smt 表面组装技术 SMT 技术
實用表面黏著技術
---表面黏著材料及製程指
南
Robert J. Rowland
Paul Belangia 著
羅 奇 譯
知識就是財富
在電子業中,表面黏著技術日益為人們所接受且巿場占有率亦持續增長,在
許多產品中均使用到該項技術,根據對表面黏著技術的增長預測,將有越來越多
的問題與其物料及製程轉變并存,本書將有助于讀者(從事 SMT裝配業者)了解其
相關物料及制程問題。
本書主要分為兩個基本部分: 前面 4章由保羅‧伯南爵撰寫,主要說明表面
黏著用的物料零件及設計問題,接下來的 8章,由羅伯特撰寫,將說明表面黏著的
各類製程問題。
SMT入門的首要條件是徹底明了相關術語定義及專有名詞,我們在每章的開
始均為達成本要旨特別對相關的術語及定義進行詳細說明,此舉將會令讀者更方
便地獲取所期望的參考。為使讀者能更多的吸收每一章的內容,我們建議諸位首
先細閱每章開篇的術語說明。
每章的基本問題說明與更高階者同樣重要。在未弄懂 SMT的基礎知識前,將
很難了解進階的知識。我們均認同未學會走勿償試跑的古訓。我們將提供盡量豐
富的資訊給讀者,使之更多地了解相關的物料(零件)、設備及製程,令讀者可各取
所需。
希望本書對從事 SMT設計及製程工程師、技術員、設計員及管理人員能有所
助益。其主要對象是電工學人士,因為這是我們的專業知識領域,我們曾于工作中
接觸過本書中的材料及製程。
本書本著兩個宗旨完成,首先,讓其他從事 SMT工作的同行分享我們的知識;
第二,提升我們對 SMT的認知。我們將盡力達成以上宗旨。
一.表面黏著技術介紹
術語:
A級 (CLASS A)
僅使用穿孔零件的表面黏著裝配級別,由 1型及 2型 SMT組成。
B級 (CLASS B)
僅使用表面黏著零件的裝配等級,它亦可以分為 1型及 2型 SMT。
C級 (CLASS C)
混和使用穿孔零件及表面黏著零件的裝配等級,亦可以分為 1型及 2型
SMT。
雙排封裝 (Dual in-line package)
一種雙排封裝穿孔技術,它由兩排伸出的直角腳組成。
集體(成)電路 (Integrated Circuit. IC)
一種將多個電阻、電晶體、電容及其它零件集中一個單晶硅上的零件。
焊墊 (Land)
供表面黏著腳焊接的金屬表面。
焊圈 (Pad)
SMT板上穿孔及導通孔周圍的圈狀金屬表面。
印刷電路板裝配 (PCA)
PCB
印刷線路板。
SMC (Surface Mount Component)
表面黏著零件。
SMT (Surface Mount Technology)
表面黏著技術。
SPC (Statistical Process Control)
統計制程管制。
1型
PCB單面著裝零件的表面黏著類型。
2型
PCB雙面均著裝零件的表面黏著類型。
序
本節我們將回顧SMT的發展史及其優缺點,并介紹多種制程類型及分級狀況。
請注意本書中所有的尺寸及溫度均使用公制,且于括號內以英制附注。
什么是表面黏著技術?
表面黏著技術是一種使用表面黏著零件并將其黏置于 PCB上的系統或曰制
程技術。
表面黏著零件則是接腳(引腳)微小(細)或無腳且可直接焊接于 PCB上的焊區
(lands)或焊圈(墊)上的零件。
直到 80年代中期,表面黏著零件仍只使用于低密度的混合線路,主要是因為
缺乏可生產大線路板裝配的自動化設備,然而,近年來,隨著技術的升級及各種自
動生產設備上可把持各種零件的技術相繼成功問世,使產品零件數日益增多(密
度增加),基材變小,生產能(量)提升。將 SMT零件用于這些自動機,則 PCA的成本
將遠低于使用傳統穿孔技術,PCB的成本將會實現節省 50-75%的減少,以及減少,
接腳所產生的電容、電感(感應)影響,使制程更具效率,微量的重整及快捷的生產
周期,正如我們之期望。
PCA大約 65%的成本取決于零件大小,正如圖 所示,我們可容易地推算若
使用表面黏著技術,設備的投資回收將在二至六個月內快捷地完成!
表面黏著技術的歷史
表面黏著技術發源于本世紀 50年代,早期不使用穿孔技術而使用扁平包裝
零件運用于高可靠性的軍用產品。60年代,更多的 SMT零件湧入市場,復合材料
如陶瓷,作為零件已可焊接在基材表面,到了 70年代,東方的日本電子業異軍突
起,因其資源饋乏,必需減低成本。產品的小型化也確實順應了巿場的需求,最先
被廣泛使用的是電阻及電容,他們的使用不僅節省了 PCB的面積,而且又符合高
速貼裝的要求,使日本成為早期實現以無腳的圓筒型/長方型零件取代早前需成
型、剪切及折彎的業界先驅。70年代后期及 80年代早期集體電路已趨成熟且電
路日益復雜。這一劇變使零件接腳數急增,大多超過 100PIN,使得若使用雙排腳
封裝需承受大的面積(空間)的損失以適應這些怪物。
現在,SMT工業正以跳躍式的方式成長發展。SMT零件几乎使用于所有消費性
及商用產品中,品種繁多的 SMT零件目前適用于從電源到通訊等等產品,圖 可
証實從 80年代到 90年代這趨勢的成長率,本表是用焊點數作為預測參數來衡量
SMT的成長的。
為什么要使用表面黏著技術?
表面黏著技術的優點(勢):
產品的價格/功能比大幅提升,這就意味著產品重量及尺寸的降低。
SMT通過解決高針數集體電路成本問題,使用替代材料有效地降低產品的重
量及尺寸而獲得高額利潤,在非常小的封裝要求情形下 SMT將有助于 PCB的雙面
著裝,在成本方面 SMT具備其獨特的有利地位。
利用 SMT的自動裝著零件可獲至很高的生產良率。通過零件密度的增加提升
了自動化的品質,而且自動化自然節省了生產的周期時間,使投資回收得到最大
限度地實現,通過利用電腦化的設備,制程控制變得容易且簡單,更適宜于推行
SPC,大多數 SMT設備均可實現以低單價獲至高產能。
SMT的板子的重整及修理是簡單易行的,其使用的標準工具是細尖烙鐵或熱
風槍,均只需小額投資。
SMT零件的庫存空間僅為穿孔零件的 10%,也即其空間主要為包裝之盤帶所
占。
SMT的缺點:
SMT也有几個小小的缺點,常用零件巿場對此劇烈的變化反應遲鈍,因此並非
所有的零件有表面黏著式封裝。再者穩定地測試存在一定的困難,因為空間太小,
需要細小的彈簧探針,而且用于 SMT制程的 PCB復雜且對設備的要求是很嚴的,這
就意味著一筆巨大的資金輸出,另外一個缺點是公司導入 SMT則必須學習大量的
新制程知識。
表面黏著裝配的分類: (如附圖)
表面黏著裝配分為 2種類型:1型及 2型。它們又分別可分為 A、B、C三級,
分類的依據是不同的零件裝著位置,是單面抑或雙面以及裝配零件的種類是 SMT
型或穿孔型等等來決定的。B、C級也可單純分為簡單型及復合型,這一分法乃依
據 IPC-CM-770,“印刷線路板的零件裝著”而來。(詳見圖 )
1型(TYPE1) 零件僅裝著于 PCB的某一面.
2型(TYPE2) 零件在 PCB的兩面均有裝著.
A級(CLASS A) 僅在 PCB上裝著穿孔型零件.
B級(CLASS B) 僅在 PCB 上裝著 SMT型零件.
C級(CLASS C) PCB上裝著有 SMT、穿孔型零件(同一 PCB)
例如: 2B型裝配就是中 PCB的兩面均裝著 SMT型零件的形式。
基本製程及流程表
製程的流程方式依不同的 SMT類型而不一,表 為 2B及 1B的流程範例:
單面錫膏印刷→零件裝著→錫膏干燥→迴流焊→清洗→PCB翻轉→另一
面錫膏印刷→零件裝著→錫膏干燥→迴流焊→清洗→測試
*可依據最終清潔之要求作取舍。
1型: 簡單 SMT流程
2型: 復合 SMT流程
表 :1B及 2B表面黏著裝配流程
穿孔零件插件及折腳→PCB翻轉→點膠→SMT零件裝著→烘膠(硬化)
→翻板→波峰焊→清洗→測試
表 2C型裝著簡要流程
以下是美國業界的幾個制程標準組合,他們所公布的標準名稱及名細可參
照附錄 A所列:
錫膏印刷 → 表面黏著零件裝置 → 錫膏干燥(視需要) → 迴流焊 → *
清洗 → 穿孔零件插入及折腳固定 → 翻板 → 點膠 → SMT零件裝著 → 黏
膠干燥 → 翻板 → 波峰焊 → 清洗 → 測試
Clean清洗,可依據最終清潔要求及所使用的助焊劑作取舍。
表 2C混合型表面黏著裝置.
二. 表面黏著用零件及零件封裝
術語:
帶角方型扁平封裝(怪物)(BQFP) (Bumpered Quad Flat Pack)
一種標準腳距且四周均為歐翼腳型的集體線路封裝,通常腳中心距為
("),也有較小腳距者,如 (")也較常用。小腳距一般
參考精細腳距封裝,怪物名稱乃所謂該封裝之四角塑膠伸長以保護零件腳,該類
封裝腳數由 53到 240Pins不等。
晶體零件(Chip Component)
泛指有 2個接點的無腳表面黏著型零件,例如電容和電阻。
陶瓷型晶片載器(Ceramic Leaded Chip Carrier. CLCC)
類似無腳陶瓷載器的一種表面黏著型集體電路的封裝,使接腳依附于封裝壁
以預防因封裝或基材的熱膨脹引發的問題,接腳數可由 16到 124Pins不等。
熱膨脹系數(Coefficient of Thermal Expansion. CTE)
物體在單位溫度變化狀況下所致的尺寸微變。
圓柱型零件(Cyclindrical Component)
一種被動零件或二極體的封裝型式,呈圓柱型,主要有兩種規格,MLL34及
MLL41
介電質(Dielectric)
一種中性位于兩個導體(電極)間的隔離層。
雙列直插式封裝(Dual in-line Package DIP.)
一種用于穿孔裝配的雙排直角型集體電路封裝型式,有標準的腳距及行距,其
標準間距為 (")。
精細間距(Fine Pitch)
腳距等於或小於 (")的表面黏著封裝型式。
鷗翼型腳(Gull Wing Lead)
一種典型的小輪廓封裝的腳的外型,其腳之末端向外彎曲似飛翔中的海鷗。
J-型腳(J-Lead)
一種腳彎曲在封裝本体之下的封裝腳型稱謂,通常用於塑膠封裝体,由側面
看其腳型類似字母 J之輪廓。
無腳陶瓷晶片載器(LCCC)
一種陶瓷且密封用於軍方的集成電路封裝方式,其四周以特殊金屬處理以與
金屬体互聯。
腳距(Lead Pitch)
封裝零件上連續兩腳之中心距,精細的腳距可令小的封裝容下更多的針腳。
DIP的腳距是 ("),而 PLCC的腳距為 (")。
金屬無腳電極(Metal Electrode Leadless Face. MELF)
雙端金屬化的圓柱型的零件,一般用於電阻、電容及二極体的封裝。
多層電容晶片(Multilayer Chip )
業界對表面黏著用的陶瓷電容之統稱。
塑膠晶片載器(Plastic Leaded Chip Carrier PLCC)
本體四周為 J-型腳的集成電路封裝型式,其腳距為 ("),腳數為
20到 124Pins不等。
方形扁平封裝(Quad Flat Pack)
泛指四周均有接腳的表面黏著封裝,一般指鷗翼腳型封裝。
方形零件(Rectangular Component)
泛指四方形且有 2個接點的無腳表面黏著零件(被動形),例如:電阻、電容亦
稱為晶片零件。
超小輪廓封裝(Shrink Small Outline Package. SSOP)
一種類似 SOIC的 30腳 IC的表面黏著形封裝,本體寬約為 ("),
其腳距為 (")。
小輪廓集體電路(Small Outline Integrated )
一種有兩排平行鷗翼 16~28腳的表面黏著型集體電路,腳距為
("),其本體寬度大致為 (")。
小輪廓 J型腳封裝(Small Outline J-leaded. SOJ)
腳距為 ("),有兩排平行的 14到 40腳的一種表面黏著型集體電
路封裝。
大輪廓集體電路(Small Outline Large Integrated Circuit. SOLIC)
一種腳距為 ("),有兩排平行腳的 16~28Pin的鷗翼型表面黏著型
集體線路封裝,其本體寬度為 (")。
小輪廓電晶體(Small Outline Intograted Transistor. SOT)
一種兩腳在本體一側,另一腳在另一側的鷗翼型表面黏著零件。
帶式包裝(TAPEPAK)
一種適用于集體電路卷狀封裝的方式,其零件儲存于成型的凹槽內。
端子(Termination)
被動零件的端點金屬面或端點的金屬殼。
超薄小輪廓封裝(Thin Small Outline )
一種類似20~48Pin鷗翼腳的SOT的集體電路封裝方式,含腳在內,其寬為6mm
到 12mm("到 "),腳長為 (")僅為 SOT厚度的 1/2。一種是
從封裝之窄邊伸出接腳,一種是腳從封裝的寬邊引出。
緒論
表面黏著技術業在過去十年內獲得了驚人的成長,要維持既有標準(造成把
握變化成為困難)存在很大的困難。直接引用諸如 EIA、IPC、JEDEC及 EIAJ(如
附錄 A)是一種途徑。遺憾的是沒有一個標準可涵蓋所有零組件,并且并非標準均
被依從,例如,日本的供應商,經常自行設計,并與任何標準均不吻合,此現象在大
于 20Pin的集成電路上表現尤為突出。在此特忠告大家採用標準的尺寸,特別是
焊墊的設計,請慎重,并依據相關的標準。
本節將介紹常用零件系列及其焊墊以及包裝(封裝),若需更多資訊,請參考
IPC-SM-782,表面黏著焊墊。
晶片零件(Chip Components)
晶片零件包裝諸如電阻、電容以及電感。它們是最小的表面黏著封裝。它們
較其它零件更廣泛應用于美國的汽車業和日本的消費(家電)業。其數碼標示為前
兩碼為長度(08="),第三、四節為寬度(05 = ")
晶片電阻(Chip Resistors)
一般表面黏著型晶片電阻有三種規格: 0805,1206和 1210。但自從日本領
先制出 0603及 0402並用于高密度領域便破壞了這一約定。
詳見表 的尺寸對照。
晶片電阻一般為鋁質制成,其阻抗是附在基材的線圈或阻抗物質之碎末提
供,然后將其截至需要長度即可。其接點之金屬一般為銀箔、鎳或錫以及其他特
殊要求金屬。其接點通常在三個面上:上面、側面或端面。
請參閱圖表 晶片電阻剖面圖。
晶片電阻值的標示遠較未標示者更具成本效益。在標示為必需時,一種三碼
的標示系統應運而生,圖表 是一個電阻標準的標注範例。
在料卷上通常有供應商依據客戶的需求或相應標準而設置的詳細標示。
在放置卷狀電阻于黏著設備前,必須進行阻值的標示檢查,此舉減少了單個
檢查零件標示的動作及成本,當然,一些公司由于重工或服務的需求,便在零件上
增加了標示。
0805和 0603的表面黏著晶片電阻可加工到 那樣薄,以使其可置放于
PGA連接座中心般須節省空間的地方。
表 是零件的尺寸,圖 是晶片電阻之相應焊墊形狀,而表 是焊墊的
尺寸狀況。
圖 電阻標準標示(Courtecy of Rohm ).
表 晶片電阻零件尺寸 - 公(英).
表 晶片電阻焊墊. 表 晶片電阻焊墊尺寸 - 公(英).
