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          表面貼裝技術(shù)

          2018-08-25 13:40:00
          陸啟蒙
          原創(chuàng )
          9788

          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。

          表面貼裝技術(shù)

          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。

          表面貼裝技術(shù)

          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)。

          表面貼裝技術(shù)

          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。

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