微電子表面貼裝關鍵技術與裝備

張雍蓉，劉 昊

(1.南京萊斯信息技術股份有限公司、江蘇南京 210007；2.中國電子科技集團公司第五十五研究所 江蘇 南京210016)

微電子表面貼裝技術（SMT）作為新一代電子組裝技術已經得到長足的發展，在許多方面已經完全取代傳統的電子組裝技術。SMT 以自身的特點和優勢，使電子組裝技術產生了根本的、革命性的變革，并在應用過程中不斷地發展完善。新型混裝焊接工藝技術不斷出現，如選擇性焊接、通孔回流焊和使用屏蔽模具等，可以保護表面貼裝元件來實現對通孔元件焊接，大幅度降低生產工序和周期時間。較以往波峰焊接不能在焊接面分布高密度、細間距貼片元件，橋接、漏焊較多，需噴涂助焊劑，印制板受到較大熱沖擊翹曲變形等，都有了較大的進步。

1 通孔回流焊技術

通孔回流焊技術是在印制板完成貼片后，使用一種安裝有許多針管的特殊模板，調整模板位置使針管與插裝元件的過孔焊盤對齊，使用刮刀將模板上的焊膏漏印到焊盤上，然后安裝插裝元件，最后插裝元件與貼片元件一起通過回流焊，熱風氣流通過特制的模板上噴嘴，在一定的溫度曲線下，將印刷在PCB 上元件孔位處的焊膏熔化，最后冷卻，形成焊點。通孔回流焊相對于傳統工藝的優越性：首先是減少了工序，省去了波峰焊這道工序，在費用上自然可以節省不少，同時也減少了所需的工作人員，在效率上也得到了提高；其次回流焊相對于波峰焊，產生橋接的可能性要小得多，這樣就提高了一次通過率。通孔回流焊相對傳統工藝在經濟性、先進性上都有很大優勢。通孔回流焊接技術起源于日本SONY 公司，20世紀90年代初已開始應用，但它主要應用于SONY 自己的產品上，如電視調諧器及CD Walkman。

通孔回流焊在很多方面可以替代波峰焊來實現對插裝元件的焊接，特別是在處理焊接面上分布有高密度貼片元件（或有細間距SMD）的插件焊點的焊接，這時傳統的波峰焊接已無能為力，另外通孔回流焊能極大地提高焊接質量，這足以彌補其設備昂貴的不足。通孔回流焊的出現，對于豐富焊接手段、提高線路板組裝密度（可在焊接面分布高密度貼片元件）、提升焊接質量、降低工藝流程，都大有幫助。

1.1 選擇性焊接技術

選擇性焊接是與波峰焊比較而言得來的，兩者間最明顯的差異在于波峰焊中PCB的下部完全浸入液態焊料中，而在選擇性焊接中，僅有部分特定區域與焊錫波接觸。由于PCB 本身就是一種不良的熱傳導介質，因此焊接時它不會加熱熔化鄰近元器件和PCB 區域的焊點。在焊接前也必須預先涂敷助焊劑。與波峰焊相比，助焊劑僅涂覆在PCB 下部的待焊接部位。選擇性焊接包括拖焊工藝，浸焊工藝。

1.1.1 拖焊工藝

選擇性拖焊工藝是在單個小焊嘴焊錫波上完成。拖焊工藝適用于PCB 上非常緊密的空間進行焊接。如個別的焊點或引腳，單排引腳能進行拖焊工藝。PCB 以不同的速度及角度在焊嘴的焊錫波上移動達到最佳的焊接質量。為保證焊接工藝的穩定，焊嘴的內徑小于6 mm。焊錫溶液的流向被確定后，為不同的焊接需要，焊嘴按不同方向安裝并優化。機械手可從不同方向，即0°～12°間不同角度接近焊錫波，于是用戶能在電子組件上焊接各種器件，對大多數器件，建議傾斜角為10°。

與浸焊工藝相比，拖焊工藝的焊錫溶液及PCB板的運動，使得在進行焊接時的熱轉換效率就比浸焊工藝好。然而，形成焊縫連接所需要的熱量由焊錫波傳遞，但單焊嘴的焊錫波質量小，只有焊錫波的溫度相對高，才能達到拖焊工藝的要求。通常焊錫溫度為275～300℃，拖拉速度10～25 mm/s 通常是可以接受的。在焊接區域供氮，以防止焊錫波氧化，焊錫波消除了氧化，使得拖焊工藝避免橋接缺陷的產生，這個優點增加了拖焊工藝的穩定性與可靠性。