晶片電容
晶片電容除了其接點有上、下、左、右及端面共 5面外,其余部份類似晶片
電阻。晶片電容接點的金屬組成亦似晶片電阻,如圖 之剖面圖。
晶片電容可以電介質不同而分成三類: 分別為 Z5U、X7R、NPO或 COG型。考
慮到大多數電容用于線路濾波,故 X7R及 Z5U型因其成本低廉被大量使用。而 NPO
型因其可耐受大範圍的溫度、頻率及電壓變化,故其成本較高。
表面黏著型電容,也稱為多層晶片電容(MLCS),是一種十分復雜的結構。典型
MLC一般有 10到 15層,一般有干、濕兩種制程,干制程為最近几年發展起來的,
在此制程中,一層層 (")厚的綠色陶瓷壘置以作電量貯存用。在設
計參數未達成一致之前,晶片電容的形狀也不穩定,在每層的另一面是綱狀電極,
經過定長裁切及烘烤即成為單個的零件,其接點通常由鈀、鎳及錫組成。
圖 是晶片電容的干制程流程圖。
濕制程與干制程的區別在于其電容層是利用濕的綠色陶瓷。這種材料適宜于
令電容層更薄的要求,0603的出現就是濕制程的必然結果。
表 晶片電阻焊墊尺寸 -- 公制(英制)如圖:
圖 晶片電容剖(截)面圖 (KEMET電子公司)
表 是零件尺寸圖; 圖 、表 是表面黏著晶片電容之焊墊圖及尺
寸。
模制電容/電感
模制電容與陶瓷電容之區別在于其一般有極性,而且值也較陶瓷電容大,它
的介電質是鉭。鉭電容的容值從 到 100uF不等,耐壓從 4-50伏特(直流),
一般從外殼看分為: A、B、C及 D四種,參見表 的零件尺寸。
由于其極性關系,故它一定不可在極性相反狀況下工作,否則,它們有爆炸
(裂)的可能,故在將此類電容裝置于裝著機上時,必須要確認其極性的正確性。
圖 是模制鉭電容的截面圖。
依其不同的接點附著技術可分為幾種制程。一些有一個焊點,而其余則是在
本體下有兩條彎腳,其中有些接點技術較為可靠,而以焊點作為接點的方式正宜
于在 PCB上進行黏著。
圖 及表 分別是模制電容的焊墊圖及相應尺寸。
圖 晶片電容干制程 LAVX公司提供)。
模制電容目前有几個供應商,TDK是表面黏著型電感的龍頭,他們有獨一無二
的無卷曲電感。這是利用氧化鐵層與導電的銀箔交壘的精湛境界,而大多數電感
會因氧化鐵卷曲致傷。
圓柱型零件(Cylindrical Components MELFS)
圓柱零件就是所謂的 MELFS,有金屬無腳接點的表面黏著零件。這一封裝方
式可用于制造二極管、電阻或陶瓷/鉭質電容,但其最廣泛地應用于電阻的制造。
其外觀類似有腳的電阻,但卻無接腳及外塗層(如色環),一般有兩種型號,分別為
MLL34和 MLL41,由于是圓柱形的,故而易滾動移位而致附著不易,也正因為此原
因,導致圓柱型零件正逐漸減少。
表 是 MELF的尺寸,圖 是 MELF的焊墊圖,而 是焊墊的尺寸。
表 模制電容之焊墊尺寸 -- 公(英)制
表 零件尺寸 -- 公(英)制
圖 焊墊圖
表 焊墊尺寸 -- 公(英)制
表 模制電容之焊墊
主動零件 - 塑膠
表面黏著零件的使用適宜于隨身聽及薄型驅動器等,需有效利用空間的產品
的制造。
表 是傳統(有腳)零件與 SMT型零件的尺寸比較。
小輪廓電晶體(Small Outline )
小外形(輪廓)電晶體有三種表面黏著型封裝方式,分別是 SOT23,SOT89及
SOT143。其中 SOT23和 SOT89有三個點接點,而 SOT143則是 4個接點,二極體也
可以此類方式進行封裝。
在三種封裝方式中,又以 SOT23最為廣泛,這種封裝又可分為三種外形尺寸:
高輪廓、中型及低輪廓。(詳見圖 )
當然,低輪廓封裝與中、高輪廓封裝不可隨意替代,因為需作點膠黏著導通,
且一般高輪廓者適用于需充分清洗的場合。
表 是零件的尺寸,圖 及表 分別是焊墊形狀及其尺寸狀況。
圖 SMT零件尺寸比較。
圖 SOT封裝型比較。
表 SOT23尺寸表 -- 公(英)
圖 SOT23焊墊圖。
SOT零件尺寸詳見如表 ; 圖 及表 分別為焊墊圖及尺寸狀況。
SOT143除其為 4個接腳(點)外,類似 SOT23。它們正日益被廣泛應用于無線
電領域,當然,清洗制程對這些封裝也不存在任何問題。
表 是 SOT143的尺寸表
圖 及表 分別是 SOT143之焊墊及尺寸
表 SOT之焊墊尺寸 -- 公(英)制。
表 SOT89之零件尺寸 -- 公(英)制。
表 SOT89之焊墊。
DPAK是 SOT封裝之高功率型。它可實現等同于 TO-252的效果。
表 是 SOT143的尺寸,圖 及表 是 SOT143的焊墊形狀及尺寸。
鷗翼型小輪輪廓封裝(Small Outline Package With Gull
Wing Leads)
鷗翼型小輪廓封裝之外形類似 Dual in-line package,而尺寸卻只有 DIP封
裝的一半左右。
其本體寬度不是 (")而是 ("),其腳距亦非
(")而為 ("),這就是小輪廓大規模集體電路之封裝
(SOLIC)。
兩邊有腳 SOT封裝較常用的多為低于 20腳者,而超過 20腳的四面型封裝則
用于有相應導通要求的場合。
此小輪廓封裝一般有兩種主要本體尺寸,分別是 (")及
(")。尺寸為 (")者稱為 SOIC,而尺寸為 (")
者稱 SOLIC,L代表大規模的意思,兩種封裝均可于巿場賣到 16及 14Pin的零件。
表 是零件的尺寸。
圖 及表 分別為其焊墊的圖形及尺寸。
J型腳的小輪廓封裝(Small Outline Package With J
Leads)
SOJ是典型用于 DRAM的封裝型式。SOJ在用 J型腳代替鷗翼型這點上類似
PLCC的封裝(見圖 ),稍有不同之處就是 SOJ只有兩側有接腳而 PLCC則為四
側有接腳。大多數日本的生產廠商均有此型的多種規格品。其本體寬度可為
("),(")及 (")。最安全的原則是依據 PCB
廠商依焊墊狀況提供的建議進行仔細權衡選擇所需零件。
表 是零件之尺寸,圖 及表 分別是其焊墊形狀及尺寸狀況。
表 SOJ零件尺寸 -- 公(英)制。
圖 SOJ焊墊形狀。
塑膠晶片載器(Plastic Leaded Chip Carrier,PLCC)
塑膠晶片載器是應消費者之低成本要求從陶瓷式載器發展而來的,其接腳為
J型,腳距為 ("),除了 18Pin外,其封裝均是本體四側均有接腳,且同是
四方形。
PLCC之第一 Pin標示系統有別于 SOIC的某側中點為第一 Pin的方式,集體
電路(晶片)的制造者通常是在塑膠體上作一個明顯的標示符號,而有的制造者則
習慣于在本體的某個角倒一斜邊以作第一 Pin的位置,應向制造商請教其標示方
式。
表 SOJ焊墊尺寸 -- 公(英)制。
表 PLCC零件尺寸 -- 公(英)制。
較大的 PLCC零件(超過 68接腳)應保持干燥包裝并于裝著前進行必要的烘
烤。在 IPC-DM-786“測試及搬運對表面黏著型封裝的受潮影響”中可詳知有關
細節及潮氣之去除(烘烤)方式。
表 是零件尺寸,圖 及表 分別是焊墊形狀及尺寸。
圖 PLCC之焊墊。
表 PLCC之焊墊尺寸 -- 公(英)制。
備注: 定位尺寸 A1~D1是 PLCC零件旋轉 90°的狀況。
精細腳距封裝(Fine-Pitch Package QFP,BQFP,TSOP,SSOP
Tapepak)
扁平方形封裝是為適應 80年代后期 PLCC封裝 IC腳距被逼向極限而發展出
來的。目前,通用的腳距尺寸是 ("),腳距為 (")已有介
紹,同時,低于 (")正在研制中,大型的扁平方形封裝在 JEDEC之相
關資料中有介紹。JEDEC(Joint Eleetrouic Devices Engineering Council)就
是“電氣連接工程聯合會”之相關管制標準,巨型封裝適于盛放入成型的塑膠管
中,在美國的標準封裝型號有 52、68、84、100、132及 196Pins。
表 BOFP(JEDEC)零件尺寸 -- 公(英)制
表 是 BOFP零件的尺寸,圖 及表 分別為其焊墊及形狀尺寸。
日本的標準 QFP是無保護觸角的,該標準由日本電子工業協會制訂(EIAJ)。
可利用之腳距為 1mm到 (到 ")不等。封裝規格由 44腳到 304
腳。
圖 BQFP(JEDEC)焊墊。
表 BQFP(JEDEC)焊墊尺寸 -- 公(英)制。
注: 所有 BQFP零件之腳距均為 (")
PCB設計時最關注的腳距。JEDEC用英制,而 EIAJ則使用公制。例如在 JEDEC
標準中腳距是 ",但與其對應的 EIAJ的腳距卻是 "(),再如:
JEDEC之 "腳距,在 EIAJ中與之對應者卻為 "()。故而一個
JEDEC標準零件不可隨意置于為 EIAJ標準零件而設計的焊墊上。
表 方形 QFP(EIAJ)零件尺寸 -- 公(英)制。
注: A尺寸包含塑膠本體尺寸。
B尺寸則為腳到腳尺寸。
圖 QFP焊墊形狀。
表 (EIAJ)焊墊尺寸 -- 公(英)制。
表 是 QFP零件尺寸,圖 及表 分別是其焊墊之形狀及尺寸。
由于接腳多且多為鷗翼型故易使接腳受到損傷,故在制程中特別注意不可碰
觸零件,并且該型零件僅可用于有視覺檢查系統的裝著設備,而且用于包裝的塑
膠型管只可接觸零件的防護觸角而不可碰觸零件腳。有少數供應商亦用卷帶進行
QFP零件的包裝。
超薄小輪廓封裝最近剛剛問世,以適應之前巿場需求一種可象 SOIC一樣易
于裝著,但本體卻更薄的封裝型式需求,在 TSOP零件中使用 20到 48支鷗翼型腳,
典型的腳距是 ("),其焊墊(footprint)尺寸包含接腳在內,通常有兩
種接腳形狀,一種是接腳由封裝窄邊伸出的 I型,另一種則是接腳由封裝寬邊伸
出的Ⅱ型。TSOP零件的標準包裝是塑膠成型管。
表 表 分別為 I、Ⅱ型 TSOP零件尺寸。
表 TSOP I型零件尺寸 -- 公(英)制。
表 TSOP Ⅱ型零件尺寸 -- 公(英)制。
小輪廓封裝還可進一步分為 SSOP零件,SSOP零件是一種腳距為
(")的 8到 30Pin鷗翼腳型封裝。
圖 TSOP I型焊墊形狀。
圖 TSOP Ⅱ型焊墊形狀。
表 TSOP I型、Ⅱ型零件焊墊尺寸 -- 公(英)制。
注: 所有腳距均為 (")。
這些零件用于可靠度求較高的記憶卡及要求零件外形特別小的場合。
表 是零件的尺寸。圖 及表 分別為其焊點圖形及尺寸。
卷帶式包裝是特別適于 SMT的一種包裝形式。
表 TSOP Ⅱ型零件焊墊尺寸 -- 公(英)制。
表 SSOP零件尺寸 -- 公(英)制。
注: 所有型號之高度均為 ("),為保証零件腳平整,在使用前
零件應保存于膠帶的凹槽中。
此包裝方式亦適宜于自動測試,此類零件腳由 120到 304Pin不等,其腳距範
圍從 到 ("到 "),它們盛裝于成型的塑膠管中提供給
客戶于線上使用,以方便線上接腳成型機的使用,此種封裝僅可使用于超精細腳
距且密度的集體電路的封裝。
表 SSOP焊墊尺寸 -----公(英)制.
主動零件 - 陶瓷 (ACTIVE COMPONENTS ----- CERAMIC)
陶瓷晶片載器已有超過 15年的曆史,其最初用于軍界,而目前在商用機器中
亦廣泛地使用表面黏著型的無引腳陶瓷晶片載器(LCCC)及成型陶瓷晶片載器
(CLCC),該無引腳的晶片載器,有時也叫 LCLS,它有可焊接的接點,其外型可分為
16腳到 44腳,目前之引腳極限是叫接腳,它們用于高溫環境及軍界所要求的環境,
該類零件一般是裝在成型塑膠管中遠送,這些封裝方式提供良好的密封性及良好
的電氣性能(從本體到各導體路經長短几乎一致。隨著封裝型號尺寸的增長,焊點
出現裂縫問題,因為熱膨脹系數不一樣會導致本封裝零件不能裝著在環氧基樹脂
為基材的 PCB上。
成型陶瓷晶片載器(CLCC)是無引腳型零件。
復合零件(Miscellaneous Components)
雙列直插式封裝開關
表面黏著型封裝的開關的改良(發展)沒有成型零件之改良程度大,在實際使
用中,開關的接腳隱蔽于本體下,且包裝帶邊緣超出其本體以保護其黏著面平整
達宜于裝著作業,其腳距一般為 ("),但也可加工成腳距為
("),圖 是一個表面黏著型封裝的雙排針開關封裝樣品。
若制程要求對開關進行浸泡清理,則須確認開關是密封的。
表 是零件尺寸,圖 及表 分別為其焊墊圖形及尺寸。
表 DIP開關尺寸 -- 公(英)制。
塑膠成型晶片載器座
最初的 PLCC插座是成型,用于大板子(PCB)上的 PLCC零件,這種插座改善了
零件的重工(整)性能,因為在重工過程中需整個取下零件,而這類插座有足夠大
的空間可供在非破壞狀況下進行重工。
圖 DIP開關焊墊圖。
當然,插座焊墊與插座中 PLCC零件的形狀是一樣的,當產品成熟到不需插座
時,這種方式可實現在不久的將來直接將 PLCC焊接在 PCB上,此類插座的接腳數
類同于 PLCC零件。圖 是 PLCC式插座圖。
PLCC插座的焊墊形狀與插入件的焊墊一樣,所以在取消插座時無需對 PCB焊
墊進行重新設計。
表 DIP開關焊墊尺寸 -- 公(英)制。
圖 表面黏著型 PLCC插座樣品。
結晶體型零件
是另一種為因應客戶需求而產生的表面黏著型封裝,制造者只是將成型零件
變成表面黏著型而已,建議詳情向制造商詢問,因為業界并無統一標準供依循。
零件包裝(Component Packaging)
所有零件必需包裝于成型的物件中,以利運輸及搬運,一般使用泡沫塑膠,成
型塑膠管及塑膠卷帶及成型塑膠盤或特制的其它包裝方式。大多數表面黏著零件
一般均選用卷帶式這種優質的包裝方式,而 QFP零件在美國一般釆用成型塑膠盤
包裝。日本也開始利用卷帶式包裝 QFP零件,而一些特殊的零件如 D-sub連接器,
表面黏著型開關等則是用成型管進行包裝,困其是用人工裝著的,無論什么包裝
方式其在運輸及搬運過程對零件的保護是至關重要的,并且其包裝方式應與制程
設備相容。(匹配)
成型包裝管(Tubes)
成型包裝管適用于包裝: SOIC、PLCC等零件,方形及圓形及 SOT等一般不以
該方式包裝。
成型管有利于抗靜電及導電,但需注意的是,重復使用的成形管將不再具抗
靜電作用。
依據零件狀況設計成型管形狀至關重要,不當的管子非但不能保護零件,反
而會損傷零件,特別是其接腳。
優點:
當零件體積較小時,選擇成型管是一條低成本之道,當零件體積低于某特定
值時,供應商經常用成型管代替卷帶方式,。
顧慮:
使用成型管盛裝零件存在一個較大的問題就是: 對于非對稱零件,則有將管
子放置顛倒的優慮,并且作業者也無法一次取出超過一個的零件,因為將零件傾
倒的盤內或桌面均是不允許的。
卷帶方式包裝
該包裝方式由三部份材料組成: 盛裝帶、密封帶及帶盤。盛裝帶由三種材料
制造: 低塑料及金屬,紙質僅用于電阻,成型塑料帶可用于電容,SOT零件以及集
體電路的封裝件,而成型的金屬帶正逐漸為成型塑膠帶所取帶。盛裝帶一般由帶
孔的紙帶或有成型凹坑的金屬帶及塑料帶組成,送料用的孔通常在帶的一側或兩
側都有,這些孔與送料器上的馬達匹配,所有的塑膠帶一般是抗靜電及可導電的。
密封帶一般亦是抗靜電及可導電,用在盛裝帶上,紙帶亦同樣需要密封帶。
盛裝帶有 7種寬度供選擇使用,分別為 8mm、12mm、16mm、24mm、32mm、44mm
及 56mm。成型凹槽間的中心距也是非常重要的,它隨帶子之寬度而變化,另外將
密封帶由盛裝帶上剝除的力大小亦非常重要,如果此力太小,則零件就有可能在
使用前就散落,而如果此力需太大,則使用中送料器就很難在制程中使零件暴露
出來。
8mm及 12mm寬的帶子有 7英寸及 13英寸的盤子供選擇; 16mm及更寬的帶子
只能用 13英寸的盤子。
圖 卷帶裝 SMT零件樣品(KEMET公司提供)。
優點:
卷帶式包裝是一種用于裝著設備的最有效方式,其送料器在可靠性上亦較成
型管式為佳。EIA481作為卷帶包裝的標準,已為業界普遍接受。
顧慮:
第一個顧慮是用紙質做大的盤子,也就是說 44mm及 56mm的大盤,用紙質做其
硬度不如塑膠盤,另一顧慮是密封帶與盛裝帶的剝離強度,這一直是困擾所在,因
為供應商尚不能做到一直令剝離力符合標準。
成型盤(MATRIX TRAYS)
成型盤式包裝是因應扁平封裝零件的取置而發展出來的包裝方式,它們使得
取置時不致碰傷脆弱的零件腳。一般由兩種塑膠成型而成,一種能盛放零件經曆
烘干制程。(詳見 IPC-SM-786,Testing and handing of surface mount
plastic packages susceptible to moisture-induced cracking)它由高溫塑
料制成而另一些由低溫塑料制成的盤子則不能用于烘干制程。成型盤的標準詳見
95年出版的 JEDEC。
優點:
在美國大多數供應商均以成型盤盛裝 BQFP零件。一般均以本體為支撐要優
于以零件腳支撐觸角,扁平封裝零件可很好地于成型盤中盛放及搬運、使用。成
型盤可能會比較貴,故應考慮設定流程以發揮其重復再利用的優點,目前日本的
QFP零件已是卷帶式。
顧慮:
成本因素是使用成型盤的考慮重點,因為此包裝較卷帶方式為貴。
目前有許多美國制造者也因此(成本)工效仿日本朝卷帶方式發展。
REFERENCES:
, clyde. printed circuit handbook .New York : Mcgraw
Hill,2nd ed, 1979,-18,23-5.
