(精品)SMT技術知識教材第一章和第二章.ppt

l內容簡介:SMT SMT 基礎知識基礎知識 相關理論相關理論SMT SMT 焊接材料的基礎知識焊接材料的基礎知識焊接元器件端子與基板焊盤的反應焊接元器件端子與基板焊盤的反應表面貼裝電路板表面貼裝電路板(基板基板)焊接工藝與設備知識焊接工藝與設備知識焊接后的清洗知識焊接后的清洗知識焊點品質的試驗檢查知識焊點品質的試驗檢查知識焊接可靠性焊接可靠性 應用標準應用標準 本章要求:正確理解 SMT 的含義及其發展動向；SMT焊接的原理：作為焊劑的成分與作用；導熱的原理與形態；正確的加熱方法及溫度時間的選擇焊料熔融的定義與原理；焊接不良狀態的控制和對影響焊點品質因素等方面的理解。第一章：表面貼裝基礎知識1.定義 所謂組裝技術,是從電子產品(整機)的性能可靠性.經濟性.維修管理等綜合立場出發,以能夠充分發揮其設定的功能,即由良好的組裝方式所組成的電子產品,也就是由功能設計.結構設計.制造技術.散熱技術.連接焊接技術等而組成的。一電 子 組 裝 技 術第一章：表面貼裝基礎知識第一章：表面貼裝基礎知識2.電子組裝技術的要素 電子組裝技術是意味著從電子產品(硬件)的設計到組裝這個廣範圍內的多種技術活動的總稱。其中所組成的要素技術有連接焊接技術.冷卻技術.制造技術.設計技術.電子封裝技術.結構設計技術等。SMT 中的焊接技術也是一個非常重要的基礎技術。一電 子 組 裝 技 術第一章：表面貼裝基礎知識第一章：表面貼裝基礎知識一電 子 組 裝 技 術3.電子組裝技術的發展方向 現代電子產品.信息電子產品的開發生產都體現在高功能化.高集成化.小型化方向,電路上的多IO數,窄問距組裝在印制電路板表面組裝進入高密度化的同時,將向三維芯片.三維立體組裝方向發展。第一章：表面貼裝基礎知識第一章：表面貼裝基礎知識二.表 面 貼 裝 技 術1.定義 表面貼裝技術是采用新型片式化.微型化的無引線或短引線的元器件,通過自動貼裝設備將其貼裝在單面或雙面印制電路板(PCB)的表面上,再經過自動焊接.檢測等工序完成產品的組裝。第一章：表面貼裝基礎知識第一章：表面貼裝基礎知識二.表 面 貼 裝 技 術2.表面貼裝技術的優點,可有以下幾個方面:可使電子產品的組裝密度提高.體積縮小.重量減輕。使產品有優異的電性能。適合自動化生產。可降低生產成本。提高電子產品的可靠性。第一章：表面貼裝基礎知識第一章：表面貼裝基礎知識三.SMT 微焊接方式 SMT中的微焊接方式,指針對的接合對象是極其微細.微小的焊點。在焊接大尺寸元器件時,焊點的熔解量.擴散厚度.變形量.表面張力等因素對可焊性.焊點品質是不能忽視的,作為微細.微小元器件的焊接,更加要考慮到由這種焊接尺寸效果及焊接部位的適用性而組成一種新焊接方法的總稱。在微焊接距的場合,對焊接問距的代表性尺寸由100020um這樣微細焊接距的焊接,特稱作為微焊接。第一章：表面貼裝基礎知識第一章：表面貼裝基礎知識三.SMT 微焊接技術問題 1作為表面貼裝中的微焊接技術課題主要有以下幾項:z對組裝基板提供焊料量焊膏量的精密控制。z對焊接缺陷.例如漏焊.橋接等不良是否設立有效的控制方法。z建立測試焊點可靠性的評價技術及設備。z免清洗技術的應用與研究。z開展無焊劑焊接的應用研究。