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表面组装技术现状纵观
中国电子科技集团公司第二研究所 李桂云
概述
表面组装已成为一种成熟的工艺，并在全球范围推广应用。“平面组装”这个新名词已成为电子组装工业的标准。与传统的通孔（TH）技术比较，表面组装技术（SMT）最显著的优点是提高了电路密度，改善了电子性能。其次是降低了工艺成本、提高了产品质量、降低了加工成本及提高了可靠性。此外，多数类型的SMT封装实现了易于自动化组装、返工和返修。由于某些组件的复杂性和密度（例如；印制板两面的混装元件），如果要实现降低工艺成本、减少返工和返修量，那么，适当的设计和工艺控制是最基本的要求。此外，可靠的元件渠道和购置对降低成本所起的作用具有深远的意义。
表面组装技术（SMT）发展的动力
降低组装面积与产品类型和SMT对通孔元件比率有着密切的关系。目前已实现了降低50~90%的面积。在某些情况下，降低面积是通过在印制板的两面组装元件而实现的。然而，使面积大幅度下降主要还是使用SMT、FPT、超细间距（UFP）、阵列表面组装（ASM）或芯片级封装（CSP）组装中的大比例集成电路的产品。
通常，改善了电气性能会使操作速度更快、频率更高。表面组装元件降低了寄生引线和导体电感，同时提高了电容、电阻和其它特性。
要确保与组装能力相匹配的某个配置中封装元件的成本合理，技能和经验是必需的条件，实施和控制这种工艺及将印制板设计成具有最佳的可制造性都是必不可少的条件。一旦掌握了这些技能，成本自然就降下来了。
在成本和性能的推动下，致使元件密度上升、一个组装板容纳大量的元件，同时可组装的实际面积也缩小。此外，每个器件的功能也有所增加，其通过提高I/O数和降低连接间距就可达到提高功能的目的。降低的连接间距使组装厂家和裸板生产厂家面临着新的挑战。同时，组装厂家还面临着传送、共面性和对齐的问题。而板子的制造厂家必须解决焊盘尺寸的问题，焊料掩膜分辨率及电气测试方面的问题。
SMT的关键问题——工艺控制
使用SMT技术制造产品，不论是大批量生产，还是小批量生产，都需要使用自动化技术。对于小批量生产，使用手工操作的机器或单独一台贴装机就足够了。而对于大批量生产，则需要使用丝网或模板印刷设备、多台不同类型的贴装机、在线再流焊接设备和清洗机。而SMT工艺的自动化程度由贴装的元件数量和类型所决定。与贴装几百个针脚的集成电路比较，贴装数以万计的片式电容和电阻所出现的问题和解决的方法是不同的。
表面组装的核心是在焊接之前将元件贴装到印制板焊盘区域使用的机器。这种机器不同于通孔（TH）元件插装机器，某些元件贴装设备是通用型的，能够贴装很多种不同类型的元件，而其它的SMT贴装设备只能贴装几种类型的元件。很多贴装设备是使用真空拾取工具来夹持元件，还有很多种贴装设备具有视觉对位的功能。总之，与通孔插装设备或其它早期生产的贴装设备比较，表面贴装设备具有更高的速度、精度和柔性。
用于细间距（0.5mm）和超细间距（0.4mm~0.3mm）的贴装设备需要更高的灵活性和精确的贴装能力。其中一些贴装设备在贴装中可以切割IC封装的引线，并使其成形，以避免由于误操作而损坏元件引线。这种特性提高了工艺的精度和精度性。新型的阵列封装在某种程度上在阵列间距较大的情况下更加如此，而且能够提供足够容差的条件，不过，阵列格式中的芯片级封装或倒装芯片贴装要求对工艺进行严格的控制。
根据工业预测，我们确信，所有元件封装的I/O都在200个以上，而且I/O数仍在不断地增加。实际上，使用量最多的元件的I/O数在16~64范围内。有50%以上的元件属于这类元件，而只有5%元件的I/O数在208以上，其可能是确定四周有引线元件类型的封装和阵列类型格式之间的交点的临界值。许多四周有引线的、低I/O数的器件，如象；存储器和逻辑器件都逐渐改用面阵列封装格式，即使用BGA，或者是细间距BGA。
虽然，用于电子组装中的高I/O元件的比例还很小，但是，这些元件在促进裸板和组装制造的电子工业基础的发展中起到了很大作用。这些高I/O元件确定了裸板成象、蚀刻、测试和表面涂饰工艺。这些元件决定了制造所使用的材料，同时促使组装工艺的改进。
组装表面贴装元件所需的贴装设备数量是完全不同的，其根据组装的元件类型和制造厂家要求的产量而定。复杂的表面组装元件贴装设备可满足最高产量、通用性和柔性的要求，这种设备能够处理各种不同类型的元件，降低单一设备的速度和有效性，以满足组装功能的所有需求。
