表面组装技术.doc

表面组装技术的发展趋势摘要SMT自20世纪60年代问世以来,经过多年的发展,已不仅成为当代电路组装技术的主流,而且正在继续向纵深发展。表面组装技术(SMT)作为新一带电子组装技术已经渗透到各个领域,SMT发展迅速、应用广泛,在许多领域中已经完全取代传统的电子组装技术。SMT以自身的特点和优势,使电子组装技术产生了根本的、革命性的变革,并在应用过程中不断地发展完善。关键词：SMT 发展现状与应用 技术的发展趋势 表面组装技术 发展总前景 表面组装技术是一种新型电子装联技术,也称表面安装技术或表面贴装技术。应用SMT技术可使电子组件的可靠性大为提高,重量更轻,体积更小,成本更低,因此,该技术也支配着电子设备的发展。SMT以提高产品可靠性性能和降低成本为目标,因而可广泛应用于消费类电子产品和军事尖端电子产品的制造和装联中。一、 SMT的发展现状与应用1.1 SMT技术在现代通信设备上的应用 21世纪是信息时代，通信设备已经成为普通大众必备用具，包括手机电话、电脑等各类电子产品种类已经层出不穷。而电子通信设备研制开发的进步很大程度上依赖于组装技术的进步。之所以能够制造出各种各样体积小、功能强的现代通信设备,其中一个重要条件就是先进的电路组装技术,即表面安装技术。 1.2 SMT技术在超标量处理器中的应用 超标量技术是指CPU 在每个时钟周期内可以完成一条以上指令的并行执行技术。以超标量处理器为基础，引入SMT 技术，在基本不改变内部结构大小、不增加执行功能部件、沿用其大部分硬件资源为前提下，性能最大获得约50%的提升。然而，超标量处理器中一些结构或资源（如执行部件、取指带宽等）的沿用会使得这些资源被过度利用，变成新的瓶颈。SMT 技术还有很大的改进空间，通过进一步优化SMT 技术在超标量处理器中的应用规范， 将会进一步提高处理器性能。 1.3 SMT技术在航空航天上的应用 我国航天事业的蓬勃发展， 航空航天器的研究也日趋多样化、智能化、高精化。而SMT 技术具有使电子器件组装密度高、稳定性好等优点，在航天电子产品中的得到了很大的应用。航天遥感器今后向小型化、智能化、高可靠、长寿命方向发展的趋势与SMT 的特点相吻合SMD/SMC 产品,必然并应该作为我们设计时选择的产品之例。广泛推广和应用SMT 技术及其产品必将把航天产品性能和质量提高到更高的水平。 1.4 SMT技术在雷达设备上的应用 雷达作为一种防空侦查设备，在制导、空中打击等方面的应用具有重要的地位，而雷达的工作环境日渐恶化，防雷达武器的层出不穷，将雷达设设备的研制需求提出了更多的要求。SMT 技术具备多种优点，其再雷达上的应用可以解决很多技术上的难题。重量轻、可靠性高 的表面安装电路模块，是雷达整机更轻、更小、性能指标更优。 1.5 SMT技术在智能断路器上的应用 断路器是一种能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流，并能关合、在规定的时间内承载和开断异常回路条件(包括短路条件)下的电流的开关装置。在保护电路，防止突发事件上起到了很大的作用。SMT技术的应用促使了现代断路器的智能化、小型化和多样化发展。将SMT组装工艺应用到智能型断路器的生产制造，是一个必然趋势。二、技术的发展趋势SMT技术由SMT生产线、SMT设备、SMT封装元器件、SMT工艺材料等因素相辅相成的，所以SMT技术的发展则需要各个因素综合发展。 