奥越信-Fpc贴片加工工艺探讨

   FPC是Flexible Printed Circuit的简称，又称软性线路板、柔性印刷电路板,挠性线路板，简称软板或FPC;FPC软性印制电路是以聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材制成的一种具有 高度可靠性、可挠性印刷电路。它具有可自由弯曲、折叠、卷绕，在三维空间随意移动及伸缩，其散热性能好，可缩小产品体积;实现轻量化、小型化、薄型化，从 而达到元件装置和导线连接一体化，已广泛运用于MP3、MP4播放器、便携式播放机、数码相机、手机、医疗、汽车，航天及军事等领域。基于FPC的SMD 表面贴装已成为SMT技术的发展趋势之一，本文将以某FPC产品SMT加工过程为实例，就FPC表面贴装工艺进行探讨。
　　产品特点：
　　Ø FPC聚酰亚胺板;
　　Ø 外型尺寸，长×宽为105 mm×56 mm，厚度0.25 mm;
　　Ø 正反两面有贴片元件;
　　Ø 元件构成：Chip最小封装0402，0.5 mm BGA器件2只，0.5mm QFN器件3只;
　　Ø 特殊点：有0402 chip元件与BGA器件BODY之间距离只有0.1 mm，远小于IPC标准的最小距离为0.5 mm;TOP面SMT前增加了加强钢片，钢片厚度为0.2 mm;
　　2 工艺流程
　　对于传统的硬板，“软”是FPC最大特点，完成 SMT加工过程就需增加载板治具，将FPC放置在载板上，从而完成丝印、贴装、回流等加工流程。
　　对于双面回流焊接工艺的FPC，要确定加工顺序，则需将元件构成、分布、加工难点与载板设计等因素结合起来进行系统的分析。该产品上，2只0.5 mm间距的BGA在同一面，另一面由O.5 mm间距的QFN及chip元件构成;BGA是加工难点、控制重点，对超细间距的BGA，印刷更是关键，将BGA放在第一加工面，可降低载板支撑对丝印的 影响。
　　3 载板
　　3.1材料
　　支撑制具要求能完整支撑FPC，可重复使用、赖高温、不变形、较差的热应力、可加工性、较大的幅面;同时制具设计要求定位精确，方便可操作。
　　合成石Durostone，学名玻璃纤维增强塑胶，主要特点是耐高温性能极佳，持续工作温度可达350 ℃，瞬时最高耐温可达400 ℃;热传到率非常低,可缓解热量对FPC的剧烈冲击，同时，又能把热量传导出去，减少热量郁积;采用特殊树脂制造，能承受循环热冲击;在工作温度下，可连 续使用;
　　电木，化学名称叫酚醛塑料，具有良好的绝缘性、耐腐蚀、机械加工性能，以及较低成本，但其高温耐热性较差，循环使用时易变形;
　　铝板，成本较低，吸热量大，可加工性较差;
　　合成石虽从成本较高，但其良好的性能及可重复使用的频次，是高端FPC 产品双面回流工艺下SMT载板的的最佳选择。
　　3.2 设计
　　Ø 目前较常用的厚度有3 mm、5 mm，选用何种厚度的载板，需考虑不得超过贴装设备的加工厚度范围(如松下CM402加工最大厚度为3mm)、第一面贴完后带元件的基板厚度，同时需兼顾成本、使用可靠性因素;
　　Ø 在制具的设计过程中，尤其是第二面的治具设计中，采用实物、配合CAM文件辅助设计，能精确的避开元件位置，提高制具的设计精度，贴装了器件的FPC能准确、平整的放入制具，载板在印刷和贴装的过程中才能起到有效的支撑作用;
　　Ø 定位，常用的定位的方式为采用高温胶带将FPC粘在支撑板上，不过需要注意的是胶带的位置尽量在FPC的四个角和比较长的边中间位置，可防止FPC翘起。 胶带的厚度会对锡膏印刷产生一定的影响，贴的位置要远离元件密集位置，更注意不要贴在焊盘上;对双面贴片的产品，采用硅胶片+高温胶带双重固定的方法，提 高FPC在贴装、回流过程中保持平整度。
　　形状较简单 根据CAM文件设计
　　3.3合成石使用要求：
　　A、应避免大力撞击、跌落;
　　B、载板过炉后应冷却至少15分钟才能再次过炉;
　　C、一般要中性或碱性偏中性的溶剂清洗，忌用酒精或酸性溶剂清洗;
　　E、清洗时忌用铜刷或钢刷刷洗，超声波清洗是一种有效的清洗方式。
　　4钢网设计
　　钢模板开口尺寸和钢片厚度决定了漏印到PCB上的锡膏量，完成一个印刷过程后，锡膏应填满模板的开口，PCB与模板分离时，锡膏应非常容易的漏印到 PCB对应焊盘上。根据长期的经验和已有的研究，影响锡膏从模板开口释放到PCB焊盘效果的三个主要因素分别为：模板开口的宽厚比和面积比、模板开口的几 何形状、模板开口的粗糙度。
　　1) 面积比/宽厚比原则(Area Ratio/Aspect Ratio)，IPC标准中已经推荐宽厚比W/T>1.5、面积比L×W/[2(L+W)×T]>0.66，对不同间距器件的开口方式亦有相应的推荐。;