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Packaging"IPC,lincolnwood ,IL.
-SM-782."Surface Mount Land Patterns: Configurations and Design
Rules."IPC Lincolnwood, IL ,March 1987.
-SM 786. "Testing and Handing of Surface Mount Plastic Packages
Susceptible to Moisture Induced Cracking." IPC Lincolnwood, IL.
, Ray. Surface mount Technology . New York: Van Nostrand
Reinhold 1989.
三.表面黏著印刷線路板
術語:
排布(ARRAY):
同一基板上超過 1塊印刷板,在裝配完畢后可經折散成為單片。
長寬比(ASPECT RATIO)
PCB厚度與其上最小孔徑的比值。
原孔(BOMEL)
在電鍍通孔上加工鑽出圓標孔。
零件孔(COMPONENT HOLE)
在印刷線路上用于零件附著,電氣連接的孔。
共面度(COPLANARITY)
靜態平面的最高點與最低點間的距離。業界標准為 (").
分層剝離(DELAMINATION)
PCB任何一層或層間分離(剝離),或導電金屬箔與基板間的剝離稱之。
干膜(DRY-FILM)
一種經特殊設計,用于 PCB制造的拍照顯影及化學制造零件的塗覆材料,可
阻止電鍍及腐蝕制造的影響。
伸展性(DUCTILITY)
電鍍銅箔在撕裂前的延長伸展程度。
非電解電鍍(ELECTROLESS PLATING)
一種利用自動催化的電極金屬沉積于待鍍表面的電鍍技術。
電鍍(ELECTROPLATING)
在一導體上以電泳方式沉積覆蓋一層金屬,將待鍍物接在直流電的一極上并
置于電解液中,欲沉積的金屬亦浸入其中并接于直流電源的另一極上,這樣金屬
離子就可以在電極間傳輸。
樹脂污染(EPOXY SMEAR)
指在鑽孔時在導電墊表面或邊緣有樹脂殘留,也叫松香殘留。
玻化溫度(Glass Transition Femperature Tg)
塑膠由硬化狀態變為軟柔狀的溫度。
熱風平整技術(Hot Air Leveling) HAL
一種利用熱風直接作用于 PCB,以平整其著錫層的技術。
離子污染測試樣品(板) (IONIC Contamination TEST Coupon)
一小塊截自已經裝配清洗制程的 PCB切片用以測試經清洗后板上鹽份的殘
留狀況。
箔材(Laminate)
一種制 PCB的標示或字母符號(例如: 料號、零件位置或形狀)。
刻字、標示(Legend)
PCB上的標示或字母符號(例如: 料號、零件位置或形狀)。
顯像 Solder Mask液(Liquid Photoimageable Solder Mask LPISM)
一種可用于特制設備的 Solser Mask液體。經過顯影矯正處理,可將阻焊層
寬度控制在 (")以內,故而其可應用于間距為 (")的
集體電路。
遮蔽層(Mask)
一種用以選擇蝕刻、電鍍或阻焊的塗層材料。
切片(Microsectioning)
用特殊材料制程用以做顯微試驗觀察的樣品,通常作法是先切片,置入膠狀
透明液中干燥(硬化)、磨光、腐蝕上色等。
基板(PANEL)
用以制作 PCB的層狀原材。
電鍍通孔(Plated Throngh Hole PTH)
PCB鑽孔鍍銅之后的一個制程。
初面(基面) (Premary Side)
PCB的上面,通常指零件的插入面即不必接觸焊錫波峰的一側。
綱板印刷(Screen Printing)
將圖案以刮板施以適當的力將油墨或膏狀物壓過模板印制在某一物體之表
面上的印刷方式,也稱絲印。
次面(Secondary Side)
通常指 PCB的底面。一般指方形晶片零件的裝著面。
錫橋(Solder Bridging)
對搭接于兩個或更多的焊(接)點的異常描述定義。
阻焊層(Solder Mask)
用于保護 PCB單側或雙側的塗層,一般分為: 干膜、濕膜及 LPISM。
抗拉強度(Tensile Strength)
金屬抗拒拉伸的最大拉力。
覆蓋導通孔(Fented Vias)
為 Solder Masic覆蓋住的導通孔。
試樣(Test Coupon)
PCB或印刷線路的一部份,用以判定 PCB的允收性的試裝。
工具孔(Tooling Hole)
用以作制程定位而在 PCB或基板上設置的孔。
導通孔(Via Hole)
用以作貫穿聯接無需零件腳或其它外物輔助的電鍍通孔。
波峰焊(Wave Soldering)
一種利用熔融焊錫波來焊接 PCB底面的技術,PCB在輸送帶上通過熔錫的波
峰。
序言
隨著表面黏著零件的出現,PCB的尺寸亦相應變小,在許多產品中,要求導線
更窄,甚至會低于 ("),另外諸如阻焊層、絲印及玻化溫度也在同樣
竟爭壓力下做出了變化。
本節將回顧 PCB制程中物料及制程狀況。
物料需求(Material Requirments)
由于將影響 PCB的電氣、熱力、機械方面的品質及可靠性,并材料的選擇是
非重要的,每一種材料及合成材料要能適應需求,則必須要對其優點進行必要的
評估,設計工程師知道并非單一材料可滿足所有的需求。
PCB制造材料大部份仍是 FR-4(GF),另外用得較多的材料是 Polyimied,多功
能環氧樹脂(FR-5)等,Polgimides已成為在終極竟爭中的重要材料之一,材料竟
爭的兩個重要因素是熱膨脹系數及玻化溫度。
熱膨脹系數是衡量物材料暴露在熱環境下伸長的重要指標,在現階段 FR-4
材質的 PCB的熱膨脹系數是 55(英時/英時/攝氏度×10 )以下。如果在無附加物
狀況下,樹脂的各向伸延是一致的(長、寬、高或 X、Y、Z軸)。由于玻縴只在 X、
Y方向可抑制樹脂的延展,故在 FR-4型 PCB中,因玻縴的熱膨脹系數低于樹脂,使
得 PCB在玻化溫度下 Z方向的熱膨脹系數几乎是 X、Y方向的十倍,最明顯的例子
就是膨脹令電鍍通孔變形或產生裂紋,如果不對每個單片 PCB進行預訂可靠性測
試,則報廢就無法避免,因為少數基板的制造商可能降低基板的熱膨脹系數,從55
降到 45左右。
玻化(熔融)溫度是指物體(質)從固態變成膠狀的溫度,現在 FR-4基板的熔融
溫度平均是 130℃(266°F),當此溫度與基板的另外几個物理性能有抵觸時,則可
能于生出諸如執取,電氣性能及制程上的問題。在 PCB制程方面則會在鑽孔時會
因尺寸不穩定而受到影響。在此問題的誘導下,大多數制造商將玻化溫度提昇至
160℃(320°F)或者更高。
如果 PCB的設計在 Z軸方向的延展有限制,則設計者將選擇 polgimide直接
取代 FR-4,固為雖然它們的熱膨脹系數類似,但 polgimide的玻化溫度要高于
FR-4,圖 是 polgimide(聚鹽亞胺)及 FR-4的玻化溫度的差異圖。請注意曲線
的相似性,它們大約是在 1000℃(212°F)附近才分開的。
設計者最頭痛的工作是決定什么是需求要素,他必須事先了解在該板的裝配
過程中,有哪些特性是應用及制程所需的,一旦決定則可以正確地選擇基材。參考
表 可了解几種基材的特性狀況。
圖表 FR-4與 polgimide的 TH比較圖。
表 基板材料特性表。
物理性能需求 (Phgsical Requirements)
PCB的設計者必須進行設計時考慮 PCB在應用上對熱效應,電氣及機械方面
的需求。
在熱效應方面,PCB必須能適應基板及裝配制程的高溫及制造長時間的要求。
這就促使設計者去選擇玻化溫度較高的例如: 160℃到 180℃(320°F到 356°F)的
材料。較高的玻化溫度可滿足制程工程師去提昇完善制程的要求,例如: 可在更
大範圍內進行迴流溫度的選擇。當然,熱膨脹系數亦應符合相應的需求,否則零件
與 PCB較大的熱膨脹系數為差異將導致裂錫。
此時,便需評估是否加入具加強型的添加物料。
電氣性能要求,大多是要求控制阻抗,這在設計技術領先方面是至關重要的,
這就促使供應商去努力提昇介電介的穩定性并盡量縮小其變化公差。
機械性能要求基板能盡量好地配合 PCB的制程要求,使之能在板上鑽出更小
的孔及蝕刻出間距更窄的線路,電鍍通孔更小在 (")以下,同時電路
極的層數增加,一些 PCB的厚度亦 > (")詳見
IPC-TR-579,"round-rodin evaluation for small -diameter plated throngh
- hoces" 研究表明此位為 的 PCB經過 400次的循環測試均無失效 (PER
IPC - TR - 579 ).
PCB的 aspect ratio需一直納入設計考量,它是板上最小孔與板厚的比值。
在比值要求為 時,對于一塊標準厚為 (")的 PCB來說,其孔經應
有小于 (")的孔。
電鍍需求
在 PCB的制程中有一些電鍍過程,一般用于鍍銅、鎳、金及錫、鉛。
PCB的表面及孔內最多是用銅作導電金屬,鍍銅一般有兩種類型: 非電解及
電解式。非電阻解式是鍍槽中無電流,而電解式則是利用電荷的移動將銅附著于
PCB上。'
表 是電鍍銅的特性狀況。
鍍鎳是一種典型作鍍金層基材的金屬,作為阻隔金與銅形成化合物的金屬層。
一般鎳層的適宜厚度是至少 100微英時,當然,若客戶有需求亦可改鍍為錫/鉛合
金,這樣便可為鍍金作業提供較為平整的表面以符合應用要求。
鍍金一般用于金手指或指定區域,它一般有 4種沉積過程: 酸化沉程、堿性
氰化沉積、非氰化堿性沉積及中性法沉積。酸化法沉積是業界最常用的鍍金方式,
業界對金手指鍍金厚度要求至少 30微英時。
鍍錫鉛一般運用如下方式: 熱風平整法、浸錫法或者電鍍。錫鉛一般用在未
續欲作零件焊接的區域。一般要求厚度大約是 (")左右,最近几年,
熱風平整法成了最常用的錫鉛附著方法,該法有兩種設備供選用: 垂直式及水平
式。其作業過程是:PCB先通過錫槽,然后經過熱風區讓熱風吹過 PCB,顯然在此過
程中輸送帶速度及熱風扇的速度就是重要的制程參數。
該制程有可能影響錫鉛的厚度,進而影響裝配過程中高 PIN數 IC的裝著。
表 三種鍍錫鉛方法優缺點比較。
參考表 可知鍍錫、鉛方法各自的特征及應考量點。
防焊層要求(Solder Mask Requirements)
現在的防焊層與原始的有許多差異點,早先利用防焊層于 PCB的底面是為了
阻止過錫爐時過多地沾錫。由于電路平面圖上可看出 Solder mask是用來盡量減
少鄰近焊墊或線路的橋接狀況。
初期所有防焊層均是利用絲印來完成的,早期的防焊層是 PC401及 SR1000兩
種。
防焊層分為暫時型及永久型,暫時型一般用于蝕刻制程。例如: 用于阻絕酸
蝕,通常是被印制(濕膜)或壓制(干膜)在欲制成線路的銅箔上,在經過酸蝕后,再
由線路上清除掉。
永久型防焊層用了 PCB完成品的兩面(上、下)。就是在 PCB裝配中常見的那
種,永久型亦可細分為干膜及濕膜兩種。干膜曾經被預期解決所有防焊問題,但事
實証明干膜并非人們想象中的萬靈藥。例如: 非常精准的印刷會受到焊錫的影
響,在覆蓋型導通孔的制程中,干膜是被推荐的,即導通孔為防焊層覆蓋的那種。
干膜的缺點是易于線路上形成氣泡,且可令較軟的 PCB變彎或翹曲,此多發生在
復合制程中,該類問題亦發生于用波峰焊接表面黏著零件及錫膏的印刷過程中。
可絲印型防焊層一直廣泛用于業界,且有可能繼續保持下去,但是若設計規
格要求保護諸如 (")或者更小的距離,那么可絲印防焊層便到達其
性能極限了。基于成本的考慮(良率損失)及精細間距的表面黏著的塗覆設備均助
長了業界推廣使用顯像型液態,防焊油(LPISM)。LPISM可以印制或靜電噴塗,也
可適用于一種叫做帷幕塗覆的制程。帷幕塗覆就是讓 PCB快速地經過一層由防焊
油組成的帷幕以完成 solder mask的塗覆,這種制程 solder mask浪費最少,因其
可以收集那些未塗于板上的防焊層厚度在 到 ("到
")之間的要求,其最大的缺憾是前期的巨額資金。
在裝配過程中,solder mask的厚度化學活性、熱沖擊承受狀況均會影響機
板的清潔性及焊錫性。防焊層厚度可限制絲印時錫膏的體積及波峰焊時防止錫的
殘留。化學活性將影響 Flux的選用及其時去除方法,熱沖擊承受狀況則是保証
PCB可于迴流焊及波峰過程經受住執取及搬動的影響,其液態則保証了其可覆蓋
于極窄的線路及焊熱之間。
參照表 可知防焊層的特性及使用之應考量點。
表 防焊層的特性。
絲印要求(Silk Screen Requcrement)
絲印亦即文字標示,應用在 PCB的單側或雙面,一般是使用環氧樹脂油漆塗
在網板上,然后再將其刷過網板使之印于 PCB的准確位置上,讓印刷與防焊層有
色差是非常重要的,防焊層一般為綠色,所以印刷顏色一般用白色,著色及黑色。
圖 絲印樣品。
印刷一般就決定了零件在 PCB上的位置,兩種不同的顏色可用于類似的 PCB,
以使人們能以顏色對其進行區別。當然,不同的印刷顏色也可用來區別產品的系
列,一般各種顏色並無成本區別,故可依白色的選擇而定,另外需記住的是印刷會
增加 PCB的成本,所以應首先決定有無必要一定使用印刷不要認為永遠須印刷,否
則只是浪費資金而已。
印刷棧路板(Printed Circuit Bourd Panel)
廠商并非制造 PCB單板,而是生產 PCB組,一張(塊)主板可再分成几塊 PCB,
當然這取決于 PCB的最終尺寸,通常基板的寸是 18"×24"、16"×21"、18"×21"、14"
×21"。基板均被標准化以適應制程之設備,如果 PCB的設計能充分利用基板大小,
盡量減少浪費,將可減少成本,要想做到高效的設計及最高品質的重要條件是了
解供應商的基板規格,大多數PCB不是PCB制造者設計,而是PCB的組裝者設計的。
因此你必須供應商的制程極限那么你有兩種選擇途徑: 一是直接提供設計圖樣
給供應商,請供應商將其依自已的基板狀況進行排布; 二是自行設計,但后一方
案不是最理想狀況,你將發現大多數的時候 PCB廠商將爾于代勞。建議向你的 PCB
供應商請教并請其提供詳細資料。
最近几年來有許多 PCB的裝配者已開始以套裝(同一基板上)的 PCB進行裝配,用
這樣成套方式可以對 PCB在不加夾持輸送治具狀況進行裝配,成套設計是依組裝
設計的輸送系統設計的,它需在套裝的外緣外加部分預留邊,一些輸送設備需要
至少 1英時的預留邊。
圖 絲印樣品。
在 PCB與預留之間有一鏤空的空隙,鏤空寬度要盡量小,以保持 PCB的既有強
度不致下凹變形影響制程。
表 即一成套 PCB組之樣品。
圖 成套 PCB樣品。
當 PCB完成裝配作業后,套裝之預留邊即需折除,當然,在去除預留邊時應盡
量小心不得損傷那樣靠近邊緣的 SMT零件,當然,預留邊在一系列諸如離子殘余
測試、鑽孔或其它必須的測試均會諸利用到。
REFERENCES:
,Thomas . "Liqlud Photoimageable Solder Mask
Technologies."Electronic Packaging and Production . June
1991, -56.
