【干货】光模块产品在SMT制程中的工艺难点及其解决方案，一步步助你成为SMT工艺大咖！

                                                                                                   





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光模块（ Optical Module）作为目前光纤通信行业中最重要部件，由光电子器件、功能电路和光接口等构成。其中、光电子器件包括发射和接收两部分。发射部分是：输入一定码率的电信号经内部的驱动芯片处理后驱动半导体激光器（ LD）或发光二极管（ LED）发射出相应速率的调制光信号，其内部带有光功率自动控制电路，使输出的光信号功率保持稳定。接收部分是：一定码率的光信号输入模块后由光探测二极管转换为电信号，经前置放大器后输出相应码率的电信号。图 1 表示的是光模块在光纤通信过程中是如何
实现信号的发射、接收以及传递的。光模块用 PCB’A 又成为实现上述功能的载体，因此，在涉及光模块的组装工艺时，就不得不着重谈表面组装，即 SMT。
本文详细介绍了目前光模块 SMT 本身特点、光模块多样化及工艺难点解析。


一
光模块的产品特点
1.1SMT工艺过程包括锡膏印刷（丝印），元件贴装（贴片），回流焊接等，所涉及的关键设备包括丝印机，贴片机和回流炉。单块光模块的尺寸较小，一般为38×12mm左右，已超出SMT设备的极限生产尺寸（约50×50mm）。因此，光模块产品通常采用10拼或12拼的制版方式，使其基板尺寸达到110×55mm以上，以满足SMT设备的生产需求。光模块产品包含大量0201封装的阻容类元器件，元件尺寸小，密度大，对丝印和贴片环节有较高的精度要求。同时，其基板厚度约为1±0.1mm，强度较小，容易受到设备机械夹持和焊接高温的影响而产生形变，因而对生产的稳定性提出了更高的挑战。





如上文所述，由于光模块产品的PCB基板尺寸小，强度低，重量轻等特点，在SMT各工序中存在各种质量风险。为规避这些风险，提高生产质量和效率，可以考虑采用载具装载基板进行生产。采用载具生产的优势是显而易见的。首先，载具装载基板后，丝印机和贴片机夹持在载具上，基板不会因此产生形变，因而可以避免因夹持形变导致的种种不良；其次，采用载具装载相当于再次将基板扩容，可一次印刷、贴装多块基板，充分利用贴片机的贴装速度，达到效率提升的目的；最后，在回流焊接工序，载具传输的稳定性远强于基板直接传输，可以完全杜绝卡板现象的出现。
1.2载具生产方案
在设计载具时，首先要考虑载具的尺寸、重量等应满足设备生产参数尺寸过小，可容纳的基板数量少，对效率提升不明显；尺寸过大，基板数量的增加会使效率提升达到瓶颈，增加累积误差，同时重量过大会对设备的传输机构形成负担。其次，载具应对基板有良好的定位精度，以保证丝印和贴片的精度。最后，应当考虑载具的吸热量对回流焊接工序的影响。经过计算和实验，采用“四合一”模式的载具方案可使效率达到最优化。
表1 “四合一”载具方案效率计算


如图5所示的载具，尺寸300×200mm，长边为传送边，可装载4块光模块PCB基板。基板装载时，利用两侧的弹簧销钉的拉力固定，并使基板上表面略高与载具上表面。同时，载具进行了镂空设计，减少焊接时的吸热量。提高装载基板的效率，设计了一款装载工具。

2.1 THR 常见问题点
2.1.1 THR 少锡
插针引脚太长、当插针引脚面过长超出板面≥1.5mm 时，针尖插入后带有锡膏在回流时无法拉回造成通孔内少锡，如图 3 所示。通常针脚露出 PCB 表面 0.8-0.15mm，如图 4。


印刷锡膏量不够与钢网开口、印刷参数有密切关联。常见的 THR 开口方式有圆形、椭圆形、方形，分别如图 5、 6、 7 所示。建议 THR 工艺采用阶梯(Step Up)钢网。刮刀速度范围 20mm/s-40mm/s，刮刀压力范围 5kg-8kg，还可采用重复印刷两次的方式来增加通孔内填充的锡膏量。


2． 2 金手指（ Golden Finger）上锡
金手指上锡的可能原因是制程污染（如印刷、5S 等）、锡膏误印后的清洁不彻底、回流过程中“爆锡”等。目前比较成熟的解决方法为：在印刷前贴高温胶带进行保护， SMT 完成后撕开高温胶带。图 8、9 表示的是金手指贴高温胶带前后的对比效果。


