研發(fā)類產品SMT生產

摘 要：目前在我國電子及通信行業(yè)，有大量研究所和中小型企業(yè)長年承接一些研發(fā)類項目，該類項目的產品有別于大批量以及多品種小批量的生產模式，對生產加工提出了不同的需求。為解決研發(fā)類產品在SMT制程中較難控制的工藝問題，如：焊膏快速回溫，剩余焊膏處理、QFN和BGA芯片的貼裝成功率、空板回流焊溫度曲線設置等，文章總結了一些在生產過程中的實際操作方法和注意事項，可指導研發(fā)類產品的SMT生產。

關鍵詞：研發(fā)；產品；SMT；生產

當今社會，電子產品的更新換代日新月異，在我國有大量研究所和中小型企業(yè)長期從事電子產品的技術研發(fā)創(chuàng)新。在這些研發(fā)創(chuàng)新中有相當大比例的產品，在其生命周期內年產量僅有十幾套甚至幾套，不會轉入批量生產階段。對于這種研發(fā)類產品的SMT生產，自動化程度較高的SMT生產線是基本不能適應的。文章將要討論的是，如何針對研發(fā)類產品的特點，解決在其SMT生產中較難控制的一系列工藝問題。

研發(fā)類產品的SMT工藝流程和批量產品基本是一致的，一般按以下步驟進行：生產準備-絲印焊膏-元器件貼片-回流焊接-檢修[1]。下面就研發(fā)類產品每個工序的具體操作及注意事項加以說明。

1 生產準備

生產準備可分為環(huán)境條件準備和物資準備。在此工序，我們將要介紹如何結合環(huán)境溫度選擇焊膏，如何控制環(huán)境濕度，如何進行焊膏回溫，對剩余焊膏如何處理。

在環(huán)境條件方面，研發(fā)類產品和批量產品的要求是一致的，主要是溫度、濕度和防靜電三個方面，而目前部分中小企業(yè)受限于資金，用于研發(fā)類產品生產的車間面積一般較小，在以上三個方面不能做到完全按標準實施。比如：在溫度方面，行業(yè)內一般執(zhí)行的標準是25±3℃，要求較嚴時會執(zhí)行25±1℃[2]，采用此溫度的原因是絕大多數焊膏在印刷時的推薦使用溫度為23～25℃。如環(huán)境條件達不到，建議可選用的寬溫范圍焊膏，如ALPHA OM5100，此類焊膏可以使用于18～28℃的環(huán)境條件下。濕度方面，在開啟空調的情況下室內一般都比較干燥，空調開啟2小時后濕度可降低至20%～30%。考慮到安裝工業(yè)加濕器投入較大，在實際工作中可使用家用加濕器，一般加濕量為540ml/h的家用加濕器其覆蓋范圍為40～50m2，在房間的四個角分別放置1臺，即可滿足200m2房間的濕度要求。

在物資方面，相對較難解決的是焊膏回溫和剩余焊膏的處理。

從實際使用情況來看焊膏的回溫時間一般為2～3小時[3]，回溫條件是處于室溫下。需要特別說明的是室溫這個概念，比如在未開啟空調的情況下，夏季和冬季室溫是完全不一樣的，我們應該把這里所指的室溫理解為焊膏的推薦使用溫度25±3℃。上述焊膏回溫要求在批量產品生產時容易滿足，但在研發(fā)類產品生產時具體情況就發(fā)生了變化；批量產品可以24小時不間斷生產，車間溫度長年保持在25±3℃，而研發(fā)類產品的生產加工時間不集中，生產場地不可能24小時保持恒溫，特別是在冬季室溫接近0℃時，早上上班開啟空調升溫到25℃就需要將近1小時，這樣的話一個工作日內共有8～12小時的工作時間，僅焊膏回溫就占去了3～4小時，剩下的時間很可能就不足以完成生產任務了。通過實際操作，我們發(fā)現可以在開啟空調的同時取出焊膏，讓室溫上升和焊膏回溫同時進行，當焊膏取出1～2小時后再使用自動焊膏攪拌機攪拌1～1.5分鐘，其流動性就能基本接近在室溫下回溫4小時的效果[4]。

