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表面封装技术
毕业设计（论文）
专业_
班次_________________
姓名__________________
指导老师
电子科技大学
二零零九年六月
摘要
随着现代社会的发展，人们对电子产品的要求也越来越高，而集成电路随着人们的要求发展的越来越快，起内部的集成的晶体管数量也从数十万、上百万甚至几千万，半导体制造技术的规模也由SSI（小规模）、MSI（中规模）、LSI（大规模）、VLSI（超大规模达到ULSI（巨大规模），要集成如此大量的晶体管必然要有足够大的硅片，要封装好这样的硅片又要有足够好的封装技术，本文那就详解其中一种封装技术SMT——表面封装技术。
【关键字】集成电路封装表面封装技术
Abstract
Withthedevelopmentofmodernsociety,people'sdemandsforelectronicproductshavebecomemoresophisticated,andintegratedcircuitsalsorequirethedevelopmentofpeoplewiththeincreasinglyrapidintegrationfromwithinthenumberoftransistorsfromthehundredsofthousands,millionsoforeventensofmillions,thescaleofsemiconductormanufacturingtechnologyfromtheSSI（smallscale）,MSI（MediumScale）,LSI（largescale）,VLSI（verylargescaletoachieveULSI（magnitude）,itisnecessarytointegratesuchalargenumberofthetransistorsmustThereareenoughsilicontosiliconsuchagoodpackagetopackagingtechnologygoodenough,thisarticlewhichwouldexplainapackagingtechnologySMT-surfacemounttechnology.
【Keywords】ICPackagingSurfacemounttechnology
目录
第一章前言１
1.1封装技术的简介１
1.2表面封装技术的定义１
1.3表面封装技术的技术指标１
第二章SMT的组装工艺流程与组装生产线３
2.1SMT的组装方式３
2.2组装的工艺流程４
2.3SMT生产线的设计１１
第三章印刷１４
3.1SMT印刷涂覆原理与特点１４
3.2丝网印刷技术１４
3.3模板漏印技术１６
第四章贴装１７
4.1贴装的方法与工艺特性１７
4.2贴装机的基本组成１７
4.3贴装头及其组成１７
第五章SMT的焊接工艺技术２０
5.1SMT焊接的方法２０
5.2SMT焊接的特点２０
第六章SMT的检测与返修技术２６
6.1检测技术的基本内容２６
6.2返修的基本方法２７
第七章SMT组装工艺材料的选择２９
7.1SMT组装工艺材料的用途２９
7.2SMT工艺材料的应用要求２９
第八章SMT的发展展望３１
总结３２
致谢３３
第一章前言
1.1封装技术的简介
自从美国Intel公司1971年设计制造出4位微处a理器芯片以来，在20多年时间内，CPU从Intel4004、80286、80386、80486发展到Pentium和PentiumⅡ，数位从4位、8位、16位、32位发展到64位;主频从几兆到今天的400MHz以上，接近GHz;CPU芯片里集成的晶体管数由2000个跃升到500万个以上;半导体制造技术的规模由SSI、MSI、LSI、VLSI达到ULSI。
封装的输入/输出（I/O）引脚从几十根，逐渐增加到几百根。
这一切真是一个翻天覆地的变化。
芯片的封装技术已经历了好几代的变迁，从DIP、QFP、PGA、BGA到CSP再到MCM，技术指标一代比一代先进，包括芯片面积与封装面积之比越来越接近于1，适用频率越来越高，耐温性能越来越好，引脚数增多，引脚间距减小，重量减小，可靠性提高，使用更加方便等等。
下面将对表面封装技术作详细说明。
1.2表面封装技术的定义
所谓表面封装技术即PCB上无需通孔,直接将表面贴装元器件贴、焊到印制电路板表面规定位置上的电路装联技术。
与传统的封装相比，SMT具有高密度、高可靠、低成本、小型化、生产的自动化等优点。
1.3表面封装技术的技术指标
美、日等国均针对SMT工艺技术制订了相应标准。
我国也制订有：
《表面组装工艺通用技术要求》
《印制板组装件装联技术要求》
《电子元器件表面安装要求》
SMT工艺设计和管理中可以以上述标准为指导来规范一些技术要求。
由于SMT发展速度很快，其工艺技术将不断更新，所以，在实际应用中要注意上述标准引用的适用性问题
1.4表面封装技术的特点和意义
SMT工艺技术的主要特点：
（1）组装对象（元器件、多芯片组件、接插件等）种类多；
（2）组装精度和组装质量要求高，组装过程复杂及控制要求严格；
（3）组装过程自动化程度高，大多需借助或依靠专用组装设备完成；
（4）组装工艺所涉及技术内容丰富且有较大技术难度；
（5）SMT及其元器件发展迅速引起的组装技术更新速度快等。
封装对于芯片来说是必须的，也是至关重要的，因为芯片必须与外界隔离，避免完结的污染与腐蚀。
而封装过后芯片也便于运输与安装。
第二章SMT的组装工艺流程与组装生产线
2.1SMT的组装方式
SMT的组装方式及其工艺流程主要取决于表面组装组件（SMA）的类型、使用的元器件种类和组装设备条件。
大体上可将SMA分成单面混装、双面混装和全表面组装三种类型共六种组装方式，如表2-1所列。
不同类型的SMA其组装方式有所不同，同一种类型的SMA其组装方式也可以有所不同。
根据组装产品的具体要求和组装设备的条件选择合适的组装方式，是高效、低成本组装生产的基础，也是SMT工艺设计的主要内容。
2.1.1单面混合组装
单面混合组装，即SMC/SMD与通孔插装元件（THC）分布在PCB不同的一面上混装，但其焊接面仅为单面。
这一类组装方式均采用单面PCB和波峰焊接（现一般采用双波峰焊）工艺，具体有两种组装方式。
（1）先贴法。
第一种组装方式称为先贴法，即在PCB的B面（焊接面）先贴装SMC/SMD，而后在A面插装THC。
（2）后贴法。
第二种组装方式称为后贴法，是先在PCB的A面插装THC，后在B面贴装SMD。
图2-1单面混合组装
2.1.2双面混合组装
双面混合组装，在这一类组装方式中也有先贴还是后贴SMC/SMD的区别，一般根据SMC/SMD的类型和PCB的大小合理选择，通常采用先贴法较多。
该类组装常用两种组装方式。
（1）SMC/SMD和THC同侧方式。
（2）SMC/SMD和THC不同侧方式。
把表面组装集成芯片（SMIC）和THC放在PCB的A面，而把SMC和小外形晶体管（SOT）放在B面。
这类组装方式由于在PCB的单面或双面贴装SMC／SMD，而又把难以表面组装化的有引线元件插入组装，因此组装密度相当高.
图2-2表面组装
2.1.2全表面组装
全表面组装，在PCB上只有SMC／SMD而无THC。
由于目前元器件还未完全实现SMT化，实际应用中这种组装形式不多。
（1）单面表面组装方式。
表2-1所列的第五种方式，采用单面PCB在单面组装SMC／SMD。
（2）双面表面组装方式。
表2-1所列的第六种方式，采用双面PCB在两面组装SMC／SMD，组装密度更高。
2.2组装的工艺流程
合理的工艺流程是组装质量和效率的保障，表面组装方式确定之后，就可以根据需要和具体设备条件确定工艺流程。
1、单面混合组装工艺流程
单面混合组装方式有两种类型的工艺流程，一种采用SMC/SMD先贴法（图a）。
图2-3先贴法
图2-4先贴法
另一种采用SMC/SMD后贴法（图2-5）。
这两种工艺流程中都采用了波峰焊接工艺。
图2-5后贴法
图2-6后贴法
SMC/SMD先贴法的工艺持点是粘接剂涂敷容易，操作简单，但需留下插装THC时弯曲引线的操作空间，因此组装密度较低。
SMC/SMD后贴法克服了SMC/SMD先贴法方式的缺点，提高了组装密度。
但涂敷粘接剂较困难。
这种组装方式广泛用于TV、VTR等PCB组件的组装中。
2、双面混合组装工艺流程
双面PCB混合组装有两种组装方式：
一、SMC/SMD和THC同在电路板的A面；
二、PCB的A面和B面都有SMC/SMD，THC只在A面。
双面PCB混合组装一般都采用SMC/SMD先贴法。
图2-7双面混合组装工艺流程（SMD和THC在同一侧）
图2-8采用热棒或激光再流焊接的双面混合组装工艺流程
图2-9双面混合组装工艺流程：
SMIC和SMD分别在A面与B面
图2-10双面混合组装工艺流程
图2-11双面板混合组装工艺流程A
图2-12双面板混合组装工艺流程B
3、全表面组装工艺流程
全表面组装工艺流程中的单面表面组装方式的典型工艺流程如图所示。
这种组装方式是在单面PCB上只组装表面组装元器件，无通孔插装元器件，采用再流焊接工艺，这是最简单的全表面组装工艺流程。
图2-13单面组装工艺流程
图2-16双面表面组装工艺流程B
2.3SMT生产线的设计
SMT生产线主要由点胶机、焊膏印刷机、SMC/SMD贴片机、再流焊接设备、检测设备等组装和检测设备组成。
SMT生产线的设计和设备选型要结合主要产品生产实际需要、实际条件、一定的适应性和先进性等几方面进行考虑
图2-17生产线设计示例
在已知组装产品对象的情况下，建立SMT生产线前应该先进行SMT总体设计，确定需组装元器件种类和数量、组装方式及工艺和总体设计目标，然后再进行生产线设计。
无论是仿制SMT产品、传统THT产品改进，还是SMT产品升级换代，在总体设计中，都应该结合产量规模和投资规模，以及对SMT生产工艺及设备的调研了解，合理地选择元器件类型，设计出产品组装方式和初步工艺流程。
在设计的时候要注意以下几点：
（1）要保证元器件品种齐套，否则将使生产线不能投产，为此，应有后备供应
商。
（2）元器件的质量和尺寸精度应有保证，否则导致产品合格率低，增加返修率。
（3）不可忽视SMC／SMD的组装工艺要求。
注意元器件可承受的贴装压力和冲击力及其焊接要求等。
如J型引脚PLCC，一般只适宜采用再流焊。
（4）确定元器件的类型和数量、元器件最小引脚间距、最小尺寸等，并注意其与组装工艺的关系
2.4组装方式与工艺流程的确定
组装方式是决定生产工艺复杂性、生产线规模和投资强度的决定性因素。
同一产品的组装生产可以用不同的组装方式来实现。
确定组装方式时既要考虑产品组装的实际需要，又应考虑发展适应性需要。
在适应产品组装要求的前提下，一般优选单面混合组装或单面全表面组装方式。
组装方式确定之后，即可初步设计出工艺流程，并制定出相应的关键工序及其工艺参数和要求，如贴片精度要求，焊接工艺要求的确定等，便于设备选型之用。
如果不是按实际需要盲目设计、建立一条生产线，再根据已建生产线及其设备来确定可能进行的工艺流程，就有可能产生或是大材小用，或是一些设备闲置不能有效利用，或是达不到产品质量要求等不良后果。
为此，应充分重视“按需设计”这一设计原则。
2.5设备的选型
SMT设备的选型应充分重视其性能价格比和设备投资回收
年限。
根据总体设计中的元器件种类及数量、组装方式及工艺流程、PCB板尺寸及拼板规格、线路设计及密度和自动化程度及投资强度等，来进行设备选型，一般以贴片机的选型为重点。
注意以下几个问题。
1、性能、功能及可靠性
2、可扩展性和灵活性
3、可操作性和可维护性
第三章印刷
3.1SMT印刷涂覆原理与特点
3.1.1印刷技术的原理如3-1所示
图3-1印刷涂覆的原理
3.1.2SMT印刷技术有以下特点
SMT的印刷技术分为丝网印刷和金属漏模板
实际丝网印刷具有以下三个特征:
（1）刮板前方的焊膏沿刮板前进方向作顺时针走向滚动；
（2）丝网和PCB表面隔开一小段距离；
（3）丝网从接触到脱开PCB表面的过程中，焊膏从网孔传递到PCB表面上
而金属漏模板有以下特点：
（1）刮板前方的焊膏沿刮板前进方向作顺时针走向滚动；
（2）漏模板脱开PCB表面的过程中，焊膏从网孔传递到PCB表面上。
3.2丝网印刷技术
刷中的丝网印刷技术包括丝网制板技术和印刷技术。
在SMT焊膏的丝网印刷中，对丝网和印刷工艺都有很高的要求。
如要求丝网的尺寸精度高、稳定性好、分辨率高，印刷过程可靠性好等。
为此，丝网制板技术是丝网印关键技术，网
板也是丝网印刷机的关键部件。
3.2.1丝网制板技术
网板由网框、丝网和掩膜图形构成。
掩膜图形用适当的方法制作在丝网上，丝网绷在网框上。
（1）网框及其选择
网框的作用是支撑和绷紧丝网，有不同的制作材料和不同的种类，可据以下根据选择。
（1）网框材料。
（2）网框尺寸。
（3）网框的种类。
网框对印刷质量的影响如3-2所示。
图3-2网框对印刷质量的影响
（2）丝网的选择
丝网是支撑掩膜图形和控制焊膏印刷量的重要工具，它直接影响焊膏印刷的精度和质量。
丝网的选择可据以下根据
（1）丝网材料
（2）丝网结构和种类。
（3）丝网的几何特性。
（4）丝网的选择。
3.2.3丝网印刷的工艺过程
采用丝网印刷技术将焊膏涂敷在PCB上的印刷工艺过程如3-3所示
图3-3丝网印刷的工艺过程
丝网印刷机主要有基板夹持机构（工作台）、机架、视觉对位系统、网板、刮板组件和驱动系统等部分组成、
3.3模板漏印技术
3.3.1模板漏印技术的特点
模板漏印属直接印刷技术，采用金属模扳（亦称漏板或网板）代替丝网印刷中的网板进行焊膏印刷，也称模板印刷或金属掩模印刷技术。
金属模板上有按照PCB上焊盘图形加工的无阻塞开口，金属模板与PCB直接接触，焊膏不需要溢流。
它印刷的焊膏比丝网印刷的要厚，厚度由所用金属箔的厚度确定。
模板可以采用刚性金属模板，将它直接连接到印刷机的框架上，也可以采用挠性金属模板，利用其四周的聚酯或不锈钢丝网与框架相连接。
3.4丝网印刷技术和模版漏印技术的比较
模板印刷和丝网印刷相比（见表），虽然它比较复杂，加工成本高。
但有许多优点，如对焊膏粒度不敏感、不易堵塞、所用焊膏粘度范围宽、印刷均匀、可用于选择性印刷或多层印刷，焊膏图形清晰、比较稳定，易于清洗，可长期储存等。
并且很耐用，模板使用寿命通常为丝网的25倍以上。
为此，模板印刷技术适用于大批量生产和组装密度高、多引脚细间距的产品。
应用情况
准备时间
粘度范围
对粒度的敏感性
手工或机器印刷
模板
短
宽
弱、易堵塞
两者皆可
丝网
长
窄（450-600pas）
强、易堵塞
只能用机器
接触或非接触印刷
两者皆可
只能用非接触印刷
同面印不同厚度焊膏
清洗性
使用寿命
可以
易清洗
长
不可
不易清洗
短
图3-4丝网印刷与模版漏印技术的比较
第四章贴装
4.1贴装的方法与工艺特性
SMC/SMD贴装是SMT产品组装生产中的关键工序。
SMC/SMD贴装一般采用贴装机（亦称贴片机）自动进行，也可采用手工借助辅助工具进行。
手工贴装只有在非生产线自动组装的单件研制或试验、返修过程中的元器件更换等特殊情况下采用，而且一般也只能适用于元器件引脚类型简单、组装密度不高、同一PCB上SMC/SMD数量较少等有限场合。
随着SMC/SMD的不断微型化和引脚细间距化，以及栅格阵列芯片、倒装芯片等焊点不可见芯片的发展，不借助专用设备的SMC/SMD手工贴装已很困难。
实际上，目前的SMC/SMD手工贴装也已演化为借助返修装置等专用设备和工具的半自动化贴装。
自动贴装是SMC/SMD贴装的主要手段，贴装机是SMT产品组装生产线中的必备设备，也是SMT的关键设备，是决定SMT产品组装的自动化程度、组装精度和生产效率的主要因素。
4.2贴装机的基本组成
SMT贴装机是计算机控制，并集光、电、气及机械为一体的高精度自动化设备。
其组成部分主要有机体、元器件供料器、PCB承载机构、贴装头、器件对中检测装置、驱动系统、计算机控制系统等。
4.3贴装头及其组成
贴装头的基本功能是从供料器取料部位拾取SMC/SMD，并经检查、定心和方位校正后贴放到PCB的设定位置上。
它安装在贴装区上方，可配置一个或多个SMD真空吸嘴或机械夹具，θ轴转动吸持器件到所需角度，Z轴可自由上下将器件贴装到PCB安装面。
贴装头是贴装机上最复杂和最关键的部件，和供料器一起决定着贴装机的贴装能力。
它由贴装工具（真空吸嘴）、定心爪、其它任选部件（如粘接剂分配器）、电器检验夹具和光学PCB取像部件（如摄像机）等部分组成。
根据定心原理区分，典型的贴装头有三种。
1）无定心爪式贴装头。
其优点是：
这种最简单的贴装头只有一个真空吸嘴（贴装工具），其优点是结构简单，操作过程对元器件不会有损伤，适用范围广泛
的生产其缺点是：
它自身无法对元器件定心，无法补偿元器件在包装结构中、运送过程中和供料器上产生的元器件中心偏离，所以贴装精度低。
这种贴装头在高精度贴
装机上常和摄像头组合在一起使用。
2）带有机械定心爪的贴装头。
这种贴装头有与真空吸嘴同轴的机械定心爪
其优点是：
有与真空吸嘴同轴的机械定心爪
3）自定心贴装头。
这种贴装头较少使用，它也采用真空吸嘴，但采用一对钳形定心机构，给元器件定心，操作面积大。
为提高贴装机的贴装效率，高速贴装机的贴装头往往有多个。
4.4贴装机的工艺特性
精度、速度和适应性是贴装机的三个最重要的特性。
精度决定贴装机能贴装的元器件种类和它能适用的领域。
速度决定贴装机的生产效率和能力。
适应性决定贴装机能贴装的元器件类型和能满足各种不同贴装要求。
下面详细介绍贴装机的这三个重要特性
1、精度
精度是贴装机技术规格中的主要数据指标之一，不同的贴装机制造厂家所使用的精度有不同的定义。
一般来说，贴片的精度应包含以下三个项目：
贴装精度；分辨率；重复精度
贴装精度标志元器件相对于PCB上的标定位置的贴装偏差大小。
分辨率是描述贴装机分辨空间连续点的能力
重复精度描述贴装工具重复地返回标定点的能力。
1、速度
一般用一下三种定义描述贴装机的速度
（1）贴装周期。
是表示贴装速度的最基本的参数，它指完成一个贴装过程所用的时间。
贴装机在排除外部因素之后以一定的贴装速度完成贴装周期。
（2）贴装率。
贴装率是在贴装机的技术规范中所规定的主要技术参数，它是贴装机制造厂家在理想的条件下测算出的贴装速度，是指在一小时内完成的贴装周期数。
（3）生产量。
理论上可以根据贴装率计算每班生产量，然而实际的生产量与计算所得到的值有很大差别，这是因为实际量受到多种因素的影响。
影响生产量的主要因素有：
PCB装载／卸载时间等等。
3、适应性
适应性是贴装机适应不同贴装要求的能力。
贴装机的适应性包括以下内容：
1）能贴装元器件类型。
2）贴装机能容纳的供料器数目和类型
3）贴装机的调整。
第五章SMT的焊接工艺技术
5.1SMT焊接的方法
焊接是表面组装技术中的主要工艺技术。
焊接质量是表面贴胶片可靠性的关键，它直接影响电子装备的性能可靠性和经济效益。
焊接质量决定于所用的焊接方法、焊接材料、焊接工艺技术和焊接设备。
焊接是使焊料合金和要结合的金属表面之间形成合金层的一种连接技术。
表面组装采用软钎焊技术，它将SMC/SMD焊接到PCB的焊盘图形上，使元器件与PCB电路之间建立可靠的电气和机械连接，从而实现具有一定可靠性的电路功能。
这种焊接技术的主要工艺特征是：
用焊剂将要焊接的金属表面洗净（去除
氧化物等），使之对焊料具有良好的润湿性；供给熔融焊料润湿金属表面；在焊料和被焊金属间形成金属间化合物。
图5-1SMT的焊接方法及特性
有损坏危
焊接方法
初始
投资
操作
费用
生产量
温度稳定性
适应性
温度曲线
双面
装配
工装
适应性
温度敏
感元件
焊接
覆盖率
再流焊接
传导
低
低
中高
好
最好
不能
差
影响小
很低
对流
高
高
高
好
缓慢
不能
好
有损坏危险
很低
红外
低
低
中
取决于吸收
尚可
能
好
要求屏蔽
低
激光
高
中
低
要求精确控制
要求试验
能
很好
很好
低
汽相
中高
高
中高
很好
b
能
很好
有损坏危险
中等
波峰
焊接
高
高
高
好
难建立
c
不好
有损坏危险
高
5.2SMT焊接的特点
由于SMC／SMD的微型化和SMA的高密度化，SMA上元器件之间和元器件与PCB之间的间隔很小，因此，表面组装元器件的焊接与传统引线插装元器件的焊接相比，主要有以下几个特点：
（1）元器件本身受热冲击大
（2）要求形成微细化的焊接连接；
（3）由于表面组装元器件的电极或引线的形状、结构和材料种类繁多，因此要求能对各种类型的电极或引线都能进行焊接；
（4）要求表面组装元器件与PCB上焊盘图形的接合强度和可靠性高。
所以，SMT与THT相比，对焊接技术提出了更高的要求。
然而，这并不是说获得高可靠性的SMA是困难的，事实上，只要对SMA进行正确设计和执行严格的组装工艺，其中包括严格的焊接工艺，SMA的可靠性甚至会比通孔插装组件的可靠性高。
关键在于根据不同情况正确选择焊接技术、方法和设备，严格控制焊接工艺。
除了波峰焊接和再流焊接技术之外，为了确保SMA的可靠性，对于一些热敏感性强的SMD常采用局部加热方式进行焊接。
5.2.1波峰焊接工艺技术
波峰焊接的原理与分类
波峰焊是利用波峰焊机内的机械泵或电磁泵，将熔融钎料压向波峰喷嘴，形成一股平稳的钎料波峰，并源源不断地从喷嘴中溢出。
装有元器件的印制电路板以直线平面运动的方式通过钎料波峰面而完成焊接的一种成组焊接工艺技术，如5-2所示。
图5-2波峰焊的工作原理
波峰焊技术是由早期的热浸焊接（HotDipSoldering）技术发展而来。
几十年
来，各国学者与工程人员对波峰动力学进行了大量的实验与研究，波峰焊机的波峰型式从单波
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