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半导体

SMT设备朝高效率多功能智能化方向发展

烽火通信科技股份有限公司系统部工程师鲜飞

表面贴装技术(SMT)作为新一代电子组装技术已经渗透到电子制造各个领域,发展迅速、应用广泛,在许多领域中STM已经完全取代传统的电子组装技术。SMT以自身的特点和优势,使电子组装技术产生了根本的、革命性的变革,并在应用过程中不断地发展完善。SMT设备总体趋势正朝着高效率、多功能、智能化方向发展。随着电子工业的飞速发展,更多激动人心的新技术必将应用到SMT设备领域中,SMT设备的进步又有力地推动着电子组装业的发展,从而形成一种相互促进、协调发展的关系。

双路智能封闭喷印:焊膏印刷设备研发热点

焊膏印刷是SMT生产工艺中的第一道工序,对SMT生产的产量和质量都会产生至关重要的影响。为适应目前SMT生产的需求,目前焊膏印刷设备有以下几个发展方向:
第一,新型的模板印刷设备正朝双路输送板印刷方向发展。为了提高生产效率,尽量减少生产占地面积,新型的SMT模板印刷设备正从传统的输送、印刷单路的PCB(印制电路板)朝双路PCB的输送、印刷方向发展,这适应了双路贴装和焊接的需要。这种新型的印刷设备在保留印刷机主要性能的基础上,将传统的输送和印刷单路结构改为双路结构,可以进行双路PCB的输入、定位、校正、印刷、检测和输送,其生产效率比单路结构的印刷机提高50%%以上。
第二,新型的模板印刷设备正朝智能化方向发展。新型的MPM模板印刷设备利用改进的视觉算法,可以更快速、更准确地将模板与PCB对准。改进后的运动加速度曲线可以提高各轴的运动精度和重复精度。采用四轴同时驱动,速度控制的功率提高了,在智能化软件的控制下,多种印刷动作同时运作,从而生产效率也提高了。这种设备具有独特的Y轴PCB定位装置和Z轴PCB定位夹具,可在连续印刷时提供良好的支撑,再配以自动焊膏点涂装置、环境控制装置和在线SPC数据采集系统,可提供高质量、高效率的模板印刷。
第三,焊膏工作环境由开放向封闭发展。在传统的焊膏印刷过程中,焊膏长时间暴露在开放环境下是引起印刷缺陷的重要原因。而DEK公司推出的ProFlow封闭挤压式印刷头可有效解决上述问题。与焊膏在开放的环境中滚动不同,ProFlow中的焊膏被装在密封的印刷头中,只有开孔焊膏才与网板接触,标准焊膏封装夹筒不断地通过压力来充填焊膏,并提供动压力,使焊膏进入开孔。这一ProFlow技术从根本上消除了影响焊膏印刷的最大变量因素,使用户无需考虑印刷时间或机器工作时间等情况,从而得到满意的效果。
第四,由漏印向喷印发展。毫无疑问,焊膏喷印技术是最近几年SMT设备领域中出现的最具革命性的新技术。它一改传统的丝网漏印模式,采用类似喷墨打印机的喷涂方式,由瑞典MYDATA公司开发成功,并应用在最新推出的MY500焊膏喷印机上,机器以每秒500点的速度在电路板的焊盘上滑动,喷印焊膏。
焊膏通过一个螺旋杆进入到一个密封的压力舱,然后由一个压杆压出。由于无需网板,使它具备众多优点,极大地减少了生产转换和交货的时间。如同计算机的喷墨打印机一样,MY500分为三部分:喷印机本身、喷印头和焊膏盒以及离线编程软件。焊膏盒更换真的很快,就如同喷墨打印机更换墨盒一样容易。虽然容量只有100克,但是焊膏装在密封容器内,几乎没有损耗,实际使用下来非常节省。MY500不需钢板、清洗剂、擦拭纸、焊膏搅拌机等,在机种多样及试产任务繁重的压力下,MY500帮助很大。MY500还以其速度闻名,它采用有专利的JetPrinting技术以每秒500点的速度喷涂焊膏,也就是每小时180万点。配有便于使用的触摸屏界面,触摸屏位于喷印机侧面,在喷印机设置过程提供操作员指导。MY500采用Aegis公司的Circuitcam离线数据准备软件,可以直接从多种格式CAD文件中转化并生成喷印程序,编程效率大幅度提升。在生产过程中,不必再调整刮刀压力、速度或其他的丝网印刷参数,因为程序完全由软件控制,用户可以根据需要随时调整焊膏量,也可以控制每个元件或个别焊盘的焊膏量,而这在传统丝网印刷机中是无法实现的。正因为焊膏喷印技术具有众多优点,所以一经推出,就吸引了很多业内人士的注意,可以预计焊膏喷印会成为今后焊膏涂覆技术发展的一个方向。

