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表面组装技术基础(一) - 技术长廊 - 电子产品

    1  表面组装技术概述SMT  就是表面组装技术(Surface Mounted Technology)的缩写,是目前电子组装行业里最流行的一种技术和工艺。
    70 年代初,表面组装技术的出现动摇了通孔插装技术的“统治地位”,四面体以其自身的特点显示出强大的生命力,它使电路组装技术发生了深刻的革命。它是现阶段电子装备微电子化、小型化的重要手段,正在成为板级电路组装技术的主流,已经在军事和航天航空电子装备中获得应用,同时还广泛应用于计算机、通信、工业自动化、消费类电子产品等领域的新一代电子产品中,并正向纵深发展。本章就表面组装元器件和表面组装技术的定义、组成和组装工艺概要进行介绍。
    1.1  表面组装技术的组成—、表面组装技术定义表面组装技术是一种无需在印制板上钻插装孔,直接将表面组装元器件贴、焊到印制电路板表面规定位置上的新型电路装联技术。具体地说,表面组装技术就是用特定的工具或设备将表面组装元器件引脚对准预先涂覆了粘接剂和焊膏的焊盘图形上,把表面组装元器件贴装到未钻安装孔的PCB表面上,然后经过波峰焊或再流焊,使表面组装元器件和电路之间建立可靠的机械和电气连接,元器件和焊点同在电路基板一侧。
    SMT  工艺构成要素如下:<BR>印锡膏→贴装 → (固化)→回流焊接→清洗 →检测 →返修印锡膏:其作用是将焊膏或贴片胶漏印到PCB的焊盘上,为元器件的焊接做准备。所用设备为丝印机(丝网印刷机),位于 SMT  生产线的最前端。点胶:它是将胶水滴到PCB   的的固定位置上,其主要作用是将元器件固定到PCB板上。<BR>所用设备为点胶机,位于SMT  生产线的最前端或检测设备的后面。贴装:其作用是将表面组装元器件准确安装到PCB的固定位置上。所用设备为贴片机,位于SMT  生产线中丝印机的后面。固化:其作用是将贴片胶融化,从而使表面组装元器件与PCB板牢固粘接在一起。所<BR>用设备为固化炉,位于SMT  生产线中贴片机的后面。回流焊接:其作用是将焊膏融化,使表面组装元器件与PCB板牢固粘接在一起。所用设备为回流焊炉,位于SMT  生产线中贴片机的后面。清洗:其作用是将组装好的PCB板上面的对人体有害的焊接残留物如助焊剂等除去。所用设备为清洗机,位置可以不固定,可以在线,也可不在线。检测:其作用是对组装
好的PCB     板进行焊接质量和装配质量的检测。所用设备有放大镜、显微镜、在线测试仪 (ICT)、飞针测试仪、自动光学检测(AOI )、X-RAY  检测系统、功能测试仪等。位置根据检测的需要,可以配置在生产线合适的地方。返修:其作用是对检测出现故障的PCB板进行返工。所用工具为烙铁、返修工作站等。配置在生产线中任意位置。
    二、表面组装的类型及工艺流程组装好的 SMC /SMD 的电路基板叫做表面组装组件(简称SMA)。在不同的应用场合,对SMA的安装密度、功能和可靠性等方面有不同的要求,只有采用不同的方式进行组装才能满足这些要求。
    当把有源和无源元件贴装在基板上时,就会形成三种最基本的组件。即I型SMA、Ⅱ型SMA、III   型SMA。将SMA  分成I、II、III并不是普遍适用的,但这种分类在工业界应用的最普遍。本书通篇采用这种分法。实际应用的工艺流程有十几种,每种不同的组装类型,工艺制程会有所不同,所需设备也不同。但这三种是最基本的制程,它集中体现了SMT的主要特征。1) I  型SMA  及制程- 3 I      型SMT  组件的元器件分布如下图。特征是只含有表面组装元器件,它们可以是单面组装,也可以是双面组装。该类SMA  采用锡膏一再流焊工艺。仅单面组装(A  面)的制程如下:来料检测;  丝印焊膏(点贴片胶);  贴片;  烘干(固化); 回流焊接;  清洗;  检测;  返修双面组装:PCB 两面均贴装有PLCC 等较大的SMD 时采用如 下制程如下: PCB 的A  面印焊膏;  贴片;  烘干(固化);   A  面回<BR>流焊;  清洗;  翻板 ; PCB  的B  面丝印焊膏;  贴片;  烘干;回流焊(最好仅对B 面;  清洗;  检测;  返修)
