焊接方法与工艺 浅谈电路板焊接方法

焊接方法与工艺 浅谈电路板焊接方法

焊接是制造电子产品的重要环节之一，如果没有相应的工艺质量保证，任何一个设计精良的电子产品都难以达到设计要求。在科研开发、设计试制、技术革新的过程中制作一、两块电路板，不可能也没有必要采用自动设备，经常需要进行手工装焊。在大量生产中，从元器件的筛选测试，到电路板的装配焊接，都是由自动化机械来完成的，例如自动测试机、元件清洗机、搪锡机、整形机、插装机、波峰焊机、剪腿机、印制板清洗机等。这些由计算机控制的生产设备，在现代化的大规模电子产品生产中发挥了重要的作用，有利于保证工艺条件和装焊操作的一致性，提高产品质量。

焊接分类与锡焊的条件

焊接的分类

焊接技术在电子工业中的应用非常广泛，在电子产品制造过程中，几乎各种焊接方法都要用到，但使用最普遍、最有代表性的是锡焊方法。锡焊是焊接的一种，它是将焊件和熔点比焊件低的焊料共同加热到锡焊温度，在焊件不熔化的情况下，焊料熔化并浸润焊接面，依靠二者原子的扩散形成焊件的连接。其主要特征有以下三点：

⑴ 焊料熔点低于焊件;

⑵ 焊接时将焊料与焊件共同加热到锡焊温度，焊料熔化而焊件不熔化;

⑶ 焊接的形成依靠熔化状态的焊料浸润焊接面，由毛细作用使焊料进入焊件的间隙，形成一个合金层，从而实现焊件的结合。

除了含有大量铬、铝等元素的一些合金材料不宜采用锡焊焊接外，其它金属材料大都可以采用锡焊焊接。锡焊方法简便，只需要使用简单的工具(如电烙铁)即可完成焊接、焊点整修、元器件拆换、重新焊接等工艺过程。此外，锡焊还具有成本低、易实现自动化等优点，在电子工程技术里，它是使用最早、最广、占比重最大的焊接方法。

手工烙铁焊接的基本技能

使用电烙铁进行手工焊接，掌握起来并不困难，但是又有一定的技术要领。长期从事电子产品生产的人们是从四个方面提高焊接的质量：材料、工具、方法、操作者。

其中最主要的当然还是人的技能。没有经过相当时间的焊接实践和用心体验、领会，就不能掌握焊接的技术要领;即使是从事焊接工作较长时间的技术工人，也不能保证每个焊点的质量完全一致。只有充分了解焊接原理再加上用心实践，才有可能在较短的时间内学会焊接的基本技能。下面介绍的一些具体方法和注意要点，都是实践经验的总结，是初学者迅速掌握焊接技能的捷径。

初学者应该勤于练习，不断提高操作技艺，不能把焊接质量问题留到整机电路调试的时候再去解决。

焊接操作的正确姿势

掌握正确的操作姿势，可以保证操作者的身心健康，减轻劳动伤害。为减少焊剂加热时挥发出的化学物质对人的危害，减少有害气体的吸入量，一般情况下，烙铁到鼻子的距离应该不少于20cm，通常以30cm为宜。

虚焊产生的原因及其危害

虚焊主要是由待焊金属表面的氧化物和污垢造成的，它使焊点成为有接触电阻的连接状态，导致电路工作不正常，出现连接时好时坏的不稳定现象，噪声增加而没有规律性，给电路的调试、使用和维护带来重大隐患。此外，也有一部分虚焊点在电路开始工作的一段较长时间内，保持接触尚好，因此不容易发现。但在温度、湿度和振动等环境条件的作用下，接触表面逐步被氧化，接触慢慢地变得不完全起来。虚焊点的接触电阻会引起局部发热，局部温度升高又促使不完全接触的焊点情况进一步恶化，最终甚至使焊点脱落，电路完全不能正常工作。这一过程有时可长达一、二年，其原理可以用“原电池”的概念来解释：当焊点受潮使水汽渗入间隙后，水分子溶解金属氧化物和污垢形成电解液，虚焊点两侧的铜和铅锡焊料相当于原电池的两个电极，铅锡焊料失去电子被氧化，铜材获得电子被还原。在这样的原电池结构中，虚焊点内发生金属损耗性腐蚀，局部温度升高加剧了化学反应，机械振动让其中的间隙不断扩大，直到恶性循环使虚焊点最终形成断路。