2． 3 Microchip 0201 常见问题
2.3.1 Microchip 0201 元件空焊
印刷偏移是影响到元件空焊的关键因素之一，印刷参数设定及 PCB 本身布局直接影响到印刷效果，所以一般印刷偏移现象需对印刷参数和条件进行调整如（ Mark 相似度、刮刀速度、刮刀压力、脱膜速度/距离、顶针摆放等），对一些特殊的 PCB 可能需要制作夹具来保证印刷质量。从图 10 中可看出 0201 元件印刷锡膏偏移量控制在± 0.05mm 以内，可以获得较好的品质。


贴装偏移可能为元件识别参数设置不当及元件坐标偏移等导致， 需对元件参数重新进行设置及较正元件贴片坐标。图 11、 12 分别表示元件识别和贴装效果。


回流曲线设置不当
Microchip 0201 器件回流曲线设置建议使用 RTS 曲线，避免因使用 RSS 曲线恒温区到回温区急促升温导致焊盘两端拉力不一致而产生不良。参考 Profile 曲线如图 13。


2.3.2 Microchip0201 漏件
吸嘴发白、脏污可能是贴片过程中沾有锡膏或异物造成，针对此现象需要对吸嘴进行清洗并测试真空值是否 OK 即可，同时需规范清洗的频度，一般生产两小时需对吸嘴进行清洗一次。

当物料取料偏移时，机器在高速运行状态物料吸附真空不够，造成偏移。针对此现象需对物料取料位置进行“ Teach”保证取料无偏移情况，并对元件识别参数进行调整。

2．4 FoB 常问题解析
2.4.1 FPC 通孔不透锡,如图 14 所示。
FPC 通孔不透锡通常是由锡膏量不足或 FPC 变形导致。锡膏量不足可采用阶梯(Step Up)钢网的方式增加 FoB 处的锡膏量,阶梯高度一般为 0.05-0.1mm。而 FPC 变形则可以采用类似相片过塑的方式将其整平，
达到变形量小于 0.1mm 的工艺要求， FoB 通孔透锡 OK 如图 15。



2．5  CoC常见问题CoC片式元件三维实装结构图及焊点实际图片分别如图16、17 所示，其中T/C 表示Top Component，即顶层元件；B/C 表示BottomComponent，即底层元件。

2.5.1 T/C取不上料➢由于 CoC 工艺的特殊性质，在T/C无法取料时，可将设备运行速度行调整到  5%-10%，同时需观察吸嘴是否与物料接触到位及“Pickup”高度是否合理。1.吸嘴是否有堵孔及脏污现象，如有需将其进行清洗并测试真空。2.顶针放置是否平稳，PCB贴片顶针摆放不在同一平面将导致吸嘴无法接触到物料表面进行取料。3.元件参数设置不当，元件吸取与贴装参数都相对要慢。例如：使用 YAMAHA设备一般需使用QFP 模式进行取料及贴装。
2.5.2 T/C漏件➢T/C  漏件可能为吸嘴脏污造成误识别等，CoC  工艺需定时对吸嘴进行检查是否有脏污及其它真空异常(如两小时对吸嘴真空进行测试检查)➢T/C元件识别参数设置不当，元件识别误参范围过大导致T/C漏件(一般设置在25%为最佳条件)2.5.3 T/C空焊➢检查T/C 托盘取料位置是否在元件中心，当T/C 取料位置非元件中心时，T/C  贴装叠加到B/C，造成中心不一致，B/C 与T/C 电极端没有重合，回流时两端所拉力不一致导致空焊。➢B/C贴片坐标是否有偏移，T/C物料贴装位置是B/C顶部，如T/C贴装坐标不是B/C中心,T/C与B/C电极端没有重合导致空焊。2．6  PCB’A润湿不良所谓润湿不良，也就是我们俗称的“吃锡”不良。原因一般为ENIG  焊盘的镀镍层中的镍扩散至金层表面，导致可焊性的急剧下降。除推动供应商进行改善外，通过优化工艺参数也可“消化”一部分不良，改善效果如图 18所示。&#10146CB 镍镀层中镍扩散至金表面，对PCB  表面进行清洗，清洗除表面残留的镍提高焊盘表面可焊性（此方案相对比较费时）。➢对钢网进行扩孔增加锡膏来弥补此类缺陷，0402  元件开口一般外延0.8-0.12mm，0603  元件一般外延0.1-0.15mm，IC 类元件一般外延0.1mm（扩孔尺寸可根据实际情况进行对应调整）。➢可以适当采用活性较强的锡膏。如YikstFLY905-CQ-4或TamuraLFT-204-93K,活性较强的锡膏内助焊剂成份配方不一样，可以更好的去除焊粉和被焊表面的氧化物，使焊接时的表面张力减小，改善焊料和焊盘表面的润湿性。





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