    2) Ⅲ型SMA<BR>Ⅲ型SMA的元器件排列方式见下图。其特点是PCB上既有表面安装元件有通孔安装的元器件。Ⅲ型SMA  采用波峰焊工艺焊接。带P/N 结 的半导体器件不能直接要过波峰焊,Ⅲ型SMA  中的半导体器件只能是通孔安装器件,且要排列在 A  面, B 面(即通孔元器件的底面)只能排列电阻、电容,而不能排列集成电路。Ⅲ型SMA  采用贴片一波峰焊工艺。这类型SMA的工艺又分成第—种先贴法和第二种后贴法两种。当SMD 元件多于分离元件时,采用先贴后插制程。即:先在电路板side B面贴SMC,而后在side A 面插装THC。制程如下:来料检测; PCB 的B   面点贴片胶;  贴片;  固化;  翻板; PCB   的A  面插件;  波峰焊;  清洗;  检测;  返修
    - 4 -其工艺特点是操作简单,但需留下插装THC 弯曲引线的操作空间,因此组装密度低,另外,插装THC时容易碰着已贴装好的SMC,引起SMC  损坏或受机械振动而脱落,为了避免这种危险,要求粘接剂应具有较高的粘接强度,以耐机械冲击。当分离元件多于SMD  元件时,采用先插后贴。即先在side A  面插装THC,后在side B  面贴SMC。工艺制程如下。来料检测; PCB 的A  面插件(引脚打弯);  翻板; PCB 的B 面点贴片胶;  贴片; 固化;  翻板;  波峰焊;  清洗;  检测;  返修这种工艺克服了第—种组装方式的缺点,提高了组装密度,但要涂敷粘接剂。Ⅲ型SMA<BR>多采用后一种工艺。3) Ⅱ型SMA<BR> Ⅱ型SMA 的器件排列方式如下图。其特点是A  面混装,B  面贴装。B     面不包含任何表面安<BR>装的半导体器件SMD,在底面只有分立的表面组装无源元件(SMC)。当SMD  元件多于分离元件时,可先贴后插,制程如下:
    - 5 -来料检测; PCB的A 面印焊膏;  贴片;  烘干; 回流焊;  插件,引脚打弯;  翻板; PCB 的B 面点贴片胶;  贴片; 固化;翻板;  波峰焊;  清洗;  检测;  返修工艺要点是先贴后插,A  面回流焊,B 面波峰焊。也可以采用下列的制程:来料检测; PCB 的B 面点贴片胶;  贴片; 固化;  翻板; PCB 的A 面丝印焊膏; 贴片; A 面回流焊接;  从A  面插件 2; B 面波峰焊;  清洗; 检测;  返修Ⅱ型SMA  该工艺的特点是充分利用PCB 双面空间,实现了安装面积最小化,并仍保留通孔元件价廉的优点,多用于消费类电子产品的组装。
    三、表面组装技术的组成表面安装技术是一组技术密集、知识密集的综合技术。涉及到元器件封装、印刷技术、自动控制、软铅焊技术、材料等多专业和学科。表面安装技术通常包括:表面组装元器件、表面电路板及图形设计、表面组装专用辅料(焊锡膏、贴片胶)和表面组装工艺技术等多方面的内容。这些内容有可以归纳为三个方面:设备、装联工艺(软件)和元器件。其中设备是硬件,工艺是软件,元器件是基础。只有在三方面都得到较好的解决,才能保证一条生产线的正常工作。SMT 的技术构成
    四、表面组装技术的优点<BR>SMT有何特点: 1 .组装密度高组装密度高、电子产品体积小、重量轻,贴片元件的体积和重量只有传统插装元件的1/10- 6 -左右,一般采用SMT之后,电子产品体积缩小40%~60%,重量减轻60%~80%。通孔安装技术元器件,引脚间距为100mil(2.54mm),而SMT  器件的引脚间距在50mil~25mil
     (1.27mm~0.63mm)目前已经达20mil(0.5mm)。穿孔集成电路(DIP )与表面安装集成电路(PLCC )体积比较穿孔DIP  集成电路、表面安装集成电路引脚数目与重量比较图穿孔集成电路、表面安装集成电路引脚数目与面积比较图
