电子产品制造工艺

1、第第4章章 表面安装技术表面安装技术 o一、表面安装技术概述 o二、 表面装配元器件 o三、 SMT装配焊接材料 o四、 维修SMT电路板的焊接工具和半自动化设备 o五、SMT元器件的手工焊接与返修 o六、SMT 装配方案和生产设备 o七、SMT焊接质量标准o八、微电子组装技术简介* 4.1 表面安装技术概述 o1. 表面安装技术的发展过程 o2. SMT的装配技术特点 1. 表面安装技术的发展过程 o随着电子产品功能的智能化、信息传递的多媒体化以及网络化的信息资源共享的发展趋势，电子产品的体积越来越小，而功能越来越强。传统的通孔插装技术已不能满足生产要求。必须采用（SMT）技术进行电子产品组

2、装。电子产品的装配技术必然全方位地转向SMT。o表面安装技术：SMT，Surface Mounting Technology，也称表面装配技术、表面组装技术。 o通孔插装技术：THT，Through-Hole mounting Technology。o1957年，美国就制成被称为片状元件（Chip Components）的微型电子组件； o60年代中期，荷兰飞利浦公司开发研究表面安装技术（SMT）获得成功 。oSMT的发展历经了三个阶段： o 第一阶段（19701975年） o这一阶段把小型化的片状元件应用在混合电路（我国称为厚膜电路）的生产制造之中。 o 第二阶段（19761985年） o这

3、一阶段促使了电子产品迅速小型化、多功能化；SMT自动化设备大量研制开发出来 。o 第三阶段（1986现在） o主要目标是降低成本，进一步改善电子产品的性能-价格比； SMT工艺可靠性提高 。2. SMT的装配技术特点表面安装技术和通孔插装元器件的方式相比，具有以下优越性： o（1） 实现微型化。 o（2） 信号传输速度高。 o（3）高频特性好。 o（4）有利于自动化生产，提高成品率和生产效率。 o（5） 材料成本低。 o（6）SMT技术简化了电子整机产品的生产工序，降低了生产成本。二. 表面装配元器件o1. 表面装配元器件的特点 o2. 表面装配元器件的种类和规格o1. 表面装配元器件的特点

4、o(1)SMT元件引脚距离短，目前引脚中心间距最小的已经达到0.3mm。 o(2) SMT元器件直接贴装在印制电路板的表面，将电极焊接在与元器件同一面的焊盘上。 o2. 表面装配元器件的种类和规格 o从结构形状分类，有薄片矩形、圆柱形、扁平异形等； o从功能上分类为无源元件（SMC，Surface Mounting Component）、有源器件（SMD，Surface Mounting Device）和机电元件三大类。SMT元器件的分类元器件的分类 无源元件（SMC）SMC包括片状电阻器、电容器、电感器、滤波器和陶瓷振荡器等。o长方体SMC是根据其外形尺寸的大小划分成几个系列型号 。欧美产品

5、大多采用英制系列，日本产品大多采用公制系列，我国还没有统一标准，两种系列都可以使用。 o无论哪种系列，系列型号的前两位数字表示元件的长度，后两位数字表示元件的宽度。例如，公制系列3216（英制1206）的矩形贴片元件，长L=3.2mm（0.12inch），宽W=1.6mm（0.06inch）。并且，系列型号的发展变化也反映了SMC元件的小型化进程：5750（2220）4532（1812）3225（1210）3216（1206）2520（1008）2012（0805）1608（0603）1005（0402）0603（0201）。 o典型典型SMC系列的外形尺寸（单位：系列的外形尺寸（单位：mm/

