电子产品制作新技术 表面安装技术SMT全面.docx

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电子产品制作新技术表面安装技术SMT全面

电子产品制作新技术——表面安装技术（SMT）

电子系统的微型化和集成化是当代技术革命的重要标志,也是未来发展的重要方向。

日新月异的各种高性能、高可靠、高集成、微型化、轻型化的电子产品,正在改变我们的世界,影响人类文明的进程。

安装技术是实现电子系统微型化和集成化的关键,尽管传统的安装技术还将继续发挥作用,但新的安装技术以不容置疑的优势将逐步取代传统方式,这是大势所趋。

表面安装技术,也称SMT技术,是伴随着无引脚元件或引脚极短的片状元器件（也称SMD元器件）的出现而发展起来的,是目前已经得到广泛应用的安装焊接技术。

它打破了在印制电路板上要先进行钻孔再安装元器件、在焊接完成后还要将多余的引脚剪掉的传统工艺,直接将SMD元器件平卧在印制电路板的铜箔表面进行安装和焊接。

现代电子技术大量采用表面安装技术,实现了电子设备的微型化,提高了生产效率,降低了生产成本。

从事电子技术工作的人员一定要了解这种新技术。

表面安装技术

表面安装技术是将电子元器件直接安装在印制电路板或其他基板导电表面的装接技术。

在电子工业生产中,SMT实际是包括表面安装元件（SMC）、表面安装器件（SMD）、表面安装印制电路板（SMB）、普通混装印制电路板（PCB）、点粘合剂、涂焊锡膏、元器件安装设备、焊接以及测试等技术在内的一整套完整的工艺技术的统称。

当前SMT产品的形式有多种.

表面安装技术涉及材料、化工、机械、电子等多科学、多领域,是一种综合性的高新技术。

1．表面安装技术的优点

（1）高密集性

表面安装元件的体积只有传统元器件的1∕3～1∕10左右,可以装在PCB板的两面,有效的利用了印制板的面积,减轻了电路板的重量。

一般采用表面安装元件后可使电子产品的体积缩小40﹪～60﹪,重量减轻60﹪～80﹪。

（2）高可靠性

表面安装元件无引线或引线很短,重量轻,因而抗震能力强,焊点失效率可比传统安装至少降低一个数量级,大大提高了产品的可靠性。

（3）高性能性

表面安装元件采用密集安装减小了电磁干扰和射频干扰,尤其在高频电路中,减小了分布参数的影响,提高了信号传输速度,改善了高频特性,使整个产品的性能有所提高。

（4）高效率性

表面安装元件更适合于自动化大规模生产,采用计算机控制系统（CIMS）可使整个生产过程高度自动化,将生产效率提高到新的水平。

（5）低成本性

表面安装元件使PCB的面积减小,成本降低；无引线和短引线使元器件的成本也降低,在安装过程中省去了引线成形、打弯,剪线的工序；电路的频率特性提高,减少了调试费用；焊点的可靠性提高,降低了调试和维修成本。

在一般情况下,电子产品采用表面安装元件后可使产品总成本下降30﹪以上。

2．表面安装技术存在的的问题

（1）表面安装元件本身的问题

表面安装元器件的规格目前在国际和国内尚无统一标准,给使用带来不便；表面安装元件的品种不齐全；表面安装元件的价格高于普通元器件；表面安装元件的数值误差比较大,精度不高。

（2）表面安装元件对安装设备要求比较高

表面安装元件在生产过程中,对生产设备有专门要求,几乎不用人工直接安装,都采用自动化装配设备。

另外对电路板的要求也比较高。

（3）表面安装技术的初始投资比较大

主要是生产设备结构复杂,整个生产过程涉及的技术面宽,初期投资费用昂贵。

3．表面安装技术的特点

电子产品采用表面安装技术有如下特点:

（1）表面安装技术减少了焊接工序,提高了生产效率,无需在印制电路板上打孔,无需进行印制板上孔的金属化。

（2）表面安装技术减少了印制电路板的体积,一方面由于采用了SMD元器件,元件的体积明显减少,另一方面由于没有印制电路板带钻孔的焊盘,铜箔线条可以做得很细（可达0.1～0.025mm）,线条之间的间隔也可减少（可达0.1mm）,因而在印制电路板上元器件的安装密度可以做得很高,还可将印制电路板多层化。

