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多拼板光模块产品的SMT工艺方案研究
录入时间:2019/9/17 11:21:15

胡立刚 高见 钟良

(烽火通信科技股份有限公司)

摘要:多拼板光模块产品由于其基板特点,在SMT生产中存在诸多问题。本文以某款光模块产品为例,分析SMT各工序中存在的质量风险,提出并验证载具生产的可行性。

关键字:光模块;SMT工艺;载具

1、引言

随着中国通信行业的不断壮大,光模块产品的市场需求不断增加。光模块产品因其不断提高的光电集成水平,需要满足高速传输速率、优秀性能指标、小型外形尺寸和低成本封装工艺等要求,器件封装形式从早期的双列直插到到微型化封装,其组装工艺也将重心转移至SMT技术[1]。面对不断增加的光模块生产需求,如何不断提升产品的质量和生产效率,成为各SMT生产企业亟需解决的问题。

2、光模块产品的SMT工艺过程及风险识别

2.1 光模块的产品特点

SMT工艺过程包括锡膏印刷(丝印),元件贴装(贴片),回流焊接等,所涉及的关键设备包括丝印机,贴片机和回流炉。单块光模块的尺寸较小,一般为38×12mm左右,已超出SMT设备的极限生产尺寸(约50×50mm)。因此,光模块产品通常采用10拼或12拼的制版方式,使其基板尺寸达到110×55mm以上,以满足SMT设备的生产需求。光模块产品包含大量0201封装的阻容类元器件,元件尺寸小,密度大,对丝印和贴片环节有较高的精度要求。同时,其基板厚度约为1±0.1mm,强度较小,容易受到设备机械夹持和焊接高温的影响而产生形变,因而对生产的稳定性提出了更高的挑战。

     

图1  光模块产品          

        

图2 光模块产品的基板数据

2.2 丝印工艺

当光模块基板进入丝印机后,受Board stopper阻挡,基板停在停板位置。此时丝印机平台上升,使基板进入夹持状态,随后丝印机相机对基板和钢网的MARK点进行拍摄定位。定位正常后,相机离开,基板上升与钢网贴合,刮刀下降进行印刷。印刷完毕后,基板与钢网分离,夹持状态释放,基板离开丝印机。以上过程进行数次后,丝印机要进行钢网清洗作业,以保证钢网状态及印刷良率。

在丝印过程中,可能存在以下风险:1、丝印机的夹持方式有侧方夹持和上下夹持。当采用侧方夹持时,需要控制好夹紧量,夹紧量太大容易导致基板凸起变形,造成印刷多锡;夹紧量太小则可能夹持不稳,造成桥连和拉尖等不良。当采用上下夹持时,由于夹边存在一定的厚度,靠近夹边的光模块拼板存在多锡风险。2、由于光模块基板厚度小,强度低,元件密度高,丝印时需要合理摆放支撑,对作业员的技能要求比较高。3、虽然采用了10拼的版式,但是总元件数依然不多(300~400),因此相较于贴片机的贴装速度,丝印环节会成为整个生产线的瓶颈,拖累整体效率。

2.3 贴片工艺

完成丝印工艺后,光模块基板传输进入贴片机。触发贴片机的停板传感器后,贴片机Lifting Table上升,对基板进行夹持固定。此后贴片机识别基板MARK,按照贴片程序进行取料、贴片动作。

与丝印工序类似的,贴片机对基板的夹持会使基板产生凸起变形,导致贴片时贴片机Z轴下降的高度不一致。贴片机Z轴运动过程分为加速,匀速,减速三个过程。当基板平整时,Z轴在减速过程靠近基板,物料以较低的速度贴装,而当基板凸起时,Z轴在尚未减速时完成贴装,物料以高速撞击基板,则会导致基板反弹出现飞件。

     

图3 基板在夹持时凸起变形

图4 贴片机Z轴运动曲线

 

2.3 回流焊接工艺

   光模块基板进入回流炉后,经预热区、恒温区、回流区、冷却区完成焊接。由于光模块产品不存在大型芯片、电容等高吸热器件,其焊接曲线和焊接效果比较容易达成。但是由于尺寸小,重量轻,PCB基板由接驳台轨道进入回流炉时易发生跳动,导致基板传送边与回流炉链条出现夹角。这可能导致在回流炉链条的连接处出现卡板现象。

