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第7章表面组装元器件 7 1表面组装技术概述 表面组装技术是将片式电子元器件用贴装机贴装在印制电路板表面 通过波峰焊 再流焊等方法焊装在基板上的一种新型的焊接技术 其特点是在印制电路板上可以不打孔 所有的焊接点都处于同一平面上 7 1 1表面组装元器件的特点 1 提高了安装密度 有利于电子产品的小型化 薄型化和轻量化片式元件的尺寸很小 重量很轻 无引线或引线很短 可节省引线所占的安装空间 组装时还可双面贴装 故印制电路板的表面可以得到充分利用 基板面积一般可缩小60 70 装配密度可提高5倍 由于片式元件本身很薄 组装时又是平贴在印制电路板上 所以整块电路板可以做得很薄 以收音机为例 采用SMC SMD的薄型收音机厚度仅有5mm 与采用传统元件的收音机相比 重量约为后者的1 2 体积仅为1 8 2 有助于提高产品性能和可靠性 由于SMC SMD没有引线或引线很短 寄生电感和分布电容大大减小了 因而可获得好的频率特性和强的抗干扰能力 传统元件在组装时要把引线插入印制电路板上的插孔 在插入过程中细引线往往会受到损坏或弯曲 SMC SMD无需插装 降低了失效率 它们所组成的电路板是面结合的 因此结实 抗振 抗冲击 使产品的可靠性大大提高了 3 生产高度自动化 有助于提高经济效益 用于SMT的自动化表面组装设备目前已商品化 这类用电脑控制的自动组装设备可自动进给 自动对元件分选定位 大大缩短了装配时间 而且装配精确 产品合格率高 同时由于组装密度的提高 SMC SMD组装后几乎不需要调整 节省了成本 SMC SMD无引线 不仅省铜 而且基板面积也可缩小 节约了材料费用和能源消耗 这些都有助于降低产品的成本获得良好的综合经济效益 4 元器件种类不齐全 技术要求高 对于表面组装元器件目前尚无统一国家标准 使得品种不全 价格较高 给生产和使用带来一定困难 同时 元器件本身的生产和安装要求高 如吸湿后容易引起装配时元器件裂损 结构件热膨胀系数差异导致焊接开裂 组装密度大使得散热问题难以解决等等 这些均使得生产设备复杂 涉及技术面宽 费用昂贵 7 1 2表面组装元器件的发展 第1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2代60 70年代THT晶体管 轴线引线元件单双面PCB手工 半自动安装手工焊 浸焊第3代70 80年代THT单双列直插IC 轴向引线元器件遍带单面及多层PCB自动插装波峰焊 浸焊 手工焊第4代80 90年代SMTSMC SMD片式封装VSI VLSI高质量SBM自动贴片机波峰焊 再流焊第5代90年代及以后MPTVLSIC ULSIC陶瓷硅片自动安装倒装焊 特种焊目前 第5代安装技术正处于技术发展和局部领域应用阶段 7 1 3表面组装元器件的分类 1 按照元件的功能分类表面组装元件可分为无源元件 有源器件和片式机电元件3大类 片式无源元件包括电阻器 电容器 电感器和复合元件 如电阻网络 滤波器 谐振器等 片式有源元件包括二极管 晶体管 场效应管 晶体振荡器等分立器件和集成电路等 片式机电元件则包括开关 继电器 连接器和片式微电机等 2 按照元件的结构形式分类 表面组装元件可分为矩形 圆柱形和异形3类 矩形片式元件包括薄片矩形元件 如片式薄厚膜电阻器 热敏电阻器 独石电阻器 叠层电阻器等 和扁平分装元件 如片式有机薄膜电容器 钽电解电容器 电阻网络复合元件等 圆柱形片式元件又称金属电极无引脚端而型 MetalElectrodeFaceBondingType 和简称不符 元件 简称MELF型元件 它包括碳膜电阻器 金属膜电阻器 热敏电阻器 瓷介电阻器 电解电容器和二极管等 异形片式元件是指形状不规则的各种片式元件 如半固定电阻器 电位器 铝电解电容器 微调电容器 线绕电感器 晶体振荡器 滤波器 钮子开关 继电器和薄型微电机等 矩形片式元件适用于面焊 有利于电子产品的薄型化和轻量化 MELF型元件可利用原有的生产传统元件的设备来制造 且可用铜 铁作为其电极材料 与采用银电极的矩形片式元件相比 生产成本相对较低 但所用的自动组装机与矩形片式元件不同 在西欧和美国 矩形片式元件占市场绝对优势 在日本圆柱形片式元件则发展很快 但仍以矩形片式元件为主 