單嘴焊錫波拖焊工藝不足之處在于：焊接時間是在焊劑噴涂、預熱和焊接3個工序中時間最長。并且由于焊點是一個一個的拖焊，隨著焊點數的增加，焊接時間會大幅增加，在焊接效率上是無法與傳統波峰焊工藝相比的。但情況正發生著改變，多焊嘴設計可最大程度地提高產量。

1.1.2 浸焊工藝

浸入選擇焊系統有多個焊錫嘴，并與PCB 待焊點是一對一設計，雖然靈活性不及機械手，但產量卻相當于傳統波峰焊設備，設備造價相對機械手也較低。根據PCB的尺寸，可以進行單板或多板并行傳送，所有待焊點都將以并行方式同一時間內完成助焊劑噴涂、預熱、和焊接。但由于不同PCB 上焊點的分布不同，因而對不同的PCB 需制作專用的焊錫嘴。焊嘴的尺寸盡可能大，保證焊接工藝的穩定，不影響PCB 上的周邊相鄰器件，這一點對設計工程師講是重要的，也是困難的，因為工藝的穩定性可能依賴于它。

使用浸入選擇焊工藝，可焊接0.7～10 mm的焊點，短引腳及小尺寸焊盤的焊接工藝更穩定，橋接可能性也小，相鄰焊點邊緣、器件及焊嘴間的距離應大于5 mm。

1.2 使用屏蔽模具波峰焊接工藝技術

為了解決傳統波峰焊接技術無法應對焊接面細間距以及高密度貼片元件的焊接，目前采用更多的是：使用屏蔽模具遮蔽貼片元件來實現對焊接面插裝引線的波峰焊接。

使用屏蔽模具波峰焊接技術的優點：

（1）實現雙面混裝PCB 波峰焊生產，能大幅提高雙面混裝PCB 生產效率，避免手工焊接存在的質量一致性差的問題；

（2）減少粘貼阻焊膠的準備時間，提高生產效率，降低生產成本；

（3）產量相當于傳統波峰焊。

屏蔽模具材料：

（1）制作模具必須防靜電，常見材料為：鋁合金，合成石（國產/ 進口），纖維板。黑色合成石或者可能會使波峰焊傳感器靈敏度降低，建議盡量不要使用。

（2）制作模具基材厚度。根據機盤反面元件的厚度，選取5～8 mm 厚度的基材制作模具。

模具工藝尺寸要求：

（1）模具的外形尺寸：模具的長與寬分別等于PCB的長與寬加上60 mm的載具邊的寬度，且模具寬度必須≤350 mm，當PCB 寬度小于140 mm時，可以考慮在同一模具同時放置兩塊PCB 焊接。

（2）工藝邊離邊緣8 mm，另外兩邊貼近邊緣地方加裝10 mm 寬、10 mm 高的電木條，以增加模具的強度，減少模具變形。

（3）每個加強檔條上必須使用螺絲固定，螺絲與螺絲的間必需在150 mm 以下。

（4）在模具制作完成后，需在四周且間距100 mm 以內安裝壓扣(固定PCB 于模具上)，且須注意幾點：①旋轉一周不碰觸到零件；②不影響DIP 插件；③能將PCB 穩固于模具。

（5）模具的4個角要開成R5 mm 圓角。

（6）模具上的PCBA 在過錫爐時，有些零件受錫波的沖擊會產生浮高，因此對一些容易浮高的零件采用壓件的方法來解決。目前主要采用的方式：①金屬鐵塊壓件；②模具上安裝壓扣壓件；③制作防浮高壓件治具壓件。

2 SMT 印刷設備

焊膏印刷是SMT 生產工藝中的首道工序，對SMT 生產的產量和質量都會有至關重要的影響，目前焊膏印刷設備有以下幾個發展方向：

（1）新型的模板印刷設備正朝雙路輸送板印刷方向發展。為了提高生產效率，盡量減少生產占地面積，新型的SMT 模板印刷設備正從傳統的輸送、印刷單路的PCB 朝雙路PCB的輸送、印刷方向發展，這適應了雙路貼裝和焊接的需要。這種新型的印刷設備在保留印刷機主要性能的基礎上，將傳統的輸送和印刷單路結構改為雙路結構，可以進行雙路PCB的輸入、定位、校正、印刷、檢測和輸送，其生產效率比單路結構的印刷機提高50%以上。