多悬臂取代转塔:高速贴片机发展主流趋势

贴片设备是SMT生产线中最关键的设备,通常占到整条SMT生产线投资的60%%以上,所以贴片设备的发展最引人注目,目前有以下发展趋势:
第一,朝高效率双路输送结构方向发展。新型贴片机为了更好地提高生产效率,减少工作时间,正朝高效率双路输送结构方向发展。双路输送贴片机在保留传统单路贴片机性能的基础上,将PCB的输送、定位、检测、贴片等设计成双路结构。这种双路结构贴片机的工作方式可分为同步方式和异步方式。同步方式是将两块大小相同的PCB由双路轨道同步送入贴装区域进行贴装,异步方式则是将不同大小的PCB分别送于贴装区域。这两种工作方式均能缩短贴片机的无效工作时间,提高机器的生产效率。
第二,朝高速、高精密、多功能、智能化方向发展。贴片机的贴装速度、精度与贴装功能一直是相对矛盾的,新型贴片机一直在努力朝高速、高精密、多功能方向发展。由于表面贴装元器件(SMC/SMD)的不断发展,其封装形式也在不断变化。
新的封装如BGA、FC、CSP等,对贴片机的要求越来越高。美国和法国的贴片机为了提高贴装速度采用了“飞行检测”技术,贴片头吸片后,边运行边检测,以提高贴片机的贴装速度。德国西门子公司在其新的贴片机上引入了智能化控制,使贴片机保持较高的产能下有最低失误率,在机器上有FCVision模块和FluxDis-penser等以适应FC的贴装需要。日本Yamaha公司在新推出的YV88X机型中引入了双组旋转贴片头,不但提高了集成电路的贴装速度,而且保证了较好的贴装精度。
第三,高速贴片机朝多悬臂、多贴装头方向发展。在传统拱架式贴片机中,仅含有一个悬臂和贴装头,这已不能满足现代生产对速度的需求,为此,人们在单悬臂贴片机基础上发展出了双悬臂贴片机,例如环球仪器的GSM2、西门子的S25等,两个贴片头交替贴同一块PCB,在机器占地面积变化不大的情况下,成倍提高了生产效率。为了进一步提高生产效率,人们又在双悬臂机器的基础上推出了四悬臂机器,例如西门子的X4i、环球仪器的GC120Q、松下的CM602、日立的GHX-1等,都是目前市场上主流高速贴片机型。多悬臂机器已经逐步取代转塔机器在高速机市场中的支配地位,成为今后高速贴片机发展的主流趋势。
第四,朝柔性连接模块化方向发展。新型贴片机为了增强适应性和提高使用效率正朝柔性贴装系统和模块化结构发展。日本Fuji公司一改传统概念,将贴片机分为控制主机和功能模块机,根据用户的不同需求,由控制主机和功能模块机柔性组合来满足用户的需求。模块机有不同的功能,针对不同元器件的贴装要求,可以按不同的精度和速度进行贴装,以达到较高的使用效率。当用户有新的要求时,可以根据需要增加新的功能模块机。
模块化的另一个发展方向是功能模块组件,具体表现在:将贴片机的主机做成标准设备,并装备统一的标准的机座平台和通用的用户接口。将点胶贴片的各种功能做成功能模块组件,用户可以根据需要在主机上装置所需的功能模块组件或更换新的组件,以实现用户需要的新的功能要求。例如美国环球公司的贴片机,在从点胶到贴片的功能互换时,只需将点胶组件与贴片组件互换。这种设备适合多任务、多用户、投产周期短的加工企业。

