电子元器件工艺导论第四章.ppt

第四章表面组装技术(SMT)与表面组装元器件(SMC、SMD),4.1 绪 论 表面组装技术(Surface Mounting Technology) 采用片式元器件，组装时把引线直接焊在基片表面上，代替了传统的插装工艺，是当代最先进的电子产品组装技术它实际上是HIC技术的延伸和发展,表面组装元器件(SMT之基础)的发展过程 小外型集成电路(SOIC)(塑料外壳) 菲利浦公司60年代开始，28针(1.27mm) B塑料方型封装集成电路(QFP) 日本70年代研究，160针以上(1.27mm,0.65mm) C塑料有引线芯片载体(PLCC) 美国研制，J型引线(1.27mm) D无引线陶瓷芯片载体(LCCC) 70年代美国研制，以金属化焊盘代替引线 E 80年代以后，各种片式电阻器，片式电容器和片式电感器相继系列地占领市场，各种片式机电元件，敏感元件和复合元件也相继研制成功,表面组装技术的三个发展阶段 I19701975年： 主要目标是微小型化，表面组装元器件主要用于HIC、石英表和计算器； II19761980年： 主要目标是减小电子产品的体积、提高电路功能，主要用于摄像机、录像机和电子照相机等。此时，元器件的组装技术和支撑材料逐渐成熟，为SMT的进一步发展奠定了基础,III1980现在： 主要目标是大力发展组装设备，降低元器件成本，提高电子产品的性能价格比 4表面组装技术的组成 A表面组装元器件 设计结构尺寸、端子形状、耐焊接热等; 各种元器件的制造技术； 包装 编带式、棒式、散装等 B. 电路基板-单层或多层印制电路板、陶瓷、瓷釉金属板等；,组装设计 电设计、热设计、元器件布局、基板图形设计等； 组装工艺 组装材料：粘结剂、焊料、焊剂、清洗剂等 组装技术：涂敷技术、贴装技术、焊接技术、 清洗技术、检测技术等 组装设备：涂敷设备、贴装机、焊接机、清洗机、 测试设备等,表面组装技术的分类： 单面混合组装件：,B. 双面混合组装件,全表面组装件,表面组装技术的工艺流程 单面混合组装件：,双面混合组装件,C. 全表面组装技术,表面组装技术的优点 实现组装的高密度、小体积和轻重量； 通孔组装元器件：24只/cm3； 单面表面组装：36只/cm3； 单面混合组装：48只/cm3； 双面混合组装：59只/cm3； 双面表面组装：612只/cm3,B. 电子元器件和电子产品的性能显著提高 无引线或短引线及表面组装技术使分布电容和分布电感大幅度减小，提高了产品的高频特性； 缩短了信号传输线路的长度，减小了延迟时间； 一些灵敏器件安装在一个很小的陶瓷基板上，容易实现全屏蔽，可以提高抗干扰能力,CSMT更适合采用计算机技术和实现自动化 由SMT组装成的电路实测性能与CAD的电路性能比较吻合，因此，适合采用CAD、CAM和CAT等新技术； 表面贴装元器件外形很规则，小而轻，贴装机利用真空吸头吸取元器件并贴装到PCB上，真空吸头小于SMC和SMD的表面，因此可以不加大元器件间隙，提高了组装密度，所以更适合于自动化生产,提高可靠性，降低成本 片式元器件无引线，端电极直接焊在PCB上，无断脚现象； 采用新的焊接技术减少了桥接、虚焊等焊接疵病； 加工工序少，节省原材料。 8. 