第4章 表面安装元器件的封装技术

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采用SMD,元器件安装密度高,PWB上功率密度高,散热问 题显得重要;SMD与PWB的CTE不一样引起的裂纹和开裂问题,塑 料件的吸潮问题等,都是SMD技术中需要解决的问题。
4.2 SMD的分类及其特点
SMD的种类很多,通常可按封装外形及封装材料进行分类。
4.2.1 按封装外形分类及特点
• 芝麻管形、圆柱形、SOT形:主要封装二极管、三极管,有2 ∽4个引脚; • SOP(SOJ)形:引脚两边引出,封装数十个I/O引脚的中、小 规模IC及少数LSI芯片,节距多为1.27mm和0.65mm等; • PQFP形:四边引脚,主要封装I/O数为40∽304的LSI和VLSI, 节距1.27、0.8、0.65、0.5、0.4、0.3mm; • PLCC形:为四边引脚,封装I/O数为16∽256的IC,节距: 1.27、1.0、0.8、0.65mm; • BGA/CSP:基底底面面阵凸点引脚,封装数百乃至数千I/O引 脚数的IC,节距1.27、1.0、0.8、0.5mm;
第4章 表面安装元器件的封装技术
4.1 概述
4.1.1 表面安装元器件
表面安装元器件是SMT技术的基础与核心。 20世纪60年代,荷兰菲利浦公司研制出钮扣状IC封装,并以 表面安装的形式用于电子手表。这种器件封装结构后来发展成 为小外形封装的IC(SOIC),引脚分布在封装体的两边成鸥翼形。
1977年,日本松下首先采用SMC/SMD制成厚度仅13mm的收
• 裸芯片直接芯片安装(DCA):如COB、TAB、FCB等,节距可 小于0.2mm。
4.2.2 按封装材料分类及特点
• 玻璃二极管封装:圆柱形无引脚,用于齐纳二极管、高速开 关管及普通二极管;


塑料封装类:利用引线框架安装芯片并进行模塑封装,适合
陶瓷封装类:气密性封装,具有良好的电性能、热性能及耐
要特别注意的是:PLCC的引脚起始点排列顺序与SOP及DIP
有所不同,PLCC的1号引脚结构从左边开始逆时钟记数,如图。
往往在封装 表面都设有引脚 标记符号(小圆 点或半圆点或器
件斜边标记脚)。
一般将标记放在 向上的左手边, 若每边的引脚数 为奇数,则中心引脚为1号引脚,若为偶数,则中心两根引脚中
装厚度可达1.4mm或更薄。引脚节距为0.5mm、0.4mm和0.3mm。
(4)窄节距QFP(FQFP)
由于引脚节距变窄,封装体相应变小、变薄,引脚节距为 0.5mm、0.4mm和0.3mm。
(5)带保护垫的QFP(BQFP) 带有翼形引脚的各类窄QFP,由于引脚非常纤细,容易在包装、 运输、储存、加工测试过程中损坏引脚或破坏引脚的共面性,美 国开发出一种窄引脚间距QFP结构。其最突出的特点是四角有凸 出的缓冲垫,它比引脚长约0.05mm(约2mil),用来保护纤细的引 脚。其结构如下图所示。
PQFP的封装尺寸及引脚参数,可供参考。
3. QFP的封装工艺技术
(1)PQFP的封装工艺技术 PQFP的封装工艺技术与其他塑封器件(如TO、PDIP、SOP等) 基本相似,工艺流程如下图所示。
SOT型封装原为替代HIC的芝麻管,安装在HIC陶瓷基板上。 随着SMT的发展,更多的SOT型封装用于PWB上安装。
SOT型通常有三种:SOT23、SOT89和SOT143。
1. SOT23
有三根翼形引脚的
通用型晶体管封装结构, 典型的外形尺寸如图所 示。这种主要用于封装 小功率晶体管,也用于 封装场效应管、二极管 及带电阻网络的复合晶 体管。
音机(后又组装成5mm厚),正式为SMC/SMD的大量使用打开了
局面。 20世纪80年代,SMT处于大发展时期,日本70年代开始研制 80年代末成为SMT主流封装的塑料四边引脚扁平封装(PQFP)结 构,引脚成鸥翼形。同时美国研制出塑料有引脚片式载体 (PLCC),引脚四边分布,呈“J”形。
表面安装元器件与直插型器件焊点形式比较
靠左边的引脚为1号。通常从标记符号的指向处的左边开始计算 引脚的起止(按逆时钟方向)。
