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手机摄像头模组生产工艺的SMT流程及SMT应用分析
  2022-07-25      123

文章来源SMT技术网

摘要:

    随着通信技术的不断扩延,手机已成为人们生活、工作、学习、娱乐不可或缺的工具。而手机摄像头模组是手机中非常重要的组件之一,其品质的好坏直接影响手机整体品质的高低。因此在手机摄像头模组生产的过程中每一步都是要严格把关的,不能有丝毫的懈怠。在手机摄像头模组中,FPC软电路板是决定手机照相生成图片的关键组件之一,因此它的生产工艺及质量好坏显得尤为重要。

    基于此,首先简单介绍了手机摄像头模组原理以及SMT技术在手机摄像头模组生产工艺中的应用,着重阐述了手机摄像头模组FPC软电路板的改良设计和SMT生产工艺流程及产品质量分析。根据手机摄像头模组FPC软电路板的具体要求,合理进行SMT技术指标优化,分析研究了手机摄像头模组再流焊SMT焊接温度分布曲线。针对FPC软电路板产品设置了AIO(automatic optical inspection)检测及ICT在线测试方法。

关键词: 手机摄像头模组  SMT  AIO检测  ICT在线测试

一 引言

1.1 手机摄像头模组简介

1.1.1  原理

手机摄像头模组结构如图1-1所示:

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图1-1 手机摄像头模组的基本组成

手机摄像头模组主要由镜头(lens),传感器(sensor),图像处理芯片(Backend IC),软电路板(FPC)四个部分组成。其工作原理为:通过镜头拍摄景物,光学图像生成后投射到传感器上,再把光学图像被转换成电信号,模拟电信号经过模数转换变为数字信号,经过DSP加工处理,送到手机处理器中进行处理后转换成手机屏幕上能够看到的图像[1]。

1.1.2  DSP芯片

DSP即数字信号处理集成电路,它的功能是通过数学算法运算,对数字图像信号进行优化处理,经过处理后的信号传到显示设备上。目前DSP设计和生产技术相对来说比较成熟,各项技术参数差别不大。手机摄像头模组的芯片主要有CCD与CMOS两种类型,手机摄像头模组的芯片如图1-2,性能比较见表1-1。根据CCD与CMOS两类芯片性能比较,CMOS芯片具有制造工艺相对简单、成品合格率高,制造成本低、耗电量低、处理速度快等优点,故本文手机摄像头模组软板(FPC)采用CMOS芯片。

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图1-2 手机摄像头模组的芯片种类

表1-1 CCD与CMOS区别

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1.1.3连接方式

手机摄像头模组的常见连接方式有连接器连接、金手指连接和插座连接三种方式,本文中手机摄像头模组采用金手指连接方式,其与手机的配合合适,弯折程度好,可靠性高,连接方式如图1-3所示。

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图1-3 手机摄像头模组的常见连接方式

1.1.4 PCB板

PCB板通常分为硬板、软板、软硬结合板三种类型,这里指的是手机摄像头模组中用到的印刷电路板,这三种材料应用范围各不相同。CMOS可以使用硬板、软板、软硬结合板任何一种。软硬结合板的造价成本最高,而CCD只能使用软硬结合板。所以本文手机摄像头模组采用FPC软电路板,如图1-4所示。

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图1-4 PCB板分类

1.2 SMT技术在手机摄像头模组生产工艺中的应用

1.2.1  FPC软电路板(PCB)的功能

FPC软电路板在手机摄像头模组中具有如下功能:提供电子元器件的固定及装配的机械支撑作用,实现电子元器件之间的布线并且对电气有着连接或电绝缘效果,提供所要求的电气特性。为自动焊接提供阻焊图,为集成电路及元器件插装、检查、维修提供识别图形和字符。手机摄像头模组采用PCB后,由于同类PCB板的一致性,避免了人工接线的差错,而且可以实现集成电路和电子元器件自动插装、自动贴装、自动焊锡及自动检测,使得电子产品的质量和劳动生产率得到了提高,同时成本降低,维修方便。

