00066SMT七步曲.doc

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1、SMT七步曲第一步：可制造性设计（DFM）1第二步：过程控制6第三步：焊接材料制9第四步：印刷13第五步：胶粘剂与点胶18第六步：元器件贴装21第七步：焊接25第一步：可制造性设计（DFM）最优化设计（DFX） 随着越来越多的公司引入可制造性设计（DFM）方法来提高利润和产量，最优化设计（DFX）的概念逐渐变得引人瞩目起来。成功实施DFX，可以确保产品的生产和检测质量，保证高度的可制造性和可测试性，因而DFX可以说是电子组装中的一个关键性因素。缺乏有竞争力的DFX文化和方法可能导致设计失败。 SMT行业正渐渐地、实实在在地接受DFX的概念。要让公司的各部门，特别是分布在全球各地的公司各部门，普

2、遍接受DFX理念，肯定是一件困难的任务。不过网站是分享知识的优秀工具。我们不妨来讨论一下DFX的理念，同时探讨如何建立和维护一个DFX网站。表面贴装顾问委员会（SMC）在七八年前就提出了DFX概念，以鼓励可制造性（DFM）、可测试性和可靠性等的设计。从那以后，SMC不断推广DFX概念并鼓励应用DFX。在1996年的表面贴装国际会议上，DFX是其中一个主要议题；同年SMC出版了一个包含6个DFX白皮书的文件（其副本可从IPC连接电子工业协会获得）。该文件名SMC-WP-004，包括以下论文：成功的设计，作者为Hiatt & Associates公司的Dale Hiatt；装配设计，作者是Tess

3、era公司的Vern Solberg；构造设计，作者是德州仪器公司的Foster Gray；测试设计，作者是Teradyne公司的Paul Spitz ；可靠性设计，作者是Engelmaier & Associates公司的Werner Engelmaier和乔治亚技术学院的Laura Turbini；以及IPC的Christopher Rhodes所写的环境设计。 DFX是一种方法论，它涉及产品的制造和设计的各种类别的方法。它既可以说是一门科学，也可以被称为艺术。成功的DFX团队应该把创造性思维与基础工程技术相结合，把激情和责任相结合。因为DFX能够一方面提高产品质量、可靠性和客户满意度，一

4、方面缩短产品的开发时间和制造周期，降低产品成本；它可以减少产品从概念形成到交付客户所需的整个时间周期，这是决定性的成功因素。DFX必须是公司文化的一部分，必须得到各级管理层的有力支持。其目标必须是可计量的，其利益必须是值得追求的。设计目标：乐趣与利润 产品的生命周期由两个关键阶段组成：概念期和实施期。在概念期，性能和成本是主要驱动力。这一阶段包括三大任务：需求分析、产品定义和设计完成。实施阶段包括六大任务：建立模型、确立试验、确证产品、预生产、第一批样品制造和全面生产。 因为希望尽快投产并推向市场，经典的设计方法鼓励快速地完成设计。然而，许多时候，由于关键性功能或可制造性问题被忽略，反而使整个

5、过程变慢了。而由此引起的问题需要一次或多次重新设计才能纠正。同时,每一次修正都需要额外建立模型来加以确证。所以，现代设计方法鼓励更长时间的，更详细的设计。其结果是，在前期花费了更多的时间，但实际上却减少了推向市场的时间，因为在设计完成之前，产品的每一个关键因素都得到了仔细分析，错误也被纠正了。图一比较了这两种方法。 在产品的概念阶段，就应该组成协作的工程团队。协作工程就是将一个公司的资源、知识和经验结合起来，同步应用于产品的开发、设计和制造之中。这个团队涵盖了各个功能领域，如设计工程、制造工程、质量工程以及制造与采购。它从一开始就重视功能性、可制造性、可检测性、可靠性、质量、成本和环境等主题。

6、从一开始就协作工作，提高了设计成功的可能性。 新产品引进（NPI）是产品开发、设计和制造的一个结构性步骤，它确保了组织、计划、交流和管理工作的良性运行。ISO认证要求记录下NPI处理过程。这一过程必须确保产品符合客户和相关标准制定机构指定的所有设计要求。在很多情况下，产品设计演变成为性能、可制造性和成本之间的折衷方案。但是，质量和可靠性永远不应该打折扣。DFX团队应该在两个关键点上进行风险评估：一是在设计完成时，一是在第一批样品制造时。应该记录下这些风险，并且与管理层进行讨论，同时，在项目推进前，采取防范措施来预防风险。DFX文化 启动DFX项目，坚持DFX理念不是一件容易的事情它需要时间和付