2.1 SMT 生产线的发展 2.1.1 SMT生产线朝信息集成的柔性生产环境方向发展 目前电子产品正向更新、更快、多品种、小批量的方向发展，这就要求 SMT 的生产准备时间尽可能短，为达到这个目标就需要克服设计环节与生产环节联系相脱节的问题，而 CIMS(计算机集成制造系统)的应用就可以完全解决这一问题。CIMS 是以数据库为中心，借助计算机网络把设计环境中的数据传送到各个自动化加工设备中，并能控制和监督这些自动化加工设备，形成一个包括设计制造、测试、生产过程管理、材料供应和产品营销管理等全部活动的综合自动化系统。 CIMS能为企业带来非常显著的经济效益：提高产品质量、设备有效利用率和柔性制造能力，大大缩短产品设计周期和投入市场时间等。正因为CIMS 具有这么多优点，所以可以预见 CIMS 在SMT 生产线中的应用将会越来越广泛。 2.1.2 SMT生产线朝连线高效方向发展高生产效率是衡量SMT生产线的重要性能指标，SMT生产线的生产效率体现在产能效率和控制效率 产能效率指的是SMT生产线上各种设备的综合产能为了提高产能效率，一些SMT生产线的回流炉后都配上了全自动的连线测试仪，这样，在整个生产过程中都可杜绝人为因素的干扰，大幅度提高产品生产速度，从而提高生产效率；还有些SMT生产线正从传统的单路连线生产向双路连线生产方式发展，在减少占地面积的同时，提高生产效率控制效率包括转换和过程控制优化及管理优化，控制方式上已从传统的分步控制方式向集中在线优化控制方向发展，使用线控计算机对整条线的SMT设备进行管理，如图1，生产板卡转换时间越来越短目前国外很多企业都在使用生产管理软件对整个SMT生产线实行集中在线控制管理，可对各个设备的生产工艺参数进行监控统计，确保每台机器工作在正常状况下，大幅度提高生产线管理效率和生产效率2.1.3 SMT生产线向“绿色”环保方向发展 当今人们生活的地球已经遭到人们不同程度的损坏，以 SMT 设备为主的 SMT 生产线作为工业生产的一部分，毫无例外地会对我们的生存环境产生破坏。从电子元器件的包装材料、胶水、焊膏、助焊剂等 SMT 工艺材料，到 SMT 生产线的生产过程，无不对环境存在着这样或那样的污染，SMT 生产线越多、规模越大，这种污染也就越严重，因此，最新 SMT 生产线正朝绿色生产线(green line)方向发展。这就提示我们，SMT生产线不仅要考虑生产规模和生产能力，还要考虑 SMT 生产对环境的影响，从 SMT 建线设计、SMT 设备选型、工艺材料选择、环境与物流管理、工艺废料的处理及全线的工艺管理，全面考虑 环保的要求。绿色生产线同样是 SMT 生产线未来的发展方向。 2.2 设备的发展 SMT设备的更新和发展代表着表面组装技术的水平，新的SMT设备的发展朝高效、灵活、智能、环保等方向发展，这是市场竞争所决定的，也是科技进步所要求的。 2.3 SMT 封装元器件的发展 SMT 封装元器件主要有表面贴装元器件(SMC)、表面贴装器件 (SMD) 和表面贴装电(SMB)。 (1) SMC朝微型化大容量方向发展。最近 SMC的规格为01005，在体积微型化的同时向大容量方向发展。 (2) SMD朝小体积、多引脚方向发展。SMD经历了由大体积、少引脚朝大体积、多引脚方向发展，现在已经开始由大体积、多引脚朝小体积、多引脚方向发展，例如BGA 向CSP 方向发展。FC 的应用将越来越多。 (3) SMB朝多层、高密度、高可靠性方向发展。随着电子组装朝更高密度方向发展，SMB 朝多层、高密度、高可靠性方向发展，许多SMB 的层数已多达十几层甚至更多，多层的柔性SMB也有较快的发展。 2.4 SMT工艺材料的发展 常用的SMT工艺材料包括：条形焊料、膏状焊料、助焊剂等。 