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1、表面组装技术概述及组装设备 学习目标 能了解表面组装技术； 能了解表面组装设备； 工作任务 去相关企业（公司）参观或实习。案例说明 通过观看贴片机工作过程、SMT工艺流程、MMIC单片混合集成电路工艺视频，以及识读HT203-SMT作业指导书，让学生能了解贴片机工作过程、能熟悉SMT工艺流程、能了解最新微组装工艺流程和设备，从而进一步能了解表面组装技术及表面组装设备。表面组装技术（Surface Mount Technology,简称SMT）是突破了传统的印制电路板（PCB）通孔基板插装元器件工艺（Through-hole Mounting Technology, THT）发展起来的第四代电子
2、装联技术。它是将表面贴装元器件（无引脚或短引脚的元器件）贴、焊到印制电路板表面规定位置上的电子装联技术，所用的印制电路板无需插孔。概括地说，就是首先在印制电路板焊盘上涂覆焊锡膏，再将表面贴装元器件准确地放到涂有焊锡膏的焊盘上，再通过加热印制电路板直至焊膏熔化，冷却后便实现了元器件与印制电路板之间的互联。图4-1为表面组装技术示意图。图4-1 SMT示意图4.1.1 表面组装技术的发展过程 SMT发展至今，已经经历了四个阶段：1）第一阶段（1970-1975年）：以小型化为主要目标，此时的表面组装元器件主要用于混合集成电路，如石英表和计算器等。2）第二阶段（1976-1980年）：这一阶段的主要
3、目标是减小电子产品的单位体积，提高电路功能，产品主要用于摄像机、录像机、电子照相机等。3）第三阶段（1980-1995年）：这一阶段的主要目标是降低成本，大力发展组装设备，表面组装元器件进一步微型化，提高电子产品的性价比。4）第四阶段（1996-至今）：SMT已经进入了微组装技术（Microelectronics Packaging Technology,简称MPT）、高密度组装和立体组装的新阶段，以及多芯片组件等新型表面组装元器件快速发展和大量应用阶段。4.1.2 表面组装技术的特点SMT是今后电子产品能有效地实现“轻、薄、短、小”和多功能、高可靠、优质、低成本的主要手段之一，主要优点如下：
4、1. 组装密度高片式元器件与传统穿孔元器件相比所占面积和质量大为减少。一般地，采用SMT可使电子产品体积缩小60%，质量减轻75%。通孔安装技术元器件，它们按2.54mm网格安装元器件，而SMT组装元器件网格从1.27mm发展到目前0.63mm网格，个别达0.5mm网格安装元器件，密度更高。例如一个64引脚的DIP集成块，它的组装面积为25mm75mm，而同样引线采用引线间距为0.63mm的QFP，它的组装面积为12mm12mm，面积为通孔技术的1/12。2. 可靠性高由于片式元器件的可靠性高，器件小而轻，故抗震能力强，采用自动化生产，贴装可靠性高，一般不良焊点率小于百万分之十，比通孔插元件波
5、峰焊接技术低一个数量级，用SMT组装的电子产品MTBF平均为25万小时，目前几乎有90%的电子产品采用SMT工艺。3. 高频特性好由于片式元器件贴装牢固，器件通常为无引线或短引线，降低了寄生电感和寄生电容的影响，提高了电路的高频特性，采用SMC及SMD设计的电路最高频率达3GHz，而采用通孔元器件仅为500MHz。采用SMT乜可缩短传输延迟时间，可用于时钟频率为16MHz以上的电路。若使用MCM技术，计算机工作站的高端时钟频率可达100MHz，由寄生电抗引起的附加功耗可降低23倍。4. 成本降低印制板使用面积减小，面积为通孔技术的1/12，若采用CSP安装则其面积还要大幅度下降；印制板上钻孔数