目前存在的问题 系列化和标准化问题； 热膨胀系数不一致导致的开焊问题； 散热问题及信号交叉耦合问题； 塑封器件的吸潮问题； SMT技术的初始投资太大,9SMT的发展展望 A板上芯片技术(COB) 特点：节省空间 组装过程： 在基片上丝网印刷导电粘合剂(环氧银膏) 贴装IC 固化剂固化 用引线将管芯键合点连在基片上,不足：裸芯片在组装之前不能测试，组件成品率面临严重问题 B微组装技术MAT(高密度的立体组装技术) MAT的两大支柱： 载体器件： 将LSI等装在具有特殊结构的载体上，制成合格的微电子器件； 具有两种引出结构： 引线式特殊结构的短引线 无引线式引出端为焊料凸点结构,多层布线电路板： 陶瓷多层布线板： 特点：热膨胀系数相近，导热性好，不老化；但介电常数大，增加信号的延迟，耐冲击性差，工艺比较复杂 工艺：多层共烧 厚膜多层布线板： 纯互连体系：导体与介质体系 功能互连体系：阻容元件与导体和介质体系 薄膜多层布线板(聚酰亚胺介质和硅基板)： 纯互连体系 功能互连体系,4.2 表面组装半导体器件(Surface Mounting Devices),一封装型半导体器件 塑封器件 A.小外型塑封晶体管(SOT)：(可波峰焊和再流焊) SOT23(EIA TO236)： 三引脚，最大芯片尺寸：0.760.76mm； SOT89(EIA TO223)： 三引脚，从管子的同一侧引出， 最大芯片尺寸：1.5 1.5mm； SOT143(EIA TO253)： 四引脚，最大芯片尺寸：0.64 0.64 焊接方法：波峰焊和再流焊,B小外型塑封集成电路(SOP) 外形结构(三种引线结构)：,规格品种很多，尺寸可归纳为四组： 第一组： 对表面组装起关键作用，代表互换性尺寸； 第二组：是器件贴装时应加以计测尺寸； 第三组：是为器件贴装所需的各项尺寸； 第四组：用户应该掌握的常规尺寸 焊接方法：再流焊,C塑料有引线芯片载体(PLCC)： 引线排列与外形： 焊接方法：再流焊和气相焊,方形扁平封装载体(QFP) 外形尺寸： 特点：引出线极细，贴装技术要求高,陶瓷封装器件： A无引线陶瓷芯片载体(LCCC)： 外形结构：,引出端特点： 在陶瓷外壳侧面有类似城堡状的金属化凹槽与外壳底面的镀金电极相连 制作过程： 基片：采用氧化铝或氧化铍瓷料经印刷布线后叠层加压、烧结而成； 贴装芯片：粘贴半导体芯片，完成芯片与外壳端子间的连接； 加盖封装,有引线陶瓷芯片载体： 目的：防止热胀冷缩引起的焊点开裂 类型： 预引线陶瓷芯片载体： 采用铜合金引线和可伐引线，由厂家将其钎焊在顶上或附在城堡上 后引线陶瓷芯片载体： 由用户通过再流焊把引线键合在城堡的凹槽中(实际上很少用),二芯片组装器件：,倒装焊器件 特点： 芯片组装密度高，生产效率高，合格率高 倒装焊的连接方法： 关键：凸点的形成 基本结构：凸点电极/润湿层/保护层/芯片铝电极,几种形成凸点电极的方法与结构： IBM公司：,Philips公司：,Philclford公司：,日立公司：,载带自动键合(TAB)凸点在芯片上 特点： 封装密度高，适用于多电极引线芯片； 键合后能进行电性能测试和老化测试； 通过群焊能一次完成键合，可靠性高； 具有良好的高频特性,载带自动键合示意图：,主要工艺流程图(载带为聚酰亚胺薄膜)：,三种结构类型：,凸点载带自动键合(BTAB) 结构特点： 将连接用的凸点制作在载带引线上，与TAB相反 载带结构：,与载带配合的芯片电极结构类型：,与TAB相比的特点： 操作工艺比TAB有所提高和简化 实用化遇到的两个问题： 引出线端部凸点的形成工艺较为复杂； 载带连接引线端部的凸点成形，与芯片电极连接的面在平面度上有一定的差别,微凸点连接(MBB) 工艺流程：,方法要点： 在同一块芯片上制作出2000多个高度为310m，大小为5 m5m，间距为10 m的超微金凸点，经涂敷绝缘树脂、位置校正、对基板加压及树脂硬化作用，实现可靠的电连接。 