再流焊设备:灵活应对温度要求

SMT焊接设备主要包括再流焊设备和波峰焊设备。
再流焊设备正朝着高效率、多功能、智能化方向发展,主要表现在以下几个方面:
第一,具有独特的多喷嘴气流控制的再流焊炉。为了更好地控制再流焊炉内的温度场,以达到较好的焊接效果,ERSA公司的新型再流焊炉在炉内安装了独特的多喷嘴气流控制装置,炉内均匀分布着若干个小喷嘴,热气流通过喷嘴喷出,在周围形成微小循环,以提供最佳的温度分布。该设备采用区域分离体系,每个区域内气流速度、气流方向、空气量和空气温度均由专用软件进行控制,以达到热风强制全面对流效果。
第二,带局部强制冷却的再流焊炉。新型再流焊炉在炉内再流焊区域的底部或冷却区上部增加了强制冷却装置,采用分段控制方式约束冷却的速度。再流焊区域的底部强制冷却是为了保证双面SMT的再流焊效果,使双面SMT再流焊的PCB,在再流焊区域内板的两面具有30℃以上的温差,以优化工艺。冷却区增加的强制快速冷却装置,确保SMT板的良好焊接,得到优化的再流焊曲线。
第三,可以监测元器件温度的再流焊炉。美国BTU公司的一种新型再流焊炉采用了自适应智能再流技术(AIRT),这种再流焊炉在再流焊过程中可以监测PCB上元器件的温度变化,它只测量用户在每个PCB上选定点的温度。炉内的智能温度摄像头可监视板上的元器件和焊膏的实际温度情况,识别温度变化,判断对产品质量的影响程度,为操作人员提供数据。这种实时监测避免了再流测试板所需的设置时间。
第四,带有双路输送装置的再流焊炉。BUT公司的再流焊炉开始安装了双路输送装置,它的双路输送装置分为三轨制和四轨制。三轨制是在炉内的中间安装一条固定轨道,两边安装两条可调节轨道,通过手动调节或可编程宽度调节器自动调节。三轨制适应输送尺寸相同的PCB,四轨制由两条外部固定轨道和两条可调节内部轨道组成,尺寸相同或不相同的PCB均可输送,如果不需要双路输送时可调节轨道移向一边,形成一台较宽的单路再流焊炉。
第五,带中心支撑装置的再流焊炉等。随着PCB的厚度越来越薄和“邮票”板的大量使用,特别是PCB的厚度向0.2mm~0.4mm发展,对再流焊炉输送板稳定性要求越来越高。新型的再流焊炉在输送轨道的中间安装了可伸缩中心支撑装置。这个装置在控制程序的控制下,需要时伸起起支撑作用,不需要时自动缩回,这样可灵活应对各种PCB的焊接需求,避免PCB高温时受热变形,提高生产效率和焊接质量。

波峰焊设备:混合装联及双面焊应用广泛

波峰焊机在混合装联和双面SMT中应用广泛,其最新发展主要表现在以下几个方面:
第一,无助焊剂的波峰焊机。随着人们对环保意识的增强,满足PCB的洁净度、焊接质量以及CFC替代物严格要求的关键是在波峰焊工艺中消除助焊剂。ERSA公司的新型波峰焊机安装了一个在惰性气体环境内工作的超声波焊料波装置,以取代助焊剂涂覆装置。这种超声波在焊接前可以除去PCB表面的氧化物,PCB和元器件表面的氧化物由焊料中的声呐气窝效应(cavitationef-fect)去除。该系统工作的最大超声波频率为20kHz,波幅为微米级,通过优化的几何波形设计可保证表面安装和通孔元器件有良好的可焊性。
第二,用氮气支持焊料波的波峰焊机。SOLTEC公司的新型波峰焊机采用NitroWave,以在基于纯氮气条件下发出形态特别的焊料波,增强可焊性,在焊接过程中没有浮渣,没有过量的助焊剂,没有氧化物,从而实现无缺陷波峰焊接。NitroWave具有氮气支持的焊料波,其主波从四面溢流形成,流速快,产量高,重复性好,工艺稳定。PCB板面干净,NitroWave由碎波适配器、主波分生器和氮气供应装置组成。
第三,选择性焊接。在传统的波峰焊接中,PCB的下部完全浸入液态焊料中,因此在PCB的焊接面不能分布引脚间距较密或者密度很高的贴片器件,以免造成连焊等缺陷。但由于各种原因,有时不得不在焊接面布置并不适合波峰焊接的贴片元件,这时在焊接过程中就需要专用的保护膜保护其他的表面贴装元件,同时贴膜和脱膜均需手工操作。为克服上述影响,选择性焊接应运而生。在选择性焊接中仅有部分特定区域与焊锡波接触,这样可避免对焊接面已焊接好的贴片元件造成影响。大多数应用中都可以在再流焊接之后采用选择焊接,这将成为经济而有效地完成剩余插装件的焊接方法,而且对于将来的无铅焊接完全兼容。
选择性焊接工艺有两种不同工艺:拖焊工艺,浸焊工艺。
选择性拖焊工艺是在单个小焊嘴焊锡波上完成的。拖焊工艺适用于PCB上非常紧密的空间进行焊接。例如:个别的焊点或引脚,单排引脚能进行拖焊工艺。PCB以不同的速度及角度在焊嘴的焊锡波上移动达到最佳的焊接质量。为保证焊接工艺的稳定,焊嘴的内径小于6mm。焊锡溶液的流向被确定后,为不同的焊接需要,焊嘴按不同方向安装并优化。机械手可从不同方向,即0度~12度间不同角度接近焊锡波,于是用户能在电子组件上焊接各种器件,对大多数器件,建议倾斜角为10度。
浸入选择焊系统有多个焊锡嘴,并与PCB待焊点是一对一设计的,虽然灵活性不及机械手式,但产量却相当于传统波峰焊设备,设备造价相对机械手式也较低。根据PCB的尺寸,可以进行单板或多板并行传送,所有待焊点都将以并行方式同一时间内完成助焊剂喷涂、预热和焊接。但由于不同PCB上焊点的分布不同,因而对不同的PCB需制作专用的焊锡嘴。焊嘴的尺寸尽可能大,保证焊接工艺的稳定,不影响PCB上的周边相邻器件,这一点对设计工程师讲是重要的,也是困难的,因为工艺的稳定性可能依赖于它。

