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表面贴装技术有许多突出的优点:组装密度高,体积小,重量轻,信号处理速度快,可靠性高,具有优异的电性能。
表面贴装元器件采用无引线或短引线的元器件,其寄生电感或电容小,自身噪声小,中高频,高性能的电子产品中smt可发挥良好的作用。
这对于航空、航天、军事等高可靠电子产品的小型化,质量提高,性能优化,环境承受力,都有很大益处。 SMT是由片式元件、组装工艺和组装设备三部分组成,关键是贴片技术、钎焊技术和测试技术。SMT发展到今天,正逐步实现高速率、高精度、全自动化的功能。
作为一条完备的SMT工业化生产线,一般包括丝网印刷机,高速自动贴片机再流焊机,清洗机,烘干机,上下板机到最后的在线测试。而航空、航天、军事等高靠电子产品有其自身特点,那就是品种多,批量小,一直都以手动和半自动工具设备操作为主,投资巨大引进一条自动化生产线是不可能,也是没有必要的。
在SMT技术的逐步应用上,也将主要以手动和半自动操作为主。而航空、航天、军事等产品又是高可靠产品,这就要求SMT的应用将着重于小规模,方便、快捷、可靠地生产、检测和返修改装。以我从事的航天产品为便,根据航天产品品种多,批量小的特点,在SMT的应用上,大致按以下流程进行。
首先是技术人员进行原理图设计,然后是元器件的选择。元器件选择主要考虑功能,封装形式,规格,货源,价格,装配和返修的需要。表面安装元器件的发展过程大致有以下几种:小外形集成电路,它的引线分布在器件两侧,呈鸥翼状。方形扁平塑封装的集成电路,引线分布在器件的四边,呈鸥翼状。塑封有引线芯片载体,引线呈“J”型。无引线陶瓷芯片载体,它以分布在器件四边的金属化焊盘代替引线。
bga,金属化焊盘球栅阵列分布于芯片的底部。SMT电子装联的设备工具和工艺方法是否满足SMD的装联要求,是选择元器件时必须考虑的。否则以手动和半自动设备工具为主的生产线可能满足不了元器件的安装和返修要求。
如:LCCC、bga由于没有引线,焊盘在元器件的底部,对位和贴片由目视来进行是不可能的,必须有光学精密显微放大设备,元器件和电路板是在同一平面上进行观察,对位时,从器件底部通过折射,将引脚和焊盘的影像进行叠加,放大显示在显示器上,通过精密调节系统,使影像重合,才能保证对位和平共处贴片的质量。
因此 ,在元器件的封装形式可以选择的情况下,应优先选择SOIC,QFP,PLCC元器件。这类元器件制造工艺成熟,对设备和操作者技能要救济金相对较低,借助电烙铁或热风后工具就可以方便地进行接触焊接、热风回流焊接。由于航天产品上SMT技术应用才刚刚起步,表面安装元器件的品种、规格至今还不齐全,因此,PCB板的设计将以混装电路为要形式。
在PCB板的设计上,即要满足通孔插入式元器件的布线要求,又要满足表面安装无器件的布线要求。既适应目前手工电子装联的实际情况,又兼顾未来自动化装联技术发展的需要。针对SMT技术的应用,在PCB板设计上需要注意的事项如下。元器件在PCB板上分布,排列应使元器件的轴线相互平行或垂直。PCB板上元件需均匀排放,避免轻重不均。功率器件在板面上力求能分散布置,防止电路板局部过热,致使电路板变形和影响可靠性 。
引线中心距一致的元器件布置在一起,电阻、电容、电感、二极管等片式元件分布在混装板的一面,以利于贴片和再流焊接。板上不同组件相邻焊盘图形之间的最小间距应在1mm以上。PCB板X,Y方向均要留出3~5mm的工艺传送边,这是为了今后波峰焊或回流焊的需要。
