2.7 SMT元器件
SMT是指表面安装技术，已经在很多领域取代了传统的通孔安装THT技术，并且这种趋势还在发展，未来电子组装行业里90％以上产品将采用SMT技术。
2.7.1 SMT（贴片）元器件的特点
表面安装元器件也称作贴片式元器件或片状元器件，它有4个显著的特点：
（1）SMT的尺寸很小，重量轻，在SMT元器件的电极上，有些焊端没有引线，有些只有非常短小的引线，相邻电极之间的距离比传统的双列直插式集成电路的引线间距（2.54mm）小很多，目前引脚中心间距最小的已经达到0.3mm。可节省引线所占的安装空间，组装时还可双面贴装，大大提高了安装密度，有利于电子产品的小型化、薄型化和轻量化。
（2）由于SMT没有引线或引线很短，寄生电感和分布电容很小，可以获得更好的频率特性和更强的抗干扰能力。SMT元器件直接贴装在印制电路板的表面，将电极焊接在与元器件同一面的焊盘上。避免了因引脚弯曲成形而造成的损伤及损坏，提高了产品的结实、耐振、耐冲击程度，使产品的可靠性大幅提高。
（3）在集成度相同的情况下，SMT元器件的体积比传统的元器件小很多；印制电路板上的通孔只起到电路连通导线的作用，通孔的周围没有焊盘，使印制电路板的布线密度大大提高。与同样体积的传统电路比较，SMT元器件的集成度提高了很多倍。
（4）表面安装元器件最重要的特点是小型化和标准化。已经制定了统一标准，对片状元器件的外形尺寸、结构与电极形状等都做出了规定，这对于表面安装技术的发展无疑具有重要的意义。目前，SMT的自动化表面组装设备已非常成熟，使用非常广泛，大大缩短了装配时间，而且装配精度、产品合格率高，节省了劳动成本，提高了经济效益。
2.7.2 SMT元器件的种类
SMT元器件的分类方法有多种，一般可从结构形状上和功能上分。从结构形状上分有薄片矩形、圆柱形、扁平异形等，从功能上分有无源元器件、有源元器件和机电元器件三大类，如表2-18所示。
表2-18 SMT元器件的分类
续表
2.7.3 无源元器件（SMC）及外形尺寸
SMC包括片状电阻器、电容器、电感器、滤波器和陶瓷振荡器等。如图2-53所示，SMC的典型形状是一个长方体，也有一部分SMC采用圆柱体的形状，还有一些元器件由于矩形化比较困难，是异形SMC。
图2-53 SMC的基本外形
1.SMC的外形尺寸
SMC元器件按封闭外形，可分为片状和圆柱状两种，典型SMC系列的外形如图2-53所示。长方体SMC是根据其外形尺寸的大小划分为几个系列型号，现有两种表示方法，欧美产品大多采用英制系列，日本产品大多采用米制系列，我国还没有统一标准，两种系列都可以使用。无论哪种系列，系列型号的前两位数字表示元器件的长度，后两位数字表示元器件的宽度。例如，米制系列3216（英制1206）的矩形贴片元器件，长L=3.2mm（0.12in），宽W=1.6mm（0.06in）。典型SMC系列的外形尺寸见表2-19。
2.特性参数的表示方法
SMC的元器件种类用型号加后缀的方法表示，例如，3216C是3216系列的电容器，2012R表示2012系列的电阻器。
1608、1005、0603系列SMC元器件的表面积太小，难以用手工装配焊接，所以元器件表面不印制它的标称数值（参数印在纸编带的盘上）；3216、2012系列片状SMC的标称数值一般用印在元器件表面上的三位数字表示：前两位数字是有效数字，第三位是倍率乘数。例如，电阻器上印有104，表示阻值100kΩ；表面印有5R6，表示阻值5.6Ω；表面印有R39Ω，表示阻值0.39Ω。电容器上印有103，表示电容量是10000pF，即0.01μF。圆柱形电阻器用色环表示阻值的大小。
虽然SMC的体积很小，但它的数值范围和精度并不差。以SMC电阻器为例，3216系列的阻值范围是0.39Ω～10MΩ，额定功率可达到1/4W，允许误差有±1％、±2％、±5％和±10％四个系列，额定工作温度上限是70℃。常用典型SMC电阻器的主要技术参数如表2-19所示。
表2-19 常用典型SMC电阻器的主要技术参数
3.SMC的规格型号表示方法
目前，我国尚未对SMT元器件的规格型号表示方法制定标准，因生厂商而不同。下面各用一种贴片电阻器和贴片电容器举例说明。
例如：1/8W、470Ω、±5％的玻璃釉电阻器。
又如：1000PF、±5％、50V的瓷介电容器。
4.SMC的焊端结构