对于焊料，目前提出比较高的呼声是使用无铅焊料，这主要的原因是因为铅对人体有害。处于环保考虑，无铅焊料是目前乃至将来一段时间内的主流。 助焊剂的作用是清除金属表面的氧化物、保持干净表面不再氧化、热传导等。基于环保和成本等各方面因素考虑，免清洗焊接技术是一项将材料、设备、工艺、环境和人力因素结合在一起的综合性技术，它的产生推动了制造工艺技术的变革，而它的推广则影响着相关产业的方方面面。将管理因素和技术因素有机结合，是这项技术投入实施的重要一环。随着相关技术的发展和研究人员的不懈努力，必将为21世纪的免清洗焊接技术赋予新的内容。也为SMT技术注入新的力量。2.5工艺管理方面的发展同样的工艺和设备, 不同的管理 有不同的 效益。目 前 国际 上 已 经采 用 计算 机 集 成制 造 系 统( CI M S ) , 并把 CI M S 系统应用到 S M T 中。S M T 生产线中的重要加工设备均属于计算机控制的自动化生产设备。组装 PCB 之前需要编程人员花费相当时间进行准备和编程。在产品设计阶段就考虑到生产制造的要求采用 CI M S 设计。一旦设计完成, 则将设计所 产生的有关数 据文件交给S M T 生产设备, 编程时直接调用或进行相关的后处理即可驱动设备。另外表面组装的统计过程控制 ( S PC) 以及 6西格 玛 的 管 理 方 法 也 在 逐 渐 推 广 应 用。 总 之,S M T 经过 80 年代、9 0 年 代的迅速发展, 已逐渐成熟。今后的发展方向是进一步提高片式元器件的比例。微型化仍是片式元件今后的发展方向, 其尺寸已日益面临极限, 自动机的精度也趋于极限。为了进一 步适应电子产品 向短、小、轻、薄 方向发展, 出现了复合化片式元件, 并已开始批量生产和逐步进入实用阶段。超大规模集成电路、复合化片式元件、多层陶瓷基板技术和三维组装等逐渐采用, BGA 、CSP 和 Fli p Ch ip 技术的发 展, 丰富了S M T 的内涵, 也将进一步推动 SM T 向更高水平深入发展。由于绿色环保要求, 引起了焊接材料 ( 免清洗 焊料、无铅焊 料) 、焊接工艺及设备 的变化、以及免清洗和水洗技术的变化, SM T 已经成为一个涉及面 广, 内容丰富, 跨学科的综 合性高新技术。S M T 的蓬勃发展, 并将进一步推动电子组装技术向更高阶段发展。三、表面组装技术的发展概况表面组装技术是从厚、薄膜混合电路演变发展起来的。美国是世界上 SM D 与 S M T 最早 起源国家, 并一直重视在此类电子产品的投资。在军事装备领域, 表面组装技术发挥了高组装密度和高可靠性能方面的优势。组装技术经历了以下几个发展阶段:手工阶段 ( 20 世纪 50 年代) ;半自动插装浸焊 ( 2 0 世纪 60 年代) ;全自动插装波峰焊 ( 20 世纪 70 年代) ;全自动表面组装技术 ( S M T ) ( 2 0 世纪 80 年代) ;窄间距 SM T 和超窄间距 S M T ( 2 0 世纪 90 年代) 。日本在 7 0 年代从美国引进 S M D 和 SM T 应用在消费类电子产品领域, 并投入巨资大力加强基础材料、基础技术和推广应用方面的开发研究工作。从 80 年代中后期起加速了 SM T 在电子设 备领域中的全面推广应用, 仅用了四年时间使 SM T 在计算机和通信设备中的应用数量增长了近 30% , 在传真机中增长 40% , 使日本很快超过了美国, 在S M T 方面处于世界领先地位。欧洲各国 SM T 的起步较晚, 但他们有较好的工业基础, 发展速度十分迅速, 其技术水平和整机中 S M C/ S M D 的使用率仅次于日本和美国。