（3）表面安装技术改善了电路的高频特性,由于元器件无引线或引线极短,减小了印制电路板的分布参数,改善了电路的高频特性。

4．表面安装技术的基本工艺

表面安装技术的基本工艺有两种基本类型,主要取决于焊接方式。

采用波峰焊的工艺流程基本上是四道工序:

①点胶,将胶水点到要安装元件的中心位置；

方法:

手动∕半自动∕自动点胶机。

②贴片,将无引线元件放到电路板上；

方法:

手动∕半自动∕自动贴片机。

③固化,使用相应的固化装置将无引线元件固定在电路板上；

④焊接,将固化了无引线元件的电路板经过波峰焊机,实现焊接。

这种生产工艺适合于大批量生产,对贴片的精度要求比较高,对生产设备的自动化程度要求也很高。

采用再流焊的工艺流程基本上是三道工序:

①涂焊膏,将专用焊膏涂在电路板上的焊盘上；

方法:

丝印∕涂膏机。

②贴片,将无引线元件放到电路板上；

方法:

手动∕半自动∕自动贴片机。

③再流焊,将电路板送入再流焊炉中,通过自动控制系统完成对元件的加热焊接。

方法:

要有再流焊炉。

这种生产工艺比较灵活,既可用于中小批量生产,又可用于大批量生产,而且这种生产方法由于无引线元器件没有被胶水定位,经过再流焊时,元件在液态焊锡表面张力的作用下,会使元器件自动调节到标准位置.

采用波峰焊对无引线元件焊接时,由于焊点上无插件孔,因而助焊剂在高温气化时所产生的大量蒸汽无法排放,在印制电路板和锡峰表面交接处会产生“锡爆炸”,无数个细小的锡珠会溅到印制电路板上的铜锡线和元器件之间,形成“桥连”电路。

为了解决这个问题,现在的波峰焊工艺对焊锡波峰采用双T型波峰,较好解决了这个问题。

采用再流焊对无引线元件焊接时,以为在元器件的焊接处都已经预焊上锡,印制电路板上的焊接点也已涂上焊膏,通过对焊接点加热,使两种工件上的焊锡重新融化到一起,实现了电气连接,所以这种焊接也称作重熔焊。

常用的再流焊加热方法有热风加热、红外线加热和激光加热,其中红外线加热方法具有操作方便、使用安全、结构简单等优点,在实际生产中使用的较多。

5．安装技术的发展

电子产品的安装技术是现代发展最快的制造技术,从安装的工艺特点可将安装技术的发展过程分为五代,如下表所示。

安装技术的发展过程

年代

技术

缩写

元器件典型代表

安装基板

安装方法

焊接技术

第一代

50～60年代

长引线元件、

电子管

接线板、铆接端子

手工安装

手工烙铁焊

第二代

60～70年代

THT

晶体管、轴向引线元件

单面和双面PCB

手工∕半自动插装

手工焊、浸焊

第三代

70～80年代

单列和双列直插IC、轴向引线元件

单面及多层PCB

自动插装

波峰焊、浸焊、手工焊

第四代

80～90年代

SMT

片式封装器件、

轴向引线元件

高质量

多层PCB

自动贴片机

波峰焊、再流焊

第五代

90年代～至今

MPT

微型片式封装器件

陶瓷硅片

自动安装

倒装焊、

特种焊

由表可看出,第二代与第三代安装技术,元器件发展特征明显,而安装方法并没有根本改变,都是以长引线元器件穿过印刷板上通孔的安装方式,一般称为通孔安装（THT）。

第四代表面安装技术则发生了根本性变革,从元器件到安装方式,从PCB板的设计到焊接方法都以全新的面貌出现,它使电子产品体积大大缩小,重量变轻,功能增强,产品的可靠性提高,极大的推动了信息产业高速发展。

技术部门预计,将来90﹪以上的电子产品都将采用表面安装技术。

第五代安装技术是表面安装技术的进一步发展,从技术工艺上讲它仍属于“安装”范畴,但与我们通常所说的安装相差甚远,使用一般的工具、设备和工艺是无法完成的,目前正处于技术完善和在局部领域应用的阶段,但它代表了当前电子产品安装技术发展的方向。

