電子元器件電路板的組裝技術(shù)介紹

電子元器件是電子信息設(shè)備的細(xì)胞，板級(jí)電路組裝技術(shù)是制造電子設(shè)備的基礎(chǔ)。不同類型的電子元器件的出現(xiàn)總會(huì)導(dǎo)致板級(jí)電路組裝技術(shù)的一場(chǎng)革命。60年代與集成電路興起同時(shí)出現(xiàn)的通孔插裝技術(shù)（THT），隨著70年代后半期LSI的蓬勃發(fā)展，被80年代登場(chǎng)的第一代SMT所代替，以QFP為代表的周邊端子型封裝已成為當(dāng)今主流封裝；進(jìn)入90年代，隨著QFP的狹間距化，板級(jí)電路組裝技術(shù)面臨挑戰(zhàn)，盡管開發(fā)了狹間距組裝技術(shù)（FPT），但間距0.4mm以下的板級(jí)電路組裝仍然有許多工藝面臨解決。作為最理想的解決方案90年代前半期美國提出了第二代表面組裝技術(shù)的IC封裝一面陣列型封裝（BGA），其近一步的小型封裝是芯片尺寸的封裝（CSP）是在廿世紀(jì)90年代未成為人們的關(guān)注的焦點(diǎn)，比如，組裝實(shí)用化困難的400針以上的QFP封由組裝容易的端子間距為1.0-1.5mm的PBGA和TBGA代替，實(shí)現(xiàn)了這類器件的成組再流。特別是在芯片和封裝基板的連接上采用了倒裝片連接技術(shù)，使數(shù)千針的PCBA在超級(jí)計(jì)算機(jī)、工作站中得到應(yīng)用，叫做FCBGA，正在開始實(shí)用化。第三代表面組裝技術(shù)直接芯片板級(jí)組裝，但是由于受可靠性、成本和KGD等制約，僅在特殊領(lǐng)域應(yīng)用，IC封裝的進(jìn)一步發(fā)展，99年底初露頭角的晶片封裝（WLP）面陣列凸起型FC到2014年期待成為對(duì)應(yīng)半導(dǎo)體器件多針化和高性能化要求的第三代表面組裝封裝。

IC封裝一直落后于IC芯片本身固有的能力。我們希望裸芯片和封裝的芯片之間的性能縫隙減小，這就促進(jìn)了新的設(shè)計(jì)和新的封裝技術(shù)的發(fā)展。在新的封裝設(shè)計(jì)中，多芯片封裝（CSP）包含了一個(gè)以上的芯片，相互堆積在彼此的頂部，通過線焊和倒裝片設(shè)計(jì)（在倒裝片上線焊，在線焊上倒裝片，或在線焊上線焊）實(shí)現(xiàn)芯片間的互連，進(jìn)一步減少了器件重量和所占空間）。

由于尺寸和成本優(yōu)勢(shì)，晶片級(jí)CSP（Wafer-levelcap）將被進(jìn)一步開發(fā)，這種技術(shù)是在晶片切割成小方塊（芯片）之前，就在芯片上形成第一級(jí)互連和封裝I/O端子，這不但縮短了制造周期，其I/O端子分為面陣列型和周邊型（依據(jù)I/O端子的分布）兩種類型；前者，EIAJ的端子間距0.8mm以下，外型尺寸為4mm-21mm的超小型封裝作為標(biāo)準(zhǔn)，主要適用于邏輯和存貯器件，后者是SON和QFN等帶周邊端子的無引線小型化封袋，主要適用于存貯器和低檔邏輯器件。自從90年代初CSP問世以來，提出了各種各樣的結(jié)構(gòu)形式，現(xiàn)在以面陣列型的FBGA是主流，第一代FBGA是塑料類型的面朝下型，第二代FBGA是載帶類型的面朝下型，都采用了引線框架塑模塊、封裝，而新一代的FBGA是以晶體作載體進(jìn)行傳送，切割（劃線）的最終組裝工藝，即WLP方式，取代了以前封裝采用的連接技術(shù)（線焊、TAB和倒裝片焊），而是在劃線分割前，采用半導(dǎo)體前工序的布線技術(shù)，使芯片襯墊與外部端子相連接，其后的焊料球連接和電氣測(cè)試等都在晶片狀態(tài)下完成，最后才迫行劃線分割。顯然用WLP方式制作的是實(shí)際芯片尺寸的FBGA，外形上與FC無區(qū)別。