z降低生產成本,提高生產效率,適應“全球制造”趨勢。2 作為電子產品高集成化.高密度化組裝技術的展開策略,電路的封裝向多引線化.窄間距化進展,並開始在多層電路基板進行三維立體組裝,當前的應用化為CSP.FlipChip.MCM等。第一章：表面貼裝基礎知識第一章：表面貼裝基礎知識四.焊接技術的基本原理 SMT中的焊接過程是將一定量的熱能在設定的時問內,傳遞到基板和元器件,並使基板和元器端子的溫度上升到設定的溫度,經保持一定的時間,冷卻后完成焊接。焊接加熱方法,通常分為過熱法和漸近法二種,過熱法使用的熱源溫度是比焊接溫度高得多的高溫。通過對焊接時間進行精密控制或精確設計的方式執行焊接。漸近法的熱源溫度基本上接近焊溫度,一般采用連續加熱方式,來完成這個溫度程度。在多個元件同時焊接時,應將各種不同元件的焊接熱平衡和溫度調整在適當範圍,這個適當範圍利用時間來進行是最簡單的方法,即通過元件引線的熱平衡來進行調整,引線的相應長度具一定的調整效果。元件引線在基板下部突出長度的不同,對輸送時的熱量會發生相應的變化。進入焊接工序,作為設定溫度對元件端子(引線)加熱的熱必要條件,引線在2mm以下是元件的一個固有性質,這個加熱概念由三個方面:加熱程度.焊接時間.焊接距離而組成。特定的焊接距離是指確保潤濕所需的必要焊接時間,時間是指形成焊接距離的引線長度,也就是說是元件本身在二秒間的特定焊接距離所需的焊接時間。第一章：表面貼裝基礎知識第一章：表面貼裝基礎知識第二章：焊接材料的基礎知識一焊料的主要成分及分類1.1 SMT 焊料的分類：在焊接用材料中，通常將熔點在450以下的焊料稱作軟釬焊焊料，450 以上的焊料稱作硬釬焊焊料，SMT用焊料屬於軟釬焊焊料。目前用於表面貼裝最普通的是SnPb焊料，其焊料的熔點焊料熔融對元件焊端和基板焊盤的溶解，包括焊點強度等問題，可以通過添加第三元素合金，作為焊料合金來調整其使用性能。作為焊料的第三元素，常用的有Ag Bi In Sb等。第二章：焊接材料的基礎知識第二章：焊接材料的基礎知識一焊料的主要成分及分類1.2 常用的焊料及其特性：1)SnPb焊料：為降低SnPb合金的熔點，通常將Sn其晶點定在63%、使其成為熔點為183的共晶焊料。2)SnPbAg焊料：為防止焊接中發生SMD電極端侵蝕現象，可事先在焊料中添加幾個百分比的Ag，來加以控制。3)SnPbBi焊料：焊料中添加Bi的作用中作於降低其熔點。4)SnPbSb焊料：在共 晶焊料中添加豐應的Sb，可減少Sn的量，而其液相線溫度不會發生過大變化，硬度和強度會增加。1.3 在SnPb焊料的共晶點其Sn的濃度應該是63mass%，通常我們將63Sn37Pb組成的焊料稱作為共晶焊料。第二章：焊接材料的基礎知識第二章：焊接材料的基礎知識二、SnPb 系焊料金相狀態圖如下圖所示：327.5327.5I IF FH HD DL LC CE E GG+L+L+L+L+23223297.897.8636318.318.3183183 0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50 5050 70 80 90 100 70 80 90 1003503503003002502502002001501501001005050B B溫溫度度PbPb SnSn/mass%/mass%SnSnA A第二章：焊接材料的基礎知識第二章：焊接材料的基礎知識二、SnPb 系焊料金相狀態圖2.1 SnPb 系焊料金相狀態圖各狀態點的名稱：a.A-B-C線為 液相線b.A-D、C-E線為 固相線c.D-F線、E-G線為 溶解度曲線d.D-B-E線為 共晶點e.L為 液體狀態f.L+、L+為 二相混合狀態g.