1.2.2  SMT技术应用

目前,手机摄像头模组具有体积小、重量轻、集成度高、可靠性高的特点,电子产品的主要形式是基板的板级电子电路产品,因此,现代电子产品制造技术的重要体现是板级电子电路产品制造技术水平的高低[2]。手机摄像头模组属于芯片级一级封装。首先将硅片(芯片)贴装在基片上,然后焊接到基板上构成完整的元件。SMT产品制造系统的核心技术是SMT表面装配技术,以SMT产品为制造对象的系统[3],表面组装设备组成的生产线是SMT的基本组成形式,表面组装设备由自动传输线进行连接,由配置计算机作为控制系统,控制PCB的自动传输,通过组装设备进行流水组装作业。

二 手机摄像头模组改良设计

2.1  FPC/PCB布局设计

对于电子产品来说,其设计的合理性与产品生产及产品质量紧密相关,手机摄像头模组FPC印制导线的布设应尽可能的短,贴片与邦线之间的走线距离要大于0.3mm,避免SMT贴片的时候锡膏回流到邦线PAD上去。如图2-1所示:

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图2-1  PAD布局

邦线PAD内边缘距离芯片0.1mm与0.35mm之间,邦线PAD外边缘距离Holder在0.1mm以上,电容距离芯片和Holder内壁必须保证在0.1mm以上,电容要靠近芯片滤波PAD[4]。

金手指连接的FPC需要把整个金手指开窗出来,对于双面金手指,顶层和底层一定要错开开窗,错开的距离保证在0.25mm以上。如图2-2所示:

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图2-2  金手指连接FPC

FPC银箔接地的开窗形状为椭圆形,且双面开窗的位置一定要错开,不允许有重合部分,错开距离保证在0.5mm以上。如图2-3所示:

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图2-3  FPC的开窗图

2.2  FPC/PCB线路设计

为了能够让摄像头模组能够正常地工作,导线宽度应以能满足电气性能要求为准。便于生产为宜并且能够有效地预防EMC,EMI等问题,可以采取磁珠,电感,共模线圈进行隔离;加电容进行滤波,并四处铺铜,采用屏蔽地线、屏蔽平面来切断电磁的传导和辐射途径。以下是模组线路设计时的要求和规范:

(1)网络距离外框的边缘距离大于0.15mm,即要大于外框公差+0.1mm。

(2)一般信号线推荐线宽0.1mm,最小线宽0.08mm;电源线和地线推荐线宽0.2mm,最小线宽0.15mm。

(3)避免走环形线,且线路上不允许有直角出现。如图2-4所示:

(4)线路空白区域打过孔铺通,起屏蔽,散热作用,同时增加DGND网络之间连接性。对于FPC,如果受控的项目图纸中有弯折要求,在FPC的弯折区域内,用地线代替铺铜,避免大范围的铺铜造成FPC弯折不良。

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图2-4  FPC/PCB线路

(5)AGND按照信号线来走,附近尽量不要有DATA线。

(6)MCLK要包地,走线距离尽量短,尽量避免过孔。PCLK不要和高速数据位走一起,尽可能包地,有DGND在旁,D0和PCLK靠近DGND。 

(7)复位的RESET和STANDBY要远离MCLK,靠近DGND,在边缘附近用地屏蔽。

(8)不允许在Socket底面PAD上打过孔,如果无法避免,应该把孔打在PAD的边缘,远离连接点位置0.4mm以上,且必须要求用金属填满,保证整个接触PAD的表面都是导通的。

(9)MIPI差分阻抗线对需要满足阻抗值100±10ohm的要求,且MIPI走线要等长、等间距并有较大面积的参考地平面。如图2-5所示:

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图2-5  PCB总图

2.3  FPC/PCB工艺材质

对高频电路而言,PCB的材质相当重要,常用的PCB板有电木板、纸质树脂板、玻璃树脂板等。手机摄像头模组选用玻璃树脂板,最高频率达1GHZ,价格中等,质地坚硬,是目前使用最大的品种。

(1)FPC工艺材质有两种可以选择

COB项目头部ACF压焊:表面处理方式为化金,基材18um无胶压延铜,Au≥0.03um,Ni≥0.5um金面平滑光亮;CSP项目头部贴片:表面处理方式为化金,基材可选(18um无胶压延铜,18um有胶压延铜,13um电解铜),Au≥0.03um,Ni≥2.54um金面平滑光亮。

COF工艺:表面处理方式为沉镍钯金,基材可选(13um、18um无胶和有胶压延铜,13um、18um无胶和有胶电解铜),8um≥镍厚≥4um,0.15um≥钯厚≥0.08um,0.15um≥金厚≥0.08um。

(2)电磁膜型号:除客户指定型号外,需选用柔韧性较好的PC5600或PC5900。(3)叠层结构:跟FPC供应商确认的叠层结构,需要满足客户要求的FPC厚度,得到客户确认后,叠层的材质不能私自更改,若要变动材质,需要得到客户的认可。

2.4  模组包装设计

(1)根据项目受控的图纸,预先设计托盘,海绵垫,胶纸等。

(2)海绵垫,胶纸必须用在完全OK的模组上进行实测,与项目受控图纸要求进行对比。如果有差别,根据模组的实际情况,重新打样,直到满足要求为止。

(3)托盘必须用最后成型的模组(如按要求在模组上贴海绵垫,胶纸,海绵圈,防尘贴等)进行试装,要求整个模组不能受到挤压;且托盘要有相对的硬度,保证整箱中托盘之间的挤压不影响到内部的模组。

三 手机摄像头模组FPC软电路板的SMT生产工艺流程

手机摄像头模组的SMT生产工艺流程如下:

来料检测 --> PCB的面丝印焊膏 --> 贴片 --> 烘干(固化) --> 再流焊接 --> 检测 --> 返修

3.1 来料检测

在生产过程中,手机摄像头模组FPC软电路板的PCB和电子元器件,在进入生产线之前必须进行品质检验,这个过程称为IQC(进料品管)。首先对FPC软电路板的PCB的进行肉眼的直观检查,然后通过检测仪器对基板检查,主要检查厚度及插件针孔,FPC软电路板的元器件包括电阻、电容的参数检查和断路、短路等。PCB和元器件通过进料品管检验后进入下一道工序。加工前的测试对手机摄像头模组FPC软电路板的整个生产过程提供了首要保证,同时还提高了产品的合格率。

3.2 锡膏印刷

在贴片之前,必须利用锡膏印刷机在手机摄像头模组FPC软电路板的针孔和焊接部位刮上焊锡膏。在锡膏印刷机的操作台上,使用监视器进行观察,使用一张钢网对PCB板的针孔和焊接部位进行对位,注意要确保定位准确。然后锡膏印刷机透过钢网的相应位置可以将焊锡膏均匀、无偏差地涂在PCB板上,这样就为元器件的焊接做好了准备工作,最后送上SMT生产线[5]。如图3-1所示:

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图3-1  锡膏印刷机整体外观及内部构造

3.2.1  主要技术指标

    手机摄像头模组的PCB板面积较小,有别于其他大型电路板,精度要求很高,所以在印刷中着重考虑该项指标。

a. 最大印刷面积:根据最大的PCB尺寸确定为120mmх120mm。

b. 印刷精度:要求达到±0.025mm。

c. 印刷速度:根据产量要求确定。

3.2.2  印刷焊膏的原理

焊膏和贴片胶都是具有粘性的触变流体。刮刀移动时具有一定速度和角度,从而会对焊膏产生一定的压力,这样焊膏就会在刮板前滚动,焊膏就会注入网孔或漏孔,焊膏的粘性摩擦力会导致焊膏在刮板和网板交接的地方产生切变,由于切变力的存在,使得焊膏的粘性下降,焊膏顺利地注入到手机摄像头模组中PCB板的网孔或漏孔。如图3-2所示:

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图3-2 焊膏印刷原理示意图

3.2.3锡膏检测

使用3D锡膏检测机对手机摄像头模组的PCB板印刷锡膏厚度进行测试,主要检测锡膏的“高度”“面积”“体积”,当然“高度”检测是最重要的。衡量焊点质量及其可靠性的重要指标之一是锡膏的数量,尤其是手机摄像头模组要求更高,为了减少印刷流程中产生的焊点缺陷,必须100%的采用锡膏检测(SPI),这样也保证了焊点的可靠性。

3.3 贴片

3.3.1  贴片机

通过贴片机完成手机摄像头模组的PCB板(如图3-3)贴片,在贴片之前首先在贴片机前面装上原料盘(如图3-4),在原料盒的原料盘传输纸带装有贴片式元件。通过单片机预先编好的程序来完成操作过程,激光系统进行校正。贴片时贴片机根据事先设好的程序动作,相应的原料盘上的元件由机械手臂的吸嘴吸取,放到PCB板的相应位置,为了保证元件能准确地压放在相应的焊接位置,采用激光对元件进行校正操作[5]。 

多个原料盘可以放在同一台高速贴片机上同时进行工作。要求元件大小相差不多,这样机械手臂便于操作。为了提高效率,手机摄像头模组SMT生产线是由两台高速贴片机来完成,贴片机元件吸嘴应根据元件大小不同而相同,一般贴装顺序是先贴装小元件(如“贴片电阻”),接着再贴装较大的芯片(如“芯片组)。

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图3-3  贴片机整体外观

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图3-4  贴片机原料盘

3.3.2  贴片机的主要技术指标

结合手机摄像头模组的软电路板的具体性能要求,合理设置贴片机的主要指标[7]:

a. 贴装精度:是指元器件贴装后相对于印制板标准贴装位偏移量,手机摄像头模组的PCB贴装要求精度较高,Chip元件要求达到±0.1mm,贴装间距的SMD至少要求达到±0.06mm。

b. 贴片速度:手机摄像头模组的PCB面积较小,贴装速度不宜太快。高速机限制在0.2S/ Chip元件以下,多功能机设定在0.3-0.6S/ Chip元件左右。

c. 对中方式:为了保证准确度,尽量采用激光对中或激光/视觉混合对中。

d. 贴装功能:指贴装元器件的能力。多功能机贴装最小0.6×0.3mm~最大60×60mm器件。

 e.  编程功能:具备在线和离线编程优化功能。

3.3.3  自动贴片机的贴装过程

 贴片机对手机摄像头模组PCB板的贴装过程如图3-5所示:

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图3-5  贴片机贴片过程原理图

3.3.4  连续贴装生产时应注意的问题

由于手机摄像头模组的软电路板具有特殊的要求,所以在元件贴装过程中有严格的要求:

a.禁止直接用手触摸PCB表面,以防破坏印刷好的焊膏;

b. 发现报警时,及时按下警报关闭键,分析处理错误信息;

c. 根据元器件的型号、规格、极性和方向在补充元器件时必须保持一致;

d.,随时注意贴装过程中废料槽中的弃料,若否堆积过高,要及时清理,以防贴装头损坏。

3.4  再流焊(Reflow soldring)

再流焊[6]炉(图3-6)是焊接表面贴装元器件的设备。广泛使用的是红外加热风炉以及全热风炉。再流焊炉主要有四个部分:红外炉、热风炉、红外加热风炉、蒸汽焊炉。

手机摄像头模组的软板贴片元件安装完成后,合格的产品进行焊接,由再流焊接机完成。再流焊接机是内循环式加热系统,由多个温区组成。因为焊锡膏的构成有多种材质,所以不同的温度将改变锡膏的状态。焊锡膏在高温区时变成液态,贴片式元件容易结合,焊锡膏在进入较冷温区后变成固态,将元件引脚和PCB牢牢焊接起来。

