1 前言

近年來(lái)，新型電子表面貼裝技術(shù)SMT(Surface Mount Tech-nology)已取代傳統的通孔插裝技術(shù)，并支配電子設備發(fā)展，被共識為電子裝配技術(shù)的革命性變革。SMT以提高產(chǎn)品可靠性及性能，降低成本為目標，無(wú)論是在消費類(lèi)電子產(chǎn)品，還是在軍事尖端電子產(chǎn)品領(lǐng)域中，都將使電子產(chǎn)品發(fā)生重大變革。

2 表面貼裝技術(shù)及元器件介紹

表面貼裝工藝，又稱(chēng)表面貼裝技術(shù)(SMT)，是一種無(wú)需在印制板上鉆插裝孔，而直接將表面組裝元器件貼焊到印制線(xiàn)路板的規定位置，用焊料使元器件與印制線(xiàn)路板之間構成機械和電氣連接的電子組裝技術(shù)。

需要進(jìn)行表面貼裝的電子產(chǎn)品一般由印制線(xiàn)路板和表面貼裝元器件組成。印制線(xiàn)路板PWB(Printed Wire Board)是含有線(xiàn)路和焊盤(pán)的單面或雙面多層材料。表面貼裝元器件包括表面貼裝元件和表面貼裝器件兩大類(lèi)。其中表面貼裝元件是指各種片狀無(wú)源元件，如電阻，電容，電感等；而表面貼裝器件是采用封裝的電子器件，通常是指各種有源器件，如小外形封裝器SOP(Small Outline Package)，球柵陣列封裝器BGA(Ball Grid Array)等。有些元器件不能用于SMT，如部分接線(xiàn)器，變壓器，大電容等。

3 表面貼裝技術(shù)流程

表面貼裝丁藝包括核心和輔助兩大工藝。其中核心工藝由印刷、貼片和回流焊3部分組成，任何類(lèi)型產(chǎn)品的生產(chǎn)都要經(jīng)過(guò)這3道工序，各部分必不可少；輔助工藝主要由“點(diǎn)膠”工藝和光學(xué)輔助自動(dòng)檢測工藝等組成，并非必需，而是根據產(chǎn)品特性以及用戶(hù)需求決定的。

印制線(xiàn)路板有單雙面之分，電子產(chǎn)品也相應分為單面產(chǎn)品(印制線(xiàn)路板的一面需要貼裝元器件)和雙面產(chǎn)品(印制線(xiàn)路板的兩面均需要貼裝元器件)，圖1為單面產(chǎn)品的表面貼裝工藝流程。圖2為雙面產(chǎn)品的表面貼裝工藝流程。

印刷工藝目的是使焊膏通過(guò)模板和印刷設備的共同作用，準確印刷到印制線(xiàn)路板。印刷工藝涉及的工藝元素主要有焊膏，模板和印刷系統。焊膏是將元器件與印制線(xiàn)路板連接導通，實(shí)現其電氣和機械連接的重要材料。焊膏主要由合金和助焊劑組成。在焊接過(guò)程中，它們分別發(fā)揮功效完成焊接工作。模板用來(lái)將焊膏準確印到印制線(xiàn)路板上，模板的制作方法和開(kāi)孔設計對印刷質(zhì)量有很大影響。印刷系統主要是指印刷設備和印刷參數。印刷設備的質(zhì)量對印刷準確度影響很大，印刷設備的重復印刷精度與印刷參數設置的合理匹配，是準確印刷的重要保證。印刷參數有很多，但對印刷效果影響最大的關(guān)鍵參數有印刷速度、刮刀壓力、脫模速度和脫模距離等。需要設置這些關(guān)鍵參數并使其相互匹配。以提高印刷質(zhì)量。印刷速度一般為12．7~203．2 mm／s，具體參數取決于刮板壓力和釬料膏的物理性能。而SMT工藝要求印刷刮板壓力為4．448 222~6．672 333 N。

貼片工藝的目的是確保所有零件準確、快速地被貼片到印制線(xiàn)路板。貼片工藝主要涉及貼片機及其貼片能力。貼片機的貼片能力是準確貼片的重要保證。貼片機的關(guān)鍵技術(shù)包括：運動(dòng)，執行及送料機構高速。微型化技術(shù)；高速機器視覺(jué)識別及照明技術(shù)；高速，高精度智能控制技術(shù)；并行處理實(shí)時(shí)多任務(wù)技術(shù)；設備開(kāi)放式柔性模塊化技術(shù)及系統集成技術(shù)。

