1 电子产品制作新技术—— 表面安装技术SMT

1电子产品制作新技术——表面安装技术（SMT）电子系统的微型化和集成化是当代技术革命的重要标志，也是未来发展的重要方向。日新月异的各种高性能、高可靠、高集成、微型化、轻型化的电子产品，正在改变我们的世界，影响人类文明的进程。安装技术是实现电子系统微型化和集成化的关键，尽管传统的安装技术还将继续发挥作用，但新的安装技术以不容置疑的优势将逐步取代传统方式，这是大势所趋。表面安装技术，也称SMT技术，是伴随着无引脚元件或引脚极短的片状元器件（也称SMD元器件）的出现而发展起来的，是目前已经得到广泛应用的安装焊接技术。它打破了在印制电路板上要先进行钻孔再安装元器件、在焊接完成后还要将多余的引脚剪掉的传统工艺，直接将SMD元器件平卧在印制电路板的铜箔表面进行安装和焊接。现代电子技术大量采用表面安装技术，实现了电子设备的微型化，提高了生产效率，降低了生产成本。从事电子技术工作的人员一定要了解这种新技术。表面安装技术表面安装技术是将电子元器件直接安装在印制电路板或其他基板导电表面的装接技术。在电子工业生产中，SMT实际是包括表面安装元件（SMC）、表面安装器件（SMD）、表面安装印制电路板（SMB）、普通混装印制电路板（PCB）、点粘合剂、涂焊锡膏、元器件安装设备、焊接以及测试等技术在内的一整套完整的工艺技术的统称。当前SMT产品的形式有多种.表面安装技术涉及材料、化工、机械、电子等多科学、多领域，是一种综合性的高新技术。1．表面安装技术的优点（1）高密集性表面安装元件的体积只有传统元器件的1∕3～1∕10左右，可以装在PCB板的两面，有效的利用了印制板的面积，减轻了电路板的重量。一般采用表面安装元件后可使电子产品的体积缩小40﹪～60﹪，重量减轻60﹪～80﹪。（2）高可靠性表面安装元件无引线或引线很短，重量轻，因而抗震能力强，焊点失效率可比传统安装至少降低一个数量级，大大提高了产品的可靠性。（3）高性能性表面安装元件采用密集安装减小了电磁干扰和射频干扰，尤其在高频电路中，减小了分布参数的影响，提高了信号传输速度，改善了高频特性，使整个产品的性能有所提高。（4）高效率性表面安装元件更适合于自动化大规模生产，采用计算机控制系统（CIMS）可使整个生产过程高度自动化，将生产效率提高到新的水平。（5）低成本性表面安装元件使PCB的面积减小，成本降低；无引线和短引线使元器件的成本也降低，在安装过程中省去了引线成形、打弯，剪线的工序；电路的频率特性提高，减少了调试费用；焊点的可靠性提高，降低了调试和维修成本。在一般情况下，电子产品采用表面安装元件后可使产品总成本下降30﹪以上。2．表面安装技术存在的的问题（1）表面安装元件本身的问题表面安装元器件的规格目前在国际和国内尚无统一标准，给使用带来不便；表面安装元件的品种不齐全；表面安装元件的价格高于普通元器件；表面安装元件的数值误差比较大，2精度不高。（2）表面安装元件对安装设备要求比较高表面安装元件在生产过程中，对生产设备有专门要求，几乎不用人工直接安装，都采用自动化装配设备。另外对电路板的要求也比较高。（3）表面安装技术的初始投资比较大主要是生产设备结构复杂，整个生产过程涉及的技术面宽，初期投资费用昂贵。3．表面安装技术的特点电子产品采用表面安装技术有如下特点：（1）表面安装技术减少了焊接工序，提高了生产效率，无需在印制电路板上打孔，无需进行印制板上孔的金属化。（2）表面安装技术减少了印制电路板的体积，一方面由于采用了SMD元器件，元件的体积明显减少，另一方面由于没有印制电路板带钻孔的焊盘，铜箔线条可以做得很细（可达0.1～0.025mm），线条之间的间隔也可减少（可达0.1mm），因而在印制电路板上元器件的安装密度可以做得很高，还可将印制电路板多层化。（3）表面安装技术改善了电路的高频特性，由于元器件无引线或引线极短，减小了印制电路板的分布参数，改善了电路的高频特性。4．