Transcript 表面安装技术
第6章 SMT技术 6-1 • 什么是SMT SMT就是表面组装技术 （表面贴装技术） （Surface Mounted Technology）或 （Surface Mounting Technology ）的缩写， 是目前电子组装行业 里最流行的一种技术 和工艺。 SMT概述 SMT技术简介 表面贴装技术是新一代电子组装技术,它将传统的电 子元器件压缩成为体积只有几十分之一的器件,从而实现 了电子产品组装的高密度、高可靠、小型化、低成本， 以及生产的自动化。 SMT技术简介 • 这种小型化的元器件称为：片式器件（SMC、SMD或机电元件）。 • 将元件装配到印刷或其它基板上的工艺方法称为SMT工艺。 • 相关的组装设备则称为SMT设备。 目前，先进的电子产品，特别是在计算机及通讯类电子产品，已普 遍采用SMT技术。国际上SMD器件产量逐年上升，而传统器件产量 逐年下降，因此随着进间的推移，SMT技术将越来越普及。 SMT有何特点 组装密度高、电子产品体积小、重量轻，贴片元件的体积和重量只有传统插装元 件的1/10左右，一般采用SMT之后，电子产品体积缩小40%~60%，重量减轻 60%~80%。 可靠性高、抗振能力强。 焊点缺陷率低。 高频特性好。减少了电磁和射频干扰。 易于实现自动化，提高生产效率。降低成本达30%~50%。 节省材料、能源、设备、 人力、时间等。 穿孔集成电路（DIP）与表面安装集成电路（PLCC）体积比较 穿孔DIP集成电路、表面安装集成电路引脚数目与重量(g)比较图 穿孔集成电路、表面安装集成电路引脚数目与面积比较图 PLCC及LCCC封装外形介绍 PQFP封装 • PQFP封装的芯片的四周均有引脚，其引脚总数一般都在100以 上，而且引脚之间距离很小，管脚也很细，一般大规模或超大规模 集成电路采用这种封装形式。适合高频使用，它具有操作方便、可 靠性高、工艺成熟、价格低廉等优点。 • 但是，PQFP封装的缺点也很明显，由于芯片边长有限，使得 PQFP封装方式的引脚数量无法增加，从而限制了图形加速芯片的发 展。平行针脚也是阻碍PQFP封装继续发展的绊脚石，由于平行针脚 在传输高频信号时会产生一定的电容，进而产生高频的噪声信号， 再加上长长的针脚很容易吸收这种干扰噪音，就如同收音机的天线 一样，几百根“天线”之间互相干扰，使得PQFP封装的芯片很难工作 在较高频率下。此外，PQFP封装的芯片面积/封装面积比过小，也 限制了PQFP封装的发展。90年代后期，随着BGA技术的不断成熟， PQFP终于被市场淘汰。 为什么要用SMT 1. 电子产品追求小型化，以前使用的穿孔插件元件已无法 缩小 2. 电子产品功能更完整，所采用的集成电路(IC)已无穿孔元 件，特别是大规模、高集成IC，不得不采用表面贴片元 件 3. 产品批量化，生产自动化，厂方要以低成本高产量，出 产优质产品以迎合顾客需求及加强市场竞争力 4. 电子元件的发展，集成电路(IC)的开发，半导体材料的多 元应用，电子科技革命势在必行，追逐国际潮流 。 6-2 SMT元器件介绍 • 表面安装（SMT）方式 • 多层（四层、六层）PCB • SMC • SMD 元件名命名举例 片式电阻、电容： a) 2125 R 100 — 表示元件封装尺寸为2mm×1.25mm， 阻值为100的片式电阻。 b)3216 R 20K — 表示元件封装尺寸为3.2mm×1.6mm， 阻值为20K的片式电阻。 c) 2125 C100P — 表示元件封装尺寸为2mm×1.25mm， 容值为100pF的片式电容。 d)2125 C0.1u — 表示元件封装尺寸为2mm×1.25mm， 容值为0.1uf的片式电容。 元件名命名举例 钽电容、电位器、电感器、圆柱形元器件： a) C47u/16V — 表示容值47uf耐压为16V的片式钽电容。 b) W10K — 表示阻值为10K的片式电位器。 c) L82uH — 表示82uH的片式电感器。 d) MELF_4148 — 表示型号为4148、圆柱形封装的片式二极管。 元件名命名举例 晶体管： 晶体管有三种封装类型 a) SOT23 — 表示 b) SOT89 — 表示 c) SOT143 — 表示 此种封装类型的三极管。 此种封装类型的晶体管。 此种封装类型的晶体管。 d) SOT23-1 — 其中“-1”表示某种型号三极管的代号。 集成电路命名举例 • a) SOP8 — 表示 8条引脚的羽翼形小外形塑料封装器件。 • b) SOP8-1 —表示8条引脚的羽翼形小外形塑料封装器件， • 其中“-1“表示该器件规格型号的代号（例如74HC245）。 • c) TSOP40 —表示40条引脚的薄形羽翼形小外形塑料封装器件。 • d) SOJ20 —表示 • e) PLCC44 —表示 20条引脚的J形小外形塑料封装。 44条J形引脚的塑封芯片载体。 • f) QFP160 —表示 160条翼形引脚的塑封四边扁平封装器件。 • g) BGA169 —表示 169个球的球形栅格阵列。 