SMT（贴片）装配焊接技术
& 表面安装元器件按照使用环境分类，可分为非气密性封装器件和气密性封装器件。非气密性封装器件对工作温度的要求一般为0~70℃。气密性封装器件的工作温度范围可达到-55~+125℃。气密性器件价格昂贵，一般使用在高可靠性产品中。 　　片状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，对片状元器件的外型尺寸、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。 6.1.3 无源元件SMC 　　SMC包括片状电阻器、电容器、电感器、滤波器和陶瓷振荡器等。应该说，随着SMT技术的发展，几乎全部传统电子元件的每个品种都已经被“SMT化”了。 　　如图6.1所示，SMC的典型形状是一个矩形六面体（长方体），也有一部分SMC采用圆柱体的形状，这对于利用传统元件的制造设备、减少固定资产投入很有利。还有一些元件由于矩形化比较困难，是异形SMC。 &
& 图6.1 SMC的基本外形 & 　　从电子元件的功能特性来说，SMC特性参数的数值系列与传统元件的差别不大，标准的标称数值在第1章里已经做过详细介绍。长方体SMC是根据其外形尺寸的大小划分成几个系列型号的，现有两种表示方法，欧美产品大多采用英制系列，日本产品大多采用公制系列，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件的长度，后两位数字表示元件的宽度。例如，公制系列3216（英制1206）的矩形贴片元件，长L=3.2mm（0.12inch），宽W=1.6mm（0.06inch）。并且，系列型号的发展变化也反映了SMC元件的小型化进程：）→）→）→）→）→）→）→）→）。典型SMC系列的外形尺寸见表6.2。 表6.2 典型SMC系列的外形尺寸（单位：mm/inch）
公制/英制型号
0.45/0.018
0.35/0.014
0.25/0.01 注：公制/英制转换 1inch=1000mil；1inch=25.4mm，1mm≈40mil。 & SMC的元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。 、0603系列SMC元件的表面积太小，难以用手工装配焊接，所以元件表面不印刷它的标称数值（参数印在纸编带的盘上）；系列片状SMC的标称数值一般用印在元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（精密电阻的标称数值用四位数字表示，参阅第1章）。例如，电阻器上印有114，表示阻值110kΩ；表面印有5R6，表示阻值5.6Ω；表面印有R39，表示阻值0.39Ω。电容器上的103，表示容量为10000pF，即0.01μF（大多数小容量电容器的表面不印参数）。圆柱形电阻器用三位或四位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（见表6.3）。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，允许偏差有±1%、±2%、±5%和±10%等四个系列，额定工作温度上限是70℃。 表6.3 常用典型SMC电阻器的主要技术参数
阻值范围（Ω）
允许偏差（％）
±1，±2，±5
±1，±2，±5
额定功率（W ）
最大工作电压（V）
工作温度范围/额定温度（℃）
-55~+125/70
55~+125/70
-55~+125/70
-55~+125/70 & &&& 片状元器件可以用三种包装形式提供给用户：散装、管状料斗和盘状纸编带。SMC的阻容元件一般用盘状纸编带包装，便于采用自动化装配设备。 ⑴ 表面安装电阻器 表面安装电阻器按封装外型，可分为片状和圆柱状两种。在图6.2中，(a)图是片状表面安装电阻器的外形尺寸示意图，(b)图是圆柱形表面安装电阻器的结构示意图。表面安装电阻器按制造工艺可分为厚膜型和薄膜型两大类。片状表面安装电阻器一般是用厚膜工艺制作的：在一个高纯度氧化铝（Al2O3，96%）基底平面上网印RuO2电阻浆来制作电阻膜；改变电阻浆料成分或配比，就能得到不同的电阻值，也可以用激光在电阻膜上刻槽微调电阻值；然后再印刷玻璃浆覆盖电阻膜并烧结成釉保护层，最后把基片两端做成焊端。圆柱形表面安装电阻器可以用薄膜工艺来制作：在高铝陶瓷基柱表面溅射镍铬合金膜或碳膜，在膜上刻槽调整电阻值，两端压上金属焊端，再涂覆耐热漆形成保护层并印上色环标志。 &
& 图6.2 表面安装电阻器的尺寸与结构示意图 & ⑵ 表面安装电阻网络 表面安装电阻网络是电阻网络的表面安装形式。目前，最常用的表面安装电阻网络的外形标准有：0.150英寸宽外壳形式（称为SOP封装）有8、14和16根引脚；0.220英寸宽外壳形式（称为SOMC封装）有14和16根引脚；0.295英寸宽外壳形式（称为SOL封装件）有16和20根引脚。 ⑶ 表面安装电容器 ① 表面安装多层陶瓷电容器 表面安装陶瓷电容器以陶瓷材料为电容介质，多层陶瓷电容器是在单层盘状电容器的基础上构成的，电极深入电容器内部，并与陶瓷介质相互交错。电极的两端露在外面，并与两端的焊端相连。多层陶瓷电容器的结构如图6.3所示。 &
& 图6.3 多层陶瓷电容器的结构示意图 & 表面安装多层陶瓷电容器所用介质有三种；COG、X7R和Z5U。其电容量与尺寸、介质的关系见表6.4。 表6.4 不同介质材料的电容量范围
0805C 1206C 1812C
10~560pF 680~1500pF pF
120pF~0.012μF 0.016~0.033μF 0.039~0.12μF
& 0.033~0.10μF 0.12~0.47μF & 表面安装多层陶瓷电容器的可靠性很高，已经大量用于汽车工业、军事和航天产品。 ② 表面安装钽电容器 表面安装钽电容器以金属钽作为电容器介质。除具有可靠性很高的特点外，与陶瓷电容器相比，其体积效率高。表面安装钽电容器的外型都是矩形，按两头的焊端不同，分为非模压式和塑模式两种，目前尚无统一的标注标准。以非模压式钽电容器为例，其尺寸范围为：宽度1.27~3.81mm，长度2.54~7.239mm，高度1.27~2.794mm。电容量范围是0.1~100μF。直流电压范围为4~25V。 ⑷ 表面安装电感器 表面安装电感器，矩形片状形式的电感量较小，其尺寸一般是（公制），电感量在1μH以下，额定电流是10~20mA；其他封装形式的可以达到较大的电感量或更大的额定电流，图6.4是一种方形扁平封装的互感元件。 & &
& 图6.4 一种表面安装电感器 & ⑸ SMC的焊端结构 无引线片状元件SMC的电极焊端一般由三层金属构成，如图6.5所示。 &
& 图6.5& SMC的焊端构成 & 焊端的内部电极通常是采用厚膜技术制作的钯银（Pd-Ag）合金电极，中间电极是镀在内部电极上的镍（Ni）阻挡层，外部电极是铅锡（Sn-Pb）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，对钯银内部电极起到了阻挡层的作用；但镍的可焊接性较差，镀铅锡合金的外部电极可以提高可焊接性。 ⑹ SMC元件的规格型号表示方法 目前，我国尚未对SMT元件的规格型号表示方法制定标准，因生产厂商而不同。市场上销售的SMT元件，部分是国外进口，其余是用从国外厂商引进的生产线生产的，其规格型号的命名难免带有原厂商的烙印。下面各用一种贴片电阻和贴片电容举例说明。 & & & & 例1：1/8W，470Ω，±5%的陶瓷电阻器。 