PCB板级组装的可靠性

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PCB板级组装的可靠性关键词:印制电路板PCB印制板设计摘　要:PCB越来越显示它的重要性,组装的可靠性成为电子产品竞争力的重要体现。通过对影响板级组装可靠性主要因素的分析,从元器件的合理选用、基板的选择、焊膏印刷以及回流焊的质量控制5个方面就提高PCB板级组装可靠性的方法和路径。1.引　言   随着信息化技术的迅猛发展分,尤其在现代武器系统中的含量和地位已经成为决定武器装备总体实力的关键因素,而电子产品的质量直接决定着武器装备在战场上的效能发挥,因此,目前提高电子产品的组装质量,尤其是提高PCB板级组装的可靠性就显得尤为迫切。本文从元器件的合理选用设计、基板的选择设计、元件的布局和方向设计、SMT焊膏印刷以及回流焊的质量控制这5个方面就如何提高PCB板级组装的可靠性进行了说明。　2.元器件的合理选用设计   元器件的合理选用设计是PCB板级组装中关键的一环。根据工艺、设备和总体设计要求,对已确定元器件的电气性能和功能来选择SMC/SMD的封装形式和结构,这对线路设计密度、可生产性、可测试性和可靠性起决定性的作用[1]。现在SMT元器件的规格繁多而结构各异,实现同样功能的集成电路可能存在多种封装形式;在电路PCB设计时,应根据市场供应商提供的元器件规格和现有生产设备的能力和精度,进行合理的选择。 2.1　矩形片状元件针对片状电阻器、片状电容器和片状电感器,常见问题是设计的焊盘与元件的外型尺寸不相匹配。焊盘尺寸远大于元件的外型尺寸,焊接时靠焊锡的堆积来连接,容易造成元件在振动时拉裂,而焊盘尺寸小于元件的外型尺寸则无法焊接。 2.2　SOP小外形封装和SOJ封装即DIP封装集成电路的缩小型,引脚主要有欧翼形、J形和I形。常见问题有印制板设计时无1脚的丝印标记,造成焊接时无法确认其方向;由于器件引脚的氧化,在回流焊接后容易引起虚焊。 2.3　PLCC塑封有引线芯片载体元件占用面积小,引脚强度高不易变形,但焊点的检修不方便。常见问题是组装前未写程序,该器件组装完成后需取下重新写程序,但取下后该器件只能手工焊接,在焊接的可靠性方面没有一次性过再流焊好。 2.4　QPF方形、扁形封装芯片载体主要用于ASIC集成电路。最普遍引线中心距有0.80mm、0.65mm和0.5mm,包装形式为托盘。常见问题是该器件在筛选和转运过程中极易造成器件引脚变形损伤,器件引脚的不共面,对焊接后焊点的形态和焊接强度不一致,在高低温和振动冲击时会对焊接后的可靠性造成不良影响。 2.5　BGA球栅阵列封装主要有PBGA和CBGA两大类,是QPF封装的替代方式,使单位面积芯片的I/O端子更多[2]。常见问题是该器件从筛选、拆开、包装、复验到转运、焊接,由于放置在空气的时间过长,加之气候潮湿、湿度大焊球氧化和器件吸潮严重,这将对焊接后的可靠性造成很大影响,容易导致虚焊。 2.6　通孔插装器件常见问题是器件的引脚尺寸大于印制板的通孔尺寸,造成无法装配。通孔插装器件(金属封装)安装时,在技术要求方面应明确贴板装配或离板装配及外壳是否接地。对要求贴板装配时,不能对地的印制板焊盘应与地留出足够的间距,以免焊接时焊锡流动造成短路。针对高密度细间距的插座(间距小于50mil),由于间距小,焊接时容易造成焊锡流过通孔后在器件的安装面短路,应在印制板加工时应在器件的安装面焊盘涂阻焊液。3.PCB基板的选择设计   基板的性能是PCB组件的重要组成部分,会较大程度地影响电子组件的电性能、机械性能和可靠性,所以必须仔细选择。  3.1　基板材料一般要求其热膨胀系数(CTE)尽量小且一致性好,基材必须具备260℃/50s的耐热特性。对一般要求较低的单、双面板,可采用FR-4覆铜环氧玻璃布层板,适用于插、贴混装的产品。