7、出，不过它能够带来的成果是值得我们为之努力的。在项目开始之前，应该清楚自己的想法和期望。我们强烈推荐下列战略原则：DFX必须是公司文化的一部分；管理层必须支持和鼓励DFX。DFX应当以客户需求为主导，即充分理解客户的需求和愿望。DFX要求团队协作和创造性思维；管理层必须支持团队协作和开放性思维。DFX必须有可计量的、合理的目标；通过最为关键的成本、成品率等方面来确定。DFX必须易于应用，必须建立和记录其方法及程序，必须使用行业准则和标准。建立DFM文档 即使正式的或书面的DFM指导原则还没有确立，组成它们所需要的大部分内容可能已经早就存在了。在那些业已涉及设计过程的组织里，由设计者创建和使用的

8、CAD程序库和设计规则，就是这方面的一个良好开端。如上所述，人们也可以获得来自各标准组织的信息，如IPC，电子工业联盟（EIA）和表面贴装设备制造商协会(SMEMA)；然而，这类信息可能不足以满足个别制造过程的需要或具体客户的要求。可以从标准组织获得的信息，通常是某一范围内的，而某一组织期望的也许是为每个单一项目确立一致的规格或性能。而确保所有的DFM指导原则符合所推荐的行业标准(也就是标准的目标)，一直是非常重要的。另外的信息来源是元件供应商。与此设计有关的所有组织，都需要参与到DFM指导原则的制定和修改中去。设计工程、测试工程和加工/制造工程等组织通常都需要置入DFM指导原则中.以下是应该

9、包括在任何DFM指导原则中的主要项目列表：* SMT和通孔元件的选择标准* 印制电路板（PCB）尺寸要求* 焊盘、垫片和圆筒尺寸要求* 标志符和命名惯例* 波峰焊接条件* 元件定位要求* 元件间距要求（留出地带）* 基准要求* 路由要求* 可测性设计要求* 适用的行业规格利用互联网/内联网 一旦建立了DFM的指导原则，则它必定是容易得到的；另一方面，它可能也会被当作是机密文件。按照书面的文档来展开工作，并不能确保其中包含了最近的更新，还可能造成安全隐患。尤其当涉及多个设计、制造场所或地区时，问题会变得更糟。 今天，大多数公司拥有局域网或互联网。使用网站为上述问题提供了解决方案 。DFM指导准则

10、可以放到一个网站上，同时严格控制对它的访问。这样就能确保当 DFM指导准则更新时，所有的人都能立即获得新的信息。加入彩图、动画和声音，可以使它更有趣，也有助于更有效地交流思想。网站可以为满足特殊的应用和需求进行定制。通过网络，人们可以从世界上的任何角落看到 DFM指导准则。如果使用的是内联网，只要通过互联网可以访问公司的内联网，那么内联网上的内容也可以被看到。大部分公司使用防火墙来防止未经授权的用户访问他们的内联网。当然需要有管理员来负责维护站点，而选择维护 DFM指导准则的人当网站管理员是顺理成章的。为了设置和维护网站，可能需要对管理员加以额外的培训。管理DFM指导准则的变更 在提交、审核、

11、批准和更新对于 DFM指导准则的变更请求时，我们强烈推荐结构化的程序。要清晰地定义并记录包括变更通知和适当培训在内的修订控制过程。如果需要 在DFM指导准则上附加信息，或改变已有信息，应当向DFM管理员提出请求。简单的方法就是发送电子邮件。请求应该包括以下内容：问题陈述；关于请示变更的详细说明(为什么修订是必要的)；关于所涉及的元件或性能的信息以及其他相关信息。在DFM请求程序中，可以用结构化的可控的请求表格，确保所有的变量一一列出。组织中任何正在应用 DFM指导准则或受其影响的人，都可以提出请求。DFM管理员接到请求后，将审核该请求并决定是否提交批准。 向DFM团队提交关于DFM变更请求，可

12、以有各种各样的方法。DFM团队可能召集关于审核和变更的会议；不过如果涉及到多个地点，召集会议就不大实际。确定团队中每个人都能参加会议的时间会相当困难，而且，打断工作时间安排，对公司来说不一定是有利的。其实，可以通过电子邮件，把DFM变更请求发给团队中的每个人，然后他们可以用电子邮件回复其意见，尽管这可能给管理多少增加一些难度。从团队成员得到回应的最简单的方法，就是把DFM变更请求贴在网页上，让所有的团队成员读写此网页。然后再用电子邮件通知他们其中某项已经贴出，请他们加以注意。对每个DFM变更请求标上号码，更易于追踪，特别是在同时张贴了多个请求的时候。假如请求用的是某个字处理软件如微软的WORD

13、格式，进行处理的好办法就是让DFM审核成员打开文档，在插入菜单下使用注释功能，注明其赞成或反对意见。 同时，应该向请求者发送通知，告知其请求已受理，正在审核中，何时被送往DFM团队审核，或告知譬如为什么其请求被拒绝等信息。一旦请求得到批准，管理员需要确定所有支持这些变更所需的程序是否到位，是否包含在程序执行计划和日程表中。如果得到确定，管理员应立即更新DFM指导准则。一个记录了所有DFM指导准则变更历史的修订文档是必需的。当更新完成后，应该通知所有受此变更影响的组织。在包含了这些设计变更的第一个模版完成后，应该对设计性能进行评估。评估结果可以发送给DFM审核成员和请求变更者。摘要 DFX不是一