据统计数字表明，在电子整机产品的故障中，有将近一半是由于焊接不良引起的。然而，要从一台有成千上万个焊点的电子设备里，找出引起故障的虚焊点来，实在不是容易的事。所以，虚焊是电路可靠性的重大隐患，必须严格避免。进行手工焊接操作的时候，尤其要加以注意。

一般来说，造成虚焊的主要原因是：焊锡质量差;助焊剂的还原性不良或用量不够;被焊接处表面未预先清洁好，镀锡不牢;烙铁头的温度过高或过低，表面有氧化层;焊接时间掌握不好，太长或太短;焊接中焊锡尚未凝固时，焊接元件松动。

通电检查

在外观检查结束以后认为连线无误，才可进行通电检查，这是检验电路性能的关键。如果不经过严格的外观检查，通电检查不仅困难较多，而且可能损坏设备仪器，造成安全事故。例如电源连接线虚焊，那么通电时就会发现设备加不上电，当然无法检查。

通电检查可以发现许多微小的缺陷，例如用目测观察不到的电路桥接，但对于内部虚焊的隐患就不容易觉察。所以根本的问题还是要提高焊接操作的技艺水平，不能把焊接问题留给检验工序去完成。

电子产品生产工艺

介绍两个，但愿能帮助你

第一个：1.1 PCB扮演的角色

PCB的功能为提供完成第一层级构装的组件与其它必须的电子电路零件接 合的基地，以组成一个具特定功能的模块或成品。所以PCB在整个电子产 品中，扮演了整合连结总其成所有功能的角色，也因此时常电子产品功能故 障时，最先被质疑往往就是PCB。图1.1是电子构装层级区分示意。

1.2 PCB的演变

1.早于1903年Mr. Albert Hanson首创利用线路(Circuit)观念应用于电话交换机系统。它是用金属箔予以切割成线路导体，将之黏着于石蜡纸上，上面同样贴上一层石蜡纸，成了现今PCB的机构雏型。见图1.2

2. 至1936年，Dr Paul Eisner真正发明了PCB的制作技术，也发表多项专利。而今日之print-etch(photoimage transfer)的技术，就是沿袭其发明而来的。

1.3 PCB种类及制法

在材料、层次、制程上的多样化以适 合 不同的电子产品及其特殊需求。 以下就归纳一些通用的区别办法，来简单介绍PCB的分类以及它的制造方 法。

1.3.1 PCB种类

A. 以材质分

a. 有机材质

酚醛树脂、玻璃纤维/环氧树脂、Polyimide、BT/Epoxy等皆属之。

b. 无机材质

铝、Copper-invar-copper、ceramic等皆属之。主要取其散热功能

B. 以成品软硬区分

a. 硬板 Rigid PCB

b.软板 Flexible PCB 见图1.3

c.软硬板 Rigid-Flex PCB 见图1.4

C. 以结构分

a.单面板 见图1.5

b.双面板 见图1.6

c.多层板 见图1.7

D. 依用途分：通信/耗用性电子/军用/计算机/半导体/电测板…,见图1.8 BGA.

另有一种射出成型的立体PCB，因使用少，不在此介绍。

1.3.2制造方法介绍

A. 减除法，其流程见图1.9

B. 加成法，又可分半加成与全加成法，见图1.10 1.11

C. 尚有其它因应IC封装的变革延伸而出的一些先进制程，本光盘仅提及但不详加介绍，因有许多尚属机密也不易取得，或者成熟度尚不够。 本光盘以传统负片多层板的制程为主轴，深入浅出的介绍各个制程，再辅以先进技术的观念来探讨未来的PCB走势。

2.3.1客户必须提供的数据：

电子厂或装配工厂，委托PCB SHOP生产空板（Bare Board）时，必须提供下列数据以供制作。见表料号数据表-供制前设计使用.