3 按有无引线和引线结构分类 表面组装元件按有无引线和引线结构可分为无引线和短引线两类 无引线片式元件以无源元件为主 短引线片式元件则以有源器件 集成电路和片式机电元件为主 引线结构有翼形和钩形两种 它们各有特点 翼形容易检查和更换 但引线容易损坏 所占面积也较大 钩形引线容易清洗 能够插入插座或进行焊接 所占面积较小 而且用贴装机也较方便 但不易检查焊接情况 7 2表面组装元件 表面组装元件主要包括表面组装电阻 表面组装电容 表面组装电感 7 2 1表面组装电阻 1 矩形片式电阻器 2 MELF型电阻器 3 电阻网络 4 片式微调电位器 7 2 2表面组装电容 片式电容器开始只有云母 陶瓷和钽电解电容器 后来铝电解电容器和有机薄膜电容器也相继实现了片状化 目前 产量最大的是片式独石陶瓷电容器 1 片式陶瓷电容器 1000pF以下的片式陶瓷电容器通常是单层的 1000pF以上则大都做成叠层的独石结构 和前述矩形片式电阻器一样 为防止电极材料在焊接时受到侵蚀 片式独石陶瓷电容器的外电极也是多层结构的 目前 片式独石陶瓷电容器正在向大容量化 高频化和高耐压化的方向发展 2 片式电解电容器 片式钽电解电容器具有最大单位体积容量 在表面组装元件中 超过0 33 F的电容一般都为钽电解电容器 钽电解电容器响应速度快 适用于数字电路高速处理的场合 对于铝电解电容器 由于存在电解液 给其片状化带来很大困难 所以片式铝电解电容器的出现较其他电容器稍晚 同时 电解电容器需要有可靠的密封结构 以防在焊接过程中因受热而导致电解液泄漏 此外还需采用耐电解液腐蚀的材料 这些技术难题现已解决 片式铝电解电容器进入实用化阶段 其封装形式有金属封装 树脂封装两种 3 片式有机薄膜电容器 由于薄膜在耐热性和降低厚度方面存在一定困难 有机薄膜电容器在各类电容器中片状化是最晚的 直到1982年才开始出现 现在日 美 西欧均已进入批量生产 产品基本上是矩形塑封 以厚度仅1 5mm的聚酯薄膜为介质 产品尺寸不一 4 片式云母电容器 片式云母电容器采用天然云母作为介质 制成矩形片状 与多层片状瓷介电容器相比 体积略大 但耐热性好 损耗小 易制成小电容量 稳定性高 Q值高 精度高 适宜高频电路使用 近年来在移动式无线通信机 硬磁盘系统中大量使用 7 2 3表面组装电感 1 线绕型线绕型片式电感器结构如图7 13所示 它是在一般高频线绕电感的基础上进行改进的 除此形式外 还有带MELF型的 优点是电感量范围宽 精度高 缺点是具有开路磁路结构 易漏磁 体积大 2 叠层型叠层型片式电感器结构如图7 14所示 它由铁氧体浆料和导电浆料相间形成多层的叠层结构 然后经烧结而成 其特点是具有闭路磁路结构 没有漏磁 耐热性好 可靠性高 与线绕型相比 尺寸小得多 适用于高密度表面组装 但电感量也小 Q值较低 3 薄膜型运用薄膜技术在玻璃基片上依次沉积Mo Ni Fe磁性膜 SiO2膜 Cr膜 Cu膜 然后进行光刻形成绕组 再依次沉积SiO2膜和Mo Ni Fe磁性膜而成 其绕组形式有框型 螺旋型 叉指型 4 纺织型它是利用纺织技术 以非晶磁性纤维为经线 细铜线为纬线 织 出的一种新型电感器 用这种方法制成的电感器其单位体积的电感量较其他片式电感器均有所提高 缺点是Q值偏低 使用频率不高 7 3表面组装器件 常用的表面组装器件主要有片式二极管 片式晶体三极管 片式集成电路 7 3 1片式分立器件 大多数片式分立器件都采用小型模压塑封 SOT SOD 形式 带翼形引线 其中SOT是片式晶体三极管的封装形式 SOD是片式二极管的封装形式 片式模塑晶体管在国外流行3种形式 SOT 23 SOT 143 SOT 89 前两种尺寸 散热特性均相同 在空气中的耗散功率为200mW SOT 23带3条引线 可封装通用表面组装晶体管 而SOT 143带4条引线 可用来封装双栅场效应管及高频晶体管 SOT 89尺寸略大 需使用适当的散热器 耗散功率约1W 片式二极管有塑封和玻封两种形式 塑封片式二极管为扁平矩形结构 SOD 带两条翼形引线 有时为了统一尺寸和使用方便 也使用SOT封装结构 玻封片式二极管为圆柱形结构 不带引线 7 3 2片式集成电路 片式集成电路主要有4种封装形式 SOP 小型电路封装 QFP 塑料方形扁平封装 PLCC 塑料有引线芯片载体 LCCC 陶瓷无引线芯片载体 