特点：实现了高密度的芯片组装，突破了细微电极间距集成电路芯片组装的难关。,4.3 其他片式元件举例 一.表面波滤波器,表面波滤波器的工作原理,二.表面组装电磁继电器 1. EB2型的工作原理,2. EB2型继电器的结构,4.4 表面组装件的设计 4.4.1 设计工作概述 一. 步骤：,二.设计工作分述： 1.电路设计(分区原则): 按功能分区:输入输出靠边缘,设置测试点 数、模分区 高、中和低频分区：前者单独屏蔽 大功率电路与其他电路分开 噪声与干扰与其他部分分开 值得注意的特点： 尺寸小，功率密度大，相互干扰大 2.元器件的选择与布局 选择 成本，采购的稳定性，配套,尺寸，与表面贴装设备的适应性：小存在对准难问题，大存在热应力大问题 无引线陶瓷芯片载体(LCCC)与塑料封装PLCC,QFP 选用有数值标志(稳定存在)的元器件 金属化端头和引线镀SnPb层 片式电阻器和陶瓷电容器的金属化端头要有中间电镀镍层(防形成AgSn中间相) 布局： (1)元器件的轴线互相平行或垂直，最好与电路板的边缘平行 (2)电解电容器的正极、SOT封装管的单引线端、集成电路和开关的第一号针应朝同一方向,(3)功率器件尽可能分散分布,(4)元器件的排列方位：与工艺有关 传动式再流焊直立缺陷的形成,传动式再流焊正确的元件方位,波峰焊的阴影效应及克服办法,波峰焊时SMD(SMC)的方位,(5)元器件的间距 焊接工艺的要求,焊接的要求,焊接的要求,目测和检修的要求(P387,表25-1),3.形状与覆盖率面积 4.电路基板的选择和布线设计 特点: 热膨胀系数(相对于PCB而言，要求更高), 散热(高于玻璃转变温度，聚合物膨胀，影响电气性能) 根据整机总体结构确定单块电路板的尺寸，当SMT尺寸较小时，采用多块组合成一块的方式。称作：邮票板,邮票板,通孔：很少，直径很小 工具孔：圆形或槽形 邮票板上的连接筋 成本与线宽和层数有关 1基板材料的选择: 性能方面 工艺方面 经济方面 通用基板材料:环氧玻璃纤维基板 与无引线陶瓷元件的热膨胀系数不配,2 通孔的制作:直径小好 通孔尺寸的限制: 成本 厚径比升高,通孔内电镀层开裂 建议用铜镀层,或焊锡填充 通孔位置: 再流焊 不应该放在焊盘中或者与焊盘直接相连 波峰焊 放在焊盘附近或者在焊盘中 测试通孔: 考虑与测试设备针床的网格分布相配合 3 布线设计 插装:0.3mm SMT:小于上述值 生产细线宽电路板的措施: 薄的覆铜板(控制侧向腐蚀) 调大线宽，缩小线距(利用侧向腐蚀达到最终值) 修整通孔焊盘,五种布线规则 一级： 低密度 二级和三级： 常用 四级： 高密度 五级： 极高密度,焊盘连线的设计,焊盘连线导热路径的控制(SMOBC阻焊膜涂在裸铜布线上):,阻焊膜工艺及其应用条件: 丝网漏印：用于布线密度低的电路板，焊盘间不通过布线导体 光图形转移湿膜(光刻工艺)：适用于高密度电路板，价格适中 干膜：对准精度高，分辨率高，无流动性，不会污染焊盘，能盖住通孔，但电路板与膜之间存留气隙，高温下膜易破裂；不宜贴在无源元件下方，否则再流焊时易产生直立现象；价格较贵。 5.