smt-第1部分
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子组装行业里最流行的一种技术和工艺。 SMT有何特点 组装密度高、电子产品体积小、重量轻，贴片元件的体积和重量只有传统插装元件的1/10左右，一般采用SMT之后，电子产品体积缩小40％~60％，重量减轻60％~80％。 可靠性高、抗振能力强。焊点缺陷率低。 高频特性好。减少了电磁和射频干扰。 易于实现自动化，提高生产效率。降低成本达30％~50％。 节省材料、能源、设备、人力、时间等。
＇编辑本段＇为什么要用SMT
电子产品追求小型化，以前使用的穿孔插件元件已无法缩小。 电子产品功能更完整，所采用的集成电路（IC）已无穿孔元件，特别是大规模、高集成IC，不得不采用表面贴片元件。 产品批量化，生产自动化，厂方要以低成本高产量，出产优质产品以迎合顾客需求及加强市场竞争力 电子元件的发展，集成电路（IC）的开发，半导体材料的多元应用。 电子科技革命势在必行，追逐国际潮流。
＇编辑本段＇SMT 基本工艺构成要素
印刷（或点胶）》 贴装 》 （固化） 》 回流焊接 》 清洗 》 检测 》 返修 印刷：其作用是将焊膏或贴片胶漏印到PCB的焊盘上，为元器件的焊接做准备。所用设备为印刷机SMT加工车间（锡膏印刷机），位于SMT生产线的最前端。 点胶：因现在所用的电路板大多是双面贴片，为防止二次回炉时投入面的元件因锡膏再次熔化而脱落，故在投入面加装点胶机，它是将胶水滴到PCB的固定位置上，其主要作用是将元器件固定到PCB板上。所用设备为点胶机，位于SMT生产线的最前端或检测设备的后面。有时由于客户要求产出面也需要点胶， 而现在很多小工厂都不用点胶机，若投入面元件较大时用人工点胶。 贴装：其作用是将表面组装元器件准确安装到PCB的固定位置上。所用设备为贴片机，位于SMT生产线中印刷机的后面。 固化：其作用是将贴片胶融化，从而使表面组装元器件与PCB板牢固粘接在一起。所用设备为固化炉，位于SMT生产线中贴片机的后面。 回流焊接：其作用是将焊膏融化，使表面组装元器件与PCB板牢固粘接在一起。所用设备为回流焊炉，位于SMT生产线中贴片机的后面。 清洗：其作用是将组装好的PCB板上面的对人体有害的焊接残留物如助焊剂等除去。所用设备为清洗机，位置可以不固定，可以在线，也可不在线。 检测：其作用是对组装好的PCB板进行焊接质量和装配质量的检测。所用设备有放大镜、显微镜、在线测试仪（ICT）、飞针测试仪、自动光学检测（AOI）、X…RAY检测系统、功能测试仪等。位置根据检测的需要，可以配置在生产线合适的地方。 返修：其作用是对检测出现故障的PCB板进行返工。所用工具为烙铁、返修工作站等。配置在生产线中任意位置。 SMT 之 IMC IMC系Intermetallic pound 之缩写，笔者将之译为＂介面合金共化物＂。广义上说是指某些金属相互紧密接触之介面间，会产生一种原子迁移互动的行为，组成一层类似合金的＂化合物＂，并可写出分子式。在焊接领域的狭义上是指铜锡、金锡、镍锡及银锡之间的共化物。其中尤以铜锡间之良性Cu6Sn5（Eta Phase）及恶性Cu3Sn（Epsilon Phase）最为常见，对焊锡性及焊点可靠度（即焊点强度）两者影响最大，特整理多篇论文之精华以诠释之 一、定义 能够被锡铅合金焊料（或称焊锡Solder）所焊接的金属，如铜、镍、金、银等，其焊锡与被焊盘金属之间，在高温中会快速形成一薄层类似＂锡合金＂的化合物。此物起源于锡原子及被焊金属原子之相互结合、渗入、迁移、及扩散等动作，而在冷却固化之后立即出现一层薄薄的＂共化物＂，且事后还会逐渐成长增厚。此类物质其老化程度受到锡原子与底金属原子互相渗入的多少，而又可分出好几道层次来。这种由焊锡与其被焊金属介面之间所形成的各种共合物，统称Intermetallic pound 简称IMC，本文中仅讨论含锡的IMC，将不深入涉及其他的IMC。 