2表面安装元器件

表面安装元器件的结构、尺寸和包装型式都与传统的元器件不同,表面安装元器件的发展趋势是元件尺寸逐渐小型化。

片状元器件的尺寸是以四位数字来表示的,前面两位数字代表片状元器件的长度,后面两位数字代表片状元器件的宽度,例如1005表示这个片状元器件的长度为为1.0mm,宽度为0.5mm。

片状元器件的尺寸变化:

3225→3216→252020125→2020→1608→1005→0603,目前最小尺寸的极限产品为0603,该产品已经面世。

2.1表面安装元器件的分类

1.按照表面安装元器件的功能分类

表面安装元器件可以分成无源元件、有源元件和机电元件。

（1）无源元件

无源元件主要包括:

①电阻器:

厚膜电阻、薄膜电阻、敏感电阻。

②电位器:

微调电位器、多圈电位器。

③电容器:

陶瓷电容、电解电容、薄膜电容、云母电容等。

④电感器:

叠层电感、线绕电感。

（2）有源元件

有源元件主要包括:

①分立器件:

二极管、三极管、场效应管等。

②集成电路

（3）机电元件

机电元件主要包括:

①开关:

轻触开关。

②继电器

③连接器:

片状跨线、插片连接器、插座。

④电机。

2.按照表面安装元器件的形状分类

按照表面安装元器件的形状分类,主要有薄片矩形、扁平封装、圆柱形、其他形状。

（1）薄片矩形:

适用于各种无源器件和机电元件。

（2）扁平封装:

主要有

①双列封装

②四面引线封装

③无引线片式载体

④焊球阵列

（3）圆柱形:

主要有各种电阻、电容、二极管等。

（4）其他形状

①可调电阻、线绕电阻。

②可调电容、电解电容。

③滤波器、晶体振荡器。

④开关、继电器、电机。

2.2无源表面安装元件

在表面安装元件中使用最广泛、品种规格最齐全的是电阻和电容,他们的外形结构、标识方法、性能参数都和普通的安装元件有所不同,在选用时应注意其差别。

1．表面安装电阻

表面安装电阻主要有矩形片状和圆柱形两种。

（1）矩形片状电阻

矩形片状电阻的结构外形大都采用陶瓷（AI2O3）制成,具有较好的机械强度和电绝缘性。

电阻膜采用RuO2制作的电阻浆料印制在基片上,再经过烧结制成。

由于RuO2的成本较高,近年来又开发出一些低成本的电阻浆料,如氮化系材料（TaN–Ta）,碳化物系材料（WC–W）和Cu系材料。

电阻膜的外面有一层保护层,采用玻璃浆料印制在电阻膜上,在经过烧结成釉状,所以片状元件看起来都亮晶晶的。

片状电阻的电极由三层材料构成:

内层是Ag－Pd合金,以保证与电阻膜接触良好,并且电阻小、附着力强；中层为Ni材料,主要作用是防止端头电极脱落；外层为可焊层,采用电镀Sn或Pb–Sn合金。

矩形片状电阻的外形尺寸为目前矩形片状电阻最小功率（1∕32W）的尺寸,括号内的尺寸为矩形片状电阻功率为1∕8W的尺寸。

矩形片状电阻的额定功率系列有:

1,1∕2,1∕4,1∕8,1∕10,1∕16,1∕32,单位是瓦,矩形片状电阻的阻值范围在1Ω～10MΩ之间,有各种规格。

电阻值采用数码法直接标在元件上,阻值小于10Ω用R代替小数点,例如8R2表示8.2Ω,0R为跨接片,电流容量不超过2A。

片状电阻的包装一般都是编带包装,片状电阻的焊接温度要控制在235℃±5℃,焊接时间为3±1秒,最高的焊接温度不得超过260℃。

（2）圆柱形电阻

圆柱形电阻是普通圆柱型长引线电阻去掉引线将两端改为电极的产物。

圆柱形电阻的材料、制造工艺和标记都和普通圆柱型长引线电阻基本相同,只是外形尺寸要小的多,其中1∕8W碳膜圆柱型电阻的尺寸仅为ф1.25×2（mm）,两端电极的长度仅为0.3mm,这种电阻目前仅有1∕8W和1∕4W两种规格。