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, Jerry . "So Many Solder Masks ." Circuits Manufacturing ,
Feb . 1990 . -59.
, Ray ,Surface Mount Technology ,New York, Von Nostrand
Reinhold,1989.
4. 裝配設計(Desigring for Assembly)
術語:
分離接片(Breakaway Sogment)
由長、寬兩個方向將單片 PCB或成組 PCB加大以符合標准基板大小的部份。
分離接點(Breakaway Tabs)
將分離接片與 PCB或成組 PCB互連在一起的那部份材料,也叫折斷接點。
基准(點)(Fiducial)
PCB上的一個不圓點,用于視覺調整(對准)系統。
總基准(Fiducial Global)
PCB上用于確定所有墊焊位置的基准。
定位基准(Fidncial locate)
用以確定 PCB上某一焊墊位置的基准點。
基准點(Fiducial Target)
PCB上用于表明焊點位置或焊墊間位置關系的可量測標志。
完成孔尺寸(Finished Hole size)
客戶指定的 PCB上鑽孔或鍍孔后的最終尺寸。
助焊劑(Flux)
用以卻系氧化物及臟物以助金屬沾錫的一種物料。
焊墊(Land Pattern)
PCB用以放置表面黏著零件及焊錫的表面。
工具(加工)孔 (Tooling Hole)
用于主便做 PCB定位或成組加工或測試的非電鍍孔。
簡述
本單將焦點置於產品可加工性的重點,並將回顧零件的選擇、包裝及零件的
布置,焊點及孔的尺寸,導線尺寸及切割,除此之外還有 PCB及其成組的設計。
什么是制程的加工性?
制程設計提到 PCB裝配中應做到問題最少及提高其良率,它將直接影響生產
或制程的复雜性及專用性。設計工程及制程工程師應盡量減少制程變異的問題發
生,例如: 一些制程的據變如制程合並,專用(特殊)零件,特殊夾具等等,這些均會
影響產品的生產性。制程設計是一門藝術,它需制程各段付出心艱辛的魯力。在
當今激烈的競爭環境中,制程之設計同樣可体現優勝劣汰原則。
零件的選擇(Component selection)
零件的選擇在 PCB裝配的生產過程中扮演著重要的角色。設計工程師/零件
工程師的首選是可容易獲取的標準件及標準包裝,最下策是選用特殊零件及包裝。
一旦某零件經過選定,則可利用下列原則去確定與其相配者:
1.包裝方式 ---- 盡量使用業界的標準方式(例如:卷帶式成型膠盤等)。
2.尺寸方面 ---- 顯然應配合現有的裝著設備。
3.接點裝況 ---- 建議選用錫鉛合金者。
4.清潔度 ---- 必須符合當前及未來的需求。
5.熱效應 ---- 必須滿足制程的要求。
表面黏著零件有許多規格及尺寸,故選擇的準則是異常關鍵的。事前確定選
擇原則對於符合業界標準將是很有利的。它將使零件很容易與設備相容且零件亦
於取得,進而降低零件及生產成本,舉例來看:如電阻、電容,一般用
1210/1206/0603;電晶体則宜用 SOT23、SOT89、SOT143或 DPAK式;集体電路如可
能的話應避免用 J型腳而應用鷗翼型者,否則將給檢驗及重工帶來困難。多數時
後同種零件存在幾種包裝方式,下表是針對 PLCC超過 68PIN者、MELF零件、平
腳零件及無腳陶瓷晶片式封裝的零件(LCCC)及腳距小於 (")的零件
之可能包裝方式的說明。
零件包裝 (component pudeaging)
使用的零件與裝著設備的相容性是非常重要的。
零件間距 (component spacing)
零件間距是影響裝著、迴流焊、清洗、檢驗及重工的重要因素。
表 及表 是推薦的零件間距。
表 是最常用的表面黏著零件。
這些準則可能隨使用之設備狀況而變化,但其可滿足絕大多數的制程需求。
根據零件的類型及定位狀況,此間距可定義為焊墊到焊墊,焊墊到零件本体或零
件的本体間距。
例如: sop之間的距離有多近?在表 中的 c欄中可找到它,然後在表
中由 z、y兩個方向對查可知,其合適的尺寸應為 "。
表 零件類型。
表 零件間距 -- 焊墊間,焊墊到本体間均為英時。
零件布置 (Component Layout)
表面黏著零件可以被裝著於 PCB的兩面,任何嘗試均為將零件裝著於 PCB的
某一面上。如此排布是生產扶持、測試性的最佳狀況,亦能獲至最高的良率,如非
如此,則兩面裝著需嚴守以下需求原則。
主面(零件面)零件:
1.方型晶片及圖型零件:
例如: 0603,0805,1206,1210,1812,1825,2513,2817,MLL34,MLL41;
2.主動零件(組件):
例如: SOT23,SOT89,SOT143,DPAK;
3.集体電路:
例如: SOIC,SOLIC,SOMIC,SOJIC,PLCC,BQFP,QFP,CQFP,CLCC;
焊墊及尺寸
電鍍通孔一般用於導線(体)的內、外部互聯。一般是用多點鑽進行加工,最
常用的孔徑是 (")左右,但多數公司的加工孔徑低於
("),有些甚至低於 ("),這樣一來(aspect ratio)方
向比就成了問題。為此,一些公司正常試將電鍍通孔置於 PCB的焊墊上,但是,直
接以熔錫從焊墊注入 PTH孔,由於可能導致焊錫不足,故一次高良率不容易獲得,
將 PTH孔置於集成塊下面亦有些小問題,特別是在"免洗制程"中,應注意助焊劑的
殘留,那些靠近板邊緣的導通孔會因輸送帶阻擋,故在經過波峰焊時可能會上錫
不足。
表 是穿孔零件之配合孔狀況,它反映了 PAP的加工流程。
表 是穿孔零件的孔徑狀況。
導線尺寸及編排
最近幾年,PCB業界在導線寬度及線距方面有了巨大的變化,在 80年代中
期,"(10/10)的線寬及線距被確認為是已發展到極限,而 SMT卻將
"(8/8)都變成為平常事,目前的標準是 "(5/5)的水平,一般對線寬、
線距選擇作如下建議: 盡可能用 10/10者,如線須通過集成塊之焊墊,則可選 8/8
者(例如: SOIC,PLCC等)盡可能避免用低於 8/8者。
PCB及成套設計
應 SMT設備的要求,應制作一份相應的 PCB成套尺寸表,它應可滿足設備的限
制及生產需求,除長度以外,寬度亦同。這些資訊可供設備工程師確認 PCB在 SMT
設備上的可用性作參考。定位孔通常有兩種尺: (")和 4mm("),
一般需有 2個工具定位孔,並且應該同軸大部分的設備的定位銷在前面,但仍有
些供應商將其至於後端。
如在 PCB的制程中需用到加強片,則應預留至少 (")的邊,該預留
邊緣須遠離所有的導線、焊墊及零件。部分 PCB有制成預留很小的 PCB,也因此
它們須以加強片維持強度。
基準
在有視覺能力的 SMT設備上,所有 PCB均需有基準點,這些基準點的使用可使
制程中零件在 PCB上的裝著更為精確(位置),PCB上有兩種基準點,一為總基準點
(針對整片 PCB),另一種則是區域基準點(針對零件)。但實際的形狀及尺寸仍需
依據供應者設備作改變。區域基準點多用於精細間距零件的裝著,一些 SMT設備
適宜將基準點均置於精細間距的零件側,而另一些設備,則是將一個基準點置於
焊墊中心,而另一個就置於焊墊一側。
位於焊墊側的基準點可供超過一個的零件裝著用,建議依據設備供應商的看
法進行選擇,一般不會將兩個基準點置於 PCB的某一角。將兩個基準點置於 PCB
需同時做直線及旋轉運動時為使之能精確定位,則一些制造者亦采用三個基準點
的方式,並且這些基準點呈三角形分布且與其周圍的焊墊盡量遠離。在成套 PCB
組板上臨時的基準點的設置除 PCB某一角外,尚有在基板上的。
圖 是"表面黏著設備制造者協會"關於基準標示的標準。基準點的形狀是
一個實心圓,基準點的最小尺寸是 ("),最大尺寸是 3mm("),而
同一 PCB上的基準點尺寸差不能超過 (")。
圖 SMEMA的基準點標準。
在每個基準點的周圍必須有一圈不帶任何導線或標示的隔離帶,其半徑需是
基準點的辦徑兩倍,且與之同心。
在表面黏著技術設備制造者協會的標準里,基準點到 PCB或組裝板邊緣的距
離應小於 ("),與隔離帶的和。基準點可裸露,亦可為銅箔覆蓋,亦可
以錫、錫/鉛合金電鍍進行覆蓋,還可用諸如鎳等金屬。理想的基準點的情形是基
準點與其周圍的 PCB基材應有較大的反差(顏色),基準點的表面度至少應為
(")以上。
其它設計細節(Miscellaneous Design Details)
為避送輸送帶開關誤判,則線上的傳感器至少應大於 (")。
PCB或組套式設計的折斷邊的折斷點應在大約每個 到 ("
到")間就有一個以保證整塊板的強度,如有要求,則可保留該寬度的邊緣以保
證 PCB可順利經過波峰焊,迴流焊等過程。折斷點也有幾種形式例如:可在接點處
以中心距為 (")鑽上一排長達 (")的小孔,以確保折斷
可干淨利落地完成。
任何一塊 PCB或組板的邊緣均需倒角,建議使用銑刀的半徑是
(")或 45°角的,這樣有助於 PCB及組板置於輸送帶上運動及適宜各
種裝配設備的要求。
REFERENCES:
1. ANSI/IPC-S-815B . “ General Requirements for Soldering
Electronic
Interconnection .” IPC , Lincolnwood , IL .
2. Coombs, Clyde . Printed Circuit Handbook . New York: McGraw Hill ,
2nd ed, 1979
3. IPC-SM-782. “Surface Mount Land Patterns: Configurations and
Design Rules.” IPC , Lincolnwood , IL , March 1987.
4. Prasad , Ray . Surface Mount Technology . New York : Van Nostrand
Reinhold , 1989.
5. SMEMA Standard Fiducial Mark Standard .
6. SMEMA Mechanical Equipment Interface Standard .
5.焊接材料及相關問題
術語:
活化劑(Aetivator)
助焊劑中一種用以增強其養化物及髒污能力的化制劑。
合金(Alloy)
一種由兩種或更多金屬合成的材料。
擴散(Diffusion)
在焊接過程中,熔融金屬焊錫合金在基材表面的擴展狀況稱之。
共晶体(Eutectic alloy)
合金組成金屬的最低熔化溫度,且兩種金屬能在此溫度共熔的合金物(未經
塑化范圍)。
助焊劑(Flux)
用於去除待焊表面之養化物及髒污,以協助更好地焊接的化學制劑。
金屬間化合層(Intermetallic Layer)
由錫鉛與銅形成的層間化合物。
溶解(Leaching)
在液態下將某種金屬熔於某一液態金屬中,在 SMT中則是將某貴重金屬溶解
於錫鉛合金之中。
液相線(Liquidus)
合金的溶化溫度,若是非共晶体則為最高的塑化溫度。
非共晶化合金(Noneutectic Alloy)
熔化溫度是一個范圍的合金,其熔化溫度的變化范圍可用幾度到 30℃。
泊松(POISE)
同液体黏度一致的釐米-克-秒制的黏度單位,表示以一達因的力在液体中以
1cm/秒的速度分離平行兩塊板至其包容面積為 1c㎡.
A centimeter-gram-second unit of viscoaty equal to the viscocity
of a fluid that would require a shearing force of one dgne to more a
square-centimeter area of either of two parallel lagers of flaid one
centimeter apart with a velcity of one centimeter per second relative
to the other lager with the spc a between the lagers being filled
with a fluid.
焊錫(Solder)
熔點低於 450℃(842°F),用於連接兩個或多個基材金屬表面的合金。
錫膏(Solder Paste)
一種混合了焊接用之合金粉末及助焊劑的膏狀物。
焊接(Soldering)
利用焊錫將兩個或更多相同或不相同基材表面牢固連接在一起的過程。
凝固線(Solidus)
即合金的凝固溫度,也即共晶合金塑化的最低溫度。
表面黏著性(Surface mount adhesive)
一般指用壓克力或環氧樹脂在 PCB上黏著表面黏著零件的狀況。
附形劑(Vehicle)
一種在助焊劑或錫膏中擔當介質的化學成份。
黏(性)度 (Viscosity)
液狀物的可抗拒重力所致變形流動的特性。
The property of a flaid that enables it to develop and maintain
an amownt of shearing stress dependent upon the velosity of flow and
then to offer continned resisfanee to flow;or the tatio of the
fangential frictional force per unit area to the velocity gradient
porpondicalor to the directier of flow of the fluid.