二、一般性质 由于IMC曾是一种可以写出分子式的＂准化合物＂，故其性质与原来的金属已大不相同，对整体焊点强度也有不同程度的影响，首先将其特性简述于下： ◎ IMC在PCB高温焊接或锡铅重熔（即熔锡板或喷锡）时才会发生，有一定的组成及晶体结构，且其生长速度与温度成正比，常温中较慢。一直到出现全铅的阻绝层（Barrier）才会停止（见图六）。 ◎ IMC本身具有不良的脆性，将会损及焊点之机械强度及寿命，其中尤其对抗劳强度（Fatigue Strength）危害最烈，且其熔点也较金属要高。 ◎ 由于焊锡在介面附近得锡原子会逐渐移走，而与被焊金属组成IMC，使得该处的锡量减少，相对的使得铅量之比例增加，以致使焊点展性增大（Ductillity）及固着强度降低，久之甚至带来整个焊锡体的松弛。 ◎ 一旦焊垫商原有的熔锡层或喷锡层，其与底铜之间已出现＂较厚＂间距过小的IMC后，对该焊垫以后再续作焊接时会有很大的妨碍；也就是在焊锡性（Solderability）或沾锡性（Wettability）上都将会出现劣化的情形。 ◎ 焊点中由于锡铜结晶或锡银结晶的渗入，使得该焊锡本身的硬度也随之增加，久之会有脆化的麻烦。 ◎ IMC会随时老化而逐渐增厚，通常其已长成的厚度，与时间大约形成抛物线的关系，即： δ＝k √t， k＝k exp（－Q/RT） δ表示t时间后IMC已成长的厚度。 K表示在某一温度下IMC 的生长常数。 T表示绝对温度。 R表示气体常数， 即8。32 J/mole。 Q表示IMC生长的活化能。 K＝IMC对时间的生长常数， 以nm / √秒或μm / √日（ 1μm / √日＝3。4nm / √秒。 现将四种常见含锡的IMC在不同温度下，其生长速度比较在下表的数字中： 表1 各种IMC在不同温度中之生长速度（nm / √s） 金属介面 20℃ 100℃ 135℃ 150℃ 170℃ 1。 锡 / 金 40 2。 锡 / 银 0。08 17…35 3。 锡 / 镍 0。08 1 5 4。 锡 / 铜 0。26 1。4 3。8 10 ＇注＇ 在170℃高温中铜面上，各种含锡合金IMC层的生长速率，也有所不同；如热浸锡铅为 5nm/s，雾状纯锡镀层为7。7（以下单位相同），锡铅比30/70的皮膜为11。2，锡铅比70/30的皮膜为12。0，光泽镀纯锡为3。7，其中以最后之光泽镀锡情况较好。 三、焊锡性与表面能 若纯就可被焊接之金属而言，影响其焊锡性（Solderability）好坏的机理作用甚多，其中要点之一就是＂表面自由能＂（Surface Free Energy，简称时可省掉Free）的大小。也就是说可焊与否将取决于： （1） 被焊底金属表面之表面能（Surface Energy）， （2） 焊锡焊料本身的＂表面能＂等二者而定。 凡底金属之表面能大于焊锡本身之表面能时，则其沾锡性会非常好，反之则沾锡性会变差。也就是说当底金属之表面能减掉焊锡表面能而得到负值时，将出现缩锡（Dewetting），负值愈大则焊锡愈差，甚至造成不沾锡（Non…Wetting）的恶劣地步。 新鲜的铜面在真空中测到的＂表面能＂约为1265达因/公分，63/37的焊锡加热到共熔点（Eutectic Point 183℃）并在助焊剂的协助下，其表面能只得380达因/公分，若将二者焊一起时，其沾锡性将非常良好。然而若将上述新鲜洁净的铜面刻意放在空气中经历2小时后，其表面能将会遽降到25达因/公分，与380相减不但是负值（…355），而且相去甚远，焊锡自然不会好。因此必须要靠强力的助焊剂除去铜面的氧化物，使之再活化及表面能之再次提高，并超过焊锡本身的表面能时，焊锡性才会有良好的成绩。 四、锡铜介面合金共化物的生成与老化 当熔融态的焊锡落在洁铜面的瞬间，将会立即发生沾锡（Wetting俗称吃锡）的焊接动作。此时也立即会有锡原子扩散（Diffuse）到铜层中去，而铜原子也同时会扩散进入焊锡中，二者在交接口上形成良性且必须者Cu6Sn5的IMC，称为η…phase（读做Eta相），此种新生＂准化合物＂中含锡之重量比约占60％。若以少量的铜面与多量焊锡遭遇时，只需3…5秒钟其IMC即可成长到平衡状态的原度，如240℃的0。5μm到340℃的0。9μm。