第4章 仪器零件的成形工艺基础

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1、第4章 仪器零件的成形工艺基础 4.1 电子组装技术 4.2 光学零件加工 4.3 塑料零件的加工 4.4 陶瓷零件加工 4.5 金属零件成形 4.6 连接工艺 4.7 刻划工艺 4.8 表面技术 电子组装技术经历了下列几个阶段: 40年代是以电子管为有源器件的手工焊接阶段。 40 年代晶体管和印制电路相继问世，并在50年代至 60年 代得到广泛应用后，形成了以晶体管和印制电路板为主的手工 焊接阶段。这阶段电子设备的组装和结构产生了很大的变化， 提高了组装密度，缩小了设备的体积。 60年代，在集成电路技术与多层印制板的发展的基础上， 形成了以集成电路、自动插装和波峰焊为主的组装阶段。 70年代

2、末，由于超大规模集成电路和无引线或短引线片状 电子元器件的发展，电子组装进入了表面贴装阶段。 80年代中 期，在发展表面安装技术的同时，微焊接技术、 高密度多层基板技术的发展，形成了以多芯片模块 (MCM)为特 征的第五代微电子组装阶段。其特点是组装密度更高，互连线 更短，因此，信号延迟时间短，信息传输速度快 微组装技术是90年代以来在半导体集成电路技术、混 合集成电路技术和表面组装技术(SMT)的基础上发展起来 的新一代电子组装技术。 微组装技术是在高密度多层互连基板上，采用微焊接 和封装工艺组装各种微型化片式元器件和半导体集成电路 芯片，形成高密度、高速度、高可靠的三维立体机构的高 级微电

3、子组件的技术。 4.1 电子组装技术 4.1.1 SMT和THT 电子工业不断的高速发展阶段。人们希望电子设备体 积小、重量轻、性能好、寿命长以满足各方面的要求。因 此促进了电子电路的组装技术的发展朝着高密度组装技术 的发展。 表面组装技术， “Surface Mount Technology”，简称SMT 通孔组装技术， “Through-hole Technology”，简称THT 微组装技术， “Microelectronics Packing Technology”，简称MPT THT与SMT组装比较 组装的元器件引线短或无引线 电子组装技术的发展主要受元器件类型的支配。 与传统的TH

4、T相比，SMT有以下特点： 1. 组装密度高、电子产品体积小、重量轻，贴片元件 的体积和重量只有传统插装元件的1/10左右，一般采用 SMT之后，电子产品体积缩小40%-60%，重量减轻60%-80% 。 2.可靠性高、抗振能力强。焊点缺陷率低。 3.高频特性好。减少了电磁和射频干扰。 4.易于实现自动化，提高生产效率。 5.降低成本达30%-50%。节省材料、能源、设备、人力、时 间等。 4.1 电子组装技术 THT组装生产线如图4-1所示，采用人工插装、波峰 焊接，AOI焊点质量自动检查，主要应用在一些产量大要 求较高的产品中（如计算机主板）。 图4-1 THT组装生产线 4.1 电子组装

5、技术 SMT组装生产线如图4-2所示。SMT是将表面贴装元 件直接贴焊到印制电路板或其他基材表面，使用片式元器 件。 图4-2 SMT组装生产线 4.1 电子组装技术 MPT组装生产线如图4-3所示。MPT实质是高密度组装的 SMT，具有工作频率高、焊点尺寸微小等特点。 图4-3 MPT组装生产线 4.1 电子组装技术 4.1.2 电子组装中的焊接技术 电子元器件的焊接是指通过熔融的焊料合金与两个 被焊接金属表面之间形成金属间合金层（焊缝），从而实 现两个被焊接金属之间电气与机械连接的工艺过程，如图4 -1所示。 4.1 电子组装技术 常用的焊接技术如下： 1）手工锡焊 在生产企业中，焊接SM

6、T元器件主要依靠自动焊接设备， 但在维修电子产品或者研究单位制作样机时，检测、焊接SMT元 件常使用手工锡焊。图4-4所示为手工锡焊的操作步骤。 图4-4 手工锡焊的操作步骤 4.1 电子组装技术 2）浸焊 浸焊是最早应用在电子产品批量生产中的焊接方法，现 在还在一些小型企业中使用，浸焊设备的焊料槽如图4-5 所示。 图4-5 浸焊设备的焊料槽 浸焊设备的工作原理是让插好元器件的印制电路板水 平接触熔融的铅锡焊料，使整块电路板上的全部元器件 同时完成焊接。 印制板上的导线被阻焊层 阻隔，不需要焊接的焊点 和部位，要用特制的阻焊 膜（或胶布）贴住，防止 焊锡不必要的堆积。 1020 操作浸焊机的

