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1、SMT工艺指导教材大纲Chapter 1 ：半导体电子封装Chapter2：印制电路板Chapters：锡膏及其印刷Chapter4：焊接Chapter5：静电Chapter6：可制造性设计（候补）参考文献：Printed Circuits Handbook等第一章半导体电子封装序论半导体电子元器件的封装不仅起到内部集成电路芯片键合点与外部进行电气连接的作用，还为集成电路提供了 一个稳定可靠的工作环境，对集成电路芯片起到机械或环境保护的作用。封装质量的好坏与集成电路的整体性能优劣关系很大。因此，集成电路封装应具有较强的机械性能、良好的电气性能、散热性能和化学稳定性。不同类型的集成电路，使用场合
2、和气密性要求不同，其加工方法和封装材料也不同。早期的集成电路，其封装材料采用有机树脂和蜡的混合体，用填充或贯注的方法进行密封，其可靠性很差；也曾采用橡胶进行密封，但是其耐热、耐压及电性能都不好，现已被淘汰。目前，流行的气密性封装材料是陶瓷-金属、玻璃金属和低熔玻璃-陶瓷等。由于大量生产和降低成本的需求，目前有很多集成电路采用了塑料封装材料，它主要采用热固性树脂通过模具加热加压的方法来完成封装，其可靠性取决于有机树脂及添加剂的特性和成型条件。塑料封装材料属于非气密性性装材料，其耐热性较差，且具有吸湿性。半导体电子元器件的封装历经了革命性的变革，本章着重介绍晶体管集成电路(IC)的高级封装形式。万
3、变不离其宗，在封装的变革过程中，永远都不会变化的是：I C 的功能越来越强，尺寸相对来讲也越来越小。图 1-1和 1-2分别说明了 IC 变化的两个不可阻挡的趋势。人们一直对IC 的每一步革新都寄予厚望，因为这是促使电子产品向高精尖方向发展的不可回避的动力。I C 的设计和性能每上一个台阶，集成电路制造商都必须寻求一种成本更低可靠性更强的 IC 封装方法。半导体集成电路技术的发展，进一步刺激了电子系统在以下几个方面需求的增长：1、电子产品的运行速度更高，其性能更加优越，功能更为强大；2、在不增加成本的情况下，提高电子产品的可靠性和质量；3、电子产品的体积可以做得更小。现在唯一限制迷你趋势的障碍
4、是环境和散热问题；4、元器件及其组装成本随着岁月的流失而迅速下降，这是所有人都喜闻乐见的事情；5、市场需求决定一，切。()SCP(Single-chip P ack ag e)圭寸装形式早 在 1980年以前，双列直插(DIP,Dual inline package)占据着主导地位。这种封装，其外形呈长方形，管脚分布在两侧，管脚间距为O.lOOinch。下面我们可以从图1-3看到各种各样的半导体封装形式以及他们的变化趋势。图的左侧主要是那些管脚位于四个侧边的芯片的封装形式，如 DIP,PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier),QFP,TAB(Tape Automate
5、d Bonding)从图的右下侧可以看到其他封装，如 PGA(Pin Grid A rray,它的管脚成阵列状组装在芯片的下面)，LGA(Land Grid Array,又名PAC-Pad Array Carrier,它与外部的电气接口是位于芯片下面的阵列状焊盘)，BGA(Ball Grid A rray,在芯片下表面分布着一些阵列状圆形焊球，这些焊球在经过回流焊炉时会重新熔化)，MCM(Multi-chip M odules)等。D IP和 PGA的 I/O间距为O.lin,其他封装的I/O间距一般为0.060in或更小一些(0.05in,0.5mm,0.4mm,0.3mm等)，阵列状封装技