+為 凝固裝態2.2 SnPb 系焊料金相狀態圖和應用：1)30%SnPb 合金從室溫開始加熱，約在183開始溶解，在255 時呈現完全液體狀。2)20%SnPb 合金在300 開始緩慢冷卻時，約在275 開始出現凝固、這時在最初開始凝固時的材料組織成分，其Sn比例是Sn10%Pb的合金。3)能夠在最低的溫度範圍熔融、凝固的焊料組織成分，應該是Sn63%Pb合金也稱為共晶。第二章：焊接材料的基礎知識第二章：焊接材料的基礎知識三、焊 劑3.1 焊劑的分類：i.作為樹脂系助焊劑的主劑主要有鬆香、鬆香變性樹脂、合成樹脂，活性成分主要采用胺鹵化鹽、胺機酸鹽。ii.作為有機酸系助焊劑的主劑有水基、溶劑基，活性成分主要采用胺鹵化鹽、有機酸。iii.電子工業常采用的助焊劑主要是水溶性焊劑與非水溶性焊劑。3.2 助焊劑共有3大作用：v去除被焊金屬表面和焊料本身的氧化物或其它表面污染物。v在清潔金屬和表面覆蓋后可防止再氧化的發生。v降低熔融焊料的表面張力，促進焊料的擴展和流動，增強潤濕性。第二章：焊接材料的基礎知識第二章：焊接材料的基礎知識三、焊 劑3.3 鬆香的分類：鬆香由於制作方式的不同，可以分為膠質鬆香、木質鬆香、妥爾油質鬆香，但其主成分是相同的，屬於鬆香酸及其同分異構體。3.4 活性劑的分類：所謂的活性劑，是具有將熔融焊料和母材表面的金屬氧化物給予溶解去除作用的一種腐蝕劑。活性劑也是對焊劑的可焊性與腐蝕性最有影響的一種化合物。3.5 助焊劑品質、可靠性的項目主要有9項：a.外觀 b.固體含量 c.密度 d.酸值 e.鹵素含量 f.擴展率 g.腐蝕性 h.水萃取液電阻率 I.表面絕緣電阻第二章：焊接材料的基礎知識第二章：焊接材料的基礎知識四、焊 膏4.1 SMT 用焊膏的成分與性能：a)SMT用焊膏主要由焊劑和合金焊料組成，焊劑內包括的活性劑其作用是提高可焊性，同時也是對貼裝元件保持粘接性的重要物質。b)對焊膏的使用要求，主要的有三個項目：可焊性、印刷性、保持穩定性。c)判斷焊膏可焊性的主要因素有六個項目：潤濕性、焊料擴展性、焊料球的發生數、焊料飛濺、元件翹立、脫模性。d)焊膏應用方式的不同或者是其要求特性的不同，代表的品種有多種，但作為性能評價主要有五個項目：印刷特性、粘接性、形狀保持性、保存穩定性、清洗性。e)助焊劑品質的優劣不僅對焊膏會有影響，對液狀焊劑、鬆香焊劑焊料等也有影響，常用和評價項目主要有二項：絕緣電阻、腐蝕。第二章：焊接材料的基礎知識第二章：焊接材料的基礎知識4.2 焊膏粉末的要求：焊膏粉末的形狀主要分為球形與不定形二種。這里作為球形粉末的平面形狀比，規定為1：1.以以內的粉末，且含量在90%以上。焊膏粉末代表性的制作方式有離心噴霧法和气體噴霧法二種。采用在隋性氣體中或在真空中制作焊膏用合金焊料粉的理由，主要是擔心由於氧化而造成焊接不良，或者是產生代表性的焊料球與潤濕不良缺陷。