当安装精细脚距的IC功率、密度较大时,可采用覆铜箔聚酰亚胺玻璃布层板,常见于多层板、双面回流焊工艺或要求高可靠的电子产品[3]。 3.2　SMT印制板的基本工艺要求SMT印制板对翘曲的要求比传统印制板的更严格,上翘最大值0.5mm,下翘为1.2mm。工艺边方面,根据SMB制造、安装工最大值,一般距PCB的长边在5mm以内[4]。为了保证PCB在SMT自动生产设备中畅通传送,PCB的4个边角应采用圆弧状(<10.0mm的直径)。PCB板从复验到组装,由于其原厂真空包装被拆,在空气中暴露时间过长,PCB板的焊盘在空气中氧化,导致PCB板的可焊性降低,容易造成虚焊,组装前应保持真空包装。4.PCB元件的布局和方向设计   整个电路板的元器件分布应均匀,功率器件在板上力求分散分布,以防止电路板局部过热所导致的印制板变形和对可靠性的不良影响。质量大的器件不要集中放置,避免热容量太大形成局部温度高(质量大的器件也可考虑后装)。元件排列的方向最好一致,以利于元件的焊接和检查;同时,对不同的焊接方式应采取不同的设计。 4.1　波峰焊焊接方式为了消除“阴影效应”而采取特殊设计,如元器件排列的方向最好一致,片状元件的两个金属化端的连线应垂直于波峰焊的方向,高的、大的片状元件和小的元件要交替放置,SOP和SOT的长轴应排列得和锡波流动的方向平行,SMC/SMD焊盘长度的延长,同时延长元件焊盘(一般延长2.0mm)以增加焊锡接触面积,减少虚焊和漏焊现象[5]。为了消除熔融焊锡的表面张力而采取特殊设计,如元器件排列的方向最好一致;对焊点较密集的元器件,在波峰焊时减少和消除桥接现象应运用窃锡焊盘。对单列或双列的多脚元器件(例如SOP、接插件等),可将元器件沿波峰焊方向最后1只脚的焊盘面积加倍。对QFP元件,可将QFP元件呈45°放置,并加以必要的窃锡焊盘,就可对脚距大于等于0.65mm的QPF元件进行可靠焊接(普通波峰焊只能处理脚距大于等于1.00mm的QPF元件)。 4.2　回流焊焊接方式为了消除“曼哈顿效应”而采取特殊设计,如元器件排列的方向最好一致;片状元件的两个金属化端的连线应垂直于回流焊的传送方向,避免片状元件两端熔化时间不同、两极受力不匀而造成的元件直立或位移。当SMC/SMD靠近PCB分割槽或工艺边时,应注意元器件的配置方向与焊点所受应力的程度,防止分割拼板或工艺边时所造成的片状元件的损伤。在片状元器件的焊盘内或边缘,不允许有导通孔,以防止焊料的流失,且导通孔与焊盘的安全距离大于0.635mm[6]。 4.3　元器件焊盘设计的参考因素在进行PCB元器件焊盘设计时还应考虑的主要因素有以下4点:(1)元器件尺寸焊盘尺寸与元器件尺寸相匹配,这是焊盘设计应遵循的基本原则。而不同的厂家生产的元器件尺寸稍有不同,因此需要我们在建立标准焊盘数据后根据不同的元器件尺寸作细微调整。(2)PCB的布线密度在不影响PCB布线间隙和安装密度的前提下,焊盘尺寸应尽量往大的允差靠近。(3)焊接工艺的因素对在再流焊接过程中可能出现的桥连、翘立以及波峰焊接过程中可能出现的遮蔽效应等现象,设计时应采取一定的预防措施,根据不同的工艺过程对焊盘数据作相应修正。(4)焊点结合部的可靠性设计优良的焊盘,其焊接过程中几乎不会出现虚焊、桥连等毛病;相反,不良的焊盘设计(尤其是细间距的QFP、CSP等器件的焊盘设计)将导致焊点不可靠,出现虚焊等现象。5.SMT焊膏印刷 5.1　模板模板是焊膏印刷的基本工具,可分为3种主要类型:丝网模板、金属模板和柔性金属模板。  5.2　焊膏印刷焊膏的优劣是影响表面装贴生产的一个重要环节。选择焊膏通常会考虑以下几个方面:良好的印刷性、好的可焊性、低残留物。通常,我们采用焊膏的合金成份为Sn63/Pb37的低残留物型焊膏。表1显示了如何根据元器件的引脚间距选择相应的焊膏。从表中可以看出,元器件的引脚间越大,焊膏的锡粉颗粒越小,相对来说印刷较好。