无引线片状元器件SMC的电极焊端一般由三层金属构成，如图2-54所示。焊端的内部电极通常采用厚膜技术制作的钯银合金电极，中间电极是镀在内部电极上的镍阻挡层，外部电极是铅锡合金。中间电极的作用是避免在高温焊接时焊料中的铅和银发生置换反应而导致厚膜电极“脱帽”，造成虚焊或脱焊。镍的耐热性和稳定性好，对钯银电极起到了阻挡层的作用；但镍的可焊接性较差，镀铅合金的外部电极可以提高可焊接性。
图2-54 SMC的焊端结构
5.包装形式
片状元器件可以用3种包装形式提供给用户：散装、管状料斗和盘状纸编带。SMC的阻容元器件一般用盘状纸编带包装，便于自动化装配设备使用。
2.7.4 SMD分立器件
SMD分立器件包括各种分立半导体器件，有二极管、晶体管、场效应管、集成电路等。为了便于自动化安装设备拾取，电极引脚数目较少的SMD分立器件一般采用盘状纸带包装。
1.SMD分立器件的外形和封装
典型SMD分立器件的电极引脚数为2～6个。SMD分立器件有二极管、晶体管、场效应管及各种半导体分立器件。其外形和封装如图2-55所示。
图2-55 典型SMD分立器件的外形
2.二极管
SMD二极管根据封装方式可分为无引线柱形玻璃封装二极管和塑料封装二极管。无引线柱形玻璃封装二极管是将管芯封装在细玻璃管内，两端以金属帽为电极。通常用于稳压、开关和通用二极管，功率一般为0.5～1W。塑封二极管是用塑料封装管芯，有两根翼形短引线，一般做成矩形状，额定电流150mA～1A，耐压50～400V。
3.晶体管
晶体管一般采用带有翼形短引线的塑料封装（SOT），可分为SOT23、SOT89、SOT143几种尺寸结构。产品有小功率晶体管、大功率晶体管、场效应晶体管和高频晶体管几个系列。小功率晶体管额定功率为100～300mW，电流为10～700mA；大功率管额定功率为300mW～2W，由于各厂商产品的电极引出方式不同，在选用时必须查阅生产厂使用手册资料。
2.7.5 SMD集成电路
1.SMD集成电路封装
由于工艺技术的发展和进步，SMD集成电路与传统THT集成电路的双列直插（DIP）、单列直插（SIP）式集成电路不同，其电气性能指标比THT集成电路更好，封装形式也发生了巨大变化，常见SMD集成电路封装的外形如图2-56所示。
（1）SO封装。引脚比较少的小规模集成电路大多采用这种小型封装。SO封装可以细分，其中芯片宽度小于0.15in、电极引脚数目少于18脚的，叫作SOP封装，如图2-56（a）所示；芯片宽度为0.25in、电极引脚数目在20～44以上的叫作SOL封装，如图2-56（b）所示；SOP封装中采用薄形封装的叫作TSOP封装。SO封装的引脚采用翼形电极，引脚间距有1.27mm、1.0mm、0.8mm、0.65mm和0.5mm。
（2）QFP封装。矩形四边都有电极引脚的SMD集成电路叫作QFP封装，其中四角有突出（角耳）的芯片称PQFP封装，薄形QFP封装称为TQFP封装。QFP封装也采用翼形的电极引脚形状，如图2-56（c）所示。QFP封装的芯片一般都是大规模集成电路，电极引脚数目最少的有20脚，最多可达300脚以上，引脚间距最小的是0.4mm（最小极限是0.3mm），最大的是1.27mm。
（3）LCCC封装：这是SMD集成电路中没有引脚的一种封装，芯片被封装在陶瓷载体上，无引线的电极焊端排列在封装底面上的四边，电极数目为18～156个，间距1.27mm，其外形如图2-56（d）所示。
（4）PLCC封装。PLCC也是矩形封装，它与LCCC封装的区别是引脚向内钩回，叫作钩形（J形）电极，电极引脚数目为16～84个，间距为1.27mm，其外形如图2-56（e）所示。PLCC封装的集成电路大多是可编程的存储器，芯片可以安装在专用的插座上，容易取下来对它改写其中的数据，PLCC芯片也可以直接焊接在电路板上，但用手工焊接比较困难。
（5）BGA封装：BGA封装如图2-56（f）所示，是大规模集成电路常采用的一种封装方式。BGA封装是将原来PLCC/QFP封装的J形或翼形引脚，改变成球形引脚，把从器件本体四周“单线性”顺序引出的电极，改变为从集成电路底面之下“全平面”式的栅格阵列排列。这样，即可以扩大引脚间距，又能够增加引脚数目。焊球间距通常为1.5mm、1.27mm、1.0mm三种；而MBGA芯片的时球间距有0.8mm、0.65mm、0.5mm、0.4mm和0.3mm等。BGA方式能够显著地缩小芯片的封装表面积，相同功能的大规模集成电路，BGA封装的尺寸比QFP的封装要小得多，有利于在PCB上提高装配的密度。随着BGA方式的应用，BGA品种也在迅速多样化，目前已经有很多种形式，如陶瓷BGA（CBGA）、塑料BGA（PBGA）、载带BGA（TBGA）、陶瓷柱BGA（CBGA）、中空金属BGA（MBGA）以及柔性BGA等。
