前言
表面组装技术(SMT)的发展,如果从彩色电视机调谐器的广泛应用作为起点,已经有30 多年的历史了,但是,其发展仍然日新月异,每隔半年,我们都会看到新的材料、新的封装或新的工艺出现。技术的进步远比我们解决问题的步伐要快,旧的问题还没有完全解决,新的问题又出现了,挑战不断。这是本次修订的一个重要原因。
本次重点对液态助焊剂的技术指标测试、焊膏的流变性、焊膏印刷的擦网、再流焊接的焊接不良、波峰焊接的焊接不良以及返修工艺等内容进行了部分修订,新增了33个典型案例,使得内容更加系统和完善。希望本书能成为电子产品设计与制造工程师们的常备工具书,为我国电子制造产业升级做出贡献。
本书是写给电子产品设计与制造工程师的,以核心工艺为纲、工程实战经验为目来组织材料。内容上聚焦工程应用主题,突出基本概念与原理、核心工艺、主要组装问题及最新应用,希望能够为读者提供全新视角、接地气的SMT应用工程知识。同时,本书也探讨了一些新出现的工艺问题,如ENIG表面处理Ni氧化现象。这部分内容带有一点学术性质,分析不一定完全正确,仅供参考。
表面组装过程中虽出现的不良现象很多,但对焊接质量影响比较大的主要是印刷的少印(少锡)、漏印,再流焊接的桥连、开路、焊点应力开裂,波峰焊接的桥连与透锡不良等。统计数据表明,只要解决了这些问题,就等于解决了90%以上的组装不良问题。这些组装不良现象之所以难以有效地管控,主要是这些问题不全是现场工艺问题,往往与元器件的封装、PCB的设计、焊膏的选用与模板的设计等很多因素有关,如波峰焊接的透锡问题,在很大程度上是一个设计问题。要解决这些问题,需要从产生问题的根本原因入手。
本书的写作风格延续了本人作品一贯的“图文并茂”的特点。现代社会,生活节奏很快,读图比读文字更加高效与有趣,希望读者在快乐中学习。本书在写作上力求简明、实用,使读者入得门、看得懂,结论性的论述做到有言必有据,经验性的论述做到背后有案例支持。希望能够为读者提供适用、实用、管用的电子制造知识。
本书聚焦三部分内容:工艺基础、工艺原理与不良及组装可靠性。
工艺基础部分:主要介绍表面组装技术的概念、工艺流程与核心;软钎焊的基本原理——加热、润湿、扩散和界面反应,以及润湿、界面反应、可焊性等重要概念;焊点的微观组织与机械性能、焊料合金组分和工艺条件的关系;焊点焊接与元器件焊接的异同,是理解SMT工艺原理、优化生产工艺条件的依据与基础。这部分内容是电子制造工程师必须了解的知识。
工艺原理与不良部分:主要介绍SMT主要工艺辅料、核心工艺的原理与常见的工艺不良现象及其产生的原因。其中包括:①焊膏、焊剂;②模板设计;③焊膏印刷原理与常见不良现象及产生原因;④再流焊接、波峰焊接原理与常见不良现象及其产生的原因。这部分内容是电子制造工程师必须掌握的知识。
组装可靠性部分:重点介绍组装过程中产生的、有潜在可靠性风险的组装不良问题,诸如应力引发的焊点开裂、助焊剂引发的绝缘性能下降等,聚焦板级互联的工艺失效,如焊点开裂、绝缘性能下降、腐蚀失效等。
电子组件焊接的内涵,归根结底就是一个“特”:不同的封装结构,工艺特性不同;不同的焊点结构,焊料的熔化顺序与流动过程也不同,等等。这些“特”决定了模板开口的图形形状与尺寸、焊膏量的大小及温度曲线形状设计,即每个封装的焊接工艺都是独特的。只有理解了这一点,才可称之为“入了门、摸到了边”。希望读者阅读本书时始终思考“特”这样一个内涵。
本书采用了 78 个典型案例来强化对工艺原理的理解。这些案例及实物图均具有工艺的典型性,对于理解工艺的原理有很大的帮助。这些案例是本书的“亮点”,也是本书的价值所在。
读完本书,希望读者能够了解以下五点:
(1)焊点的焊接与封装的焊接有很大的不同,封装的焊接必须考虑封装本身的结构、焊点的结构、焊点的微观形成过程——焊料的熔化顺序、流向与流动过程及封装的变形。
(2)SMT的核心是工艺,工艺的核心是焊膏印刷,印刷工艺的核心是支撑和擦网(有人把支撑和擦网称为工艺中的工艺)。影响焊膏印刷的因素包括但不限于焊膏黏度与触变性、模板、PCB的设计(布局与阻焊)、印刷参数、印刷支撑与擦网。
(3)SMT焊接不良主要与焊膏用量有关,焊盘大小决定其相关性的大小(敏感度),与微焊盘、下锡性能相关联。
(4)焊点微观组织决定焊点机械性能,焊料合金的成分与工艺条件决定焊点的微观组织。对焊点可靠性而言,界面微观组织是主要的影响因素。对于高可靠性产品,需要关注界面金属间化合物形貌与尺寸(如连续层厚度、IMC高宽比等)。
(5)工艺技术是一门工程技术,往往先有实践后有理论,因此在解决实际生产中的疑难工艺问题时,如果无从下手,“试”是一个比较有效的方法——换元件、换焊膏、调参数,通过“试”,往往能够找到解决问题的方向或思路。必须意识到,业界仍然有很多的工艺疑难问题,虽机理不是很清楚,但不妨碍我们解决这些问题。只要了解这些问题发生的场景,就可以避免再次发生同样的问题。
本书部分机理性解析基于本人的工程实践,不当之处敬请批评指正,反馈邮箱:1079585920@qq.com。
李宁成博士是一位在SMT业界享有很高声望的顶级专家,对电子焊接技术有非常系统、全面和深入的研究,对SMT的发展有诸多贡献,参与和主导了多份IPC标准的编制。他在百忙之中审阅了本书的原稿,并提出了很好的建议,同时为本书题写了序言,在此深表感谢。还需要说明的是,本书焊膏和再流焊接与常见不良两章,部分参考了李宁成博士所著《再流焊接工艺及缺陷诊断》一书有关内容,再次表示感谢。
我的同事——中兴通讯工艺专家邱华盛、王玉、孙磊,阅读了本书初稿并提出了很多宝贵的建议,在此深表感谢!
贾忠中
2023年7月于深圳