14、种时尚。可制造性和可测试性设计都是决定性的成功因素。成功的设计和制造组织在DFX方面表现出色。为什么还有许多公司仍旧忽视这一通向成功的概念呢？也许有种种原因，不过最重要的是缺乏高级管理层的支持。当个人、团队和公司具有挑战现有模式、探索新方法的意愿时，新观念和新概念就可能赢得成功。充分利用网络工具，是一种能够简化DFX管理工作的方法。这些工具能够帮助人们在不同地理空间、不同地点之间传输信息。为了确保成功，把建立、审核、评估、变更和执行DFX指导准则的各过程清晰明确起来，十分必要。第二步：过程控制电子组装业的技术发展、设备特性、生产率和材料性能在质量和可靠性方面都达到了高水平。目前，由于电子组装业

15、将重点转移到了工艺功能上，制造厂家开发和控制各组装工艺的能力，使得其以最低成本达到所要求的质量方面呈现出明显的差别。实时工艺数据能够即时反馈工艺的健康状况，采用这种方法可以实现零缺陷制造，可使操作人员在发现不符合技术规范的情况之前着手处理存在的问题。 当前业界关注的重点是工厂怎样运作才能达到更高的效率。不考虑现有的设备情况，厂商头脑中有两个目标：达到所要求的质量，以及尽可能低的成本实现质量要求。 今天，过程控制的目的就是实现这两个目标。然而在过去，过程控制更象是一种折衷，即以额外的成本改进质量，或者牺牲高质量来降低成本。而应用现代过程控制手段，就可以降低废品率，降低返修成本，提高设备无故障时间

16、几率，提高生产率和降低保修成本。 过程控制的定义过去，过程控制主要是指公司寻求通过集中于对缺陷的检测来提高质量，从而推出无缺陷的产品。而现在，控制的最根本的内涵是对各种工艺进行连续的监控，并寻找出不符合要求的偏差。一旦潜在的问题出现时，就可实时地接收相关信息，这样，就可立即将工艺调整到最佳状况。过程控制是一种获得影响最终结果的特定操作中相关数据的能力。过程控制寻求收集特定过程的数据，并按照其工艺技术规范衡量所获得的信息，从而在不符合技术规范的情况出现之前，立即采取纠正措施。过程控制 vs. 机器控制当今的组装设备都十分复杂，某些情况下，具有自监控的功能。这种功能当然是很有作用的，不过监控一台机

17、器和监控生产过程之间存在着差别。再流炉就是个恰当的例子，这种炉子的加热器中装有一些热电偶和一个编码器来控制传送机的传送速度。例如，如果将加热器的温度设置为200，当温度开始往下降，低于设置的温度，热电偶就可探测出温差，并告诉再流炉控制器提高热输出量。然而，这并不是实际的工艺控制信息。由于电路板的质量、传送机的速度、炉子各区的温度、气流等的不同，进入炉子的印制电路板（PCB）的温度曲线也是不同的。因此，监控实际工艺过程数据，而不仅只监控机器控制数据，是很重要的，不然的话，它就只是机器控制，算不上真正的工艺过程控制。在再流工艺控制中，这意味着要对制造的每块板子的热曲线进行监控。工艺开发非常令人震惊

18、的是，有那么多公司没有适当地对其工艺控制做出定义。没有适当的工艺开发的过程控制是没有意义的，为此，我们来看一看如何定义和优化一种工艺。在衡量一种与技术规范相关的工艺性能时，必须首先确定工艺技术规范。例如；对于焊料再流的加热工艺，一般有两个渠道：1. 焊膏供应商。根据所使用的合金和焊剂，有范围很广的各种工艺技术规范。所需的工艺技术规范可到焊膏供应商的网站去查询，还可从包含有最新的热曲线分布图的软件中获得。2. 元件供应商。因为某些元件的技术规范要比焊膏的技术规范严格得多，所以，也可向元件供应商咨询。一般的焊料再流技术规范包括最高的升温速率（3.0/sec）、焊剂活化时间或浸渍时间（140170之

19、间为5090sec），高于再流的时间（高于183时4075sec）和峰值温度（205225）。在尝试实施过程控制之前，必须具有明确的技术规范。因此，仅仅获得技术规范范围内的能够给出其热曲线的再流炉参数设置（温区设置点和传送机的传送速度），是远远不够的。如果产生的热曲线极接近于上限值或下限值，这种工艺过程就不稳定。由于工艺过程本质上是动态的，即使出现很小的工艺偏移，也可能会很快发生不符合技术规范的现象。相反，必须确定的再流炉的参数设置是以工艺控制为中心，避开技术规范极限值。这种经优化的设备设置可容纳更多的变量，同时不会产生不符合技术规范的问题。今天，用于再流炉的自动化软件几秒钟内就能识别上百万种

