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2020-06-23

SMT组装板清洗剂合明科技分享:SMT电子加工领域分板工艺介绍

发布者:合明科技Unibright ; 浏览次数:3642

SMT组装板清洗剂合明科技分享:SMT电子加工领域分板工艺介绍


 电子产品的展现状与趋势,产品体积日微小型化、功能日趋多样化、元件日趋精密化,产品稳定性要求高,电子产品的微小型化,要求印制板双面多层和层间高密度互连,使得板面单位面积上的元器件数量大幅增加,令板边空隙裕度(Margin)变得更小。高密度组装与微型焊点、产品形状五花八门、拼板和板材复杂多样不一而足,对于拼板(Multiple Printed Panel)设计和分板工艺提出了更高要求。组装板从简单分割到高精度分割的变化,使分板的可靠性面临诸多挑战,分板时的应力危害以及控制也日益受到业界关注;而正确的拼板设计和分板工艺则可以有效的降低或避免相关的危害和潜在失效问题。

分板设备多种多样,能达到高密度组装板分板工艺要求的不多;比如手持式便携产品组装板外形精巧器件致密,能满足其高精度低应力分板的设备更少。在对新产品评估分板设备以及工艺时,需依据产品特点有的放矢正确选择:常规直线V槽或邮票孔拼板的简单基板,可通过手工辅以夹具分板(Manual&Jig Split or Break);较难切割的直线V槽拼板,可选用走刀式切割(Moving Cutter Separate)或铡刀气动剪切(Air Pressure Shear)分板;对于拼板复杂、曲线外型和断签式连接的高密度组装板,建议采用CNC铣刀式分板板(RASEM);对于基板厚度0.8mm以下的硬性板、软板以及软硬接合板,则可以选择钢模冲压(Die Punching)、紫外线(ultraviolet)激光切割(UV Laser Depaneling)的分板方式。UV Laser分割技术,用于薄板或软板类似产品相比传统的机械分板方式具有较大优势,这种工艺精度高无机械应力,比如用于高精密相机模块组装板分割效果良好。,每一种分板方式在生产中都有一定的适用范围,技术人员应当依据组装板的拼板方式、基板厚度和精密程度以及材质等特性,选择正确的分板设备与工艺。

PCBA在不同方式下分板的应力大小:

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高密度组装板的内层线路、焊点与器件通常很脆弱,对制程过程中各种震动波和应力破坏很敏感,因而对分板应力的管理、控制与检测变得不可或缺。机械式切割分板过程中,产生的振动破坏(Shock Crack)和变形应力破坏(Strain Crack),可能造成产品的潜在失效,高精密新产品首次切板时应当测量分板的应力情况,以便掌握切板可能给产品带来的危害。

一般地,线路板分割被放在表面组装制程的最后工序,甚至是在ICT测试和主要检查站结束后进行的,所以分板制程造成的“内伤”通常很难被发现。组装板内层线路裂痕、器件或焊点龟裂等缺陷,可能只有到用户端使用时才能被发现,这无疑会降低产品的可靠度和用户的信赖满意度。为此,消除不良拼板互连设计,不折不扣地执行可制造性设计(DFM),结合正确的分板工艺和应力检测控制,可以使问题消灭在萌芽状态,从而降低故障的发生率。

      

高密度组装板的板材要求和拼板设计 

自20世纪90年代初开始,高密度互连(HDI)的多层印制电路板(Mulitlayer Printed Circuit Board),随着电子产品多功能化和小型化的潮流,在新一代电子产品上逐渐成为主流。第五代电子装联技术也就是微电子组装技术MPT(Micoelectronics Packaging Technology)的日臻成熟,尤其在手持便携式产品上得到了推广应用;而极小的0201和01005被动组件、微间距技术MPT(Micro Pitch Technology)的超窄间距UFPT(Ultra Fine Pitch)器件变得很普遍。电路板组装密度和集成度的骤然增高,以及电子产品严格的环保要求,不仅对于基板材质要求变得更为苛刻,也对拼板设计以及PCB可加工性设计(Design for Fabrication of the PCB)提出了更高的要求,使得板材的热性能、柔韧性和坚硬度较之往常大幅增加,于是在很大程度上给分板工艺增加了难度。

