表面贴装技术

表面贴装技术(SMT:SurfaceMountTechnology)80年代末以来，因芯片集成度快速发展，推动了航天电子装备以惊人的速度向轻薄短小化、高密度和高可靠性方向发展。现在战争是以电子技术为主导的高技术战争，现代军事电子装备正向信息化兵器时代迈进，并在光电子化和微电子化的基础上，迅速向军事电子系统综合化和武器装备智能化方向发展，因此把现代的战争比喻成芯片与钢铁的战争。电子电路装联技术是支持上述发展的关键技术。SMT是电子电路装联技术的又一次重大革命，它推动了航天电子产品不断SMT是电子前进。一SMT电路装联技术发展的第四代随着电子元器件的发展和更新换代，电子电路装联技术(简称电路装联技术)也向着更高一级的技术阶段发展，从而导致新一代军事电子装备的诞生。概括起来，电子电路装联技术的发展分为五个阶段，简称五代，现在己迸人第五代发展时期，如表1所例。电子电路装联技术从第一代以电子电子管作有源元件，采用手工软钎焊接技术开始;经过了第二代晶体管阶段，主要采用单面酚醛印制电路板，半自动插装机、浸焊和以晶体管为代表的轴向引线元器件;然后进人第三代集成电路阶段，采用以集成电路为代表的径向有引线元器件和自动插装技术以及浸焊或波峰焊技术，在单向或双面通孔环氧玻璃布基板上进行焊装。随着集成电路，特别是大规格集成电路的发展，以及表面组装元器件的开发和推广应用，出现了崭新的电路装联技术一一表面组装技术，80年代初地人实用阶段，激起了电子电路装联技术的二次革命，80年代中后期出现了高速发展的局面，90年代初进人完全成熟阶段，成为当代电路装联技术的主流。随着超大规格和特大规模集成电路的应用，以及表面组装技术向纵深发展，细间距技术和直接芯片板级组装技术的实用化，多芯片模块和三维组装的兴起，从80年代中期就萌发了第五代电子电路装联技术，使电子电路装联技术正面临第三次组装革命一一微组装技术的倔起相发展。现在微组装技术己经开始进入实用化阶段，主要采用超大规模和特大规模集成电路、复合元件和三维载体，采用由微电子焊接技术支持的直接芯片板级组装和多芯片模块，再利用CAD和CAM技术，在多层陶瓷基板或绝缘金属基板上进行多层混合组装，实现元件和基板的一体化、功能模块化，从而在板级实现系统级的组装。表1电子电路装联技术的发展项目第一代（1950-1960）第二代（1960-1970）第三代（1970-1980）第四代（1980-1985）第五代（1985-）代表产品真空管收音机黑白电视机彩色电视机录像机整体录像机有源器件真空管晶体管集成电路大规模集成电路、PLCC、OSP超大规模集成电路、MCM电路无源元件带长管脚的大型高压电压元件轴向引线元件径向引线元件表面组装元件复合表面组装元件三维结构装联技术手工焊接半自动插装自动插装再流焊多层组装MPT浸焊浸焊、波峰焊两面组装，陶瓷基板，金属心基板高密度多层（通孔）微电子焊接电路基板金属底盘单面酚醛纸板树脂基板通孔陶瓷多层基板绝缘金属基板总之，电子电路装联技术的发展主要受元器件类型所支配，一种新型元器件的诞生;总是导致装联技术的一场革命。二航天电子产品对电路装联技术的要求由于当前新型武器的需要，要求电路组件实现微型化、模块化、高速度、低功耗、低成本、高可靠和长寿命。这就要求元件小型微型化、器件高度集成化、大型薄型化、多引线细间距化;同时对电路装联技术提出极严格的要求，这主使得传统的通孔插装技术(THT)不能适应军事电子装备对电路组件的要求。因此，70年代中期表面组装技术(SMT)一问世就受到军方的高度重视，成为实现军事电子装备小型化、高性能和高可靠性的重要手段，使军事电子装备的微电子化向前推进了一步。随着军事电子装备微电子化继续发展，对军用电路组件的要求不断提高，超大规模集成电路、超高速集成电路、微波毫米波单片集成电路、砷化镓集成电路、等离子显示器将成为构成军事电子装备的主体，封装器件由于其封装效率低，难以满足军用电路组件的要求，只有依赖于以直接芯片板级组装的相应的微焊接技术为基础的微组装技术，才能促进军事电子装备的微电子化进人高级阶段。