CN1777351A - 于表面贴装技术中增加印刷电路板焊锡性的系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种于表面贴装技术中增加印刷电路板焊锡性的系统及方法，具有改善传统表面贴装技术电子组件焊锡性的能力，是以印刷电路板置于输送系统(或可通过带电气流的载具板置于输送带)上，配合大气式低温等离子体系统因将PCB焊垫的含碳有机物清除进而增加焊锡性，再通过传统的表面贴装技术生产线，将电子零件装设于该数个印刷电路板上，能提高生产焊锡性功能，特别可提高无铅制程焊点合格率的目的。特别适用于电子组件接点小及高频使用的通讯产品及未来趋势。

Description

于表面贴装技术中增加印刷电路板焊锡性的系统及方法

技术领域

本发明涉及于表面贴装技术(SMT，Surface Mount Technology，以下简称SMT)中增加印刷电路板焊锡性的系统及方法具有改善传统表面贴装技术的能力，是以印刷电路板(PCB)置于输送系统上，配合低温等离子体系统因去除PCB焊垫上的有机物并提高表面能量增加焊锡性，可用于大多数SMT生产线的场所。

背景技术

如一般相关业界所认知的，SMT生产线量产能力及合格率提高是近年来各种的印刷电路板组装及代工厂商积极研发及建构的项目，其所使用的技术方式如高速机台及氮气回焊炉的引用与不同产线调整能力或岁修保养时间的缩短及生产流程改善等等可适用于各种SMT装配电子零件的场所，以使得降低维护成本及工时成本需求得以达成；但是如具众多微小零件的印刷电路板组合件，因无铅制程可避免许多环境污染的发生可能；由于绿色环保ISO14000的工业规范，于表面贴装技术工艺中焊锡膏材料选用上已采无铅的制程并于欧盟国协中率先采用，但因无铅制程于印刷电路板中焊垫材料不外乎铜、金与银，若焊垫表面受到有机物污染将造成SMT制程中焊锡拒焊及包焊不良，进而影响产品可靠度或增加检测及维修成本，是故于SMT制程前必须将PCB焊垫上的含碳有机物清除用以增加焊锡的电导性及机械接合强度；目前为止生产流程改善可以说是非常重要的改善项目，因为SMT的机台多为精密工业专门制做的机械，略有更改，往往代价高昂，但是可以配合SMT的机台特性做出外围流程的改善，相对成本较低而且成效显著，在此新发展出的大气式低温等离子体具清洁效果的类似工业工程流程改善理论即可派上用场。

如图1所示，在公知的印刷电路板组装生产线中，有一种印刷电路板，其具有正反两面装配零件的需求，因此SMT生产线的配置一般为(锡膏印刷机)-(正面SMT高速机)-(正面SMT泛用机)-(回焊炉)-(翻面机台)-(锡膏印刷机)-(反面SMT高速机)-(反面SMT泛用机)-(回焊炉)，然而随PCB无铅制程的需求，PCB焊垫上不再以涂布锡铅合金为主，而改以金、银及铜焊垫上外加一层防氧化保护膜(OSP)，其中铜焊垫加保护膜该保护膜在高温下会裂解裸露出铜焊垫并经回焊而达成组件与PCB电气结合的目的，尽管铜焊垫有OSP膜但因双面PCB在第一面制程即进入回焊高温亦即第一面及第二面的铜焊垫上的防氧化保护膜已会产生裂解即无法在第二面焊锡制程产生保护会造成焊点产生拒焊或包焊的不良，包括金或银焊垫一样，其表面若经含碳有机物污染后亦同，影响电气特性及可靠度降低，即金、银及铜焊垫对于无铅锡膏(Sn-Ag-Cu)的回焊制程最大的焊锡问题有二：1.焊点的湿润性(wet-ability)较差2.焊垫一经污染(含碳的有机物附着)会产生拒焊或包焊，因此由锡膏印刷机进入生产线后到翻面机台之前，经历的回焊炉将使金、银及铜焊垫污染，使得生产产品焊点可靠度降低。在实际操作SMT生产线时，有的产品是正面零件多，有的产品却是反面零件多，但SMT生产线一般为固定而不常变换其顺序，因此为适应产品特性，无铅焊锡生产流程安排常难以达成高效能操作SMT机台的目标。(重复涂保护膜消耗成本)