8 0 年代以来, 新加坡、韩国、香港和台湾省亚洲四小龙惜投入巨资, 纷纷引进先进技术, 使 S M T 的中端产品获得较快的发展。我国 SM T 的应用 起步于 80 年代初期, 最初从美、日等国成套引进了 S M T 生产线用于彩电调谐器生产。随后应用于录像机、摄像机及袖珍式高档多波段收音机、随身听等产品生产中, 近几年在计算机、通信设备、航空航天电子产品中也逐渐得到应用。据2000年不完全统计, 全国约有 40 多家企业从事 SM C/ SM D 的生产, 全国约有30 0多家引进了S M T 生产线, 上万个产品不同 程度 地采 用了S M T 。到 2000 年全国引进 4 000 ) 500 0台贴装机。随着改革开放的深入以及加入 WT O , 近两年一些美、日、新加坡、台商已经将 SM T 加工厂搬到了中国, 仅 2001 20 02 一年就引进了 40 00余台贴装机。我国将成为 SM T 产品的世界加工基地, S M T发展前景是广阔的。四、 发展总趋势目前，封装技术的定位已从连接、组装等一般性生产技术逐步演变为实现高度多样化电子信息设备的一个关键技术。更高密度、更小凸点、无铅工艺等需要全新的封装技术，更能适应消费电子产品市场快速变化的需求。 封装技术的推陈出新，也已成为半导体及电子制造技术继续发展的有力推手，并对半导体前道工艺和表面贴装技术的改进产生着重大影响。如果说倒装芯片凸点生成是半导体前道工艺向后道封装的延伸，那么，基于引线键合的硅片凸点生成则是封装技术向前道工艺的扩展。在整个电子行业中，新型封装技术正推动制造业发生变化，市场上出现了将传统分离功能混合起来的技术手段，正使后端组件封装和前端装配融合变成一种趋势。不难观察到，面向部件、系统或整机的多芯片组装封装技术的出现，彻底改变了只是面向器件的概念，并很有可能会引发SMT产生一次工艺革新。元器件是SMT技术的推动力，而SMT的进步也推动着芯片封装技术不断提升。片式元件是应用最早、产量最大的表面贴装元件，自打SMT形成后，相应的IC封装则开发出了适用于SMT短引线或无引线的LCCC、PLCC、SOP等结构。四侧引脚扁平封装（QFP）实现了使用SMT在PCB或其他基板上的表面贴装，BGA解决了QFP引脚间距极限问题，CSP取代QFP则已是大势所趋，而倒装焊接的底层填料工艺现也被大量应用于CSP器件中。随着01005元件、高密度CSP封装的广泛使用，元件的安装间距将从目前的0.15mm向0.1mm发展，这势必决定着SMT从设备到工艺都将向着满足精细化组装的应用需求发展。但SIP、MCM、3D等新型封装形式的出现，使得当今电子制造领域的生产过程中遇到的问题日益增多。由于MCM技术是集混合电路、SMT及半导体技术于一身的集合体，所以我们可称之为保留器件物理原型的系统。多芯片模组等复杂封装的物理设计、尺寸或引脚输出没有一定的标准，这就导致了虽然新型封装可满足市场对新产品的上市时间和功能需求，但其技术的创新性却使SMT变得复杂并增加了相应的组装成本。S M T 的发展使电子产品功能越来越强, 体积越来越小, 元器件越来越小, 组装密度越来越高,组装难度也越来越大。最近 2 、3 年 SM T 又进入了一个 新的发展高潮。为了进一步适应电子产品向短、小、轻、薄方向发展, 出现了 BGA 、CS P、Flip c h ip 、复合化片式元件等新封装。由于 BGA 等元器件技术的发展,由于非 OD S 清洗和无铅焊料的出现, 引起了 S M T设备、焊接材料、贴装和焊接工艺的变化。表面组装技术的迅速发展为电