20、可选择的参数设置方案，并从中选出最佳配置。 仅仅发现缺陷是不够的统计过程控制（SPC）是WAShewhard于1924年发明的用于过程控制的一种技术。当时，这种方法使用随机采样技术，希望能够体现出某种制造工艺过程。现代过程控制的方法是采用传感器技术，这种技术能够提供加工过程中的每个产品的连续和实时的信息。 过去，当人们谈到改进质量时，他们通常采用的做法都是对成品进行检验。如果发现产品有问题，就将不合格的产品废弃或退回到某个生产工序进行返修和返工。最终出厂送到用户手中的产品（希望）是无缺陷的。虽然用户可能基本上不会收到有缺陷的产品，但显然产生缺陷的问题并没有解决。即便产品在出厂之前，有缺陷的产品

21、都已被剔除，制造厂商在生产中产生的缺陷量还是那样多，说明生产并未改进。由于废品率高和返工返工维修费用居高不下，生产成本也无法得到控制。今天，最佳形式的过程控制实现了实时监控工艺过程和测量工艺的实际质量性能。通过监控工艺变量，当工艺开始偏移失控时，工程技术人员可以迅速调整工艺。根据实时数据快速调整工艺的最佳过程控制可以先发制人，预防缺陷的产生。如今，某些丝网印刷机装有印刷后的检验系统。自动光学检测（AOI）机可安装在生产线的任意位置，以便捕捉缺陷，而能够连续监控再流焊炉的热曲线的设备也越来越流行。意义过去，真正的过程控制费用很高，而且需要有内部资源的支持才能实现。所以大多数公司放弃选择投入资源去

22、改善其工艺过程。然而，新技术使得过程控制的实施不再是伤脑筋的事，而且也比过去容易得多。过程控制可以改善公司的总体健康状况和并提高其底线。有许多供应商已做好了充分准备，可为整个工厂的过程控制的实施提供有帮助的制造数据。另外一些供应商则为满足更多的单一工艺需求如再流焊接工艺提供制造数据。不管选择哪一种控制方式，通过真正的过程控制提高产量和质量是让公司强大起来并增加效益的好方法。第三步：焊接材料制2003年，全球SMT领域的主要项目之一便是无铅加工工艺的应用。STEP3主要着眼于其技术和生产制造过程。任何用以替代锡/铅合金的具有实际应用价值的共晶及近共晶成分无铅焊料，都不可避免地采用锡基系统（即锡的

23、最小重量比为60%）。这一结论是综合了基础材料科学理论和实际应用经验而得出的。基础材料科学理论涉及到材料相对于通用底板的焊接冶金性能，实际再流焊条件下材料的动态润湿特性以及金属元素之间的冶金反应及合金现象。而实际应用经验则主要包括自然资源的可获取性、可制造性、毒性以及成本等因素。在选择合金元素及其各自剂量时，该元素与锡之间的合金性能以及其在与锡元素合金化的过程中的熔点降低特性等，是设计无铅焊料时必须考虑的两项关键的材料性能。通过润湿平衡测试方法得到的几种无铅焊料的相对润湿特性。三种特定成分的合金具有明显优于其他近共晶合金的润湿特性。对于采用锡为母体的合金，能够用于制造具有实际应用价值的合金的元

24、素数量非常少，在实际应用中，主要限制在银、铋、铜、铟、锑、镓等元素范围内。在开发新型无铅焊料的过程中，元素间的冶金反应、温度升高情况下微观组织转变是至关重要的科学基础。二元合金相图给出了冶金反应的条件和范围的一般信息，而超过二元的系统的完整相图相当稀少，不过，二元相图还是能够提供一个有价值的出发点。经过12年持续的研究，人们发现，对所设计的多元素合金组分的实际测试结果，与预期的候选元素与锡母体之间的性能和特性非常接近。1，2，3 比如：* 硒和碲很容易导致锡基合金脆化。* 若元素锑的成分选择不当，则会迅速损害合金的润湿性能。* 铟原子在锡晶格中的分布显著地影响合金的疲劳特性。* 对于含铋合金，

25、第二相铋的沉积程度与合金的机械性能密切相关。* 锡与铜、银、锑元素之间形成的金属化合物和中间相显著地影响合金的强度和疲劳寿命。如上所述，合金的一般性能是可以预测的，因此，要获得高性能的合金组分，就必须保证合金元素成分间极其精确的平衡。对于任何一种同组分合金系统来说，具有实用价值的合金产品一般具有某种特定的组分配比，或者局限在某种小范围最佳组分配比内。1,4，5,6 新型焊料必须与实际生产过程和最终应用环境相兼容。因此，必须对合金材料的一些基本材料特性，如液相线/固相线温度、电/热导率、材料对于常用界面的固有润湿性能、材料的机械性能、环境稳定性等进行测量。在现阶段工艺框架下，电导率和稳定性等参数