工艺选择 整体设计，生产设备，详见下述 6. 封装与焊点的可靠性设计,封装产生裂缝原因,解决方法 增大塑料强度和厚度 控制再流焊温度不能太高 注意芯片大小与塑料厚度之间的关系 封装好的器件烘烤去潮，贮存时加干燥剂 焊接技术及其优缺点 A.波峰焊将熔化的焊料,经电动泵或电磁泵喷流成设计要求的焊料波峰,使预先装有元器件的电路板通过焊料波峰,实现元器件焊端或引脚与电路板焊盘之间机械与电气连接的软钎焊. 优点: 同时焊接片式元件和插装件 预热温度高,时间长,充分干燥焊剂 减小热冲击,分类及其原理: 波峰焊:属于双向宽平波形,在喷嘴出口处设置水平方向微幅振动的垂直板,产生垂直向上的扰动,故组件虽经一次波峰,但可获得双波峰的效果.,B.再流焊通过重新熔化预先分配到电路板焊盘上的焊膏(焊膏再流),实现元器件焊端或引脚与电路板焊盘之间机械与电气连接的一种成组或逐点焊接工艺. 优点(与波峰焊相比): 不把元器件直接浸渍在熔融焊料中,热冲击(影响)小 仅焊接部位施加焊料,避免桥接等缺陷 借助熔融焊料表面张力,能自动纠正偏离 可采用局部加热技术 焊接时正确保持焊料组成,再流焊方法,设备及其特点(I红外再流焊),再流焊方法,设备及其特点(II气相再流焊) 原理:利用氟惰性液体由气相变为液相时放出的凝结潜热来进行加热的一种软钎焊方法,再流焊方法,设备及其特点(III激光再流焊),再流焊方法,设备及其特点(III激光再流焊-聚焦束),再流焊方法,设备及其特点(IV热板再流焊多用于返修),再流焊方法,设备及其特点(V热风再流焊多用于返修),焊点的可靠性 加电功能循环法 热循环法 机械循环法 7. 内部互连与CAD布局 涉及的问题：通孔问题 焊盘问题 后续工序：焊膏布局分隔层图，组件测试图 8. 可测试性与可修理性 可测试性：能否对每个测试节点提供测试焊区，测试焊区多，占据面积大，成本增大 。 可修理性：封装之间的间距，修理设备的类型与配套 为提高可测试性和可修理性，需要放弃节约覆盖面积,三. 表面组装件的焊盘图形设计 尺寸设计难度大，目前进行图形设计 无源元件的焊盘图形 矩形无源元件的焊盘图形设计 钽片式电容器的焊盘图形设计 圆柱形无源元件的焊盘图形 凹口设计防止滚动 晶体管的焊盘图形 原则： 焊盘中心间距=引脚之间的中心距 4. PLCC,4.4.2 电设计与热设计 用于高频电路中的SMD(C)和SMT SMT设计规范分为: 普通互连布线 高频传输布线 选用原则(Lee Ritchley): 在数字电路中，当脉冲信号的上升时间小于沿导体传输至目为点的往返时间时，需采用高频传输布线。 高频传输线处于行波状态(传输线上没有信号反射，传输能量全部被负载吸收)的条件： 特性阻抗值与负载阻抗值相匹配 布线形状的影响：圆滑大曲率半径过渡好 电路接地面连续性的影响： 接地面相互保持在同一个平面内，相连电路板间的间隙越小越好,二. 高频传输线与特性阻抗 高频传输线的结构,微带线,带状线,传输线的特性阻抗,对于微带线,特性阻抗可表为: 对于带状线,特性阻抗可表为:,影响特性阻抗的因素 1 传输线类型：基板材料和厚度、导体尺寸相同时，微带线特性阻抗值高于带状线的特性阻抗；带状线的屏蔽性能好。 2 介电常数：基板的介电常数 3 介质厚度：成减函数的关系 实际应用：列出参考表格和曲线 高频信号的串扰现象 1 增大线距，减小线间耦合 2 选用介电常数高的材料作电路基板 3 增大接地面，提高屏蔽效果 4 减小耦合线长度,三. 