fpc 又称柔性电路板,fpc 的pcba 组装焊接流程与硬性电路板的组装有很大的不同,因为 fpc 板子的硬度不够,较柔软,如果不使用专用载板,就无法完成固定和传输,也就无法完成印刷、贴片、过炉等基本 smt 工序。
一.fpc 的预处理
fpc 板子较柔软,出厂时一般不是真空包装,在运输和存储过程中易吸收空气中的水分,需在smt 投线前作预烘烤处理,将水分缓慢强行排出。否则,在回流焊接的高温冲击下,fpc 吸收的水分快速气化变成水蒸气突出 fpc,易造成 fpc 分层、起泡等不良。
预烘烤条件一般为温度80-100℃时间 4-8 小时,特殊情况下,可以将温度调高至125℃以上,但需相应缩短烘烤时间。烘烤前,一定要先作小样试验,以确定 fpc 是否可以承受设定的烘烤温度。烘烤时,fpc 堆叠不能太多,10-20pnl 比较合适。烘烤后的 fpc 应该没有明显的变色、变形、起翘等不良,需由 ipqc 抽检合格后才能投线。
二.专用载板的制作
根据电路板的 cad 文件,读取 fpc 的孔定位数据,来制造高精度 fpc 定位模板和专用载板,使定位模板上定位销的直径和载板上的定位孔、fpc 上定位孔的孔径相匹配。很多 fpc 因为要保护部分线路或是设计上的原因并不是同一个厚度的,有的地方厚而有的地方要薄点,有的还有加强金属板,所以载板和 fpc 的结合处需要按实际情况进行加工打磨挖槽的,作用是在印刷和贴装时保证 fpc 是平整的。载板的材质要求轻薄、高强度、吸热少、散热快,且经过多次热冲击后翘曲变形小。常用的载板材料有合成石、铝板、硅胶板、特种耐高温磁化钢板等。
三.生产过程
我们在这里以普通载板为例详述fpc 的 smt 要点,使用硅胶板或磁性治具时,fpc 的固定要方便很多,不需要使用胶带,而印刷、贴片、焊接等工序的工艺要点是一样的。
1. fpc 的固定:
在进行 smt 之前,首先需要将 fpc 精确固定在载板上。特别需要注意的是,从 fpc 固定在载板上以后,到进行印刷、贴装和焊接之间的存放时间越短越好。载板有带定位销和不带定位销两种。不带定位销的载板,需与带定位销的定位模板配套使用,先将载板套在模板的定位销上,使定位销通过载板上的定位孔露出来,将 fpc 一片一片套在露出的定位销上,再用胶带固定,然后让载板与 fpc 定位模板分离,进行印刷、贴片和焊接。带定位销的载板上已经固定有长约 1.5mm 的弹簧定位销若干个,可以将 fpc 一片一片直接套在载板的弹簧定位销上,再用胶带固定。在印刷工序,弹簧定位销可以完全被钢网压入载板内,不会影响印刷效果。
方法一(单面胶带固定):用薄型耐高温单面胶带将 fpc 四边固定在载板上,不让 fpc 有偏移和起翘,胶带粘度应适中,回流焊后必须易剥离,且在 fpc 上无残留胶剂。如果使用自动胶带机,能快速切好长短一致的胶带,可以显著提高效率,节约成本,避免浪费。
方法二(双面胶带固定):先用耐高温双面胶带贴在载板上,效果与硅胶板一样,再将 fpc 粘贴到载板,要特别注意胶带粘度不能太高,否则回流焊后剥离时,很容易造成 fpc 撕裂。在反复多次过炉以后,双面胶带的粘度会逐步变低,粘度低到无法可靠固定 fpc 时必须立即更换。此工位是防止 fpc 脏污的重点工位,需要戴手指套作业。载板重复使用前,需作适当清理,可以用无纺布蘸清洗剂擦洗,也可以使用防静电粘尘滚筒,以除去表面灰尘、锡珠等异物。取放 fpc 时切忌太用力,fpc 较脆弱,容易产生折痕和断裂。
2. fpc 的锡膏印刷:
fpc 对焊锡膏的成分没有很特别的要求,锡球颗粒的大小和金属含量等以 fpc 上有没有细间距 ic 为准,但 fpc 对焊锡膏的印刷性能要求较高,焊锡膏应具有优良的触变性,焊锡膏应该能够很容易印刷脱模并且能牢固地附着在 fpc 表面,不会出现脱模不良阻塞钢网漏孔或印刷后产生塌陷等不良。