表面安装技术的基本工艺表面安装技术的基本工艺有两种基本类型，主要取决于焊接方式。采用波峰焊的工艺流程基本上是四道工序：①点胶，将胶水点到要安装元件的中心位置；方法：手动∕半自动∕自动点胶机。②贴片，将无引线元件放到电路板上；方法：手动∕半自动∕自动贴片机。③固化，使用相应的固化装置将无引线元件固定在电路板上；④焊接，将固化了无引线元件的电路板经过波峰焊机，实现焊接。这种生产工艺适合于大批量生产，对贴片的精度要求比较高，对生产设备的自动化程度要求也很高。采用再流焊的工艺流程基本上是三道工序：①涂焊膏，将专用焊膏涂在电路板上的焊盘上；方法：丝印∕涂膏机。②贴片，将无引线元件放到电路板上；方法：手动∕半自动∕自动贴片机。③再流焊，将电路板送入再流焊炉中，通过自动控制系统完成对元件的加热焊接。方法：要有再流焊炉。这种生产工艺比较灵活，既可用于中小批量生产，又可用于大批量生产，而且这种生产方法由于无引线元器件没有被胶水定位，经过再流焊时，元件在液态焊锡表面张力的作用下，会使元器件自动调节到标准位置.采用波峰焊对无引线元件焊接时，由于焊点上无插件孔，因而助焊剂在高温气化时所产生的大量蒸汽无法排放，在印制电路板和锡峰表面交接处会产生“锡爆炸”，无数个细小的锡珠会溅到印制电路板上的铜锡线和元器件之间，形成“桥连”电路。为了解决这个问题，现在的波峰焊工艺对焊锡波峰采用双T型波峰，较好解决了这个问题。采用再流焊对无引线元件焊接时，以为在元器件的焊接处都已经预焊上锡，印制电路板上的焊接点也已涂上焊膏，通过对焊接点加热，使两种工件上的焊锡重新融化到一起，实现了电气连接，所以这种焊接也称作重熔焊。常用的再流焊加热方法有热风加热、3红外线加热和激光加热，其中红外线加热方法具有操作方便、使用安全、结构简单等优点，在实际生产中使用的较多。5．安装技术的发展电子产品的安装技术是现代发展最快的制造技术，从安装的工艺特点可将安装技术的发展过程分为五代，如下表所示。安装技术的发展过程年代技术缩写元器件典型代表安装基板安装方法焊接技术第一代50～60年代长引线元件、电子管接线板、铆接端子手工安装手工烙铁焊第二代60～70年代THT晶体管、轴向引线元件单面和双面PCB手工∕半自动插装手工焊、浸焊第三代70～80年代单列和双列直插IC、轴向引线元件单面及多层PCB自动插装波峰焊、浸焊、手工焊第四代80～90年代SMT片式封装器件、轴向引线元件高质量多层PCB自动贴片机波峰焊、再流焊第五代90年代～至今MPT微型片式封装器件陶瓷硅片自动安装倒装焊、特种焊由表可看出，第二代与第三代安装技术，元器件发展特征明显，而安装方法并没有根本改变，都是以长引线元器件穿过印刷板上通孔的安装方式，一般称为通孔安装（THT）。第四代表面安装技术则发生了根本性变革，从元器件到安装方式，从PCB板的设计到焊接方法都以全新的面貌出现，它使电子产品体积大大缩小，重量变轻，功能增强，产品的可靠性提高，极大的推动了信息产业高速发展。技术部门预计，将来90﹪以上的电子产品都将采用表面安装技术。第五代安装技术是表面安装技术的进一步发展，从技术工艺上讲它仍属于“安装”范畴，但与我们通常所说的安装相差甚远，使用一般的工具、设备和工艺是无法完成的，目前正处于技术完善和在局部领域应用的阶段，但它代表了当前电子产品安装技术发展的方向。2表面安装元器件表面安装元器件的结构、尺寸和包装型式都与传统的元器件不同，表面安装元器件的发展趋势是元件尺寸逐渐小型化。片状元器件的尺寸是以四位数字来表示的，前面两位数字代表片状元器件的长度，后面两位数字代表片状元器件的宽度，例如1005表示这个片状元器件的长度为为1.0mm，宽度为0.5mm。片状元器件的尺寸变化：3225→3216→2520→2125→2012→1608→1005→0603，目前最小尺寸的极限产品为0603，该产品已经面世。2.1表面安装元器件的分类1.按照表面安装元器件的功能分类表面安装元器件可以分成无源元件、有源元件和机电元件。(1)无源元件无源元件主要包括：①电阻器：厚膜电阻、薄膜电阻、敏感电阻。