 

图4 回流炉内卡板现象

3、光模块产品的载具生产工艺

如上文所述,由于光模块产品的PCB基板尺寸小,强度低,重量轻等特点,在SMT各工序中存在各种质量风险。为规避这些风险,提高生产质量和效率,可以考虑采用载具装载基板进行生产。采用载具生产的优势是显而易见的。首先,载具装载基板后,丝印机和贴片机夹持在载具上,基板不会因此产生形变,因而可以避免因夹持形变导致的种种不良;其次,采用载具装载相当于再次将基板扩容,可一次印刷、贴装多块基板,充分利用贴片机的贴装速度,达到效率提升的目的;最后,在回流焊接工序,载具传输的稳定性远强于基板直接传输,可以完全杜绝卡板现象的出现。

3.1 载具生产方案

在设计载具时,首先要考虑载具的尺寸、重量等应满足设备生产参数尺寸过小,可容纳的基板数量少,对效率提升不明显;尺寸过大,基板数量的增加会使效率提升达到瓶颈,增加累积误差,同时重量过大会对设备的传输机构形成负担。其次,载具应对基板有良好的定位精度,以保证丝印和贴片的精度。最后,应当考虑载具的吸热量对回流焊接工序的影响。

经过计算和实验,采用“四合一”模式的载具方案可使效率达到最优化。

表1 “四合一”载具方案效率计算


     
   如图5所示的载具,尺寸300×200mm,长边为传送边,可装载4块光模块PCB基板。基板装载时,利用两侧的弹簧销钉的拉力固定,并使基板上表面略高与载具上表面。同时,载具进行了镂空设计,减少焊接时的吸热量。提高装载基板的效率,设计了一款装载工具。

图5 光模块PCB载具和装载工具

3.2 载具生产方案验证及改善

为验证丝印工序的可行性,可利用SPI检测数据分析印刷质量。SPI光学检测可以对每个焊盘上的锡膏进行多个参数的比较验证,包括锡膏体积,面积,高度和偏移值等。各参数的阀值按照行业标准设定,与非载具生产时的设定相同。

           

图6  SPI参数设定                     

图7  SPI检测结果

如图7的检测结果显示,使用载具进行丝印工序时,锡膏的各个参数均在设定值范围内,未出现多锡、拉尖、桥连等印刷不良现象。

利用载具生产时,由于夹持造成的基板变形已经不存在,由此造成的飞件不良可以避免。但是由于载具的制造误差和定位精度误差的存在,与光模块基板的制造误差累加,导致贴片时0201阻容器件的偏移现象加剧。当贴片出现偏移时,元件两端的引脚与锡膏的接触不均衡,在进行焊接时,沾锡少的一端容易出现润湿不良,形成虚焊或者立碑现象。为此,可以引入锡膏MARK方案。锡膏MARK是在丝印时基板MARK位置印上锡膏,贴片机识别时直接识别锡膏MARK而非基板MARK。这样贴片机的贴片坐标是基于锡膏层,从而规避了载具和基板的误差累积,使得元件两端引脚始终在锡膏正上方(如图8),从而改善虚焊和立碑问题。从实际的贴片效果来看,锡膏MARK方案是可行的(如图9)。

 

图8  基板MARK和锡膏MARK的贴片差异

图9 锡膏MARK方案的贴片效果

在进行回流焊接时,锡膏吸收热量融化。使用载具进行生产时,载具吸收热量势必导致锡膏吸热量减少,因此在焊接工序需要对其工艺参数进行修改。经过试验,将回流炉链速由85cm/s降低为80cm/s,增加PCB在预热,恒温,回流,冷却阶段的时间,可以保证焊接效果(如图10)。

图10 载具生产的焊接效果

4、总结

光模块产品由于其基板尺寸小,强度低等原因,在SMT各工序中存在各种质量风险。利用载具生产方案,可以规避产品尺寸劣势,提升产品质量和生产效率,还可以利用锡膏MARK方案解决误差累加导致的炉后虚焊问题。这种载具生产方案,对于类似的拼板PCB同样有借鉴意义,具有一定的普适性。

参考文献

[1] 刘晨.光电器件混合组装工艺中SMT技术贴片工艺研究[J].电子世界,2018(22):39-40.


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