上表数据是必备项目，有时客户会提供一片样品, 一份零件图，一份保证书（保证制程中使用之原物料、耗料等不含某些有毒物质）等。这些额外数据，厂商须自行判断其重要性，以免误了商机。

2.3.2 .资料审查

面对这么多的数据，制前设计工程师接下来所要进行的工作程序与重点，如下所述。

A. 审查客户的产品规格，是否厂内制程能力可及，审查项目见承接料号制程能力检查表.

B.原物料需求（BOM-Bill of Material）

根据上述资料审查分析后，由BOM的展开，来决定原物料的厂牌、种类及规格。主要的原物料包括了：基板（Laminate）、胶片（Prepreg）、铜箔（Copper foil）、防焊油墨（Solder Mask）、文字油墨（Legend）等。另外客户对于Finish的规定,将影响流程的选择,当然会有不同的物料需求与规格，例如：软、硬金、喷钖、OSP等。

表归纳客户规范中，可能影响原物料选择的因素。

C. 上述乃属新数据的审查, 审查完毕进行样品的制作.若是旧数据,则须Check有无户ECO (Engineering Change Order) ,然后再进行审查.

D.排版

排版的尺寸选择将影响该料号的获利率。因为基板是主要原料成本（排版最佳化，可减少板材浪费）；而适当排版可提高生产力并降低不良率。

有些工厂认为固定某些工作尺寸可以符合最大生产力，但原物料成本增加很多.下列是一些考虑的方向：

一般制作成本，直、间接原物料约占总成本30~60%，包含了基板、胶片、铜箔、防焊、干膜、钻头、重金属（铜、钖、铅），化学耗品等。而这些原物料的耗用，直接和排版尺寸恰当与否有关系。大部份电子厂做线路Layout时，会做连片设计，以使装配时能有最高的生产力。因此，PCB工厂之制前设计人员，应和客户密切沟通，以使连片Layout的尺寸能在排版成工作PANEL时可有最佳的利用率。要计算最恰当的排版，须考虑以下几个因素。

a.基材裁切最少刀数与最大使用率（裁切方式与磨边处理须考虑进去）。

b.铜箔、胶片与干膜的使用尺寸与工作PANEL的尺寸须搭配良好，以免浪费。

c.连片时，piece间最小尺寸，以及板边留做工具或对位系统的最小尺寸。

d.各制程可能的最大尺寸限制或有效工作区尺寸.

e.不同产品结构有不同制作流程，及不同的排版限制，例如，金手指板，其排版间距须较大且有方向的考虑，其测试治具或测试次序规定也不一样。 较大工作尺寸，可以符合较大生产力，但原物料成本增加很多,而且设备制程能力亦需提升，如何取得一个平衡点，设计的准则与工程师的经验是相当重要的。

2.3.3 着手设计

所有数据检核齐全后，开始分工设计：

A. 流程的决定(Flow Chart) 由数据审查的分析确认后，设计工程师就要决定最适切的流程步骤。 传统多层板的制作流程可分作两个部分:内层制作和外层制作.以下图标几种代 表性流程供参考.见图2.3 与 图2.4

B. CAD/CAM作业

a. 将Gerber Data 输入所使用的CAM系统，此时须将apertures和shapes定义好。目前，己有很多PCB CAM系统可接受IPC-350的格式。部份CAM系统可产生外型NC Routing 档，不过一般PCB Layout设计软件并不会产生此文件。 有部份专业软件或独立或配合NC Router,可设定参数直接输出程序.

Shapes 种类有圆、正方、长方,亦有较复杂形状，如内层之thermal pad等。着手设计时，Aperture code和shapes的关连要先定义清楚，否则无法进行后面一系列的设计。

b. 设计时的Check list

依据check list审查后，当可知道该制作料号可能的良率以及成本的预估。

c. Working Panel排版注意事项：

－PCB Layout工程师在设计时，为协助提醒或注意某些事项，会做一些辅助的记号做参考，所以必须在进入排版前，将之去除。下表列举数个项目，及其影响。

－排版的尺寸选择将影响该料号的获利率。因为基板是主要原料成本（排版最佳化，可减少板材浪费）；而适当排版可提高生产力并降低不良率。

有些工厂认为固定某些工作尺寸可以符合最大生产力，但原物料成本增加很多.下列是一些考虑的方向：

一般制作成本，直、间接原物料约占总成本30~60%，包含了基板、胶片、铜箔、防焊、干膜、钻头、重金属（铜、钖、铅、金），化学耗品等。而这些原物料的耗用，直接和排版尺寸恰当与否有关系。大部份电子厂做线路Layout时，会做连片设计，以使装配时能有最高的生产力。因此，PCB工厂之制前设计人员，应和客户密切沟通，以使连片Layout的尺寸能在排版成工作PANEL时可有最佳的利用率。要计算最恰当的排版，须考虑以下几个因素。