熱塑性(Thermoplastic)
塑膠或黏膠之分子非死鏈結構,可再次軟化的特性。
熱固性(Thermoset)
分子以互連鍵連接的塑膠或黏膠,再次加熱不可軟化的特性。
序論
本章將討論 SMT裝配制程中用到的各種物料,包括黏膠、助焊劑、焊錫及錫
膏。本章的最後一節將討論焊接基礎,適當的選擇使用及管控這些物料是成功完
成 SMT裝配所必須的。
表面黏著用黏膠(SURFACE MONRT ADHESIVES)
單成份黏膠由於有很長的工作壽命故一般較為業界接受,有兩種絕緣黏膠較
為常用: 一種是丙稀酸的(Acrylics),另一種是環氧樹脂的,其中丙烯酸為熱塑
性而環氧樹脂形則為熱固性,兩者在室溫下可提昇到6個月(依據供應商建議的保
存溫度),黏膠的玻化溫度是一個重要特性要求,過高的玻化溫度將給重工帶來較
大的困擾,一般丙烯酸的玻化溫度是 120℃(248°F)一些環氧樹脂則是 200℃(392
°F),在實際使用中應依據要求慎加選擇。
丙烯酸型黏膠可用 UV光或加熱進行固化,但必須是經 UV光直射(避免陰影效
應),當然加熱亦可令黏膠完全固化,而環氧樹脂型黏膠則是用加熱方式進行固化
的。固化作業應由黏膠供應商提供建議,他們將樂此不疲地配合,可用于黏膠固化
作業的設備將於 節討論。當黏膠的固化狀況良好時不要輕易提高 PCB(環氧
樹脂加玻縴)的溫度,一般建議在 125℃(257°F)左右。
黏膠須在固化前及固化過程中保證良好的浸潤性以固持零件,其黏性以泊為
單位,一般為釐-泊(CPS),可於 30,000CPS到 300,000CPS間調配以供鋼板印刷使
用。如何量測黏度是非常重要的,因為不同的設備會得出不同的結果,一般應注意
測量儀器的種類是液体比重計,RPM型( ? ),現測時間及黏度測量,(例如: for
example , Brookfield HBT Helipath,TF,,2minutes 25℃ (?) °f)最好
是在 25±5℃及低於 65%的濕度環境下可獲至最佳的印刷效果。
黏膠與防焊塗層的色差對印刷後的檢查非常有利,一般選用紅色或黃色。
更詳盡的資料可參閱 IPC-SM-81) "General Requiements for Surface
Mount Aolhesive" 表面黏膠的通用要求。
Soldering Flux 助焊劑
助焊劑 一種化學制劑,主要有兩大功能: 一是清除金屬表面的氧化物及其
他的贓污,使待焊面可焊性提高,再者則是保護已清潔過的待焊面在完全焊接前
不致再次氧化。一般助焊劑的選擇應依據產品的最終使用要求作決定(是消費型
還是高信賴型產品)及待焊表面狀況(是錫、錫鉛還是銅箔等等),還有制程(是迴
流焊還是波峰焊),助焊劑有兩個矛盾的功能: 在市溫下它是墮性的,但在焊接溫
度下則顯得很活躍。
助焊劑的分類 (Flux Classification)
目前大致有四類助焊劑: 松香型(R. RMA. RA,RSA), 水溶性型(WS),化學活
性劑性(SA)及低固態物型(LS),也可稱為免洗型(詳見 節)表 顯示了此
四種助焊劑在制程中的焊接性。一般而言,本表可提供這些助焊劑的最低活性,簡
單地說,當 R型、RMA及 LS型助焊劑必須使金屬面焊接良好,那么如 RA、RSA、WS
及 SA型使因其較強的活性較易清除待焊金屬面的氧化物及髒污而存在一個較大
的產品可靠性隱患就是它可直接導致產品腐蝕,所以清洗變得非常重要,對助焊
劑性能及活性層次的了解有助於選用助焊劑。一般助焊劑中的活化劑是齒化物
(氯化物或溴化物)或者有機酸。
一些業界及政府組織已建立了助焊劑的化學分類方法,最重要的是這些規格
是非軍方的,如 IPC-SF-818," General Requirements for Electronie
Soldering Fluxes ( ANSI/J-STD-004 will supersede IPC-CF-818)"該規格的
分類依據是明確按助焊劑的活性測試及表面接觸電阻的測試進行的。
助焊劑的活性分為低、中、高活性三種,(TYPEL, TYPEM,TYPEH)是依據如下
三種測試結果定出的,銅鏡實驗、鉻銀法及腐蝕法。銅鏡測試是用以評估助焊劑
去除銅箔上的薄層沉積銅的能力。而鉻銀試紙法則用來確定助焊劑內的氯化物及
溴化物的狀況,而腐蝕法則是測試在荷嚴(惡劣)環境下助焊劑的腐蝕性。例如 L
型助焊劑是 R及 LS型助焊劑,大多數 RMA型助焊劑及一些 RA及 WS助焊劑。而 M
型助焊劑是一些 RMA, WS及 SA助焊劑或大多數 RA助焊劑。至於 H型助焊劑則是
一些 WS及 SA型助焊劑及所有的 RSA型助焊劑。
表 FLUX PROCESS WINDOW
表面接觸電阻測試用表面接觸電阻來衡量 PCB表面助焊劑的殘留,共分三級
(1、2、3),第 1、2級是在 50℃(122°F)及 90%的相對濕度條件下貯存 7天,或者
是在 85℃(185°F)及 85%的相對濕度條件下貯存 7天(此為第 3級)。助焊劑的殘
留其表面接觸電阻應至少 100北歐,以確定清潔與否并依據進行助焊劑分級。
L3CN是一種典型的 RMA型助焊劑,其(L3CN)的含義是低活性不需清洗的免洗型 3
級 SIR助焊劑。對於助焊劑活性的變化應備加關注,因其可能使一種助焊劑變成
另一種,雖然這兩種助焊劑有同樣的業界命名,如 RMA。
詳細資訊請參閱 IPC-SF-818,"General Requirements for Electronic
Soldering Fluxes" (ANSI/J-STD-004 will supersede IPC-SF-818)"另外一種
助焊劑規格是貝爾公司(Bellcore)的TA-NWT 000078通訊產品及設備的一般物理
性能設計要求"General Pagsical Desigr Reqinwemwnt for
Felecomommunication Prodnats and egnipment" 本規格僅用於通訊業。
助焊劑群組 (Flux Groups)
松香型助焊劑均添加有活化劑,RMA型是最常用的型號,RMA有溫和的活性水
準及適宜於大多數的焊接制程,大多數的 RMA型助焊劑在焊接後均不具腐蝕性及
導電性。難於焊接的材料需要使用活性較大的 RA及 RSA型助焊劑,松香具備以下
值得注意的特性,最重要的屬性是作為媒質,同時又是良好的絕緣体,並可產生膠
囊效果,阻絕活性劑的揮發,依據運用需求 R型及 RMA型應可從 PCA上清除或遺留
於 PCA上。但對於 RA及 RSA在焊接後則必須進行殘留物的清洗。
水洗或溶劑清洗是最常用的方式,絕大多數水溶性助焊劑的活性均強過 RMA
型。因此,水溶性助焊劑可提昇較難焊接材料表面的焊錫性。水溶性助焊劑亦稱
為有機酸助焊劑(0A Flux)。但亦有一些水溶性助焊劑不用有機溶酸做溶劑,所以
在焊接後必須對其進行清洗。
化學合成活性的助焊劑是用於 CFC溶劑清洗用。這些助焊劑通常具有較強的
腐蝕性,所以在焊接後必須對 PCA進行清洗,自從 CFC型被逐步淘汰,導致 SA型助
焊劑亦逐步被淘汰。
基於清潔的原因,業界正關注低固態型助焊劑,低固態物型助焊劑是為殘留
物為非腐蝕性而設計的,然而,作為活性劑的固形物若為最少,則會引發焊接性的
顧慮。所以,在使用低固形物型助焊劑時,應特別注意零件及 PCB的焊錫性,另外,
環境狀況的控制亦很重要。
助焊劑的活化 (Flux Activation)
助焊劑在制程中的作用受兩個主要因素影響,徹底清除氧化物必須嚴密控制
其活化溫度及活話時間。最常見的錯誤是一味單純使用時間/溫度曲線,致使活性
劑太快揮發,這種狀況最容易發生在迴流焊過程中,在另一方面,活化時間應足夠
長,以使助焊劑可以充分去除 PCB,零件腳上及迴流焊罩內的氧化物粉末,理論上
對於迴流焊,活化劑的最後揮發時,即為錫膏的金屬化時點。一般認為可接受的活
化時間是從 30秒到 120秒之間。對於標準的錫鉛焊接用助焊劑一般活化溫度為
110℃到 120℃(230°F到 248°F)。關於這點可向供應商查詢,以獲取其更詳盡的
資料。
錫膏助焊劑 (Solder Paste Flux)
錫膏里的助焊劑是一種化學制劑,該化學制劑又可分為 4種主要元素,媒介
質(松香/樹脂)、活性劑、溶劑以及流動控制劑,松香/樹脂不是天然就是化合物
均是用以控制黏性,防止印刷外形下塌以確保輪廓完整,它們亦可增強助焊劑的
活性,溶劑可以溶解松香、樹脂及活性劑。流動控制劑主要功用在於令錫膏中的
錫鉛粉末易於由混合物中分離。
焊接 (Solder)
焊接主要是提供電子零件與 PCB之間的機械及電氣連接。表面黏著方式的連
接是因所有零件均是因所有零件均是靠零件附貼於 PCB而得名,正如與其對應的
插入技術是因需將零件腳插入 PCB以提供機械強度而得名一樣,表面黏著接點的
強度及可靠性與焊墊的設計直接相關。
焊錫合金過去用於電子裝配諸如軟合金或軟焊接等,這些合金的溶化溫度低
於 450℃(842°F)。在焊錫合金中較為活躍的金屬是錫。其主要功能是可提昇焊
錫浸潤能力(沾錫性),在焊接過程中,錫可與大多數的基材金屬發生反應,這就導
致介面合金的形成,這些合金屬很硬較脆。焊錫與基材金屬可能形成一元、二元
或三元的合金,一元者如錫,二元者如錫/鉛,而三元者則如錫/鉛/銀。
軟錫的機械強度較溶化溫度較高的金屬為差,當軟錫須使金屬易於浸潤作用
不幸的是,軟錫的流動性在較低溫時並不是很好,在制程中,當焊錫須令兩種相似
或某些金屬表面發生浸潤沾錫時,焊錫無需基材金屬溶化,而只要焊接金屬溶化
即可,在 節中,將回顧焊接過程的基礎知識。金相圖中,包含了已發展出來的
所有常用焊接合金,並解釋各種合金或金屬的特性。在<<焊錫與焊接>>(Solder
and Soldering) HOWARD MANKO著一書中,可看到有關錫鉛金相圖的完美解釋。
焊錫合金在自然界中有共晶及非共晶之分。共晶錫只有一種因為它只有一個
金屬溶點,並且溶化溫度是所有合金中最低的,這是一個較其它合金好的特性,因
為非共晶合金均有一個塑化的溫度區間,這將可能使合金在此區間受到震動或擾
動影響;並且它可允許以最低的溫度進行焊接。例如,以錫/鉛為主的電氣焊接錫
的溶化溫度是 231℃(448°F),而鉛的溶化溫度為 327℃(621°F),但是合金比為
63/37(tim/lead)的共晶合金,其溶化溫度卻只有 183℃(361°f),這是在錫/鉛合
金比較低的溶化溫度。另外,一種較常用的錫鉛合金是 60/40(錫/鉛),這是一種
非共晶混合物,它的溶化溫度是 189℃(372°F),固化溫度是 183℃(361°F),故其
塑化區間只有 6℃(11°F)。
波峰焊接合金 (Ware Soldering Alloys)
正如前面所提及焊錫合金在焊錫過程中一般均會選擇共晶合金及近共晶混
合物,故而 63sn/37pb及 60sn/40pb成為波峰焊接的專用合金。關於這些合金的
相關特性現介紹如下:
最為常用的焊錫合金是 63sn/37pb,它具有與銅、鎳及錫/鉛表焊接的良好機
械、電氣及熱效應特性,如上節所說,它的共晶溶點是 183℃(361°F),故其塑化區
間只有 6℃(11°F)。
60sn/40pb也可用於 63sn/37pb的使用區域,但其僅為近共晶混合物,故並未
知 63sn/37pb一般普及,其液化溫度為 189℃(372°F),固化溫度是 183℃(361°F)。
焊錫槽的溫度范圍是 240℃到 260℃(464°F到 500°F),但較低的溫度使得預
熱成為必須,在低於 240℃(464°F)的情況下,溶錫的流動性將受到影響並且須用
泵浦輔助流動,并且較低的溫度還助長了氧化物的產生。
焊錫的污染是一大顧慮,在 ANSI/J-STD-006"軟錫合金的通常要求及測試方
法(General Requirements and test methosd for soft solder allogs)" (類
似先前的 QQ-S-571)中,描敘了可容許的焊錫合金的規格。在焊錫中,銅及鉛的污
染水準是須嚴加管控的,它們的規格分別是低於 %(鉛)和 %(銅),因為它
們將降低焊點的品質,焊槽的污染原因是同一槽的多次重復使用,一個良好的預
防措施是依據 ANSI/J-STD-006或 QQ-S-571,每月對錫進行一次化驗評估。
迴流焊錫合金 (Reflow Soldering Allogs)
如波峰焊一樣,共晶焊錫或近共晶合金亦常為迴流焊之首選。63sn/37pb及
62sn/36pb/2ag(tin/lead/silver)為迴流焊制程的最常用焊錫合金。有關上敘及
其他焊錫合金的資訊現介紹如下:
63sn/37pb,此為最常用的錫膏用焊錫合金。當其與銅、鎳及錫和錫銅表面焊
接時,可具備最佳的機械、電氣及熱效應性能。本共晶合金的液化溫度為 183℃,
故其迴流焊的溫度范圍是 208℃到 223℃(406°F到 433°F)。
63sn/36pb/2Ag(tin/lead/silver)組成的合金用於焊接面單方或雙方均含
銀的制程中,添加的 2%銀將有助於限制銀的擴散及迴焊過程中緩解強度的減弱,
可適用於銅、鎳、錫及錫/鉛等的焊接。本近共晶合金的液化溫度是 179℃到 189
℃(345°F到 372°F)。(真證的共晶合金實際上是 迴流
焊的工作溫度是 204℃到 229℃(399°F到 444°F)。
60sn/40pb亦可適用於 63sn/37pb的運用環境,但由於其僅為近共晶合金,故
其普遍性及有效性並無 63sn/37pb那段良好,其液化溫度是 183℃到 189℃(361°
F到 372°F),故其迴流溫度范圍為 208℃到 223℃(406°F到 433°F)。
當需進行較特殊的焊接時,可考慮使用其它的一些焊錫合金,低溫的焊錫合
金通常會加入鉍或者銦,例如: 43sn/43pb/14Bi或 50sn/50in。高溫的焊錫合金
通常會加入高份額的鉛,例如:10sn/90pb。
下面四個特性是使用焊錫時必須清礎了解的: 熔化溫度;迴流溫度;(time
above melting temperatwre)超熔時間及冷卻率。
迴流溫度一般認為是最低熔點上 25℃到 40℃(77°F到 104°)之間,達到本溫
度要求對於徹底地使底材金屬表面濕化是非常重要的; 超熔溫度的維護時間通
常是 20到 60秒,它對焊錫使基材金屬面徹底濕化至關重要。
冷卻率則會影響焊點的強度及完整性,一般而言良好正常的冷卻可獲至光潔
精細的焊點,此類焊點不僅強度好,而且可靠性高,一般認為 1-2℃/秒(°
F/秒)為正常值,但也有冷卻率是 5℃/秒(9°F/秒)的先例。
有關錫膏合金之更詳盡資訊可參考IPC-SF-819"電氣級錫膏的一般要求及測
試方法"(General Requirements and test methods for electronic Grade
solder paste) (已為 ANSI/J-STD-005取代)。
錫膏 (Solder Paste)
雖然錫膏以於業界使用了 30年,但相對於大多數制造者而言,它仍是一種新
的物料,錫膏一般由以下五種物料混合而成: 金屬粉末,固錫劑(松香/樹脂),活性
劑,溶劑及流性控制劑。IPC-SP-819"電氣級錫膏的一般要求及測試方法
"(General requirements and test methods for electronic grade solder
paste) (已為 ANSI/J-STD-005取代),可提供更詳盡之訊息。
錫膏的特性 (Solder Paste Characteristics)
錫膏有較好的可變性(多重性能),以適應印刷制程,它們包括黏性、滑動性、
黏接性保持時間,黏性失敗之允許嚗露時間,金屬微粒有分含量,粒度及型狀。
過去通常由使用者指明錫膏的黏度,金屬粉末的百分含量及型狀,但是,現今的供
應商可提供產品特性的詳盡描述,以供使用者依據印刷的需求提出修正意見。
黏度是非常重要的錫膏指標,也是很容易被誤解的,至少在量測時如此,黏度
以泊為單位來衡量,也常以百分之几泊或千分之几泊來衡量。黏度的量測有兩種
黏度計供選用,Brookfield式及 malcom式,其中 Brookfield式被認為是業界的
標準量具,而 malcom式則用于測試動態黏度,其方式區別于 Brookfield方式,也
就是說 malcom是在測試在剪切狀況下的黏度,即因印刷時錫膏穿過鋼板時的黏
度。雖然方向關系復雜,Brookfield黏度大致是 malcom黏度的 3倍,(換句話說
900,00CPS的 Brookfield相當于 300,00CPS的 malcom黏度),在測量黏度前先將
錫膏穩定于 25℃(77°F)狀況至少 2小時,是非常重要的,黏度的測試值應該在供
應商提供之數值±10%以內,當對黏度有特殊要求時需明確提出黏度值的大小,因
為不同的設備對黏度的需求不同,一般應注意黏度、設備型號、主軸型式(SPINDLE
TYPE),每分鍾轉數、讀數時間、膠化溫度等。例如: 950,000釐泊,設備型號是
Brookfield RVTD螺旋槽,TF臨時固定型主軸,每分鍾 5轉,讀數時間是 2分鍾,膠
化溫度是 25℃(77°F),依據供應商的建議進行黏度的測試是明智之舉。一般網板
印刷的黏度要求範圍是500,000釐泊到1300,000釐泊,印刷期間錫膏應保持在25
±5℃(77°F)間,因為每 1℃的變化,可能會損失 10,000到 20,000釐泊的黏度。
錫膏塌陷是其不能保持印刷形狀的結果,也可看成是錫膏塊在長、寬、高方
向的損失變化,塌陷又可進一步分為冷塌陷及熱塌陷,冷塌陷發生于室溫狀況,而
熱塌陷發生于迴流焊過程。
熱塌陷在兩種狀況中較易導致異常,若溢錫令焊點搭橋短路,黏性保持時間
亦是黏著制程的重要困素也是印刷制程的重點,如果其黏度性不佳,則會影響其
與焊熱的黏著強度,業界有數種測試黏著性的方法它們的基本原理均是將一個簡
單的零件放置在錫膏上,然后將其反轉,并記錄下直至零件掉下的時間長短,以作
測試,一些較復雜的測試方法亦由此原理發展而來。
金屬的百分含量直接影響錫膏的黏度,在可印刷型錫膏中金屬的含量從
85%-92%不等,而最常見的含量是在 88%到 90%之間為一般印刷用之錫膏中金屬之
含量。
金屬粒的型狀可影響印刷性及氧化控制,球型是最好的微粒形狀,因為它的
表面積最小,并且球型也更利于穿過鋼板或網板,也正由于其表面積最小,故更其
可被氧化的部份極極為有限,依據 IPC-SP-819要求所有的金屬粒的長寬比為 2
到 1之間,如些小量的異常對印刷及迴流焊制程并無多大影響,圖 是良好的球
型金屬微粒狀況。
圖 良好的錫膏金屬粒.