26、并不像固有润湿性能、机械性能参数和相变温度那样对合金的某种特定组分那么敏感。 SMT焊接合金的选择通过研究，有一些具有实际应用价值的无铅焊料合金，一方面具有优异的机械性能，另一方面又具有一系列均衡的材料特性。某种合金组分要想具有实际应用前景，必须符合以下3项标准：首先，合金材料的机械性能必须优于或者等于参考合金（63锡/37铅）；其次，它的物理性能必须与参考合金相当；第三，合金材料的应用性能参数必须与实际的SMT制造基础设施相兼容。在选择合金时，基于以上三方面的考虑，根据生产要求的不同，可以有几种选择方案。表1按照熔点温度的高低对几种合金进行了排序。 表面贴装制造对于实际的制造过程，这些可供选

27、择的合金主要在两种物理性能方面存在着差异。1. 熔点。如表1所示，应该注意到，在某种合金系统中，只有某种特定组分才能获得所需性能。这种情况和锡/铅系统没有什么分别，正如后者只有63锡/37铅这一特定组分才是最佳的。2. 固有润湿性能。焊料合金的润湿特性是指，在一定条件下，合金在融化状态下对基板界面（如：铜或镍）的润湿亲和力和润湿效率。这一性能参数非常重要，它直接影响着焊接互连的完整性，同时，对于 波峰焊接和SMT再流焊等动态焊接过程来说，合金的润湿性能直接关系着产品成品率控制和生产能力等。普遍认为，印制电路板（PCB）和电子元件基板可焊性以及焊料的熔化效率是焊点质量的决定因素。在过去的二十年中

28、，焊料合金的固有润湿性能并没有成为研究和讨论的对象，这主要是因为，锡/铅共晶合金（63锡/37铅）没有给人们留下什么选择余地，其润湿性能已经被作为一种既成事实而加以接受。不知是设计的缘故还是巧合，63锡/37铅具有非常优异的润湿性能，并且它的熔点恰好能够满足大部分电子产品的最终应用环境以及波峰和再流焊接组装过程的要求。在选择合适的无铅焊接材料时，了解各种无铅合金的润湿动力学是做出合理选择的关键，从而保证焊点质量和PCB成品率。通过对上图进行系统的分析可以看出，在235C至245C的温度范围内，有三种组分系统，即锡/银/铜/铟、锡/银/铋/铟以及锡/银/铜/铋，若进行良好的组分配比，较之锡/银/

29、铜近共晶成分，其润湿性能可以显著提高。7 这些组合配比包括：91.4锡/4.1银/0.5铜/4.0铟； 91.5锡/3.5银/ 1.0铋/4.0铟；93.0锡/3.1银/3.1铋/0.5铜。这些优异性能在角焊形成和外部型貌方面表现更为突出，它们将决定制造成品率，特别是在通孔焊点加工过程。在实际的生产过程中，其成败与所测量的焊料的润湿性能息息相关。焊接温度。与焊料的润湿性能联系最为紧密的是焊料的实际操作温度，即焊接温度，而焊接温度本身又受到合金熔点的限制。一般来说，焊料的润湿时间随着温度的升高而缩短，并逐渐进入到相对稳定的状态。焊料的熔点与其焊接温度到底存在着怎样的联系呢？焊料的熔点越高，其所需

30、要的焊接温度就越高。适宜的焊接温度是保证组装过程中成品率和焊点完整性等各个方面质量性能所必须的。必须强调一点，由于制造设置的任何部分的“边缘选择”导致的不适宜，在实际的日常生产中都可能被放大，因此，材料和工艺参数必须在适当的性能范围内。在现有设施的条件下，实际的生产过程应该在以下温度框架内进行：波峰焊接温度应该控制在245C以内，再流焊间峰温度在240C以内（235C则更佳）。这就要求在实际选择合金时，其熔点必须在215C以下。当以上任一参数未获满足，都可能使得生产过程产生缺陷。 抗疲劳无铅材料已经证实，焊接互连部分的普通热疲劳失效与富铅相有关，这是由于富铅相有限的溶解能力和锡的沉积作用使之没

31、有得到溶剂锡原子的有效强化而造成的。在温度循环条件（即热机械疲劳条件）下，富铅相会变粗并最终导致焊点破裂。因此，通过合理化设计的无铅锡基焊料由于消除了富铅相的影响，提高了焊料的机械性能，从而强化了焊点。 强化方法由于焊点经常暴露在高温条件下（即在室温以上），此时，原子的位移和位错相应升高，其他诸如原子间隙等晶格缺陷也随之增加。于是在晶体中引入了附加的滑移系，这使得焊料的冶金稳定性能受到了不良影响，同时焊料也更容易受到诸如氧化、腐蚀等环境因素的影响。为提高焊料性能，可以采取一系列方法以消除上述材料现象，这些方法将能满足新型和未来应用中的性能指标要求。如：* 微观非合金搀杂物混合* 微结构强化*