元件的返工和返修使用了新型的和传统的工具。由于引线是低质量的，并定位在板子的表面，只需要很少的热量和时间就可拆除和重贴元件。细尖头焊铬铁和热风喷嘴已成为标准工具。可将热风偏流喷射到阵列封装体底部的热风喷嘴是拆除这类元件的主要方法。热风喷嘴四周装配的罩子可直接将热风喷射到BGA的底部，使焊料再流，这样，就可拆除元件。应根据操作员的技能、被拆元件的类型和元件周边的条件选用返修或返工工具。与拆除16个针脚的小外型集成电路（SOIC）比较，拆除216个针脚的扁平四方封装（QFP）要求更加谨慎细心。
达到较高的产品质量与一致性的自动化贴装设备、严格的工艺控制和使用较小的元件密切相关。因为复杂的混合SMT/FPT/ASM/TH工艺与仅使用TH产品的工艺相比，要求对工艺进行严格的控制。实施工艺控制是很有必要的，尤其是阵列类型的封装，由于其连接点是看不到的。用于SMT中的卷带式、管合式或托盘式元件包装可将大量的元件馈送到生产区域，而不需进行排顺或重新包装元件，这就是其的另一个优点。
由于IC的复杂性不得不使用表面组装技术，印制板技术也随之产生变化。随着越来越多的电路采用硅制造，而且元件封装尺寸也会越来越大，印制板的尺寸也可能产生变化。然而，更高的I/O需求要求采用多层或高密度互连（微过孔）设计来支持致密间距器件的布线连接需求，或提供阵列元件图型内连接的逃逸布局。可能需要在印制板的两面贴装所有的元件，印制板上的功率耗散也将提高。
复杂的矩阵
随着新型的IC封装的问世，如象，球栅阵列（BGA）和细间距球栅阵列（FBGA），电子设备的设计人员正在对其选择方案进行认真地复查。BGA技术不成熟已成为历史，高产出率的组装工艺和良好的现场可靠性报告中的数据就是一个有力的说明。定位容差是比较宽的，然而，对于视觉检测，通过工艺控制才能保证质量。此外，倒装芯片和芯片级封装（CSP）为那些要求更小、更轻的产品提供了更高密度的优点。
下列的复杂矩阵可帮助你掌握确定多针脚和细间距的参数。J-STD-013分委员会开发的复杂性是按照1:10的比例评估的，10表示难度最大。第一个数字表示设计的复杂性，某些设计较为简单，而其它一些设计难度则较大，因为需要互连的I/O数量和可以互连的面积受到局限。
每个矩阵单元中的第二个数字表示制造的难度。制造包括印制板或组装结构和整个组装的制造和测试。
表1所列是四周有引线或端子的封装元件的矩阵。表2中的第2个矩阵说明了阵列格式中封装底部上有引线或端子的元件的关系或评估。
表1 四边有引线的元件封装
间距
针脚数
2.54mm
1.0mm
0.63/0.5mm
0.4/0.3mm
0.25mm以下
≤68
1-1
1-3
1-6
3-8
4-10
70-136
1-1
1-4
1-7
3-9
5-10
138-408
7-1
7-4
6-7
6-9
410-720
10-3
10-4
不实用
720-1000
表2 阵列格式中底部有引线的元件封装
间距
针脚数
2.54mm
1.0mm
0.63/0.5mm
0.4/0.3mm
0.25mm以下
≤68
1-1
1-1
1-1
1-1
1-1
70-136
1-1
1-1
1-1
1-1
1-1
138-408
2-1
2-1
2-1
2-1
2-1
410-720
4-4
4-4
4-4
不实用
720-1000
7-7
7-7
7-7
芯片尺寸器件
倒装芯片基片的尺寸主要是由设计和晶圆加工来确定，因此，很难制定出标准。然而，互连图型的标准化可以降低认可的合格芯片（KGD）、芯片测试、老化和加工的成本。目前有几种类型的封装被视为芯片级结构，如图1所示。推荐使用的印脚为标准间距和用于互连特性的相应的栅。
芯片尺寸封
图1 CSP布局实例
由于间距的不同，所以影响到焊料球/凸点/焊盘的特性，这几种情况都是存在的。为了确定焊料球的数量和芯片尺寸之间的关系，将不同间距的特性列在表3中。
表3 间距尺寸
标准间距 细间距 极细间距
1.50mm 1.27mm 1.0mm 0.80mm 0.75mm 0.65mm 0.50mm 0.40mm 0 .30mm 0.25mm
产品类型
SMC根据电子产品的不同用途将其分类为9个不同类型。其分类如下：
1．消费类产品，包括游戏、玩具、声像电子设备。一般来说，适用的尺寸和多功能性作为重点，但是产品的成本也是极为重要的。
2．通用产品，如象；小型企业和个人使用的通用型计算机。与消费类产品比较，用户期望产品具有较长的使用寿命和享有连续长期的服务。
3．通讯产品包括电话、转换设备、PBX和交换机。这些产品是用于要求使用寿命长和能够应用于相当苛刻条件下。