6、inch） 1inch=1000mil；1inch=25.4mm，1mm40mil。 oSMC的元件种类用型号加后缀的方法表示，例如，3216C是3216（1206）系列的电容器，2012R表示2012（0805）系列的电阻器。o1608（0603）、1005（0402）、0603（0201）系列SMC元件的表面积太小，难以用手工装配焊接，所以元件表面不印刷它的标称数值（参数印在纸编带的盘上）；o3216、2012系列片状SMC的标称数值一般用印在元件表面上的三位数字表示：前两位数字是有效数字，第三位是倍率乘数（精密电阻的标称数值用四位数字表示，参阅第2章）。例如，电阻器上印有114，表示阻值

7、110k；表面印有5R6，表示阻值5.6；表面印有R39，表示阻值0.39。电容器上的103，表示容量为10000pF，即0.01F（大多数小容量电容器的表面不印参数）。圆柱形电阻器用三位或四位色环表示阻值的大小。o精度的另外一种表示方法（P134）：EIA-96系列贴片电阻有0的o常用典型常用典型SMC电阻器的主要技术参数电阻器的主要技术参数 o片状元器件可以用三种包装形式提供给用户：散装、管状料斗和盘状纸编带。 o 表面安装电阻器 二种封装外形 o 表面安装电阻网络 o常见封装外形有：0.150英寸宽外壳形式（称为SOP封装）有8、14和16根引脚；o0.220英寸宽外壳形式（称为SOMC

8、封装）有14和16根引脚； o0.295英寸宽外壳形式（称为SOL封装件）有16和20根引脚。 o 表面安装电容器 o 表面安装钽电容器 表面安装钽电容器的外型都是矩形，按两头的焊端不同，分为非模压式和塑模式两种。 长宽高352819尺寸详见网址（http:/ 表面安装电感器 SW型绕线式贴片电感 塑封电感CFI片式铁氧体电感 晶片电感CFI片式铁氧体电感 晶片电感SCM型贴片式共模扼流器 贴片式共模扼流器功率电感SPE型贴片功率电感 使用载带包装运用于SMT。产品小型化，方形；宽度：3.2mm5.7mm，高度：1.8mm4.7mm 。适用于回流焊SMT工艺。无铅产品，符合RoHS指令。广泛应

9、用于升降压转换器，液晶显示，笔记本电脑，掌上记事本，数码产品，网络通信等。产品类型：SPE型。外观尺寸：方型，32表示长3.2mm；25表示宽2.5mm；20表示高2.0mm。电气性能表示：470表示47H。允许公差：K表示10%，M表示20%，N表示30% 。包装方式：R表示载带盘装；B表示散装外型尺寸(单位：mm) 功率电感SPRH型功率电感 使用载带包装运用于SMT。耐大电流，低直流，方形；宽度：6.2mm12mm，高度：3.0mm8.0mm 。磁性屏蔽结构。适用于回流焊SMT工艺。无铅产品，符合RoHS指令。广泛应用于升降压转换器，便携式摄录机，液晶显示，笔记本电脑，网络通信，便携式通

10、讯设备电源等。产品类型：SPRH型。外观尺寸：12表示宽12 mm；5表示高5mm。电气性能表示：221表示220H。允许公差：K表示10%，M表示20%，N表示30% 。包装方式：R表示载带盘装；B表示散装 。详见网址（http:/ MD0505A可调电感 详见网址（http:/ 贴片中周 R棒形磁芯线圈 空芯线圈 贴片电感排o SMC的焊端结构 镍的耐热性和稳定性好，对钯银内部电极起到了阻挡层的作用； 镍的耐热性和稳定性好，对钯银内部电极起到了阻挡层的作用； 镍的耐热性和稳定性好，对钯银内部电极起到了阻挡层的作用； 镀铅锡合金的外部电极可以提高可焊接性。 o SMC元件的规格型号表示方法