矩形片状电阻和圆柱形电阻两种表面安装电阻的主要性能对比见下表。

矩形片状电阻和圆柱形电阻的主要性能对比

电阻项目

矩形片状

圆柱形

结构

电阻材料

RuO2等贵金属氧化物

碳膜、金属膜

电极

Ag–Pd∕Ni∕焊料三层

Fe—Ni镀Sn或黄铜

保护层

玻璃釉

耐热漆

基体

高铝陶瓷片

圆柱陶瓷

阻值标志

三位数码

色环（3,4,5环）

电气性能

阻值稳定、高频特性好

温度范围宽、噪声电平低、谐波失真低

安装特性

无方向但有正反面

无方向,无反正面

使用特性

提高安装密度

提高安装速度

2．表面安装电容

在表面安装电容器中使用最多的是多层片状陶瓷电容,其次是铝和钽电解电容,有机薄膜电容和云母电容用的较少。

表面安装电容器的外形同电阻一样,也有矩形片状和圆柱形两大类,几种主要表面安装电容的技术规范见下表。

表面安装电容的规格目前在国际尚无统一标准,各国各大公司均采用自己的标准,我国目前执行的主要是日本标准。

片状陶瓷电容的电容值采用数码法表示,但不印在元件上。

其它参数如偏差、耐压值等表示方法与普通电容相同。

表面安装电容器的安装和焊接与表面安装电阻相同。

3．其他几种无源表面安装元件

无源表面安装元件还有电位器、电感器、滤波器、继电器、开关和连接器等。

连接器就有边缘连接器、条形连接器、扁平电缆连接器等多种形式。

此外还有表面安装敏感元器件,如片状热敏电阻、片状压敏电阻等,但就其封装与安装特性而言,一般不超出上述元件的范围。

8.2.3有源表面安装器件

有源表面安装器件主要是二极管、三极管、场效应管和集成电路,这些器件与无源表面安装器件的主要区别在于外形封装。

1.二极管和三极管的封装形式

二极管的封装一般采用圆柱无引线形式,常见的有ф1.5×3mm和ф2.7×5.2mm两种,功耗一般在400～1000mW,用色环表示二极管的极性,同普通封装二极管的标志方法相同。

三极管的封装一般都采用三端片式封装,双二极管元件也采用这种封装,常见的尺寸有2.1×2.0mm,功耗一般在300mW到2W之间。

2．集成电路的封装

由于集成电路的规模不断发展,集成电路的外引线数目不断增加,促使其封装形式不断向小间距方向发展,目前常用的有以下几类:

（1）双列扁平封装（SOP）

双列扁平封装是由双列直插封装（DIP）演变来的,这类封装有两种形式:

J形（又叫钩形）和L形（又称翼形）。

L形封装的安装和焊接及检测比较方便,但占用PCB板的面积较大,J形封装的则与之相反。

目前常用的双列扁平封装集成电路的引线间距有1.27mm和0.8mm两种,引线数为8～32条,最新的引线间距只有0.76mm,引线数可达56条。

（2）方形扁平封装（QFP）

方形扁平封装可以使集成电路容纳更多的引线。

方形扁平封装有正方形和长方形两种,引线间距有1.27、1.016、0.8、0.65、0.5、0.4（mm）等数种,外形尺寸从5mm×5mm到44mm×44mm有数种规格,引线数从32～567条,但最常用的是44～160条。