回流焊工藝是通過(guò)熔化預先分配到印制線(xiàn)路板焊盤(pán)上的焊膏，實(shí)現表面貼裝元器件的焊接面或引腳與印制線(xiàn)路板焊盤(pán)之間機械和電氣連接的焊接?；亓骱缚杀ＷC優(yōu)異的焊接效果?；亓骱腹に嚨闹饕に囋厥腔亓骱笭t及其焊接能力，其焊接能力主要體現在回流焊爐的加熱系統、冷卻系統、助焊劑管理系統及惰性氣體保護系統。其中，加熱系統與加熱效率、溫控精度、溫度均勻性以及穩定性有關(guān)；冷卻系統的作用有：當回流焊峰值溫度較高時(shí)，如果不能快速冷卻，基板出回流焊爐口的溫度過(guò)高，容易造成基板板彎；快速冷卻可細化組織，防止金屬間化合物增厚。提高可靠性。助焊劑在回流焊的過(guò)程中會(huì )揮發(fā)，如果沒(méi)有一個(gè)理想的助焊劑管理系統及時(shí)將揮發(fā)的助焊劑抽走并過(guò)濾循環(huán)，助焊劑就會(huì )隨高溫氣流進(jìn)入冷卻區，凝結在散熱片和爐內，降低冷卻效果并污染設備和基板。當基板匹配使用的焊膏活性不夠好或線(xiàn)路板上有超細間距元件和復雜元片，再加上基板需要多次過(guò)回流焊爐，則考慮在回流焊爐內充人惰性氣體，降低氧化機會(huì )，提高焊接活性。一般使用的惰性氣體是氮氣?；亓骱笭t的焊接能力還需通過(guò)編輯回流焊爐的控制程序發(fā)揮。完成貼片的線(xiàn)路板在通過(guò)回流焊爐時(shí)，一般經(jīng)歷：預熱階段，保溫階段，回流階段以及冷卻階段。通過(guò)回流焊爐的控制程序管控，確保焊接質(zhì)量。

輔助工藝用于協(xié)助貼裝順利進(jìn)行并積極預防檢測和事后檢測。輔助工藝主要由“點(diǎn)貼”工藝和光學(xué)輔助自動(dòng)檢測工藝組成?！包c(diǎn)膠”工藝是通過(guò)將專(zhuān)用膠水“點(diǎn)貼” 到所需元件的下方或周邊，對元件進(jìn)行適當保護，以確保元器件在經(jīng)受多次回流焊接不脫落；減少元件在貼裝過(guò)程中受到的應力沖擊；保護元件在復雜的使用環(huán)境中不受損?！包c(diǎn)膠”工藝的工藝元素主要包括“點(diǎn)膠”設備，專(zhuān)用膠水和“點(diǎn)膠”參數的設置。需要合理選擇設備，膠水并設計好參數設置才能確保工藝效果。光學(xué)輔助自動(dòng)檢測工藝主要是：一是使用專(zhuān)門(mén)光學(xué)設備測量印刷后的焊膏厚度均勻性和印刷準確度，在貼片后檢測貼片準確度，在回流焊前將有缺陷的線(xiàn)路板檢測出來(lái)并及時(shí)報警；二是在回流焊后使用專(zhuān)門(mén)的光學(xué)設備檢測焊點(diǎn)，將有焊點(diǎn)缺陷的線(xiàn)路板檢測出來(lái)并報警。專(zhuān)門(mén)的光學(xué)測量設備主要有可見(jiàn)光檢測設備和X光檢測設備。前者主要是自動(dòng)光學(xué)檢測設備AOI(Automatic Optional Inspection)，后者主要是三維和五維的X-ray設備。前者主要用于檢測可視焊點(diǎn)，而后者除了檢測可視焊點(diǎn)外，還可檢測不可目視的BGA類(lèi)零件的焊點(diǎn)。是否采用輔助工藝則是根據所需貼裝產(chǎn)品的特性來(lái)決定的。

4 回流焊的原理及溫度曲線(xiàn)

從回流焊溫度曲線(xiàn)(圖3)分析回流焊原理：當PCB進(jìn)入預熱區時(shí)，焊錫膏的溶劑、氣體被蒸發(fā)，同時(shí)焊錫膏的助焊劑潤濕焊盤(pán)、元器件端頭和引腳，焊錫膏軟化、塌落、覆蓋了焊盤(pán)，將焊盤(pán)、元器件引腳與氧氣隔離；PCB進(jìn)入保溫區時(shí)，PCB和元器件得到充分預熱。以防PCB突然進(jìn)入再流焊區升溫過(guò)快而損壞PCB和元器件；當PCB進(jìn)入再流焊區時(shí)，溫度迅速上升使焊錫膏達到熔化狀態(tài)，液態(tài)焊錫對 PCB的焊盤(pán)、元器件端頭和引腳潤濕、擴散、漫流或回流混合形成焊錫接點(diǎn)；PCB進(jìn)入冷卻區，焊點(diǎn)凝固，完成整個(gè)回流焊。