11、oSMT元件的规格型号表示方法因生产厂商而不同 。 o如1/8W，470，5%的陶瓷电阻器： o日本某公司生产：o国内某企业生产： o1000pF，5%，50V的瓷介电容器 :o日本某公司生产：o国内某企业生产： oSMD分立器件 oSMD分立器件包括各种分立半导体器件，有二极管、三极管、场效应管，也有由两、三只三极管、二极管组成的简单复合电路。o SMD分立器件的外形尺寸 SMD分立器件的外形尺寸 二极管 无引线柱形玻璃封装二极管 塑封二极管 o 三极管 三极管采用带有翼形短引线的塑料封装（SOT，Short Out-line Transistor），可分为SOT23、SOT89、SOT14

12、3几种尺寸结构。 1.基极2.发射极3.集电极o（4）场效应管oSMD集成电路 oIC的主要封装形式有QFP， TQFP， PLCC， SOT， SSOP ，BGA等。oSOP- Small Outline Package.小型封装oSSOP- Shrink Small Outline Package .缩小型封装oTSSOP- Thin Shrink Small Outline Package.薄缩小型封装 oQFP - Quad Plat Package.四方型封装oTQFP- Thin Quad Plat Package.薄四方型封装 oPLCC-Plastic Leaded Chip

13、Carrie .宽脚距塑料封装oSOT- Small Outline Transistor.小型晶体管oDIP -Dual In-Line Package.双列直插封装oBGA - Ball Grid Array.球状栅阵列oSIP -Single In-Line Package.单列直插封装oSOJ- Small Outline J.J形脚封装oCLCC-Ceramic Leaded Chip Carrie .宽脚距陶瓷封装oPGA - Pin Grid Array.针状栅阵列4.3 SMT 装配方案和生产设备 o4.3.1 三种SMT组装结构及焊接工艺流程o 第一种装配结构：全部采用表面安

14、装 单面双面o第二种装配结构：双面混合安装 在线路板顶层（元件面）上，既有THT元件，又有各种SMD元件；底层（焊接面）只装配体积小的SMD、SMC元件。o 第三种装配结构：两面分别安装 在线路板顶层（元件面）上，只安装THT元件，底层（焊接面）装配体积小的SMD、SMC元件。o（2） SMT印制板波峰焊接工艺流程 o采用第三种SMT装配结构时，波峰焊的工艺流程为：o 制作粘合剂丝网o 丝网漏印粘合剂 o 贴装SMT元器件 o 固化粘合剂 o加热或紫外线照射o插装THT元器件 插件机 正在插件 THT插件机背面 o 波峰焊 o印制板（清洗）测试 测试中 o(3) SMT印制板再流焊接工艺流程

15、o 制作焊锡膏丝网 o丝网漏印焊锡膏 手动刮锡膏 自动刮锡膏 自动刮锡膏 o 贴装SMT元器件 贴片机 o 再流焊（第五章学习）（录像）o 印刷版清洗及测试4.4 SMT生产设备 o(1) 锡膏印刷机和网板 锡膏印刷机 半自动锡膏印刷机网板o(2) SMT元器件贴装机 贴片机 o(3) SMT点胶机 点胶机点胶机正在点胶 上板机（接驳台）o(4) SMT焊接设备 o(5) SMT电路板的焊接检测设备 AOI自动光学检测系统 o(6) 清洗工艺、设备和免清洗焊接工艺 超声波清洗机 可使用水、酒精、清洗溶剂。清洗完，烘干。o(7) SMT电路板维修工作站 德国ERSA公司IR-550维修工作站 焊

16、接视频检测仪o(8) SMT自动生产线的组合 大型SMT生产线 辅助设备o静音空压机oSMT元器件贴装 o用贴装机或人工的方式，将SMC/SMD准确地贴放到PCB板上印好焊锡膏或贴片胶的表面相应位置上的过程，叫做贴装（贴片）工序。 o要保证贴片质量，应该考虑三个要素：贴装元器件的正确性、贴装位置的准确性和贴装压力（贴片高度）的适度性。o 贴片工序对贴装元器件的要求o元器件的类型、型号、标称值和极性等特征标记，都应该符合产品装配图和明细表的要求。o贴装元器件的焊端或引脚上不小于1/2的厚度要浸入焊膏，一般元器件贴片时，焊膏挤出量应小于0.2mm；窄间距元器件的焊膏挤出量应小于0.1mm。o元器件