（2）新型的模板印刷設備正朝智能化方向發展。新型的MPM模板印刷設備利用改進的視覺算法，可以更快速、更準確地將模板與PCB 對準，改進后的運動加速度曲線可以提高各軸的運動精度和重復精度。采用四軸同時驅動，速度控制的功率提高了，在智能化軟件的控制下，多種印刷動作同時運作，從而使生產效率也得到提高。這種設備具有獨特的Y 軸PCB 定位裝置和Z 軸PCB 定位夾具，可在連續印刷時提供良好的支撐，再配以自動焊膏點涂裝置、環境控制裝置和在線SPC 數據采集系統，可提供高質量、高效率的模板印刷。

（3）焊膏工作環境由開放向封閉發展。在傳統的焊膏印刷過程中，焊膏長時間暴露在開放環境下是引起印刷缺陷的重要原因。目前已經有設備廠家推出的ProFlow 封閉擠壓式印刷頭可有效解決上述問題。與焊膏在開放的環境中滾動不同，ProFlow中的焊膏被裝在密封的印刷頭中，只有開孔焊膏才與網板接觸，標準焊膏封裝夾筒不斷地通過壓力來填充焊膏，并提供動壓力，使焊膏進入開孔。這一ProFlow 技術從根本上消除了影響焊膏印刷的最大變量因素，使用戶無需考慮印刷時間歇或機器工作時間等情況，從而得到滿意的效果。

（4）由漏印向噴印發展。毫無疑問，焊膏噴印技術是最近幾年SMT 設備領域中出現的最具革命性的新技術。它一改傳統的絲網漏印模式，采用類似噴墨打印機的噴涂方式，并應用在最新推出的MY500焊膏噴印機上，機器以每秒500點的速度在電路板的焊盤上滑動噴印，焊膏通過一個螺旋桿進入到一個密封的壓力艙，然后由一個壓桿壓出。由于無需網板，使它具備眾多優點，極大地減少了生產轉換和交貨的時間。如同計算機的噴墨打印機一樣，MY500分為三部分：噴印機本身，噴印頭和焊膏盒，以及離線編程軟件。焊膏盒更換很快，就如同噴墨打印機更換墨盒一樣容易。雖然容量只有100 g，但是焊膏裝在密封容器內，幾乎沒有損耗，實際使用下來非常節省。MY500 不需鋼板、清洗劑、擦拭紙、焊膏攪拌機等的輔助下，仍可承擔繁重的生產任務，作用很大。MY500 還以其速度聞名，它采用有專利的JetPrinting Technology 以每秒500點的速度噴涂焊膏，也就是每小時1 800 000個點。配有便于使用的觸摸屏界面，觸摸屏位于噴印機側面，在噴印機設置過程提供操作指導。可以直接從多種格式CAD 文件中轉化并生成噴印程序，編程效率大幅度提升。在生產過程中，不必再調整刮刀壓力、速度或其他的絲網印刷參數。因為程序完全由軟件控制，可以根據需要隨時調整焊膏量，控制每個元件或個別焊盤的焊膏量，而這在傳統絲網印刷機中是無法實現的。正因為焊膏噴印技術具有眾多優點，所以一經推出，就吸引了很多業內人士的注意，可以預計焊膏噴印會成為今后焊膏涂覆技術發展的一個方向。

3 SMT 貼片設備

貼片設備是SMT 生產線中至關重要的設備，通常占到整條SMT 生產線投資的60%以上，所以貼片設備的發展最引人注目，目前有以下發展趨勢：

（1）朝高效率雙路輸送結構方向發展。新型貼片機為了更高地提高生產效率，減少工作時間，正朝高效率雙路輸送結構方向發展。雙路輸送貼片機在保留傳統單路貼片機性能的基礎上，將PCB的輸送、定位、檢測、貼片等設計成雙路結構。這種雙路結構貼片機的工作方式可分為同步方式和異步方式。同步方式是將兩塊大小相同的PCB 由雙路軌道同步送入貼裝區域進行貼裝，異步方式則是將不同大小的PCB 分別送于貼裝區域。這兩種工作方式均能縮短貼片機的無效工作時間，提高機器的生產效率。