日本某公司生产：&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 国内某企业生产： RX&& 39&& 1&& G&& 471&& J&& TA&&&&&&&&&&&& &&&&&&RI&& 11&& 1/8&& 471&& J &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 包装形式&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 阻值误差 &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 阻值误差&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 标称阻值 &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 标称阻值&&& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&额定功耗 &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 温度特性&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 尺寸 &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 外形&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 种类 &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 尺寸 &&&&&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&种类 & 例2：1000pF，±5%，50V的瓷介电容器。 日本某公司生产：&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 国内某企业生产： GRM& 4F6& COG& 102& J& 50P& T&&&&&&&&&&&&&&&&& CC41& 03& CH& 102& J& 50& T &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 包装形式&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&包装形式 &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 耐压&&&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&耐压 &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 容量误差&&&&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&容量误差 &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 标称容量&&&&&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&标称容量 &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 温度特性&&&&&&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&&&&温度特性 &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 尺寸&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 尺寸 &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 材料种类&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 材料种类 & 电子整机产品制造企业在编制设计文件和生产工艺文件、指导采购订货及元器件进厂检验、通过权威部门对产品的安全性认证时，都需要用到元器件的这些规格型号。 6.1.4 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、三极管、场效应管，也有由两、三只三极管、二极管组成的简单复合电路。 　　⑴ SMD分立器件的外形尺寸 典型SMD分立器件的外形尺寸如图6.6所示，电极引脚数为2～6个。 & & & & &
图6.6 典型SMD分立器件的外形尺寸 二极管类器件一般采用二端或三端SMD封装，小功率三极管类器件一般采用三端或四端SMD封装，四端～六端SMD器件内大多封装了两只三极管或场效应管。 ⑵ 二极管 ·无引线柱形玻璃封装二极管 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，功耗一般为0.5~1W。 ·塑封二极管 塑封二极管用塑料封装管芯，有两根翼形短引线，一般做成矩形片状，额定电流150mA~1A，耐压50~400V。 ⑶ 三极管 三极管采用带有翼形短引线的塑料封装（SOT，Short Out-line Transistor），可分为SOT23、SOT89、SOT143几种尺寸结构。产品有小功率管、大功率管、场效应管和高频管几个系列。 ·小功率管额定功率为100~300mW，电流为10~700mA； ·大功率管额定功率为300mW~2W，两条连在一起的引脚是集电极。 各厂商产品的电极引出方式不同，在选用时必须查阅手册资料。 SMD分立器件的包装方式要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编带包装。 6.1.5 SMD集成电路 SMD集成电路包括各种数字电路和模拟电路的SSI~ULSI集成器件。由于工艺技术的进步，SMD集成电路的电气性能指标比THT集成电路更好一些。常见SMD集成电路封装的外形如图2.7所示。与传统的双列直插（DIP）、单列直插（SIP）式集成电路不同，商品SMD集成电路按照它们的封装方式，可以分成下列几类： ⑴ SO（Short Out-line）封装——引线比较少的小规模集成电路大多采用这种小型封装。SO封装又分为几种，芯片宽度小于0.15in、电极引脚数目少于18脚的，叫做SOP（Short Out-line Package）封装，见图6.7(a)；其中薄形封装的叫作TSOP封装；0.25in宽的、电极引脚数目在20~44以上的，叫做SOL封装，如图6.7(b)所示。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。 ⑵ QFP（Quad Flat Package）封装——矩形四边都有电极引脚的SMD集成电路叫做QFP封装，其中PQFP（Plastic QFP）封装的芯片四角有突出（角耳），薄形TQFP封装的厚度已经降到1.0mm或0.5mm。QFP封装也采用翼形的电极引脚形状，见图6.7(c)。QFP封装的芯片一般都是大规模集成电路，在商品化的QFP芯片中，电极引脚数目最少的有20脚，最多可能达到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。 ⑶ LCCC（Leadless Ceramic Chip Carrier）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6.7(d)所示。 ⑷ PLCC（Plastic Leaded Chip Carrier）封装——这也是一种集成电路的矩形封装，它的引脚向内钩回，叫做钩形（J形）电极，电极引脚数目为16~84个，间距为1.27mm，其外形如图6.7(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；为了减少插座的成本，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。
图6.7 常见SMD集成电路封装的外形 从图6.8可以看出SMD集成电路和传统的DIP集成电路在内部引线结构上的差别。显然，SMD内部的引线结构比较均匀，引线总长度更短，这对于器件的小型化和提高集成度来说，是更加合理的方案。
图6.8 SMD与DIP器件的内部引线结构比较 & 　　引脚数目少的集成电路一般采用塑料管包装，引脚数目多的集成电路通常用防静电的塑料托盘包装。 6.1.6 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、钩形和球形三种。图6.9(a)、(b)、(c)分别是翼形、钩形和球形引脚示意图。翼形引脚用于SOT/SOP/QFP封装，钩形引脚用于SOJ/PLCC封装，球形引脚用于下文介绍的BGA/CSP/Flip Chip封装。 翼形引脚的主要特点是：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的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。钩形引脚的主要特点是：空间利用率比翼形引脚高，它可以用除热阻焊外的大部分再流焊进行焊接，比翼形引脚坚固。在SMD的发展过程中，还有过一种引脚形状叫对接引脚，如图6.9(d)所示。对接引脚是将普通的DIP封装引脚截短后得到，对接引脚的成本低，引脚间布线空间相对比较大。但对接引脚焊点的拉力和剪切力比翼形或J形引脚低65%。 &