7、要点 浸焊的缺点： 熔融的焊料易氧化，形成的残渣漂浮在表 面，影响焊接质量。 电路板因为热冲击大易翘曲变形。 焊点易产生桥连 浸焊的优点： 结构简单，由温度、时间与浸焊深度控制焊 料，由焊盘的大小和元器件引脚的粗细决定可 焊面积而形成焊点。 4.1 电子组装技术 3）波峰焊（Wave Soldering） 波峰焊分为两种：单波峰焊和双波峰焊电子产品 THT批量生产中的焊接方法是单波峰焊，SMT批量生产 中的焊接方法是双波峰焊。 波峰焊接技术是由早期 的浸焊技术发展而来的。是 利用焊锡槽内的机械式或电 磁式离心泵，将熔融焊料压 向喷嘴，形成一股向上平稳 喷涌的焊料波峰。装有元器 件的印制电路板以

8、直线平面 运动方式通过焊料波峰，在 焊接面上形成浸润焊点而完 成焊接。 波峰焊机焊锡槽示意图 工作流程图1 增加了电路板焊接 面与焊锡波峰接触 的长度 ； 有利于焊点内的助 焊剂挥发，避免形 成夹气焊点，还能 让多余的焊锡流下 来。 斜坡式波峰焊机 图4-7 双波峰焊接 图4-6一般单波峰焊接 湍流波: 波峰口是2-3排交错排列的小孔或狭长缝，锡流从孔/缝中喷出 ，形成快速流动的、形如涌泉的波峰； 空心波: 是从倾斜45的单向峰口喷出，锡流与SMA（表面贴装组件）行 走同向或逆向喷出。 层流波： 波峰稳定平稳，可对焊点进 行修整，以消除各种不良现象 ，所以该波又称为平滑修整补 充波。 由于它们

9、具有窜动现象，在焊接过 程中有更多的动能，有利于在紧密 间距的片状元器件之间注入焊料， 但湍流波与空心波峰形成的焊点是 不均匀的，还可能有桥接和毛刺存 在。 紊乱波宽平波 4.1 电子组装技术 4）再流焊 再流焊目前主要用于表面组装技术中片状元件的焊 接。这种焊接技术是预先在印制电路板上的焊盘上施放适 量且适当形式的锡铅(Sn/Pb)糊状焊膏，用它将元器件粘 在印制电路板上；然后将贴装好元器件的印制板放在再流 焊设备的传送带上，利用外部热源使钎料熔化而再次流动 ，从炉子入口到出口(大约需要4-6分钟)完成干燥、预热、 熔化、冷却全部焊接过程。 4.1 电子组装技术 4.1.3 电子组装中的检测

10、 目前电子产品的微小型化，必然使元器件也不断地朝 着微小型化方向发展，引脚间距现朝着0.1mm甚至更小的 尺寸发展，布线也越来越密，这一切对用SMT生产的产品 质量检测技术提出了非常高的要求。在现代电子组装技术 中采用SMT工艺，使用的检测技术主要包括： 人工目检(MVl)，自动视觉检测(AVl)，自动光学检 测(AOI)，在线电路检测(ICT)，自动X射线检测(AXl)。 在线电路测试即ICT，分为飞针和针床两种方式 其工作原理是在设计芯片和PCB板时引入菊花链拓扑结构（菊花 链拓扑是用最短的互连传输线把所有的器件连接起来，每个器件最多 只能通过两段传输线连接到另外的两个器件上，直至完成所有

11、的器件 连接，连接完成后，从首个器开始，所有的器件连接成链状），使得 组装后的焊点形成网络，从而通过检测网络通断来判断焊点是否失效 。具体的方法是用探针检测设定点的电性能参数。目前生产中选用最 多的是单头探针(尖矛型)，一般适用于检测孔和焊盘，若用于管脚会 发生侧滑：对通孔元器件的管脚，通常采用三针型和锋利的多面型等 。为提高探针耐久性，探针材料通常选高硬度的钢材，检测压力一般 在120N的范围内；而对于免清洗焊膏，助焊剂残余较少，压力范围 可选择低一点，通常取1.12.0N。ICT测试一般用于再流焊后，主要 用来检测元器件极性贴错、桥接、虚焊、短路等缺陷。 在线电路测试仪外形 为了适应高密度