才能保证武器的高可靠高精度。三SMT发展状况SMT是将表面贴装元器件(无引脚或短引脚的元器件）贴、焊到印制电路板表面规定位置上的电路装联技术，所用的印制电路板无需钻插装孔。具体地说，就是首先在印制电路板焊盘上途布焊锡膏，再将表面贴装元器件准确地放到涂有焊锡膏的焊盘上，通过加热印制电路板直至焊锡臂熔化，冷却后便实现了元器件与印制电路之间的互联。进人20世纪70年代，以发展消费类产品著称的日本电子行业敏锐地发现了SMT专用焊料(焊锡膏)和专用设备(贴片机、再流焊炉、印刷机)以及各种片式元器件，极大地丰富了SMT的内涵，也为SMT的发展奠定了坚实的基础。20世纪80年代SMT生产技术日趋完善，用于表面安装技术的元器件大量生产，价格大幅度下降，各种技术性能好、价格低的设备纷纷面世。用SMT组装的电子产品具有体积小、性能好、功能全、价位低的综合优势，故SMT作为新一代电子装联技术被广泛地应用于各个领域的电子产品装联中。航空、航天、通信、·计算机、医疗电子、汽车、办公自动化、家用电器行业，真可谓哪里有电子产品，哪里就有SMT。到了70世纪90年代，SMT相关产业更是发生了惊人的变化，片式阻容元件自70世纪70年代工业化生产以来，尺寸从最初的3.2mm*1.6mm*l.2mm己发展到现在的0.6mm*0.3mm*0.3mm，体积从最初的6.14立方厘米发展到现在的0.054立方厘米，其体积缩小到原来的0.88%，见表2。片式元件的发展还可以从IC外形封装尺寸的演变过程来看，IC引脚中心距已从最初的1.27mm快速过渡到0.65mm、0.5mm和0.4mm。如今IC封装形式又一崭新的面貌出现在人们面前，继PLCC和QFP之后又出现了BGA，CSP和FC等。IC封装电路的趋势如图1所示。于元件相匹配的印制板也从早期的双面板发展为多层板，最多可达50多层，板面上线宽已0.2～0.3mm缩小到0.15mm，0.10mm甚至到0.05mm。图3IC封装电路的发展趋势如今人们所见到的电子产品，无论是外形尺寸还是生量更是大幅度减小。以手提摄象机为例，20世纪90年代初体积为2500立方米，重2.5kg,到了1999年，体积仅为500立方米，重500g。再如手提式电话，20世纪90年代初重400g，每台售价达2万元之多，到了20世纪末，仅重50g,价格降至1千元上下。用于SMT批生产的主要设备——贴片机也从早期的低速(1秒/片)、机械对中，发展为高速(0.06秒/片)、光学对中，并向多功能、柔性连接模块化方向发展;再流焊炉也由最初的热板工加热发展为氮气热风红外式加热，能适应通孔元件再流焊且带局部强制冷却的再流焊炉也已经实用化，再流焊的不良焊点率已下降到百万分之十以下，几乎接近无缺陷焊接。SMT技术作为新一代的装联技术，仅有40多年的历史，但却充分显示出其强大的生命力，它以非凡的速度，走完了从诞生、完善直至成熟的路程，迈人了大范围工业应用的旺盛期。因此，把它称之为装联技术的第二次革命是当之无愧的。。四SMT的优点1组装密度高片式元器件比传统穿孔元件所占面积重量都大为减少。一般来说，采用SMT可使电子产品体积缩小60%，重量减轻75%。通孔安装技术元器件，他们按2.45mm网络安装元件，而SMT组装元件网格从1.27mm发展到目前的0.63mm网络，个别达0.5mm网络的安装元件，密度更高。例如一个64引脚的DIP集成快，它的组装面积为25mm*75mm，而同样引脚采用引线间距为0.63mm的方形扁平封装集成块（QFP），它的组装面积为12mm*l2mm。CSP为0.5间距1·平方厘米，有208个焊点。2可靠性高由于片式元器件的可靠性高，器件小而轻，故抗震动能力强;自动化生产程度高。贴装可靠性高，一般不良焊点率小于百分之一。用SMT组装的电子产品平均无故障时间(MTBF)为25万小时，目前几乎有90%的电子产品采用SMT工艺。