图6.9& SMD引脚形状示意图 6.1.7 大规模集成电路的BGA封装 BGA（Ball Grid Array）是大规模集成电路的一种极富生命力的封装方法。对于大规模集成电路的封装来说，20世纪90年代前期主要采用QFP（Quad Flat Package）方式，而90年代后期，BGA方式已经大量应用。应该说，导致这种封装方式改变的根本原因是，集成电路的集成度迅速提高，芯片的封装尺寸必须缩小。 　　QFP的电极间距的极限是0.3mm。在装配焊接电路板时，对QFP芯片的贴装精度要求非常严格，电气连接可靠性要求贴装公差是0.08mm。间距狭窄的QFP电极引脚纤细而脆弱，容易扭曲或折断，这就必须保证引脚之间的平行度和平面度。相比之下，BGA封装的最大优点是I/O电极引脚间距大，典型间距为1.0、1.27和1.5mm（英制为40、50和60mil），贴装公差为0.3mm。用普通多功能贴装机和再流焊设备就能基本满足BGA的组装要求。BGA的尺寸比相同功能的QFP要小得多，有利于PCB组装密度的提高。采用BGA使产品的平均线路长度缩短，改善了组件的电气性能和热性能；另外，焊料球的高度表面张力导致再流焊时器件的自校准效应，这使贴装操作简单易行，降低了精度要求，贴装失误率大幅度下降，显著提高了组装的可靠性。显然，BGA封装方式是大规模集成电路提高I/O端子数量、提高装配密度、改善电气性能的最佳选择。近年以来，1.5mm和1.27mm引脚间距的BGA正在取代0.5mm和0.4mm间距的PLCC/QFP。 目前，使用较多的BGA的I/O端子数是72~736，预计将可能达到2000。 比较QFP和BGA封装的集成电路如图6.10所示。显然，(a)图所示的QFP封装芯片，从器件本体四周“单线性” 顺序引出翼形电极的方式，其电极引脚之间的距离不可能非常小。随之而来的问题是：提高芯片的集成度，必然使电路的输入/输出电极增加，但电极引脚间距的限制导致芯片的封装面积变大。 BGA方式封装的大规模集成电路如图6.10(b)所示。BGA封装是将原来器件PLCC/QFP封装的J形或翼形电极引脚，改变成球形引脚；把从器件本体四周“单线性”顺列引出的电极，改变成本体底面之下“全平面”式的格栅阵排列。这样，既可以疏散引脚间距，又能够增加引脚数目。
图6.10 &QFP和BGA封装的集成电路比较 & BGA方式能够显著地缩小芯片的封装表面积：假设某个大规模集成电路有400个I/O电极引脚，同样取电极引脚的间距为1.27mm，则正方形QFP芯片每边100条引脚，边长至少达到127mm，芯片的表面积要160cm2以上；而正方形BGA芯片的电极引脚按20×20的行列均匀排布在芯片的下面，边长只须25.4mm，芯片的表面积还不到7cm2。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电路板上提高装配的密度。 正因为BGA封装有比较明显的优越性，所以大规模集成电路的BGA品种也在迅速多样化。现在已经出现很多种形式，如陶瓷BGA（CBGA）、塑料BGA（PBGA）、载带BGA（TBGA）、陶瓷柱BGA（CCGA）、中空金属BGA（MBGA）以及柔性BGA（Micro-BGA、mBGA或CSP）等，前三者的主要区分在于封装的基底材料，如CBGA采用陶瓷，PBGA采用BT树脂，TBGA采用两层金属复合等；而后者是指那些封装尺寸与片芯尺寸比较接近的小型封装的集成电路。 从装配焊接的角度看，BGA芯片的贴装公差为0.3mm，比QFP芯片的贴装精度要求0.08mm低得多。这就使BGA芯片的贴装可靠性显著提高，工艺失误率大幅度下降，用普通多功能贴装机和再流焊设备就能基本满足组装要求。采用BGA芯片，使产品的平均线路长度缩短，改善了电路的频率响应和其他电气性能；另外，用再流焊设备焊接时，锡珠的高度表面张力导致芯片的自校准（自“对中”）效应，提高了装配焊接的质量。 目前可以见到的一般BGA芯片，焊球间距有1.5mm、1.27mm、1.0mm三种；而mBGA芯片的焊球间距有0.8mm、0.65mm、0.5mm、0.4mm和0.3mm多种。 正是由于上述优点，目前200条以上I/O端子数的大规模集成电路大多采用BGA封装方式，这种集成电路已经被大量使用在现代电子整机产品中。例如，电脑中的CPU、总线控制器、数据控制器、显示控制器芯片等都采用BGA封装，其封装形式大多是PBGA；移动电话（手机）中的中央处理器芯片也采用BGA封装，其封装形式多为mBGA。 　　图6.11所示是几种典型的BGA结构。其中，（a）图是PBGA，（b）图是柔性微型BGA（mBGA），（c）图是管芯上置的载带TBGA，（d）图是管芯下置的载带TBGA，（e）图是陶瓷CBGA，（f）图是一种BGA的外观照片，可见其球状引脚数目是15×15＝225。 &
& 图6.11 大规模集成电路的几种BGA封装结构 & 6.2 表面安装元器件的基本要求及使用注意事项 6.2.1 SMT元器件的基本要求 表面安装元器件应该满足以下基本要求： ⑴ 装配适应性——要适应各种装配设备操作和工艺流程。 ·SMT元器件在焊接前要用贴装机贴放到电路板上，所以，元器件的上表面应该适用于真空吸嘴的拾取。 ·表面组装元器件的下表面（不包括焊端）应保留使用胶粘剂的能力。 ·尺寸、形状应该标准化，并具有良好的尺寸精度和互换性。 ·包装形式适应贴装机的自动贴装。 ·具有一定的机械强度，能承受贴装应力和电路基板的弯曲应力。 ⑵ 焊接适应性——要适应各种焊接设备及相关工艺流程。 ·元器件的焊端或引脚的共面性好，适应焊接条件。 再流焊 235±5℃，焊接时间 2±0.2S； &&& 波峰焊 260±5℃，焊接时间 5±0.5S。 ·可以承受焊接后采用有机溶剂进行清洗，封装材料及表面标识不得被溶解。 6.2.2 使用SMT元器件的注意事项 ⑴ 表面组装元器件存放的环境条件： ·环境温度& 库存温度＜40℃； 生产现场温度＜30℃； ·环境湿度& ＜RH60%； ·环境气氛& 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； ·防静电措施& 要满足SMT元器件对防静电的要求； ·元器件的存放周期& 从元器件厂家的生产日期算起，库存时间不超过两年；整机厂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的整机厂，购入SMT元器件以后应在三个月内使用。 ⑵ 对有防潮要求的SMD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SMD器件要按规定进行去潮烘干处理。 ⑶在运输、分料、检验或手工贴装时，假如工作人员需要拿取SMD器件，应该佩带防静电腕带，尽量使用吸笔操作，并特别注意避免碰伤SOP、QFP等器件的引脚，预防引脚翘曲变形。 6.2.3 SMT元器件的选择 选择表面安装元器件，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。主要从以下两方面选择。 ⑴ SMT元器件类型选择 ·选择元器件时要注意贴片机的精度。 ·钽和铝电容器主要用于电容量大的场合。 ·PLCC芯片的面积小，引脚不易变形，但维修不够方便。 ·LCCC的可靠性高但价格高，主要用于军用产品中，并且必须考虑器件与电路板之间的热膨胀系数是否一致的问题。 ·机电元件最好选用有引脚的元件。 ⑵ SMT元器件的包装选择 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，后三种包装的形式如图6.12所示。 ① 散装。无引线且无极性的SMC元件可以散装，例如一般矩形、圆柱形电容器和电阻器。散装的元件成本低，但不利于自动化设备拾取和贴装。 &
