SMT環(huán)境中的最新復(fù)雜技術(shù)

?? 只要關(guān)注一下如今在各地舉辦的形形色色的專(zhuān)業(yè)會(huì)議的主題，我們就不難了解電子產(chǎn)品中采用了哪些最新技術(shù)。CSP、0201無(wú)源元件、無(wú)鉛焊接和光電子，可以說(shuō)是近來(lái)許多公司在PCB上實(shí)踐和積極評(píng)價(jià)的熱門(mén)先進(jìn)技術(shù)。比如說(shuō)，如何處理在CSP和0201組裝中常見(jiàn)的超小開(kāi)孔（250um）問(wèn)題，就是焊膏印刷以前從未有過(guò)的基本物理問(wèn)題。板級(jí)光電子組裝，作為通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中發(fā)展起來(lái)的一大領(lǐng)域，其工藝非常精細(xì)。典型封裝昂貴而易損壞，特別是在器件引線(xiàn)成形之后。這些復(fù)雜技術(shù)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則也與普通SMT工藝有很大差異，因?yàn)樵诖_保組裝生產(chǎn)率和產(chǎn)品可靠性方面，板設(shè)計(jì)扮演著更為重要的角色；例如，對(duì)CSP焊接互連來(lái)說(shuō)，僅僅通過(guò)改變板鍵合盤(pán)尺寸，就能明顯提高可靠性。

　　 CSP應(yīng)用
　　 如今人們常見(jiàn)的一種關(guān)鍵技術(shù)是CSP（圖1）。CSP技術(shù)的魅力在于它具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如減小封裝尺寸、增加針數(shù)、功能∕性能增強(qiáng)以及封裝的可返工性等。CSP的高效優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：用于板級(jí)組裝時(shí)，能夠跨出細(xì)間距（細(xì)至0.075mm）周邊封裝的界限，進(jìn)入較大間距（1，0.8，0.75，0.5，0.4mm）區(qū)域陣列結(jié)構(gòu)。
　　 已有許多CSP器件在消費(fèi)類(lèi)電信領(lǐng)域應(yīng)用多年了，人們普遍認(rèn)為它們是SRAM與DRAM、中等針數(shù)ASIC、快閃存儲(chǔ)器和微處理器領(lǐng)域的低成本解決方案。CSP可以有四種基本特征形式：即剛性基、柔性基、引線(xiàn)框架基和晶片級(jí)規(guī)模。CSP技術(shù)可以取代SOIC和QFP器件而成為主流組件技術(shù)。
　　 CSP組裝工藝有一個(gè)問(wèn)題，就是焊接互連的鍵合盤(pán)很小。通常0.5mm間距CSP的鍵合盤(pán)尺寸為0.250～0.275mm。如此小的尺寸，通過(guò)面積比為0.6甚至更低的開(kāi)口印刷焊膏是很困難的。不過(guò)，采用精心設(shè)計(jì)的工藝，可成功地進(jìn)行印刷。而故障的發(fā)生通常是因?yàn)槟０彘_(kāi)口堵塞引起的焊料不足。板級(jí)可靠性主要取決于封裝類(lèi)型，而CSP器件平均能經(jīng)受-40～125℃的熱周期800～1200次，可以無(wú)需下填充。然而，如果采用下填充材料，大多數(shù)CSP的熱可靠性能增加300%。CSP器件故障一般與焊料疲勞開(kāi)裂有關(guān)。

　　 無(wú)源元件的進(jìn)步
　　 另一大新興領(lǐng)域是0201無(wú)源元件技術(shù)，由于減小板尺寸的市場(chǎng)需要，人們對(duì)0201元件十分關(guān)注。自從1999年中期0201元件推出，蜂窩電話(huà)制造商就把它們與CSP一起組裝到電話(huà)中，印板尺寸由此至少減小一半。處理這類(lèi)封裝相當(dāng)麻煩，要減少工藝后缺陷（如橋接和直立）的出現(xiàn)，焊盤(pán)尺寸最優(yōu)化和元件間距是關(guān)鍵。只要設(shè)計(jì)合理，這些封裝可以緊貼著放置，間距可小至150?m。
　　 另外，0201器件能貼放到BGA和較大的CSP下方。圖2是在有0.8mm間距的14mm　CSP組件下面的0201的橫截面圖。由于這些小型分立元件的尺寸很小，組裝設(shè)備廠(chǎng)家已計(jì)劃開(kāi)發(fā)更新的系統(tǒng)與0201相兼容。

