文章来源：SMT技术网

摘要：

本文介绍了采用合成石载具进行拼板的方式实现微型化异形板的SMT自动化组装，并结合关键工艺点控制，实现了产品的可靠焊接，验证了此方案的可行性，同时对同行业具有借鉴意义。

关键词：微型化异形板；SMT组装；合成石

随着电子产品朝着多功能、小型化和高可靠性方向的发展，使得微型化PCB组装在电子行业里扮演着越来越重要的角色[1]。电子制造加工企业在进行微型化PCB的SMT组装过程中，遇到的诸多难题，推根究源主要还是前端的产品设计造成的，如PCB未添加MARK基准点，PCB无工艺边，小于50mm×50mm的PCB未进行拼板等典型问题。如果在设计前端把PCB的可制造性充分考虑在内，SMT自动化组装的难题大多迎刃而解。而由于某些特殊行业产品的可靠性要求（星载、机械和军用产品），研发设计阶段往往忽视产品的可制造性，因此为了获得高性能、高可靠的产品，必须对组装工艺进行充分的设计[2]。而对于此类非优设计造成无法直接进行SMT自动化组装的PCB，必须从工艺制程的角度，改变常规的组装方式，如采用辅助载具等多种手段达到可SMT自动化组装的目的。本文主要结合实际生产中的典型案例，分析存在的问题并提出了一种可行的解决方案，采用合成石载具实现微型化异形PCB的SMT自动化组装，并采取多重工序检验，可实现此类板件的可靠焊接。

01 PCBSMT自动化组装必备元素

1.1基准MARK点

进行SMT自动化组装必须具备基准MARK点，主要用于纠正PCB加工和变形引起的误差，以及用于PCB和元器件的定位[3]。在整个SMT工艺流程中相关的自动化设备都需要利用PCB光板上设置的基准MARK点来做精度上的校正，如锡膏印刷机、SPI锡膏检测设备、贴片机、AOI检测设备和全自动返修台等[4]。如果PCB光板未设置标准MARK点，有时也可进行组装，原因是锡膏印刷机和贴片机除了可采用标准形状的基准点外，还可以采用通孔器件焊环、焊孔、通孔及元器件的焊盘作为基准标志，但因其制作不规范识别效果差，直接不同程度地影响锡膏印刷及贴片精度，使用后会造成很多问题，会造成返修，所以在进行PCB设计时，有SMD器件都要求添加必须的3个及以上的MARK点。

1.2工艺边及拼板

进行SMT自动化组装必须在PCB的焊接传送方向预留工艺夹持边即工艺边，结合实际的边缘元器件大小及布局，传送方向至少留出3～5mm的工艺边，在这个范围内不允许放元器件、焊盘和MARK点。如果PCB的空间有限，可采取添加工艺边的方式。

进行SMT自动化组装PCB的尺寸在50mm×50mm～440mm×440mm范围内，PCB过大及过小都不能进行SMT自动化组装，主要原因取决于设备的导轨可调节宽度，当PCB小于50mm×50mm时，只能采取拼板的方式进行解决。

02 微型化异形板特性分析

2.1PCB主要参数

选取某系列PCB大小为39mm×70mm，厚度为0.6mm的高频混压浸金板为例，并设计了3个非对称的MARK点，如图1所示。板件上焊接的元器件有片式元件及各类芯片IC。

图1 微型化异形PCB

2.2工艺难点分析

通常此类板组装主要有两种方式：手工焊接或机器焊接。结合实际的生产，在板件生产数量较少的情况下，优选手工焊接，但当板件数量较多时，优选机器焊接，机焊不仅可提高生产效率且保证质量。此块板件在前期的试制阶段，采用的是手工焊接，遇到的最大困难是U4器件底部的散热焊盘无法可靠焊接，主要原因是U4器件是全金属封装，当采用热风枪进行烘焊时，由于金属外壳散热较快，导致其底部大焊盘不能可靠焊接，当加大热风烘焊时间时，直接造成了芯片损坏。最终解决的办法是采取制作一片小钢网，PCB整板进行手工刷锡膏，手工贴片后回流炉焊接。