& 图6.12& SMT元器件的包装形式 & ② 盘状编带包装。编带包装适用于除大尺寸QFP、PLCC、LCCC芯片以外的其他元器件，如图6.12(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、片状电容、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。 塑料编带包装的元器件种类很多，各种无引线元件、复合元件、异形元件、SOT晶体管、引线少的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（元件小于0402系列的编带孔距为2mm）。在编带上的元件间距依元器件的长度而定，取4mm的倍数。编带的尺寸标准见表6.5。 表6.5& SMT元器件的包装编带的尺寸标准
编带宽度 mm
元器件间距mm （4的倍数）
12,16, 20,24
16,20, 24,28, 32
24,28, 32,36, 40,44
40,44, 48,52, 56, & ③ 管式包装。如图6.12(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6.12(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。 6.3 SMT装配焊接技术 6.3.1 SMT电路板安装方案 采用SMT的安装方法和工艺过程完全不同于通孔插装式元器件的安装方法和工艺过程。目前，在应用SMT技术的电子产品中，有一些是全部都采用了SMT元器件的电路，但还可见到所谓的“混装工艺”，即在同一块印制电路板上，既有插装的传统THT元器件，又有表面安装的SMT元器件。这样，电路的安装结构就有很多种。 6.3.1.1 三种SMT安装结构及装配焊接工艺流程 ⑴ 第一种装配结构：全部采用表面安装 印制板上没有通孔插装元器件，各种SMD和SMC被贴装在电路板的一面或两侧，如图6.13(a)所示。 ⑵ 第二种装配结构：双面混合安装 如图6.13(b)所示，在印制电路板的A面（也称“元件面”）上，既有通孔插装元器件，又有各种SMT元器件；在印制板的B面（也称“焊接面”）上，只装配体积较小的SMD晶体管和SMC元件。 ⑶ 第三种装配结构：两面分别安装 在印制板的A面上只安装通孔插装元器件，而小型的SMT元器件贴装在印制板的B面上，见图6.13(c)。 &
& 图6.13 三种SMT安装结构示意图 & 可以认为，第一种装配结构能够充分体现出SMT的技术优势，这种印制电路板最终将会价格最便宜、体积最小。但许多专家仍然认为，后两种混合装配的印制板也具有很好的前景，因为它们不仅发挥了SMT贴装的优点，同时还可以解决某些元件至今不能采用表面装配形式的问题。 　　从印制电路板的装配焊接工艺来看，第三种装配结构除了要使用贴片胶把SMT元器件粘贴在印制板上以外，其余和传统的通孔插装方式的区别不大，特别是可以利用现在已经比较普及的波峰焊设备进行焊接，工艺技术上也比较成熟；而前两种装配结构一般都需要添加再流焊设备。 6.3.1.2 SMT印制板波峰焊工艺流程 在上述第三种SMT装配结构下，印制板采用波峰焊的工艺流程如图6.14所示。 &
& 图6.14 SMT印制板波峰焊工艺流程 & ⑴ 制作粘合剂丝网 按照SMT元器件在印制板上的位置，制作用于漏印粘合剂的丝网。 　　⑵ 丝网漏印粘合剂 　　把粘合剂丝网覆盖在印制电路板上，漏印粘合剂。要精确保证粘合剂漏印在元器件的中心，尤其要避免粘合剂污染元器件的焊盘。如果采用点胶机或手工点涂粘合剂，则这前两道工序要相应更改。 　　⑶ 贴装SMT元器件 　　把SMT元器件贴装到印制板上，使它们的电极准确定位于各自的焊盘。 　　⑷ 固化粘合剂 　　用加热或紫外线照射的方法，使粘合剂烘干、固化，把SMT元器件比较牢固地固定在印制板上。 　　⑸ 插装THT元器件 　　把印制电路板翻转180°，在另一面插装传统的THT引线元器件。 　　⑹ 波峰焊 　　与普通印制板的焊接工艺相同，用波峰焊设备进行焊接。在印制板焊接过程中，SMT元器件浸没在熔融的锡液中。可见，SMT元器件应该具有良好的耐热性能。假如采用双波峰焊接设备，则焊接质量会好很多。 　　⑺ 印制板（清洗）测试 　　对经过焊接的印制板进行清洗，去除残留的助焊剂残渣（现在已经普遍采用免清洗助焊剂，除非是特殊产品，一般不必清洗）。最后进行电路检验测试。 6.3.1.3 SMT印制板再流焊工艺流程 印制板装配焊接采用再流焊工艺，涂敷焊料的典型方法之一是用丝网印刷焊锡膏，其流程如图6.15所示。 &
& 图6.15 丝网印刷焊锡膏的再流焊工艺流程 & 　　⑴ 制作焊锡膏丝网 按照SMT元器件在印制板上的位置及焊盘的形状，制作用于漏印焊锡膏的丝网。 　　⑵ 丝网漏印焊锡膏 　　把焊锡膏丝网覆盖在印制电路板上，漏印焊锡膏，要精确保证焊锡膏均匀地漏印在元器件的电极焊盘上。请注意：这两道工序所涉及的“焊锡膏丝网”和“丝网漏印”概念，将在下文介绍印刷机时进一步说明。 　　⑶ 贴装SMT元器件 　　把SMT元器件贴装到印制板上，有条件的企业采用不同档次的贴装设备，在简陋的条件下也可以手工贴装。无论采用哪种方法，关键是使元器件的电极准确定位于各自的焊盘。 　　⑷ 再流焊 用再流焊设备进行焊接，有关概念已经在前文中做过介绍。 ⑸ 印制板清洗及测试 根据产品要求和工艺材料的性质，选择印制板清洗工艺或免清洗工艺。最后对电路板进行检查测试。 如果是第二种SMT装配结构（双面混合装配），即在印制板的A面（元件面）上同时还装有SMT元器件，则先要对A面经过贴装和再流焊工序；然后，对印制板的B面（焊接面）用粘合剂粘贴SMT元器件，翻转印制板并在A面插装引线元器件后，执行波峰焊工艺流程。 6.3.2 SMT电路板装配焊接设备 SMT电路板装配焊接的典型设备有锡膏印刷机、贴片机和再流焊炉。再流焊设备已经在前文中进行了介绍。 6.3.2.1 SMT印刷机 ⑴ 再流焊工艺焊料供给方法 在再流焊工艺中，将焊料施放在焊接部位的主要方法有焊膏法、预敷焊料法和预形成焊料法。 ① 焊膏法：焊膏法将焊锡膏涂敷到PCB板焊盘图形上，是再流焊工艺中最常用的方法。焊膏涂敷方式有两种：注射滴涂法和印刷涂敷法。注射滴涂法主要应用在新产品的研制或小批量产品的生产中，可以手工操作，速度慢、精度低但灵活性高。印刷涂敷法又分直接印刷法（也叫模板漏印法或漏板印刷法）和非接触印刷法（也叫丝网印刷法）两种类型，直接印刷法是目前高档设备广泛应用的方法。 ② 预敷焊料法：预敷焊料法也是再流焊工艺中经常使用的施放焊料的方法。在某些应用场合，可以采用电镀法和熔融法，把焊料预敷在元器件电极部位的细微引线上或是PCB板的焊盘上。在窄间距器件的组装中，采用电镀法预敷焊料是比较合适的，但电镀法的焊料镀层厚度不够稳定，需要在电镀焊料后再进行一次熔融。经过这样的处理，可以获得稳定的焊料层。 ③ 预形成焊料法：预形成焊料是将焊料制成各种形状，如片状、棒状、微小球状等预先成形的焊料，焊料中可含有助焊剂。这种形式的焊料主要用于半导体芯片的键合部分、扁平封装器件的焊接工艺中。 ⑵ SMT印刷机及其结构 图6.16是SMT锡膏印刷机的照片，它是用来印刷焊锡膏或贴片胶的，其功能是将焊锡膏或贴片胶正确地漏印到印制板相应的位置上。
图6.16& SMT锡膏印刷机 SMT印刷机大致分为三个档次：手动、半自动和全自动印刷机。半自动和全自动印刷机可以根据具体情况配置各种功能，以便提高印刷精度。例如：视觉识别功能、调整电路板传送速度功能、工作台或刮刀45°角旋转动能（适用于窄间距元器件），以及二维、三维检测功能等。 无论是哪一种印刷机，都由以下几部分组成： ·夹持PCB基板的工作台。包括工作台面、真空或边夹持机构、工作台传输控制机构。 ·印刷头系统。包括刮刀、刮刀固定机构、印刷头的传输控制系统等。 ·丝网或模板及其固定机构。 ·为保证印刷精度而配置的其他选件。包括视觉对中系统、擦板系统和二维、三维测量系统等。 ⑶ 印刷涂敷法的丝网及模板 在印刷涂敷法中，直接印刷法和非接触印刷法的共同之处是其原理与油墨印刷类似，主要区别在于印刷焊料的介质，即用不同的介质材料来加工印刷图形：无刮动间隙的印刷是直接（接触式）印刷，采用刚性材料加工的金属漏印模板；有刮动间隙的印刷是非接触式印刷，采用柔性材料丝网或金属掩膜。刮刀压力、刮动间隙和刮刀移动速度是保证印刷质量的重要参数。 高档SMT印刷机一般使用不锈钢薄板制作的漏印模板，这种模板的精度高，但加工困难，因此制作费用高，适合于大批量生产的高密度SMT电子产品；手动操作的简易SMT印刷机可以使用薄铜板制作的漏印模板，这种模板容易加工，制作费用低廉，适合于小批量生产的电子产品。非接触式丝网印刷法是传统的方法，制作丝网的费用低廉，印刷锡膏的图形精度不高，适用于大批量生产的一般SMT电路板。 ⑷ 漏印模板印刷法的基本原理 漏印模板印刷法的基本原理见图6.17。 & & & & & & &