    2.可靠性高、抗振能力强。焊点缺陷率低由于片式元器件的可靠性高,器件小而轻,故抗震动能力强,自动化生产程度高。贴装可靠性高,焊点不良率小于百万分之一以下,比通孔插元件波峰焊接技术低1  个数量级,用SMT  组装的电子产品平均无故障时间(MTBF) 为25  万小时,目前几乎有90%的电子产品采<BR>用SMT  工艺。
    3.高频特性好。减少了电磁和射频干扰。由于片式元器件贴装牢固,器件通常为无引线或短引线,降低了寄生电感和寄生电容的影响,提高了电路的高频特性。采用 SMC  及SMD  设计的电路最高频率达3GHz,而采用通孔元件仅为500MHz。采用SMT  也可缩短传输延迟时间,可用于时钟频率为16MHz 以上的电路。若使用多芯片模块MCM技术,计算机工作站的高端时钟频率可达100MHz,由寄生- 7 -<BR>电抗引起的附加功耗可降低2至3倍。
    4.易于实现自动化,提高生产效率。降低成本达30%~50%。节省材料、能源、设备、人力、时间等。
    1) 印制板使用面积减小,面积为采用通孔技术面积的1 /12,若采用CSP  安装,则其面积还可大幅度下降;
    2) 印制板上钻孔数量减少,节约返修费用;
    3) 频率特性提高,减少了电路调试费用;
    4) 片式元器件体积小、重量轻,减少了包装、运输和储存费用;
    5) 片式之器件(SMC /SMD)发展快,成本迅速下降,一个片式电阻同通孔电阻价格相当。
    四、表面组装技术的优点
    1.组装密度高片式元器件比传统穿孔元件所占面积和重量都大为减少。一般来说,采用SMT  可<BR>使电子产品体积缩小60%,重量减轻75%。通孔安装技术元器件,引脚间距为<BR>100mil(2.54mm),而SMT  器件的引脚间距在50mil~25mil  (1.27mm~0.63mm)目前已经达20mil  (0.5mm)。穿孔集成电路(DIP )与表面安装集成电路(PLCC )体积比较 - 8 -穿孔DIP  集成电路、表面安装集成电路引脚数目与重量比较图穿孔集成电路、表面安装集成电路引脚数目与面积比较图
    2.可靠性高由于片式元器件的可靠性高,器件小而轻,故抗震动能力强,自动化生产程度高。贴装可靠性高,焊点不良率小于百万分之一以下,比通孔插元件波峰焊接技术低1个数量级,用SMT  组装的电子产品平均无故障时间(MTBF)为25 万小时,目前几乎有90 %<BR>的电子产品采用SMT  工艺。
    3.高频特性好由于片式元器件贴装牢固,器件通常为无引线或短引线,降低了寄生电感和寄生电容的影响,提高了电路的高频特性。采用SMC  及SMD  设计的电路最高频率达3GHz,而采用通孔元件仅为500MHz。采用SMT  也可缩短传输延迟时间,可用于时钟频率为16MHz    以上的电路。若使用多芯片模块MCM技术,计算机工作站的高端时钟频率可达100MHz,由寄生电抗引起的附加功耗可降低2至3倍。
    4.降低成本①印制板使用面积减小,面积为采用通孔技术面积的1 /12,若采用CSP  安装,则其面积还可大幅度下降;②印制板上钻孔数量减少,节约返修费用;③频率特性提高, 减少了电路调试费用;④片式元器件体积小、重量轻,减少了包装、运输和储存费用;⑤片式之器件(SMC /SMD)发展快,成本迅速下降,一个片式电阻同通孔电阻价格相当。
    5.便于自动化生产目前穿孔安装PCB要实现完全自动化,还需在原印制板面积的基础上扩大40 %,这样才能使自动插件的插装头将元件插入,若没有足够的空间间隙,将碰坏零件。而自动贴片机采用真空吸嘴安吸放元件,真空吸嘴小于元件外形,可提高安装密度。事实上,小元件及细间距QFP  器件均采用自动贴片机进行生产,可以实现全线自动化生产。
-   9   -当然,SMT  大生产中也存在一些问题,如:①元器件上的标称数值看不清,维修工作困难②维修调换