一、SMT简介

    表面安装技术（又称为SMT，Surface-mount technology），是一种电子装联技术，是目前电子组装行业里最流行的一种技术和工艺。这种技术是在PCB焊盘上印刷锡膏，然后放上表面贴装元器件，再经过回流焊使锡膏熔化，让各元器件与PCB板焊接装配的技术。其中的元器件又被简称为表面安装元件（SMD，surface-mount devices），包括电阻、电容、晶体管、集成电路等等。

采用SMT技术的PCB板（左）及表面安装元件SMD（右）

二、SMT发展

    SMT起源于20世纪60年代，最初由美国IBM公司进行技术研发，之后于80年代后期渐趋成熟，成为了主流的电子产品元器件安装技术。在此之前，通孔插装技术（THT，Through-hole technology）是主要的安装技术，通孔插装技术起源于50年代，在50年代到80年代之间流行，后其应用逐渐减少，但其无法被完全取代，目前仍有应用。采用THT技术安装的元件也叫THD（Through-hole devices）。

    通孔插装技术不同于SMT技术，且非常易于区分，如下图中，左侧是通孔插装技术焊接的元件。采用THD焊接的元件，其引脚完全贯穿了PCB板，在PCB板的另一面，可以看到元件的引脚伸出板面。而右侧采用SMT技术的元件，则只是焊接在PCB表面，其引脚没有穿过PCB板，故在PCB板的另一面，看不到任何引脚。

通孔插装技术与表面安装技术

    进入20世纪90年代以来，全球采用通孔组装技术的电子产品逐年下降，而采用SMT的电子产品则快速增加。

    我国SMT的应用起步于80年代初期，最初从美、日等国成套引进了SMT生产线用于彩电调谐器生产。随后SMT技术应用于录像机、摄像机及袖珍式高档多波段收音机、随身听等生产中，如今在计算机、通信设备、航空航天电子产品中也得到广泛应用。

三、SMT优点及缺点

    SMT技术优点：

    ●电子产品体积小，重量轻

    ●采用SMT的电路板可靠性高、抗振能力强

    ●焊点缺陷率低

    ●高频特性好

    ●生产流程易于实现自动化，可提高生产效率

    ●降低成本，节省材料、能源、设备、人力、时间等

    SMT技术缺点：

    ●不适用于大型，高功率或高压部件

    ●维修困难，需要熟练的操作人员和更昂贵的工具

    ●焊脚小，焊接可靠性降低

    ●SMD元件小，元件表面标记字符不易读取

四、SMT工艺流程

    1.SMT工艺流程分类

    根据电子元器件的不同和产品的需要，元器件在PCB上的焊接状态主要分为单面全贴、双面全贴、单面混装、双面混装等。

SMT工艺分类

    单面全贴，即全部表面贴装元器件在PCB的一面。

单面全贴示意图

    双面全贴，即表面贴装元器件分别在PCB的A、B两面。双面全贴PCB保证了PCB板的美观性和功能性，充分利用PCB板空间，实现PCB板面积最小化。

双面全贴示意图

    单（双）面混装，是指除上述两种情况之外的，在PCB上除了表面安装元件（SMD）外，还有过孔插装元件（THD）。单面混装是指插件和表面贴装元器件都在PCB的单面，双面混装则是插件和表面贴装元器件在PCB的两面。

双面混装示意图

    这里说明一下，为什么叫混装。混装主要指的是PCB上既有表面安装元件SMD，又有过孔插装元件THD。由于这两种元件的焊接工艺不同，因此做了区分。SMD元器件一般采用回流焊接，而过孔插装元件THD一般采用波峰焊接。两种焊接工艺如下图所示。过孔插装元件一般是将元件插装在PCB板上后，将PCB板的下面浸入到熔融焊槽，让熔融焊料与引线接合，完成焊接。而回流焊则采用专用设备回流焊炉焊接，下文将作详细介绍。