& 图6.17 漏印模板印刷法的基本原理 & 如图6.17(a)所示，将PCB板放在工作支架上，由真空泵或机械方式固定，已加工有印刷图形的漏印模板在金属框架上绷紧，模板与PCB表面接触，镂空图形网孔与PCB板上的焊盘对准，把焊锡膏放在漏印模板上，刮刀（亦称刮板）从模板的一端向另一端移动，同时压刮焊膏通过模板上的镂空图形网孔印制（沉淀）在PCB的焊盘上。假如刮刀单向刮锡，沉积在焊盘上的焊锡膏可能会不够饱满；而刮刀双向刮锡，锡膏图形就比较饱满。高档的SMT印刷机一般有A、B两个刮刀：当刮刀从右向左移动时，刮刀A上升，刮刀B下降，B压刮焊膏；当刮刀从左向右移动时，刮刀B上升，刮刀A下降，A压刮焊膏。两次刮锡后，PCB与模板脱离（PCB下降或模板上升），如图6.17(b)所示，完成锡膏印刷过程。 图6.17(c)描述了简易SMT印刷机的操作过程，漏印模板用薄铜板制作，将PCB准确定位以后，手持不锈钢刮板进行锡膏印刷。 焊锡膏是一种膏状流体，其印刷过程遵循流体动力学的原理。漏印模板印刷的特征是： ·模板和PCB表面直接接触； ?刮刀前方的焊膏颗粒沿刮刀前进方向作顺时针走向滚动； ?漏印模板离开PCB表面的过程中，焊膏从网孔转移到PCB表面上。 ⑸ 丝网印刷涂敷法的基本原理 用乳剂涂敷到丝网上，只留出印刷图形的开口网目，就制成了非接触式印刷涂敷法所用的丝网。丝网印刷涂敷法的基本原理如图6.18所示。 &
& 图6.18& 丝网印刷涂敷法 & 将PCB板固定在工作支架上，将印刷图形的漏印丝网绷紧在框架上并与PCB板对准，将焊锡膏放在漏印丝网上，刮刀从丝网上刮过去，压迫丝网与PCB表面接触，同时压刮焊膏通过丝网上的图形印刷到PCB的焊盘上。 丝网印刷具有以下3个特征：
?丝网和PCB表面隔开一小段距离； ?刮刀前方的焊膏颗粒沿刮板前进方向作顺时针走向滚动； ?丝网从接触到脱开PCB表面的过程中，焊膏从网孔转移到PCB表面上。 下面从理论上说明丝网印刷的工作原理。 丝网印刷时，刮刀以一定速度和角度向前移动，对焊锡膏产生一定的压力，推动焊锡膏在刮刀前滚动，产生将焊锡膏注入网孔所需的压力。由于焊膏和贴片胶都是粘性触变流体，焊膏中的粘性摩擦力使其在刮板与丝网之间产生切变。在刮刀刃边缘附近与网孔交接处，焊膏切变速率最大，这就一方面产生使焊膏注入网孔所需的压力，另一方面切变率的提高也使焊膏粘性下降，有利于焊膏注入网孔。所以当刮刀速度和角度适当时，焊膏将会顺利地注入丝网的网孔。因此，刮刀速度、刮刀与丝网的角度、焊膏粘度和施加在焊膏上的压力，以及由此引起的切变率的大小是影响丝网印刷质量的主要因素。它们相互之间还存在一定制约关系，正确地控制这些参数，就能获得优良的焊锡膏印刷质量。 当刮刀完成压印动作后，丝网回弹脱离PCB。结果就在PCB表面和丝网之间产生一个低压区，由于丝网焊膏上面的大气压与这一低压区存在压差，所以就将焊锡膏从网孔中推向PCB表面，形成印刷的焊锡膏图形。如果由于掩膜边界、PCB上的通孔等与大气接触表面的影响，不能形成低压区，焊锡膏仍留在网孔中，就不能形成印刷的焊锡膏图形。实际上，对于成功的印刷，刮刀速度v和焊膏粘度η之间遵循下列关系：<v:shape id=_x style="WIDTH: 18.75 HEIGHT: 11.25pt" coordsize="" type="#_x0000_t75" ole=""> ≤某一恒定值。该恒定值由特定印刷条件决定，与丝网线径、丝网与PCB间隙等参数有关。当给定粘度超过某一值时，焊锡膏印刷就不能顺利进行。所以任何给定粘度的焊锡膏，在特定印刷条件下有一个最佳的刮刀速度，而刮刀倾角一般为45°。 ⑹ 印刷机的主要技术指标 ·最大印刷面积：根据最大的PCB尺寸确定。 ·印刷精度：根据印制板组装密度和元器件的引脚间距或球距的最小尺寸确定，一般要求达到±0.025mm。 ·印刷速度：根据产量要求确定。 6.3.2.2 SMT元器件贴装机 用贴装机或人工的方式，将SMC/SMD准确地贴放到PCB板上印好焊锡膏或贴片胶的表面相应位置上的过程，叫做贴装（贴片）工序。在目前国内的电子产品制造企业里，主要采用自动贴片机进行自动贴片，也可以采用手工方式贴片。手工贴片现在一般用在维修或小批量的试制生产中。 要保证贴片质量，应该考虑三个要素：贴装元器件的正确性、贴装位置的准确性和贴装压力（贴片高度）的适度性。 ⑴ 贴片工序对贴装元器件的要求 ·元器件的类型、型号、标称值和极性等特征标记，都应该符合产品装配图和明细表的要求。 ·贴装元器件的焊端或引脚上不小于1/2的厚度要浸入焊膏，一般元器件贴片时，焊膏挤出量应小于0.2mm；窄间距元器件的焊膏挤出量应小于0.1mm。 ·元器件的焊端或引脚均应该尽量和焊盘图形对齐、居中。因为再流焊时的自定位效应，元器件的贴装位置允许一定的偏差。 ⑵ 元器件贴装偏差范围 ① 矩形元器件允许的贴装偏差范围。 如图6.19所示，(a)图的元器件贴装优良，元器件的焊端居中位于焊盘上。(b)图表示元件在贴装时发生横向移位（规定元器件的长度方向为“纵向”），合格的标准是：焊端宽度的3/4以上在焊盘上，即D1≥焊端宽度的75%；否则为不合格。(c)图表示元器件在贴装时发生纵向移位，合格的标准是：焊端与焊盘必须交叠；如果D2≥0，则为不合格。(d)图表示元器件在贴装时发生旋转偏移，合格的标准是：D3≥焊端宽度的75%；否则为不合格。(e)图表示元器件在贴装时与焊锡膏图形的关系，合格的标准是：元件焊端必须接触焊锡膏图形；否则为不合格。 &
& 图6.19 矩形元件贴装偏差 & &&& ② 小外形晶体管（SOT）允许的贴装偏差范围：允许有旋转偏差，但引脚必须全部在焊盘上。 ③ 小外形集成电路（SOIC）允许的贴装偏差范围：允许有平移或旋转偏差，但必须保证引脚宽度的3/4在焊盘上。如图6.20示。 &
& 图6.20 &SO IC集成电路贴装偏差 & ④ 四边扁平封装器件和超小型器件（QFP，包括PLCC器件）允许的贴装偏差范围：要保证引脚宽度的3/4在焊盘上，允许有旋转偏差，但必须保证引脚长度的3/4在焊盘上。 ⑤ BGA器件允许的贴装偏差范围：焊球中心与焊盘中心的最大偏移量小于焊球半径，如图6.21示。 &
& 图6.21& BGA集成电路贴装偏差 & ⑶ 元器件贴装压力（贴片高度） 元器件贴装压力要合适，如果压力过小，元器件焊端或引脚就会浮放在焊锡膏表面，使焊锡膏不能粘住元器件，在传送和再流焊过程中可能会产生位置移动。 如果元器件贴装压力过大，焊膏挤出量过大，容易造成焊锡膏外溢粘连，使再流焊时产生桥接，同时也会造成器件的滑动偏移，严重时会损坏器件。 ⑶ 自动贴片机的主要结构 片状元器件贴装机，又称贴片机。自动贴片机相当于机器人的机械手，能按照事先编制好的程序把元器件从包装中取出来，并贴放到印制板相应的位置上。由于SMT的迅速发展，国外生产贴片机的厂家很多，其型号和规格也有多种，但这些设备的基本结构都是相同的。贴装机的基本结构包括设备本体、片状元器件供给系统、印制板传送与定位装置、贴装头及其驱动定位装置、贴装工具（吸嘴）、计算机控制系统等。为适应高密度超大规模集成电路的贴装，比较先进的贴装机还具有光学检测与视觉对中系统，保证芯片能够高精度地准确定位。图6.22是多功能贴片机正在工作时的照片。 & & & & & &
