn)行設(shè)置，一般再流焊爐對(duì)排風(fēng)量都有具體要求，但實(shí)際排風(fēng)量因各種原因有時(shí)會(huì)有所變化，確定一個(gè)產(chǎn)品的溫度曲線時(shí)，因考慮排風(fēng)量，并定時(shí)測(cè)量。

7.環(huán)境溫度對(duì)爐溫也有影響，特別是加熱溫區(qū)較短、爐體寬度窄的再流焊爐，爐溫受環(huán)境溫度影響較大，因此在再流焊爐進(jìn)出口處要避免對(duì)流風(fēng)。

(七)再流焊設(shè)備的質(zhì)量

再流焊質(zhì)量與設(shè)備有著十分密切的關(guān)系。影響再流焊質(zhì)量的主要參數(shù)：

1.溫度控制精度應(yīng)達(dá)到±0.1-0.2℃(溫度傳感器的靈敏度要滿足要求)。

2.傳輸帶橫向溫差要求±5℃以下，否則很難保證焊接質(zhì)量。

3.傳送帶寬度要滿足大PCB尺寸要求。

4.加熱區(qū)長(zhǎng)度——加熱區(qū)長(zhǎng)度越長(zhǎng)、加熱區(qū)數(shù)量越多，越容易調(diào)整和控制溫度曲線。—般中小批量生產(chǎn)選擇4-5溫區(qū)，加熱區(qū)長(zhǎng)度1.8m左右即能滿足要求。另外上、下加熱器應(yīng)獨(dú)立控溫，便以調(diào)整和控制溫度曲線。

5.高加熱溫度一般為300-350℃，如果考慮無(wú)鉛焊料或金屬基板，應(yīng)選擇350℃以上。

6.傳送帶運(yùn)行要平穩(wěn)，傳送帶震動(dòng)會(huì)造成移位、從以上分析可以看出，再流焊質(zhì)量與PCB焊盤設(shè)計(jì)、元器件可焊性、焊膏質(zhì)量、印制電路板的加工質(zhì)量、生產(chǎn)線設(shè)備、以及smt每道工序的工藝參數(shù)、甚至與操作人員的操作都有密切的關(guān)系。同時(shí)也可以看出PCB設(shè)計(jì)、PCB加工質(zhì)量、元器件和焊膏質(zhì)量是保證再流焊質(zhì)量的基礎(chǔ)，因?yàn)檫@些問(wèn)題在生產(chǎn)工藝中是很難甚至是無(wú)法解決的。