6、量减少，节约返修费用；由于频率特性提高，减少了电路调试费用；由于片式元器件体积小、质量轻，减少了包装、运输和储存费用；SMC及SMD发展快，成本迅速下降。5. 便于自动化生产表面组装技术与通孔插装技术相比更适合自动化生产。通孔插装技术根据插装元器件的不同需要不同的插装设备，如跳线机、径向插装机、轴向插装机等，设备生产调整准备时间较长。由于通孔的孔径较小，插装的精度也较差，返修的工作量也较大，而且换料时必须停机，缩短了工作时间。而表面组装元器件在一台泛用机上就可以完成贴装任务，且具有不停机换料功能，节省了大量时间。同时由于表面组装技术的相关设备具有视觉功能，所以贴装精度高，返修工作量低，自动化程
7、度和生产效率就高得多。当然，SMT生产中也存在一些问题，如元器件上的标称数值看不清，维修工作困难；维修调换器件困难，并需专用工具；元器件与印制板之间热膨胀系数一致性差。但这些问题均是发展中的问题，随着寺用拆装设备的出现，以及新型低膨胀系数印制板的出现，均已不再成为阻碍SMT深入发展的障碍。4.1.3 表面组装技术的基本组成表面组装技术通常包括：表面组装元器件、表面组装电路板及图形设计、表面组装专用料焊锡膏及贴片胶、表面组装设备、表面组装焊接技术（包括双波峰焊、再流焊、汽相焊、激光焊）、表面组装测试技术、清洗技术以及表面组装生产管理等多方面。表面组装技术（SMT）的基本组成如图4-2所示。这些内
8、容可以归纳为三个方面：一是设备，人们称它为SMT的硬件；二是装联工艺，人们称它为SMT的软件；三是电子元器件，它既是SMT的基础，又是SMT发展的动力，它推动着SMT专用设备和装联工艺不断更新和深化。图4-2 SMT的基本组成4.1.4 表面组装技术的发展趋势表面组装技术自20世纪60年代中期问世以来，经过40多年的发展，已经成为了当今电子装联技术的主流，而且正在继续向纵深发展。其发展趋势主要表现为以下几个方面：1. 设备正向高效、灵活、智能、环保等方向发展 提高设备的生产效率一直是人们的追求目标，生产设备巳从过去的单台设备工作，向多台设备组合连线的方向发展；从多台分步控制方式向集中在线控制方
9、向发展；从单路连线生产向双路组合连线生产方向发展。此外，设备主要是利用计算机来操作，提高自动化控制程度，把一些工艺参数储存固定，提高机器的自动化程度，稳定和提高产品质量。 随着欧盟关于在电子电气设备中限制使用某些有害物质指令(RoHS)在全球逐步执行，表面组装技术也迅速向无铅化方向发展，无铅焊料、各向异性导电胶、各向异性导电胶薄膜与焊料树脂导电材料都已经获得实际应用。与此同时，为了实现真正无铅化，与之相适应的工艺材料、元器件、生产设备、检测方法及设备也在不断完善，并已进入实用阶段。所以，总的发展趋势是正向高效、灵活、智能、环保等方向发展。 2. 元器件的发展 随着元器件的不断研发，元器件朝着体
10、积更小、集成度更高的方向发展，元器件的封装形式也随着组装产品朝体积小、重量轻、工作频率更高、抗干扰更强、可靠性更高的要求在发展。片式元件SMC的模块化等是其今后的发展方向。由于元件尺寸已日益面临极限，自动生产设备的精度也趋于极限，片式元件复合化、模块化将得到迅速的发展和广泛的应用。目前英制0603、0402和0201在PCB上的应用非常普遍，但01005已经接近设备和工艺的极限尺寸，因此，01005只适合模块的组装工艺和高性能的手机等场合。集成电路封装技术的发展也非常迅速，从双列直插DIP向表面组装期间SMD发展，SMD又迅速向小型、薄型和细间距发展；引脚间距从过去的1.27mm、1mm、0.
