SMT生产的质量与可靠性

表面贴装技术(SMT)是自动化程度非常高的电子装联技术。随着电子产品向小型化发展,其生产工艺发生了根本性的革命。目前在生产装配中有简单单面SMT 或与通孔插装(THT)的混合组装、双面SMT或与通孔(THT)的混合组装的装联形式。在组装件的基本构成中,元件、电路板、互连焊点三者都关联着产品的使用寿命, 而电路中电气信号的畅通性、机械连接的可靠性将完全由互连焊点保障, 焊点失效可能导致整个电路瘫痪。焊点作为焊接的直接结果, 它的质量与可靠性决定了产品的质量。

 

 

熟悉工艺过程是提高SMT 产品质量和可靠性的根本。其中最重要的三个关键程序是: 涂覆、贴片和回流焊接。

   涂覆工艺过程和贴片工艺过程取决于设计阶段和生产能力,即产品的可生产性; 而回流焊接工艺过程则决定着产品焊接的质量,即产品的生产品质。SMT 生产中的工艺参数多,各工序间参数相互影响,又相互联系,一个工艺参数的调整与变化会影响到其它参数的变化,以致发生焊接效果的不同。

涂覆过程中的工艺参数控制

 


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,点胶是最基本的方法;采用丝网印刷的技术可以更好地实现焊锡膏的涂覆。点胶的优点是不受基板设计模式的限制, 涂覆柔性好。缺点是精度低效率低,无法解决0.5mm 以下间距焊盘的问题。丝网涂覆的优点是涂覆精度高,可以较好地解决0.5mm 间距密贴片过程中的工艺参数控制
贴片工艺过程可分为两种:手工贴片和机械贴片。

 

(1)手工贴片

当待贴装器件是大体积、少引脚、宽间距时, 手工贴装也是很好的方法。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。

(2)机械贴片

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X、Y、Z 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。贴片的顺序一般是从左至右、从上到下, 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。
回流焊接过程中的工艺参数

 

 

 

“控制回流焊一般分为三个阶段: 预热阶段、保温阶段和回流阶段。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。

根据回流焊接设备的要求, 结合使用焊膏的规格参数, 制定出较为理想的温度曲线。

(1) 预热阶段的工艺参数控制

预热的目的是把室温的印制板加热, 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。经分析并反复实践认为预热区升温速度3℃/s 最为合适,温度上升至180℃时预热效果最佳。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,防止形成小焊锡珠。

(2)保温阶段的工艺参数控制

保温阶段是指温度升至焊锡膏熔点的区域, 它一般占加热通道的33%~50%。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。保温阶段的适用温度范围是120℃~180℃,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。

(3) 回流阶段的工艺参数控制

回流阶段的温度设置得最高,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。回流焊中最普遍使用的是合金Sn63/Pb37,共晶锡铅合金具有单一的熔点温度183℃, 因此典型的回流阶段温度范围是205℃~220℃。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。

(4) 热风对流风扇的速度控制

增加对流导热率可以增加从热源向PCB 传送的热量。随着热传递速度的增加,可以缩短PCB 达到相同最终温度的时间, 从而可以提高传送带的速度。如果传送带的速度保持恒定, 那么可以降低加热区的设定温度, 从而降低能耗。

 


生产质量过程控制

 

 

 

“熟悉质量检验过程是提高SMT产品质量和可靠性的关键。

为了保证S M T 生产的正常运行, 必须加强各工序的加工工件质量检查,从而监控其运行状态。因而需要在一些关键工序后设立质量控制点, 这样可以及时发现上道工序中的品质问题并加以纠正。杜绝不合格产品进入下道工序, 将因品质引起的经济损失降低到最小程度。质量控制点的设置与生产工艺流程有关, 并在生产工艺中加入质量控制点。

 