總之，PBGA、TBGA、FBGA、（CSP）和FC是當(dāng)今IC封裝的發(fā)展潮流。在21世紀(jì)的前15年，第三代表面組裝封裝將會(huì)迅速發(fā)展，圍繞高密度組裝，封裝結(jié)構(gòu)的多樣化將是21世紀(jì)初IC封裝最顯著的特點(diǎn)。LSI芯片的疊層封裝、環(huán)形封裝：還有，將出現(xiàn)新的3D封裝，光一電子學(xué)互連，光表面組裝技術(shù)也會(huì)蓬勃發(fā)展。系統(tǒng)級(jí)芯片（SOC）和MCM的系統(tǒng)級(jí)封裝（MCM/SIP）隨著設(shè)計(jì)工具的改善，布線密度的提高，新基板材料的采用，以及經(jīng)濟(jì)的KGD供給的普及，將進(jìn)一步得到開發(fā)和進(jìn)入實(shí)用階段。

無源封裝

隨著工業(yè)和消費(fèi)類電子產(chǎn)品市場(chǎng)對(duì)電子設(shè)備小型化、高性能、高可靠性、安全性和電磁兼容性的需求，對(duì)電子電路性能不斷提出新的要求，從20世紀(jì)90年代以來，冶式元件進(jìn)一步向小型化、多層化、大容量化、耐高壓和高性能方向發(fā)展，同時(shí)隨著SMT在所有電子設(shè)備中的推廣應(yīng)用，世界范圍片式元件的使用量迅速增加，現(xiàn)在年消耗片式元件達(dá)到1兆只，無源元件對(duì)IC的比率一般大于20.由于需要如此大量的分立元件，所以分立元件支配最終PCB組件的尺寸；另外，片式無源元件用量的劇增使貼裝工藝中的瓶頸經(jīng)片式元件的貼裝更難解決，導(dǎo)致生產(chǎn)線失去平衡，設(shè)備利用率下降，成本提高，同時(shí)片式元件供給時(shí)間占用生產(chǎn)線時(shí)間的30%，嚴(yán)重影響生產(chǎn)量的提高。解決這些問題的有效辦法就是。實(shí)現(xiàn)無源元件的集成。

集成無源元件有以下幾種封裝形式：

陣列：將許多一種類型的無源元件集成在一起，以面陣列端子形式封裝；

網(wǎng)絡(luò)：將許多混合電阻和電容集成在一起，以周邊端子形式封裝；

混合：將一些無源元件和有源器件混合集成進(jìn)行封裝；

嵌入：將無源元件嵌入集成在PCB或其它基板中；

集成混合：所集成的無源元件封裝在QFP或TSOP格式中。

這些無源封裝的推廣應(yīng)用，可以有效地解決貼裝：瓶頸，改善SMT生產(chǎn)線平衡，降低成本，提高產(chǎn)量，提高組裝密度。

先進(jìn)板級(jí)電路組裝工藝技術(shù)的發(fā)展

電路組裝技術(shù)的發(fā)展在很大程度上受組裝工藝的制約同，如果沒有先進(jìn)組裝工藝，先進(jìn)封裝難以推廣應(yīng)用，所以先進(jìn)封裝的出現(xiàn)，必然會(huì)對(duì)組裝工藝提出新的要求。一般來說，BGA、CSP和MCM完全能采用標(biāo)準(zhǔn)的表面組裝設(shè)備工藝進(jìn)行組裝，只是由于封袋端子面陣列小型化而對(duì)組裝工藝提出了更嚴(yán)格的要求，從而促進(jìn)了SMT組裝設(shè)備和工藝的發(fā)展。