PCB的可制造性设计与表面组装利害尤关,设计的缺陷必然给生产制程带来困扰,比如增加工艺难度、降低生产良率和效率、增加材料损耗等问题。从技术整合管理的角度来看,拼板设计和分板工艺是必须在可制造性设计DFM(Design for Manufacture)评估阶段进行的。DFM主要研究产品本身的设计与制造系统各部分之间的相互关系,把它用于产品设计中以便将整个制造系统融合在一起进行总体优化;可以降低产品的开发周期和成本,使之顺利地投入生产,品质有保障。

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1.1 高密度组装板的材质要求

高密度组装板表面元器件以及内层线路铜箔,距离板边或拼板连接桥(Tabs)的空隙和距离,随着产品微小型化而变得更小。

印制电路板的基板材料多种多样,比如常见的有机材质就有酚醛树脂纸质基板、复合材质基板和环氧玻璃布基板等,而无机材质有金属基板和陶瓷基板等。从形态上说,PCB可分为硬性基板(Rigid PCB)、揉性软板(Flexible PCB)和软硬接合板(Rigid-Flex PCB);基板材质的复杂多样使得分板工艺不能简单地搞一刀切,而是必须量体裁衣有的放矢。比如早期的纸基覆铜箔板或纸质芯复合材料CEM(Composite Epoxy Material)基板疏松脆弱易断,这类基材拼板采用常规的V-Cut槽和邮票孔方式,通过简单的手工夹具或电动走刀分板轻而易举。不过这类基材热性能和机械强度较差,不宜用于高密度组装板的无铅或高端产品上,否则易造成铜皮起泡和基板翘曲等不良现象。

高密度组装板通常采用玻璃布环氧树脂基板、玻纤BT/Epoxy树脂基板和PI聚酰亚胺等优质基材,玻璃布基板分为玻璃布-环氧树脂覆铜箔板(FR4)和耐热玻璃布-环氧树脂覆铜箔板(FR5),它们的性价比高热性能及机械强度优良,日前在无铅无卤要求的产品上被普遍采用。复合材料基板CEM-3以玻璃不织布为夹心,上下表面覆盖玻璃布+环氧树脂;它由FR-4改良而来具有很大的价格优势,并以玻璃无纺布取代大部份玻璃纤维布。它们的硬度和柔韧性俱佳,是当前高密度组装硬性组装板主流基材,不过这种基板分割应力通常较大。挠性覆铜箔板(FPC)分为聚酯树脂覆铜箔板和聚酰亚胺覆铜箔板,这类基板材质柔韧性佳。特殊材质基板比如说金属类基板、陶瓷类基板和耐热热塑性基板,其拼板互连接工艺复杂多样,其分板工艺需要仔细考虑,才能获得良好的分板效果。


1.2 高密度组装的拼板与互连方式

传统的电路板拼板互连,主要有断签式、邮票板式和双面对刻V槽三种,这些方式在同一组装板上有时可能被综合应用。早期的断签式拼板为了方便掰断或剪钳切割分板,对断签尺寸规定的较为严格(长度不大于宽2.54 mm,宽度不大于2 mm)。邮票板互连方式是在断签式的基础上演变而来的,为方便分板降低分板的强度以及应力,在断签长度方向上钻5~10个直径0.8 mm的小孔,因拼板连接桥类似邮票板分割的方式而得名。这种方式因其分板应力小,品质有保障,用于高密度组装板上(通讯、汽车电子 航空航天医疗器械 精度模块等)。双面对刻V槽拼板互连方式,多半用于矩形或正方形的规则形状组装板,当元器件不突出板边或者突出板边的器件非V槽互连边,则采用这种方式。

断签式而今已演变为连桥拼板互连方式,成为高密度组装板的主要拼板方式,其分板工艺也由先前的掰断方式上升为自动Router曲线切割、Punch冲裁或UV Laser分割等先进工艺。而双面对刻V槽互连拼板方式,不仅在一般性组装板的最具主流应用最广,而且在基板厚度1.2 mm以上的高密度组装板上仍然主要采用这种方式。