6、术使高了许多元器件的性能提，尺寸进一步降低。1、双列直插式(DIP)图 l-4(a)是 DIP的外形结构，图 1-4(b)则是DIP的内部结构。DIP的管脚是焊在器件的长边(相对与短边)上(或者是引线框架上)的铜质引线。从 图 l-4(b)可以看出，DIP在封装以前，集成 块 儿(d ie)被绑定在引线框架上，然后用金线把集成电路和引线框架上的引线连接起来，最后再用塑料密封。2、无引线陶瓷封装无引线陶瓷封装实例见图1-50这种封装器件的管脚不是一些引线，而是一些平整的焊盘，其封装基材是气密性的陶瓷。这种封装多用于军事和电信产品。在引入这种封装技术的同时，也出现了无引线陶瓷封装的有引线封装版本。
7、无引线元器件的管脚间距一般为0.040in和 0.050in,而有引线元器件的管脚间距通常为0.050ino3、PQFP(Plastic Quad Flat Package)封装PQFP封装的发展曾经推动了塑料封装SMD的流行。这种器件的I/O管脚采用引线结构，它由许多从正方形器件四边伸出的引线组成，引线结构的材料一般是铜。器件中央的半导体集成块靠“堆 绑 定 (die-bonding,通常是环氧绑定)的方法与引线结构连在一块儿；半导体集成块的I/O则采用金线与引线结构的相应引线连接起来，这个过程叫“线绑定”(wire-bonding).线绑定的传统方法是热声金球契入法(thermosonic
8、 gold ball wedge bonding)最后用塑料浇铸到半导体集成块上面，同时引线被剪切成型(管脚就形成了)。图 1-6(a)是 PQFP解剖图。PQFP的管脚就像海鸥的翅膀，而 PLCC的管脚是J 型的，并弯向器件的底部。QFP的管脚间距为0.5mm时是比较合适的，其制造和组装(SMA,Surface Mount Assemble)工艺性都比较好。考虑到封装成型能力和管脚长度对电气性能的影响，一般认为当QFP的外框面积(不含管脚)超出30mm2时，就不太理性了。鉴于此，对于0.5mm pitch的 Q F P,其 I/O管脚数要限定在200个左右。现在，有些IC 制造商已经推出了
9、0.4mm pitch的 QFP。从 图 1-7可以看到基于PQFP技术的各种塑料封装SMD的尺寸差异。陶瓷或塑料QFP、PLCC多用于封装门阵列和标准蜂窝逻辑集成电路以及微处理器。而在存储器(SRAM、DRAM)和线性半导体等这类元器件中经常会看到SOP、SOJ的踪影。但不论是以上提到的任何一种种封装形式，其管脚数目都会受到成型能力和封装尺寸最小化需求的限制。0.5pitch0.4pitch0.3pitch0.2pitch4、PGA(Pin Grid Array)与 PAC(Pad Array Carrier)图 1-8(a)描述了 LCC(Leadless Chip Carrier)与 P
10、AC的差别。显然，随着有源器件I/O管脚的增加，对于I/O管脚分布在四周的封装形式，其整个尺寸也以惊人的速度庞大起来，这与封装尺寸最小化趋势背道而驰。从 图 1-8(b)可以看出不同封装形式的管脚数与芯片表面积的变化关系。很明显，对于大规模和超大规模集成电路，当半导体元器件的I/O 管脚数超过100时，PGA和 PAC封装具有不可替代的优势。5、球形阵列封装BGA是封装形式的一大进步，封装材料有塑料或陶瓷等。图 1-9是 PBGA的剖面图。PBGA的焊球一般为可回流的共晶合金Sn62Pb36Ag2 或 Sn63Pb37,在焊接时自对中能力很好;CBGA和 TBGA的焊球为Snl0Pb60,熔点
11、温度很高（304度左右），在回流焊时不会融化，其自对中能力较差。BGA封 装（塑料或者陶瓷）具有很多优点：1、可以提高集成密度和组装密度。1.27、1.0、0.8、0.5mm pitch的 BGA已经非常流行。2、SMA工艺性能特别好。由于植在BGA底部的焊球（一般为SnPb共晶合金），其焊料充足，对 于 1.27、1.0mm pitch的 BGA其焊接质量足以达到6-sigma的水平。而且，球形管脚不像细间距QFP那样容易变形。3、外形尺寸小。其厚度已经可以做到1mm。4、具有优异的电气性能。其球形管脚短小精悍，因此连接阻抗和介电常数低，其基材可以采用低耗散的材料。5、MCP（Multich
