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SMT環(huán)境中的最新復雜技術(shù)

文章出處：新聞資訊責任編輯：東莞市明俱輝電子科技有限公司發(fā)表時間：2015-07-18

　只要關(guān)注一下如今在各地舉辦的形形色色的專業(yè)會議的主題，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無源元件、無鉛焊接和光電子，可以說是近來許多公司在PCB上實踐和積極評價的熱門先進技術(shù)。比如說，如何處理在CSP和0201組裝中常見的超小開孔（250um）問題，就是焊膏印刷以前從未有過的基本物理問題。板級光電子組裝，作為通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中發(fā)展起來的一大領(lǐng)域，其工藝非常精細。典型封裝昂貴而易損壞，特別是在器件引線成形之后。這些復雜技術(shù)的設(shè)計指導原則也與普通SMT工藝有很大差異，因為在確保組裝生產(chǎn)率和產(chǎn)品可靠性方面，板設(shè)計扮演著更為重要的角色；例如，對CSP焊接互連來說，僅僅通過改變板鍵合盤尺寸，就能明顯提高可靠性。
CSP應(yīng)用
　　如今人們常見的一種關(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，如減小封裝尺寸、增加針數(shù)、功能∕性能增強以及封裝的可返工性等。CSP的高效優(yōu)點體現(xiàn)在：用于板級組裝時，能夠跨出細間距（細至0.075mm）周邊封裝的界限，進入較大間距（1，0.8，0.75，0.5，0.4mm）區(qū)域陣列結(jié)構(gòu)。
已有許多CSP器件在消費類電信領(lǐng)域應(yīng)用多年了，人們普遍認為它們是SRAM與DRAM、中等針數(shù)ASIC、快閃存儲器和微處理器領(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、引線框架基和晶片級規(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組裝工藝有一個問題，就是焊接互連的鍵合盤很小。通常0.5mm間距CSP的鍵合盤尺寸為0.250～0.275mm。如此小的尺寸，通過面積比為0.6甚至更低的開口印刷焊膏是很困難的。不過，采用精心設(shè)計的工藝，可成功地進行印刷。而故障的發(fā)生　　通常是因為模板開口堵塞引起的焊料不足。板級可靠性主要取決于封裝類型，而CSP器件平均能經(jīng)受-40～125℃的熱周期800～1200次，可以無需下填充。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裂有關(guān)。
　　無源元件的進步
另一大新興領(lǐng)域是0201無源元件技術(shù)，由于減小板尺寸的市場需要，人們對0201元件十分關(guān)注。自從1999年中期0201元件推出，蜂窩電話制造商就把它們與CSP一起組裝到電話中，印板尺寸由此至少減小一半。處理這類封裝相當麻煩，要減少工藝后缺陷（如橋接和直立）的出現(xiàn)，焊盤尺寸最優(yōu)化和元件間距是關(guān)鍵。只要設(shè)計合理，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)備廠家已計劃開發(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。普通板級光電子器件是“蝴蝶形”模塊。這些器件的典型引線從封裝四邊伸出并水平擴展。其組裝方法與通孔元器件相同，通常采用手工工藝—－引線經(jīng)引線成型壓力工具處理并插入印板通路孔貫穿基板。
　　處理這類器件的主要問題是，在引線成型工藝期間可能發(fā)生的引線損壞。由于這類封裝都很昂貴，必須小心處理，以免引線被成型操作損壞或引線-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)合到標準SMT產(chǎn)品中的最佳解決方案　　是采用自動設(shè)備，這樣從盤中取出元器件，放在引線成型工具上，之后再把帶引線的器件從成型機上取出，最后把模塊放在印板上。鑒于這種選擇要求相當大資本的設(shè)備投資，大多數(shù)公司還會繼續(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）。諸如機頂盒和路由/開關(guān)印板一類的產(chǎn)品都相當復雜，包含了本文討論的各種技術(shù)的混合，舉例來說，在這一類印板上，常?？梢砸姷酱笾?0mm2的大型陶瓷柵陣列（CCGA）和BGA器件。
　　這類器件的兩個主要問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控制，可能導致器件中心附近不潤濕的焊接連接。在處理期間由熱引起的器件和印板的翹曲，會導致如部件與施加到印板上的焊膏分離這樣的“不潤濕現(xiàn)象”。因此，當測繪這些印板的加熱曲線時必須小心，以確保BGA/CCGA的表面和整個印板的表面得到均勻的加熱。
　　印板翹曲因素
　　為避免印板過度下彎，在再流爐里適當?shù)刂斡“迨呛苤匾?。印板翹曲是電路組裝中必須注意觀察的要素，并應(yīng)嚴格進行特微描述。再流周期中由熱引起的BGA或基板的翹曲會導致焊料空穴，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)很容易描述這類翹曲，該系統(tǒng)可以在線或脫機操作，用于描述預(yù)處理封裝和印板翹曲的特微。脫機系統(tǒng)通過爐內(nèi)設(shè)置的為器件和印板繪制的基于時間/溫度座標的翹曲圖形，也能模擬再流環(huán)境。
　　無鉛焊接
　　無鉛焊接是另一項新技術(shù)，許多公司已經(jīng)開始采用。這項技術(shù)始于歐盟和日本工業(yè)界，起初是為了在進行PCB組裝時從焊料中取消鉛成份。實現(xiàn)這一技術(shù)的日期一直在變化，起初提出在2004年實現(xiàn)，最近提出的日期是在2006年實現(xiàn)。不過，許多公司現(xiàn)正爭取在2004年擁有這項技術(shù)，有些公司現(xiàn)在已經(jīng)提供了無鉛產(chǎn)品。
　　現(xiàn)在市場上已有許多無鉛焊料合金，而美國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準Snbrb焊料相比較并無多大差別。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，對于大多數(shù)無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Snbrb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準Snbrb合金要嚴格得多。
　　對于小型無源元件來說，減少表面能同樣也可以減少直立和橋接缺陷的數(shù)量，特別是對于0402和0201尺寸的封裝?？傊?，無鉛組裝的可靠性說明，它完全比得上Sn/Pb焊料，不過高溫環(huán)境除外，例如在汽車應(yīng)用中操作溫度可能會超過150℃?！?br /> 　　倒裝片
　　當把當前先進技術(shù)集成到標準SMT組件中時，技術(shù)遇到的困難最大。在一級封裝組件應(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-框架技術(shù)。在板級組裝中，采用倒裝片可以帶來許多優(yōu)點，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，以使機器升級,增加專用設(shè)備用于倒裝片工藝。這些設(shè)備包括能夠滿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射線和聲像系統(tǒng)，用于進行再流焊后焊接檢測和下填充后空穴分析。
　　焊盤設(shè)計，包括形狀、大小和掩膜限定，對于可制造性和可測試性（DFM/T）以及滿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，如藍牙模塊組件或醫(yī)療器械應(yīng)用。圖4所展示的就是一個藍牙模塊印板，其中以與0201無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。這可以說是在標準SMT組裝線上與實施先進技術(shù)的一個上佳例子

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