依據 IPC-SP-819,錫膏的金屬微粒分為 4組尺寸,這種分組法的基礎的泰勒
標準濾網,表 是 4種類型的狀況。
表 IPC-SP-819金屬粒尺寸分級。
1型是最不常用的,因其尺寸太小,2型是最為常用的微粒尺寸,它可適用于
除 Fine-Pish(精細間距)外的所有埸合,而 3、4型則是專用 Fine-Pitch場合,一
種常用的金屬微粒標示方法是直接標出微粒尺寸,它區別于以 IPC方式用網篩尺
寸表示分級狀況,故 2型金屬微粒亦稱: -200(75微米, 注 1微米=10
米)+325(45微米)負號表示微粒可通過該型網篩,而正號則表示不可通過,通常這
種標示也表明至少有 80%的粒子尺寸介于 75和 45微米之間(指 2型而言)。
如果錫膏選擇正確,黏度、癱塌、黏性保持時間及嚗露時間,金屬含量,粒度
及微粒型狀受到良好控制的話,將可獲至良好的錫膏印,刷效果。
焊接的基礎知識 (Soldering Basics)
關于焊接的過程有几個基本的組成部份應清楚地了解。本節不打算對焊接做
細節的解釋說明。它只是對焊接的一個簡述,電氣焊接是將兩種近似或非近似的
金屬(如零件腳或 PCB的焊墊),用軟合金黏接在一起,以形成電氣或機械接觸面。
焊接的一個重要現象是濕化(浸潤)現象,也就是熔化的焊錫在基材金屬表面
的擴散狀況,在定義中,濕化(浸潤)及良好的合金形成,而金屬間化合層形成狀況
則可正面提昇焊點的可靠性,或是影響焊接性及可靠性。
濕化(浸潤)的一個重要表征就是接觸角,也就是熔錫與金屬基材之間的夾角。
若為很小的夾角,則表示濕化(浸潤)良好,90°及小于 90°的接觸角是允收的,而大
于 90°的接觸角則是拒收的,圖 列舉了三種情形,分別是小于、等于及大于 90
°的情形,而圖 則是關于方形的電阻、電容零件的濕化關況圖示。
圖 焊錫接觸角.
圖 帶零件的焊錫接觸角.
一般關于焊錫的浸潤問題可分為非濕化及次濕化。非濕化就是焊錫完成未擴
散并未與基材金屬中表面連接,次濕化則是指焊錫未充分于基材金屬表面擴散及
連接狀況。對于非濕化的判定是容易的,而要正確判定次濕化的允收要困難得多。
非濕化,次濕化的原因無非就是表面氧化及表面臟污或金屬間化合物的問題,
如果金屬表面的氧化物或臟污太多,至使助焊劑無法完全去除,就將導致焊錫的
充分與基材金屬表面濕化,如果覆蓋焊錫層太薄,則將導致制程中嚗露出錫與基
材間的合金屬層,而該合金層的可焊性是很差的,基至無法上錫,所以,對于覆蓋
基材金屬上金屬間合金層的錫應至少有 300微英時。
零件的表面處理 (Component Surface Finicw)
零件腳一般由銅或銅合金制成,而另一些合金如鐵鎳鈷合金(KOVAR 53%鐵,
29%鈷), 或鋁 42(42%鎳, 58%鐵),也較為常用。銅之所以較常用是因為它的熱傳
導性,另外,鐵鈷鎳合金鋁42的延展性也比銅要差,特別是在成型"J"型腳時,表現
更甚。
另外,但是低效的一種方法也可防止銀的濾析出,不過它僅用于迴流焊制程,
一般錫膏合金中含有約 2%的銀(62Sn/36Pb/2Ag)可代替代標準的 63Sn/37Pb型合
金,由于錫與銀同族使銀可與錫膏柔和,并且不僅使用于端接點。
零組件的沾錫性試驗有助于防止制程中發生焊錫問
題,ANSI/J-STD-0003"Component Solderability Test Methods"(零組件沾錫試
驗方法),可作為專業參考。
圖 浸潤平衡測試系統。
底材產表面處理(SUBSTRATE SURFACE FINISH)
PCB的表面涂覆可用電鍍、沉積或熱涂覆,電鍍式表面處理是將錫鉛鍍在銅
墊上然後用紅外線或熱油槽令其沉積下來。熱涂覆是利用水平或垂直的熱空氣平
穩運動系統。HAL(平穩運動系統)制程可產生一不大平滑均勻的處理表面,此一狀
況又可能增加沾錫性問題,這可能也是平面度的問題,對於任一方案,涂覆之錫/
鉛厚度至少應有 300微時以保障良好沾錫性的長期保持。
REFERENCE
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Softsolder Alloys" IPC Lincolnwood, IL Dctober 1992.
2. HWANG Jennies Solder Paste in Electromics Packaging New York :
Van Nostrand Reinhold 1989.
3. IPC-SF-818 "General Requirements for electronic soldering fluxes”
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Grade Solder Paste IPC Lincolnwood, IL October 1988.
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6. Johnson , Colin C . Solder Paste Technology-Principles and
Applications . Blue Ridge Summit ,PA TAB Books, 1989.
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Relationships to Lead Finish Surface Mount Technology. June 1994, PP.
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New York: Van Nostrand Reinhold, 1989.
, Mike. "Component Solderability." Circuits Assembly,
March 1991, PP34-42.
6.黏膠及錫膏的運用方法
術語:
切口(APERTURE)
在絲網或鋼板上的開口.
剛性刮刀(FIXED SQUEEGEE)
水平固定在基座上的刮刀.
柔性銅(模)板(FLEXIBLE STENCIL)
用金屬絲網張結固定的鋼(模)板.
浮動刮刀(FLOATING SQUEEGEE)
附著在一個浮動機構上的刮刀,可于印刷過程中隨 PCB的外形起伏,調整刮
刀高度.
非接觸印刷(OFF-CONTACT)
一種絲網或鋼板與 PCB表面保持有一定距離的印刷狀況,僅刮刀令絲網與鋼
板和 PCB表面進行瞬間的接觸.
接觸印刷(ON-CONTACT)
在印刷過程中絲網或鋼板始終與 PCB接觸的印刷狀況.
絲網(SCREEN)
一種為塑膠板蓋的絲網,其上的切口與 PCB上的焊墊吻合,在印刷過程中,黏
膠或錫膏被擠過和些切口,并附著在 PCB的表面上.
間距(SNAP OFF)
在非接觸式印刷中,絲網或銅板的底面到 PCB 上表面間的距離.
刮刀(SQUEEGEE BLADE)
一種塑膠或金屬刀狀物用于促使(推擠)黏膠或錫膏通過絲網或鋼板.
鋼(模)板(STENCIL)
一種用黃銅或不鏽鋼以化學蝕刻方法制成切口與 PCB表面焊墊一致的薄片,
在印刷過程中,黏膠與錫膏便是通過這些切口黏于 PCB的表面.
序言
一般來說,將黏膠或錫膏置于 PCB上,有兩種方法: 印刷或點分法, 兩種方
法均是常用的,至于實際使用哪一種,則依使用者的實際需求而定。
表 是印刷及點分法使用時的要求及注意事項的匯總。柔性工具是可柔變
者,而剛性工具則是不可變的.
印刷及點膠常被忽視,此將是非常不幸的,因為它們對整個黏著制程的影響度遠
較其它制程為大,一般人均將注意力偏向黏著站及迴流站,但是印刷及點膠的變
異影響遠較其它制程大,如果不適當修正這些觀念,此兩個制程的影響可能導致
整個黏著制程完全失敗。本章將回顧絲網、鋼板的制造,刮刀、印刷系統,印刷方
法及制程參數,印刷制程之缺點,點膠設備及點膠制程的缺點.
印刷(PRINTING)
印刷是一個建立在流體力學下的制程,它可多次重復地保持,將定量的物料
(錫膏或黏膠)涂覆在 PCB的表面,一般來講,印刷制程是非常簡單的,PCB的上面
與絲網或鋼板保持一定距離(非接觸式)或完全貼住(接觸式),錫膏或黏膠在刮刀
的作用下流過絲網或鋼板的表面,并將其上的切口填滿,于是錫膏或黏膠便貼在
PCB的表面,最后,絲網或鋼板與 PCB分離,于是便留下由錫膏或黏膠組成的圖像
在 PCB上.
絲印,得名于油墨,膠,及錫膏印刷僅由絲網承擔的時期,現在錫膏的印刷大
多數均是使用鋼板,印刷制程一般與錫膏印刷聯系在一起,但是,該方法亦可成功
地運用于黏膠的印刷,當精細間距技術的出現更增加了印刷的復雜性,現在,印刷
制程及錫膏的制造正被推向極限.
絲網及鋼板的制造(SCREEN AND STENCIL FABRICATION)
框架(FRAMES)
框架是一種利用鑄造或擠壓成型的鋁型材,一般而言,框架的尺寸依要使用
的成型方法而定,鑄造法可良好用于小框架的制造,較大的框架鑄造有一定的困
難,大框架一般均是用擠壓成型的鋁型材焊接而成,鑄造成型的框架由于在鑄造
后經過機械加工,故而它是精細且尺寸准確的,而用型材焊接成型的框架較易變
形,故而僅使用于有機械夾持的印刷機構內.
表 印刷與點膠比較表
絲網是通過膠水將其與框架的底面張結在一起的,鋼板則是直接與框架粘接
或用多元酯或不鏽鋼網與框架粘接,如果是直接與框架粘接,則金屬箔便直接與
框架底面粘貼,若需用金屬網,則需將網粘于金屬箔的上面,然后與框架的底面黏
著,絲網的粘接方法類似于柔性鋼板的黏貼,但其特點是可將鋼板張緊并消除彎
曲變形,框架的黏貼準則如圖 (絲網)及圖 柔性(鋼板).
絲網(SCREENS)
絲網,如圖 所示,一般由可感光材料附在不鏽鋼絲網上組成,其上之切口
一般是由高強度的紫外線進行感光,而那些被工作底片蓋做的區域未曾感光,便
可被洗去,于是形成切口(縫隙).
金屬絲網網的有效命名法是在 1英時內擁有的網眼數及絲的尺寸大小,一種
有 80個網眼(一英時內)且線經為 (")的絲網是最為常用的,另外,
較為常用的是 60、120、150、180和 200眼的,而線經亦由 (")到
(")不等,近似的印刷厚度計算公式如下:
WT = (MT + ET) × (AO × PO)
圖 完整的絲網樣品,SCREEN-TOP VIEW 俯視圖.
reservoir area : 錫膏黏膠貯放區
emulsion pattern : 感光乳劑片
mesh : 絲網
fram : 框架
50mm minimum mesh border :
至少 50mm的網邊
50mm minimum : 至少 50mm
25mm mimimum emnlsion border : 至少 25mm的感光劑邊框
edge of emulsion : 感光劑邊緣
圖 完整的鋼板樣品,FLEXIBLE STENCIL-TOP VIEW 柔性鋼板俯視圖.
reservoir area : 錫膏黏膠貯存區
stencil pattern : 鋼板
mesh : 鋼板
50mm minimnm mesh border : 至少 50mm的網邊
50mm minimum pattern border : 至少 25mm的板邊
fram : 框架
圖 SECTION VIEVO COMPARING SCREEN AND STENCIL 絲網與鋼板的剖視圖
比較.
screen : 絲網 mesh : 金屬絲網
aperture : 切口,縫隙 emnlsion : 感光乳劑(片)
fram : 框架 adhesive bond line : 黏合線
stenal : 鋼板
此處 MT是金屬絲網的厚度,ET是感光片的厚度,AO是切口的面積,而 PO則是
開口面積中特定金屬絲線所占的百分比,有關金屬絲線之直徑,感光的厚度及開
口的面積可由絲網的提供者查詢.
將感先片附著于金屬絲網可用直接或間接的方法,直接法是將液態的感光片
直接涂在金屬絲網上,而間接法則是將固態并預活化感光片,在任何方法中,感光
均需完成,然后活化再感光定型,最后去除并洗去未感光的感光劑(片)/
大多數狀況下,由于鋼板的出現,絲網的使用情形逐步減少,至少在錫膏印刷
方面是如此,對于錫膏印刷,絲網最主要用于低級且少量而非精細間距技術的狀
況,當然,絲網目前仍可成功地進行黏膠的印刷,有關切口的設計細節可參考
(適用于黏膠)及 (適用于錫膏).
鋼板(stencil)
鋼板,如圖 所示,是一種用液體或干膜覆蓋于金屬薄片并蝕刻制成的金
屬板,覆蓋層除那些需蝕刻成切口的區域外,將金屬薄片完全蓋住,蝕刻后,再將
覆蓋層去除,將此金屬薄片直接粘接在框架上,稱為金屬鋼板,若是通過金屬絲網
與框架進行粘接,則稱為柔性鋼板,一般建議使用柔性鋼板的粘接方式,因為金屬
絲網可令鋼板在其牽引下變得平坦無彎曲.
鋼板一般由黃銅或不鏽鋼制成,早期使用黃銅是因其容易取得且易于蝕刻,但
是,黃銅因為其抗強度僅為 1b ,而顯得太軟,所以,黃銅制成的印刷模板
在制程中,取置及貯存時均易變形受損。而不鏽鋼,因其抗強度為 1b之
高,故不易變形受損,因為很耐用,不鏽鋼的缺點是蝕刻為困難.
圖 是蝕刻的側面狀況.
蝕刻的側面狀況.
金屬片上的切口尺寸大約會比工作底片上的尺寸增大約 50%,此一增大狀況
產生于蝕刻制程,稱為蝕刻率,例如,一塊粗為 的寬度在蝕刻后將在 X、Y
兩個方向上增加 ,此蝕刻率可通過使用者或供應商修正蝕刻底片進行控
制,向供應商查詢后可知其最佳的蝕刻率控制方法,另一個重要的因素是寬厚比,
即鋼板的厚度與板上最窄切口的寬度的比值,例如,在圖 中所示,其有效比值
為 1(T):(W),較小的比值將給加工完成增加困難, 而是也會令錫膏的印刷困
難重重,因為錫膏難以從鋼板通過。蝕刻可釆單面或雙面式,單面式蝕刻將導致切
口的一面大于另一面,而雙面式蝕刻則可令鋼板面的切口大小一致,有一種關于
單面式蝕刻成的喇叭口的使用提案,就是將較大的開口面貼于 PCB,如此,將有利
于錫膏通過鋼板,附于 PCB上。這種理論被証明是不正確的,因為錫膏總是趨向充
滿切口的,而喇叭型的切口增大了切口與錫膏的接觸面積此一因素將增加錫膏的
分離難度。
有關切口的設計細節可參考 (黏膠)及 (錫膏)節。
視覺識別標示的平整度(Alignment Targets)
如果印刷機未配備視覺系統,將難于找到絲網及鋼板與 PCB的平行面,人工
識別標示將有助于絲網及鋼板的水平設置。識別標示可以是任何型狀,一般來說
用 (")的方塊就是夠了,在絲網或鋼板的對角上如 PCB一樣,有兩個
識別標示,使用時,將 PCB置于印刷機并將 PCB及絲網或鋼板的識別標識對齊即可,
此識別標示亦可作為一個制程控制的工具,例如,將錫膏或黏膠塗在識別標示上
可供做平整性,厚度及邊界的檢查,勝過做整塊板的全檢。
刮刀(Sqnegee Blades)
刮刀是簡單但非常重要的印刷工具,其在向前運動及其角度可產生一個令錫
膏或黏膠通過絲網及鋼板的表面,而其刀刃則產生一個分力令錫膏或黏膠充滿切
口(縫隙),在非接觸式印刷中,刮刀同樣施力于絲網或鋼板并與 PCB接觸,一般有
兩種類型的刮刀:塑膠和金屬。塑膠型是非常通用的,而金屬型則因有一些特性伏
于塑膠型而于最近發展起來的。大多數本節的內容均是針對塑膠型刮刀的,由于
金屬型為新生者故對其的實踐是有限的。
刮刀刃口的型狀是非常重要的,鋒利、平整的刃口可獲至最佳的印刷狀況。
在印刷過程中,刃口易被磨損并擴展為不止一點,當磨損及損傷區增大,則將導致
擦拭絲網及鋼板的力須加大,而壓力大更易令刃口的類型或/及刮刀的材料及印
刷面與刃口接觸的情形而定。
刮刀的速度,若對于非精細間距者一般為50到100mm/second (2到4"second),
較慢的速度利于錫膏充分填潢那些小的鋼板切口,而刮刀的壓力一般為 5到 30磅,
其具體大小應依據刮刀類型及材料,非接觸間距,是絲網還是鋼板及錫膏的流動
狀況而定。
刮刀的壓力與速度的關系是非常重要的,在理論上,對于每一種錫膏成份均
應有一個最佳的壓力與速度與之對應。但此二參數是互成負面影響,對于任何刮
刀壓力,每增加一點速度均會令刮刀刃上的壓力減小,相反地,刮刀速度的減小將
令刮刀刃的壓力增大。
在印刷過程中,在刮刀與絲網或鋼板間會有摩擦發生,為使摩擦力減小,應保
持令黏膠及錫膏一直充滿整個刃口,此將可潤滑刃口令摩擦減小。另外,刮刀寬度
應超過 PCB寬度大約 50MM(2"),<每邊大 25MM(1")>,這可令鋼板受到的力最小,以
保持絲網的彈性,請不要償試試對刮刀進行維修,而應依據供應商的建議進行有
計划的更換,當不使用時,應進行妥善的貯放。
塑料刮刀(Plastic Squeegee Blades)
塑料刮刀是由化合物制成,并可在制程中免于溶解,一般有兩種類型的塑膠
刮刀,分別為菱形和方形的,詳如圖 。菱形刮刀可以進行雙向印刷,而方形者
則僅可用于一個方向的印刷,菱形刀一般固定為45 印刷角,方形刀一般固定在一
個夾持頭上,印刷角 30 是最常用的,角度可調。
圖 常用的刮刀類型.