回流焊過(guò)程中，焊膏需經(jīng)溶劑揮發(fā)。焊劑清除焊件表面的氧化物，焊膏熔融、再流動(dòng)以及焊膏冷卻、凝固。所以，回流焊過(guò)程中，焊接溫度主要分4個(gè)溫度區：預熱區、保溫區、再流焊區以及冷卻區。預熱區為室溫到120℃；保溫區為120℃~170℃；回流區為170℃~230℃，最高溫度為210℃~230℃；冷卻區為從210℃降到約100℃。

溫度曲線(xiàn)是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵，實(shí)際溫度曲線(xiàn)和焊錫膏溫度曲線(xiàn)的升溫斜率和峰值溫度應基本一致。160℃前的升溫速度控制在1℃／s～2℃／s，如果升溫速度太快，一方面使元器件及PCB受熱太快，易損壞元件，造成PCB變形；另一方面，焊錫膏中的溶劑揮發(fā)速度太快。容易濺出金屬成分，產(chǎn)生焊錫球。峰值溫度一般設定比焊錫膏熔化溫度高20℃～40℃(例如Sn63／Pb37焊錫膏的熔點(diǎn)為183℃，峰值溫度應設置在205℃～230℃)，回(再)流時(shí)間 10～60 s，峰值溫度低或回(再)流時(shí)間短，會(huì )使焊接不充分，嚴重時(shí)會(huì )造成焊錫膏不熔；峰值溫度過(guò)高或回(再)流時(shí)間長(cháng)，造成金屬粉末氧化，影響焊接質(zhì)量，甚至損壞元器件和PCB。

設置回(再)流焊溫度曲線(xiàn)的依據：所使用焊錫膏的溫度曲線(xiàn)，根據PCB的材料、厚度、是否多層板、尺寸；表面組裝板搭載元器件的密度、元器件大小以及有無(wú) BGA、CSP等特殊元器件；設備的具體情況，諸如加熱區的長(cháng)度、加熱源的材料、回流焊爐的構造和熱傳導方式等因素。

某類(lèi)印制板的實(shí)際生產(chǎn)中因設備緣故設定溫度區域為：升溫區，保溫區，快速升溫區，回流區。焊膏為Sn63Pb37型焊膏，其熔點(diǎn)為183℃，焊接采用某型回流焊接爐，每種印制板組件必須設計合適的焊接參數，做到一種印制板一個(gè)溫度曲線(xiàn)。圖4為標準回流焊接溫度曲線(xiàn)，圖5為某印制板實(shí)際回流焊接溫度曲線(xiàn)。

這是一個(gè)9溫區的回流焊接爐，實(shí)際的溫度測試有3個(gè)測試點(diǎn)，其中圖5是實(shí)際溫度曲線(xiàn)。溫區的參數設定要滿(mǎn)足以下要求：1)升溫區：從室溫到100℃的升溫速率不超過(guò)2℃／s；2)保溫區：從100℃～150℃保持時(shí)間70～120 s；3)快速升溫區：從150℃～183℃保持時(shí)間不要超過(guò)30s，升溫速度應該在2～3℃／s：4)回流區：最高溫度為205℃～230℃，處于液相線(xiàn)以上的時(shí)間40～60 s；5)冷卻區：冷卻速度為2～4℃／s。經(jīng)圖4和圖5的理論與實(shí)際印制板溫度曲線(xiàn)對比，實(shí)際回流焊溫度區域在標準溫度范圍內，從而得出此印制板表貼器件的焊接符合要求，保證印制板表面貼裝器件的電氣性能。需特別注意：回流焊爐必需每周測試一次，將測試溫度曲線(xiàn)與標準溫度曲線(xiàn)進(jìn)行對比，確定二者是否完全吻合。主要核對參數有：升溫區升溫速率，保溫區保持時(shí)間，快速升溫區和回流區的升溫速度、峰值溫度、液相線(xiàn)以上時(shí)間，冷卻區冷卻速率，及曲線(xiàn)是否存在異常波動(dòng)。

5 結束語(yǔ)

表面貼裝技術(shù)滲透于各個(gè)領(lǐng)域，可直接影響到電子產(chǎn)品的焊接水平，以及電子產(chǎn)品的性能與質(zhì)量。敘述表面貼裝技術(shù)整個(gè)流程，闡述焊接過(guò)程中的回流焊的原理及溫度曲線(xiàn)。對比實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的某印制板的標準回流焊接溫度曲線(xiàn)與實(shí)際回流焊接溫度曲線(xiàn)，只要滿(mǎn)足實(shí)際回流焊溫度區域在標準溫度范圍內，就可以滿(mǎn)足貼裝元器件的性能指標。