另外，根据MIL-HDBK-2170电子设备可靠性预计，5.1.14连接基本失效率入b(失效数/106小时)可知，再流焊入b=O.000080波峰焊人b＝O.0029，手工焊人b=O.0026，因SMT以再流焊为主，可靠性比手工焊高两个数量级。:3高频特性好由于片式元器件贴装牢固，器件通常为无引线或短引线，降低了寄生电感和寄生电容的影响，提高了电路的高频特性。采用SMC及SMD设计的电路最高频率达3GHz而采用通孔元件仅为5OOMHz。采用SMT也可缩短传输延迟时间，可用于时钟频率为16MHz以上的电路。若使用多芯片模块MCM技术，计算机工作站的高端时钟频率可达1OOMHz，由寄生电抗引起的附加功耗可降低2至3倍。4降低成本a.印制板使用面积减小，面积为采用通孔技术面积的1/12，若采用CSP·安装，则其面积还可大幅度下降;b.印制板上钻孔数量减少。节约返修费用;c.频率特性高，减少了电路调试费用;d.片式元器件体积小、重量轻，减少了包装、运输和存储费用;e.片式元器件(SMC/SMD)发展快，成本迅速下降。5便于启动化生产目前穿孔安装印制板要实现完全自动化，还需扩大40%原印制板面积，这样才能使自动插件的插装头将元件插人，若没有足够的空间间隙，将碰坏元件。而自动贴片机彩和真空吸嘴吸放元件，真空吸嘴小于元件外形，可提高安装密度。事实上小元件及细间距QFP器件均采用自动贴片机进行生产，以实现全线自动化生产。五SMT工艺技术的组成从表3可以看出，表面组装技术是一项涉及多种专业和多门学科的系统工程，主要涉及电子和微电子技术、精密机械加工技术、自动控制技术、软钎焊接技术、化工技术、新型材料技术和检验测试技术，以及物理学、电子学、力学、计算机学等专业和学科。表3表面组装工艺技术的组成表面组装工艺技术组装材料涂敷材料焊膏、焊料、贴装胶工艺材料焊剂、清洗剂、热转换介质组装技术涂敷材料点涂、针转印、印制（丝网、模块）贴装技术顺序式、同时式焊接技术波峰焊接焊接方法－双波峰、Ω波峰等贴装胶涂敷－点涂，针转印贴装胶固化－紫外、红外再流焊接焊接方法－焊膏法、预置焊料法焊膏涂敷－点涂、印刷加热方法－气相、红外、热风、激光等清洗技术溶剂清洗、水清洗、半水清洗检测技术非接触式检测、接触式检测返修技术热空气对流、传导加热组装设备涂敷设备点涂器、针式转印机贴装机顺序式贴装机、同时式贴装机、在线式贴装机焊接设备双波峰焊接、“0”形波峰焊机、各种再流焊接设备清洗设备溶剂清洗机、水清洗机组装设备测试设备各种外观检查设备、在线测试仪、功能测试仪、X光测试返修设备热空气对流返修工具和设备、热传导加热返修设备六SMT和THT的比较SMT工艺技术的特点还可通过其与传统通孔插装技术(THT:ThroughHolePackagingTechnology)的差别比较体现。从组装工艺技术的角度分析，SMT和THT的根本区别是贴和插。二者的差别还体现在基板、元器件、组件形态、焊点形态和组装工艺方法各个方面。区别见表4。类型THTSMT元器件双列直插或DIP针阵列PGA有引线电阻、电容等SOIC，SOT，SSOIC，LCCC，PLCC，QFP,RQFP尺寸比DIP要小许多倍片式电阻、电容等基板印制电路板，2.54mm网络，Φ0.8mm~0.9mm通孔印制电路板，1.27mm网或更细，导电孔仅在层与层互联调用（Φ0.3mm~0.5mm），布线密度要高2倍以上，厚膜电路、薄膜电路，0.5mm网格或更细焊接方法波峰焊再流焊，预先将焊锡膏印在焊盘上面积大小，缩小比约1：3～1：10组装方法穿孔插入表面安装（贴装）自动化程度自动插装机，手工自动贴片机，生产效率高THT采用有引线元器件，通过把元器件引线插入PCB上预先钻好的安装孔中，暂时固定后在基板的另一面采用波峰焊接等软钎焊技术进行焊接，形成可靠的焊点，建立长期的机械和电气连接，元器件主体和焊点分别分布在基板两侧。采用SMT时，表面组装元件/器件(SMC/SMD)无长引线，而设计有焊接端子(外电极或短引线