结束语
“可靠性”是电子产品在规定时间内保持其功能的一种能力。其一是产品质量在时间上的延续; 其二是反映产品的抗干扰能力; 其三是反映产品天性质量特性。它由高可靠性、高稳定性、高一致性来衡量。表面组装技术中,焊点的质量保证是最主要的。这涉及了方方面面的问题,必须在质量管理上下功夫,使各种影响焊点质量的因素尽量减小,这样才能提供良好的质量保证,提高电子产品的整体可靠性。

 


2.2 质量点的检测方法

2.2.1 烘板检测

印制板有无变形; 焊盘有无氧化; 印制板表面有无划伤。检查方法:依据检测标准目测检验。

2.2.2 涂覆检测

根据使用工艺的不同,又分为点胶和丝印。

点胶检测:点涂位置是否正确;胶量是否合适;有无漏点;有无污染盘;胶点形状。检查方法:依据检测标准目测检验。丝印检测: 印刷是否完整; 有无桥接; 厚度是否均匀;有无塌边; 印刷有无偏差。检查方法: 依据检测标准目测检验或借助光学检测设备检验。

2.2.3 贴片检测

元件贴装位置;有无掉片;有无错片。检查方法: 依据检测标准目测检验或借助放大镜检验。

2 . 2 . 4 回流焊接检测

元件的焊接情况, 有无桥接、立牌、错位、焊料球、虚焊等不良焊接现象;焊点的情况。检查方法:依据检测标准目测检验,必要时可使用专用测试仪,如X-Ray 等。

 


3 . 焊点的质量和可靠性分析

3.1 寿命周期内焊点的失效形式分析

考虑到失效与时间的关系,失效形式分为3 个不同的时期

3 . 1 . 1 早期失效阶段

主要是一些质量不好的焊点发生失效,也有部分焊点是由于不当的工艺操作与装卸造成的损坏。可以通过工艺过程进行优化来减少早期失效率。

3 . 1 . 2 稳定失效率阶段

该阶段大部分焊点的质量良好,失效的发生率(失效率)很低,且比较稳定。

3 . 1 . 3 寿命终结阶段

此阶段的失效主要是由累积的破环性因素造成的,包括化学的、冶金的、热——机械特性等因素,如焊料与被焊金属之间发生金属化合反应,或热——机械应力造成焊点失效。失效主要由材料的特性、焊点的具体结构和所受载荷决定。

 


3.2 焊接工艺引起的焊点失效机理

焊接工艺中的一些不利因素及随后进行的不适当的清洗工艺可能会导致焊点失效。

3 . 2 . 1 热应力与热冲击

应力裂纹是影响焊点长期可靠性的不利因素。由于PCB 和元件之间的热膨胀系数不同,有时也会导致陶瓷元件的破裂。在厚、薄膜混合电路(包括片式电容) 组装中,常常有蚀金、蚀银的现象。这是因为焊料中的锡与镀金或镀银引脚中的金、银会形成化合物,导致焊点的可靠性降低。

3 . 2 . 2 基板和元件的过热

由于IC塑料封装极易吸潮,当加热时间过长时,潮气就会释放出来。回流焊时,潮气汽化,在芯片底部的封装薄弱界面处积累成一个气泡,封装受到气泡的压力,就会发生开裂。解决办法是:先烘干IC,然后密封保存并保持干燥,或者在使用前几个小时进行100℃以上的预先烘烤。

 


3.3 提高焊点质量和可靠性的措施

在操作时,应该采取以下措施来保证焊点的质量: 建立最佳的温度曲线,从而提高焊接结构的整体质量,温度循环负载要尽可能地小:热膨胀系数要匹配;印制板的装配应保证在板的水平方向能自由移动,否则周期性的弯曲会破坏大元件的焊点;焊点尺寸和形状要适当;焊料合金要达到最大的疲劳寿命(可以通过优化两个特性:疲劳屈服点和蠕变阻抗,使焊料合金的疲劳寿命达到最大值)。