薜竞成系列文章--SMT可制造性设计(DFM)及应用!(二部分).doc
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1、薜竞成系列文章-SMT可制造性设计(DFM)及应用!(二部分) 5.0 热处理技术 热处理在SMT的应用上是很重要的学问。原因之一是SMT技术在组装密度上不断增加,而在元件体形上不断缩小,造成单位体积内的热量不断提高。另一原因是SMT的元件和组装结构,对因尺寸变化引起的应力的消除或分散能力不佳,造成对热变化引起的问题特别严重。常见的故障是经过一定时间的热循环后(环境温度和内部电功率温度),焊点发生断裂的现象。 在设计是考虑热处理问题有两方面,一是半导体本身界面的温度,另一是焊点界面的温度。在分析热性能的时候,有两大注意方面。一是温度的变化幅度和速率,另一是处在高低温度下的时间。前者关系到和温差
2、有关的故障,如热应力断裂等。而后者关系到和时间长短有关的故障,如蠕变之类。所以他们的影响是不同的,故障分析时都应个别测试和考虑。 因为受热而为害产品的其中一种方式是热冲击。产品在其寿命期间,尤其是在组装过程受到的热冲击(来自焊接和老化),如果处理不当,将会大大的影响其质量和寿命。这种热冲击,由于来得较快,即使材料在温度系数上完全配合也会因温差而造成问题。除了制造上的热冲击,产品在服务期间也会经历程度不一的热冲击,比如汽车电子在冷天气下启动而升温等等。所以一件产品在其寿命期间,将会面对制造、使用环境(包括库存和运输)和本身的电功率耗损三方面的热磨损。 为确保寿命而努力的热处理工作,对于半导体或元
3、件供应商、设计和组装工厂、元件产品的用户各方面都有本身的责任。元件商的责任在于确保良好的封装设计、使用优良的封装材料和工艺、并提供完整有用的设计数据给他的用户(即产品设计和组装工厂)。产品设计和组装工厂的责任则在于设计时的热处理考虑,正确和足够散热的采用,以及正确的组装工艺应用和管制。至于产品用户,则应根据供应商建议的使用方法、环境和保养来使用这产品。 要确保产品有较长的寿命,有效的散热处理和热平衡设计就成了重要的工作。散热的方式,一般还是通过热传播的三个基本原理,即热的传导、对流和辐射来达到的。在散热考虑上有几个难处。从避免有噪音(机械和电气噪音)和成本的观点上,我们偏向于采用自然空气对流的
4、方法来散热。但从防止腐蚀和电移等观点上,我们又希望将产品和空气隔开。这样的矛盾,加上空气流动学是门复杂的学问,而产品组装起来的外形(元件高矮距离的布局)对空气的流动造成的影响,基本的结构和对各不同热源(元件)的散热分担等都是复杂的学问。目前也还没有能较好较准确进行整体热分析的软件之类的工具来协助设计工作。所以这工作做起来相当棘手。很多时候还得凭经验和尝试。传统的以热阻公式的估计法依然通用,唯有对多元件合成的整体产品的分析准确度不高(个别估计还可以)。但因为没有更可靠的方法,目前的软件还是建立在这基础上的。 从THT(插件技术)到SMT的转变中,我们可以发现元件的体形缩小了,产品的组装密度增加了
5、,元件底部和基板间的距离缩短了这些都导致通过对流和辐射散热功效的减低,而通过基板的传导来散热就更重要了(虽然基板因密度增加也造成传导散热效率的不良)。在元件封装技术上,SMD IC方面的设计通过不同引脚材料的选用和内部引脚底盘的尺寸设计而大有改善(较插件DIP的效果好),但这改进很多时候还应付不了组装密度的增加、元件的微型化和信号速度快速增加等方面发展连带的散热问题。 温度膨胀系数失配的问题,除了材料外也和元件和基板的大小有关。比如2220的矩形件在这方面的寿命就较1206来得短,而LCCC156也会较LCCC16的寿命短许多。一份试验报告显示LCCC156的热循环测试寿命为183周,对同测试