1.漏板設(shè)計(jì)和印刷

在先進(jìn)組裝技術(shù)中，焊膏是廣泛采用的主要焊接材料，焊膏沉積采用漏板印刷技術(shù)。在漏板印刷工藝中，刮板葉片將焊膏推入漏板開孔轉(zhuǎn)移到電路板上，影響焊膏印刷性能的四個(gè)因素是：（1）漏板開孔尺寸，決定了印刷膏的量；（2）焊膏脫模，在特定焊膏情況下，開孔壁和幾何形狀和光潔度影響焊膏脫模；（3）開孔的縱橫比和面積比，開孔的寬度和長度之比，開口面積和開孔壁面積之比；通常設(shè)計(jì)規(guī)則是縱橫31.5，面積0.66；但是對(duì)于光滑的錐形開孔壁，這兩個(gè)比分別為1和0.44就能獲得良好的焊膏脫模。在設(shè)計(jì)漏板厚度時(shí)，這個(gè)兩個(gè)比率就是重要的設(shè)計(jì)規(guī)則。當(dāng)開孔長度大于其寬度的5倍時(shí)，縱橫比是主要設(shè)計(jì)規(guī)則（QFP時(shí)），當(dāng)開孔長度等于寬度時(shí)，面積比是更精確的設(shè)計(jì)規(guī)則（采用球柵陣列焊盤時(shí)）。（4）焊膏印刷精度，當(dāng)在電路板上印刷焊膏時(shí)，電路板上的焊盤圖形和漏板上的開孔在尺寸和位置上必須完全相符，漏印的焊膏立方塊必須無變形。BGA、CSP和FCOB的板級(jí)組裝極用共晶焊料合金，BGA采用普通SMT用焊膏就可以滿足要求，但對(duì)于CSP和FCOB I/O端子比通SMT封裝提供的焊接面積小，所以要求漏板開口更小，必須采用小于40um，顆粒尺寸的精細(xì)焊膏。它們的漏板設(shè)計(jì)和制造要求與窄間距器件一樣嚴(yán)格。BGA、CSP和倒裝片組裝的漏板一般要求采用激光或電鑄成型工藝，而后進(jìn)行電拋光，雖然制造成本高，但一致性超過化學(xué)蝕刻漏板；有時(shí)還要求渡鎳，并采用錐形開孔，以便提高孔壁光潔度，有利于焊膏脫模，漏板開口尺寸，一般比電路板上的焊盤尺寸略小為宜，開口以略微增加印刷的焊膏量。

漏板厚度是漏板設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)，對(duì)于BGA要求采用的漏板厚度為0.13-0.15mm，CSP用的漏板厚度是0.10-0.13mm.由于漏板較薄，印刷時(shí)要防止從開孔中掏出焊膏。組裝BGA和CSP時(shí)，通常都按1對(duì)1的比例印刷；但對(duì)于CSP，實(shí)際印刷要比凸起尺寸大0.05-0.076mm，使再流焊后器件支撐高度略高些，以提高熱適應(yīng)性，并可繼續(xù)選用三類焊料粉末。對(duì)于采用0.3mm直徑凸起的CSP推薦采用0.3-0.6mmr矩形開孔。0.36mm的開口是采用三類焊料粉末最小可能的開口尺寸，以便進(jìn)行一致性和重復(fù)性好的印刷。如果印刷0.25mm的矩形或圓形開孔將要求采用IV類焊料粉末。

為了適應(yīng)電子產(chǎn)品的輕薄小型化、高密度、多功能和高可靠性的要求，混合組裝技術(shù)仍然是21世紀(jì)初電路組裝發(fā)展的趨勢(shì)之一。不僅通孔器件和SMD混合組裝，而且隨著以倒裝片為核心的直接能組裝技術(shù)的推廣應(yīng)用，將會(huì)出現(xiàn)通孔元器件、SMD或倒裝片在同一電路板上的組裝，這就是對(duì)漏板設(shè)計(jì)和印刷提出了新的挑戰(zhàn)。有不同的組裝工藝完成混合電路組件的組裝，其中采用再流焊接技術(shù)是比較理想的工藝方法，以便充分發(fā)揮SMT生產(chǎn)線的作用，降低成本，提高生產(chǎn)率，有幾種漏板設(shè)計(jì)和印刷方法可供選擇，其中比較理想的是雙漏板印刷。