 结合试制过程中遇到的问题及批量生产的要求，采用手工进行印刷、贴片不能满足实际生产需求，同时为确保焊接质量，着重考虑采取SMT自动化组装。分析本PCB参数和SMT自动化组装必备元素，简单可行的是在研发制板前进行PCB拼板，存在的问题是PCB厚度为0.6mm，最终安装在铝槽盒子中，采用邮票孔方式时，由于分板后存在毛刺，影响板件的实际装配；采取V槽方式进行拼板，厚度要至少1.0mm以上，否则PCB无法按拼板加工交付。

由于板件的特殊性，两种拼板方式均被否定，只在适当位置添加了MARK点。

03 采取辅助载具实现SMT组装

采取辅助载具实现PCB进行SMT锡膏可靠印刷的关键是载具制作，而锡膏印刷的关键是印刷精度，在确保载具和模板能统一结合的同时，如何确保板件上的每个器件锡膏印刷符合要求，是主要解决的关键问题，按照由易到难的工艺改进方式，首先采用一块PCB搭载一块治具，此方案可有效解决部分精密器件（如间距为0.5mm的QFN器件）及常规

元器件的锡膏印刷。

3.1载具材料选择

通过市场调研分析，目前常用的载具材料主要有两种，一种是合成石，一种是合成铝，由于合成铝的比热容较大，出炉前降温很慢且不易操作的缺点，首选合成石材料。

3.21块载具搭载1块PCB设计

采取1块载具搭载1块PCB的方式进行SMT印刷，选取合适的MARK点，可实现锡膏的精确印刷及贴片。当PCB由于某种特殊原因无MARK点时，可选取PCB上规则焊盘（方形、圆形或三角形）或孔定位，当采用孔定位时直接影响印刷质量，主要的原因是孔不规格导致机器设备在对比取像的时候，不能精确到孔的中心，在机器设备允许可微调的情况需进行二次微调，再通过实际的印刷效果判断锡膏印刷质量，不合格的需洗掉重印。采取此方式的优点是能确保微型化异形板SMT自动化组装，可确保焊接质量，尤其适用于存在细间距元器件的组装，不足之处是生产效率低下。1块载具搭载1块PCB如图2所示。

图2 1块载具搭载1块PCB

3.3载具搭载多块PCB及存在细间距器件工艺分析

采取一块载具搭载2块及以上PCB拼板进行SMT组装，可提升生产效率，但PCB锡膏印刷将无规则地出现偏移。以2块PCB拼板A、B为例，在锡膏印刷前必须选取3个MARK点，并最大空间涵盖贴装元件，选取A板上的2个MARK点和B板上1个MARK共3个基准MARK，在锡膏印刷时，当模板的MARK点与PCB对应的基准MARK不完全重合时，机器将进行自动微调，选取3个MARK点的相对中心，微调的结果直接带来锡膏印刷偏移，当微调范围在可允许锡膏偏移范围内时，不影响锡膏印刷。实际载具上A板和B板是通过定位销固定相对位置，PCB的孔误差为0.05mm，治具机械加工误差为0.02mm，由于A板选取2个MARK点，在进行机器自动微调时，以A板为参考，B板的最大偏差为0.07mm，以此类推，当采取2块以上PCB进行载具拼板时，以模板为参照点，PCB在X/Y方向最大偏差可达0.14mm。

在SMT组装过程中，QFN器件是焊接的难点且不易返修，采取合成石拼板进行SMT组装时，QFN器件也是焊接难点，按照行业锡膏检测的标准，对于QFN元器件，锡膏的横向偏移不能偏出焊盘的20%，纵向偏移不超过焊盘的0.2mm。以生产中遇到的某特殊行业产品上0.5mm间距的QFN为例，由于PCB设计焊盘为0.3mm和PCB加工完成误差±10%，

则PCB完成焊盘宽度范围为0.27～0.33mm。按常规模板0.23mm宽度开孔，锡膏允许偏移出焊盘的20%

即0.054～0.066mm，由焊盘宽度范围（0.27～0.33mm）和锡膏宽度0.23mm，则锡膏在焊盘内的偏移范围为0.02～0.05mm，累计允许偏差范围为0.074～0.116mm。