32、合金强化* 宏观选择性填充物搀杂这些强化方法包含了工艺和材料因素。例如固溶法 ，溶质原子可以显著地降低叠差能并有效地控制扩散过程，是一种广泛采用的强化方法。在用于芯片与基板间互连时，优质的焊膏材料能够很好地适应可能出现的苛刻的外部条件，并具有良好的固有散热性能。表2按耐疲劳性能递减的顺序列出了几种合金组分，在所有熔点在215C以内的具有实际应用价值的合金组分中，以88.5锡/3.0银/0.5铜/8.0铟, 91.5锡/3.5铟/ 1.0铋/4.0铟和92.8锡/ 0.7铜/0.5镓/6.0铟三种合金组分的抗疲劳性能为最佳。 建议与结论无铅工艺还是一种新型的材料加工工艺，但在过去二十年中，含铅焊

33、料的研究成果和基础理论依然适用于无铅焊料应用中。要想获得最优化的合金成分，必须根据特定应用条件下的性能指标和所需工艺条件的要求进行合理的选择。对于表面贴装PCB工艺，低于215C的熔点和优异固有润湿性能是焊料合金所必须的性能指标。总之，部分无铅焊料的抗蠕变和抗疲劳的强化技术方面有了一定的进展，这些技术可以应用到抗疲劳实践中去。第四步：印刷By Edward C. Nauss高产印刷的基本原则基础，就在于对印刷机的各个部分进行分析和优化，同时充分考虑印刷机的间接操作要素及所用材料。在开发高速表面组装生产线时，周期时间和总产量经常以理论时间为基础进行设计。印刷机决定着SMT组装线的速度与节奏。由于

34、贴装速度不断提高，印刷机成了SMT组装线的瓶颈。经实验研究开发，印刷机已经获得了长足进展，可与高产组装要求相匹配；现在每个印刷周期时间平均约为20秒种。如要进一步减少印刷周期时间，就需要进行周期时间分析，并使以下三部分最佳化：基础机械结构、间接操作要素及所用材料。通过对每一部分的组成成分的分析和研究，我们可以找出能同时维持最高生产量的最佳印刷周期时间。操作、间接操作因素与材料当选择一台模板印刷机以满足下游设备的产量要求时，大多数人所说的周期时间是“非印刷时间”。这个数字应该用作比较印刷机可实现目标的指导数据。这一数字是以印刷机传送基板、使基板与模板对准、使基板朝向模板及离开模板移动，以及把基板

35、传送至下游设备等方面的能力为基础的。这一数字并不能说明设备的间接操作功能，如印刷冲程和速度、擦净功能和频率、自动滴涂材料和频率以及时间许可时的印后检测。对工艺有影响的材料包括焊膏质量、模板和基板设计，直接影响到设备间接操作功能最终对总的周期时间会产生多大的影响，它们可以被看作周期时间方程式里的变数。当生产工程师对这三个部分进行单独考察，再将它们结合起来进行研究，就能得出实际的周期时间。基础机械结构要求根据12秒的周期时间，印刷机的理论生产率是每天7200块电路板，每周36000块，每年187.2万块。根据这个生产率，机器的基本设计原则确定下来，以满足每天的生产率要求。违反该原则会影响印刷机的长

36、期可靠性和精度。* 机架设计机架应适合轴线运动。附加的轴速增加将引起机架挠曲，导致精度和可靠性损失。* 整体铸件设计减少挠曲和减少维修、润滑的需要。* 维护方便包括零部件的易于装卸，以使维修停机时间减至最少。* 底座小使印刷机的尺寸最小（在满足功能要求的前提下），节省占地面积。* 兼容软件印刷机装有多种运行软件，以便处理各种异常情况。设备应利用这些程序帮助产生最佳周期时间。印刷机的操作速度为了确定印刷机的基础操作速度，第一步是忽略间接操作方面的参数，而只考虑传输、视觉和在印刷过程使用的操作系统。这是最终速度的基础，它将确保最终的实际产量。传输。为了确定所需的传输系统，不应该考虑使用单导轨，因为

37、达不到印刷行程要求的距离，并且当下游存在延迟时就得停止印刷。三导轨系统（图1）在印刷周期中预装载基板，尽可能减小了至印刷位置的实际距离，且不受下游延迟的影响。双导轨传输系统（图2）能达到三导轨的生产量；而且使用户实现最大的柔性。印刷机结构设计既要适合单轨道，也要适应双轨道。印刷机的结构要能在这两种轨道上进行印刷，并能同时印刷主面和辅面，或能进行两种完全不同的印刷。选择合适的传输系统是关键，因为这将限制总的生产量。传输马达必须能控制产量，还能控制传输带的摩擦。处理系统。一旦装载了基板，按规程进行操作就非常关键了。这包括基板在实际印刷过程中如何制动、如何定位和如何支撑。定位有两种选择：光学定位和机