通孔插装与表面安装的焊接方式示意图
 

    2.SMT主要工艺介绍

    单面全贴的SMT主要工艺分为三步：施加焊锡膏、贴装元器件（也称贴片）、回流焊接。在实际的生产过程中还会安排AOI检测等环节。下面分别介绍预涂锡膏、贴片、回流焊的工艺过程。

    第一步：施加焊锡膏

    其目的是将适量的焊膏均匀的施加在PCB的焊盘上，以保证贴片元器件与PCB相对应的焊盘在回流焊接时，达到良好的电气连接，并具有足够的机械强度。

    常温下，由于焊膏具有一定的黏性，可将电子元器件粘贴在PCB的焊盘上，在倾斜角度不是太大，也没有外力碰撞的情况下，一般元件是不会移动的，当焊膏加热到定温度时，焊膏熔融再流动，液体焊料浸润元器件的焊端与PCB焊盘，冷却后元器件的焊端与焊盘被焊料互联在起，形成电气与机械相连接的焊点。

    下图为锡膏印刷示意图。在PCB板上覆盖一块模板（也称钢网），模板上对应PCB焊盘的位置有开口，刮刀将锡膏刮动时，锡膏由模板开口进入，并附着在下方的PCB焊盘上，取下模板，则PCB板焊盘上就完成了锡膏印刷的过程。

锡膏印刷截面图

锡膏印刷示意图

    第二步：贴装元器件

    本工序是用贴片机或手工将片式元器件准确的贴装到印好焊膏的PCB表面相应的位置。贴装方法有两种，采用贴片机贴片以及采用手工贴片。

    贴装机贴片生产效率高、设备投资大，适合批量较大、供货周期较紧的情况。

贴片机贴片

    手工贴片操作简便、成本较低、生产效率须依操作的人员的熟练程度，适合中小批量生产。人工手动贴装主要工具：真空吸笔、镊子、IC吸放对准器、低倍显微镜或放大镜等。

    第三步：回流焊接

    回流焊的本质就是“加热”，其工艺核心就是传送带的速度和回流温度曲线的设定。传送带的速度决定了每阶段的加热时间。回流温度曲线，根据功能可划分为4个区，即预热区、保温区、回流区和冷却区。以下是典型的SMT温度特性曲线。

回流焊温度曲线

    预热：将PCB温度从室温提升到预热温度。这时，焊膏中的溶剂和气体蒸发掉，助焊剂润湿焊盘、元器件端头和引脚。焊膏软化、塌落、覆盖了焊盘，将焊盘、元器件引脚与氧气隔离。

    保温：使所有元件充分预热，达到一致温度，特别是较大的元器件，并保证助焊剂充分挥发，以免不同元件之间的温差造成焊接不良。

    回流：这一阶段温度迅速上升，焊膏达到熔化状态，液态焊锡对PCB的焊盘、器件端头和引脚润湿、扩散、漫流或回流混合形成焊锡接点。

    冷却：PCB进入冷却区使焊点凝固。

    双面全贴、单（双）面混装在此基础上，增加了其他工艺，更为复杂。如下图为双面全贴的工艺流程，增加了翻面，同时要采用两次回流焊。

双面全贴的工艺流程

    下图为单面混装流程，在回流焊之后，安装插孔元件，再采用波峰焊。对于混装流程，专门发展出了先进的混装工艺，如选择性焊接、通孔回流焊和使用屏蔽模具等方式，能够极大地提高混装效率。