取设计值焊盘宽度0.3mm，可推出印刷锡膏最大偏差为0.3×20%+（0.3-0.23）/2=0.095mm。通过以上分析，可以推出0.5mm间距的QFN允许锡膏印刷偏移量控制在0.095mm以内，结合锡膏印刷后的SPI锡膏检测，可确保细间距QFN器件锡膏印刷。以0.5mm的QFN器件锡膏印刷分析，治具与PCB通过半高度定位销进行孔定位优于外形边定位，主要原因是外形的加工误差较大（±0.15mm），且靠外形定位时，一致性差，不便于取板和放板。目前PCB的NPHT孔精度可控制在0.05mm，治具厂家定位精度也可控制在0.02mm，其累计误差在0.07mm以内，可实现PCB与载具的良好结合。当采用2块及以上拼板方式印刷细间距QFN器件时，存在一定的风险，如锡膏印刷偏移，需擦洗后重印，实际生产效率需要权衡。当PCB上无细间距的元器件时，采取此种方式优势明显，图3给出了1块载具搭载6块PCB的模型，适用于印刷及贴片精度要求不高的板件。

图3 1块载具搭载6块PCB

3.4采用6拼板量产结果及问题分析

通过以上综合分析，采用合成石治具拼板进行SMT自动化组装最大的瓶颈是元器件的引脚间距决定拼板的数量，采取6拼板合成石载具在首次批量生产的1300块板件中，在线测试只有一块不合格，直通率达99.9%，经分析产生故障的原因是PCB焊盘设计有缺陷造成，如图4所示，SOT-23封装的器件XB40本体2、4脚相连为接地端，1、3脚为输入输出端，其中PCB合计的1、3脚焊盘与接地焊盘0.7mm间距，且PCB接地焊盘有过孔及与本体接地端2脚与4脚焊盘区域外未做阻焊，导致在贴片或回流的过程中，器件的偏移导致1脚或3脚与接地焊盘相连，在后续的生产中，对阻焊区域及贴片坐标进行了调整，后续生产避免了故障的再次出现。XB40器件本体、封装尺寸及不良焊接图如图4所示。

图4 XB40器件本体、封装尺寸及不良焊接图

04 关键工艺过程控制

采用载具对微型PCB拼板组装，与常规的PCB拼板组装多出上板前将PCB摆放到治具中，同时检测PCB与治具的结合紧密度，尤其存在细间距器件时，在锡膏印刷及贴片环节存在一定的风险，在生产线上还需重点把控以下工艺质量关键点。

4.1锡膏印刷偏移

锡膏印刷后，需进行SPI锡膏检测，必要时采取人工目检，观测锡膏有无超出焊盘、拉锡和漏印等现象，若有不良印刷需擦拭掉，调整参数重新印刷。

4.2PCB与载具分离

在锡膏印刷完成后脱膜时，发生PCB与载具分离，主要原因是PCB太薄或定位销与PCB定位孔不匹配导致，解决的办法是，印刷上板前可采用高温胶带进行边缘固定。

4.3元件是否贴偏

炉前检验，确保元器件没有漏件、错位和反向等异常状况。

4.4寻找最佳炉温曲线

    结合现有的焊膏推荐炉温曲线，进行炉温实时测量，考虑到载具的吸热及升温降温特性，合理设置五个温区参数，寻找最佳炉温曲线。

4.5AOI检验

AOI设备通过摄像头自动扫描PCB采集图像，测试焊点与数据库中的设置参数进行比较，经图像处理，检查PCB焊接缺陷(如少锡、多锡、无锡、短接、移位、漏料、极性和错件等)。通过AOI作为发现缺陷的工具，在装配工艺过程中查找和消除错误，经维修人员进行返修，确保良好的工艺过程控制[5]。

05 结论

微型化异形PCB组装，可选择的焊接方式有多种，此类板件在生产中遇到的难点往往是由于研发前端的非优设计造成，解决的方法需结合PCB特性进行载具的设计及炉温设置。文中采取的6拼板载具SMT组装实际量产结果表明，采用合成石载具可解决微型化异形PCBSMT自动化组装，结合关键工艺控制点，实现了产品量产的高可靠焊接，对于业界同行工程技术人员具有实际的参考意义。