38、械定位。光学定位较合宜，但可能会引起整个行程和定位的延迟。机械定位可以达到最大的传输速度，而不致超出行程，并能使基板最精确地定位至支撑结构处。机械限位开关应设置在摄像机部位，这样摄象机轴的移动最小，就能使基板对准模板。对于高产印刷来说，采用专用工夹具，可以是单面的，也可为双面的，以使基板夹持最佳为准。大多数高速生产线是为精细专用产品设计的，一般不更换品种。基板夹持一般选择真空和夹具。当基板厚度为1.02mm（0.040）时要求采用真空夹持，不过在基板从模板中分离时要避免采用真空夹持。用夹具进行边夹持，夹持力沿Y方向加到基板上时，再行顶面夹持可能引起基板翘曲。视觉系统。视觉系统需满足0.03mm

39、(0.0005)的重复精度（6）要求。在X和Y轴上的光电编码器确保摄像机的位置精度。采用直射和散射光线克服各种因素的干扰，视觉识别必须能识别基准标志。必须避免与由于视觉光源系统问题引起的基准误差有关的停机。摄像机的安装位置和摄像路径对周期时间也很关键。如果摄像机的安装位置合适，就会使基板定位和对准前后摄像机的行程距离最短。基板一旦定位，摄像路径就应能取最短的距离到达第一和第二基准。如果摄像机的安装位置在基板的右上方（图3），基准位置就应在基板的左下方和右上方。下一步是用秒表观测印刷机的基本操作。将印刷过程分成两步，按工步标定周期时间。观测每个工位的延迟时间，并确定可对哪一工步进行改进。根据情况

40、调节传输系统的定时器，最终得到合适的周期时间。间接操作速度现在基本操作速度已经最佳化，正确的机器设置基本操作速度应该在10秒以下。间接操作的最佳化包括印刷头、擦净器、滴涂器和检测。印刷头。为了确保印刷头以均一的压力通过印刷冲程，必须采用闭环反馈系统。冲程开始和结束位置应该尽可能接近开口，采用刮刀叶片以防多余焊膏进入开口。最好采用金属叶片，因为它能保持均匀的边缘和印刷角度。所用材料将决定叶片运行的速度。焊膏典型的印刷速度为每秒25.4mm50.8mm(1-2)；但有些焊膏也允许在每秒110.6mm-152mm(4-6)范围内。当印刷速度接近限制界限时，工艺窗口更小。由于焊膏中焊剂量不变，溶剂蒸发

41、，会引起质量问题。如表所示，速度增加，周期时间减少，印刷缺陷风险增加。擦净器。焊膏的好坏、基板与模板的相互作用会直接影响擦净器的频率及功能。基板和模板底面密封如何对擦净器频率至为关键。擦净频率应该在每15次至25次印刷之间。另外，擦净频率还与焊膏性能特别是溶剂性能有关。焊膏滴涂器。对于高产应用，采用1200g的双管焊膏滴涂器，更换滴空管的时间损失最少。滴涂速率以实际用量及翻滚到印刷面积之外的焊膏量为基础。使用滴涂器的目的是在所有时间里模板上都有适量的焊膏。这就需要进行优选，以增加两次滴涂之间的时间。滴涂速率取决于设计和实际消耗量；对于标准SMT应用，典型滴涂速率是50100块印板。而对于通孔施

42、膏应用，典型滴涂速率为50块印板。检测。对于高产印刷，联机在线自动光学检测（AOI）系统是最佳选择，因为印刷机的检测系统将影响印刷周期时间。生产率提高的同时，更多的产品生产出来，也会有更多的缺陷未被检测出来。即使不考虑检测率，减少周期时间，印刷机也能执行更多的检测，而这将直接影响生产率。材料和间接操作速度印刷机的使用情况和印刷工艺与所用材料的好坏直接相关。模板、焊膏和基板的质量直接影响组装质量，正如间接操作功能影响周期时间一样。印制电路板（PCB）应该遵守IPC焊盘设计规则，采用无保护涂层的裸铜焊盘。掩膜应不超过焊盘高度，并且分布在细间距器件（封装）之间。基准应该分布在四个角上（1.5mm圆形