因为载板上装载 fpc,fpc 上有定位用的耐高温胶带,使其平面不一致,所以 fpc 的印刷面不可能象 pcb 那 样平整和厚度硬度一致,所以不宜采用金属刮刀,而应采用硬度在 80-90 度的聚胺酯型刮刀。锡膏印刷机最好带有光学定位系统,否则对印刷质量会有较大影响,fpc 虽然固定在载板上,但是 fpc 与载板之间总会产生一些微小的间隙,这是与 pcb 硬板最大的区别,因此设备参数的设定对印刷效果也会产生较大 影响。
印刷工位也是防止 fpc 脏污的重点工位,需要戴手指套作业,同时要保持工位的清洁,勤擦钢网,防止焊锡膏污染 fpc 的金手指和镀金按键。
3. fpc 的贴片:
根据产品的特性、元件数量和贴片效率,采用中、高速贴片机进行贴装均可。由于每片 fpc 上都有定位用的光学 mark 标记,所以在 fpc 上进行 smd 贴装与在pcb 上进行贴装区别不大。需要注意的是,虽然 fpc 被固 定在载板上,但是其表面也不可能像 pcb 硬板一样平整,fpc 与载板之间肯定会存在局部空隙,所以,吸嘴下降高度、吹气压力等需精确设定,吸嘴移动速度需降低。
4. fpc 的回流焊:
应采用强制性热风对流红外回流焊炉,这样 fpc 上的温度能较均匀地变化,减少焊接不良的产生。如果是使用单面胶带的,因为只能固定fpc 的四边,中间部分因在热风状态下变形,焊盘容易形成倾斜,熔锡(高温 下的液态锡)会流动而产生空焊、连焊、锡珠,使制程不良率较高。
1)温度曲线测试方法:
由于载板的吸热性不同,fpc上元件种类的不同,它们在回流焊过程中受热后温度上升的速度不同,吸收 的热量也不同,因此仔细地设置回流焊炉的温度曲线,对焊接质量大有影响。比较稳妥的方法是,根据实际生产时的载板间隔,在测试板前后各放两块装有 fpc 的载板,同时在测试载板的fpc 上贴装有元件,用高温焊锡 丝将测试温探头焊在测试点上,同时用耐高温胶带将探头导线固定在载板上。注意,耐高温胶带不能将测试点 覆盖住。测试点应选在靠近载板各边的焊点和 qfp 引脚等处,这样的测试结果更能反映真实情况。
2)温度曲线的设置:
在炉温调试中,因为 fpc 的均温性不好,所以最好采用升温 / 保温 / 回流的温度曲线方式,这样各温区的参数易于控制一些,另外 fpc 和元件受热冲击的影响都要小一些。根据经验,最好将炉温调到焊锡膏技术要求值的下限,回焊炉的风速一般都采用炉子所能采用的最低风速,回焊炉链条稳定性要好,不能有抖动。
5. fpc 的检验、测试和分板:
由于载板在炉中吸热,特别是铝质载板,出炉时温度较高,所以最好是在出炉口增加强制冷却风扇,帮助快速降温。同时,作业员需带隔热手套,以免被高温载板烫伤。从载板上拿取完成焊接的 fpc 时,用力要均匀,不能使用蛮力,以免 fpc 被撕裂或产生折痕。
取下的 fpc 放在 5 倍以上放大镜下目视检验,重点检查表面残胶、变色、金手指沾锡、锡珠、ic 引脚空焊、连焊等问题。由于 fpc 表面不可能很平整,使 aoi 的误判率很高,所以 fpc 一般不适合作 aoi 检查,但通过借助专用的测试治具,fpc可以完成 ict、fct 的测试。
由于 fpc 以联板居多,可能在作 ict、fct 的测试以前,需要先做分板,虽然使用刀片、剪刀等工具也可以完成分板作业,但是作业效率和作业质量偏低。如果是异形 fpc 的大批量生产,可制作专门的 fpc 冲压分板模,进行冲压分割,可以大幅提高作业效率,同时冲裁出的 fpc 边缘整齐美观,冲压切板时产生的内应力很低,可以有效避免焊点锡裂。