17、的焊端或引脚均应该尽量和焊盘图形对齐、居中。因为再流焊时的自定位效应，元器件的贴装位置允许一定的偏差。o 矩形元器件 o正确的贴装o元器件的焊端居中位于焊盘上。o贴装偏移（横向偏移）o在贴装时发生横向移位（规定元器件的长度方向为“纵向”）。o合格的标准是：焊端宽度的3/4以上在焊盘上，即D1焊端宽度的75%；否则为不合格。o贴装偏移（纵向偏移）o在贴装时发生纵向移位，合格的标准是：焊端与焊盘必须交叠；如果D20，则为不合格。o旋转偏移o在贴装时发生旋转偏移，合格的标准是：D3焊端宽度的75%；否则为不合格。o元器件在贴装时与焊锡膏图形的关系：o合格的标准是：o元件焊端必须接触焊锡膏图形；否则为

18、不合格。o 小外形晶体管（SOT）允许的贴装偏差范围：允许有旋转偏差，但引脚必须全部在焊盘上。o 小外形集成电路（SOIC）允许的贴装偏差范围：允许有平移或旋转偏差，但必须保证引脚宽度的3/4在焊盘上。o 四边扁平封装器件和超小型器件（QFP，包括PLCC器件）允许的贴装偏差范围：要保证引脚宽度的3/4在焊盘上，允许有旋转偏差，但必须保证引脚长度的3/4在焊盘上。o BGA器件允许的贴装偏差范围：焊球中心与焊盘中心的最大偏移量小于焊球半径。o元器件贴装压力（贴片高度）o元器件贴装压力要合适，如果压力过小，元器件焊端或引脚就会浮放在焊锡膏表面，使焊锡膏不能粘住元器件，在传送和再流焊过程中可能会产

19、生位置移动。o如果元器件贴装压力过大，焊膏挤出量过大，容易造成焊锡膏外溢粘连，使再流焊时产生桥接，同时也会造成器件的滑动偏移，严重时会损坏器件。o自动贴片机的工作方式和类型o按照贴装元器件的工作方式，贴片机有四种类型：顺序式、同时式、流水作业式和顺序同时式。它们在组装速度、精度和灵活性方面各有特色，要根据产品的品种、批量和生产规模进行选择。目前国内电子产品制造企业里使用最多的是顺序式贴片机。o顺序式贴装机o由单个贴装头顺序地拾取各种片状元器件，固定在工作台上的电路板，由计算机进行控制作X-Y方向上的移动，使板上贴装元器件的位置恰位于贴装头的下面。o同时式贴装机o也叫多贴装头贴片机，是指它有多个

20、贴装头，分别从供料系统中拾取不同的元器件，同时把它们贴放到电路基板的不同位置上。o流水作业式贴装o是指由多个贴装头组合而成的流水线式的机型，每个贴装头负责贴装一种或在电路板上某一部位的元器件。这种机型适用于元器件数量较少的小型电路。o顺序同时式贴装机o顺序式和同时式两种机型功能的组合。片状元器件的放置位置，可以通过电路板作X-Y方向上的移动或贴装头作X-Y方向上的移动来实现，也可以通过两者同时移动实施控制。清洗工艺、清洗设备和免清洗焊接方法o 清洗工艺和免清洗工艺o电路板在焊接以后，其表面或多或少会留有各种残留污物。为防止由于腐蚀而引起的电路失效，应该进行清洗，去除残留污物。但是，清洗工艺要消