请参考图2所示新的大气式低温等离子体，其简单的构造为引用氮气或空气(氧气)，在高压介电材料电极板20a高电压(约15000V左右)及瞬间放电(10nsec/cycle)下产生低温(70℃不伤害PCB)常压等离子体，使输入气体游离成离子电子及中子，经能量提高的氧气中子(O₂Radical)能将对象表面原子晶格内的碳原子取出(CO₂)而达成清洁含碳有机物的对象表面，可经由滴水滴于对象表面，由水滴润湿角度看出该清洁效能。

因为传统的无铅制程，铜焊垫易受污染及氧化会使得铜焊垫不易沾锡，此为无铅焊锡的焊锡性不佳的缘故，若铜焊垫以大气式低温等离子体处理后，表面活性能量增加及含碳有机物减少可使PCB与电子组件间的电气特性得以有高效能的连接。

而在一般印刷电路板组装时，如手机板、掌上型计算机板及无线通讯板，笔记型主机板均具正反两面装设电子零件需求的场所，更是有明显需求流程改善的场所，尤其是目前无铅制程为对铜焊垫涂布保护膜(如OSP膜)以维持良好焊锡性；因为正反两面放置电子零件为较繁琐的流程，耗时较多且正面通过锡炉之后反面的保护膜会熔穿或破坏，而具有较大的改善空间，其流程的安排与配合生产机具亦为各家工程厂商研究发展的项目，而生产机台特性及工时成本的降低更是各厂商的研究改善重点。若是以新发明的常压低温等离子体在表面贴装技术(SMT)生产在线对印刷电路板做等离子体冲刷的清洁处理，则可免于采用保护膜维持焊锡性的方法。

因此为使生产的方式能够配合现有生产线流程，且能持续高效率运作，有必要先将印刷电路板的焊垫用前述大气式气压等离子体(Atmosphericplasma)于进入锡膏印刷机之前，即以常压低温等离子体将焊垫表面的含碳有机物清除，再进行标准的SMT制程，此大气式低温等离子体在常压应用为可取的优点，新创的无铅焊锡SMT生产系统正需要此种能力，配合进一步架构各外围机具，并符合工业工程的流程排配原理，因此寻找出一种更方便的技艺使得本发明能够具有处理多方面各种的状况能力，而且针对运作工时成本低廉发展特定的专用自动辅助机，因此研发出本发明来达成上述的需求。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种于SMT中增加PCB焊锡性的SMT生产系统及SMT生产流程方法，而且可以提高焊点合格率及可靠度的架构及以配合相关的专用外围自动机施行，可用于单面或双面的印刷电路板，可以提供低成本高质量的效果。

为了达成上述目的，本发明将公知的印刷电路板(PCB，print circuit board)式SMT生产流程发明改善成为在锡膏印刷机前多加一项公知的新近发明常压低温等离子体处理(如图2所示)，配合使用网状托盘(即为载具-非必要)或PCB可直接通过输送带传输的构造，加上外围配合辅助机台，更经济地定义出有益于实际应用的增加焊锡性SMT生产系统，与公知技术比较更具实用价值。为新技术改良后用于旧领域而有大功效的发明。

本发明系统包含：低温等离子体室模块，具有高压介电材料电极板，内部流经氮与空气等工作气体，并加特定电压及瞬间放电所形成的低温等离子体；印刷电路板加载模块；印刷电路板移出模块；及印刷电路板运送模块，具有输送带，能承载印刷电路板穿越该含低温等离子体中，高压介电材料电极板流出的等离子体区域；其中该增加焊锡性的印刷电路板表面贴装技术的系统位于SMT生产线中锡膏印刷机之前，或于SMT线外大量经常压低温等离子体处理后，分送各SMT生产线。

本发明方法包含下列步骤：(1)将一印刷电路板置于一印刷电路板运送模块中的输送带上承载；及(2)将该印刷电路板运送通过一低温等离子体高压介电材料电极板流出等离子体区域通过工作气体等离子体化的喷流改善PCB表面清洁度；其中该增加焊锡性的印刷电路板表面贴装技术的方法步骤施行于SMT生产线中锡膏印刷机之前，或于SMT线外作业再分送各SMT生产线。

为了能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明，然而所记载内容仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