四、焊 膏第二章：焊接材料的基礎知識第二章：焊接材料的基礎知識四、焊 膏4.3 焊膏的使用性能：影響焊膏操作性行(使用性能)的因素：k粘度：當剪切速率增加時，焊膏的表現粘度會變小，要經過一定時間才能返回原始粘度。焊膏的粘度是不固定的，將隨著時間的增加有下降的趨勢，達到平衡時為定值。粘度=剪切應力/滑動速度，單位帕斯卡秒。k流動特性：SMT 用焊膏是一種流體，屬觸變性流體，它具有流變性，在外力作用下能產生流動。k印刷性：影響金屬模板印刷焊膏質量的主要工藝參數為刮刀角度、刮刀壓力、印刷速度。k粘接性k保存穩定性4.4 焊膏的儲存：焊膏必須儲存在510的條件下；從低溫櫃取出焊膏后必須恢復到室溫后才能打開容器蓋，防止水汽凝結；使用前應攪拌均勻。第二章：焊接材料的基礎知識第二章：焊接材料的基礎知識四、焊 膏4.5 迴流焊溫度曲線可分為4個階段：&第一階段是升溫區(干燥區)時，當表面組裝板進入此區域時焊膏中的溶劑、氣體蒸發掉，同時，焊膏中的助焊劑潤濕焊盤、元器件端子和引腳，焊膏軟化、塌落、覆蓋了焊盤，將焊盤、元器件引腳與氧氣隔離；&第二階段是預熱、保溫區，當表面組裝板進入此區域時，使印刷板和元器件得到充分的預熱，以防印制板突然進入焊接高溫區而損壞印制板和元器件；&第三階段是焊接區，當表面組裝板進入此區域時，溫度迅速上升使焊膏達到熔性狀態，液態焊錫對PCB的焊盤、元器件端子和引腳潤濕、擴散、漫流或回流混合形成焊錫接點；&第四階段是冷卻區，當表面組裝板進入此區域時，使焊點凝固，此時完成了再流焊。第二章：焊接材料的基礎知識第二章：焊接材料的基礎知識四、焊 膏4.6 在應用中產生“焊錫球”的主要原因：焊膏本身質量問題：如果焊膏金屬粉含量高，再流焊升溫時金屬微粉隨著溶劑、氣體蒸發而飛濺，如金屬粉末有含氧量高，還會加劇飛濺，形成焊錫球。另外，如果焊膏粘度過低或焊膏的保形性(觸變性)不好，印刷后焊膏圖形會塌陷，戡至造成粘連，再流焊時也會形成焊錫球。元器件焊端和引腳、印刷電路板的焊盤氧化或污染，或印制板受潮，再流焊時不但會產生虛焊，還會形成焊錫球。焊膏使用不當：如果從低溫櫃取出焊膏直接使用，由於焊膏的溫度比室溫低，產生水汽凝結，即焊膏吸收空氣中的水分，攪拌后使水汽混在焊膏中，再流焊升溫時，水汽蒸發帶出金屬粉末，同時在高溫下水汽會使金屬粉末氧化，也會產生飛濺形成焊錫球。溫度曲線設置不當：如果升溫區的升溫速率過快，焊膏中的溶劑、氣體蒸發劇裂，金屬粉末隨溶劑蒸汽飛濺形成焊錫球。如果預熱區溫度過低，突然進入焊接區，也容易產生焊錫球。印刷工藝和印刷用的模板質量方面：印刷質量不好的原因很多，如刮刀壓力過大、模板質量 不好、印刷時會造成焊膏圖形粘連，或沒有及時將模板底部的殘留焊膏擦干凈，印刷時使焊膏粘污焊盤以外的地方，或焊膏量過多等等原因，再流焊時都會形成焊錫球。第二章：焊接材料的基礎知識第二章：焊接材料的基礎知識五、焊料元器件端子與基板焊盤間的反應五、焊料元器件端子與基板焊盤間的反應五、焊料元器件端子與基板焊盤間的反應五、焊料元器件端子與基板焊盤間的反應5.1潤濕：焊料液滴在固體上靜止時，其固體表面和液滴端表面形成的角度稱為接觸角。通常 角度越小潤濕就越好。完全沒有潤濕180，完全潤濕則0。由液體對固體的潤濕。如果固體的表面能量大，液體的表面能量就小。