1.3 拼板设计要点与不良互连

组装板的拼板设计需考虑全面,首先是拼板形状及大小便于加工强度足够,制程中不会产生断板问题以及回焊后没有明显变形,组装板便于切割分开。其次,需考虑基板材料的最大利用率以便降低材料损耗,确保电路板组装效率和产品品质。其次对于元器件的布局,需注意组件排列方向不同的影响,避免分割应力而造成组件损伤;通常最靠近拼板互连和分板连接桥的地方应力较大,因此拼板时脆弱的细小焊点元器件应当力求避开这些位置。同时,异形无规则单板的电路板拼成连板时,如果是采用V槽拼板应当尽可能设计成矩形(见图13);拼板的外框(夹持边)建议采用闭环设计,确保PCB拼板固定在夹具上后不易产生翘曲变形;板长与板宽尺寸非特殊需求,不要大于300*240 mm,拼板的工艺夹持边一般为5~10 mm;对于高密组装的薄板或FPC,拼板尺寸还可以适当小一些。

在拼板互连设计中,采用双数拼板即正反各半的拼板方式——俗称阴阳板。这种拼板方式可以节省成本,比如模板、编程时间、产前准备和生产换线时间等,从而大幅提高生产效率。阴阳板在一个拼板的同一面既有TOP面又有BOTTOM面,在生产制程中生产完一面后,不需改动生产制程和程序即可翻转生产另一面。对于阴阳板,必需是双面贴装并且不需波峰焊接和通孔回流焊接(Pin In Hole Reflow)制程;TOP与BOT面采用相同制程;工艺边MARK点两面必须对称,便于用相同的程序进行印刷、贴装和自动设备在线检测。一般说来,阴阳板的拼板互连方式与正反面不同拼板,在分板工艺上大同小异。

在拼板互连设计时,必须避免以下问题:对于邮票板拼板设计,在分板折断时基板变形和内应力较大容易导致PCB内层线路、器件或焊点破损,所以邮票孔互连的就近不能有走线或精密细间距器件,。对于断签式连接桥拼板互连方式,连板之间需采用CNC铣刀式分板,拼板间距不能小于铣刀直径,如果最小铣刀直径是1.0 mm,最小冲槽尺寸要大于1.0 mm。组件突出板边遮住拼板连接Tab或V槽,干扰到裁板的正常作业。对于V槽拼板互连方式,拼板外框与内部小板、小板与小板之间的连接点附近不能有大的器件或伸出的器件,元器件与PCB板的边缘应留有大于1.0 mm的距离,以保证切割刀具正常运行。


高密度组装板的分板暨常见的分板工艺比较

分板有时又称切板,就是将PCB边上不用的工艺边去掉或是把多拼板的各小板分开。说起来虽然很简单,但它却是PCB组装过程中很重要的一个环节。目前组装板分割的设备及其工艺有多种,下面我将对其略作阐述并重点介绍用于高密度组装板的分割设备和工艺。

常见的分板设备或装置主要有,手工以及夹具折板,电动或手推走刀式切割,铡刀气动剪切,CNC铣刀式分板机,钢模冲压裁断和激光切割等等。其中电动或手推走刀式切割和铡刀气动剪切,通常主要用于V-Cut槽的拼板互连板分割,这两种方式在当前的生产中应用的相对较广;而高密度组装板较厚的硬板以及不规则拼板互连,则主要是采用CNC铣刀式分板机切割;薄板、软板或软硬接合板和不规则拼板则采用钢模冲裁,或者采用紫外线激光切割较为合适。紫外线激光切割是一种新型技术,切割过程中不产生机械应力,用于高密度组装的薄板、软板或软硬接合板,相比传统机械方式分板较有优势。


2.1 铣刀式分板机(Router

主要用于硬性基板分割,这种分板方式切割应力较小,震动冲击小,分板时组装板保持固定不动,铣刀头可以做上下或水平移动进刀,走刀轨迹按照程序设置的进行。Router切割机通常由计算机智能控制系统,X、Y和Z轴AC伺服马达驱动系统,影像识别系统,高速定位系统和组装板夹持装置(双或单托盘),以及切割粉尘吸收装置等几部分构成。Router切板程序制作简单,分割轨迹路径设置快速,能很容易地处理形状复杂尺寸各异的线路板。当前的Router切板机,为提高效率通常都是双工作台配两治具,当一个取放板时另一个则可进行切割作业,Router切板机正面与作业状况。