（2）朝高速、高精密、多功能、智能化方向發展。貼片機的貼裝速度、精度與貼裝功能一直是相對矛盾的，新型貼片機一直在努力朝高速、高精密、多功能方向發展。由于表面貼裝元器件（SMC/SMD）的不短發展，其封裝形式也在不斷變化。新的封裝如BGA、FC、CSP 等，對貼片機的要求越來越高。美國和法國的貼片機為了提高貼裝速度采用了“飛行檢測”技術，貼片頭吸片后邊運行邊檢測，以提高貼片機的貼裝速度。德國Siemens 公司在其新的貼片機上引入了智能化控制，使貼片機保持較高的產能下有最低失誤率，在機器上有FC Vision 模塊和Flux Dispenser 等以適應FC的貼裝需要。日本Yamaha 公司在新推出的YV88X 機型中引入了雙組旋轉貼片頭，不但提高了集成電路的貼裝速度，而且保證了較好的貼裝精度。

（3）高速貼片機朝多懸臂、多貼裝頭方向發展。在傳統拱架式貼片機中，僅含有一個懸臂和貼裝頭，這已不能滿足現代生產對速度的需求，為此，人們在單懸臂貼片機基礎上發展出了雙懸臂貼片機，例如環球的GSM2、Siemens的S25 等，兩個貼片頭交替貼同一塊PCB，在機器占地面積變化不大的情況下，成倍提高了生產效率。為了進一步提高生產效率，人們又在雙懸臂機器的基礎上推出了四懸臂機器，如Siemens的HS60、環球的GC120、松下的CM602、日立的GHX-1 等，都是目前市場上主流高速貼片機型。多懸臂機器已經取代轉塔機的地位，成為今后高速貼片機發展的主流趨勢。

（4）朝柔性連接模塊化方向發展。新型貼片機為了增強適應性和使用效率朝柔性貼裝系統和模塊化結構發展。日本Fuji 公司一改傳統概念，將貼片機分為控制主機和功能模塊機，根據用戶的不同需求，由控制主機和功能模塊機柔性組合來滿足用戶的需求。模塊機有不同的功能，針對不同元器件的貼裝要求，可以按不同的精度和速度進行貼裝，以達到較高的使用效率；當用戶有新的要求時，可以根據需要增加新的功能模塊機。

模塊化的另一個發展方向是功能模塊組件，具體表現在：將貼片機的主機做成標準設備，并裝備統一標準的機座平臺和通用的用戶接口；將點膠貼片的各種功能做成功能模塊組件，用戶可以根據需要在主機上裝置所需的功能模塊組件或更換新的組件，以實現用戶需要的新的功能要求。如美國環球公司的貼片機，在從點膠到貼片的功能互換時，只需將點膠組件與貼片組件互換。這種設備適合多任務、多用戶、投產周期短的加工企業。

4 SMT 焊接設備

4.1 再流焊設備

再流焊設備正朝著高效率、多功能、智能化方向發展，主要表現在以下幾個方面：

（1）具有獨特的多噴嘴氣流控制的再流焊爐。為了更好地控制再流焊爐內的溫度，以達到較好的焊接效果，ERSA 公司的新型再流焊爐在爐內安裝了獨特的多噴嘴氣流控制裝置，熱氣流通過噴嘴噴出，在周圍形成微小循環，以提供最佳的溫度分布。該設備采用區域分離體系，每個區域內氣流速度、氣流方向、空氣量和空氣溫度均由專用軟件進行控制，以達到熱風強制全面對流效果。

（2）帶局部強制冷卻的再流焊爐。新型再流焊爐在爐內再流焊區域的底部或冷卻區上部增加了強制快速冷卻裝置，采用分段控制方式約束冷卻的速度。再流焊區域的底部強制冷卻是為了保證雙面SMT的再流焊效果，使雙面再流焊的PCB，在再流焊接區域內板的兩面具有30℃以上的溫差，以優化工藝；冷卻區增加的強制快速冷卻裝置，確保SMT 板的良好焊接，得到優化的再流焊曲線。

（3）可以監測元器件溫度的再流焊爐。美國BTU 公司的一種新型再流焊采用了自適應智能再流技術（AIRT），這種再流焊爐在再流焊過程中可以監測PCB 上元器件的溫度變化，它只測量用戶在每個PCB 上選定點的溫度。爐內的智能溫度攝像頭可監視板上的元器件、焊膏的實際溫度情況，識別溫度變化，判斷對產品質量的影響程度，為操作人員提供數據。這種實時監測避免了再流測試板所需的設置時間。