固體液體間的界面能量越大，潤濕性就好。5.2表面張力：在焊料液體表面常常會產生使液體表面積收縮和作用力，我們將這種力稱為表面張力。這是影響到焊料潤濕和一個因素。5.3毛細管現象：焊料液體在窄間隙的自然上升現象稱為毛細管現象，間隙變寬上升高度就降低。第二章：焊接材料的基礎知識第二章：焊接材料的基礎知識固固 體體焊料液焊料液五、焊料元器件端子與基板焊盤間的反應五、焊料元器件端子與基板焊盤間的反應5.4擴散：像圖一的情形將水彩滴入水中，水彩就在水中擴散，漸漸可看出將水均勻變化為水彩的顏色，濃度不均勻的氣體或液體也會使濃度分佈至均勻的變化，這種現象就叫做擴散。擴散可依其物質的定數與度求得在某時間內的物質的移動，亦可以說擴散是依其溫度與時間的二項就能決定。這種擴散現象在金屬與金屬之間也會發生，金屬的擴散是依靠溫度能，將金屬原子移至金屬格子內或結晶間隙的現象，焊接工作可思考為焊錫與母材間所發生的擴散現象。比焊料熔融溫度高的合金在焊料中的溶出現象可稱為溶解，這時的溶出量與時間的平方根楊比例，且溫度越高溶出越多。焊料與銅電極間 SnCu 將優先發生擴散溶出，這時會生存相應的金屬間化合物層，加熱的溫度高，時間長，化合物屋就厚。這個金屬間化合物層厚對焊接品質會產生大的影響。第二章：焊接材料的基礎知識第二章：焊接材料的基礎知識水彩水彩圖一為圖一為水彩擴散水彩擴散擴散是溫度與時間二項決定擴散是溫度與時間二項決定五、焊料元器件端子與基板焊盤間的反應五、焊料元器件端子與基板焊盤間的反應5.5彎月圖法：是測定焊料潤濕性的試驗方法常使用的一種圖法，這也是測定焊料潤濕的時間變化最代表性的試驗方法。下面是利用彎月圖得到的潤濕曲線：第二章：焊接材料的基礎知識第二章：焊接材料的基礎知識五、焊料元器件端子與基板焊盤間的反應五、焊料元器件端子與基板焊盤間的反應5.6 焊料中影響表面張力的微量元素：焊料中常包含幾個以下的微量元素，對焊料表面張力會產生影響。例60Sn40Pb焊料，添加微量的Bi或者是Sb，焊料的表面能量會減小，由於焊料表面的濃化，使其表面張力顯著降低。如果添加Cu、Ag及P，焊料的表面張力會增大。表面張力會根據溫度而發生變化，在多數場合，溫度的上升表面張力將下降。5.7 測定焊料與母材潤濕及擴散性的實驗方法是擴展試驗法：擴展試驗法主要有擴展面積法、擴展系數法、接觸角法三種。擴展面積法是在忽視重力影響的情況下，將微量的焊料熔融，然後測定這個焊料擴展的面積。擴展系數法是將一定量的焊料，使其在薄型母材上加熱熔融擴展，再將已擴展焊料的最大高度與作看為焊料球的直徑之比，來求得擴展系數，這個式子為S(Dh)D100%。接觸角法是將一定量的焊料在薄型母材上加熱熔融擴展后，再將試驗樣片切斷、研磨，然後測定其接觸角。第二章：焊接材料的基礎知識第二章：焊接材料的基礎知識五、焊料元器件端子與基板焊盤間的反應五、焊料元器件端子與基板焊盤間的反應5.8 為防止焊料對元器件端子和基板焊盤成分的溶解，其防止方法為：可事先在焊料中添加含元器件端子和基板焊盤成分的元素，以控制元器件端子和基板焊盤成分在焊料中的溶解，特別在元器件端子和基板焊盤形狀為薄膜狀，細線狀場合，或者是焊料量多的場合，添加元器件端子和基板焊盤金屬成分即會產生抑止溶解的效果。第二章：焊接材料的基礎知識第二章：焊接材料的基礎知識