12、和细间距组装 的检测需要，AOI检测即自动光学检 测成为SMT工艺中检测技术的重要技 术手段，AOI检测是采用了计算机技 术、高速图像处理和识别技术、自动 控制技术、精密机械技术和光学技术 整合形成的一种检测技术。具有自动 化程度高、检测速度快和高分辨率的 检测能力，可以减轻劳动强度，提高 判别准确性，减少专用夹具，具有良 好的通用性，能给组装系统提供实时 反馈信息，其设备外形如图右图所示 。 SAKI AOI外形 SMT中应用AOI技术的形式多种多样，但其基本原理是相 同的，即用光学手段获取被测物体图形，一般通过一传感 器（摄像机）获得检测物体的照明图像并经过数字化处理 ，然后以某种方法进行

13、比较、分析、检验和判断，相当于 将人工目视检测自动化、智能化。 AOI系统是涉及多学科的精密设备。AOI系统按技术可 划分为精密机械、电气控制、图像处理（CCD摄像或叫视 觉系统）系统、软件系统4大部分，在各主要模块中根据 需要还可以进行功能划分。 AOI与其它测试技术相比，可用于生产线上的多个 位置，目前AOI主要用于3个检测工序： 1) 锡膏印刷之后检测，及时发现印刷过程中的缺陷， 将因为锡膏印刷不良产生的焊接缺陷降到最低，常采 用100的2D和3D检测方法，可以检测焊膏沉积的位 置和厚度。 2) 贴片之后检测，检查来自锡膏印刷以及贴片过程中 产生的缺陷。 3) 再流焊后检测，主要检查焊后

14、缺陷。 X射线检测是利用X射线具 备很強的穿透性，能穿透物体表 面的性能，透视被检焊点内部， 从而达到检测和分析电子元件各 种常见的焊点的焊接品质，如 BGA，CSP与FC等封装器件下面 的焊点缺陷，如桥接、开路、焊 球丢失、移位、钎料不足、空洞 、焊球和焊点边缘模糊等，还可 检测BGA等封装内部是否有气泡 ，桥架，虚焊等。图为X射线测 试机器外形图。 X射线测试机器外形图 4.1.4 电子组装中的清洗与返修 1.清洗 2.返修 1）接触焊接 2）热风焊接 3）IR红外焊接 图4.8 热风焊接与IR红外焊接 电子产品组装的基本工艺流程 电子产品的装配过程是先将零件、元器件组装成部件，再将部件

15、组装成整机，其核心工作是将元器件组装成具有一定功能的电路板部 件或叫组件（ PCBA ）。这里介绍的电子工艺主要是指电路板组件 的装配工艺 4.2 光学零件加工 随着近代光学和光电子技术的飞速 发展，现代仪器中光学元器件的使用日趋 广泛。仪器中所使用的光学元器件的种类 繁多，按其功能、结构形式和工艺特点， 可分为透镜、棱镜、反射镜、滤光片、光 栅，以及激光器件、光纤器件、光存储器 件等。 4.2 光学零件加工 图4-9所示为某个望远物镜的光学零件即典型透镜零件工程图样。 图4-9 典型透镜零件工程图样 4.2 光学零件加工 4.2.1 光学零件的基本加工工艺 1光学零件的毛坯成形 1）热加工成

16、形 2）冷加工成形 3）一次成形 2铣磨 3精磨 4抛光 5定心和磨边 6胶合 7镀膜 4.2 光学零件加工 4.2.2 光学零件的现代制造技术 随着光学的发展，光学系统中光学零件所应用的光学面越 来越复杂，光学面是指在光学零件上和光发生相互作用的表面。球形 光学面的光学零件有着悠久的历史，现在还在广泛应用。1非球面 光学零件计算机控制制造技术 1）单点金刚石车削 2）单点金刚石飞刀铣削 3）金刚石磨轮铣磨 图4-10 金刚石飞刀铣削原理 4.2 光学零件加工 4.2.2 光学零件的现代制造技术 图4-11 金刚石车削飞刀 图4-12 筒形磨轮铣磨加工原理 4.2 光学零件加工 4.2.2 光学零件的现代制造技术 2塑料光学零件注射成形技术 塑料光学零件具有质轻、耐冲击、易于实现非球面、便于 大批量生产、成本低等优点。塑料光学零件制造方法包括注射成形、 浇铸成形和热压成形等。 1）光学塑料零件的注射成形过程 2）提高质量和精度应注意的因素 3光学玻璃模压成形技术 4.2 光学零件加工 4.