1.基材裁切最少刀数与最大使用率（裁切方式与磨边处理须考虑进去）。

2.铜箔、胶片与干膜的使用尺寸与工作PANEL的尺寸须搭配良好，以免浪费。

3.连片时，piece间最小尺寸，以及板边留做工具或对位系统的最小尺寸。

4.各制程可能的最大尺寸限制或有效工作区尺寸.

5不同产品结构有不同制作流程，及不同的排版限制，例如，金手指板，其排版间距须较大且有方向的考虑，其测试治具或测试次序规定也不一样。

较大工作尺寸，可以符合较大生产力，但原物料成本增加很多,而且设备制程能力亦需提升，如何取得一个平衡点，设计的准则与工程师的经验是相当重要的。

－进行working Panel的排版过程中，尚须考虑下列事项，以使制程顺畅，表排版注意事项 。

d. 底片与程序：

－底片Artwork 在CAM系统编辑排版完成后，配合D-Code档案，而由雷射绘图机（Laser Plotter）绘出底片。所须绘制的底片有内外层之线路，外层之防焊，以及文字底片。

由于线路密度愈来愈高，容差要求越来越严谨，因此底片尺寸控制，是目前很多PCB厂的一大课题。表是传统底片与玻璃底片的比较表。玻璃底片使用比例已有提高趋势。而底片制造商亦积极研究替代材料，以使尺寸之安定性更好。例如干式做法的铋金属底片.

一般在保存以及使用传统底片应注意事项如下：

1.环境的温度与相对温度的控制

2.全新底片取出使用的前置适应时间

3.取用、传递以及保存方式

4.置放或操作区域的清洁度

－程序

含一,二次孔钻孔程序，以及外形Routing程序其中NC Routing程序一般须另行处理

e. DFM－Design for manufacturing .Pcb lay-out 工程师大半不太了解，PCB制作流程以及各制程需要注意的事项，所以在Lay-out线路时，仅考虑电性、逻辑、尺寸等，而甚少顾及其它。PCB制前设计工程师因此必须从生产力，良率等考虑而修正一些线路特性，如圆形接线PAD修正成泪滴状，见图2.5,为的是制程中PAD一孔对位不准时，尚能维持最小的垫环宽度。

但是制前工程师的修正，有时却会影响客户产品的特性甚或性能，所以不得不谨慎。PCB厂必须有一套针对厂内制程上的特性而编辑的规范除了改善产品良率以及提升生产力外，也可做为和PCB线路Lay-out人员的沟通语言，见图2.6 .

C. Tooling

指AOI与电测Netlist档..AOI由CAD reference文件产生AOI系统可接受的数据、且含容差，而电测Net list档则用来制作电测治具Fixture。

第二个

线路板的工艺流程介绍

一． 双面板工艺流程：

覆铜板（CCL）下料（Cut）→钻孔（Drilling）→沉铜（PTH）→全板镀铜（Panel Plating）→图形转移（Pattern）油墨或干膜→图形电镀（Pattern plating）→蚀刻（Etch）→半检IQC→丝印阻焊油墨和字符油墨（SS）或贴阻焊干膜→热风整平或喷锡（HAL）→外形（Pounching）→成检（FQC）→电测试E-TEST→包装（Packaging）

二． 多层板工艺流程：

内层覆铜板（CCL）铜箔（Copper Foil）下料（Cut）→内层图形制作（Inner-layer Pattern）→内层蚀刻（Inner-layer Etch）→内层黑氧化（Black-oxide）→层压or压合制程→钻孔（Drilling）→沉铜（PTH）→全板镀铜（Panel Plating）→外层蚀刻（Outer-layer Etch）→半检IQC→丝印阻焊油墨和字符油墨（SS）或贴阻焊干膜→热风整平或喷锡（HAL）→外形（Pounching）→成检（FQC）→电测试E-TEST→包装（Packaging

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