Holder: 夾持頭
Unidirectional: 單向的
Bidirectional: 雙向的
Blade: 刮刀
Rectanghar Squeegee: 方形刮刀
Diamond Squeegee: 菱形刮刀
刮刀的硬度測試是以 A等級硬度計進行測試的,對于印刷制程、刮刀材料的
硬度應符合 70到 110度,對于其硬度,應依不同的使用狀況進行變化。70或 80
度硬的刮刀可以用于絲網或低黏度材料的印刷(850,000釐泊或更低)。70度硬的
刮刀一般不用于鋼板印刷因其可能會陷入鋼板的切口并將錫膏控出反而影響印
刷品質,80或 90度硬的刮刀可用于鋼板及高黏度材料的印刷(大于 850,000釐泊
者)。
若前所述,要良好地完成印刷刮刀的刃口是非常關鍵的,一般要求刃口是光
滑、均勻的,塑料刮刀使用中較易磨損,故應每天進行刃口檢查,并且更換或更新
使之鋒利,記住,一把方形刮刀有四個刃口可用,對于用過的刃口應做標記,例如
在刃口上切一"U"型口,表示該刃口不可用。
金屬刮刀(Metal Squeegee Blades)
金屬刮刀一般由不鏽鋼或黃鋼制成,它們主要為鋼板印刷而設計,同時它們
也僅一種類型,金屬刮刀也只能進行單向印刷,其印刷角度由 30 到 45 可調。
因為金屬刮刀在印刷過程中能保持平整,故而不會控出鋼板切口中的錫膏,并
且金屬刮刀也能提供良好的抗磨損性能,使得刮刀之刃口可常保鋒利平滑并且均
勻。刃口的檢查至少每周一次,在刮刀的刃口上經常塗上些潤滑物,以減少鋼板與
刮刀與鋼板間的摩擦力較小,進而減少了印刷過程中鋼板的移動,可減少對準的
誤差,而且延長了鋼板的使用壽命。
印刷系統(PrintingSystems)
印刷類型(Print Modes)
紛繁復雜的刮刀類型歸結起來也不過三種印刷型式:充填/印刷、印刷/充填、
印刷/印刷, 充填/印刷、印刷/充填主要用於低黏度材料的印刷(如黏膠),而印刷
/印刷方式則可用于絲網或銅板去印刷由中到高黏度的材料,例如錫膏、充填/印
刷、印刷/充填均用于絲網的非接觸式印刷,而印刷/印刷式則可用于絲網及鋼板
的接觸及非接觸式印刷狀況。
充填/印刷式和印刷/充填式均同時使用一個單向的刮刀和一個充填刀。充填
過程就是將待印材料(黏膠或錫膏)塗布在絲網的表面上,以使其注滿絲網的切口,
充填刀定位于距絲網表面約 到 ("到 ")處,直接由刮刀上
穿過,充填過程通常須協助將切口填滿,因為它們與絲網最為接近,這可能導致印
刷物料穿進切口較為困難。當充填過程完成,刮刀壓下與絲網貼平并刮過其表面,
令材料則穿過切口附在 PCB的表面上,對于印刷/充填的作用過程則是與充填/印
刷相反。即刮刀先將印刷物印上,然后再進行物料的充填。
印刷/印刷式是用一個雙向刮刀或者兩個單向刮刀,這種方式可用于絲網、鋼
板的接觸及非接觸式印刷,刮刀簡單地與絲網及鋼板接觸,并將材料擠過它,使材
料通過切口附于 PCB的表面,接觸式印刷,主要用于鋼板,將鋼板置于 PCB之上,如
圖 所示。
圖 接觸式及非接觸印刷比較。
Screen or stercil:絲網或鋼板
Squeegee:刮刀
Swap-off Distance:非接觸間距
PCB:印刷線路板
OFF-CONTACT PRINTIHG:非接觸式印刷
ON-CONTACT PRINTING:接觸式印刷
非接觸式印刷,如圖 所示,多用于絲網印刷實際上,在絲網使用時,約定
都使用非接觸式印刷,而間距的設定是為了避免在充填時不致造成污染。當充填
完畢,則刮刀將絲網壓低并使之與 PCB進行瞬間接觸,使切口中的材料附于 PCB上,
雖然金屬絲網張緊的鋼板通常用接觸式印刷,但非接觸式亦可用于此類鋼板,當
印刷標準間距的零件墊時,可以不設定非接觸間距,然后在做精細間距的印刷時,
非接觸式印刷將使錫膏的分配更為準確順利,這一技術將 大有助于緩解接觸式
印刷中刮刀與鋼板(PCB)間的反作用力,因為該力可能會加速刮刀變形甚至損壞,
故非接觸式印刷不失為一解決之道。
在大多數案例中,框架大約為 380m㎡(15"),其非接觸間距一般為 到
("到 ")當使用更大的框架時該非接觸間距則應增加到
(")以彌補因絲網或鋼板面積的增加帶來的變化。
印刷頭的安裝(Print Head Assembly)
印刷關的安裝由兩部份單獨組合動作組成,即框架支撐系統及 PCB支撐系統,
框架支撐系統有兩種建構原理:貝殼式及垂直式,如圖 所示,貝殼式設計其鉸
鏈位于印刷機的后面,而垂直式支撐其中心與 PCB 的中心正對,垂直式支撐強調
框架支撐系統的水平定位狀況,特別是 PCB支撐系統的進料期間,貝殼式較為便
宜,而垂直式則更為準確。
圖 貝殼式及垂直式印刷頭.
STENCLL:鋼板
CLAMSHELL DESIGN:貝殼式設計
VERICAL COLUMN DESIGN:垂直式設計
框架支撐系統在印刷過程中令框架對準且牢固,另外,框架還可提供一個令
PCB與絲網或鋼板平行的視覺參照。
PCB的支撐系統在印刷進程中利用機械夾持真空,或兩者并用,以使 PCB對位
準且牢固,真空或者并用,以使 PCB對位準確且牢固,真空吸附主要用于印刷過程
的定位,但是,真空吸附也有几個缺點,即真空口必須設置在 PCB上孔的對應地方,
以免真空失效。
如果是雙面零件組裝的 PCB,則在吸附作第二面印時則必須在真空吸板上鏤
出與第一面零件一致的空位,這兩個問題都使得真空板須依產品料號進行定做,另
外,單獨靠真空板須依產品料號進行定做。另外,單獨靠真空板也無法保証印大板
時不偏移,于是又增一些輔助裝置,結果導致現在大家索性就用機械式夾持方式
將真空板式取代了,例如邊緣夾持系統,利用 PCB的邊緣進行夾持,而且用一些位
置可變的支撐棒在 PCB下面進行,印刷時的支撐。
PCB的定位是通過兩種方式完成的,工具孔或整齊的 PCB邊緣。一般說來,可
以定位棒與 PCB的工具進行配來完成定位,PCB邊緣的定位是靠擋塊與 PCB邊緣
配合來完成定位的,但這是一種低可重復性的定位方式,因為 PCB的板邊緣到焊
墊的距離的變化,遠大于工具孔到焊墊的距離變化。
手工印刷機(MANNAL PRINTERS)
手工印刷機,價格一般由 2,000美元到 10,000美元不等,是最簡單而且最便
宜的印刷系統,它們僅適用于非常小量的生產或研究開發情形,它們的 PCB放置
及取出均需人工完成,其刮刀可用手把或附在機台上,印刷動作亦需人手完
成,PCB與鋼板平行度對準或以板邊緣保証位置度均需依靠作業者的技巧,如此將
導致每印一塊 PCB,印刷的參數均需進行調整變化。
圖 是一個設計良好的手工印刷機,請注意它的刮刀附著方式及具殼式的
支撐設計,作業者通過推動刮刀手柄以完成印刷動作。
圖 是手工印刷機.
半自動印刷機 (SEMIANTOMATIC PRINTERS)
半自動印刷機價位在 15,000到 50,000之間,是當前使用最為廣泛的印刷設
備,這些多功能的印刷機主要用于低、中量的生產制造,它們實際上很類似手工印
刷機,其 PCB的放置及取出仍賴手工操作,與手工機的主要區別是印刷頭的發展,
它們能夠較好地控制印刷速度,刮刀壓力、刮刀角度,印刷距離以及非接觸間距,
工具孔或 PCB邊緣仍被用來定位,而鋼板系統以助人員良好地完成 PCB與鋼板的
平行度調整。
圖 是一台貝殼式支撐的半自動印刷機.
全自動印刷機(AUTOMATIC PRINTER)
自動印刷機,價位一般在 75,000到 250,000美元之間,指大部份或所有功能
自動完成者,一般用于中、高產量需求,且對印刷位置要求非常精準如精細間距的
印刷等。PCB的置取均是利用邊緣承載的輸送帶完成,制程參數如刮刀速度、刮
刀壓力、印刷長度、非接觸間距均可編程設定。PCB的定位則是利用定位孔或板
邊緣,有些設備甚至可利用視覺系統自行將 PCB與鋼板調成平行,當使用該類視
覺系統時,便可免卻邊緣定位帶來的誤差,而且令定位變得容易,人工的定位確認
為視覺系統所取代,精細間距技術近使 PCB鋼板的視覺自動平行系統得以使用,有
關視覺平行系統可參考 節,圖 是一台帶視覺平行調整系統的自動印刷
機,注意其顯示器位于設備的左后側。
圖 自動視覺調整印刷機.
黏膠印刷(PRINTING ADHESIVE)
表面黏著用膠的使用是為了令 PCB第二面的零件可附于 PCB上直至零件經過
波峰焊,將黏膠塗附盱 PCB上一般有兩種方法:點膠法或印刷法。至于另外的注射
方式,則利用非常有限最為常用者是點膠方式(將于 第討論),但絲網印刷法
也不失為一有效途徑.
零件要求範圍(COMPONENT RANGE)
絲網印刷最適于 1206("×")或稍大些的零件黏著,小輪廓零件則
需更小的點,而本制程將較難達到要求,而 IC,諸如 SOIC及 PLCC本體均有一個站
腳,故而印刷亦較難達到要求,要想較好地完成此零件的黏著,則須使用可提供較
高黏性及厚度的注射方式。
黏膠的使用(ADHSIVE APPLICATION)
一般 (")厚的黏膠已足夠牢固地黏附零件了,而低于
(")的印刷厚度因黏度不足黏附零件而顯得太薄,至于超過
(")厚的印刷狀況,非但不能提拱優于 (")的黏性,反而
會于黏著時濺起,污染接點、零件腳及焊墊。
黏膠位于零件正下方,并在著裝后在零件兩側均溢出約 (")且與
零件緊密結合者,可提供最大的黏著強度。黏膠距任一焊墊的距離至少
("),這樣便可保証在零件著裝后距任一焊墊至少 ("),這
一點非常重要,因為在黏膠的干燥熟化過程中,其有可能會流動延展,用 LIV熟化
黏膠有助于降低流動及延伸,因為 LIV可令黏膠的外層迅速結成硬殼以阻止其流
動延展,然后再使黏膠完全熟化。
絲網及鋼板均可用于黏膠的印刷,而鋼板印刷很可能獲至最好的印刷結果,注
意僅不鏽鋼板可用,因為黃銅模板可能會導致黏膠的殘留。
絲網/鋼板的切口設計(SCREEN/STENCIL APERTURE DESIGN)
絲網/鋼板的厚度一般為 "到 "之間(為保証 : 1的寬厚比例),
切口的尺寸可由下公式得出:
Length = W + "
WIDTH = S - "
此處:
W=零件寬度
S=跨距(焊墊之間距)
例如: 1206零件的切口尺寸.
Longth = " + " = "
WIDTH = " - " = "
圖 黏膠切口尺寸計算.
LAND : 焊墊
ADHESIVE : 黏膠
LENGTH : 長度
WIDTH : 寬度
錫膏印刷(PRINTING SOLDER PASTE)
錫膏的使用(SOLDER PASTE APPLICATION)
將錫膏印于 PCB的焊墊上,然后將零件置于錫膏上,直至迴流焊令錫膏中的
錫粉未熔化并焊牢零件,并完成零件與 PCB間的機械及電氣的連接,錫膏量是由
絲網或鋼板的厚度及切口的寬度決定的,一般切口的尺寸會做修正(減小尺寸)以
改變錫量的分配,鋼板的成本較高,但其印刷效果好且較耐用,這些可令投資與回
報得以平衡。
絲網/鋼板的設計(SCREEN/STENCIL DISIGN)
印刷中錫膏量直接由絲網/鋼板的厚度及切口的尺寸決定,遺憾的是業界對
此并無明確標準以供推薦,但是一些業界的試驗已在錫膏量與焊點可焊點可靠性
間建立了某些關系,然而業界的指南的使用有助于達到良好的焊接結果。鷗翼型
零件腳所零錫膏最少,方型及圓柱型零件需錫膏量屬中等;而J型腳則需最多錫膏,
所以提供令所有零件腳均有適量的錫膏(特別是有精細間距者時),是一個較為棘
手的問題。
于是,當同一 PCA上不同類型零件腳對錫膏的需求量不同時,則錫膏的印刷
便須做一折表的處理,這就給印刷帶來了更大的困難,最常用的厚度是
(")可適應大多數要求,而 (")則較為適合 J型腳零
件,(寬厚比為 1:1者),但精細間距零件的最佳錫膏厚度為 ("),(亦
為 1:1的寬厚比)。如此可知,例如 J型腳的特點,便會給其它類型腳者帶來焊錫
問題,但是切口的尺寸變化可達到以上類似的特殊要求,表 切口設計的基本
意圖,這些指示可能會于未來實踐后再作修正,故敬請注意其使用結果。
利用表 進行多要求切口的長、寬計算.
例: 當鋼板厚度為 ",請求出與鷗翼型腳匹配的且長為 ",寬為
"的焊墊,及相應印刷切口的尺寸為多少?
" × ( = " )
" × ( = " )
則切口的長寬分別為 "及 ".
當鋼板厚為 "時,J型腳對應的切口又將不同在 "的鋼板印刷中,J
型腳不能獲至足夠的錫膏量,故而需擴大切口之尺寸,當然,"厚的鋼板不能
成功地進行精細間距的印刷,因為其違背了早前討論過的 : 1的厚度比。
另一種控制錫膏量的方法是雙重或階梯型鋼板,如圖 所示,這種鋼板是
有選擇地將某些區域蝕刻得較其它區域更薄,此技術主要用于精細間距者,典型
的在 (")厚鋼板上精細音距區域是蝕刻為 厚(")在理論
上,軟性(70-80度硬)的刮刀可以伸入台階并由 厚處控出多余的錫膏,但
在實際上,刮刀亦可能伸入其它非精細世口并控出錫膏,從而導致這些區域的錫
膏不定,所以,一般要求非精細切口與精細雪口間應至少保持 (")的
距離。
圖 雙重鋼板: 理論與實踐比較.