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图3-6 再流焊接机

3.4.1  再流焊炉的基本结构[7]

a.炉体

b.上下加热源

c.温度控制装置

d.冷却装置

e.空气循环装置

f.排风装置

g.PCB传输装置

h.计算机控制系统

3.4.2  再流焊炉的主要技术指标

结合手机摄像头模组的软电路板的具体性能要求,合理设置贴片机的主要指标[7]:

a.传输带横向温差:要求±5℃以下;

b.温度控制精度:应达到±0.1-0.2℃; 

c.手机摄像头模组没有采用无铅焊料或金属基板,温度选择在250℃左右。

d.根据手机摄像头模组加热区数量和长度选择4-5温区,加热区长度选定1.8m左右。

3.4.3  再流焊工作过程分析

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图3-7    再流焊温度曲线

为了分析研究手机摄像头模组,外购温度曲线采集器,进行温度曲线测试。由温度曲线采集器采集的温度曲线[8](见图3-7)分析:当手机摄像头模组软板进入升温区(干区)时,即100oC以下,焊膏中的溶剂、气体蒸发掉,同时,焊盘、元器件端头和引脚被焊膏中的助焊剂润湿,焊膏软化、塌落、覆盖焊盘,将焊盘、器件引脚与氧气之间隔离,时间约15S左右;PCB进入保温区时,温度为100oC-150oC,PCB和元器件得到充分预热,时间约30S,在保温区过渡到高温区时以防PCB和元器件损坏;当PCB进焊接区时,温度迅速上升到240oC以上,使焊膏熔化成液态,PCB的焊盘、元器件端头和引脚被液态焊锡润湿,扩散、漫流或回流形成焊接;此后PCB进入冷却区,使焊点凝固。

3.4.4  再流焊工艺特点(与波峰焊技术相比)

在手机摄像头模组生产中选用再流焊装配工艺,而不用波峰焊技术,理由:

a. 再流焊不像波峰焊那样,不需要把元器件直接浸渍在熔融的焊料中,有较大的热应力,元件受到的热冲击小;

b. 可以适当控制焊盘上焊料的施加量,避免了虚焊桥接等焊接缺陷的产生,提高了焊接质量和可靠性;

c.使用焊膏时,能正确地保证焊料的成分,焊料中不会混入不纯物。

d.有自定位效应(self alignment)—由于熔融焊料表面张力作用,当元器件贴放位置偏移时,自动被拉回到近似目标位置。

e.在同一基板上,可以采用局部加热热源和不同焊接工艺进行焊接;

f.工艺简单,修板的工作量极小,从而节省了人力、电力、材料。

四 手机摄像头模组FPC软电路板的SMT应用分析

4.1 焊接及装配质量的检测

再流焊接后,最后的工序是对组装好的手机摄像头模组的PCB板进行焊接质量和装配质量的检测。所用设备有放大镜、显微镜、自动光学检测(AOI)[9] 、在线测试仪(ICT)等。专用检测台上,用一片塑料模板与贴片PCB对照,检测PCB上的位置是否放正、引脚是否连焊、元件是否漏焊、焊接是否严密等。质检员要配带静电手环以防在检测过程中静电带来的损害。质检不合格的PCB将送到SMT生产线的维修部门,用人工对出现的焊点、位置和漏焊元件进行修正,修正后再重新返回检测。

4.1.1  AIO(automatic optical inspection)检测概述

运用高速高精度视觉处理技术自动检测手机摄像头模组的PCB板上各种不同贴装错误及焊接缺陷。PCB板的范围可从高密度板到低密度大尺寸板,为了提高生产效率及焊接质量,采用在线检测方案。

