昆山威爾欣電子介紹：SMT加工的十大步驟？

第一步驟：制程設計 

    SMT加工組裝制程，特別是針對微小間距元件，需要不斷的監視制程，及有系統的檢視。舉例說(shuō)明，在美國，焊錫接點(diǎn)品質(zhì)標淮是依據 

IPC-A-620及國家焊錫標淮 ANSI / J-STD-001。了解這些淮則及規范后，設計者才能研發(fā)出符合工業(yè)標淮需求的產(chǎn)品。

量產(chǎn)設計

    量產(chǎn)設計包含了所有大量生產(chǎn)的制程、組裝、可測性及可靠性，而且是以書(shū)面文件需求為起點(diǎn)。

一份完整且清晰的組裝文件，對從設計到制造一系列轉換而言，是絕對必要的也是成功的保證。其相關(guān)文件及CAD資料清單包括材料清單(BOM)、合格廠(chǎng)商名單、組裝細節、特殊組裝指引、PC板制造細節及磁片內含 

Gerber資料或是 IPC-D-350程式。

在磁片上的CAD資料對開(kāi)發(fā)測試及制程冶具，及編寫(xiě)自動(dòng)化組裝設備程式等有極大的幫助。其中包含了X-Y軸座標位置、測試需求、概要圖形、線(xiàn)路圖及測試點(diǎn)的X-Y座標。

PC板品質(zhì)

從每一批貨中或某特定的批號中，抽取一樣品來(lái)測試其焊錫性。這PC板將先與制造廠(chǎng)所提供的產(chǎn)品資料及IPC上標定的品質(zhì)規范相比對。接下來(lái)就是將錫膏印到焊墊上回焊，如果是使用有機的助焊劑，則需要再加以清洗以去除殘留物。在評估焊點(diǎn)的品質(zhì)的同時(shí)，也要一起評估PC板在經(jīng)歷回焊后外觀(guān)及尺寸的反應。同樣的檢驗方式也可應用在波峰焊錫的制程上。

組裝制程發(fā)展

    這一步驟包含了對每一機械動(dòng)作，以肉眼及自動(dòng)化視覺(jué)裝置進(jìn)行不間斷的監控。舉例說(shuō)明，建議使用雷射來(lái)掃描每一PC板面上所印的錫膏體積。

在將樣本放上SMT加工元件(SMD) 

并經(jīng)過(guò)回焊后，品管及工程人員需一一檢視每元件接腳上的吃錫狀況，每一成員都需要詳細紀錄被動(dòng)元件及多腳數元件的對位狀況。在經(jīng)過(guò)波峰焊錫制程后，也需要在仔細檢視焊錫的均勻性及判斷出由于腳距或元件相距太近而有可能會(huì )使焊點(diǎn)產(chǎn)生缺陷的潛在位置。

細微腳距技術(shù)

細微腳距組裝是一先進(jìn)的構裝及制造概念。元件密度及復雜度都遠大于目前市場(chǎng)主流產(chǎn)品，若是要進(jìn)入量產(chǎn)階段，必須再修正一些參數后方可投入生產(chǎn)線(xiàn)。

舉例說(shuō)明，細微腳距元件的腳距為 

0.025“或是更小，可適用于標淮型及ASIC元件上。對這些元件而言其工業(yè)標淮有非常寬的容許誤差，就(如圖一)所示。正因為元件供應商彼此間的容許誤差各有不同，所以焊墊尺寸必須要為此元件量身定制，或是進(jìn)行再修改才能真正提高組裝良率。

    焊墊外型尺寸及間距一般是遵循 

IPC-SM-782A的規范。然而，為了達到制程上的需求，有些焊墊的形狀及尺寸會(huì )和這規范有些許的出入。對波峰焊錫而言其焊墊尺寸通常會(huì )稍微大一些，為的是能有比較多的助焊劑及焊錫。對于一些通常都保持在制程容許誤差上下限附近的元件而言，適度的調整焊墊尺寸是有其必要的。

SMT加工元件放置方位的一致性

盡管將所有元件的放置方位，設計成一樣不是完全必要的，但是對同一類(lèi)型元件而言，其一致性將有助于提高組裝及檢視效率。對一復雜的板子而言有接腳的元件，通常都有相同的放置方位以節省時(shí)間。原因是因為放置元件的抓頭通常都是固定一個(gè)方向的，必須要旋轉板子才能改變放置方位。致于一般SMT加工元件則因為放置機的抓頭能自由旋轉，所以沒(méi)有這方面的問(wèn)題。但若是要過(guò)波峰焊錫爐，那元件就必須統一其方位以減少其暴露在錫流的時(shí)間。