21、耗能源、人力和清洗材料，特别是清洗材料带来的废气、废水排放和环境污染，已经成为必须重视的问题。现在，除非是制造航天、航空类高可靠性、高精度产品，很多企业在一般电子产品的生产过程中，都改用了免清洗材料（主要是免清洗助焊剂）和免清洗工艺。o 残留污物的种类o焊接后电路板上的残留污物，一般可以分为三大类。o颗粒性残留污物，包括灰尘、絮状物和焊料球。会导致电路腐蚀，造成电路短路。o极性残留污物，包括卤化物、酸和盐，会降低导体的绝缘电阻，并可能导致印制电路导线锈腐。o非极性残留污物，包括油脂、蜡和树脂残留物。非极性残留物的特性是绝缘的，虽然它们不会引起电路短路，但在潮湿的环境中会使电路板出现粉状或泡状腐

22、蚀。o颗粒性残留污物，可以采用高压喷射或超声波等机械方式清除；而极性和非极性残留污物，应该使用溶剂在清洗设备中将其去除。o 溶剂的种类和选择o清除极性和非极性残留污物，要使用清洗溶剂。清洗溶剂分为极性和非极性溶剂两大类：极性溶剂包括有酒精、水等，可以用来清除极性残留污物；非极性溶剂包括有氯化物和氟化物两种，如三氯乙烷、F-113等，可以用来清除非极性残留污物。由于大多数残留污物是非极性和极性物质的混合物，所以，实际应用中通常使用非极性和极性溶剂混合后的溶剂进行清洗，混合溶剂由两种或多种溶剂组成。混合溶剂能直接从市场上购买，产品说明书会说明其特点和适用范围。o选择溶剂，除了应该考虑与残留污物类型

23、相匹配以外，还要考虑一些其它因素：去污能力、性能、与设备和元器件的兼容性、经济性和环保要求。o 溶剂清洗设备o溶剂清洗设备用于清除电路板上的残留污物，按使用的场合不同，可分为在线式清洗器和批量式清洗器两大类，每一类清洗器中都能加入超声波冲击或高压喷射清洗功能。o这两类清洗设备的清洗原理是相同的，都采用冷凝蒸发的原理清除残留污物。主要步骤是：将溶剂加热使其产生蒸汽，将较冷的被清洗电路板置于溶剂蒸汽中，溶剂蒸汽冷凝在电路板上，溶解残留污物，然后，将被溶解的残留污物蒸发掉，被清洗电路板冷却后再置于溶剂蒸汽中。循环上述过程数次，直到把残留污物完全清除。o在线式清洗器用于大批量生产的场合。它的操作是全自

24、动的，它有全封闭的溶剂蒸发系统，能够做到溶剂蒸汽不外泄。在线式清洗器可以加入高压倾斜喷射和扇形喷射的机械去污方法，特别适用于表面安装电路板的清洗。o批量式清洗器适用于小批量生产的场合，如在实验室中应用。它的操作是半自动的，溶剂蒸汽会有少量外泄，对环境有影响。o 水溶液清洗o 水是一种成本较低且对多种残留污物都有一定清洗效果的溶剂。水对大多数颗粒性、非极性和极性残留污物都有较好的清洗效果，但对硅脂、树脂和纤维玻璃碎片等电路板焊接后产生的不溶于水的残留污物没有效果。在水中加入碱性化学物质，如肥皂或胺等表面活性剂，可以改善清洗效果。除去水中的金属离子，将水软化，能够提高这些添加剂的效果并防止水垢堵塞

25、清洗设备。因此，清洗设备中一般使用软化水。o 免清洗焊接技术o目前有两种技术可以实现免清洗焊接，一种是惰性气体焊接技术，另一种是反应气氛焊接技术。o 惰性气体焊接技术o在惰性气体中进行波峰焊接和再流焊接，使SMT电路板上的焊接部位和焊料的表面氧化被控制到最低限度，形成良好的焊料润湿条件，再用少量的弱活性焊剂就能获得满意的效果。常用的惰性气体焊接设备，有开放式和封闭式两种。o开放式惰性气体焊接设备采用通道式结构，适用于波峰焊和连续式红外线再流焊。 o封闭式惰性气体焊接可用于波峰焊、红外和强力对流混合的再流焊 。o 反应气氛焊接技术o反应气氛焊接是将反应气氛通入焊接设备中，从而完全取消助焊剂的使用