7MM MIN : 至少 7MM IN THEORY : 理論上
SQUEEGEE BLADE : 刮刀 IN PRACTICE : 實際上
STEP DOWN : 下陷台階
BLADE DEFORMS INTO OTHOR APERTURE : 刮刀伸入其它切口
制造參數 (PROCESS PARANOOTERS)
設備參數 (Equipment Paranoeters)
不同印刷機間之最佳參數是不同的:
*非接觸式印刷適用于絲網.
*接觸式則適用于鋼板.
*塑膠刮刀的硬度為 70-80度,適于黏膠印刷.
*硬度為 80-90度的塑料刮刀,適于錫膏印刷.
*盡量考慮使用金屬刮刀.
*標準印刷速度: 2到 4英時/秒
*精細間距的印刷速度: 1到 2英時/秒
*刮刀壓力依據機型在 5到 25磅不等.
*建議選用浮動式刮刀頭.
制程控制 (Process Control)
制程控制非常重要,下列項目須于制程中進行持續監控:
*印刷機的運行狀況.
*機台的設定.
*錫膏及黏膠的溫度.
*機台附近的濕度.
*印刷厚度.
*印刷數量及精確度的記錄.
印刷線線路板設計 (Printed Circuit Board Desigh)
板面防焊層的選擇與運用(見第 3章),對印刷制程非常重要,在理論上,防焊
層的最佳塗覆狀況是平滑且超出焊墊約 ("),平滑的表面經証實在
鋼板印刷中可確保 PCB與鋼板密合并可減少刮刀偏移,以提升印刷之品質(精準
度)。
一般有三種防焊塗層以供選擇: 傳統型濕膜可感光型干膜及可感光性濕膜。
大多數的傳統型濕膜難以達到運用中對 PCB平面度的要求的所以它并非該領域
的上好選擇,而可感光膜被証實可達到平整性,厚度控制性及精確性的要求,可感
光干膜的制程趨勢比性預期要厚一點,一般為超出焊墊 到 ("
到 "),但是可提供一個非常平坦的 PCB表面,另外,干膜的稀釋物是必要的。
表 切口及寸計算準則.
lead type :腳型
material thidchess :板材厚度
land area :焊墊面積
aperture size :切口計算系數
rectangular :方形
cylindrial :圓柱形
gull wing :鷗翼形
gull wing(fine pitch) :鷗翼精細間距型
J lead : J型腳
可感光濕膜可提供僅超過焊墊面 到 ("到 ")的更
薄的平面,根據使用不同的材料,可獲得從適度到非常平滑的 PCB表面,穿過焊墊
間的線路亦將影響表面的平面度,而另外的導體則以焊墊為支點,與線路產生平
衡,令不平滑的狀況免于發生,或者使用可順應變化提供并提供良好平面度的防
焊塗層。
盡量不要使用絲印或銘刻面,因為它們可能產生不均勻表面,進而會影響鋼
板與 PCB的密合及印刷厚度。
印刷缺點 (Printing Defect)
印刷的缺點可歸結為以下圖示的六種狀況:
圖 最大限度為焊墊長寬的 15%.
LAND : 15% MADIMUM OF LAND LENGTH OR WIDTH.
REGISTRATION : 偏移
SLUMP : 癱陷延展,±20% OF REQUIRED RPINT THICKNESS需求印刷厚度的±
20%.
THICKNESS : 厚度.
SCOOP : 塌陷,20%MAXIMUM VARIATION最大變形(塌陷)20%.
DOME : 拱形上凸.
SLOPE : 傾斜.
COMMON PRINTING DEFECTS(常見印刷缺點).
偏移 :
此情形的發生原因是絲網或鋼板與 PCB不平行或定位不准,或是點不在焊墊
距距中央所致。對于錫膏,最大容許的偏差是焊墊長寬的 15%,而黏膠則是容許切
口的長寬的 15%。
癱陷延展 :
此為一種材料缺陷,其發生的原因是由于錫膏或黏膠太低或曝露于過熱環境
所致,該異常的最終后果是在零件腳,特別是精細間距腳間產錫橋或黏膠污染焊
點,癱陷對錫膏而言,可最大允許超出焊墊長寬的 15%,對于黏膠則是切口的長寬
的 15%以內為允收。
厚度 :
印刷后錫膏或黏膠的厚度變化不應超過要求厚度的20%,本異常可能會產生另
外三種異常: 塌陷、凸拱及傾料。錫膏黏膠太薄可能導致黏膠影響是否有足夠的
錫或黏膠去牢固把持貼裝的零件,太厚的錫膏或黏膠又可能導致腳的搭接,太多
的黏膠則會污染焊點。
塌陷 :
產生該異常的原因是刮刀壓力太大,刮刀太軟及/或切口太大。該異常可能影
響錫膏黏膠的量進而影響其對零件的把持,塌陷的最大限度是最高點到最低的距
離不超過要求厚度的 20%。
拱凸 :
本異常的產生原因是刮刀高度不正確及壓力不平勻,它將增加物料的用量,并
可能造成錫橋,多錫或者多余的黏膠污染焊點,最大允許限度是要求厚度的 20%的
變化。
傾斜 :
該異常的發生也是由于刮刀壓力過大且經常發生精細間距的印刷制程中于
切口長度方向與刮刀平行時,此異常一般發生于錫膏印刷,其結果將導致焊點少
錫,最大允收限度是最高點到最低點的距離不能超出要求厚度的 20%。
點膠 (Dispensing)
點膠的原理亦是源于流體力學如印刷一樣,它也可多次重復地均勻地控制置
于 PCB表面上材料(黏膠)的量,完成該項工作的設備可以是手動亦可以是全自動
的設備,大我數的點膠作業,其作用均是向零件提供足夠的固著于 PCB表面的力
直至其完成焊接過程,在過去的几年里,錫膏的點著也隨著相應設備及錫膏的發
展而成為較為成熟的制程。
點膠工作一般均需一個大約 10CC的注射器,此最為常用,迫使材料由注射器
中擠出有几種方法可供選擇,定位則可經手工或 X、Y工作台或工作頭來完成,點
著的主要伏點是著點高度可進行調整變化,而此點在印刷制程中無法做到。
點著的方法及其設備
注射器
注射器由三個部分組成: 注射筒、活塞及注射針, 注射筒一般由高密度的
聚乙烯制成,容量可由 3CC到 30CC,大多數注射筒在與活塞推軒的末端相接處會
逐漸變小(成錐狀),活塞推桿由臘狀物或橡膠制成,而注射針則是由塑料或塑料
與金屬合成,針的孔徑可達到 到 ("到 ),塑料針一般呈
圓錐狀逐漸減小以良好地完成點著工作,針的握持應特別小心以防損傷,一般建
議針長選擇 ("),不可將針頭切斷因為這將針頭變形或起毛刺,另外,
針亦不可彎曲,將影響材料的流動狀況。
當材料充滿注射器時,絕對禁示其中產生氣泡,這些氣泡將導致點著時發生
空點,建議對 PCB上的點著狀況進行檢查。
點著方法 (Dispensing Methods)
點著有 4種方法: 空氣脈衝法、蠕動(壓管)閥、旋轉點著泵及活塞泵法,點
著法的正確選擇是相當重要的。
空氣脈衝法是用壓縮空氣(大約 40PSI)周期性地向注射器內的活塞旋力,該
力驅使活塞移動,以令針頭擠出定量的材料,本系統使用非常普遍,困為它未用泵
浦、閥門故而很廉價也易保養,然而也正因為如此它不如其它系統一樣准確及穩
定,用于點膠它們是勝任的,但用于錫膏的點著,就需注意了。
在高壓狀況下,錫膏內的金屬粉末會與定型劑(Flux)等分離,并且發生阻滯,
結果就導致較多的定型劑(Flux)被擠出,而金屬粉末卻只有少量的不良狀況。
蠕動(壓管)法,是利用一個注射器貯存好被點著的物料,該材料是被 5到
15PSI的壓力裝入一支兩端均有閥門的塑料管中,其上端的閥門是開啟的,以便材
料流入管內,當上端閥門關閉時,則下端開啟,此時一個活塞擠壓塑膠管,以迫使
材料由針頭中流出,由于本法使用低壓,故而錫膏的金屬粉末的分離便不再是主
要困擾,但是與塑膠管相關的問題卻發生了: 壓力致使膠管張開或破裂,初期可
能導致材料流量的控制問題,但最終會導致膠管破裂。
旋轉泵浦法亦是利用注射器進行材料貯存,然后材料在 5-15PSI的壓力下由
螺旋入口注入注射器,然后通過螺旋頭的旋轉使材料由入口運動到針頭。通過軟
件的控制可利用螺旋頭獲得不同量的材料,故而可達到同一 PCB上可有不同的材
料點著量,也可將材料進行連珠狀的點著,但該法用于錫膏時注意,在螺旋管中,金
屬粉末亦易從定型劑中,分離出來。
活塞式泵浦可將材料擠入針頭,注射器同樣扮演待點著材料的貯藏功能,材
料在活塞的作用下,以 5-15PSI的壓力裝入注射筒,當活塞向上運動時,產生負壓
將材料吸入注射筒,當活塞向下運動時,注射筒入口關閉,并在壓力作用下將微量
擠出然后置于 PCB上。
(本法可好地進行點著材料的量的控制,但它不能做連珠式點著。)
針頭的正確定位應在 PCB上向約針頭直徑的 倍的位置,目前隨著 Z軸伺
服系統的發展,目前已可達到此精確定位要求,接觸式定位法是利用機械式探針
感知 PCB及針頭的位置以定位,非接觸式則是利用鐳射及視覺系統完成 PCB們置
的判定,然后據此進行針頭的定位,于是可以程式進行針頭與 PCB的距離控制以
獲得在同一 PCB上不同材料點著的結果。
材料的溫度因為可能導致黏度的降低,故其是一個相當重要的參數,目前大
多數的點著系統均有溫度控制能力以保障材料維護于適當的作業溫度。
當需點著物可靠地把持方型及圓柱型零件時,一般是在零件的兩端各一點進
行黏著,以增接觸面積來達到粘合強度提升的目的。
手工點著機 (MANUAL DISPENSERS)
手工點著機的價位一般價位為 200到 1000美元,它們主要用于樣品制作,重
工及少量生產,故不需要有良好精度及穩定性,手工點著機的機械定位亦需要在
很大程度仰仗操作者的技巧,本系統是利用脈衝空氣法進行工作的。
半自動點著機 (Semiantomatic Dixpensors)
所圖 是一台半自動點著機,其價位大約是 5000到 美元,它們一
般用于樣品試作及低中量的生產,這些系統,一般是利用 X-Y工作台或 X-Y工作頭,
可以是一個桌上型,也可是一台獨立的機器,放板取板均是手工完成,一般以工具
孔或板邊緣,關于此可參閱 節,這些系統通過步進馬達、伺服馬達及編碼器
達到精確的定位,其中的真空板及機械治具可確保點著過程中 PCB的平面度,在
一般情況下,該系統的精確度可達最小針頭直徑的 10%式右,例如,對于一個直徑
為 (")的針頭,其點著定位的精度為 ("),若直徑是
(")那么定位精度就是 ("),4種點著方法均有該類
系統。
圖 半自動點著機.
自動點著機 (Automatic Dispensers)
如圖 所示為一台自動點著機,其價位從 40,000到 100,000不等,它們一
般用于中到大量生產,它們是利用由步進馬達,伺服馬達及編碼器控制的 X-Y點
著頭進行定位的獨立系統,在這些系統,也有用到視覺平行系統,有關視覺系統,可
參考 節,由于該系統是為自動化制造設計的,故它由一組輸送帶完成 PCB的
送及其取出工作,其支撐板及真空吸附板均是用以確保點著過程中 PCB的平面度
的,如同半自動系統,它們的點著作業精度就是一最小點著針的 10%左右,四種點
著方法均有用到該類系統。
圖 全自動點著機.
點著的異常狀況 (Dispersing Defects)
點著的異常可分為六種狀況如下圖 所示.
偏移:
錫膏或黏膠偏移預定的焊墊或焊墊間的指定區域的狀況稱為偏移,其最大允
收限度是針點的 25%.
癱陷延展:
此為一種材料缺陷,其發生原因是錫膏或黏膠的黏度太低或曝露于過熱環境
所致,該異常的最終后果是在零件腳間短接或污染到焊點黏膠,最大癱延極限是
針點的 15%.
厚度:
點著厚度的變化不可超過預定厚度的 25%,如果錫膏或黏膠太薄可能影響到
其把持零件的穩固性,而如果太厚則可能會導致短接或黏膠污染焊點。
圖 常見點著異常.
LAND : 焊墊 REGISTRATION : 偏移
SLUMP : 癱陷延展 THICKNFSS : 厚度
15% MAXIMUM OF LAND LENGTH OR WIDTH : 最大為焊墊長或寬的 15%
±25% OF REQUIRED DOT THICKNESS : 要求針點厚度的±25%
DIAMETER : 直徑 PANCAICE : 薄煎餅狀
±25% OF REQUIRED DOT DIAMETER : 要求針點直徑的±25%.
直徑:
最終點著之直徑變化最多不可超出預定直徑的±25%,低于此要求的錫膏或黏
膠均無法提供足夠的把持零件的力量,而超出上限則可能造成溢錫,短接或令焊
點受到黏膠的污染。
薄煎餅狀:
該異常的發生緣于針頭與 PCB的距離太近,致使材料被迫向四同延展,產生
大于預定要求的點著狀況.
奶酪尖頂狀:
本異常僅發生于點著黏膠制程,它可能是黏膠本身或不正確的點著參數(例
如: 錯誤的針頭直徑,不正確的針頭到 PCB表面距離抑或是不正確的點著壓力
等).
視覺平行系統 (VISION ALIGNMENT)
在印刷或點著設備中視覺平行系統的使是為了克服 PCB制造上的一些加工
誤差,目前常用的有兩種視覺系統,二元反差判定和灰度掃描,兩種方法的基本原
理是一樣的,都是利用圖形的辨識確定 PCB或鋼板基准點或其它標志,然后算出
PCB與鋼板間的位置差,〥X、〥Y然后利用此資訊,印刷頭對鋼板進行調整,以適
應 PCB的關況,二元反差判定是兩種方法中較老舊的一種,是利用鋼板或 PCB上黑
色的反差并利用某種算法定出該白色在灰質圖象中的對應點,灰質圖像處理是較
為普遍使用,因為它只需處理用電腦具備中等的運算能力,但此法對亮度及灰度
的變化應比較敏感,灰度掃描的基本原理與二元反差辨識一致,主要不同在于灰
茺資訊的掃描系統超越了單純的黑白,也就是說該系統不似二元反差式一樣對灰
度及亮度過于敏感。
該系統的缺點是要求電腦運算能力很高,但目前電腦已變得很強,此問題變
得不再重要了。
很多圖樣可作為辨識標志,但是圓型因為它的對稱性致使其不易受公差被償
的影響,故而是一非常好的辨識標示的選擇,一般設備的供應商會提供基准點的
選擇建議,詳細可參看第四章。
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Printed Circuit Assembly, July 1990, PP 8-11.
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4.-----and Marchitto, Michael. “Solder Paste Dispensing Versus
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, William E. “Design Parameters and Manufacturing Processes
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, Jack. “Advances in Automated Dispensing Equipment .”
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8. Freeman, Gary. “Advances in SMT Screen Printing Equipment .”
Proceedings, NEPCON West, February 1990,PP. 779-790.
9. -----
2/8'97 Am:2:08
7 零件裝著 (Component Placement)
實際裝著率 (Actual Plaqment Rate)
生產中裝著的實際狀況.(速度)
電荷耦合式攝影機 (CCD Camera)
一種可將貯存的電荷高速、高密度轉移的電荷耦合系統.
編碼器 (Encoder)
一種將機械位置轉化為電信息的機電轉換器件.
本身中心 (Internal Centering)
位于裝著頭上的零件本身機械中心.
外部中心 (External Centering)
位于裝著系統中的零件機械中心.
最大裝著率 (Maximum Placement Rate)
一個裝著系統可達到的最大裝著速度狀況,一般是在裝著頭、工作台及送料
器最為捷徑的狀況下得到的,主要用于設備間的比較.
裝著的穩定性 (Placement Repeatability)
裝著系統持續裝著時,在 X、Y方向保持偏差低于最大公差的能力.
定位穩定性 (Positional Repeatability)
定位系統在持續進行自定位時,保持 X、Y方向偏差均在公差內的能力.
伺服馬達 (Servo Motor)
一種依靠伺服放大器輸出信號作持續驅動的馬達.
步進馬達 (Stepper Motop)
一種依靠等量增大信號驅動的馬達.
序言 (INTRODUCTION)