图8-9是64条引线的QFP（L形）的外形尺寸。

目前最新推出的薄形方形扁平封装（又称TQFP）的引线间距小至0.254mm,厚度仅有1.2mm。

（3）塑封有引线芯片载体封装（PLCC）

塑封有引线芯片载体封装的四边都有向封装体底部弯成“J”形的短引线,显然这种封装比方形扁平封装更节省PCB板的面积,但同时也使器件的检测和维修更为困难。

塑封有引线芯片载体封装的引线数为18～84条,主要用于计算机电路和专用集成电路（ASIC、GAL）等芯片的封装。

（4）针栅阵列与焊球阵列封装（PGA与BGA）

针栅阵列（PGA）与焊球阵列（BGA）封装是针对集成电路引线增多、间距缩小、安装难度增加而另辟蹊径的一种封装形式。

它让众多拥挤在器件四周的引线排列成阵列,引线均匀分布在集成电路的底面。

采用这种封装形式使集成电路在引线数很多的情况下,引线的间距也不必很小。

针栅阵列封装通过插座与印制板电路连接,用于可更新升级的电路,如台式计算机的CPU等,阵列的间距一般为2.54mm,引线数从52到370条或更多。

焊球阵列封装则直接将集成电路贴装到印制板上,阵列间距为1.5mm或1.27mm,引线数从72到736以上。

在手机、笔记本电脑、快译通的电路里,多采用这种封装形式。

（5）板载芯片封装（COB）

板载芯片封装即通常所称的“软封装”,它是将集成电路芯片直接粘在PCB板上,同时将集成电路的引线直接焊到PCB的铜箔上,最后用黑塑胶包封。

这种封装形式成本最低,主要用于民用电子产品,例如各种音乐门铃所用的芯片都采用这种封装形式。

除上述5种常用封装形式外,还有LCCC（无引线陶瓷芯片载体）及LDCC（有引线陶瓷芯片载体）等封装形式,但由于这种封装形式成本太高,安装也不方便,目前仅在要求高可靠性的领域如军工和航天产品上采用。

3表面安装材料和设备

3.1表面安装的印制电路板

表面安装用的印制电路板,与普通的PCB在基板要求、设计规范和检测方法方面都有很大差异,表面安装用的印制电路板简称为SMB（surfacemountingprintedcircuitboard）。

1．表面安装用的印制电路板的特点

（1）高密度布线

随着表面安装元件的引线间距由1.27→0.762→0.635→0.508→0.38→0.305（mm）不断缩小,SMB普遍要求在2.54mm的网络间过双线（线宽减到0.23mm→0.18mm）甚至过三线（线宽及线间距0.2020→0.12mm）,并且向过五根导线（线宽及线间距减小到0.15mm→0.08mm）的方向发展。

（2）小孔径、高板厚孔径比

在SMB上由于“通孔”已不再用于插装元件（混装的THT除外）而只起“过孔”作用,因而孔径也日益减小。

一般SMB上金属化孔的直径为ф0.6mm～ф0.3mm,发展方向为ф0.3mm～ф0.1mm。

同时SMB特有的“盲孔”与“埋孔”直径也小到ф0.3mm～ф0.1mm。

减小孔径与SMB布线密度相适应,孔径越小制造难度越高。

由于板上的孔径减小,而SMB板的厚度一般并不能减小,且由于用多层板,所以SMB的板厚孔径比一般在5以上（THT一般在3以下）,甚至高达21。

（3）多层数

为提高SMT的装配密度,SMB板的层数不断增加,在大型电子计算机中用的SMB板竞多达68层。

（4）高电气性能

由于SMT元件多用于高频电路和高速信号传输电路,电路的工作频率由100MHz向1GHz甚至更高频段发展,对SMB的阻抗特性、表面绝缘性、介电常数、介电损耗等高频特性提出了更高要求。

（5）高平整光洁度和高稳定性

在SMB板上,即使微小的翘曲,不仅影响元件自动贴装的定位精度,而且会使片状元器件及焊点产生缺陷而失效。

另外板表面的粗糙或凸凹不平也会引起焊接不良,基板本身的热膨胀系数如果超过一定限制也会使元器件及焊点受热应力而损坏,因此SMB对基板的要求远远超过普通PCB。

（6）高质量基板

SMB的基板必须在尺寸稳定性、高温特性、绝缘介电特性及机械特性上满足安装质量和电气性能的要求；一般在制作PCB板常用的环氧玻璃布板仅能适应制作安装密度不高的SMB,高密度多层板都采用聚四氟乙烯、聚酰亚胺、氧化铝陶瓷等高性能基板。

8.3.2表面安装的其他材料

1．黏合剂

常用的黏合剂有三类:

按材料分有环氧树脂、丙烯酸树脂及其他聚合物黏合剂；按固化方式分有热固化、光固化、光热双固化及超声波固化黏合剂；按使用方法分有丝网漏印、压力注射、针式转移所用的黏合剂。

除对一般黏合剂要求外,SMT使用的黏合剂要求要快速固化（固化温度＜150℃,时间≤2020n＝、触变特性好（触便性是胶体物质的黏度随外力作用而改变的特性）、耐高温（能承受焊接时240℃～270℃的温度）、化学稳定性和绝缘性好（要求体积电阻率≥1013Ω·cm）