26、，反应气氛焊接技术是目前正在研究和开发中的技术。4.5 SMT焊接质量标准o1 SMT焊点的质量标准 o 可靠的电气连接 o 足够的机械强度 o 光洁整齐的外观典型SMT焊点的外观 典型SMT焊点的外观：有末端重叠部分 SMT常见焊点缺陷及其分析 oSMT焊接的焊点缺陷： 形成原因多为：焊接点氧化、焊接温度过低、助焊剂过度蒸发。 oSMT焊接的焊点缺陷： 焊锡接触元器件oSMT焊接的焊点缺陷： 无末端重叠部分 o其他焊接缺陷： 侧装竖件（立碑）锡球光洁度差泼溅锡桥裂缝 金属镀层脱落 元件本体破损 微电子组装技术简介* o1. 基片技术 o2. 厚/薄膜集成电路（HIC）技术 o3. 芯片直接贴

27、装技术（DCA） o4. WB、TAB和FC技术 o1. 基片技术 o基片是在电子部件内部提供高密度多层互连功能的一种材料，基片在部件的封装方面起着关键作用。 o目前常用的有陶瓷基片、约束芯板基片、塑性层基片、环氧玻璃基片等几种。o 陶瓷基片 o由氧化铝（99或96）、氧化铵等材料采用薄膜或厚膜技术制成。 o陶瓷基片的热膨胀系数（CTE，Coefficient of Thermal Expansion）与陶瓷封装相同，不会出现热膨胀系数失配问题，非常适用于存在未封装裸片的混合电路中。 o缺点是尺寸较大，介电常数和成本较高。o 约束芯板基片 o约束芯板基片由42号合金、包钢钼、瓷化殷钢等材料制成

28、。其特点依所用材料不同而有较大差异， o约束芯板基片具有强度大、体积轻的特点。o 塑性层基片 o塑性层基片采用增加塑性层的方法制成，在环氧玻璃基片上涂覆环氧树脂层。 o塑性层基片的可靠性好，价格较低。但塑性层基片在制作和装配过程中，存在环氧树脂层容易受到化学用品溶解的问题。o 环氧玻璃基片 o环氧玻璃基片由环氧树脂和玻璃纤维组成的复合材料制成。 o环氧玻璃基片具有强度高的特点。o2. 厚/薄膜集成电路（HIC）技术 o厚/薄膜集成电路（HIC），是以膜的形态在绝缘基板上形成的一种集成电路，只能集成无源元件。 o按膜的厚度和形成工艺的不同，分为薄膜集成电路和厚膜集成电路两种。o薄膜工艺是在绝缘基

29、板上用真空蒸发或溅射金属Au、A1、Cu，然后光刻腐蚀出所需的导体图形。 o膜厚约为几十几百纳米（nm）。 o薄膜工艺的流程 ： o厚膜工艺是用丝网印刷、烧结工艺形成膜及图形。 o膜厚大约几m几十m。 o厚膜工艺分干法和湿法两种。o厚/薄膜集成电路具有如下主要特点： o组装密度高，高频性能好，散热性能好，高温稳定性好。 o 厚/薄膜基板一般采用氧化铝，其导热率比环氧玻璃布印制板高两个数量级，故有较大的功率密度。 o 厚/薄膜电路的制造成本高，且基板尺寸做不大。o3. 芯片直接贴装技术（DCA） o芯片直接贴装（DCA，Direct Chip Attach）技术也叫做板载芯片（COB，Chip On Board）技术，就是把裸露的集成电路芯片直接贴装到包括有环氧玻璃（FR4）基片在内的印制电路基板上。 o特点： o比常规的SMT技术有更高的安装密度、