6、条件下LCCC16的722周寿命小了许多,只有他的25左右。 解决这类问题或延长寿命的方法,工业界中有几种对策。当然最基本的是尽量选择有引脚的元件,尤其是体形较大的元件。其中器形引脚在这方面的可靠性算是较好的。另一种做法是采用有金属夹层(如以上提到的铜-殷钢内夹板)的基本设计,这是种相当理想的做法。但价格昂贵而且供应商少。第三种做法是采用在环氧树脂和铜焊盘间加入一层弹胶物的基板设计,弹胶层的柔性可以大大的吸收因温度变化产生的应力。还有一种做法是采用了一种特制的锡膏,在锡膏中加入了某些成份的陶瓷或金属细球体,使焊点在回流焊后被托高起来。较高的焊点有更强的吸收应力的能力。 很多时候,单靠正确的材料
7、选择和设计还是不足以完全解决散热的问题。因此额外的散热设计就必须被用上。在散热处理中,通过辐射的方法以往不被采用(这方面有新发展,稍后提到)。原因是辐射散热需要有较大的温差才有效,也就是说热源要相当的热而一般不被接受(散热就是要使元件处于低热);同时散热的途径不易被控制(辐射是往各方向进行的),会造成对周边元件的加热现象。对流散热最常被使用,其中有自然对流和强制对流两种方法。自然对流较经济简单,但有一定的限制。如热源不应超过每单位立方米一万两千瓦特、空气和热源的温差应超过30度以上等等条件。强制对流,即采用风扇吹风或排风的做法,是个相当常用和有效的方法。可以用在整机或单一元件(如电脑中的处理器
8、IC)上。一般它的散热效率可达自然对流的4至8倍。缺点是成本、重量、耗能等都高。传导散热技术,在产品不断微型化下逐渐被重视和采用。一般配合基板材料的选用和设计(如金属内夹板),使热能通过基板的传导扩散到基板外去。一般传到板边缘的金屑支架或机壳上。散热能力可以达到每单位立方米25万瓦特(自然对流的20倍)。另外还有很少被使用的液体散热技术,散热能力可达自然对流的80倍。由于产品的基板必须被浸在冷却液体中,液体材料的选择要很小心。以确保不会影响产品的电气性能和起化学变化。这方面系统的设计也较困难,成本很高,所以只用在特大功率如特大型的电脑上。采用黏性较大的冷却液体还能同时起着避震的作用。液态散热也
9、有自然对流和强制对流两种做法。 目前工业界中有工厂在开发一套新的散热技术,是采用辐射原理的。借助于类似无线电天线的发射原理,把热能当作是一种波来发射离热源。据已发表的研究报告,通过在元件底部基板上的钢分布和图形,元件基板内层的结构设计,其辐射散热的效果可以达到采用一般散热器的两倍多。目前这项研究仍在进行中,是要找出钢分布图形和散热能力的确实关系。 以下是一些有用的散热考虑: 1在空气流动的方向上,对热较敏感的元件应分布在上游的位置。 2发热较高的元件分散开来,使单位面积的热量较小。 3将热源尽量靠近冷却面(如传导散热的板边等等)。 在使用强制空气对流的情况下: 4较高的元件应分布在热源的下游地
10、方。 5下游的高元件应和热源有一定的距离。 6高长形的元件应和空气流动方向平行。6.0 焊盘设计 焊盘的尺寸,对SMT产品的可制造性和寿命有着很大的影响。所以它是SMT应用中一个必须做得好的工作。影响焊盘尺寸的因素众多,必须全面的配合才能做得好。要在众多因素条件中找到完全一样的机会很小。所以SMT用户应该开发适合自己的一套尺寸规范。而且必须有良好的档案记录,详细记载各重要的设计考虑和条件,以方便将来的优化和更改。由于目前在一些因素和条件上还不能找出具体和有效的综合数学公式,用户还必须配合计算和试验来优化本身的规范,而不能单靠采用他人的规范或计算得出的结果。 6.l 良好焊盘和影响它的因素 一个
11、良好的焊盘设计,应该提供在工艺上容易组装、便于检查和测试、以及组装后的焊点有很长的使用寿命等条件。设计考虑上的焊盘定义,包括焊盘本身的尺寸、绿油或阻焊层框框的尺寸、元件占地范围、元件下的布线和(在波峰焊工艺中)点胶用的虚设焊盘或布线的所有定义。 决定焊盘尺寸的,有五方面的主要因素。他们是元件的外形和尺寸、基板种类和质量、组装设备能力、所采用的工艺种类和能力、以及要求的品质水平或标准。在考虑焊盘的设计时必须配合以上五个因素整体考虑。计算尺寸公差时,如果采用最差情况方法(即将各公差加起来做总公差考虑的方法),虽然是最保险的做法,但对微型化不利而有难照顾到目前统一不足的巨大公差范围。所以工业界中较常