但并不是说选择焊膏锡粉颗粒越小越好,因为从焊接效果来说,锡粉颗粒大的焊膏焊接效果要比锡粉颗粒小的焊膏好[7]。因此,我们在选择时要从各方面因素综合考虑。引脚间距/mm1.2710.80.650.50.4锡粉形状非球型球型球型球型颗粒直径/μm22～6322～6322～6322～685.3　5.3印刷工艺参数的设定 5.3.1　刮刀的角度和压力多次印刷试验证明,刮刀以45°的方向进行印刷,可明显改善焊膏不同的模板开口走向上的失衡现象,同时还可以减少对细间距的模板开口的损坏。刮刀压力并非只取决于气压缸行程,要调整到最佳刮刀压力,还必须注意刮刀平行度。压力一般为30N/mm2。 5.3.2　印刷速度焊膏在刮刀的推动下会在模板上向前滚动。印刷速度快有利于模板的回弹,但同时会阻碍焊膏向PCB的焊盘上传递;而速度过慢,焊膏在模板上将不会滚动,引起焊盘上所印的焊膏分辨率不良。通常对于有细间距IC时的印刷速度为25～30mm/s,对于只有较大间距IC时的印刷速度为25～50mm/s。 5.3.3　印刷方式目前,最普遍的印刷方式分为接触式印刷和非接触式印刷。模板与PCB之间存在间隙的印刷方式为非接触式印刷,一般间隙值为0.5～1.5mm,其优点是适合不同粘度焊膏。焊膏是被刮刀推入模板开孔与PCB焊盘接触,在刮刀慢慢移开之后,模板即会与PCB自动分离,这样可以减少由于真空漏气而造成模板污染的困扰。随着元器件封装向小型化、高密度方向发展,接触式印刷因其较高的印刷精度而被普遍采用。而焊接质量问题的70%是由于焊膏印刷工序所产生的,因此,为提高PCB板级组装的可靠性应加强焊膏印刷的质量控制。6.回流焊的质量控制   回流焊接是PCB装配过程中最难控制的步骤,因此获得较佳的回流曲线是得到PCB良好焊接的关键所在。6.1预热阶段在这段时间内须使PCB均匀受热并刺激助焊剂活性,一般升温的速度不要过快,防止线路板受热过快而产生较大的变形。我们尽量将升温速度控制在3℃/s以下,较理想的升温速度为2℃/s,时间控制在60～90s之间。6.2　浸润阶段这一阶段助焊剂开始挥发,温度在150℃～180℃之间应保持60～120s,以便助焊剂能够充分发挥其作用。升温的速度一般在0.3～0.5℃/s[8]。6.3　回流阶段这一阶段的温度已经超过焊膏的溶点温度,焊膏溶化成液体,元器件引脚上锡。该阶段中温度在183℃以上的时间应控制在60～90s之间。如果时间过短或过长都会造成焊接的质量出问题,其中温度在210℃～220℃之间的时间控制相当关键,一般以控制在10～20s为最佳。6.4　冷却阶段这一阶段焊膏开始凝固,元器件被固定在线路板上,降温的速度不宜过快,一般控制在4℃/s以下,较理想的降温速度为3℃/s。由于过快的降温速度会造成线路板产生冷变形且应力集中,这样会导致PCB的焊接质量出现问题。在测量回流焊接的温度曲线时,其测量点应放在其引脚与线路板之间。尽量不要用高温胶带,而应采用高温焊锡焊接与热电偶相固定,以保证获得较为准确的曲线数据。总之,PCB的焊接是一门十分复杂的工艺,它还受到线路板设计、设备能力等各方面因素的影响,若只顾及某一方面是远远不够的,我们还需要在实际的生产过程中不断研究和探索,努力控制影响焊接的各项因素,从而使焊接能达到最佳效果。7.结束语   SMT电路设计 主要是指CAD的自动布局、布线和元器件数据库的建立,产品质量的好坏、成本的高低60%取决于这一阶段。据统计资料显示,电子产品的制造成本中,维修返工所占比例一般高达15%～25%,如能在设计、生产过程中控制产品质量,将大大地降低这一费用,提高产品的直通率。PCB基板是元器件互连的结构件,是保证产品电气性能和可靠性的重要组成部分;SMC/SMD是SMT技术的基础;组装工艺和设备是实现SMT产品的工具和手段,决定生产效率和质量成本。因此,要提高PCB板级组装的可靠性,必须从PCB设计、组装设备和组装工艺技术三方面着手。