先進(jìn)的封裝對(duì)焊膏的印刷精度要求比普通SMT更加嚴(yán)格，所以應(yīng)該采用視覺系統(tǒng)的高精度印刷機(jī)完成焊膏的印刷作業(yè)。這類印刷也有高檔和中檔之別，要根據(jù)用戶的需要和可能選購。印刷作業(yè)開始，首先要完成漏板和電路板的對(duì)準(zhǔn)，借助視覺系統(tǒng)可以很方便地實(shí)現(xiàn)漏板開孔和電路板上焊盤圖形的精確對(duì)準(zhǔn)。高級(jí)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)具有全集成圖像識(shí)別處理功能，可以實(shí)現(xiàn)快速而準(zhǔn)確的圖像對(duì)準(zhǔn)，確保高質(zhì)量的焊膏印刷和高和生產(chǎn)效率。印刷和第二個(gè)問題是根據(jù)電路板類型、刮板類型和所用焊膏設(shè)定印刷高度、刮板壓力和角度、印刷還度等印刷參數(shù)；另外環(huán)境溫度和相對(duì)濕度也是重要的印刷參數(shù)；先進(jìn)封裝對(duì)印刷參數(shù)偏差要求嚴(yán)格，必須借助印刷機(jī)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確而嚴(yán)格控制。更高檔的印刷機(jī)上還裝有2D和3D激光檢測(cè)系統(tǒng)，檢查印刷質(zhì)量，滿足了先進(jìn)封裝對(duì)印刷精度的要求。

2.貼裝技術(shù)

盡管陣列封裝顯著地使用貼裝位置規(guī)范限制加寬，但是由于這類封裝的I/O端子在封裝體下面呈陣列分布，所以精確貼裝這類器件最先決條件是檢查焊料球的存在與否和間距，檢查焊料球形狀態(tài)。這就要求貼片機(jī)的視覺系統(tǒng)能根據(jù)球的形狀質(zhì)量因數(shù)和建立焊料球畸變認(rèn)可等級(jí)實(shí)現(xiàn)這種功能……二維寬度和形狀質(zhì)量因素測(cè)試是檢查整個(gè)球體積和畸變的可靠方法，所以，貼裝機(jī)的視覺系統(tǒng)應(yīng)具有合適和分辨率，以便搜集和形成最佳影響；為此就必須采用合適的外部照明和遠(yuǎn)心焦蘭光學(xué)系統(tǒng)，并通過大深度聚焦提供恒定放大倍數(shù)，以便確定球的存在和精確尺寸；采用LED（發(fā)光二極管）提供最佳照明條件，特別需要輪廓對(duì)中的背照明和合理選用明視場(chǎng)和前照明，前照明應(yīng)采用三個(gè)可編程光源給每封裝形式提供特殊的理想照明，以便在焊球結(jié)構(gòu)和背影環(huán)境之間形成適當(dāng)反差，提供精確對(duì)中的光學(xué)條件。視場(chǎng)應(yīng)適合觀察物的特微和位誤差要求，以便能確定良好的、有缺陷的損壞的焊料球之間的差別。處理全部先進(jìn)封裝的高性能貼裝機(jī)必須擁有兩臺(tái)元器件攝像機(jī)（一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)型和一臺(tái)倒裝片用攝像機(jī)）。BGA器件的精確定可以根據(jù)每個(gè)角落的5個(gè)球發(fā)現(xiàn)球柵的整體位置和取向，并根據(jù)BGA樹檢索算法和采用模板比較算法確定的位置；然后借助于灰度級(jí)機(jī)器視覺系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制最后實(shí)現(xiàn)BGA的精確對(duì)準(zhǔn)和貼裝。另外還可以在PCB上設(shè)置器件局部基準(zhǔn)標(biāo)記，以便提高貼裝精度。BGA的貼裝誤差主要來自接觸表面的非共面性，所以在貼裝操作期間必須建立和維持接觸表面的共面性，采用自動(dòng)準(zhǔn)直儀，使貼裝機(jī)的運(yùn)動(dòng)保持共面性。

CSP雖然是更加小型化的封裝，但比BGA更平，所以更容易進(jìn)行精確貼裝。與BGA一樣可采用上述方法檢查球的存在與否，間距和變形狀態(tài)，但無需采用灰度級(jí)視覺系統(tǒng)，僅需采用二進(jìn)制攝像機(jī)就可以進(jìn)行觀察和對(duì)準(zhǔn)，所以可以比貼裝QFP和BGA更高的速度貼裝CSP.