11、86mm、0.65mm到目前的0.5mm、0.4mm、0.3mm发展；引脚排列从周边引脚向器件底部球栅阵列引脚发展；近年来又向二维、三维发展，出现了多芯片组件MCM（Multi Chip Module）、封装上堆叠POP(Package on Package)，最后还要向单片系统SOC(System on a Chip)发展。随着SMT技术的成熟，特别是低热膨胀系数的PCB以及专用焊料和填充材料的成功开发，裸芯片直接贴装到PCB上的技术发展十分迅速，目前裸芯片技术主要有板载芯片COB（Chip on Board）技术和倒装芯片FC（Flip Chip）技术，这将成为21世纪芯片应用的发展主流。
12、3. 生产设备及工艺的发展 为了适应新型元器件的贴装，生产设备的贴装精度越来越高，可贴装超细间距元器件的技术越来越成熟，制造工艺技术不断提高，通孔回流焊工艺和选择性波峰焊工艺的应用越来越广泛。 总之，随着小型化高密度封装的发展，随着新型元器件的不断涌现，一些新技术、新工艺也随之产生，从而极大地促进了表面组装技术的创新和发展。4.5 表面组装设备由表面涂敷设备、贴装机、焊接机、清洗机、测试设备等表面组装设备形成的SMT生产系统习惯上称为SMT生产线。如图4-16所示。 图4-16 小规模全自动SMT生产线4.5.1 焊膏印刷机焊膏印刷机是将焊锡膏或贴片胶均匀正确地印刷或涂到PCB相应位置的一种S
13、MT设备。焊膏印刷现在被认为是，表面贴装技术中控制最终焊锡节点品质的关键的过程步骤。目前焊膏印刷机可大致分三个档次：手动或半自动印刷机、配有视觉识别系统的半自动印刷机以及全自动印刷机。印刷机大致上可分为三类： 1）手动锡膏印刷机手工印刷机是最简单而且最便宜的印刷系统, PCB放置及取出均需人工完成,其刮刀可用手把或附在机台上,印刷动作亦需人手完成,PCB与钢板平行度对准或以板边缘保证位置度均需依靠作业者的技巧,如此将导致每印一块PCB,印刷的参数均需进行调整变化。此种印刷方式速度慢且印刷质量低，根本不能满足现在生产的需求，基本已经淘汰。图4-17（a）所示为一台手动印刷机的实物照片。2）半自动
14、锡膏印刷机半自动印刷机是当前使用最为广泛的印刷设备, 它们实际上很类似手工印刷机,其PCB的放置及取出仍需依赖手工操作,与手工机的主要区别是印刷头的发展,它们能够较好地控制印刷速度,刮刀压力、刮刀角度,印刷距离以及非接触间距,工具孔或PCB边缘仍被用来定位,而钢板系统以助人员良好地完成PCB与钢板的平行度调整,此种印刷机比手动锡膏印刷机有了很大的完善，在产量和质量上有了很大的提高。图4-17(b)所示为一台半自动印刷机的实物照片。3）全自动锡膏印刷机 全自动印刷机配有视觉识别、PCB自动装载等系统后，能实现全自动运行，印刷精度高，印刷速度快，适合大规模大批量自动化生产。图 4-17(c)所示为
15、一台全自动印刷机的实物照片。（a）手动印刷机 （b）半自动印刷机 （c）全自动印刷机图 4-17 印刷机实物图 焊锡膏的印刷是SMT整个工艺过程中最关键的一道工序，几乎70%左右的焊接问题与焊锡膏的印刷质量有关。焊锡膏印刷除了对印刷机性能要求较高外，与模板、焊锡膏的好坏、印刷机的工艺参数设置、工艺过程、PCB的设计等多种因素密切相关，其中任何一个因素、一个环节出现问题都会直接影响整个印刷质量。（1）焊锡膏简介 焊锡膏是焊料粉末与糊状助焊剂组成的一种膏状焊料。焊料粉末是合金粉末，是焊膏的主要成分，约占焊膏的90%左右，助焊剂主要是一些化学成分。焊料粉末的合金成分与配比以及颗粒尺寸的大小对焊膏的特性和焊接质量有较大的影响；同时要求焊膏有足够的粘性，能粘住贴装在PCB上SMT元器件直至再流焊接完毕。焊锡膏的研制与制造非常复杂，涉及多门学科，如材料学、流体力学、金属冶炼学、有机化学、物理学等。 根据焊锡膏的合金成分及其配比，可将焊膏分为：高温焊料、低温焊料、有铅焊料、无铅焊料等。不同合金成分与配比的焊膏其温度特性、性质及用途也不相同，使用着必须掌握选用的方法。（2）模板模板又称网板，是焊锡膏印刷的必备工具之一，通过模板将焊锡膏准确地、定量得漏印到PCB的焊盘上。模板的外框一般用铸铝框架，