减少缺陷的工具使用AOI检测机(如图4-1), 可以实现良好的过程控制,因为在装配工艺过程的早期即可查找和消除错误。早期发现缺陷可以有效地避免将坏板送到装配阶段,AOI不仅减少了修理成本,而且避免报废不可修理的电路板。

制造工艺的缺陷和元器件的不良情况,如缺件、位移和元件歪斜,立碑、翻件、浮脚及弯曲的Lead等,可以直接通过对在线器件电气性能的测试来发现。

此外AOI还的特点也很明显。高速检测系统与PCB板贴片密度无关,在图形界面下即可进行快速便捷的编程,运用贴装数据自动进行检测,运用元件数据库进行检测数据的快速编辑。根据被检测元件位置的瞬间变化进行检测窗口的自动校正,达到高精度检测。用墨水直接标记于PCB板上或在操作显示器上用图形错误表示来进行检测和核对。

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图4-1 AOI检测机

4.1.2  AOI检测步骤

手机摄像头模组产品按照以下步骤进行检测:

a. 按照正确的PCB板流向放进AOI机台。

b. AOI测试完毕,操作人员双手从传送带上取下板子,使用Barcode Reader读取序号。

c. 确认 PCB 的方向和 Layout显示一致,屏幕上显示相关位置及其defect,操作人员按照defect位置进行确认。

d. 测试完毕确认为Pass需刷SFC系统,直接送入下一制程,如确认为Fail刷SFC系统,输入不良代码,放入不良品箱,由线上人员维修,维修OK,再放入AOI机台测试,直到检测OK后方可送入下一制程。

4.2   ICT在线测试

4.2.1  慨述 

在线测试ICT(In-Circuit Test)(如图4-2)是通过对在线元器件的电性能及电气连接进行测试来检查生产制造缺陷及元器件不良的一种测试手段。它主要检查在线的单个元器件以及各电路网络的开路、短路情况,具有操作简单、快捷迅速、故障定位准确等优点[10]。

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图4-2   ICT检测机

1. ICT的范围及特点

在线测试检查范围为制成板上在线元器件的电气性能和电路网络的连接情况。不仅能够定量地测量电阻、电容、电感、晶振等元件,而且能测试二极管、三极管、光藕、继电器、运算放大器、变压器、电源模块等功能,对中小规模的集成电路如常用驱动类、74系列、Memory 类、交换类等IC进行功能测试。 

元件类可检查出元件值的失效或损坏、超差、Memory类的程序错误等,通过直接对在线器件电气性能的测试来发现制造工艺的缺陷和元器件的不良。对工艺类可发现如焊锡短路,元件插错、插反、漏装,管脚翘起、虚焊、PCB短路、断线等故障。 

对故障的维修无需较多专业知识,测试的故障直接定位在具体的元器件管脚、网络点上,故障定位准确。

2. 意义 

ICT测试过的故障板,因故障定位准,维修方便,可大幅提高生产效率和减少维修成本。在线测试通常是生产中第一道测试工序,能及时反应生产制造状况,有利于工艺改进和提升。因其测试项目具体,是现代化大批量生产品质保证的重要测试手段之一。

4.2.2 ICT在线测试步骤

根据手机摄像头模组产品要求,合理安排ICT在线测试步骤:

a. 双手从线上取下板子,平放到治具上,放板子注意方向,确认板子平贴治具。(图4-3&4-3-1) 

b. 双手同时按住测试按钮进行测试,测试开始后放手。(图4-4)

c. 若测试结果为pass,在板边图示位置区做“Pass”标示(如4-5),进入流水线流下一制程,放板方向要统一。

d. 若测试结果为fail,打印不良报表贴于板边,放于不良品箱內待线修确认:若为误判,通知ICT工程师分析处理后重测ICT直至Pass;若为不良,线修送至ATE站将不良信息刷入sfc系统,然后维修重测ICT直至测试Pass,流入下一制程。

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