（4）帶有雙路輸送裝置的再流焊爐。隨著PCB的厚度越來越薄和“郵票”板的大量使用，特別是PCB的厚度向0.2～0.4 mm 發展，對再流焊爐輸送板穩定性的要求越來越高。新型的再流焊爐在輸送軌道的中間安裝了可伸縮中心支撐裝置。這個裝置在控制程序的控制下，需要時起支撐作用，不需要時自動移到一邊，這樣即可以保持爐內整個輸送長度的穩定性，又可以很快地改變停機時間，提高生產效率。

4.2 波峰焊設備

波峰焊機在混合裝聯和雙面SMT 中應用廣泛，其新發展主要表現在以下幾個方面：

（1）無助焊劑的波峰焊機。隨著人們對環保意識的增強，滿足PCB的潔凈度、焊接質量以及CFC替代物嚴格要求的關鍵是在波峰焊工藝中消除助焊劑。ERSA 公司的新型波峰焊機安裝了一個在惰性氣體環境內工作的超聲波焊料波裝置，以取代助焊劑涂覆裝置。這種超聲波在焊接前可以除去PCB表面的氧化物，PCB和元器件表面的氧化物由焊料中的聲納氣窩效應（cavitation effect）去除。該系統工作的最大超聲波頻率為20 kHz，波幅為微米級，通過優化的幾何波形設計可保證表面安裝和通孔元器件有良好的可焊性。

（2）用氮氣支持焊料波的波峰焊機。SOLTEC公司的新型波峰焊機采用Nitro Wave，以在基于純氮氣條件下發出形態特別的焊料波，增強可焊性，在焊接過程中沒有浮渣，沒有過量的助焊劑，沒有氧化物，從而實現無缺陷波峰焊接。Nitro Wave 具有氮氣支持的焊料波，其主波從四面溢流形成，流速快，產量高，重復性好，工藝穩定。PCB板面干凈，Nitro Wave 由碎波適配器、主波分生器和氮氣供應裝置組成。

（3）選擇性焊接。在傳統的波峰焊接中，PCB的下部完全浸入液態焊料中，因此在PCB的焊接面不能分布引腳間距較密或者密度很高的貼片器件，以免造成連焊等缺陷。但由于各種原因，有時不得不在焊接面布置并不適合波峰焊接的貼片元件，這時在焊接過程中就需要專用的保護膜保護其它的表面貼裝元件，同時貼膜和脫膜均需手工操作。為克服上述影響，選擇性焊接應運而生。在選擇性焊接中僅有部分特定區域與焊錫波接觸，這樣可避免對焊接面已焊接好的貼片元件造成影響。大多數應用中都可以在再流焊接之后采用選擇焊接，這將成為經濟而有效地完成剩余插裝件的焊接方法，而且對于將來的無鉛焊接完全兼容。選擇性焊接工藝有兩中不同工藝：拖焊工藝，浸焊工藝。

選擇性拖焊工藝是在單個小焊嘴焊錫波上完成，其工藝適用于PCB 上非常緊密的空間進行焊接。如個別的焊點或引腳，單排引腳能進行拖焊工藝。PCB 以不同的速度及角度在焊嘴的焊錫波上移動達到最佳的焊接質量。為保證焊接工藝的穩定，焊嘴的內徑小于6 mm。焊錫溶液的流向被確定后，為不同的焊接需要，焊嘴按不同方向安裝并優化。機械手可從不同方向，或以0°～12°間不同角度接近焊錫波，用戶可在電子組件上焊接各種器件，對大多數器件，建議傾斜角為10°。

浸入選擇焊系統有多個焊錫嘴，并與PCB 待焊點是一對一設計的，雖然靈活性不及機械手，但產量卻相當于傳統波峰焊設備，設備造價相對機械手式也較低。根據PCB的尺寸，可以進行單板或多板并行傳送，所有待焊點都將以并行方式同一時間內完成助焊劑噴涂、預熱、和焊接。但由于不同PCB 上焊點的分布不同，因而對不同的PCB需制作專用的焊錫嘴。焊嘴的尺寸盡可能大，保證焊接工藝的穩定，不影響PCB 上的周邊相鄰器件，這一點對設計工程師講是重要的，也是困難的，因為工藝的穩定性可能依賴于它。

5 結束語

SMT 設備總體趨勢正朝著更加高效、多功能、智能化方向發展，隨著電子工業的飛速發展，許多新的技術必將應用到SMT 設備領域中，與此同時SMT 設備的新提升又有力地推動著電子組裝業的發展，推動著微電子技術的發展，從而形成一種相互促進、協調發展的互動關系。

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