SOP是两侧引出引线 既可以是翼形结构 也可以是钩形结构 QFP为4侧引出 带翼形引线 PLCC也为4侧引出 但带钩形引线 LCCC不带引线 是一种多引出端的高可靠封装 7 4其他表面组装元器件 除了前面介绍的几种表面组装元器件外 常用的表面组装元器件还有片式滤波器 片式振荡器 片式延迟线 片式磁芯 片式开关 片式继电器及近年来发展起来的BGA CSP封装器件 7 4 1片式滤波器 1 片式抗电磁干扰滤波器 片式EMI滤波器 抗电磁干扰滤波器可滤除信号中的电磁干扰 EMI 它主要用于抑制同步信号中的高次谐波噪声 防止数字电路信号失真 EMI滤波器主要由矩形铁氧体磁芯和片式电容器组合而成 经与内 外金属端子的连接 作成T形耦合 外表用环氧树脂封装 其额定电压为50V 额定电流2A 因此在信号通道或电源通道中均可使用 这种滤波器组装后适合波峰焊或再流焊 2 片式LC滤波器 LC滤波器有闭磁路型和金属外壳型两种 前者采用翼形引线 后者采用钩形引线 3 片式表面波滤波器 晶体滤波器 表面波滤波器是利用表面弹性波进行滤波的带通滤波器 其压电体材料有LiNbO3 LiTaO3等单晶 氧化锌薄膜和陶瓷材料 使用中以前者占多数 主要用在要求高的场合 由于表面波滤波器具有集中带通滤波性能 其电路无需调整 组成元件数量少 并可采用光刻技术同时进行多元件 电极 的制作 故适合批量生产 片式表面波滤波器的外形比插孔组装的要小得多 并可在10MHz 5GHz范围内使用 7 4 2片式振荡器 片式振荡器有陶瓷 晶体和LC三种 这里只介绍前两种 1 片式陶瓷振荡器片式陶瓷振荡器又称片式陶瓷振子 常用于振荡电路中 振子作为电信号和机械振动的转换元件 其谐振频率由材料 形状及所采用的振动形式所决定 振子要做成表面组装形式 则必须保持其基本的振动方式 可以采用不妨碍元件振动方式的新型封装结构 并做到振子无需调整 具有高稳定性和可靠性 以适合贴装机自动化贴装 2 片式晶体振荡器 片式晶体振荡器采用钽酸锂 LiTaO3 单晶体作为压电体 按不同频率研磨成不同的厚度 在压电体的正反面蒸镀薄膜电极 并与采用光刻技术制成的驱动电极 端子电极组合成压电振子 晶体基片经切割而成 使用丝网印刷方法制成表面安装用电极 端子电极通过基片左右 通孔 电极连接 形成片状振子外部电极 7 4 3片式延迟线 延迟线的作用是使信号在规定的延迟时间内通过 它还可将模拟 数字信号暂时保存 并可进行波形转换与符号化 信号合成处理等 作为高精度信号的延迟 延迟线已广泛应用于计算机 程控交换机 脉码调制通信设备 医疗设备及多种视频装置中 片式延迟线包含LC网络的有源延迟线和无源延迟线 是复合型电子元件 与表面组装集成电路的封装形式有相同点 7 4 4片式磁芯 片式磁芯的作用是抑制同步信号中的高次谐波噪声 吸收 滤波 数字电路中的噪声 减少数字信号的失真度 在电子产品向数字化发展之际 片式磁芯已广泛应用于激光音响 数字音响 数字式录像机等产品中 片式磁芯的结构如图7 24所示 在矩形铁氧体磁芯上设置2个 4个通孔 将金属端子在此间贯通 再用金属电极盖在磁芯两端制成外部端子电极 7 4 5片式开关 目前片式轻触开关发展很快 其体积大幅度减小 ALPS公司的HS系列轻触开关为HM系列开关厚度的1 2 OT公司的B3S开关只有6mm2 SMK公司和Fujisoka公司也生产轻触开关 片式轻触开关可作为录像机 照相机的工作开关和立体声耳机的无声开关 7 4 6片式继电器 表面安装继电器 SMR 早在1983年就由美国和日本相继研制成功 可分为两种类型 一种是利用现有的继电器经过适当改造而成 即将其引线弯成L型和J型 使其适应表面安装 主要用于小型交换机和通信设备中 另一种是符合标准网络的表面安装军用继电器S114系列和灵敏型S134系列 7 4 7BGA器件 BGA BallGridArray 封装技术是近年发展起来的一种新型封装技术 BGA封装器件在基板底面以阵列方式制出球形触点作为引脚 具有引脚短 引线电感和电容小 引脚多 引出端数与本体尺寸比率高 焊点中心距大 组装成品率高 引脚牢固 共面状况好 适合MCM的封装需要 有利于实现MCM的高密度 高性能要求等一系列优点而迅速发展和越来越广泛被应用 BGA也存在一些缺陷 如组装后焊点不外露 组装质量检测困难 不能进行焊点的局部返修