& 图6.22 多功能贴片机在工作 & ① 设备本体 贴片机的设备本体是用来安装和支撑贴装机的底座，一般采用质量大、振动小、有利于保证设备精度的铸铁件制造。 　　② 贴装头 贴装头也叫吸－放头，是贴装机上最复杂、最关键的部分，它相当于机械手，它的动作由拾取－贴放和移动－定位两种模式组成。第一，贴装头通过程序控制，完成三维的往复运动，实现从供料系统取料后移动到电路基板的指定位置上。第二，贴装头的端部有一个用真空泵控制的贴装工具（吸嘴）。不同形状、不同大小的元器件要采用不同的吸嘴拾放：一般元器件采用真空吸嘴，异形元件（例如没有吸取平面的连接器等）用机械爪结构拾放。当换向阀门打开时，吸嘴的负压把SMT元器件从供料系统（散装料仓、管装料斗、盘状纸带或托盘包装）中吸上来；当换向阀门关闭时，吸盘把元器件释放到电路基板上。贴装头通过上述两种模式的组合，完成拾取－放置元器件的动作。贴装头还可以用来在电路板指定的位置上点胶，涂敷固定元器件的粘合剂。 贴装头的X-Y定位系统一般用直流伺服电机驱动、通过机械丝杠传输力矩，磁尺和光栅定位的精度高于丝杠定位，但后者容易维护修理。 　　③ 供料系统 适合于表面组装元器件的供料装置有编带、管状、托盘和散装等几种形式。供料系统的工作状态，根据元器件的包装形式和贴片机的类型而确定。贴装前，将各种类型的供料装置分别安装到相应的供料器支架上。随着贴装进程，装载着多种不同元器件的散装料仓水平旋转，把即将贴装的那种元器件转到料仓门的下方，便于贴装头拾取；纸带包装元器件的盘装编带随编带架垂直旋转，管状和定位料斗在水平面上二维移动，为贴装头提供新的待取元件。 　　④ 电路板定位系统 　　电路板定位系统可以简化为一个固定了电路板的X-Y二维平面移动的工作台。在计算机控制系统的操纵下，电路板随工作台沿传送轨道移动到工作区域内，并被精确定位，使贴装头能把元器件准确地释放到一定的位置上。精确定位的核心是“对中”，有机械对中、激光对中、激光加视觉混合对中以及全视觉对中方式。 　　⑤ 计算机控制系统 计算机控制系统是指挥贴片机进行准确有序操作的核心，目前大多数贴片机的计算机控制系统采用Windows界面。可以通过高级语言软件或硬件开关，在线或离线编制计算机程序并自动进行优化，控制贴片机的自动工作步骤。每个片状元器件的精确位置，都要编程输入计算机。具有视觉检测系统的贴装机，也是通过计算机实现对电路板上贴片位置的图形识别。 ⑷ 贴片机的主要指标 衡量贴片机的三个重要指标是精度、速度和适应性。 ·精度：精度是贴装机技术规格中的主要指标之一，不同的贴装机制造厂家，使用的精度体系有不同的定义。精度与贴片机的对中方式有关，其中以全视觉对中的精度最高。一般来说，贴片的精度体系应该包含三个项目：贴装精度、分辨率、重复精度，三者之间有一定的相关关系。 贴装精度是指元器件贴装后相对于PCB上标准贴装位置的偏移量大小，被定义为贴装元器件焊端偏离指定位置最大值的综合位置误差。贴装精度由两种误差组成，即平移误差和旋转误差，如图6.23所示。平移误差主要因为X-Y定位系统不够精确，旋转误差主要因为元器件对中机构不够精确和贴装工具存在旋转误差。定量地说，贴装SMC要求精度达到±0.01mm，贴装高密度、窄间距的SMD至少要求精度达到±0.06mm。 &
& 图6.23 贴片机的贴装精度 & 分辨率是描述贴装机分辨空间连续点的能力。贴装机的分辨率由定位驱动电机和传动轴驱动机构上的旋转位置或线性位置检测装置的分辨率来决定，它是贴装机能够分辨的距离目标位置最近的点。分辨率用来度量贴装机运行时的最小增量，是衡量机器本身精度的重要指标，例如丝杠的每个步进为0.01mm，那么该贴装机的分辨率为0.01mm。但是，实际贴装精度包括所有误差的总和，因此，描述贴装机性能时很少使用分辨率，一般在比较不同贴装机的性能时才使用它。 重复精度描述贴片头重复返回标定点的能力。通常采用双向重复精度的概念，它定义为“在一系列试验中，从两个方向接近任一给定点时，离开平均值的偏差”，如图6.24所示。
& 图6.24& 贴片机的重复精度 ·贴片速度：影响贴装机贴装速度的因素有许多，例如PCB板的设计质量、元器件供料器的数量和位置等。一般高速机贴装速度高于0.2s/Chip元件，目前最高贴装速度为0.06s/Chip元件；高精度、多功能机一般都是中速机，贴装速度为0.3~0.6s/Chip元件左右。贴装机速度主要用以下几个指标来衡量。 贴装周期。指完成一个贴装过程所用的时间，它包括从拾取元器件、元器件定心、检测、贴放和返回到拾取元器件的位置这一过程所用的时间。 贴装率。指在一小时内完成的贴装周期数。测算时，先测出贴装机在50mm×250mm的PCB板上贴装均匀分布的150只片式元器件的时间，然后计算出贴装一只元器件的平均时间，最后计算出一小时贴装的元器件数量，即贴装率。目前高速贴片机的贴装率可达每小时数万片。 生产量。理论上每班的生产量可以根据贴装率来计算，但由于实际的生产量会受到许多因素的影响，与理论值有较大的差距，影响生产量的因素有生产时停机、更换供料器或重新调整PCB板位置的时间等因素。 ·适应性：适应性是贴装机适应不同贴装要求的能力，包括以下内容。 能贴装的元器件的种类。贴装元器件种类广泛的贴装机，比仅能贴装SMC或少量SMD类型的贴装机的适应性好。影响贴装元器件类型的主要因素是贴装精度、贴装工具、定心机构与元器件的相容性，以及贴装机能够容纳供料器的数目和种类。一般高速贴片机主要可以贴装各种SMC元件和较小的SMD器件（最大约25×30mm）；多功能机可以贴装从1.0×0.5mm~54×54mm的SMD器件（目前可贴装的元器件尺寸已经达到最小0.6×0.3mm，最大60×60mm），还可以贴装连接器等异形元器件，连接器的最大长度可达150mm。 贴装机能够容纳供料器的数目和种类。贴装机上供料器的容纳量通常用能装到贴装机上的8mm编带供料器的最多数目来衡量。一般高速贴片机的供料器位置大于120个，多功能贴片机的供料器位置在60~120个之间。由于并不是所有元器件都能包装在8mm编带中，所以贴装机的实际容量将随着元器件的类型而变化。 贴装面积。由贴装机传送轨道以及贴装头的运动范围决定。一般可贴装的PCB尺寸，最小为50×50mm，最大应大于250×300mm。 贴装机的调整。当贴装机从组装一种类型的电路板转换到组装另一种类型的电路板时，需要进行贴装机的再编程、供料器的更换、电路板传送机构和定位工作台的调整、贴装头的调整和更换等工作。高档贴装机一般采用计算机编程方式进行调整，低档贴装机多采用人工方式进行调整。 ⑸ 贴片机的工作方式和类型 按照贴装元器件的工作方式，贴片机有四种类型：顺序式、同时式、流水作业式和顺序－同时式。它们在组装速度、精度和灵活性方面各有特色，要根据产品的品种、批量和生产规模进行选择。目前国内电子产品制造企业里使用最多的是顺序式贴片机。 　　所谓流水作业式贴装机，是指由多个贴装头组合而成的流水线式的机型，每个贴装头负责贴装一种或在电路板上某一部位的元器件，见图6.25 (a)。这种机型适用于元器件数量较少的小型电路。 　　顺序式贴装机见图6.25(b)，是由单个贴装头顺序地拾取各种片状元器件，固定在工作台上的电路板，由计算机进行控制作X-Y方向上的移动，使板上贴装元器件的位置恰位于贴装头的下面。 　　同时式贴装机，也叫多贴装头贴片机，是指它有多个贴装头，分别从供料系统中拾取不同的元器件，同时把它们贴放到电路基板的不同位置上，如图6.25 (c)所示。 　　顺序－同时式贴装机，则是顺序式和同时式两种机型功能的组合。片状元器件的放置位置，可以通过电路板作X-Y方向上的移动或贴装头作X-Y方向上的移动来实现，也可以通过两者同时移动实施控制，如图6.25(d)所示。 &
& 图6.25 片状元器件贴装机的类型 & 　　在选购贴片机时，必须考虑其贴装速度、贴装精度、重复精度、送料方式和送料容量等指标，使它既符合当前产品的要求，又能适应近期发展的需要。如果对贴片机性能有比较深入的了解，就能够在购买设备时获得更高的性能-价格比。例如，要求贴装一般的片状阻容元件和小型平面集成电路，则可以选购一台多贴装头的贴片机；如果还要贴装引脚密度更高的PLCC/QFP器件，就应该选购一台具有视觉识别系统的贴片机和一台用来贴装片状阻容元件的普通贴片机，配合起来使用。供料系统可以根据使用的片状元器件的种类来选定，尽量采用盘状纸带式包装，以便提高贴片机的工作效率。 如果企业生产SMT电子产品刚刚起步，应该选择一种由主机加上很多选件组成的中、小型贴片机系统。主机的基本性能好，价格不太高，可以根据需要选购多种附件，组成适应不同产品需要的多功能贴片机。 6.3.2.3 SMT点胶机 与传统的THT技术在焊接前把元器件插装到电路板上不同，SMT技术是在焊接前把元器件贴装到电路板上。显然，采用再流焊工艺流程进行焊接，依靠焊锡膏就能够把元器件粘贴在电路板上传递到焊接工序；但对于采用波峰焊工艺焊接双面混合装配、双面分别装配（第二、三种装配方式）的电路板来说，由于元器件在焊接过程中位于电路板的下方，所以必须在贴片时用粘合剂进行固定。用来固定SMT元器件的粘合剂叫做贴片胶。 ⑴ 涂敷贴片胶的方法 　　涂敷贴片胶到电路板上的常用方法有点滴法、注射法和丝网印刷法。 　　·点滴法。这种方法说来简单，是用针头从容器里蘸取一滴贴片胶，把它点涂到电路基板的焊盘或元器件的焊端上。点滴法只能手工操作，效率很低，要求操作者非常细心，因为贴片胶的量不容易掌握，还要特别注意避免涂到元器件的焊盘上导致焊接不良。 　　·注射法。这种方法既可以手工操作，又能够使用设备自动完成。手工注射贴片胶，是把贴片胶装入注射器，靠手的推力把一定量的贴片胶从针管中挤出来。有经验的操作者可以准确地掌握注射到电路板上的胶量，取得很好的效果。 　　大批量生产中使用的由计算机控制的点胶机如图6.26所示。图(a)是根据元器件在电路板上的位置，通过针管组成的注射器阵列，靠压缩空气把贴片胶从容器中挤出来，胶量由针管的大小、加压的时间和压力决定。图(b)是把贴片胶直接涂到被贴装头吸住的元器件下面，再把元器件贴装到电路板指定的位置上。 & &