图2-56 常见SMD集成电路封装的外形
图2-57所示为几种典型的BGA结构。其中，图2-57（a）是PBGA，图2-57（b）是柔性微型BGA（μBGA），图2-57（c）是管芯上置的载带TBGA，图2-57（d）是管芯下置的载带TBGA，图2-57（e）是陶瓷CBGA，图2-57（f）是一种BGA的外观照片。
图2-57 大规模集成电路的几种BGA封装结构
2.SMD的引脚形状
表面安装器件SMD的I/O电极有两种形式，无引脚和有引脚。无引脚形式有陶瓷芯片载体封装（LCCC），这种器件贴装后，芯片底面上的电极焊端与印制电路板上的焊盘直接连接，可靠性较高。有引脚器件贴装后的可靠性与引脚的形状有关。所以，引脚的形状比较重要。占主导地位的引脚形状有翼形、钩形和球形3种，如图2-58所示。
（1）翼形引脚。翼形引脚如图2-58（a）所示，主要特点是符合引脚薄而窄以及小间距的发展趋势，可采用包括热阻焊在内各种焊接工艺来进行焊接，但在运输和装卸过程中容易损坏引脚。翼形引脚用于SOT/SOP/QFP封装。
（2）钩形引脚。钩形引脚如图2-58（b）所示，主要特点是空间利用率比翼形引脚高，它可以用于除热阻焊外的大部分再流焊进行焊接，比翼形引脚坚固。钩形引脚用于SOJ/PLCC封装。
（3）球形引脚：球形引脚如图2-58（c）所示，球形引脚用于BGA/CSP/FIipChip封装。
图2-58 SMD引脚形状示意图
2.7.6 SMT元器件的选用及使用注意事项
1.使用SMT元器件的注意事项
（1）表面组装元器件存放。表面组装元器件的存放环境条件为库存环境温度<40℃，生产现场温度<30℃，湿度<RH60％；库存及使用环境中不得有影响焊接性能的硫、氯、酸等有毒气体；存放和使用要满足SMT元器件对防静电的要求；从生产日期算起，存放时间不超过两年，用户购买后的库存时间一般不超过一年，假如是自然环境比较潮湿，购入SMT元器件以后应在3个月内使用。
（2）有防潮要求的SMT元器件，开封后72小时内必须使用完毕，最长也不要超过一周。如果不能用完，应存放在RH20％的干燥箱内，已受潮的SMT元器件要按规定进行去潮烘干处理。
（3）在运输、分料、检验或手工贴装时，假如工作人员需要拿取SMT元器件，应该佩带防静电腕带，尽量使用吸笔操作，并特别注重避免碰伤SOP、QFP等器件的引脚，预防引脚翘曲变形。
2.SMT元器件的选用
选用表面安装元器件，应该根据系统和电路的要求，综合考虑市场供应商所能提供的规格、性能和价格等因素。主要从元器件类型和包装形式两方面考虑。
（1）SMT元器件类型的选择。选择元器件时要注意贴片机的精度，考虑封装方式和引脚结构，机电元器件最好选用有引脚的结构。
（2）SMT元器件包装选择。SMC/SMD元器件厂商向用户提供的包装形式有散装、盘状编带、管装和托盘，后3种包装的形式如图2-59所示。
图2-59 SMT元器件包装形式
①散装。无引线且无极性SMC元器件可以散装，例如一般矩形、圆柱形电阻器和电容器等。散装的元器件成本低，但不利于自动化设备拾取和贴装。
②盘状编带包装。编带适用于除大尺寸QFP、PLCC、LCCC芯片以外的其他元器件，如图2-59（a）所示。SMT元器件的包装编带有纸带和塑料带两种。纸编带主要用于包装片状电阻器、片状电容器、圆柱状二极管、SOT晶体管。纸带一般宽8mm，包装元器件以后盘绕在塑料架上。塑料编带元器件种类很多，各种无引线元器件、复合元器件、异形元器件、SOT晶体管、引脚少的SOP/QFP集成电路等。纸编带和塑料编带的一边有一排定位孔，用于贴片机在拾取元器件时引导纸带前进并定位。定位孔的孔距为4mm（元器件小于0402系列的编带孔距为2mm）在编带上的元器件间距依元器件的长度而定，一般取4mm的倍数。
③管式包装。如图2-59（b）所示，管式包装主要用于SOP、SOJ、PLCC集成电路、PLCC插座和异形元器件等，从整机产品的生产类型看，管式包装适合于品种多、批量小的产品。
④托盘包装。如图2-59（c）所示，托盘包装主要用于QFP、窄间距SOP、PLCC、BGA集成电路等器件。