　　 通孔組裝仍有生命力
　　 光電子封裝正廣泛應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)傳送盛行的電信和網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。普通板級(jí)光電子器件是“蝴蝶形”模塊。這些器件的典型引線(xiàn)從封裝四邊伸出并水平擴(kuò)展。其組裝方法與通孔元器件相同，通常采用手工工藝—－引線(xiàn)經(jīng)引線(xiàn)成型壓力工具處理并插入印板通路孔貫穿基板。
　　 處理這類(lèi)器件的主要問(wèn)題是，在引線(xiàn)成型工藝期間可能發(fā)生的引線(xiàn)損壞。由于這類(lèi)封裝都很昂貴，必須小心處理，以免引線(xiàn)被成型操作損壞或引線(xiàn)-器件體連接口處模塊封裝斷裂。歸根結(jié)底，把光電子元器件結(jié)合到標(biāo)準(zhǔn)SMT產(chǎn)品中的最佳解決方案是采用自動(dòng)設(shè)備，這樣從盤(pán)中取出元器件，放在引線(xiàn)成型工具上，之后再把帶引線(xiàn)的器件從成型機(jī)上取出，最后把模塊放在印板上。鑒于這種選擇要求相當(dāng)大資本的設(shè)備投資，大多數(shù)公司還會(huì)繼續(xù)選擇手工組裝工藝。
　　 大尺寸印板（20×24″）在許多制造領(lǐng)域也很普遍（圖3）。諸如機(jī)頂盒和路由/開(kāi)關(guān)印板一類(lèi)的產(chǎn)品都相當(dāng)復(fù)雜，包含了本文討論的各種技術(shù)的混合，舉例來(lái)說(shuō)，在這一類(lèi)印板上，常?？梢砸?jiàn)到大至40mm2的大型陶瓷柵陣列（CCGA）和BGA器件。
　　 這類(lèi)器件的兩個(gè)主要問(wèn)題是大型散熱和熱引起的翹曲效應(yīng)。這些元器件能起大散熱片的作用，引起封裝表面下非均勻的加熱，由于爐子的熱控制和加熱曲線(xiàn)控制，可能導(dǎo)致器件中心附近不潤(rùn)濕的焊接連接。在處理期間由熱引起的器件和印板的翹曲，會(huì)導(dǎo)致如部件與施加到印板上的焊膏分離這樣的“不潤(rùn)濕現(xiàn)象”。因此，當(dāng)測(cè)繪這些印板的加熱曲線(xiàn)時(shí)必須小心，以確保BGA/CCGA的表面和整個(gè)印板的表面得到均勻的加熱。

　　 印板翹曲因素
　　 為避免印板過(guò)度下彎，在再流爐里適當(dāng)?shù)刂斡“迨呛苤匾摹Ｓ“迓N曲是電路組裝中必須注意觀(guān)察的要素，并應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行特微描述。再流周期中由熱引起的BGA或基板的翹曲會(huì)導(dǎo)致焊料空穴，并把大量殘留應(yīng)力留在焊料連接上，造成早期故障。采用莫爾條紋投影影像系統(tǒng)很容易描述這類(lèi)翹曲，該系統(tǒng)可以在線(xiàn)或脫機(jī)操作，用于描述預(yù)處理封裝和印板翹曲的特微。脫機(jī)系統(tǒng)通過(guò)爐內(nèi)設(shè)置的為器件和印板繪制的基于時(shí)間/溫度座標(biāo)的翹曲圖形，也能模擬再流環(huán)境。