单面混装流程

五、SMT设备

    SMT生产线通常包括以下设备：贴片机、锡膏印刷机、回流焊炉、波峰焊、检查设备。

    贴片机：又叫拾放机，是SMT生产线的核心设备，把元器件拾起后放置到印刷板上。衡量指标有：贴片速度、精度和智能性等。

    锡膏印刷机：用于焊膏印刷到PCB上。可分为半自动焊膏印刷机与全自动焊膏印刷机。

    回流炉：把PCB上用于焊接元器件的焊膏熔化并形成优良的焊接。

    波峰焊：用于焊接通孔插装元器件。

    检查设备：检查生产过程的不良，如SPI设备、AOI设备。

    典型的生产线示意图。

SMT典型生产线示意图

六、SMT智能化应用

    SMT生产线正朝着高品质、高效率、高稳定性、柔性化、信息化、无人化、可视化的方向发展。整个SMT行业的发展离不开各个设备厂商、软件厂商的协同发展，在各个生产工序，出现了一些新型的智能化产品，为SMT产线的智能化发展打下基础。

    1.贴片机

    贴片机是SMT产线首要核心设备，用来实现高速、高精度、全自动贴放元器件，关系到SMT生产线的效率与精度，是最关键、最复杂的设备。众多设备里贴片机成本往往会占到整条生产线投资额的60%以上。

    贴片机的贴装速度极快，通常需要专人实时照看，负责及时上料。现在，有些智能化的贴片机配备了自动AGV小车，可以实现自动上料，如FUJI Smart Factory Platform NXTR。该产品借助新研发的传感器技术和智能加载车，密切对应排产计划、进行全自动补料和全自动换线，实现表面贴装工序中零贴装不良、零作业员、零停机目标，是智能化生产的代表性产品。

贴片机自动上料（动图）

    2.回流焊

    回流焊接设备正朝着高效、多功能、智能化的方向发展，出现了具有独特的多喷口气流控制的回流焊炉、带氮气保护的回流焊炉、带局部强制冷却的回流焊炉、可以监测元器件温度的回流焊炉、带有双路输送装置的回流焊炉、带中心支撑装置的回流焊炉等。除了上述这些新型回流焊炉外，智能化回流炉也已经出现了，其调整运转由内置计算机控制，在window视窗操作环境下可很方便使用键盘或光笔输入各种数据，又可迅速地从内存中取出或更换回流焊工艺曲线，节省调整时间，提高生产效率。

    3.3D SPI

    SPI（Solder Paste Inspection）主要的功能就是以检测锡膏印刷的品质，包括体积，面积，高度，XY偏移，形状，桥接等。此工序可以在贴片前尽早将印刷不良拦截，降低维修成本，实现过程控制。传统的SPI设备采用的是2D检测方式，只能从获取锡膏的平面图像，对于高度方向的印刷缺陷无法识别，而3D SPI能够获取锡膏的3D图像，更全面地对锡膏的质量进行判断，减少误判。该技术的代表产品有韩国PARMI在线3D SPI锡膏检测仪，其运用Laser（激光三角测量技术）的检测原理进行检测。

3D SPI 检测成像

    4.3D AOI

    AOI检测设备在回流焊工序之后，采用机器视觉实现焊接后的产品检测。如今，元器件的尺寸越来越小，如03015（0.3毫米x0.15毫米）的微贴片元件，一般的2D AOI难以检测如此小尺寸的元器件不良。现在，三维AOI正在发展成熟，它可以检测出2D AOI无法检测出的微小元器件的焊接不良。代表性的产品有矩子JUTZE在线AOI自动光学检查机。

3D AOI检测

    5.离线编程

    在SMT生产中，仍有一些流程需要手工操作才能导入新产品，需要根据工程师的经验调整流程参数。通常，需要将PCB导入生产线进行首次测试，在每个工艺步骤后进行目视检查，并根据结果进行调整。这些任务占用机器的正常生产，并需要更多的物料进行测试，这大大降低了生产设备的利用率。

    对于智能工厂而言，可以根据软件系统来进行虚拟生产，而无需真实产线和物料即可完成这些测试。例如，通过ASM Printer Programming（DEK Offline Programming）能够实现离线编程，程序员可以用SIPLACE Pro里已经存在的板子去编辑DEK印刷机程序。通过这种方式，可以在不占用印刷机的情况下进行编程，从而使生产设备达到更高的利用率。

印刷机离线编程