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自动轨迹分板需要制作精良的专用夹具,夹具由铝合金、防静电胶木或工程塑料制成。夹具分为底座与压盖两部分,在底座以及压盖的四边对应位置需镶嵌磁铁块(磁铁直径5~10 mm厚3~6 mm),磁铁的作用是使底座与压盖接合固定。在夹具底座的对角需要安装两个定位柱(直径5~12 mm),同时在压盖上需要有与之匹配良好的定位孔,参考图22B。组装板有元器件的位置夹具底座和压盖须镂空,空间位置与元器件需有足够裕度,治具压合时不许碰触到元器件;为了排尘夹具压盖和下底座,需力求上下通风对流,以便排除切板灰尘。

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分板夹具的精密度要求很高,连板PCBA以及每个单板需要有适当的定位孔(或板边定位),以便切割时产品可靠的定位固定。压盖与底座间需要有足够的接合力,压盖单边的提取力度要求(1.5~4.0 kg),普通产品2 Kg左右已然足够;接合力太大作业时费力不方便,反之压不住产品可能造成切板不良。基板突出治具底座要求不少于0.2 mm,便于压盖能有效压紧产品;尺寸较大较厚时接合力要偏上限,以免切割时板子拱起切坏产品,这对于确保分板的品质精度至关紧要。

高密度组装板是否适合Router分板,在作业之前先要进行评估。PCBA每个单板之间或单板与板边的链接点距离(Z)需要大于铣刀的最小直径,比如当间隔小于1.2 mm的组装板不适宜此分板方式。一般地,铣刀最小直径为1.2 mm,于是Z的距离需大于1.5 mm,才能有利于切割时进刀与提刀,见图23A。如果PCBA有零件突出板边,分板点离突出组件边缘需不小于3 mm,避免分板时切割到组件。程序走刀路径,需要计算什么样的走刀线路方案最短,走刀路径选择恰当可提高效率和分割品质。Router切割机的速度范围为1~100 mm/s,通常板厚1.0 mm的FR4板材切割速度可设定为15~40 mm/s范围。切割的进刀速度,主要看组装板的板材与板厚,并考虑切刀的主轴转速和铣刀的磨损情况,如果主轴转速较高(60000 rpm)且刀刃良好,进刀速度可设定高一些反之不宜太快。如果基板较厚且板材韧度和硬度较高,切板进刀的速度也不宜太快,否则易造成断刀或过快损坏刀具,甚或造成产品损坏。另外,拼板互连桥禁止金属化处理,不然Router切割时容易损坏铣刀,见图23B。

新产品制作生产程序时,可通过PCBA光学基准点拼板互连所有接点,找到第一片单板的铣刀切割起点、终点和走刀路径座标。良好的切板程序,应该是使切割路径最短,根据PCBA板厚以及板材特点设定恰到好处的分段换刀长度与频率,使达到最好的分板效益。新程序试切前,需对每个切割位置逐个教导调整,并令铣刀空跑一次通过影像复核路径确保无误;试切时,先切一个unit让机器暂停,确认切割效果需符合产品的尺寸规格要求。然后,分切一个连板(Panel)让制程中的品质管制人员IPQC(In Process Quality Control)检验,确保每个单板切板断面良好且没有损坏器件,务必要实施首件品质保障FAA(First Article Assurance)制度。

Router切板优点很多,它不仅可以切割规则的矩形产品,通过调整Z轴补偿值还能进行圆弧曲线的切割;对于外形不规则的手持式便携产品基板,同样轻松自如毫不费力。日前市场上Router机的精度通常是±0.02 mm,分割后以板边为基准的凹凸点一般可以控制在±0.1 mm;可分割的基板厚度几乎适合当前所有的产品。正常情况下,铣切分板产生的应力极小,对精密器件以及微型焊点不会产生潜在失效效应问题,它是目前高密度组装钢性基板切板工艺中颇为理想的方式。不过,它的不足之处是分板过程中产生较多粉尘,对产品会产生一定的污染;对于影像器件产品通常不采用此种方式。另外,这种分板机价格较高,不同产品需要专用的夹具。