12、用的是统计学中接受的有效值或均方根方法。这做法在各方面达到较好的平衡。6.2 设计前的准备工作 焊盘设计必须配合多方面的资料,所以在进行焊盘设计前有以下的准备工作先得做好。 1收集元件封装和热特性的资料。注意国际是对元件封装虽然有规范,但东西方规范在某些方面的相差还是挺大的。有时要以统一的焊盘尺寸来处理这巨大的规范范围,同时又要配合厂内的各种条件而做到最优化是不可能的。用户必须在元件范围上做出选择或把设计规范分成等级。 2整理基板的规范。对于基板的质量(如尺寸和温度稳定性)、材料、油印的工艺能力和相对的供应商都必须有一清楚详细的记录。 3制定厂内的工艺和设备能力规范。例如基板处理的尺寸范围、贴
13、片精度、丝印精度、回流原理和点联工艺采用的是什么注射泵等等。这方面的量化了解对焊盘的设计也有很重要的帮助。 4对各制造工艺的问题和知识有足够的了解。这协助对设计焊盘时的考虑和取舍,有些时候设计无法面面俱到,这方面的知识和能力可以使设计人员做出较好的决策。 5制定厂内或对某一产品上的品质标准。只有在了解到具体的产品品质标准后,焊盘设计才可以有意义的推算出来。品质标准是指如焊点的大小。需要怎么样的外形等等。6.3 波峰焊工艺中的一些考虑 波峰焊接工艺中,较常见的工艺问题有阴影效应(缺焊)、桥接(短路)和元件脱落。阴影效应是由于元件封装的不润湿性和熔锡的强大表面张力造成的,为了避免这种问题的产生,焊
14、盘的长度必须有足够的伸延出元件体外,越高的元件封装伸延也应越长。而元件和元件之间的距离也不能太靠近,应保留有足够的孔隙让熔锡渗透。注意这些尺寸都和厂内的设备和调制能力有一定的关系,所以设计时必须了解到厂内这方面的特性。 桥接问题常发生在IC引脚上和距离太近的元件。解决的方法是给予足够的元件间距,对于IC引脚(一般发生在离开锡炉的最后引脚上)可以在焊盘设计上加入吸锡或盗锡虚焊盘。此焊盘的尺寸和位置看IC的引脚间距和类型而定。对于较细间距的器形引脚和J形引脚,吸锡焊盘应该往外侧布置,较细间距的引脚应采用较长的吸锡焊盘。此外,对于四边都有引脚的QFP应采用45度角置放,以减少桥接的机会。对于J形引脚
15、和间距较宽的PLCC则无此需要。 元件脱落的问题,一般是因为黏胶工艺做得不好造成的。最常见的是因为胶点的高度不够引起。而很多时候是因为工艺(泵技术)和材料(黏胶、元件)的选择不当,以及因基板上焊盘高度将元件托起而引起的。设计时除了要具体和严格的规定元件的封装尺寸、工艺规范中规定技术和材料外,在基板的设计上可以采用所谓的垫盘(在胶点处的一种虚焊盘)来协助增加胶点的高度。这垫盘也可以采用信号布线来代替。6.4 焊点质量的考虑 决定焊盘的尺寸大小,首先要从焊点的质量来考虑。什么样的焊点(大小、外形)才算是优良的焊点呢?厂内的品质部应该配合设计和工艺部有一认同。科学性的确认是通过对不同焊点大小和外形进
16、行寿命测试而得来的。这类测试费用高、技术难、所需时间也长,因此不是每一家工厂都能负担的。不过工业界中有许多经验是可以被我们参考和借用的。比如说矩形元件的焊点,我们要求底部端点最少有一半的面积必须和焊盘焊接(家电和消费产品),端点两侧要有0.3mm以上或元件高度的三份之一的润湿面等的最低要求。 对于设计工作,重要的是我们应该了解到焊点组成各部分的功能和作用。比如了解到矩形元件两端延伸方向处是影响焊点的机械力,是提供工艺效果有用的检查点。而它在组装工艺上是影响立碑和阴影效应的重要部分和关系后,我们在设计时就能很好的给予尺寸方面取舍的决定。又例如我们了解到矩形元件各端点两侧只提供未必需要的额外机械强
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