然而在此交会互熔的同时，底铜也会有一部份熔进液锡的主体锡池中，形成负面的污染。 （a） 最初状态：当焊锡着落在清洁的铜面上将立即有η…phase Cu6Sn5生成，即图中之（2）部分。 （b） 锡份渗耗期：焊锡层中的锡份会不断的流失而渗向IMC去组新的Cu6Sn5，而同时铜份也会逐渐渗向原有的η…phase层次中而去组成新的Cu3Sn，即图中之（5）。此时焊锡中之锡量将减少，使得铅量在比例上有所增加，若于其外表欲再行焊接时将会发生缩锡。 （c） 多铅之阻绝层：当焊锡层中的锡份不断渗走再去组成更厚的IMC时，逐渐使得本身的含铅比例增加，最后终于在全铅层的挡路下阻绝了锡份的渗移。 （d） IMC的曝露：由于锡份的流失，造成焊锡层的松散不堪而露出IMC底层，而终致到达不沾锡的下场（Non…wetting）。 高温作业后经长时老化的过程中，在Eta…phase良性IMC与铜底材之间，又会因铜量的不断渗入Cu6Sn5中，而逐渐使其局部组成改变为Cu3Sn的恶性ε…phase（又读做Epsilon相）。其中铜量将由早先η…phase的40％增加到ε…phase的66％。此种老化劣化之现象，随着时间之延长及温度之上升而加剧，且温度的影响尤其强烈。由前述＂表面能＂的观点可看出，这种含铜量甚高的恶性ε…phase，其表面能的数字极低，只有良性η…phase的一半。因而Cu3Sn是一种对焊锡性颇有妨碍的IMC。 然而早先出现的良性η…phase Cu6Sn5， 却是良好焊锡性必须的条件。没有这种良性Eta相的存在，就根本不可能完成良好的沾锡，也无法正确的焊牢。换言之，必需要在铜面上首先生成Eta…phase的IMC，其焊点才有强度。否则焊锡只是在附着的状态下暂时冷却固化在铜面上而已，这种焊点就如同大树没有根一样，毫无强度可言。锡铜合金的两种IMC在物理结构上也不相同。其中恶性的ε…phase（Cu3Sn）常呈现柱状结晶（Columnar Structure），而良性的η…phase（Cu6Sn5）却是一种球状组织（Globular）。下图8此为一铜箔上的焊锡经长时间老化后，再将其弯折磨平抛光以及微蚀后，这在SEM2500倍下所摄得的微切片实像，两IMC的组织皆清晰可见，二者之硬度皆在500微硬度单位左右。 在IMC的增厚过程中，其结晶粒子（Grains）也会随时在变化。由于粒度的变化变形，使得在切片画面中量测厚度也变得比较困难。一般切片到达最后抛光完成后，可使用专门的微蚀液（NaOH 50/gl，加1，2…Nitrphenol 35ml/l，70℃下操作），并在超声波协助下，使其能咬出清晰的IMC层次，而看到各层结晶解里面的多种情况。现将锡铜合金的两种IMC性质比较如下： 两种锡铜合金IMC的比较 命名 分子式 含锡量W％ 出现经过 位置所在 颜色 结晶 性能 表面能η…phase（Eta） Cu6Sn5 60％ 高温融锡沾焊到清洁铜面时立即生成 介于焊锡或纯锡与铜之间的介面 白色 球状 组织 良性IMC 微焊接强度之必须甚高 ε…phase（Epsilon） Cu3Sn 30％ 焊后经高温或长期老化而逐渐发生 介于Cu6Sn5与铜面之间 灰色 柱状 结晶 恶性IMC 将造成缩锡或不沾锡 较低只有Eta的一半；非常有趣的是，单纯Cu6Sn5的良性IMC，虽然分子是完全相同，但当生长环境不同时外观却极大的差异。如将清洁铜面热浸于熔融态的纯锡中，此种锡量与热量均极度充足下，所生成的Eta良性IMC之表面呈鹅卵石状。但若改成锡铅合金（63/37）之锡膏与热风再铜面上熔焊时，亦即锡量与热量不太充足之环境，居然长出另一种一短棒状的IMC外表（注意铜与铅是不会产生IMC的，且两者之对沾锡（wetting）与散锡（Spreading）的表现也截然不同。再者铜锡之IMC层一旦遭到氧化时，就会变成一种非常顽强的皮膜，即使薄到5层原子厚度的1。5nm，再猛的助焊剂也都奈何不了它。这就是为什么PTH孔口锡薄处不易吃锡的原因（C。Lea的名着A scientific Guide to SMT之P。337有极清楚的说明），故知焊点之主体焊锡层必须稍厚时，才能尽量保证焊锡性于不坠。�
