1、表面贴装技术第一章 电子组装的基本概念、功能及发展趋势 11.1 电子制造业 11.2 表面贴装技术 1第二章 表面组装元器件 22.1 表面组装元件的命名方法 22.2 SMC/SMD包装类型 22.3 常用电子元器件介绍 22.7 表面组装器件 32.7.1 片式二极管 32.7.2 SOT系列片式晶体管 32.7.3 SOP翼型小外形封装 32.7.4 QFP翼型扁平四方封装 32.7.5 SOJ J型小外形封装 32.7.6 PLCC塑料有引脚芯片载体 32.7.7 LCCC无引脚陶瓷封装芯片载体 32.7.8 BGA/CSP球形栅格阵列封装 42.7.9 PQFN方形扁平无引脚塑料封
2、装 42.8 表面组装元器件的包装方式与使用要求 4第三章 表面组装印制板的设计与制造 43.1 印制电路板的定义及作用 43.2 PCB分类 53.3 常用印制电路板的基板材料 53.3.1 纸基CCL 53.3.2 环氧玻璃布基CCL 53.3.3 复合基CCL 53.3.4 金属基CCL 63.3.5 陶瓷基CCL 63.3.6 柔性CCL 63.4 评估SMB基材的相关参数 63.4.1 玻璃化转变温度 63.4.2 热膨胀系数 63.4.3 PCB分解温度 63.4.4 耐热性 63.4.5 电气性能 63.5 对印制电路板的要求 63.6 PCB制造工艺 63.7 印制电路板的发展
3、趋势 73.8 PCB设计包含的内容 73.9 设计流程 73.10 PCB布局设计 73.10.1 PCB的外形设计和拼板设计 73.10.2 PCB的整体布局设计 83.10.3元器件排列方向设计 83.11 PCB布线设计的基本原则 83.12 表面组装元器件的焊盘设计 8第四章 焊膏及焊膏印刷技术 84.1 锡铅焊料合金 84.1.1 电子产品焊接对焊料的要求 94.1.3 锡铅合金相图与焊料特性 94.2 无铅焊料合金 94.3 焊膏 94.4 模板 104.5 焊膏印刷机理 104.6 印刷机概述 114.7 常见印刷缺陷分析 11第五章 贴片胶涂覆及贴片技术 125.1 贴片胶
4、125.2 贴片胶的涂敷 125.3 贴片概念和过程 135.4 贴片设备 13第六章 波峰焊接技术 136.1 波峰焊接原理及分类 136.2 波峰焊主要材料及波峰焊机设备组成 146.3 波峰焊接工艺 156.4 波峰焊接缺陷与分析 156.4.1 润湿不良、虚焊 166.4.2 锡球 166.4.3 冷焊 166.4.4 焊料不足 176.4.5 包锡 176.4.6 冰柱 176.4.7 桥接 186.4.8 其他缺陷 18第七章 再流焊接技术 187.1 再流焊技术 197.2 再流焊加热系统 197.3 再流焊机传动系统 197.4 再流焊工艺 197.4.3 再流焊缺陷分析 19
5、7.4.3.1 桥连 197.4.3.2 立碑 207.4.3.3 锡珠 207.4.3.4 元件偏移 207.4.3.5 润湿不良 207.4.3.6 裂纹 217.4.3.7 气孔 217.5 几种常见的再流焊技术 217.6 再流焊技术的新发展 21第八章 测试、清洗及返修技术 228.1 SMT检测技术概述 228.2 来料检测 228.3 在线测试技术 238.4 自动光学检测与自动X射线检测 238.5 几种测试技术的比较 248.6 清洗技术 258.7 返修技术 25Summarized by Li Yue on 14th April 2016第1章 电子组装的基本概念、功能及
6、发展趋势1.1 电子制造业 硅片制备流程:长晶-单晶锭-端点移除和直径研磨-主平面形成-晶圆切片-边角磨光-研磨-晶圆刻蚀-抛光-晶圆检视 芯片制备流程:增层-光刻和刻蚀-掺杂-热处理 封装的功能:1.固定密封保护芯片、方便运输 2.电气信号互联 3.电源管理和热耗散 封装形式:SIP、DIP、SOP、SOJ、QFP、BGA、CPGA、LCCC 电子组装:根据电路原理图对各种电子元器件、机电元器件和基板进行互连、安装和调试使之成为电子产品的过程1.2 表面贴装技术 定义:需对印制板钻插装孔,直接将片式元器件或适合于表面贴装的微型元器件贴、焊到印制板或其他基板表面规定位置上的装联技术 优点:1.
7、结构紧凑、组装密度高、体积小、重量轻 2.高频特性好 3.有利于提高可靠性 4.适合自动化生产、生产效率高 5.成本低 SMT与THT的比较 电子组装工艺:1单面组装工艺:来料检测=丝印焊膏=贴片=烘干=回流焊接=清洗=检测=返修2双面组装工艺:PCB的A面丝印焊膏=贴片=固化=A面回流焊接=清洗=翻板= PCB的B面丝印焊膏=贴片=烘干=回流焊接=清洗=检测=返修 来料检测=PCB的A面丝印焊膏=贴片=固化=A面回流焊接= 清洗=翻板=PCB的B面点贴片胶=贴片=固化=B面波峰焊=清洗=检测=返修 3双面混装工艺:PCB的A面丝印焊膏=贴片=烘干=回流焊接=插件,引脚打弯= 翻板=PCB的B
8、面点贴片胶=贴片=固化=翻板=波峰焊=清洗=检测=返修 SMT现场静电放电的危害:静电吸附:半导体介质击穿、失效 静电击穿:硬击穿-破坏器件 软击穿-降低器件性能 静电防护方法:使用静电防护材料、泄露与接地、导体静电(接地)、非导体静电(离子风机、静电消除剂、控制环境湿度、静电屏蔽) 防静电措施:静电安全工作台、防静电文件袋、防静电腕带、防静电容器、防静电工作服、防静电工作鞋、防静电接地、离子风静电消除器、防静电测试台第2章 表面组装元器件 表面组装元器件特点:体积小,重量轻、高频特性好、有利于提高可靠性、耐振动,抗冲击、适合自动化生产、有利于降低成本 分类:SMC(片式元件)、SMD 表面组
9、装元器件的基本要求:外形适合表面贴装、尺寸形状标准化、包装形式适合自动贴装要求、具有一定的机械强度,能承受贴装应力和基板的弯折应力、焊端或引脚符合可焊性要求、符合再流焊和波峰焊的耐高温焊接要求、可承受有机溶剂的洗涤 无铅对元器件的要求:(1)高温对元器件封装的影响:对封装材料的耐温性要求提高 高温对器件内部连接的影响:内部连接焊料与外部连接焊料之间的温差 (2)无铅焊接对元器件焊端表面镀层的要求:无铅、抗氧化、耐高温、与无铅焊料生成良好的界面合金2.1 表面组装元件的命名方法 SMC封装命名:用外形尺寸长度和宽度命名:如英制0805,公制2012,1inch=25.4mm SMC标称值:前几位
10、为有效数字,最后一位为倍数乘积:如3位100,4位0100,3位乘数代码法39X SMD封装命名:以器件外形命名:LCCC,SOT,SOJ,SOP,SIP,DIP,BGA,PGA,QFP2.2 SMC/SMD包装类型 包装编带、散装包装、管状包装、托盘包装2.3 常用电子元器件介绍 片式陶瓷电阻器 圆柱片式电阻器 小型固定电阻网络 片式微调电位器:密封式:可清洗 敞开式:无外壳,适合再流焊,不适合波峰焊,不可清洗 片状多层瓷介电容器 片式云母电容器 片式钽电容器 片式铝电容器 片式可调电容器 片式多层瓷介电容器 片式变压器 表面贴装开关 贴片式轻触开关 表面贴装连接器 表面贴装继电器2.7 表
11、面组装器件 表面贴装半导体分立器件种类:二极管、三极管、半导体特殊器件 集成电路的定义:在极小的硅单晶片上,利用半导体工艺制作许多晶体二极管、三极管、电阻器、电容器等,并连续能完成特定功能的电子电路,然后封装在一个外壳中,构成集成电路。 集成电路的分类:按制造工艺和结构分:半导体、膜块、混合集成电路 按集成度分:小、中、大 按应用领域分:军用品、工业品、民用品 按使用功能分:数字电路、微处理器、存储器 按半导体工艺分:双极型电路、CMOS电路、双极型MOS电路 通孔插装IC器件的封装形式:1DIP:适合在PCB上穿孔,操作方便;芯片面积与封装面积较大;引脚间距为2.54mm;外部引脚易在插拔中
12、损坏2PGA:采用专门的PGA插座,用于插拔比较频繁的场合;引脚间距:2.54,1.27mm 表面贴装的集成电路分类:按引脚形状:羽翼形、J形、球形、无引线引线框架形 按封装形式:PQFP,PBGA,CSP,FCOB,WLCSP2.7.1 片式二极管 圆柱形(MELF)片式二极管:玻璃封装,外形尺寸有1.5mm3.5mm和2.7mm5.2mm 矩形片式二极管:塑料封装,封装尺寸为3.8 mm1.5mm 1.1mm,引脚有J形和L形两种2.7.2 SOT系列片式晶体管2.7.3 SOP翼型小外形封装 SOP、SOIC、SSOIC、TSOP2.7.4 QFP翼型扁平四方封装 特点:I/O数多,引出
13、角多,占PCB面积大 引脚易变形,易失去共面性,但引脚的柔性能帮助释放应力,改善焊点的可靠性 引脚的最小间距为0.32mm 分类:带角耳的PQFP、长方形PQFP、正方形PQFP、CQFP2.7.5 SOJ J型小外形封装 特点:引脚间距:1.27mm 与翼型引脚相比,引脚比较粗,不易变形 引脚在器件的底部位置,检测和修板不方便2.7.6 PLCC塑料有引脚芯片载体 特点:引脚中心距:1.27mm 与QFP比较,占PCB面积小,引脚不易变形 J形引脚在器件底部,检测和修板不方便2.7.7 LCCC无引脚陶瓷封装芯片载体 特点:引脚中心距:1.27mm 陶瓷全密封封装,价格昂贵 需考虑与电路板的
14、热膨胀系数匹配2.7.8 BGA/CSP球形栅格阵列封装 BGA的优点:与OFP相比,相同引脚的情况下,其占用面积小,高度低 封装可靠性高 散热性能好,芯片工作温度低 引线短,导线的自感和导线的互感很低,器件引脚之间的信号干扰小,频率特性好 与相同引脚数的QFP相比,组装工艺相对比较容易 与OFP相比,共面性较好 BGA的缺点:由于BGA的尺寸较大,因此对PCB的平整度要求较高,要求PCB的热变形小 印制电路板的层数增加,成本增加 焊后检测困难,返修困难 与BGA相比,CSP的优点:封装小,更平整,有利于提高再流焊质量 高导热性 更短的互联,使阻抗低、干扰小、噪声低、屏蔽效果好、更适合高频领域
15、 CSP的缺点:底部需要填充 印制电路板的层数增加,成本较BGA增加1.52倍 焊后检测困难,返修困难2.7.9 PQFN方形扁平无引脚塑料封装 特点:体积小、重量轻;底部或侧面有散热盘;内部引脚与焊盘之间的导电路径短,电性能优越2.8 表面组装元器件的包装方式与使用要求 包装方式:散装、盘状编带包装、管式包装、托盘包装 基本要求:装配适应性:适用于真空吸嘴吸取 下表面应保留使用胶黏剂的空间 尺寸、形状标准化 包装形式适应贴片机的自动贴装 具有一定机械强度 焊接适应性:焊端或引脚共面性好,满足贴装焊接要求 高温性能好,适应焊接条件 可承受焊后有机溶剂的清洗第3章 表面组装印制板的设计与制造3.
16、1 印制电路板的定义及作用 PCB定义:在一块不导电的平板上,支撑着按照一定图形排列的导体阵列,而导体的几何图形被设计为用作元器件之间的互连以及元器件连接到其子系统或主系统的通路 PCB的发展方向:提高密度、减少成本、减少错误、连接缩短,提高性能、小型化 印制电路板在电子产品中的作用:为电子元器件的组装提供安装、固定和支撑基板 实现电气连接和绝缘 为安装、检验和维修提供识别标志和字符 在特殊电路中提供某些电气性能,如特性阻抗、电磁屏蔽等3.2 PCB分类 3.3 常用印制电路板的基板材料3.3.1 纸基CCL 制备:采用纤维纸+粘合剂,经烘干-覆铜箔-高温高压工艺制成 特点:纸基疏松,只能冲孔
17、,不宜钻孔;吸水性高;介电常数及机械性能不如环氧板;价格低;只适合制作单面板,在焊接过程中应注意温度调节,并注意PCB的干燥处理,防止温度过高引起PCB出现起泡现象;主要应用在消费类电子产品中3.3.2 环氧玻璃布基CCL 制备:采用环氧玻璃布+粘合剂,经烘干-覆铜箔-高温高压工艺制成 特点:可以冲孔和采用高速钻孔技术,通孔孔壁光滑,金属化效果好; 吸水性低,易高速钻孔,机械性能,电气性能好; 广泛用于单面、双面、多层板 适合制作中高档电子产品中 产品有阻燃型和非阻燃型之分3.3.3 复合基CCL CEM1-覆铜板:主要性能优于纸基覆铜板;优秀的机械加工性能;成本比玻璃纤维布覆铜板低。 CEM
18、-3覆铜板:基本性能相当于FR-4覆铜板;优秀的机械加工性能;使用条件与FR-4覆铜板相同;成本低于FR-4覆铜板3.3.4 金属基CCL 分类:金属基板、包覆型金属基板、金属芯基板 金属基CCL的优点:优异的散热性能、良好的加工性能、优异的尺寸稳定性、电磁屏蔽性、电磁特性3.3.5 陶瓷基CCL 特点:散热性好,热导率大;尺寸稳定性好;耐热性好;机械强度高;高频性能好 材料:陶瓷基材分为结晶玻璃类和玻璃加填料类,主要以氧化铝为填料3.3.6 柔性CCL3.4 评估SMB基材的相关参数3.4.1 玻璃化转变温度 定义:聚合物在某一温度条件下,基材结构发生变化,在这个温度之下,基材又硬又脆,称玻
19、璃态;在这个温度之上,基材变软,机械强度明显变低,称橡胶态或皮革态。这种决定材料性能的临界温度称为玻璃化转变温度 要求:Tg应高于电路工作温度 无铅工艺要求高Tg3.4.2 热膨胀系数 定义:环境每升高一度单位长度的材料所伸长的长度3.4.3 PCB分解温度 定义:树脂材料的物理和化学分解温度,当PCB加热到其重量较少5%时的温度3.4.4 耐热性3.4.5 电气性能 主要有:介电常数、介电损耗、抗电强度、绝缘电阻、抗电弧性能、吸水率3.5 对印制电路板的要求 SMT对PCB的要求:外形尺寸稳定,翘曲度小于0.0075mm/mm 焊盘镀层平坦 热膨胀系数小,导热系数高 耐热性要求 铜箔的附着强
20、度高,可焊性好 抗弯强度高 电性能要求:介电常数、耐压、绝缘性能符合产品要求 BGA、CSP等高密度PCB采用埋孔或盲孔的多层板 无铅焊接对PCB的要求:除了必须具备耐强热之品质外,其它如机械强度、电气特性、耐化性、与制程匹配性等亦均不可牺牲 应对无铅焊接对PCB材料的应对:提高熔点、兼顾Tg与PN固化、掺入无机填料、有机性填料3.6 PCB制造工艺 制造工艺的分类:加成法工艺、减成法工艺 加成法的优点:避免大量刻蚀铜,降低了生产成本 比减成法工艺减少了约1/3的生产工序,提高了效率 能达到齐平导线和齐平表面的要求,从而能制造高精度印制板 由于孔壁和导线同时化学镀铜,孔壁和板面上的导电图形的镀
21、铜层厚度均匀一致,提高了金属化孔的可靠性,也能满足高厚径比印制板小孔内镀铜的要求 减成法的优点:工艺成熟、稳定可靠 加成法工艺流程:催化的层压板-钻孔-涂敷电镀抗蚀层-化学镀铜-褪膜 减成法工艺流程:覆铜板层压-钻孔-制作通孔导电层-整板电镀铜-覆盖通孔的电路图形-在铜上刻蚀电路图形-褪膜 半加成法工艺流程:覆盖板层压-钻孔-制作通孔导电层-涂敷电镀抗蚀层-曝光后的图形电镀铜-褪膜-闪速刻蚀全部表面3.7 印制电路板的发展趋势 当前国际先进的PCB制造技术发展动向:PCB制造技术要适应超高密度组装、高速度要求 为适应复合组装化,PCB制造技术与半导体技术、SMT组装技术紧密结合 要适应新功能器
22、件的组装要求 要适应低成本要求3.8 PCB设计包含的内容 PCB设计的要求:PCB体积越来越小、密度越来越高、层数越来越多,具备整体布局、抗干扰能力、工艺和可制造性3.9 设计流程 印刷电路板的主要步骤:系统规格 系统功能方块图 将系统分割成几个PCB 决定使用封装方法和各PCB的大小 绘出所有PCB的电路概图 初步设计的仿真运作 创建印制板生产使用数据和贴装生产使用数据 PCB设计的一般原则:确保电路原理图组件图形与实物相一致以及电路原理图中网络连接的正确性 不仅考虑原理图的网络连接关系,而且要考虑电路工程的一些要求(线宽度、组件的高频特性、组件的阻抗和抗干扰等) 考虑印制电路板整机系统安
23、装的要求(便于安装、系统调试和散热) 考虑印制电路板的可制造性要求(制造、测试、返修) 考虑印制板的实用性和可靠性,同时减少板层和面积,降低成本3.10 PCB布局设计3.10.1 PCB的外形设计和拼板设计 PCB的外形设计:外形和尺寸设计、厚度设计 PCB的定位孔和夹持边设计 拼板设计:设计要求(便于加工、工艺由SMT制造工艺确定、有基准标志、可采用双数拼板正反面各半)、分离技术(邮票版、V形槽)3.10.2 PCB的整体布局设计 一般布局:均匀分布:尽可能均匀,分散布置 平行排列:美观并易于装焊 同类元器件:方向相同,特征方向一致 对称性:保证全面的对称 检测点:设置专门的检测焊盘 基准
24、标志:保证贴装精度 图形设计:焊盘内不能有图形和字符标记,标志距离PCB边缘0.5mm 元件布局要满足再流焊、波峰焊工艺要求 确定功能单元的位置 确定特殊组件的位置3.10.3元器件排列方向设计 再流焊:片式元器件长轴垂直于传送带方向,SMD长轴平行于传送带方向,大尺寸PCB长边平行于传送带方向,元器件取向一致、特征方向一致 波峰焊:不适合细间距器件、片式元件长轴垂直于传送带方向,SMD长轴平行于传送带方向,避免阴影效应、高密度焊接采用椭圆形焊盘3.11 PCB布线设计的基本原则 布线的一般原则:印制线的走向尽可能取直,以短为佳,不能绕远 印制板的弯折走线平滑自然,连接处用圆角,避免用直角 双
25、面板上的印制线两面的导线应避免相互平行 印制线做地线尽可能多的保留铜箔做公共地线,且布置在PCB边缘 倒角规则45o 布线工艺要求:导线宽度-既能满足电性要求,又能便于加工 导线间距:板材的绝缘电阻和工艺性 走线方式:避免锐角,缓解应力 内层地线设计:网状,防止剥离3.12 表面组装元器件的焊盘设计 基本原则:对称使用的焊盘严格保证其全面的对称性 焊点的可靠性取决于长度而不是宽度 大小适当(太大:薄;太小:表面张力小) 焊盘内不许印有字符和图形标志 两个元件之间不能使用单个大焊盘 细间距元件(0.65mm),应在焊盘图形对角线方向上增设光学定位标志 正确标注所有引脚的序号 波峰焊的焊盘一般要比
26、再流焊大些第4章 焊膏及焊膏印刷技术4.1 锡铅焊料合金4.1.1 电子产品焊接对焊料的要求(1)焊接温度要求在相对较低的温度下进行,以保证元件不受热冲击而损坏。(2)熔融焊料必须在被焊金属表面有良好的流动性,有利于焊料均匀分布,并为润湿奠定基础。(3)凝固时间要短,有利于焊点成型,便于操作。(4)焊接后,焊点外观要好,便于检查。(5)导电性好,并有足够的机械强度。(6)抗蚀性好,电子产品应能在一定的高温或低温、盐雾等恶劣环境下进行工作,特别是军事、航天、通信以及大型计算机等。为此焊料必须有很好的抗蚀性。(7)焊料原料的来源应该广泛,即组成焊料的金属矿产应丰富,价格应低廉,才能保证稳定供货。4
27、.1.3 锡铅合金相图与焊料特性 共晶焊料的特点:低熔点、熔点和凝固点一质、流动性好,表面张力小,润湿性好,机械强度好、导电性好 锡铅合金产品:丝状、片状、带状、焊膏4.2 无铅焊料合金 无铅焊料的定义:以Sn为基体,添加了其他金属元素,而Pb质量含量在0.10.2%以下的主要用于电子组装的软钎料合金 无铅焊料应具备的条件:(1) 取代合金应是无毒性的。 (2) 熔点应同锡铅体系焊料的熔点(183) 接近, 要能在现有的加工设备上和现有的工艺条件下操作。 (3) 供应材料必须在世界范围内容易得到, 数量上满足全球的需求。某些金属如铟和铋数量比较稀少, 只够用作无铅焊锡合金的添加成分。 (4)
28、替代合金还应该是可循环再生的。 (5) 机械强度和耐热疲劳性要与锡铅合金大体相同。 (6) 焊料的保存稳定性要好。 (7) 替代合金必须能够具有电子工业使用的所有形式, 包括返工与修理用的锡线、锡膏用的粉末、波峰焊用的锡条、以及预成型。不是所有建议的合金都可制成所有的形式, 例如铋含量高将使合金太脆而不能拉成锡线。 (8) 合金相图应具有较窄的固液两相区。能确保有良好的润湿性和安装后的机械可靠性。 (9) 焊接后对各种焊接点检修容易。 (10) 导电性好, 导热性好。4.3 焊膏 焊膏的定义:焊膏是由合金焊粉、焊剂载体等组成的膏状稳定混合物。 焊膏的作用:起到粘固元件,促进焊料润湿,清除氧化物
29、、硫化物、微量杂质和吸附层,保护表面防止再次氧化,形成牢固的冶金结合等作用 焊膏的特性:印制性能好、触变性好、有良好的焊接性、储存寿命长、印制后放置时间长、焊接后的残余物应具有较高的绝缘电阻且清洗性好,无毒、无臭、无腐蚀性 焊膏的组成:焊粉和糊状焊剂 焊粉的形状:光滑球形。(过粗的粉末会导致焊膏粘接性能变差) 糊状焊剂的作用:起到结合剂、助熔剂、流变控制剂和悬浮剂等作用 焊剂的组成:树脂、活化剂、触变剂、溶剂和添加剂(调节剂、消光剂、缓蚀剂、光亮剂、阻燃剂) 焊剂的特点:高的沸点,以防止焊膏在再流过程中出现喷射;高的粘稠性,以防止焊膏在存放过程中出现沉降;低卤素含量,以防止再流焊后腐蚀元器件;
30、低的吸潮性,以防止焊膏在使用过程中吸收空气中的水蒸汽而引起粉末氧化。 焊剂对焊接的影响:焊剂的含量对焊膏的塌落度、粘度、粘结性能有显著影响;另外还能影响到焊接后焊料的堆积厚度 焊膏的分类:松香型焊膏、水溶性焊膏、免清洗低残留物焊膏 焊膏的评价方法:1焊膏的外观2粘度的测量3触变系数的计算4焊膏的印刷性能 5. 焊膏的粘结力6焊球试验7焊膏扩展率试验(润湿性试验)8焊粉在焊膏中所占百分率(质量)9焊剂酸值、卤化物、水溶物电导率、铜镜腐蚀性、绝缘电阻测定4.4 模板 模板的结构:其外框是铸铝框架(或铝方管焊接而成),中心是金属模板,框架与模板之间依靠张紧的丝网相连接,呈“钢一柔一钢”的结构。这种结构确保金属模板既平整又有弹性,使用时能紧贴 PCB表面
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