2.2 新型的UV Laser切割分板技术

激光切割技术依据光束波长不同可分为多种类型,比如波长为10.6μm的红外线(Infrared)IR激光和波长0.355μm为紫外线(ultraviolet)UV激光切割技术,IR激光切割使用二氧化碳(CO2)辅助,所以又称为CO2切割技术。CO2激光切割是通过聚焦镜将CO2的激光束(Diameter of focused laser beam),聚焦在材料表面产生热效应使材料熔化,同时利用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料,并使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动,从而形成一定形状的切缝。

CO2激光热效应高更适合金属板材切割,日前SMT的印刷模板钢片就是主要采用这种工艺方式,作业时在切割口喷射氧气为提高切割速度并清洁切口。而UV激光切割技术,利用光斑直径20μm的激光束,通过光化学效应打断分子之间的结构,来实现产品的切割分离。UV激光切割利用紫外短波长激光束,使高能量的紫外光子直接破坏柔性材料表面的分子键,达到去除材料的目的。UV激光用于电路板切割方兴未艾,那么它相比传统的机械分板方法,都有哪些优势和特点呢?

首先,这种“冷”光切割热影响区域小、切口宽度窄至30~40μm,并有效地将热效应熔融和碳化降至最低;避免了CO2激光切割时板材碳化烧焦、切割边呈锯齿状参差不齐的问题。切割效率高速度快至150 mm/s,因而热量扩散更小;而碳化极低使切口边缘更为平整干净,切割轮廓线更为精细无毛刺无粉尘问题,这对于HDI/BUM高密度组装精细的刚性薄板、柔性软板以及刚-挠性板,对应力、精度、粉尘等比较敏感的电路板,以及类似产品分无疑是较好的方案,UV Laser Incision Machine & Processin……

其次,UV激光切割的精度高,其加工精度可控制在+/-20 um内,其它方式的分割精度通常最好能做到±50μm,因而它对于高密度组装板的精细间距产品切割也没有问题。新型的激光分切板机不仅具有视觉对位系统,可以通过光学对位点确定光刀切割位置,还拥有内层靶标对位和捞边边缘无接触应对位的功能,对于高精度手机相机模块的分板切割,避免了传统方式因Holder盖位偏差切坏产品的问题。同时,设备具有自动聚焦功能,通过自动识别靶标确定电路板位置和尺寸,并以此为基础自动将切割过程调至最佳。


分板应力的管理、控制与测量方法

组装板在分板过程中产生的形变应力和振动冲击波,释放时足够危害到电子产品的安全。分割应力危害程度通常受拼板互连方式、分板切割工艺、器件精密度和材质硬度等影响,而高密度组装板由于本身特点在分割时所面临的内应力危害更大,决不能掉以轻心。电路板内层线路、焊接点以及精密器件,因振动冲击波和变形应力破坏而造成的损伤,一般很难在目视检查或功能检测时被发现,可能只有到用户手上通电操作时才能暴露出来。况且线路板分割通常是在最后制造工序检查结束后进行的,所以在切板过程中的分板应力检测和管理控制变得不可或缺。

因而,在制程设计与制程管制的工艺流程中,需要注意实施潜在失效与效应分析FMEA(Failure Mode and Effects Analysis),在制程设计时落实拼板的可制造性设计DMF(Design for Manufacture)法则,并加强分板工艺的生产制程管制PMP(Process Management Plan)。在新产品导入初期,相关人员需熟练掌握产品关键的品质规格CTQ(Critical To Quality),使拼板设计、分板应力造成的潜在失效项目和分板规格尺寸,在相关工具表格中无一遗漏地得到实时管制。


3.1 对分板应力的管理和控制

我们知道,除了UV Laser 切割对电路板没有应力破坏之虞,其它机械方式分板都不同程度地存在这个问题,而手工治具折板、电动走刀分割和刀模冲裁等分板方式尤其明显,为此必需认真对待并加强检测与管控。应该说在以往的分板作业当中,经验丰富的技术人员常常通过“望闻问切”的方法,来检查、管理和控制分板切割中的异常情况,也是很有效的。比如刀具磨损造成的崩裂式切割,分板过程中可能出现基板弯曲变形量大、噪声增加、断面粗糙和灰尘较多等异常现象,技术人员可以通过这些现象进行分析判断,找出症结所在并排除故障。