图1：为公知的印刷电路板组装生产线流程示意图；

图2：为另一公知的新近公开的大气式低温等离子体系统示意图；

图3A：为本发明喷流式介电材料电极板式的较佳实施例的改良SMT生产线的印刷电路板焊锡性系统示意图；

图3B：为本发明平行式介电材料电极板式的较佳实施例的改良SMT生产线的印刷电路板焊锡性系统示意图；

图4：为本发明的系统架构示意图；

图5A：为本发明改良SMT生产线流程示意图；及

图5B：为本发明改良SMT生产线流程示意图。

其中，附图标记说明如下：

高压介电材料电极板  20a

输送带              10         托盘(非必要)  12

高压介电材料电极板  20         喷射头座      22

印刷电路板  30          低温等离子体室  60

具体实施方式

请参考图3A及图3B(喷流式介电材料电极板及平行式介电材料电极板式)本发明系统示意图及以下所述为本发明运作原理及估计数据，其中本发明为利用公知新的大气式(常压下一般空气组成工作气体)低温等离子体(请参考图2)，使得金银铜焊垫表面，通过流经等离子体喷头内正负二介电材料电极板内而产生等离子体电离气体的喷流而产生去除焊垫晶格内碳化物及因提高表面能量而将氧化物键结打断去除氧化物的双重清洁效果，其简述构造为二正负介电材料的电极于高压(约15000V左右)及瞬间放电(10nsec/周)避免放电时间过长而引发电弧放电，而得到将灌入气体(氮气及/或空气)电离化成为等离子体，即为低温(70℃)高能量等离子体气体，该气体可将金、银及铜焊垫表面的含碳物及氧化物清除，而使得无铅制程得以达成焊点高合格率高可靠度的功效，再将PCB送入SMT生产线，可有效完成无铅制程电子零件装配，以达成低成本高合格率的功效。

请参考图5为本发明较佳实施例的状况，其中在引用新开发的大气式低温等离子体之后，SMT生产线的配置本发明可实施为(本发明系统)-(锡膏印刷机)-(正/反面SMT高速机)-(正/反面SMT泛用机)-(回焊炉)，此种安排方式是为适应SMT装配的生产线，于第一次通过该SMT生产线后，正反两面互换再经过生产线即可使得PCB组装得以完成。

本发明的系统为如图4、图5A、图5B所示的系统架构，包含：大气式低温等离子体室模块，具有喷射头座22、低温等离子体室60及高压介电材料电极板20，内部流经氮与空气等工作气体(可为氮气加氧气)，并加特定电压并瞬间放电后所形成的低温等离子体气体；(可选择性设置印刷电路板加载模块及印刷电路板移出模块做为印刷电路板加载系统或移出系统功能之用)；及印刷电路板运送模块，具有输送带10，能承载印刷电路板30(以能通过带电气体的托盘12承载(非必要))穿越该低温等离子体室60(最重要为穿越高压介电材料电极板20的流出等离子体区域以清洁印刷电路板30的铜箔焊锡垫)；其中该增加焊锡性的印刷电路板表面贴装技术的系统位于SMT生产线中锡膏印刷机之前，或于SMT线外作业再喂送PCB至各生产线。其中低温等离子体室可为侧向介电材料电极板式或直立介电材料电极板式；以因应不同规格的输送带或印刷电路板的需求。

本发明的系统尚有以下的变化；其中该输送带10承载印刷电路板30方式，可为通过输送带直接传输或将该印刷电路板30定位于一能通过带电气体的透气式托盘12(即为载具-非必要)之上，再加以运送；其中该印刷电路板加载模块40可具有抽出普通空气再加入该工作气体的功能；其中该印刷电路板移出模块50可具有抽出该工作气体再加入普通空气的功能；其中该低温等离子体室60可具有金属外壳或防电磁场及防电磁波干扰的装置；其中该特定电压的范围可包括10000V到20000V之间；其中该印刷电路板30对该透气式托盘12(非必要)的放置方式可为以该印刷电路板30不具电路的板边(即一般多种印刷电路板并为一片时皆有留边缘的板边或各不同区域的板边)或非焊锡垫区域做支撑。其中该一组高压介电材料电极板消耗功率为700-900瓦，充放电周期为10nsec/cycle，输送带速率为10-20mm/sec，高压介电材料电极板流出等离子体口(喷射头座22)到印刷电路板距离为20-30mm，每一组高压介电材料电极板流出等离子体流量为100-200l/min，其中为增加PCB经低温等离子体的处理速度，将介电材料的电级板并联式排列，如此可增加电极板并联数量的倍速。其中该低温等离子体流体的工作温度范围为50℃到100℃之间。