一些有極性的元件的極性，其放置方向是早在整個(gè)線(xiàn)路設計時(shí)就已決定，制程工程師在了解其線(xiàn)路功能后，決定放置元件的先后次序可以提高組裝效率，但是有一致的方向性或是相似的元件都是可以增進(jìn)其效率的。若是能統一其放置方位，不僅在撰寫(xiě)放置元件程式的速度可以縮短，也同時(shí)可以減少錯誤的發(fā)生。

一致(和足夠)的元件距離

全自動(dòng)的SMT加工元件放置機一般而言是相當精確的，但設計者在嘗試著(zhù)提高元件密度的同時(shí)，往往會(huì )忽略掉量產(chǎn)時(shí)復雜性的問(wèn)題。舉例說(shuō)明，當高的元件太靠近一微細腳距的元件時(shí)，不僅會(huì )阻擋了檢視接腳焊點(diǎn)的視線(xiàn)也同時(shí)阻礙了重工或重工時(shí)所使用的工具。

波峰焊錫一般使用在比較低、矮的元件如二極體及電晶體等。小型元件如SOIC等也可使用在波峰焊錫上，但是要注意的是有些元件無(wú)法承受直接暴露在錫爐的高熱下。

為了確保組裝品質(zhì)的一致性，元件間的距離一定要大到足夠且均勻的暴露在錫爐中。為保證焊錫能接觸到每一個(gè)接點(diǎn)，高的元件要和低、矮的元件，保持一定的距離以避免遮蔽效應。若是距離不足，也會(huì )妨礙到元件的檢視和重工等工作。

工業(yè)界已發(fā)展出一套標淮應用在SMT加工元件。如果有可能，盡可能使用符合標淮的元件，如此可使設計者能建立一套標淮焊墊尺寸的資料庫，使工程師也更能掌握制程上的問(wèn)題。設計者可發(fā)現已有些國家建立了類(lèi)似的標淮，元件的外觀(guān)或許相似，但是其元件之引腳角度卻因生產(chǎn)國家之不同而有所差異。舉例說(shuō)明， 

SOIC元件供應者來(lái)自北美及歐洲者都能符合EIZ標淮，而日本產(chǎn)品則是以EIAJ為其外觀(guān)設計淮則。要注意的是就算是符合EIAJ標淮，不同公司生產(chǎn)的元件其外觀(guān)上也不完全相同。

為提高生產(chǎn)效率而設計

組裝板子可以是相當簡(jiǎn)單，也可是非常復雜，全視元件的形態(tài)及密度來(lái)決定。一復雜的設計可以做成有效率的生產(chǎn)且減少困難度，但若是設計者沒(méi)注意到制程細節的話(huà)，也會(huì )變得非常的困難的。組裝計劃必須一開(kāi)始在設計的時(shí)候就考慮到。通常只要調整元件的位置及置放方位，就可以增加其量產(chǎn)性。若是一PC板尺寸很小，具不規則外形或有元件很靠近板邊時(shí)，可以考慮以連板的形式來(lái)進(jìn)行量產(chǎn)。

測試及修補

通常使用桌上小型測試工具來(lái)偵測元件或制程缺失是相當不淮確且費時(shí)的，測試方式必須在設計時(shí)就加以考慮進(jìn)去。例如，如要使用ICT測試時(shí)就要考慮在線(xiàn)路上，設計一些探針能接觸的測試點(diǎn)。測試系統內有事先寫(xiě)好的程式，可對每一元件的功能加以測試，可指出那一元件是故障或是放置錯誤，并可判別焊錫接點(diǎn)是否良好。在偵測錯誤上還應包含元件接點(diǎn)間的短路，及接腳和焊墊之間的空焊等現象。

若是測試探針無(wú)法接觸到線(xiàn)路上每一共通的接點(diǎn)(common 

junction)時(shí)，則要個(gè)別量測每一元件是無(wú)法辦到的。特別是針對微細腳距的組裝，更需要依賴(lài)自動(dòng)化測試設備的探針，來(lái)量測所有線(xiàn)路上相通的點(diǎn)或元件間相聯(lián)的線(xiàn)。若是無(wú)法這樣做，那退而求其次致少也要通過(guò)功能測試才可以，不然只有等出貨后顧客用壞了再說(shuō)。

ICT測試是依不用產(chǎn)品制作不同的冶具及測試程式，若在設計時(shí)就考慮到測試的話(huà)，那產(chǎn)品將可以很容易的檢測每一元件及接點(diǎn)的品質(zhì)。(圖二)所示為可以目視看到的焊錫接點(diǎn)不良。然而，錫量不足及非常小的短路則只有依賴(lài)電性測試來(lái)檢查。

圖二、焊點(diǎn)缺陷，以目視檢測，包括因接腳共平面問(wèn)題所造成的空焊及短路，自動(dòng)測試機在發(fā)現肉眼無(wú)法檢測出的缺陷時(shí)，是有其存在的必要的。