在用量方面，目前市面上錫膏的較小包裝量主要以500克罐裝為主，按使用要求一般焊膏開封后24小時內要全部用完。而對于研發(fā)類產品，每次施加到PCB板上的用量遠小于500克，存在剩余焊膏如何處置的問題。在實際生產中應注意以下方面：（1）每次盡可能準確的預估用量，焊膏一旦從罐中取出，不管是否用完都不要再放回原罐中。（2）已取出焊膏如果有剩余直接作報廢處理，不要留存到下一次與新焊膏混合使用，混合使用會極大的降低焊膏的粘稠度，影響印刷和焊接質量。（3）一罐焊膏開封后，不管是否用完，最多從開封之日起使用不超過7天[5]；從實際使用中發(fā)現，超過7天之后不但焊膏在印刷時流動性不好，回流焊接后的焊點不良率也會增加較多。（4）間隔開封時間越長，焊膏使用前所需的回溫時間也需相應適當延長半個至一個小時以保證焊膏的流動性和粘稠度。

2 焊膏印刷

焊膏印刷在SMT生產中可以說是最重要的一環(huán)，據統計，因焊膏印刷不良引發(fā)的質量問題約占總數的60%～70%[6]。在此工序，我們將要討論研發(fā)類產品的焊膏印刷方式。

目前焊膏印刷設備有手動焊膏印刷臺、半自動焊膏印刷機、全自動焊膏印刷機。對于研發(fā)類產品，最適宜的選擇是手動焊膏印刷臺，原因如下：

首先在對位精度方面，考慮到對板、脫模等因素，目前半自動、全自動印刷機實際能達到的精度效果為0.1mm，該精度人工操作也完全能夠達到。

其次從實際使用角度來看，半自動、全自動印刷機優(yōu)勢在于能大幅度提高印刷效率和產能，但研發(fā)類產品沒有產能需求，半自動、全自動印刷機反而在對位累積誤差的問題上會凸顯得更加明顯。使用半自動、全自動印刷機每印刷一塊PCB板，鋼網都會偏離標準點一定距離，使焊膏印刷質量越來越差。一般說來印刷10塊PCB板就需要重新校正定位；而手動印刷每次都需要重新確認對位是否對正，所以基本不存在累積誤差，每塊PCB板的印刷質量會優(yōu)于半自動、全自動印刷機。

3 元器件貼片

元器件貼片是指將片式元器件放置到印刷好焊膏的PCB板焊盤上。在此工序，我們將要討論研發(fā)類產品的元器件貼片方式，并介紹如何保證QFN和BGA的貼裝成功率。

目前元器件貼片工序可選用手工貼片和全自動設備貼片。對于研發(fā)類產品全自動貼片機是不太適用的，建議采用手工貼片，原因如下：

首先，手工貼裝方式能滿足研發(fā)類產品生產的需要。一般來說有半年以上操作經驗的熟練工，在保證質量和進度的情況下，可以手工貼裝0402阻容元件、引腳間距為0.3的QFN以及球間距為0.8的BGA。當然手工貼裝QFN和BGA有一定的技巧，下文會加以說明。

其次，全自動貼片機能適應小批量產品生產的需求[7]，但不能適合研發(fā)類產品，主要問題是PCB板樣品數量少，如果參數設置不當會導致設備視覺系統識別不良，不易使程序調試到穩(wěn)定狀態(tài)[8]，會出現一系列的貼裝不良問題。同時，研發(fā)類產品的芯片大多都是散件，不管是以料管還是托盤送料，都存在貼一種芯片就得換一次料的問題，換一次料一般需要3～5分鐘，這樣會大大延長貼裝時間。從實際使用角度來看，焊膏印刷后應在6小時內過爐回流[9]，時間一長焊膏會逐漸變干，進而會影響焊接質量。而手工貼裝芯片時，一般每塊芯片的操作時間可控制在10秒之內，大大少于全自動貼片機使用料管或托盤換件時所需時間。

采用手工貼片要想保證QFN和BGA的貼裝成功率，必須采用輔助定位方法。

目前一般是采用MARK點或絲印框來輔助定位，但在實際操作中成功率不穩(wěn)定，定位效果時好時壞，分析原因是PCB板在制造過程中的累積加工誤差造成的[10]。

PCB板生產是先做敷銅層，再做阻焊層，最后做絲印層，這樣三次做下來就會因為圖形的位置偏差形成累積加工誤差[11]，也就是說相對于焊盤，絲印位置會偏移預定位置。而手工貼QFN和BGA時看不見焊盤是否對正，只能以絲印位置作為參考，絲印位置有累積誤差，整個芯片相對于焊盤就貼偏了。在這種情況下，可以把用作定位的MARK點或絲印框設計到敷銅層上，因為焊盤定位就是在做敷銅層時確定的，這樣做MARK點或絲印框和焊盤之間就不存在累積加工誤差的問題了。

