第1章 SMT综述

1.1 SMT的发展及其特点

1.1.1 表面组装技术的发展过程

1.表面组装技术的产生背景

十几年以来，电子应用技术的迅速发展表现出三个显著的特征。

（1）智能化：使信号从模拟量转换为数字量，并用计算机进行处理。

（2）多媒体化：从文字信息交流向声音、图像信息交流的转化发展，使电子设备更加人性化、更加深入人们的生活与工作。

（3）网络化：用网络技术把独立系统连接起来，高速、高频的信息传输使整个单位、地区、国家以至全世界实现资源共享。

这种发展趋势和市场需求对电路组装技术的要求是：

（1）高密度化：单位体积电子产品处理信息量的提高。

（2）高速化：单位时间内处理信息量的提高。

（3）标准化：用户对电子产品多元化的需求，使少量品种的大批量生产转化为多品种、小批量的生产体制，必然对元器件及装配手段提出更高的标准化要求。

这些要求迫使对在通孔基板PCB上插装电子元器件的工艺方式进行革命，电子产品的装配技术必然全方位地转向SMT。

2.表面组装技术的发展简史

表面组装技术是由组件电路的制造技术发展起来的。从20世纪70年代到现在，SMT的发展历经了三个阶段：

第一阶段（1970～1975年）：主要技术目标是把小型化的片状元件应用在混合电路（我国称为厚膜电路）的生产制造之中，从这个角度来说，SMT对集成电路的制造工艺和技术发展做出了重大的贡献；同时，SMT开始大量使用在民用的石英电子表和电子计算器等产品中。

第二阶段（1976～1985 年）：促使电子产品迅速小型化、多功能化，开始广泛用于摄像机、耳机式收音机和电子照相机等产品中；同时，用于表面组装的自动化设备大量研制开发出来，片状元件的组装工艺和支撑材料也已经成熟，为SMT的高速发展打下了基础。

第三阶段（1986年至今）：主要目标是降低成本，进一步改善电子产品的性能价格比。

随着SMT技术的成熟，工艺可靠性提高，应用在军事和投资类（汽车、计算机、工业设备）领域的电子产品迅速发展，同时大量涌现的自动化表面装配设备及工艺手段，使片式元器件在PCB上的使用量高速增长，加速了电子产品总成本的下降。

表面组装技术的重要基础之一是表面组装元器件，其发展需求和发展程度也主要受表面组装元器件SMC/SMD发展水平的制约。为此，SMT的发展史与SMC/SMD的发展史基本是同步的。

20 世纪 60 年代，欧洲飞利浦公司研制出可表面组装的钮扣状微型器件供手表工业使用，这种器件已发展成现在表面组装用的小外形集成电路（SOIC）。它的引线分布在器件两侧，呈鸥翼形，引线的中心距为1.27 mm，引线数可多达28针以上。20世纪70年代初期，日本开始使用方形扁平封装的集成电路（QFP）来制造计算器。QFP 的引线分布在器件的四边，呈鸥翼形，引线的中心距最小仅为0.65 mm或更小，而引线数可达几百针。

美国所研制的塑封有引线芯片载体（PLCC）器件，引线分布在器件的四边，引线中心距一般为1.27 mm，引线呈“J”形。PLCC占用组装面积小，引线不易变形。

20 世纪 70 年代研制出无引线陶瓷芯片载体（LCCC）全密封器件，它以分布在器件四边的金属化焊盘代替引线。该阶段初期 SMT 的水平以组装引线中心距为 1.27 mm 的SMC/SMD为标志，80年代逐渐进步为可组装0.65 mm和0.3 mm细引线间距SMC/SMD阶段。进入20世纪90年代后，0.3 mm细引线间距SMC/SMD的组装技术和组装设备趋向成熟。

90年代初期CSP以其芯片面积与封装面积接近相等、可进行与常规封装IC相同的处理和试验、可进行老化筛选、制造成本低等特点脱颖而出。1994年，日本各制造公司已有各种各样的CSP方案提出，1996年开始，已有小批量产品出现。