热设计须注意的问题： 晶体管结温限制 锗器件：75100C 硅器件：150200 C 砷化镓：可高于200 C 2. 最大耗散功率：,3. 热阻RT 4. 表面组装散热方式：,5. SMD(C)的散热设计 功率分布均匀 在焊膏中掺入少量细小铜屑 对高功率电路采用散热板，材料：Cu/Mo/Cu 散热板一板多用：电路基板，电源板，接地板 6. 多芯片模块的散热 风冷 液体冷却,4.5 表面组装工艺概论 表面组装工艺包括: 组装材料:粘接剂,焊膏,焊剂,清洗剂等 组装技术:涂敷技术,贴装技术,焊接技术, 清洗技术,检测技术,返修技术等 组装设备:涂敷设备,贴装设备,焊接设备, 清洗设备,检测设备,返修设备等,组装方式,单面混合组装,双面混合组装I,双面混合组装II,全表面混合组装,4.5.1 表面组装电路基板 一.概述,二. Tg和CTE 对于含聚合物基板： Tg以下: 较硬； Tg以上: 较软，较大热膨胀导致基板变形，焊点开裂 测试方法：热分析方法 热物性方法,DSC 200 F3 Maia Sample masses: 13.78 mg Crucible: Al, pierced lid Atmosphere: N2, 20 ml/min Heating rate: 10 K/min,-100.0,-50.0,0.0,50.0,100.0,150.0,Temperature /C,-0.05,0,0.05,0.10,0.15,0.20,DSC /(mW/mg),Sample: ABS (Acrylnitrile-Butadiene-Styrene),Onset:,Mid:,End:,Delta Cp*:,105,.1 C,109,.6 C,114,.1 C,0,.276 J/(g*K),Onset:,Mid:,End:,Delta Cp*:,121,.1 C,125,.5 C,129,.9 C,0,.047 J/(g*K),Onset:,Mid:,End:,Delta Cp*:,-84,.8 C,-80,.2 C,-75,.7 C,0,.089 J/(g*K),exo,聚丁二烯 玻璃化,聚苯乙烯玻璃化,聚丙烯腈玻璃化,ABS 的玻璃化转变,CTE: 重要的选择依据,三.表面组装用基板 1. 陶瓷基板: 无CTE失配问题 纯氧化铝, 96%氧化铝,氧化铍 难于加工成大而平整的基板 高介电常数,不适用于高速电路基板 2. 环氧玻璃基板 显著特点: 综合了各种材料组分的优点,可在一定范围内调整性能.,环氧玻璃基板,3. 约束芯板结构,特点: 具有极低的CTE,用于组装全密封的无引脚陶瓷芯片载体器件 具有电气功能(起通电或接地作用),或不具有电气功能(起散热器或支撑面作用) 金属性约束芯板: 铜/殷/铜/不导电环氧/约束芯板/不导电环氧/铜/殷/铜 基板的CTE受CIC约束芯板的CTE的控制 非金属约束芯板： 石墨/不导电环氧/约束芯板/不导电环氧/石墨 与陶瓷匹配，重量轻，易开裂造成CTE漂移,4. 塑料层基板,特点: 基板表面带有一层可塑层或柔性层，可吸收焊点上的部分应力 塑性层为没有玻璃纤维等加强的环氧树脂层 加工过程受溶解，Z轴膨胀大 5 . 基板的选择原则 CTE匹配 防止焊点开裂方法：使用CTE匹配基板 使用塑料层基板 加引脚 基板稳定性,4.5.2 表面组装材料,一. 焊料、焊剂、焊膏 1.