4 回流焊接

影響回流焊接效果最重要的因素是溫度曲線的設置，研發(fā)類產品因為物資有限，不便于使用焊好元器件的PCB板實物進行溫度曲線的測試。在此工序，我們將要介紹針對研發(fā)類產品的PCB板，其溫度曲線如何測試設置。

在實際生產過程中我們注意到，PCB板狀態(tài)是空板時和貼好元器件后，其吸熱量是不一樣的[12]。從實際測得的數據來看，將貼滿元器件后的PCB板，使用空板時測試出的溫度曲線過回流焊爐，PCB板面溫度會比空板時下降2～5℃。所以針對研發(fā)類產品，推薦在實際生產中可采用空板測曲線，然后將空板狀態(tài)下測試出的曲線溫度略微上調2～5℃，作為實際回流焊接時施加的溫度曲線。根據PCB板上元器件布局密度的差異，需上調的溫度有所區(qū)別；如元器件布局較疏散、板上元器件較少，可上調2～3℃；如元器件布局較緊密，板上元器件較多，則需要上調4～5℃。

5 檢查返修

在檢查返修工序，目前常用的設備有AOI、X-ray、BGA返修臺。對于研發(fā)類產品，AOI的使用效果不如批量產品那么好，因為AOI涉及到程序編制和調試的問題。從實際使用來看，AOI程序調試穩(wěn)定一般需要10塊以上的PCB板作驗證，而研發(fā)類產品量太少。X-ray、BGA返修臺設備的操作是針對單塊PCB板單次操作的，故適合研發(fā)類產品的生產。

6 結束語

在研發(fā)類產品特有的生產模式下，其產品數量在其生命周期內，年產量僅為十幾套甚至幾套。所以，適合批量生產的全自動SMT生產設備以及工藝控制方法，不能直接套用在研發(fā)類產品的SMT生產過程中，我們必須結合產品的實際特點，找出一些適用的設備以及對應工藝控制方法，來滿足研發(fā)類產品的SMT生產。

文章是基于生產實踐而總結的，提供了一些方法和注意事項。由于不同產品各自特點有所不同，文章提到的一些方法不見得能直接套用，根據實踐來看，PCB板尺寸在250×350mm范圍內，單板單面元器件數量在1000以內的，文章中提到的工藝方法都是適用的，可以達到較好的生產效果。

參考文獻

[1]陸文娟，陳華林，楊雁冰.表面貼裝技術（SMT）[M].北京：人民郵電出版社，2013.

[2]中華人民共和國電子工業(yè)部.SJ/T10670-1995.表面組裝工藝通用技術要求[S].1996，25.

[3]王海軍，李奇英.焊膏和印刷技術是決定SMT產品質量的關鍵[J].電子工藝技術，2003，23（3）：111.

[4]焊膏使用注意事項[J].電子電路與貼裝，2007，3（6）：32.

[5]周華春.焊膏的正確使用[J].科學與財富，2010，10（9）：250.

[6]朱桂兵.焊膏印刷檢測技術[J].絲網印刷，2010，28（2）：11.

[7]席偉，陳軍，管良梅.多品種小批量SMT生產[J].電子工藝技術，2012，33（4）：226-228.

[8]鮮飛.GSM1高精度貼片機編程體會[J].印刷電路信息，2005，13（8）：66.

[9]戚菲菲，阮波，張耕.錫膏使用對焊接質量影響分析[J].中國科技博覽，2010（31）：306.

[10]吉亮.PCB制作系統解決雙面板翻板對位精度不準的方案[J].機械管理開發(fā)，2010：25（3）：199-200.

[11]陳德山.PCB等絲網印刷中產生位置偏差的原因探討[J].廣東印刷，2007，29（6）：39.

[12]索小琳，余心宏.元件布局對PCB回流焊溫度場的影響[J].電子工藝技術，2012，33（3）：139-141.

作者簡介：徐璞（1984-），男，畢業(yè)于西南科技大學，主要從事SMT工藝研究、生產實踐及質量控制工作。