为适应IC集成度的增大使得同一SMD的输入/输出数，也就是引线数大增的需求，将引线有规则分布在SMD整个贴装表面而成栅格阵列型的SMD也从20世纪90年代开始发展并很快得以普及应用，其典型产品为球形栅格阵列（BGA）器件。

现阶段SMT与SMC/SMD的发展相适应，在发展和完善引线间距0.3mm及其以下的超细间距组装技术的同时，正在发展和完善BGA、CSP等新型器件的组装技术。

由此可见，表面组装元器件的不断缩小和变化，促进了组装技术的不断发展，而组装技术在提高组装密度的同时又向元器件提出了新的技术要求和齐套性要求。可以说二者是相互依存，相互促进而发展的。

MCM是20世纪90年代以来发展较快的一种先进的混合集成电路，它是把几块IC芯片组装在一块电路板上，构成功能电路块，称之为多芯片模块（Multi Chip Module，MCM）。由于 MCM 技术是将多个裸芯片不加封装，直接装于同一基板并封装于同一壳体内，它与一般SMT相比，面积减小了3～6倍，重量减轻了3倍以上。

可以说MCM技术是SMT的延伸，一组MCM的功能相当于一个分系统的功能。通常MCM基板的布线多于4层，且有100个以上的I/O引出端，并将CS、FC、ASIC器件与之相连。它代表20世纪90年代电子组装技术的精华，是半导体集成电路技术、厚膜/薄膜混合微电子技术、印制板电路技术的结晶。MCM 技术主要用于超高速计算机、外层空间电子技术中。

为了适应更高密度、多层互连和立体组装的要求，目前SMT已处于国际上称之为MPT （Microelectronic Packaging Technology，微组装技术）的新阶段。

以MCM、3D为核心的MPT是在高密度、多层互连的PCB上，用微型焊接和封装工艺将微型元器件（主要是高集成度IC）通过高密度组装、立体组装等组装方法进行组装，形成高密度、高速度和高可靠性的主体结构微电子产品（组件、部件、子系统或系统）。这种技术是当今微电子技术的重要组成部分，特别是在尖端高科技领域更具有十分重要的意义。在航天、航空、雷达、导航、电子干扰系统、抗干扰系统等方面都具有非常重要的应用前景。

作为第四代电子装联技术的SMT，已经在现代电子产品，特别是在尖端科技电子设备、军用电子设备的微小型化、轻量化、高性能、高可靠性发展中发挥了极其重要的作用。

3.表面组装技术的发展动态

SMT技术自20世纪60年代问世以来，经40多年的发展，已进入完全成熟的阶段，不仅成为当代电路组装技术的主流，而且正继续向纵深发展。

表面组装技术总的发展趋势是：元器件越来越小，组装密度越来越高，组装难度也越来越大。当前，SMT正在以下四个方面取得新的技术进展：

（1）元器件体积进一步小型化。在大批量生产的微型电子整机产品中，0201系列元件（外形尺寸0.6 mm×0.3 mm）、窄引脚间距达到0.3 mm的QFP或BGA、CSP和FC等新型封装的大规模集成电路已经大量采用。由于元器件体积的进一步小型化，对SMT表面组装工艺水平、SMT设备的定位系统等提出了更高的精度与稳定性要求。

（2）进一步提高SMT产品的可靠性。面对微小型SMT元器件被大量采用和无铅焊接技术的应用，在极限工作温度和恶劣环境条件下，消除因为元器件材料的线膨胀系数不匹配而产生的应力，避免这种应力导致电路板开裂或内部断线、元器件焊接被破坏成为不得不考虑的问题。

（3）新型生产设备的研制。在SMT电子产品的大批量生产过程中，焊锡膏印刷机、贴片机和再流焊设备是不可缺少的。近年来，各种生产设备正朝着高密度、高速度、高精度和多功能方向发展，高分辨率的激光定位、光学视觉识别系统、智能化质量控制等先进技术得到推广应用。