& 图6.26& 自动点胶机的工作原理示意图 & 点胶机的功能可以用SMT自动贴片机来实现：把贴片机的贴装头换成内装贴片胶的点胶针管，在计算机程序的控制下，把贴片胶高速逐一点涂到印制板的焊盘上。 ·贴片胶丝网印刷法。用丝网漏印的方法把贴片胶印刷到电路基板上，这是一种成本低、效率高的方法，特别适用于元器件的密度不太高，生产批量比较大的情况。需要注意的关键是，电路基板在丝网印刷机上必须准确定位，保证贴片胶涂敷到指定的位置上，避免污染焊接面。 ⑵ 贴片胶的固化 　　涂敷贴片胶以后进行贴装元器件，这时需要固化贴片胶，把元器件固定在电路板上。固化贴片胶可以采用多种方法，比较典型的方法有三种：
　　·用电热烘箱或红外线辐射，对贴装了元器件的电路板加热一定时间； 　　·在粘合剂中混合添加一种硬化剂，使粘接了元器件的贴片胶在室温中固化，也可以通过提高环境温度加速固化； 　　·采用紫外线辐射固化贴片胶。 ⑶ 装配流程中的贴片胶涂敷工序 　　在元器件混合装配结构的电路板生产过程中，涂敷贴片胶是重要的工序之一，它与前后工序的关系如图6.27所示。其中，(a)图是先插装引线元器件，后贴装SMT元器件的方案；(b)图是先贴装SMT元器件，后插装引线元器件的方案。比较这两个方案，后者更适合用自动生产线进行大批量生产。 & & &
图6.27 混合装配结构生产过程中的贴片胶涂敷工序 & ⑷ 涂敷贴片胶的技术要求 有通过光照或加热方法固化的两类贴片胶，涂敷光固型和热固型贴片胶的技术要求也不相同。如图6.28所示，(a)图表示光固型贴片胶的位置，因为贴片胶至少应该从元器件的下面露出一半，才能被光照射而实现固化； (b)图是热固型贴片胶的位置，因为采用加热固化的方法，所以贴片胶可以完全被元器件覆盖。 &
& 图6.28 贴片胶的点涂位置 & 贴片胶滴的大小和胶量，要根据元器件的尺寸和重量来确定，以保证足够的粘结强度为准：小型元件下面一般只点涂一滴贴片胶，体积大的元器件下面可以点涂多个胶滴或点涂大一些的胶滴；胶滴的高度应该保证贴装元器件以后能接触到元器件的底部；胶滴也不能太大，要特别注意贴装元器件后不要把胶挤压到元器件的焊端和印制板的焊盘上，造成妨碍焊接的污染。 6.3.2.4 SMT焊接设备 用波峰焊与再流焊设备焊接SMT电路板的方法已经在前文进行了介绍，这里结合SMT电路板的组装方式做进一步的比较。一般情况下，波峰焊适用于混合组装（第二、三种装配方式），再流焊适用于全表面组装（第一种装配方式）。表6.6比较了各种设备焊接SMT电路板的性能。 表6.6 各种设备焊接SMT电路板的性能比较
& 焊接方法
& 温度稳定性
工作适应性
工装 适应性
温度敏感元件
焊接 误差率
& 再 流 焊 &
取决于吸收
要精确控制
高 注：① 经适当夹持固定后，焊接误差率低； ② 温度曲线改变时间停顿容易，改变温度困难； ③ 一面插装普通元件，SMC在另一面； & 6.3.2.5 SMT电路板的焊接检测设备 SMT电路的小型化和高密度化，使检验的工作量越来越大，依靠人工目视检验的难度越来越高，判断标准也不能完全一致。目前，生产厂家在大批量生产过程中检测SMT电路板的焊接质量，广泛使用自动光学检测（AOI）或X射线检测技术及设备。这两类检测系统的主要差别在于对不同光信号的采集处理方式的差异。 ⑴ AOI自动光学检测系统 AOI的工作原理与贴片机、SMT印刷机所用的光学视觉系统的原理相同，基本有两种，即设计规则检验法（DRC）和图形识别方法。DRC法是按照一些给定的设计规则来检查电路图形，它能从算法上保证被检测电路的正确性，统一评判标准，帮助制造过程控制质量，并具有高速处理数据、编程工作量小等特点，但它对边界条件的确定能力较差；图形识别法是将已经储存的数字化设计图形与实际产品图形相比较，按照完好的电路样板或计算机辅助设计时编制的检查程序进行比较，检查精度取决于系统的分辨率和检查程序的设定。这种方法用设计数据代替DRC方法中的预定设计原则，具有明显的优越性，但其采集的数据量较大，对系统的实时性反映能力的要求较高。 AOI系统用可见光（激光）或不可见光（X射线）作为检测光源，光学部分采集需要检测的图形，由图像处理软件对数据进行处理、分析和判断，不仅能够从外观上检查PCB板和元器件的质量，也可以在贴片焊接工序以后检查焊点的质量。AOI的工作原理模型如图6.29所示。 &
& 图6.29& AOI的工作原理模型 & AOI的主要功能有： ① 检查电路板有引线的一面，保证引线焊端排列和弯折适当；
② 检查电路板正面，判断是否存在元器件缺漏、安装错误、外形损伤、安装方向错误等现象； ③ 检查元器件表面印制的标记质量等。 AOI系统允许正常的产品通过，发现电路板装配焊接的缺陷，便会记录缺陷的类型和特征，并向操作者发出信号，或者触发执行机构自动取下不良部件送回返修系统。AOI系统还会对缺陷进行分析和统计，为主控计算机调整制造过程提供依据。AOI系统使用方便、调整容易。目前市场上出售的AOI系统，可以完成的检查项目一般包括元器件缺漏检查、元器件识别、SMD方向检查、焊点检查、引线检查、反接检查等。参考价格大约在0.6~17万美元之间，能够完成的检查内容与售价有关，有些只能完成上述项目中的二、三项。 AOI系统的不足之处是只能进行图形的直观检验，检测的效果依赖系统的分辨率，它不能检测不可见的焊点和元器件，也不能从电性能上定量地进行测试，条件好的企业一般更多地装备了在线测试（ICT）设备。AOI系统的另一个缺点是价格昂贵。
⑵ X射线检测 PLCC、SOJ、BGA、CSP和FC芯片的焊点在器件的下面，用人眼和AOI系统都不能检验，因此用X射线检测就成为判断这些器件焊接质量的主要方法，国内条件好的企业已经装备了这种设备。现在的X射线检测设备大致可以分成以下三种： ·X射线传输测试系统——适用于检测单面贴装了BGA 等芯片的电路板，缺点是不能区分垂直重叠的焊点。 ·X射线断面测试或三维测试系统——它克服了上述缺点，可以进行分层断面检测，相当于工业CT机。 ·X射线和ICT结合的检测系统——用ICT在线测试补偿X射线检测的不足之处，适用于高密度、双面贴装BGA等芯片的电路板。 6.3.2.6 清洗工艺、清洗设备和免清洗焊接方法 ⑴ 清洗工艺和免清洗工艺 电路板在焊接以后，其表面或多或少会留有各种残留污物。为防止由于腐蚀而引起的电路失效，应该进行清洗，去除残留污物。但是，清洗工艺要消耗能源、人力和清洗材料，特别是清洗材料带来的废气、废水排放和环境污染，已经成为必须重视的问题。现在，除非是制造航天、航空类高可靠性、高精度产品，很多企业在一般电子产品的生产过程中，都改用了免清洗材料（主要是免清洗助焊剂）和免清洗工艺，为降低生产成本和保护环境做出了有益的尝试。在这里，对清洗材料和清洗工艺的介绍，仅供研制生产高可靠性、高精度电子产品的技术人员参考。 ⑵ 残留污物的种类 仔细分析焊接后电路板上的残留污物，一般可以分为三大类。 ·颗粒性残留污物，包括灰尘、絮状物和焊料球。灰尘、絮状物会吸附环境中的潮气和其它污物导致电路腐蚀；焊接时飞溅的焊料球在设备震动时可能聚集在一起，造成电路短路。 ·极性残留污物，包括卤化物、酸和盐，它们来自助焊剂里的活化剂。极性残留污物会降低导体的绝缘电阻，并可能导致印制电路导线锈腐。 ·非极性残留污物，包括油脂、蜡和树脂残留物。非极性残留物的特性是绝缘的，虽然它们不会引起电路短路，但在潮湿的环境中会使电路板出现粉状或泡状腐蚀。 颗粒性残留污物，可以采用高压喷射或超声波等机械方式清除；而极性和非极性残留污物，应该使用溶剂在清洗设备中将其去除。 ⑶ 溶剂的种类和选择 清除极性和非极性残留污物，要使用清洗溶剂。清洗溶剂分为极性和非极性溶剂两大类：极性溶剂包括有酒精、水等，可以用来清除极性残留污物；非极性溶剂包括有氯化物和氟化物两种，如三氯乙烷、F-113等，可以用来清除非极性残留污物。