43、或正方形），但顶面和底面形状不同，以防止PCB装板不正确引起基准识别错误。可采用激光或其它技术切割模板。所有开孔应该大于1.5纵横比或0.66面积比。为高产环境购置模板时，应有一定量的备份，以便损耗时补充。焊膏不仅应适用于印刷机，也应适用于生产线的其它设备。焊膏的再流特性及在高速贴装期间粘附元器件的能力，是对焊膏的另一必要要求。对于印刷机来说，验明合适的焊膏颗粒尺寸以便与开口设计相匹配、焊膏是否具有优良的流变学性能和耐受高速的刮板速度的能力，都是很关键的。结论优质高产的印刷要求对印刷机的每个部分进行检验并优化。了解和掌握与周期时间有关的限制及问题，有助于用户编制出实用的周期时间和所需质量的工艺

44、。假定周期时间为12秒，损失一秒种就意味着一年产量有14.4万块板的差别。第五步：胶粘剂与点胶By Jeff Bowin, Brian J. Toleno, Neil Poole随着制造商们不断强化电路板组件功能的过程，电路板单位面积的元件数也随之增加。在波峰焊接之前，双面组装必须采用表面贴片胶（SMA）将元件附着在组件的底面上。制造商们可以采用两种方式以实现组件上更高的表面贴片胶（SMA）涂敷量，即高速点胶和丝网印刷。液态表面贴片胶（SMA）除必须保证在高速状态下具有优异的点胶性能和模板印刷性能以外，还必须具有足够的润湿性能和湿强度，以保证在胶粘剂固化过程中元件保持正确的位置。胶粘剂固化后须

45、具有足够的强度以保证波峰焊接过程中元件不至于脱离电路板，同时，保证焊接后胶粘剂不致影响电路的正常工作。胶粘剂必须保证在高速点胶过程中形成胶点，并且胶点具有一致的外形和尺寸，胶点必须具有一定的高度。胶粘剂还必须具备高湿强度、固化迅速以及固化周期内不塌落等特点，同时，在波峰焊接过程中，在保证具有高强度的同时，胶粘剂还应该具有一定的弹性，并应具有良好的热扩散阻值，同时，优异的电学性能是优质胶粘剂的关键性能。针筒式点胶现阶段，点胶机可实现每小时5万胶点甚至更高的点胶速率，而新一代表面贴片胶则相应地为高速点胶过程提供了所需的材料流变性能。了解材料流变性能的适当组合是设计一台可重复性点胶系统最为重要的步骤

46、。点胶过程中，贴片胶在剪切应力的作用下黏度会降低。当胶粘剂到达电路板边缘时，随着剪切力的消失，其黏度得以恢复。这种在剪切力作用下黏度随之变化的现象被称为触变性。胶粘剂的触变性机理在材料设计之初必须予以考虑，并进行预加工处理，以保证获得最优化的点胶性能，最大程度地降低点胶缺陷。引起胶粘剂产生流变的最小剪切力称为屈服点或屈服值，在无剪切力时，胶粘剂则保持原貌。屈服点通过流变学测量获得，屈服值不仅影响贴片胶的流变性能，也决定着它的湿强度。湿强度对应着胶粘剂处于液态时移动表面贴装器件所需要的应力值。屈服点可以通过流变曲线外推法而得到。如图1所示，采用相应的数学模型对流变曲线的数据进行计算，从而得出其与

47、剪切应力所在坐标轴的截距。胶点的外部形貌主要取决于贴片胶的流变性能、表面张力及其润湿性能。若贴片胶屈服值较大，则相应的胶点呈现尖峰状外型，相反，若屈服值较低，胶点则呈现半球状外型。更为重要的是，胶点形状是由非胶粘剂参数来确定的。芯片贴装后，胶点直径必须小于焊盘间距，制造商在选择合适的胶点直径时，必须同时考虑点胶位置精度和焊盘尺寸（如图2所示）。胶点必须保证足够的高度以填充PCB表面与SMD器件之间的间隙，但不能过高，妨碍到贴片头的运动。需要贴片胶填充的间隙大小主要取决于印刷电路板阻焊层表面焊盘高度以及金属涂层与SMD（表面贴装器件）厚度之间的高度差。小尺寸元件点胶在过去的几年中，元器件的小型化

48、发展和0402、0603器件应用的增加，对贴片胶的点胶性能提出了更新的要求。随着元件尺寸的不断减小，为了保证不对焊盘造成污染，黏着元件所需的胶点直径也必须随之变小。胶点直径与点胶喷嘴内径间的比例一般为1：2，即喷嘴内径一般为目标胶点直径的一半左右。因此，0603元件所需要的目标胶点直径在0.4到0.6毫米之间，就要求喷嘴直径控制在0.2到0.3毫米之内。为了控制触变性能，贴片胶中一般含有适量的微粒，经精心配方的这些微粒必须保证足够微细，不至于对哪怕是最细小的针筒造成阻塞。可以用一个近似的经验法则来衡量：利用喷嘴进行点胶时，贴片胶中不能含有任何尺寸大于喷嘴内径1/3的微粒。例如，25标准尺寸（即260m）内径的喷嘴，要实现稳定