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中国无铅标准制定情况


为了配合中国RoHS的实施,在原信息产业部成立“电子信息产品污染控制标准工作组”之初,就在工作组的领导下分别成立了“限量与检测”、“标识与认证”和“无铅焊接”等三个标准起草项目组。第一批立项要起草的标准有五个,即《无铅焊料———化学成分与形态》、《焊锡膏通用技术要求》、《无铅焊接用助焊剂》、《电子焊接用锡合金粉》与《无铅焊料试验方法》(含熔化温度、机械拉伸、扩展、润湿性、焊点拉伸与剪切、QFP引线焊点45度拉伸、片式元件焊点剪切、焊料动态氧化出渣量的测试方法等8个无铅焊料或焊点的试验方法)等,目前已经完成送审阶段处于公示期。
《无铅焊料———化学成分与形态》是无铅化的最基础的材料标准,其中包括了23种合金焊料,涵盖了最常见的锡银、锡铜、锡银铜、锡锌、锡铋、锡锑等系列的熔点由低温到高温的常用合金。但需要业界注意的是其中的某些三元以上的合金有专利授权问题。
《无铅焊接用助焊剂》则是另外一个重要的基础标准,规定了配套无铅焊料使用的助焊剂材料的标识、分类、规格、测试方法、性能与可靠性指标等,其中特别根据无铅工艺的特点研究改进了助焊性能的评价和测试方法。《电子焊接用锡合金粉》标准则是专门根据无铅SMT焊锡膏要求而规定了焊锡粉的技术要求与测试方法,但该标准还包括了有铅合金的焊锡粉。严格来讲,焊锡粉只不过是焊料中的一个不同形态的粉末焊料而已,在国外的标准中都是将其并入焊料的基础标准中,不单独制定。
由于电子制造的发展方向是表面贴装技术(SMT),配套该技术使用的焊锡膏则成为该技术实施的关键的材料,它是焊料粉与助焊剂的混合膏体状物质,因此,《焊锡膏通用技术要求》标准也应运而生。该标准针对无铅化的特点在原标准的基础上进行了修订,内容包括有铅和无铅部分,主要规定了焊锡膏的标识、规格与技术要求、测试方法等。
最后是《无铅焊料试验方法》标准,该标准规定了8个测试方法,包括无铅焊料的熔点测试、扩展率测试、润湿性测试、机械性能测试、焊点拉伸与剪切强度测试、QFP焊点45度角拉伸强度测试、片式元件焊点剪切测试、无铅抗氧化特性评价等。值得提醒的是,其中的3个方法其实不是无铅焊料的测试方法,而是无铅焊点的测试方法,它不仅是焊料还涉及元器件与基板和工艺。该测试方法标准与日本的JISZ3198-2003有一定程度的类似,可以提供给工业界一个统一的无铅焊料和焊点的质量的测试方法。总之,这些标准将为无铅化或绿色电子制造在我国的快速健康发展起到重要的作用。


国内外部分无铅标准



 



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