由于第一面及第二面的元件密度可能完全相同，所以傳統所使用的測試方式可能無(wú)法偵測全部錯誤。盡管在高密度微細腳距的PC板上有小的導通孔(via)墊可供探針接觸，但一般仍會(huì )希望加大此導通孔墊以供使用。

決定最有效率之組裝

對所有的產(chǎn)品都提供相同的組裝程序是不切實(shí)際的。對于不同元件、不同密度及復雜性的產(chǎn)品組裝，至少會(huì )使用二種以上的組裝過(guò)程。至于更困難的微細腳距元件組裝，則需要使用不同的組裝方式以確保效率及良率。

整個(gè)產(chǎn)品上元件密度的升高及高比率使用微細腳距元件都將使得組裝(測試及檢視)的困難度大幅提高。有些方式可供選擇：SMT加工元件在單面或雙面、SMT加工元件及微細腳距元件在單面或雙面。

當制程復雜度升高時(shí)，費用也隨之上升。舉例說(shuō)明，在設計微細腳距元件于一面或雙面之前，設計者必須了解到此一制程的困難度及所需費用。另一件則是混載制程。PC板通常都是采用混載制程，也就是包含了穿孔元件在板子上。在一自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)上，SMT加工元件是以回焊為主要方式，而有接腳的元件則是以波峰焊錫法為主。在這時(shí)有接腳的元件，就必須等回焊元件都上完后再進(jìn)行組裝。

回焊焊接

回焊焊接是使用錫、鉛合金為成份的錫膏。這錫膏再以非接觸的加熱方式如紅外線(xiàn)、熱風(fēng)等，將其加熱液化。波峰焊錫法可用來(lái)焊接有接腳元件及部份SMT加工元件，但要注意的是，這些元件必須先以環(huán)氧樹(shù)脂固定，才能暴露在熔融的錫爐里。以下幾種連線(xiàn)生產(chǎn)方式可供參考：回焊焊接、雙面回焊焊接、回焊/波峰焊錫、雙面回焊/波峰焊錫、雙面回焊/選擇性波峰焊錫等方式。 

回焊/波峰焊錫及雙面回焊/波峰焊錫，需要先用環(huán)氧樹(shù)脂將第二面的SMT加工元件全部固定起來(lái)(元件會(huì )暴露在熔融的錫中)。設計者在使用主動(dòng)元件于波峰焊錫中要特別的注意。

選擇性波峰焊錫法，是先用簡(jiǎn)單的冶具將先前以回焊方式裝上的元件遮蔽起來(lái)，再去過(guò)錫爐。這種方式可以把元件以冶具保護起來(lái)，只露出部份選擇性區域來(lái)通過(guò)熔融的錫。這方法還需要考慮到兩種不同的元件(SMT加工元件及插件式元件)之間的距離，是否能確保足夠的流錫能不受限制的流到焊點(diǎn)。較高的元件(高于3mm)最好是放到第一面，以免增加冶具的厚度。

    在雙面回焊后使用選擇性波峰焊錫時(shí)，SMT加工元件和插件式元件接腳要保持一定的距離，以確保錫流能順利流過(guò)這些焊點(diǎn)。

    魯柏特方式(Ruppert 

process)提供制程工程師，一次就將回焊元件及插件式元件焊接好的方式。將一計算過(guò)的錫膏量放置到每一穿孔焊墊的四周。當錫膏熔化時(shí)會(huì )自動(dòng)流入穿孔內， 

填滿(mǎn)孔穴并完成焊接接點(diǎn)。當使用這種方式時(shí)元件必須要能承受回焊時(shí)的高溫。

冶具開(kāi)發(fā)文件

    開(kāi)發(fā)PC板組裝用冶具需要詳細如CAD等的資料。Gerber 

file或IPC-D-350用來(lái)制作板子的資料也常在撰寫(xiě)機器程式，開(kāi)印刷鋼版及制造測試冶具時(shí)被用到。盡管每一部份所使用的程式相容性都不同，但全自動(dòng)的機械設備，通常都會(huì )有自動(dòng)轉換或翻譯的軟體來(lái)把CAD資料轉成可辨視的格式。使用資料的單位包括組裝機器的程式、印刷鋼版制作、真空冶具制作及測試冶具等。

結論

工程師可能會(huì )使用數種不同的成熟制程方式，來(lái)焊接許多種類(lèi)的元件到PCB基板上面。有著(zhù)完整的計劃及一清晰易懂的組裝流程步驟及需求，設計者可以更容易淮備出一符合生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)的產(chǎn)品。提供一好的PC板設計及完整且清晰的文件，可以確保組裝品質(zhì)、功能及可靠度都能在一定預算下順利達到目地。