（4）柔性PCB的表面组装技术。随着电子产品组装中柔性PCB的广泛应用，在柔性PCB上组装SMC元件已被业界攻克，其难点在于柔性PCB如何实现刚性固定的准确定位要求。

1.1.2 SMT的组装技术特点

SMT工艺技术的特点可以通过其与传统通孔插装技术（THT）的差别比较体现。从组装工艺技术的角度分析，SMT和THT的根本区别是“贴”和“插”。二者的差别还体现在基板、元器件、组件形态、焊点形态和组装工艺方法各个方面。

THT采用有引线元器件，在印制板上设计好电路连接导线和安装孔，通过把元器件引线插入PCB上预先钻好的通孔中，暂时固定后在基板的另一面采用波峰焊接等软钎焊技术进行焊接，形成可靠的焊点，建立长期的机械和电气连接，元器件主体和焊点分别分布在基板两侧。采用这种方法，由于元器件有引线，当电路密集到一定程度以后，就无法解决缩小体积的问题了。同时，引线间相互接近导致的故障、引线长度引起的干扰也难以排除。

所谓表面组装技术，是指把片状结构的元器件或适合于表面组装的小型化元器件，按照电路的要求放置在印制板的表面上，用再流焊或波峰焊等焊接工艺装配起来，构成具有一定功能的电子部件的组装技术。SMT和THT元器件安装焊接方式的区别如图1-1所示。在传统的 THT 印制电路板上，元器件安装在电路板的一面（元件面），引脚插到通孔里，在电路板的另一面（焊接面）进行焊接，元器件和焊点分别位于板的两面；而在SMT电路板上，焊点与元器件都处在板的同一面上。因此，在SMT印制电路板上，通孔只用来连接电路板两面的导线，孔的数量要少得多，孔的直径也小很多。这样，就能使电路板的装配密度极大提高。

之所以出现“插”和“贴”这两种截然不同的电路模块组装技术，是由于采用了外形结构和引脚形式完全不同的两种类型的电子元器件。为此，可以说电路模块组装技术的发展主要受元器件类型所支配。PCB级电路模块或陶瓷基板组件的功能主要来源于电子元器件和互连导体组成的电路，而组装方式的变革使得PCB级电路模块或陶瓷基板组件的功能和性能的大幅度提高、体积和重量的大幅度减小成为可能。

表面组装技术和通孔插装元器件的方式相比，具有以下优越性：

（1）实现微型化。SMT的电子部件，其几何尺寸和占用空间的体积比通孔插装元器件小得多，一般可减小60%～70%，甚至可减小90%；重量减轻60%～90%。图1-2是采用SMT组装的具有24个元器件的电路板与一角硬币的比较。

（2）信号传输速度高。结构紧凑、组装密度高，在电路板上双面贴装时，组装密度可以达到5.5～20个焊点/cm2，由于连线短、延迟小，可实现高速度的信号传输。同时，更加耐振动、抗冲击。这对于电子设备超高速运行具有重大的意义。

（3）高频特性好。由于元器件无引线或短引线，自然减小了电路的分布参数，降低了射频干扰。

（4）有利于自动化生产，提高成品率和生产效率。由于片状元器件外形尺寸标准化、系列化及焊接条件的一致性，使SMT的自动化程度很高。因为焊接过程造成的元器件失效将大大减少，提高了可靠性。

（5）材料成本低。现在，除了少量片状化困难或封装精度特别高的品种，由于生产设备的效率提高以及封装材料的消耗减少，绝大多数SMT元器件的封装成本已经低于同样类型、同样功能的THT元器件，随之而来的是SMT元器件的销售价格比THT元器件更低。

（6）SMT 技术简化了电子整机产品的生产工序，降低了生产成本。在印制板上组装时，元器件的引线不用整形、打弯、剪短，因而使整个生产过程缩短，生产效率得到提高。同样功能电路的加工成本低于通孔插装方式，一般可使生产总成本降低30%～50%。