本发明增加焊锡性的印刷电路板表面贴装技术的方法，是使用类似上述的系统，其包含下列步骤：(1)将一印刷电路板30置于一印刷电路板运送模块中的输送带10上承载；及(2)将该印刷电路板30运送通过一大气式低温等离子体室模块的高压介电材料电极板流出等离子体区域通过工作气体等离子体化的喷流改善PCB表面清洁度；其中该增加焊锡性的方法步骤施行于SMT生产线中锡膏印刷机之前。其中该印刷电路板30加载时可具有抽出普通空气再加入一低温等离子体室60工作气体的功能；其中该印刷电路板30移出时可具有抽出该低温等离子体室60工作气体再加入普通空气的功能。

本发明具有以下的优点：

1.合格率提高，产值提高：此点是由焊锡性改善，可减少焊锡接点不良，进而提高产值率，使得经济效果达成。

2.可自动化：自动化制程简化使整厂规划容易。

3.配合传统机台：传统SMT机台仍然可用，可大量节省传统机种更换时所需成本。

4.制程简化：可减少传统无铅制程保护膜设置设备的人力及工时。

但是以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，非因此即限制本发明的范围，故凡应用本发明说明书或附图内容所为的等效化学结构变化，均同理皆包含于本发明的范围内，以保障发明者的权益。

Claims (10)

1、一种于表面贴装技术中增加印刷电路板焊锡性的系统，其包含：

大气式低温等离子体室模块，具有正负极高压介电材料电极板，内部流经氮与氧气等工作气体，并加特定电压且瞬间放电后所形成的低温等离子体；及

印刷电路板运送模块，具有输送带，能承载印刷电路板穿越含该大气式低温等离子体高压介电材料电极板流出等离子体区域；

其中高压介电材料电极板可为侧向介电材料电极板式或直立介电材料电极板式；

其中该印刷电路板运送模块位于表面贴装技术生产线中锡膏印刷机之前，或于表面贴装技术线外作业再喂送印刷电路板至各生产线。

2、如权利要求1所述于表面贴装技术中增加印刷电路板焊锡性的系统，其中该输送带承载印刷电路板放置规则，为通过输送带直接传输或将该印刷电路板定位于一载具之上，再加以运送。

3、如权利要求1所述于表面贴装技术中增加印刷电路板焊锡性的系统，进一步包含印刷电路板加载模块，位于低温等离子体室处理模块之前；及印刷电路板移出模块，位于低温等离子体室处理模块之后。

4、如权利要求1所述于表面贴装技术中增加印刷电路板焊锡性的系统，其中该一组高压介电材料电极板消耗功率为700-900瓦，充放电周期为10ns/周，输送带速率为10-20mm/s，高压介电材料电极板流出等离子体口到印刷电路板距离为20-30mm。

5、如权利要求1所述于表面贴装技术中增加印刷电路板焊锡性的系统，其中该低温等离子体流体的工作温度范围为50℃到100℃之间。

6、如权利要求1所述于表面贴装技术中增加印刷电路板焊锡性的系统，其中该特定电压的范围包括10000V到20000V之间。

7、如权利要求2所述于表面贴装技术中增加印刷电路板焊锡性的系统，其中每一组高压介电材料电极板流出等离子体流量为100-200l/min。

8、一种于表面贴装技术中增加印刷电路板焊锡性的方法，其包含下列步骤：

(1)将一印刷电路板置于一印刷电路板运送模块的输送带上承载；及

(2)将该印刷电路板运送通过一大气式低温等离子体室模块的含低温等离子体高压介电材料电极板流出等离子体区域；

其中该低温等离子体室内部具有氮与空气等工作气体，并加特定电压并瞬间放电后所形成的低温等离子体；

其中该于表面贴装技术中增加印刷电路板焊锡性的方法步骤施行于表面贴装技术生产线中锡膏印刷机之前。

9、如权利要求8所述于表面贴装技术中增加印刷电路板焊锡性方法，其中该输送带承载印刷电路板方式，为通过输送带直接传输或将该印刷电路板定位于一载具之上，再加以运送。

10、如权利要求8所述于表面贴装技术中增加印刷电路板焊锡性方法，进一步包含印刷电路板加载模块，位于低温等离子体室处理模块之前；及印刷电路板移出模块，位于低温等离子体室处理模块之后。

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