由于大多数残留污物是非极性和极性物质的混合物，所以，实际应用中通常使用非极性和极性溶剂混合后的溶剂进行清洗，混合溶剂由两种或多种溶剂组成。混合溶剂能直接从市场上购买，产品说明书会说明其特点和适用范围。 选择溶剂，除了应该考虑与残留污物类型相匹配以外，还要考虑一些其它因素：去污能力、性能、与设备和元器件的兼容性、经济性和环保要求。 ⑷ 溶剂清洗设备 溶剂清洗设备用于清除电路板上的残留污物，按使用的场合不同，可分为在线式清洗器和批量式清洗器两大类，每一类清洗器中都能加入超声波冲击或高压喷射清洗功能。 这两类清洗设备的清洗原理是相同的，都采用冷凝－蒸发的原理清除残留污物。主要步骤是：将溶剂加热使其产生蒸汽，将较冷的被清洗电路板置于溶剂蒸汽中，溶剂蒸汽冷凝在电路板上，溶解残留污物，然后，将被溶解的残留污物蒸发掉，被清洗电路板冷却后再置于溶剂蒸汽中。循环上述过程数次，直到把残留污物完全清除。 在线式清洗器用于大批量生产的场合。它的操作是全自动的，它有全封闭的溶剂蒸发系统，能够做到溶剂蒸汽不外泄。在线式清洗器可以加入高压倾斜喷射和扇形喷射的机械去污方法，特别适用于表面安装电路板的清洗。 批量式清洗器适用于小批量生产的场合，如在实验室中应用。它的操作是半自动的，溶剂蒸汽会有少量外泄，对环境有影响。 ⑸ 水溶液清洗 && 水是一种成本较低且对多种残留污物都有一定清洗效果的溶剂，特别是在目前环保要求越来越高的情况下，有时只能使用水溶液进行清洗。水对大多数颗粒性、非极性和极性残留污物都有较好的清洗效果，但对硅脂、树脂和纤维玻璃碎片等电路板焊接后产生的不溶于水的残留污物没有效果。在水中加入碱性化学物质，如肥皂或胺等表面活性剂，可以改善清洗效果。除去水中的金属离子，将水软化，能够提高这些添加剂的效果并防止水垢堵塞清洗设备。因此，清洗设备中一般使用软化水。 ⑹ 免清洗焊接技术 传统的清洗工艺中通常要用到CFC类清洗剂，而CFC对臭氧层有破坏作用，所以被逐渐禁用。这样，免清洗焊接技术就成为解决这一问题的最好方法。对于一般电子产品，采用免清洗助焊剂并在制造过程中减少残留污物，例如保持生产环境的清洁、工人戴手套操作避免油污、水汽沾染元器件和电路板、焊接时仔细调整设备和材料的工艺参数，就能够减除清洗工序，实现免清洗焊接。但对于高精度、高可靠性产品，上述方法还不足以实现免清洗焊接，必须采取进一步的技术措施。 目前有两种技术可以实现免清洗焊接，一种是惰性气体焊接技术，另一种是反应气氛焊接技术。 ① 惰性气体焊接技术 在惰性气体中进行波峰焊接和再流焊接，使SMT电路板上的焊接部位和焊料的表面氧化被控制到最低限度，形成良好的焊料润湿条件，再用少量的弱活性焊剂就能获得满意的效果。常用的惰性气体焊接设备，有开放式和封闭式两种。 开放式惰性气体焊接设备采用通道式结构，适用于波峰焊和连续式红外线再流焊。用氮气降低通道中的氧气含量，从而降低氧化程度，提高焊料润湿性能，提高焊接的可靠性。但开放式惰性气体焊接设备的缺点是要用到甲酸物质，会产生有害气体；并且其工艺复杂，成本高。 封闭式惰性气体焊接设备也采用通道式结构，只是在通道的进出口设置了真空腔。在焊接前，将电路板放入真空腔，封闭并抽真空，然后注入氮气，反复抽真空、注入氮气的操作，使腔内氧气浓度小于5×10-6。由于氮气中原有氧气的浓度也小于3×10-6，所以腔内总的氧气浓度小于8×10-6。然后让电路板通过预热区和加热区。焊接完毕后，电路板被送到通道出口处的真空腔内，关闭通道门后，取出电路板。这样，整个焊接在全封闭的惰性气体中进行，不但可以获得高质量的焊接，而且可以实现免清洗。 封闭式惰性气体焊接可用于波峰焊、红外和强力对流混合的再流焊，由于在氮气中焊接，减少了焊料氧化，使润湿时间缩短，润湿能力提高，提高了焊接质量而且很少产生飞溅的焊料球，电路极少污染和氧化。由于采用封闭式系统，能有效地控制氧气及氮气浓度。在封闭式惰性气体焊接设备中，风速分布和送风结构是实现均匀加热的关键。 ② 反应气氛焊接技术 反应气氛焊接是将反应气氛通入焊接设备中，从而完全取消助焊剂的使用，反应气氛焊接技术是目前正在研究和开发中的技术。 6.3.2.7 SMT电路板维修工作站 　　对采用SMT工艺的电路板进行维修，或者对品种变化多而批量不大的产品进行生产的时候，SMT维修工作站能够发挥很好的作用。维修工作站实际是一个小型化的贴片机和焊接设备的组合装置，但贴装、焊接片状元器件的速度比较慢。大多维修工作站装备了高分辨率的光学检测系统和图像采集系统，操作者可以从监视器的屏幕上看到放大的电路焊盘和元器件电极的图像，使元器件能够高精度地定位贴装。高档的维修工作站甚至有两个以上摄像镜头，能够把从不同角度摄取的画面叠加在屏幕上。操作者可以看着屏幕仔细调整贴装头，让两幅画面完全重合，实现多引脚的SOJ、PLCC、QFP、BGA、CSP等器件在电路板上准确定位。 SMT维修工作站都备有与各种元器件规格相配的红外线加热炉、电热工具或热风焊枪，不仅可以用来拆焊那些需要更换的元器件，还能熔融焊料，把新贴装的元器件焊接上去。 目前，国内企业中常见的SMT维修工作站大多是进口设备，德国ERSA公司和美国OK公司制造的机型是知名品牌的维修工作站。图6.30是ERSA公司的IR-550维修工作站的照片。 &
& 图6.30 ERSA IR-550维修工作站 & 6.3.2.8 SMT生产线的设备组合 SMT生产线的主要设备包括锡膏印刷机、点胶机、贴装机、再流焊炉和波峰焊机。辅助设备有检测设备、返修设备、清洗设备、干燥设备和物料存储设备等。按照自动化程度，SMT生产线可以分为全自动和半自动生产线；按照生产规模的大小，又可以分为大型、中型和小型生产线。 全自动生产线是指整条生产线的设备都是全自动设备，通过电路板自动装载机（上板机）、缓冲连接线和自动卸板机，将所有生产设备连接成一条自动生产线；半自动生产线主要因为印刷机是半自动的，需要人工印刷或人工装卸电路板，使生产设备线不能自动连接或没有完全连接起来。 大型生产线具有较大的生产能力，单面贴装生产线上的贴装设备由一台多功能贴装机和多台高速贴装机组成；靠自动翻板机把两条单面贴装生产线连接起来，就构成了双面贴装生产线。 适合中小企业和研究单位使用的中、小型SMT生产线，可以是全自动或半自动线，满足多品种或单一品种的要求。如果生产量不大，其中的贴装设备一般选用较高速度的中、小型多功能贴片机；如果有一定的生产量，则由一台多功能贴装机和两台高速贴装机组成。中、小型SMT自动生产流水线设备配置平面图如图6.31所示。 &
& 图6.31 中、小型SMT自动生产流水线设备配置平面图 & & 思考题： 1、⑴ 试简述表面安装技术的产生背景。 && ⑵ 试简述表面安装技术的发展简史。 2、试比较SMT与通孔基板式PCB安装的差别。SMT有何优越性？ 3、试分析表面安装元器件有哪些显著特点。 4、⑴ 试写出SMC元件的小型化进程。 　 ⑵ 试写出下列SMC元件的长和宽（mm）： 　　　　　，。 && ⑶ 试说明下列SMC元件的含义：3216C，3216R。 && ⑷ 试写出常用典型SMC电阻器的主要技术参数。 && ⑸ 片状元器件有哪些包装形式？ && ⑹ 试叙述典型SMD有源器件从二端到六端器件的功能。 && ⑺ 试叙述SMD集成电路的封装形式。并注意收集新出现的封装形式。 5、⑴ 请说明集成电路DIP封装结构具有哪些特点？有哪些结构形式？ && ⑵ 请总结归纳QFP、BGA、CSP、MCM等封装方式各自的特点。 6、⑴ 试说明三种SMT装配方案及其特点。 &&& ⑵ 试叙述SMT印制板波峰焊接的工艺流程。 ⑶ 试叙述SMT印制板再流焊的工艺流程。 &&& ⑷ 请说明再流焊工艺焊料的供给方法。 7、⑴ 请说明SMT中元器件贴片机的主要结构。 ⑵ 请对贴片机的四种工作类型进行分析和对比。 ⑶ 在保证贴片质量的前提下，贴片应该考虑哪些因素？ &&& ⑷ 根据SMT在中国的发展水平，应选择何种贴片机？ ⑸ 试叙述SMT维修工作站的配置及用途。 ⑹ 试说明SMT装配过程中粘合剂涂敷工序在工艺流程中的位序。 17、⑴ 什么叫气泡遮蔽效应？什么叫阴影效应？SMT采用哪些新型波峰焊接技术？ &&& ⑵ 请说明双波峰焊接机的特点。 &&& ⑶ 请叙述红外线再流焊的工艺流程和技术要点。 ⑷ 请叙述汽相再流焊的工艺过程。 18、⑴ 涂敷贴片胶有几种方法？请详细说明。 ⑵ 涂敷贴片胶有哪些技术要求？ ⑶ 固化贴片胶有几种方法？
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