4．民用飞机要求小尺寸、重量轻和高可靠性的产品。
5．工业产品和汽车车厢应用。尺寸和功能是这类产品的重点关注的对象。成本是非常重要的，在提供低成本产品的同时，仍需确保产品达到优质，高性能和多功能的要求。
6．高性能产品由陆地军用产品和军舰产品、高速、大容量计算机、测试设备、关键的工艺控制器和维系生命的医疗设备构成。质量、可靠性和性能是至关重要的，其次是尺寸和功能。降低成本应以能够满足这些要求的替代产品作为基础，不过，并不是主要问题。
7．航天产品包括上述的所有能够满足外界恶劣环境要求的产品。也就是说，在各种不同环境下和极端的自然条件下可达到优质和高性能的产品。
8．军用航空电子产品，可满足机械变化和热变化的需求。应重点考虑尺寸、重量、性能和可靠性。
9．汽车电子产品—汽车底板：能够用于各种不同的苛刻环境下。这些产品面临着极端的温度和机械变化。此外，这给批量生产中实现最低成本和最佳的可制造性增加了压力。
为了便于参考和应用工艺的分类，将这9类产品进一步归纳分为三大类，即：
第一类：通用电子产品：包括消费类产品、某些计算机和计算机外部设备和适用于组装后的组件的重点需求应用的硬件。
第二类：专用服务性电子产品：包括通讯设备、要求高性能和使用寿命长、复杂的、商用机器和仪器，而且能够提供长期的服务，不过，这不是主要的。通常，产品的使用环境不会导致故障的产生。
第三类：高性能电子产品：包括民用和军用产品设备，这种产品的连续性能或可满足需求的性能是关键的要求。设备的故障停机时间不能太长，产品的使用环境可能异常恶劣，当需要时，这类设备必须能够正常运转，如象；维系生命系统和关键的武器装备。
除了IPC 国家技术导向规划中认可的产品分类的8个主要市场外，此文献根据多数预测家对这8个主要的市场跟踪调查来确定工业的规模，并将其与各种前沿技术进行比较。这8个主要市场是：
汽车 工业
商业/零售 仪器
计算机 军事/航天
消费品 通讯
通过对市场的分析认为OEM为满足不同市场需求而制造的许多设备差别是很大的。通过国家电子制造创始（NEMI）机构的导向规划，OEM已证实其设计的产品从技术方面可进一步地分类为5个主要类别。这五种类型的技术是：
苛刻环境下——汽车底板，军用、航空电子设备
成本性能——个人计算机、服务器、高级游戏
高性能——超级计算机、高档工作站
低成本/大批量——照相机、娱乐、小型摄影机
手持便携产品——蜂窝式电话、超小型笔记本电脑、PDAs
图2所示是8个主要市场及其反映这5个技术领域的反坐标的关系。可以说明每个市场至少有1种产品适合于其中一个技术领域的应用。
图2 工业市场/技术领域
组件类型
IPC-7070、J-STD-013和电子互连的国家技术导向规划是SMC和IPC颁发的标准文献，包括印制板元件贴装，下列表面贴装组件的分类方案：
类型1：互连结构或板子上只有一面贴装了元件
类型2：互连结构或板子两面都贴装有元件
A类：仅插装了通孔元件
B类：仅贴装了表面组装元件
C类：通孔元件和简单的表面贴装元件混合组装板
X类：复杂的混合组装，通孔、表面贴装、细间距、BGA
Y类：复杂的混合组装，通孔、表面贴装、超细间距、CSP
Z类：复杂的混合组装，通孔、超细间距、COB、倒装芯片、TCP
在第1类和第2类中，根据工艺的复杂性，将其分为几个子类对组件做进一步的描述。主观上将这些组件列为两类：简单型或复杂型，那么，第2类C组中的复杂组装就是一种在板子的两面封装装有通孔元件和表面贴装元件和互连结构。（见图3）
图3 电子组件类型
对于性能、环境的所有分类都是根据设备预期的操作或产品的复杂性预期促进整个供应链中的通讯进行分类的。
目前，大多数产品都是采用SMT进行设计的。从而形成了一支强大的供应链，并造就了许多有技能的用户。一般来说，一种产品如果需要的话，那么就是一种SMT的合适的候选产品。
·小尺寸
·能够容纳大量存储器
·重量轻
·能够容纳几个大型、多引线的复杂IC（如象；ASIC和硅阵列）
·能够在高频和高速下
·能够在很低的噪声或无噪声下传输、EMI或RFI。
·能够使用自动化技术进行大批量制造。
最近，多数SMT板子具有50以上的元件，使用SMT和通孔相组合技术。85%的SMT和15%的TH元件的混合是很普遍的。即使是装有1000个元件的板子。由于这个结果，大多数公司已具有组装SMT（贴装和再流焊）和通孔
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2004-8-8 |