　　 無(wú)鉛焊接
　　 無(wú)鉛焊接是另一項(xiàng)新技術(shù)，許多公司已經(jīng)開(kāi)始采用。這項(xiàng)技術(shù)始于歐盟和日本工業(yè)界，起初是為了在進(jìn)行PCB組裝時(shí)從焊料中取消鉛成份。實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)的日期一直在變化，起初提出在2004年實(shí)現(xiàn)，最近提出的日期是在2006年實(shí)現(xiàn)。不過(guò)，許多公司現(xiàn)正爭(zhēng)取在2004年擁有這項(xiàng)技術(shù)，有些公司現(xiàn)在已經(jīng)提供了無(wú)鉛產(chǎn)品。
　　 現(xiàn)在市場(chǎng)上已有許多無(wú)鉛焊料合金，而美國(guó)和歐洲最通用的一種合金成份是95.6Sn∕3.7Ag∕0.7Cu。處理這些焊料合金與處理標(biāo)準(zhǔn)Sn/Pb焊料相比較并無(wú)多大差別。其中的印刷和貼裝工藝是相同的，主要差別在于再流工藝，也就是說(shuō)，對(duì)于大多數(shù)無(wú)鉛焊料必須采用較高的液相溫度。Sn∕Ag∕Cu合金一般要求峰值溫度比Sn/Pb焊料高大約30℃。另外，初步研究已經(jīng)表明，其再流工藝窗口比標(biāo)準(zhǔn)Sn/Pb合金要嚴(yán)格得多。
　　 對(duì)于小型無(wú)源元件來(lái)說(shuō)，減少表面能同樣也可以減少直立和橋接缺陷的數(shù)量，特別是對(duì)于0402和0201尺寸的封裝。總之，無(wú)鉛組裝的可靠性說(shuō)明，它完全比得上Sn/Pb焊料，不過(guò)高溫環(huán)境除外，例如在汽車(chē)應(yīng)用中操作溫度可能會(huì)超過(guò)150℃。

　　 倒裝片
　　 當(dāng)把當(dāng)前先進(jìn)技術(shù)集成到標(biāo)準(zhǔn)SMT組件中時(shí)，技術(shù)遇到的困難最大。在一級(jí)封裝組件應(yīng)用中，倒裝片廣泛用于BGA和CSP，盡管BGA和CSP已經(jīng)采用了引線(xiàn)-框架技術(shù)。在板級(jí)組裝中，采用倒裝片可以帶來(lái)許多優(yōu)點(diǎn)，包括組件尺寸減小、性能提高和成本下降。
　　 令人遺憾的是，采用倒裝片技術(shù)要求制造商增加投資，以使機(jī)器升級(jí),增加專(zhuān)用設(shè)備用于倒裝片工藝。這些設(shè)備包括能夠滿(mǎn)足倒裝片的較高精度要求的貼裝系統(tǒng)和下填充滴涂系統(tǒng)。此外還包括X射線(xiàn)和聲像系統(tǒng)，用于進(jìn)行再流焊后焊接檢測(cè)和下填充后空穴分析。
　　 焊盤(pán)設(shè)計(jì)，包括形狀、大小和掩膜限定，對(duì)于可制造性和可測(cè)試性（DFM/T）以及滿(mǎn)足成本方面的要求都是至關(guān)重要的。
　　 板上倒裝片（FCOB）主要用于以小型化為關(guān)鍵的產(chǎn)品中，如藍(lán)牙模塊組件或醫(yī)療器械應(yīng)用。圖4所展示的就是一個(gè)藍(lán)牙模塊印板，其中以與0201無(wú)源元件同樣的封裝集成了倒裝片技術(shù)。組裝了倒裝片和0201器件的同樣的高速貼裝和處理也可圍繞封裝的四周放置焊料球。這可以說(shuō)是在標(biāo)準(zhǔn)SMT組裝線(xiàn)上與實(shí)施先進(jìn)技術(shù)的一個(gè)上佳例子。