在 pcba 柔性电子的组装焊接过程, fpc 的精确定位和固定是重点,固定好坏的关键是制作合适的载板。其次是 fpc 的预烘烤、印刷、贴片和回流焊。显然 fpc 的 smt 工艺难度要比pcb 硬板高很多,所以精确设定工艺参数是必要的,同时,严密的生产制程管理也同样重要,必须保证作业员严格执行sop 上的每一条规定,跟线工程师和 ipqc 应加强巡检,及时发现产线的异常情况,分析原因并采取必要的措施,才能将 fpc smt 产线的不良率控制在几十个 ppm 之内。
四 .pcba 生产设备
pcba 生产所需要的基本设备有锡膏印刷机、贴片机、回流焊、aoi 检测仪、元器件剪脚机、波峰焊、锡炉、洗板机、ict 测试治具、fct 测试治具、老化测试架等。
1、锡膏印刷机
现代锡膏印刷机一般由装版、加锡膏、压印、输电路板等机构组成。它的工作原理是:先将要印刷的电路板固定在印刷定位台上,然后由印刷机的左右刮刀把锡膏或红胶通过钢网漏印于对应焊盘,对漏印均匀的 pcb,通过传输台输入至贴片机进行自动贴片。
2、贴片机
贴片机:又称“贴装机”、“表面贴装系统”(surface mount system),在生产线中,它配置在锡膏印刷机之后,是通过移动贴装头把表面贴装元器件准确地放置 pcb 焊盘上的一种设备,分为手动和全自动两种。
3、回流焊
回流焊内部有一个加热电路,将空气或氮气加热到足够高的温度后吹向已经贴好元件的线路板,让元件两侧的焊料融化后与主板粘结。这种工艺的优势是温度易于控制,焊接过程中还能避免氧化,制造成本也更容易控制。
4、aoi 检测仪
aoi(automatic optic inspection)的全称是自动光学检测,是基于光学原理来对焊接生产中遇到的常见缺陷进行检测的设备。机器通过摄像头自动扫描 pcb,采集图像,测试的焊点与数据库中的合格的参数进行比较,经过图像处理,检查出pcb 上缺陷,并通过显示器或自动标志把缺陷显示 / 标示出来,供维修人员修整。
5、元器件剪脚机
用于对插脚元器件进行剪脚和变形。
6、波峰焊
波峰焊是让插件板的焊接面直接与高温液态锡接触达到焊接目的,其高温液态锡保持一个斜面,并由特殊装置使液态锡形成一道道类似波浪的现象,所以叫”波峰焊”,其主要材料是焊锡条。
7、锡炉
一般情况下,锡炉是指电子接焊接中使用的一种焊接工具。对于分立元件线路板焊接一致性好,操作方便、快捷、工作效率高。
8、洗板机
用于对 pcba 板进行清洗,可清除焊后板子的残留物。
9、ict 测试治具
ict test 主要是测试探针接触 pcb layout 出来的测试点来检测 pcba 的线路开路、短路、所有零件的焊接情况
10、fct 测试治具
fct(功能测试)它指的是对测试目标板(uut:unit under test)提供模拟的运行环境(激励和负载),使其工作于各种设计状态,从而获取到各个状态的参数来验证 uut 的功能好坏的测试方法。简单地说,就是对 uut 加载合适的激励,测量输出端响应是否合乎要求。
11、老化测试架
老化测试架可批量对 pcba板进行测试,通过长时间等模拟用户使用的操作,测试出有问题的 pcba 板。
深圳市英创立电子有限公司成立于2004年,公司自有smt工厂并投资pcb工厂,公司专业从事电路板生产,元器件采购,smt贴片加工,组装测试一站式服务。定位为“专业快速的多品种小批量一站式ems服务商”。公司配备了高精密进口设备,全自动多功能贴片机、回流焊、波峰焊,选择性波峰焊,x-ray检测机,aoi设备等。产品通过ul安全认证、iso9001国际质量体系认证、iatf16949国际汽车电子质量体系认证。产品涉及汽车电子,医疗设备,工业控制,航天航空,通讯设备等多个领域。
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