②电位器：微调电位器、多圈电位器。③电容器：陶瓷电容、电解电容、薄膜电容、云母电容等。④电感器：叠层电感、线绕电感。4（2）有源元件有源元件主要包括：①分立器件：二极管、三极管、场效应管等。②集成电路（3）机电元件机电元件主要包括：①开关：轻触开关。②继电器③连接器：片状跨线、插片连接器、插座。④电机。2.按照表面安装元器件的形状分类按照表面安装元器件的形状分类，主要有薄片矩形、扁平封装、圆柱形、其他形状。（1）薄片矩形：适用于各种无源器件和机电元件。（2）扁平封装：主要有①双列封装②四面引线封装③无引线片式载体④焊球阵列（3）圆柱形：主要有各种电阻、电容、二极管等。（4）其他形状①可调电阻、线绕电阻。②可调电容、电解电容。③滤波器、晶体振荡器。④开关、继电器、电机。2.2无源表面安装元件在表面安装元件中使用最广泛、品种规格最齐全的是电阻和电容，他们的外形结构、标识方法、性能参数都和普通的安装元件有所不同，在选用时应注意其差别。1．表面安装电阻表面安装电阻主要有矩形片状和圆柱形两种。（1）矩形片状电阻矩形片状电阻的结构外形大都采用陶瓷（AI2O3）制成，具有较好的机械强度和电绝缘性。电阻膜采用RuO2制作的电阻浆料印制在基片上，再经过烧结制成。由于RuO2的成本较高，近年来又开发出一些低成本的电阻浆料，如氮化系材料（TaN–Ta），碳化物系材料（WC–W）和Cu系材料。电阻膜的外面有一层保护层，采用玻璃浆料印制在电阻膜上，在经过烧结成釉状，所以片状元件看起来都亮晶晶的。片状电阻的电极由三层材料构成：内层是Ag－Pd合金，以保证与电阻膜接触良好，并且电阻小、附着力强；中层为Ni材料，主要作用是防止端头电极脱落；外层为可焊层，采用电镀Sn或Pb–Sn合金。矩形片状电阻的外形尺寸为目前矩形片状电阻最小功率（1∕32W）的尺寸，括号内的尺寸为矩形片状电阻功率为1∕8W的尺寸。矩形片状电阻的额定功率系列有：1，1∕2，1∕4，1∕8，1∕10，1∕16，1∕32，单位是瓦，矩形片状电阻的阻值范围在1Ω～10MΩ之间，有各种规格。电阻值采用数码法直接标在元件上，阻值小于10Ω用R代替小数点，例如8R2表示8.2Ω，0R为跨接片，电流容5量不超过2A。片状电阻的包装一般都是编带包装，片状电阻的焊接温度要控制在235℃±5℃，焊接时间为3±1秒，最高的焊接温度不得超过260℃。（2）圆柱形电阻圆柱形电阻是普通圆柱型长引线电阻去掉引线将两端改为电极的产物。圆柱形电阻的材料、制造工艺和标记都和普通圆柱型长引线电阻基本相同，只是外形尺寸要小的多，其中1∕8W碳膜圆柱型电阻的尺寸仅为ф1.25×2（mm），两端电极的长度仅为0.3mm，这种电阻目前仅有1∕8W和1∕4W两种规格。矩形片状电阻和圆柱形电阻两种表面安装电阻的主要性能对比见下表。矩形片状电阻和圆柱形电阻的主要性能对比电阻项目矩形片状圆柱形结构电阻材料RuO2等贵金属氧化物碳膜、金属膜电极Ag–Pd∕Ni∕焊料三层Fe—Ni镀Sn或黄铜保护层玻璃釉耐热漆基体高铝陶瓷片圆柱陶瓷阻值标志三位数码色环（3，4，5环）电气性能阻值稳定、高频特性好温度范围宽、噪声电平低、谐波失真低安装特性无方向但有正反面无方向，无反正面使用特性提高安装密度提高安装速度2．表面安装电容在表面安装电容器中使用最多的是多层片状陶瓷电容，其次是铝和钽电解电容，有机薄膜电容和云母电容用的较少。表面安装电容器的外形同电阻一样，也有矩形片状和圆柱形两大类，几种主要表面安装电容的技术规范见下表。表面安装电容的规格目前在国际尚无统一标准，各国各大公司均采用自己的标准，我国目前执行的主要是日本标准。片状陶瓷电容的电容值采用数码法表示，但不印在元件上。其它参数如偏差、耐压值等表示方法与普通电容相同。表面安装电容器的安装和焊接与表面安装电阻相同。3．其他几种无源表面安装元件无源表面安装元件还有电位器、电感器、滤波器、继电器、开关和连接器等。连接器就有边缘连接器、条形连接器