第五章 表面组装技术(SMT)与表面组装元器件(SMC、SMD)

３．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：
I. 引出线端部凸点的形成工艺较为复杂；
II. 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；
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)：
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。
§5.3 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(机电元件) 1. EB2型的工作原理
2. EB2型继电器的结构
§5.4 表面组装件的设计 §5.4.1 设计工作概述
一. 步骤：
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：
加盖封装．
Ｂ．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：
１．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：
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
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；
C. 组装设计 电设计、热设计、元器件布局、基板图形 设计等；
D. 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、
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．
３．表面组装技术的三个发展阶段
I．1970~1975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；
II．1976~1980年：
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
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
Ｄ．方形扁平封装载体(QFP) 外形尺寸：
通孔组装元器件：2~4只/cm3； 单面表面组装：3~6只/cm3； 单面混合组装：4~8只/cm3； 双面混合组装：5~9只/cm3； 双面表面组装：6~12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；
❖ 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
A [ (ai Ii ) ni ]K M
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
第五章 表面组装技术(SMT) 与表面组装元器件(SMC、SMD)
§5.1 绪 论
1. 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．
9．SMT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：
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：
三种结构类型：
单层载带：只带一铜箔，在其上形成图形，键合后 不能进行测试，目前较少采用；
双层载带：铜箔直接粘附于薄膜上，要求底膜的绝 缘耐压高、机械强度高(聚酰亚胺和聚酯)。不带 粘结剂，高温稳定性高；
三层载带：底膜与铜箔之间有一粘结层，可选用廉 价的底膜
２．表面组装元器件(SMT之基础)的发展过程 Ａ．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)
特点：引出线极细，贴装技术要求高
２．陶瓷封装器件： A．无引线陶瓷芯特点：
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；
(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
Sn-Ag系
(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
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(影响：元件泳动、热量控制、焊锡沿布线的 迁移)
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，当焊盘间距小时，可能污染焊盘造成焊接缺陷，或者 在元器件的引线与焊盘之间造成开路。 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(厚度较厚)，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(P398 fig25-18) 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
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：
２．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．
Ｄ．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．
III. 必须对引线镀金后再进行键合，以降低 接触电势差，使工艺复杂化。
４．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 3~10m，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。
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
§5.2 表面组装半导体器件(Surface
Mounting Devices)
一．封装型半导体器件
１．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)：
❖ 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
❖ 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．
C．SMT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．
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
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
5. 表面组装技术的分类： A. 单面混合组装件：
B. 双面混合组装件
C. 全表面组装件
6. 表面组装技术的工艺流程 A. 单面混合组装件：
B. 双面混合组装件
C. 全表面组装技术
7. 表面组装技术的优点 A. 实现组装的高密度、小体积和轻重量；
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．
III．1980~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