方形PLCC的封装外形如下图所示。
4.3.6 陶瓷无引脚片式载体(LCCC)封装技术
LCCC是美国20世纪70年代研制的。其特点是无引脚,在陶 瓷封装体四周的引脚处具有城堡式的镀Au凹槽,可直接焊到基 板的焊区上,或者安装到已焊接到PWB的插座上。由于是无引脚 的陶瓷气密性封装,寄生电感和寄生电容小,适于高频、高速 LSI芯片封装,且电性能、热性能和耐腐蚀性能俱佳,但制作工 艺要求高且复杂,又使用陶瓷,故成本较高,常应用于军事和 高科技领域中。
SOP有常规型、窄节距SOP(SSOP)及薄型SOP(TSOP)多 种。P105表4-4、表4-5和P106表4-6、表4-7给出这几类封装的 有关数据(EIAJ标准)。P107表4-8给出SOJ的常用尺寸数据。 下图分别为SOP和SOJ的外形图。
4.3.5 塑料有引脚片式载体(PLCC)封装技术
90年代初、中期,为解决高I/O数封装问题,终于出现了 BGA封装技术。
4.1.2 SMHale Waihona Puke Baidu的优势
SMD与通孔插装元件相比,有如下明显优势: (1)SMD体积小、重量轻,所占基板面积小,因而组装密度高 SMD所占基板面积只为DIP的25%∽40%;所点基板空间(高 度)为DIP的40%∽85%;而重量为DIP的4.5%∽13.5%。
LCCC的引脚节距为1.27mm、1.0mm、0.65mm、0.635mm和 0.5mm等,有矩形和方形两种。矩形引脚数为18、22、28、32、 42,方形引脚数为16∽256多种。根据结构不同,又进一步分为 A、B、C、D、E、F等型号,由JEDEC给予不同的命名,如MS-002 至MS-005分别代表A、B、C、D型,E型和F型暂无命名。
的下面,所占的PWB面积比SOP 要小——SOJ。
SOP的特点是引脚易焊接,焊点容易检查,但占用PWB的面积 比SOJ大,SOJ的安装密度高。两类封装的引脚节距多为1.27mm、 1.0mm和0.65mm等,引脚数为8∽86只。主要封装中、小规模芯 片,也封装I/O引脚低的LSI芯片。 SOP、SOJ几乎全部是模塑封装,其封装技术与其他模塑工 艺类似。先把IC芯片用导电银浆(又称导电胶)或树脂粘接在 引线框架上,经树脂固化,使IC芯片固定,再将IC芯片上的焊 区与引线框架引脚的键合区(一般局部镀Au或Ag)用WB连接。 然后放入塑封模具中进行模塑封装,出模后经切筋整修,去除 塑封“毛刺”,对框架外引脚打弯成型。若引脚弯成翼形,就 成为SOP;若引脚弯成“J”形,就成为了SOJ。成型的SOP、SOJ 经筛选、测试、分选、打印、包装,就成为了成品。封装过程 示意图如下图所示。
各种不同型 号的LCCC外形结 构如右图所示。 LCCC是用90%∽ 96%的Al2O3多层 陶瓷工艺制作。
4.3.7 四边引脚扁平封装(QFP)技术
为解决高I/O引脚数的LSI、VLSI芯片的封装,满足SMT高密 度、高性能、多功能及高可靠的要求,引脚节距向窄节距方向发
展,日本于20世纪80年代研制开发出了四边引脚扁平封装(QFP)。
封装体引脚四边引出,有翼形和“J”形引脚(又称QFJ)两种,如 下图所示。QFJ实际上与美国研制开发的PLCC相同,只是叫法不
同。
QFP 的 内 部 结 构 两 种 形 式 ( )
3
QFP经过不断改进,在20世纪90年代成为各类LSI芯片及较低
I/O引脚数的VLSI芯片的SMD类主流封装产品,特别是I/O引脚数 在208个以下的QFP,成为优选的SMD封装产品。
1. QFP的分类与特点
QFP按其封装材料、外形结构及引脚节距常分为如下几种: (1)塑封QFP(PQFP)
产量及使用量最大且应用面最广、价格最低的SMD封装产品, 占所有QFP的90%以上。引脚节距通常为1.0mm、0.8mm和0.65mm。
(2)陶瓷QFP(CQFP) 价格较高的气密性SMD封装产品,多用于军事通信装备及航 空航天等要求高可靠或使用环境条件苛刻的尖端电子装备中。 引脚节距通常为1.27mm、1.0mm、0.8mm和0.635mm。 (3)薄型QFP(TQFP) 为适用各种薄型电子整机而开发,封装厚度较薄,最小封
晶体管和IC封装,是SMD主要封装形式,占总量的95%以上; 腐蚀性,成本较高,在尖端领域得到广泛应用。
4.3 主要SMD的封装技术
4.3.1 “芝麻管”的封装技术
如图在一小小的的圆陶瓷片(直径3mm)上用厚、薄膜方法
制成发射极、基极、集电极并引出三根引脚,芯片烧(粘)结 在集电极焊区上,芯片上的e、b用WB焊接到陶瓷片的e、b电极 上,再用环氧树脂将芯片包围固化起来。曾在HIC中沿用到80年 代中期。
2. SOT89
三根短引脚分布在同一侧的功率晶体管封装结构,典型的 外形尺寸如图所示。集电极宽且长,塑封时露在外面,用于装 芯片和散热。
3. SOT143
典型的外形尺 寸如图所示。主要 特点是有四根翼形 引脚,散热性能与 SOT23相当,主要用 于场效应晶体管及 高频晶体管封装。
SOT型的封装工艺技术类似,也比较简单。通常是在冲制好 的引线框架集电极上装配晶体管芯片。可用低温银浆粘接芯片, 再加热还原出银的方法,也可用Au-Sb合金与芯片烧结共熔法, 或者使用导电胶粘接芯片固化法等。装好芯片后,将芯片的发
以上各类型的QFP又有矩形和方形之分,引线框架材料多为 C194Cu、可伐合金或42铁镍合金。按日本的EIAJ标准,方形QFP 的外形尺寸多为5mm或7mm的整数倍,而矩形QFP的长宽比,通常 长边为短边
2倍。
2. 各类QFP的封装尺寸和引脚参数
P112∽P114表11∽表13分别列出了常规QFP、TQFP、和
lead frame 封装
Sawing
Saw Blade Die Bonding Wire
Die Attach
Lead Frame
Wire Bonding
Wafer
Capillary
Mold
Trimming
Tin Plating
SnPb/ SnBi
Forming
EMC
Packing
Final Test
PLCC是美国20世纪70年代开发的针对LSI的封装结构,节距 1.27mm,四边引脚呈“J”形,向封装体下面弯曲。引脚材料为
Cu合金。其内部结构和外形如图所示。
PLCC的外形有方形和矩形两种,矩形PLCC引脚数为18、28 和32等几种,方形PLCC有20、28、44、52、68、84、100和124 等多种,美国重点开发的是84以下引脚的PLCC。
(5)能提高可靠性
SMD的端电极直接安装在PWB上,消除了元器件与PWB间的二 次连接,可减少因连接引起的故障。直接安装紧靠PWB,具有良 好的耐冲击及耐高频振动能力。其电子产品的可靠性高于DIP。 (6)更有利于环境保护 同样功能的IC,SMD比DIP小得多,原材料减少,环境污染 相应减少。
4.1.3 SMD的不足
射极、基极与对应引线框架的另两极用WB互连,再经模塑料封 装以及筛选,就制成了各类SOT型晶体管。
4.3.4 IC小外形封装(SOP)技术
SOP实际上是DIP的变形,将直插式引脚向 外或向内弯曲。 SOP的封装结构的引脚有两种不同的形式: • • “L”形的翼形引脚——SOP; “J”形的引脚,引脚在封装
SMD只占有基板的一面,而DIP却占有两面,一面插装,另 一面焊接。 (2)与DIP相比,具有优异的电性能
SMD的引脚短或无引脚,寄生参数(L、C)小,噪声小,信
号传输快。 (3)适合自动化生产 SMD小而轻,形状规则,安装机拾放容易,且一机可以安装 多种SMD。
(4)降低生产成本 安装SMD的PWB钻孔大大减少,可减少插装元器件的打弯整 形工序,可两面安装,节约PWB面积;自动化程度高,可大大提 高生产率。这些都能有效降低生产成本。
4.3.2 圆柱形无引脚安装(MELF)二极管的封装技术
封装结构如图,将二极管芯片装在具有内部电极的玻璃管 中,再将玻璃管的两端装上正、负极金属帽。就制成了表面安 装元器件。
由于圆形电极无方向性,给安装带来很大方便,也无需编 带包装,从而节省了包装成本。
4.3.3 小外形晶体管(SOT)的封装技术
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