先進(jìn)封裝技術(shù)的推廣應(yīng)用，要求貼裝機(jī)能適應(yīng)IC芯片的精度要求，特別是倒裝倒片貼裝，可重復(fù)精度小于4um，采用高穩(wěn)定高分辯率的定位系統(tǒng)，視覺系統(tǒng)能檢查0.10-0.127mm的焊盤和0.05mm的高的凸起，所以倒裝片視覺系統(tǒng)必須擁有不同的光源設(shè)施和比標(biāo)準(zhǔn)攝像機(jī)的分辨率很高的攝像機(jī)，高精度進(jìn)行凸起的識(shí)別和對(duì)準(zhǔn)。貼裝機(jī)還應(yīng)具有一定的喂料器公司（適合不同的喂料方式）和貼裝工具更換能力，另外還應(yīng)裝備焊劑涂敷工具，滿足倒裝片貼裝的要求。

先進(jìn)封裝的推廣應(yīng)用和混合技術(shù)的發(fā)展，要求組建柔性SMT生產(chǎn)線。根據(jù)電子產(chǎn)品的需求選擇不同類型的貼裝機(jī)和其它組裝設(shè)備，組成柔性生產(chǎn)線，有條件時(shí)更應(yīng)升級(jí)為CIMS，這樣才能不斷滿足知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)采對(duì)各類電子設(shè)備電路組件的需求。

3.焊接技術(shù)

先進(jìn)IC封裝的實(shí)用化，板級(jí)電路組裝密度的不斷提高，雙面組裝和混合組裝PCB組件的使用，對(duì)再流焊接技術(shù)提出了新的要求，容易設(shè)定焊接工藝參數(shù)，使用方便，爐內(nèi)溫度分布均勻，工藝參數(shù)可重復(fù)性好，適用于BGA等先進(jìn)IC封裝的料接，適應(yīng)用不同的基板材料，可充氮，適于雙面SMT的焊接和貼裝膠固化，適合與高速貼裝機(jī)組線，能實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制等。能滿足這些要求的再流焊接技術(shù)主要是熱空氣循環(huán)加遠(yuǎn)紅外，加熱的再流爐和全熱氣循環(huán)加熱的再流爐。

全熱風(fēng)再流爐的顯著特點(diǎn)是采用了多噴嘴加熱組件，加熱元件封閉在組件內(nèi)，避免了加熱元器件和PCB組件的不良影響，用鼓風(fēng)機(jī)將被加熱的氣體從多噴嘴系統(tǒng)噴入爐腔，確保了工作區(qū)寬度范圍溫度均勻，能分別控制頂面積和底面積的熱氣流量和溫度，實(shí)現(xiàn)雙面再流焊。其主要問題是循環(huán)風(fēng)速的控制和焊劑煙塵向基板的附著，還有，由于空氣是熱的不良導(dǎo)體，熱傳導(dǎo)性差，所以熱空氣循環(huán)再流爐中需要大量的循環(huán)熱空氣，這對(duì)復(fù)雜組件的焊接質(zhì)量無疑有影響。

熱風(fēng)循環(huán)加遠(yuǎn)紅外加熱的再流爐中，電磁波不僅能有效激活焊劑活性，而且能使循環(huán)空氣中的焊劑樹脂成份很分解，有效地防止了焊劑向機(jī)構(gòu)部件和連接器內(nèi)部的附差；熱空氣循環(huán)提高了爐內(nèi)均勻性，與全熱風(fēng)循環(huán)相比風(fēng)速易控制，器件位置會(huì)偏移，這種爐子在與標(biāo)準(zhǔn)再流爐長度相同的情況下增加了加熱區(qū)，各區(qū)溫度可分別控制，易于獲得適合BGA和CSP焊接要求的加熱曲線，爐內(nèi)溫度均勻，不會(huì)發(fā)生過熱，可采用氮?dú)獗Ｗo(hù)，可設(shè)置下加熱體，滿足了多層基板對(duì)熱量的要求，確保優(yōu)良的焊接質(zhì)量。

顯然，上述兩種再流焊接技術(shù)將用于不同的應(yīng)用領(lǐng)域，所以對(duì)流加熱為主的再流焊接技術(shù)將成為21世紀(jì)初期板級(jí)電路組裝焊接技術(shù)的主流。
來源：EEFOCUS