　　2) 钢模板开口的几何形状
　　钢模板开口一般相对于焊盘的几何中心进行编辑。改变开口形状对改善印刷、回流焊或模板清洗的效果是非常重要的。细间距BGA，开口形状有圆形、方形导角等方形，从印刷结果分析，方形导角的焊膏拉尖较多、成型度较差;圆形开口焊膏成型度较好。
　　3) 钢模板开口的粗糙度
　　SMT钢模板根据钢片开口加工方式的不同，一般分为化学蚀刻模板、激光切割模板和电铸成形模板以及其它方式加工模板，对于引脚间距小于或等于0.5 mm的产品，则需采用激光切割+电抛光的方式加工模板，降低孔壁的毛刺，提高焊膏漏印效果。
　　方形导角开口 圆形开口
　　方形开口丝印效果 圆形开口丝印效果
　　特别提出，FPC产品为提高其可靠性，常在某些关键的位置增加加强钢片，如BGA器件，这些加强钢片往往在SMT之前已经加上，厚度在0.2 mm左右，如钢网不特殊处理，会影响丝印焊膏的厚度，钢网厚是0.12 mm，加上0.2 mm加强钢片的厚度，钢网不能与FPC焊盘直接接触，印刷在焊盘上的焊膏厚度就变为0.32 mm，虽然刮刀在执行印刷动作时，钢网会发生形变，但对于间距只有0.5 mm的QFN来讲，无法接受这样的印刷结果。对高出pcb 焊盘印刷面0.2 mm的加强钢片处理方法：
　　第一种立体钢网：在钢网上对应的位置，切割一个口，将高出的部分避开，然后在该位置焊接一个盖子，并配上专用的刮刀片：
　　立体钢网
　　第二种UP&down处理，选择一张厚度为0.3 mm左右的钢片，先对钢网的TOP面进行蚀刻，除FPC加强钢片位置不作处理外，其它地方蚀刻到钢网实际所需的厚度0.12 mm;再对钢网的bot面加强钢片对应的位置，按加强钢片的外形做DOWN处理，进行蚀刻，蚀刻深度为0.2 mm，然后再对所需开口的位置进行激光切割;可不配专用刮刀;
　　上述第一种方法，制作较简单，但网板张力较差，与FPC接触面不平整，且使用过程易损坏、清洗困难;第二种网板张力好、不易损坏、好清洗，但加工难度 较大，网板成功率较低，对钢网厂家有较高要求;通过上述两种方法验证，对于高印刷要求的产品，第二种制作方法是一种选择方向。
　　5印刷
　　许多已经得到长期应用和验证的细间距锡膏印刷工艺技术，如Fine Pitch0.4 mm印刷技术、CSP器件印刷技术等，其关键控制点与参数设置规则同样适 用于FPC及0.5 mmBGA印刷工艺。选用合适厚度的钢模板以及选用较高规格的锡膏可提高印刷效果，锡粉可选用Type3(网目为-325/+500)或Type4(网目 为-450/+525)型.
　　6高精度的贴装
　　部分设备贴装BGA的极限是0.5间距，生产前对机床的校正尤为必要;由于FPC板较软的特性，同时元件与元件BODY之间的距离小于0.5 mm，贴装过程精度及器件识别必须得到可靠的保证。
　　6.1高精度视觉定位
　　高精度视觉系统将对元件进行精确的视校和定位。高精度的视觉系统可以完成BGA.0402元件的外形尺寸测量和中心定位，通过高精度视觉定位贴片机可 以确认所吸取的BGA、0402元件的外形尺寸、锡球是否超出所确定的尺寸公差，对位置不正确或元件外形持续超出公差，则被放弃。
　　6.2高精度贴装
　　最后是将BGA元件精确的smt帖装到 PCB板的对应焊盘上。如果BGA元件贴放位置不准确，会造成相邻元件之间干涉等缺陷机会可能会成倍的增加。其中贴片设备本身的精度，贴片头吸嘴的吸气压 (负压)和吹气压，以及贴装力和速度是非常重要的贴装参数，由于每种贴片设备性能的不同，必须根据不同的贴装设备确定其参数设置，以保证贴装是锡膏不会被 挤压而溅出，使用的力也不至于将元件过分压入锡膏中。如果使用太大的力或太高的速度，会增加元件偏移和连锡的可能性。
　　7回流曲线
　　FPC回流焊接主要考量所用原材料所能够承受的温度和载板吸热会造成的热量损失，BGA封装的器件在混合组装工艺、ROHS工艺方式下，器件、焊料的回流温度需兼顾考虑，通过曲线测试仪对所设温度进行实板测量是不可忽略的工作。
　　根据J-STD-002C明确的回流曲线技术参数，IPC-7530相关要求对回流曲线进行测试，对所设温度的技术参数进行验证及监控，其回流曲线技术参数如下：
　峰值参考温度(有铅制程)

　峰值参考温度(无铅制程)

回流曲线技术参数

8其它
　　基于FPC的BGA器件，终端客户在组装成成品前，会对BGA的底部做填充固定处理，来提高可靠性，对未组装成成品的的产品在存储、转运、包装过程需注意，不能随意折叠，以免对焊点造成损伤，采用放静电吸塑托盘来放置尤为必要。
　　FPC表面贴装工艺，良好的载板设计，配合适应的钢网设计、回流参数，以及培训合格的员工操作，可实现高FPY和高产能。