焊料,Pb-Sn系,Pb-Ag系,Sn-Ag系,Sn-Sb系,Sn-Bi系,Sn-In系,Pb-In系,Au-Sn系,Au-Pb系,焊料选用原则: 焊料的机械性能:软或硬等 焊料的熔点 焊料与被焊金属之间的反应 电子元器件的使用温度范围 溶蚀问题 2. 焊剂 作用: 清洁被焊金属和焊料表面 湿润被焊金属表面 保护金属表面不被氧化 减小表面张力,促进焊料的扩展与流动,类型:,焊剂的发展方向:固体含量低的焊后免洗焊剂 3. 焊膏 与传统焊料相比的优点为: 定量施放 再流加热前具有一定的粘性,将元器件暂时固定在焊盘位置上 便于实现自动化 加热焊接时,可校正元器件位置的微小偏离,焊膏的组成及其功能,二. 粘结剂 选用时需考虑的三个重要因素: 1. 预固化特性 未固化前的稳态强度 涂布后的稳定存在时间(单组分较好) 储存环境与时间 着色性 2. 固化特性 固化温度尽可能低,最好低于基板的Tg 能短时间达到适当的粘结强度 收缩小 放气少,3. 固化后的特性 可返工性:Tg低于焊料熔化温度 剪切线在粘结剂体内,表面组装用粘结剂 分类: 导电型, 不导电型 热固化型, UV/热固化型 三. 清洗剂 作用: 去除表面焊剂剩余物和其它杂质 分类: 疏水溶剂 亲水溶剂 疏水亲水混合物组成的共沸点溶剂 SMT对清洗剂的要求: 稳定 适当的物理性能 无色 经济,4.5.3 表面组装技术(SMT) 一. 焊膏和粘结剂的涂敷技术 1. 焊膏涂敷技术 丝网印刷,丝网印刷过程,丝网印刷中存在的问题和解决办法,模板印刷,网板印刷与模板印刷的比较,2. 粘接剂涂敷技术 分配器点涂技术 针式转印技术 元器件上涂敷,二. 贴装技术 手工贴装(用于样品的贴装和试生产) 自动贴装,表面贴装机的选择原则 精度:决定能贴装元器件的种类和适用领域 速度:决定生产效率和能力 适应性:能贴装元器件的类型和满足不同贴装要求的电路组装置的能力 三. 焊接技术 波峰焊：利用熔融焊料循环流动的波峰面与装有元器件的印刷电路板接触，使熔融焊料不断供给电路板和表面贴装元器件而进行的一种焊接技术；(插装与III型SMT, II型) 再流焊：预先在电路板的焊接部位施放适量的和适当形式的焊料，贴放表面组装元器件并经固化后，再利用外部热源使焊料再次流动以达到焊接目的的一种焊接技术。(I型或II型),两种焊接方法的比较：,1. 波峰焊技术 传统波峰焊的问题,波峰焊接工艺,2. 再流焊接工艺 工艺I,工艺II,3. 混合组件的一步焊接法 对II型SMT件,在同一台设备完成波峰焊和再流焊 4. 双面SMT组件的一步焊接法 对全表面组装件,步骤如下: 丝网印刷焊膏 涂布粘合剂 贴装元器件 翻转 丝网印刷焊膏 再流焊 特点: 省去一道焊接清洗步骤,成本低,不省时 两面同时再流焊 三. 清洗技术 四. 检测技术,第四章 思考题,何谓表面组装技术? 表面组装技术与HIC有何关系？ 表面组装技术经历了哪三个发展阶段？各有何特点？ 表面组装技术由哪四个部分组成？有哪几类表面组装件？ 试分析表面组装技术的优缺点 何谓COB技术？何谓MAT技术？MAT技术的两大支柱是什么？,6有哪三种片式电感器？与目前使用的片式电感器相比，编织型片式电感器有何特点？简述框式电感器的制作过程 7有哪几种封装型半导体器件？ 8对于芯片组装器件来说，有哪几种焊接组装方式？试比较它们的优缺点 9简述TAB和MBB的工艺流程 10比较片式表面波滤波器与普通表面波滤波器的异、同点,