12、ip Package,多芯片封装。许多FLASH就是采用这种封装，通常把ROM和RAM封装在一块儿）也是基于BGA封装技术。从 表 1-1可以看出BGA管脚数在近几年可能发生的变化。在 2000年，近 60%的 B G A,其管脚间距是1.27mm或 1.00m m,其 他 BGA的管脚间距为0.8mm或 0.5mm。至 2004年，有人估计将会有近60%的 BGA的管脚间距变为0.8mm或 0.5m m,有一部分则会更小。近几年来，B G A 的封装尺寸在不断减小，为了进一步提高封装效率（封装的外部尺寸与内部芯片尺寸的比率），出现了一种新型的B G A,通常叫做CSP（芯片级封装）。它的外形
13、尺寸最多比内部的集成电路芯片大20%。其管脚间距一般为0.81m m,或者更小。其实，完全可以认为CSP是一种新的封装技术。CSP提供了比BGA更短互连、更高密度和更高可靠性的组装，而且其组织工艺并不像倒装焊接那么复杂。还有一种更小的封装形式，叫做WSP（Wafer Scale Package,晶圆级封装），或者称之为晶圆级CSP。大家都见过盛放芯片的华复盘（Wafer Pack）吧，W SP的外形就像个华复盘。这是一种全新的封装概念，整个封装工艺在芯片上完成。它的封装效率是100%的，因为器件的整个大小和内部的芯片是一样的。从 图 1-10可以看到W SP的截面图。通过金属镀膜，芯片外置焊盘
14、有可能要重新设置，并更改通路。这样的焊盘重置和通路更改增加了管脚间距，有利于PCB组装,在焊球下面要先放置接线柱（金属层），然后再把焊球沉积在接线端子上。最后，芯片的上表面再封上环氧树脂。W SP的管脚间距一般为0.81m m,它不像DCA那样在PCB组装时还要用胶进行封装。CSP返修困难，目前这是它的最大缺点。6、DCA（Direct Chip Attach）（候补）（二）MCP（候补）1、MCP 与 SCP2、采用印制电路技术的MCP3、采用有机基材的MCP4、MCP 与 PGA5、MCP 和 KGD第二章印制电路板(PCB,Printed Circuits Board)绪论如果要深入细致
15、的剖析PCB的设计、组成材料和制造过程等，那可能需要花费很多很多的打印纸了。本章主要介绍与SMT组装技术相关的一些PCB知识，希望对SMT工程师的工作有所帮助。1936年 Paul Eisner博士发明了印制线路板技术。转眼间，63年过去了，几十年间，出现了各种各样的印制电路板，其制造方法和工艺也形成了许多流派。虽然说印制线路板的那些所谓变化不足以给人眼前一亮的感觉，但是下面的几个发展方向一直影响着或者说左右者它的进展：1、计算机和便携式通信产品的工作频率从来没有降低其强劲的增长势头，这个PCB的电路设计、材料等提出了越来越高的要求。同时，电子产品的发热量也是与日俱增，好像不热就不足于章显其功
16、能的强大。2、消费产品数字化，并且要求更高的性价比。3、所有的产品都崇尚“小巧才美”，所有的产品都追求功能强大，这些导致元器件的封装密度越来越大，PCB自然逃不过这一关。如今大量PCB基材采用了新型的无机材料，如铝或软金属。同时，PCB的供应商也在研发其他制造工艺方法.基材材料对PCB的影响，主要是热应力的问题。包括在回流焊接期间，PCB暴露在高温环境下时的情况，以及元器件和基材的膨胀系数的匹配问题。有机基材由几层注入酚醛树脂的纸或者几层注入环氧树脂、聚酰亚胺、氟酸酯物和BT树脂等的玻璃无纺布或玻璃纺布组成。是否采用这种材料，主要取决于PCB应用对PCB的物理属性的具体要求，如：工作温度、频率和机械力。无机基材主要由陶瓷和金属材料(铝、软金属、铜-不胀钢-铜等)组成。这种基材散热性能好。(-)PCB的分类按照PCB的不同属性，有很多千奇百怪的分法。但是，不论怎么分，PCB的基本功能都是一样的为分布在上面的元器件提供电气连接通路。形成PCB电气连接通路的方法有两种：1、去铜法：把那些不需要的铜采取一定的方法从基材上去掉，留下需要的铜导电图形；2、覆铜法：导电图形的形成正好与去铜法相反，它