高密度组装硬性板,基板材质致密韧性好硬度高,使得线路板分割的应力上升,也使得分割产生的振动波破坏问题不易发现,需要专业的应力检测装置才能探测到。可以说,应力检测器是管理基板切割的钥匙,它与人工的检查方法相辅相成,并各有千秋。自动的应力检测器,可以对分板中的应力实施动态跟踪实时管理;而人工方法作为首件品质保证也是必不可少的,在分板作业中工程或品管人员不仅需确保分板的尺寸符合规格要求,还需通过显微镜检查确认切板过程中没有损坏元器件,察看切断面是否光滑平整确保分板作业正常。在每天换班时,工程技术人员需检查分板的刀具有无损坏的痕迹,并察看有无异常现象,品管人员需做好首件确认。

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3.2对分板应力的检验和测量

高密度组装应力敏感型产品分板,质量管理部门有时需要提供应力分析数据与图表报告,为此需要数位应力检测仪和形变检测器装置,进行专业的分板应力测量。为了提供实时的动态检测,当今少数的专业切板机生产厂家在其设备上自带有专用的应力测量仪器。不过,对于大部份的分板设备目前还没有安装这种仪器,这就需要定期地对这些设备进行分板应力的检测与校验。

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分板应力的检测与校验,需要高度灵敏的应力感应器(Strain Gage Sensor)和检测仪(Strain Measurement Equipment),感测器的探头必须牢固地焊接或粘附在需要测量的器件位置,其固定位置必需紧挨切割边缘或者需要测量的器件,见图30C。说到应力感测器,形状有点类似于回焊曲线(Reflow Profile)热电偶。由于测量分板时的应力,只有在分板切割时才能抓取到一次数据,每个感测器也就是只能测这么一次,所以测量的成本很高。为此,每次进行测量时准备工作一定要做好,测量点必须考虑周全确保探测头有效固定,同时量测仪参数需调整到最佳的待机(Standby)状态。须知偶或一次测量出来的数据通常只能用来作参考,如果用来作为改善的依据则需要反复多次测量,倘若要做成一份有效的测试报告需花费较大的成本。经验表明,不同板材分板方式和切割工艺不同,其应力显示的波形图往往大不相同

高密度组装板的元器件与焊点都是非常脆弱的,如果分割应力控制不当将对产品造成隐性破坏,这种潜在的失效效应无疑降低了产品的可靠性与客户的信赖度。因此,对分板应力的检测与管理,应当成为生产制程中不可缺失的一部份。


总结

高密度组装板不仅元器件离分板连接桥的距离接近极限,板内线路、元器件与焊点都是非常脆弱的,兼之组装板的材质硬度和韧性高于一般性基板,分板时产生的变形应力和振动冲击波,如果不加管控或控制不当足以损坏它们。尤其是产品上的超薄膜高集成化器件,施加不均衡外力时其内部会产生内应力,内应力超出薄膜的断裂临界值就会破坏薄膜,致使器件和组件板失效。为此,高密度组装板的拼板互连设计颇有讲究,其分板工艺及其设备也需充分考虑到产品的特点,分板应力的控制是其制程中不可或缺的重要组成部份。

本文介绍了常见的几种分板工艺和设备,重点介绍了走刀式分板和铡刀剪切、钢模冲压、铣刀式分板机,以及UV激光切割先进的分板工艺技术。评估选择分板设备和工艺时,需考察产品的尺寸以及精密复杂程度,未必要选择最好的但求合适的,以经济实用和高效安全为宗旨。与此同时,本文还着重介绍了日前应用最广的V-Cut槽的拼板设计和切割工艺,以及常规形态V槽演变成不同形态后电动走刀切割所面临的分板问题。变形V槽在高密度组装的硬性薄板上,亦有其特有的应用价值,通过采用双圆刀手推式走刀分板机,能较好地解决其分板难的问题。

高密度组装板的分板制程,对于新产品或分板机切刀研磨后,分板的应力和振动波的检测是必要的;为确保测量的数据具有说服力,可能还需多次测量。良好的分板效果应当是,铣刀式分板机切割过程中力求形变应力与振动波最小,避免内层线路、电子器件和焊点免遭应力危害;分板后产品的精度高尺寸稳定重复性好,确保切断面整齐光滑等等。


鸣谢:本文参考了TST(Total systematic Technology) 瑞盛自控技术有限公司(RASEM)

文章来源:李峰 SMT技术网



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