2．焊锡膏

焊锡膏由焊料合金粉末和助焊剂组成,简称焊膏。

焊膏由专业工厂生产成品,使用者应掌握选用方法。

（1）焊膏的活性,根据SMB的表面清洁度确定,一般可选中等活性,必要时选高活性或无活性级、超活性级。

（2）焊膏的黏度,根据涂覆法选择,一般液料分配器用100～2020a,丝印用100～300Pa,漏模板印刷用2020600Pa。

（3）焊料粒度选择,图形越精细,焊料粒度应越高。

（4）电路采用双面焊时,板两面所用的焊膏熔点应相差30℃～40℃。

（5）电路中含有热敏感元件时用选用低熔点焊膏。

3．助焊剂和清洗剂

SMT对助焊剂的要求和选用原则,基本上与THT相同,只是更严格,更有针对性。

SMT的高密度安装使清洗剂的作用大为增加,至少在免清洗技术尚未完全成熟时,还离不开清洗剂。

目前常用的清洗剂有两类:

CFC–113（三氟三氯乙烷）和甲基氯仿,在实际使用时,还需加入乙醇酯、丙稀酸酯等稳定剂,以改善清洗剂的性能。

清洗方式则除了浸注清洗和喷淋清洗外,还可用超声波清洗、汽相清洗等方法。

3.3表面安装设备

表面安装设备主要有三大类:

涂布设备、贴片设备和焊接设备。

1．涂布设备

涂布设备包括涂布粘合剂和焊膏,有以下三种方法:

（1）针印法

针印法是利用针状物浸入黏合剂中,在提起时针头就挂上一定的黏合剂,将其放到SMB的预定位置,使黏合剂点到板上。

当针蘸入黏合剂中的深度一定且胶水的黏度一定时,重力保证了每次针头携带的粘合剂的量相等,如果按印制板上元件安装的位置做成针板,并用自动系统控制胶的黏度和针插入的深度,即可完成自动针印工序。

（2）注射法

注射法如同用医用注射器一样的方式将黏合剂或焊膏注到SMB上,通过选择注射孔的大小和形状,调节注射压力就可改变注射胶的形状和数量。

（3）丝印法

用丝网漏印的方法涂布粘合剂或焊膏,是现在常用的一种方法。

丝网是用80～2020的不锈钢金属网,通过涂感光膜形成感光漏孔,制成丝印网板。

丝印方法精确度高,涂布均匀,效率高,是目前SMT生产中主要的涂布方法。

生产设备有手动、半自动、自动式的各种型号规格商品丝印机。

2．贴片设备

贴片设备是SMT的关键设备,也是在设备投资中占比例最大的一项设备,一般称为贴片机。

贴片机有小型、中型和大型之分。

一般小型机有2020内的SMC∕SMD料架,采用手动或自动送料,贴片速度较低。

中型机有20200个材料架,一般为自动送料,贴片速度为低速或中速。

大型机则有50个以上的材料架,贴片速度为中速或高速。

贴片机主要由材料储运装置、工作台、贴片头和控制系统组成。

（1）材料储运装置

由于SNC∕SMD有散装、编带包装、盘式和管式包装等多种类型,所以储藏材料的支架也各不相同。

运送装置由电机及传动机构组成,将材料按要求送到贴片头拾取的位置上。

（2）工作台

工作台大都由两台电机及传动机构组成X–Y方向可快速移动和准确定位,工作台的移动速度和定位精度制约了贴片机的主要指标。

（3）贴片头

贴片头由真空吸附系统、贴装角度旋转系统和检测定位系统构成。

一般中型以上贴片机的吸附装置都是复合式,即用4～10个吸嘴组成一个贴片头,吸嘴的形状根据元器件形状选择。

角度旋转系统根据贴片机的档次可有0°和90°两方向旋转以及0°～360°任意角度的旋转,采用气动或步进电机装置驱动。

检测贴片头拾取元器件是否正常,采用测负压或光电传感器方法。

负压测试简单可靠,是大部分贴片机采用的方法,两种方式并用则是高档机的模式。

定位系统也有机械和光学校正两种,用于不同档次的机器。

最新的设备则带有人工智能视觉系统。