焊盘设计一般按所选用元器件外形在标准库中选取相应标准焊盘尺寸,避免在表面安装焊盘以内或在距表面安装焊盘0.635mm以内设置导通孔。凡多引脚的元器件,引脚焊盘之间的短接处不允许直通,应由焊盘加引出互连线之后再短接,以免产生桥连和位移。
由于电路板布线稠密,金属布线间的距离很小,为了避免焊锡桥连,或焊锡在不需要的地方流动,必须要涂覆阻焊膜。对表面安装无器件进行手动组装生产,从焊接方式上分,有接触式焊接和非接触式焊接,手动工具从操作方式上分,有手持式工具固定组件式工具。这种操作方式对工人的技能水平要求比较高,操作之前必须进行上岗培训,达到要求后才能操作,否则将严重影响产品的质量,达不到高可靠要求。电烙铁是接触式焊接的常用工具,主要用于对SOIC,QFP,PLCC,片式元件等有引线无器件的焊接。
根据不同的元器件引线规格、分布、选用不同的烙铁头,对多引线的SOIC,QFP,PLCC,采用刀形或有凹槽的特殊烙铁头,能将一侧引线一次焊接完毕。焊接片式元件,采用精细烙铁头。拾取元器件采用真空吸笔或镊子,对位采用目视或光学精密显微放大设备。为了固定对好位的元器件,使用权之不产生偏移,可在元器件底部采用贴片胶固定。为了减少电烙铁面无私焊接时,温度和时间不易控制对印制板、无器件的温度冲击和焊接缺陷,必须采用精良恒温的电烙铁。
Metcal智能型电烙铁是一种最理想的电烙铁。它采用特殊材料制作烙铁头,通过材料的趋肤效应,用材料的“居里”温度来实现定义的焊接温度参数。它功率可变,温度恒定,通过自适应原理对不同焊点均可以做到过程控制,产品一致性好,可靠性高,而焊锡与焊点的连接过程与操作人员的技巧无关,是世界上唯一的满足了美军标的烙铁。热风枪、热空气喷嘴是常用的非接触式焊接手工具。非接触式再流焊接采用焊膏为焊料,通过焊膏原重新熔化来形成焊点。
再流焊比接触对印制板、焊盘的冲击小,焊接质量可靠,在SMD的安装上得到了广泛应用。特别是对无引线元器件或引线数目很多,引线间距小的大规模集成电路,用电烙铁接触式焊接已很困难,这时就必须采用热风再流焊,避免出现虚焊、漏焊、桥连等焊接缺陷。手持便携式热风枪重量轻,使用方便。固定组件式的热空气喷嘴,更容易对位和贴片,通过喷嘴中央的真空吸嘴拾取元器件,贴片与再流焊接同时完成,适用于高精度的组装。有高可靠性要求的航天产品在PCB板组装件装联完毕后,要进行各种试验。由于元器件早期失效,电性能达不到要求,或质量事故的举一反三,经常需要大量的返修与改装,这是航天产品与一般电子产品返修上的最大不同,是为了确保质量和可靠性的需要。能不能保证在返修改装中的便捷和质量,是一种新技术能不能应用于的前提。
目前的返修技术采用热传导加热和热空气对流加热方式。物持热伟导加热手工个大致有热夹手工具,热拔手工具。其工作头都必须根据不同类的SMD元器件设计,更换方便。从焊接和返修两方面考虑,表面安装维修工作站是一个比较好的选择。它包括焊笔,强力吸锡手工个,热夹手工具,热拔手工具,热风手工具,真空吸笔,点膏器等手工具,自带加热平台和光学精密业微放大设备,既可以手工焊接,又可以例捷地进行PCB板SMD、THT元器件的返修改装,质量可靠,很适合多品种,小批量的型号产品。
在多品种,小批量,高可靠性电子产品上应用SMT技术,一定要从实际条件出发,选择相相的工艺方法和设备,既保证质量,又提高效率,既满现有条件,又兼顾发展完善,和我们实际工作中的不断研究和试验,SMT技术应用将越来越广阔、深入、高效。