表面装配元器件的分类 类别 无源表面装 配元件SMC （Surface Mounting Component） 封装形式 种类 矩形片式 厚膜和薄膜电阻器、单层陶瓷电容器、热敏电阻、片式 电感器 圆柱形 碳膜电阻器、金属膜电阻器、陶瓷电容器、热敏电容器 异形 半固定电阻器、电位器、钽电解电容器、线绕电感器 有源表面装 配器件SMD （Surface Mounting Device） 陶瓷组件（扁平） 无引脚陶瓷芯片载体、有引脚陶瓷芯片载体 机电元件 异型 塑料组件（扁平） SOP、SOT、SOJ、PLCC、BAG、CSP 连接器、变压器、延迟器、振荡器、薄型微电机 无源元件SMC • SMC包括片状电阻器\电容器\电感器\滤波器\陶瓷振荡器等. • SMC的功能特性参数系列与传统元件差别不大 • 长方体SMC根据其外形尺寸的大小划分为3225-3216-2520-2125-2012-16081005-0603 典型SMC系列尺寸(单位mm/mil) 公制/英制型号 L W a b c 3216/1206 3.2/120 1.6/60 0.5/20 0.5/20 0.6/24 2125/0805 2.0/80 1.25/50 0.4/16 0.4/16 0.6/16 1608/0603 1.6/60 0.8/30 0.3/12 0.3/12 0.45/18 1005/0402 1.0/40 0.5/20 0.2/8 0.25/10 0.35/14 表面装配电阻器的尺寸与结构示意图 SMC的基本外形 虽然SMC体积很小，但它的数值范围和精度并不差。 例如：3216系列的阻值范围是0.39Ω~10MΩ，额定功率1/4W， 允许偏差±1%、±2%、±5%和±10%等四个系列，额定工作 温度上限70℃。 SMT电阻1 • CHIP封装 长方形，两端有焊接端。通常下面白色，上面黑色。 • 外形尺寸： 外形的长宽尺寸，以10 mil为单位。1Inch=25.4mm。 如：1206是指长×宽=0.12In×0.06In=3.2 mm×1.60 mm 0603是指长×宽=0.06In×0.03In=1.6 mm×0.08 mm 标记识别方法：数码标记法 • 电阻体表面印有的数字代表阻值和误差。其规律如下： 3位数值 D D M （误差不标 ，默认T=±5%） 4位数值 D D D M （误差不标 ，默认T=±1%） 如：1001=1kΩ±1% 182=1.8kΩ±5% 49R8 =49.8Ω R代表小数点。 贴片电阻的识读分三位码、四位码、带“R”的码值三种： 303 (A) 三位码 值 3002 (B) 四位码 5R1 (C) 带“R”的码 SMT电阻2 • MELF封装 圆柱形，两端有金属帽电极 。 • 标记识别方法：色环标记法。 有三色、四色、五色环几种。读数规律与PTH色环电阻相同。 SMT电阻3 • 小型固定电阻网络 是几个相同电阻器集成的复合元件。 • 特点：体积小，重量轻，可靠性高、可焊性好等。 • 结构：常用SOP封装 。 SMT电阻的包装形式 • 散装（bulk）： 采用塑料盒包装，每盒一万片。 • 编带（tape and reel）： 编带包装又分为纸编带和塑料编带两种。编带的包装规格见下图。每 盘5000只。编带是最常见的包装形式，特别适合贴片机装载。 SMT电容1 • CHIP电容 • 结构：片式电容通体一色，为土黄色。两端是金属可焊端。 • 外形尺寸：0805、1206、1210、1812、1825等几种，其 中1206最常用。 • 片式电容无极性。 • 参数识别：D D M T 单位：PF 一般容量和误差标记在外包装上 如：101J = 10×101PF±5% SMT电容2 • 钽电容 • 单位体积容量大 。 • 有极性的电容器,有斜坡的一端是正极 。 • 电容值标在电容体上。通常采用代码标记。 如：钽电容 336K/16V = 33μf/16V SMT电容3 • 铝电容 • 单位体积容量大 。 • 有极性的电容器,有负号的一端是阴极 。 • 电容值标在电容体上。通常采用直标法。 如：33μf/16V SMT电感 • 形状类似SMD钽电容。 • 电感值以代码标注的形式印在元件上或标签上。 读数规律：D D M± T 单位：μH 如：303K=30mH±10% • 高频电感很小。 • 无极性之分，无电压标定。 SMD二极管 • MELF金属端接头封装 负极标志，即靠近色环端是元件的负极。 • SOT小外形封装 SOT23 、SOT89这两种外形，23，89代表元件的尺寸。这种外形 的二极管很容易与三极管混淆，必须查阅元件标签。 SMT三极管 • SOT 封装 其中SOT-23、SOT-89最常用，型号没有印在元件表面上，为区 别是三极管还是二极管，必须检查元件带上的标签。 SOT-23 SOT-89 SMT集成电路1 • SOIC（small outline Integrated circuit） 小外型集成电路，也称SOP。由DIP封装演变而来，两边有引脚。 有两种不同的引脚形式：SOL 和 SOJ 。 • SOL 两边“鸥翼”形引脚，特点是焊接容易，工艺检测方便，但占用 面积较大。 • SOJ 两边“J”形引脚，特点是节省PCB面积，目前集成电路采用SOJ的 较多。 SMT集成电路2 • QFP（Plastic Quad Flat Pockage） • • • • 方型扁平式封装技术，四边引脚的小外形IC，引脚“鸥翼”形。 引线多，接触面积大，焊接强度较高。 运输、贮存和安装中引线易折弯和损坏，影响器件的共面焊接。 正方形和长方形两种，引线距有50mil、30mil和25mil 等。引线 数为44~160条。 SMT集成电路3 • PLCC（Plasitc leaded chip carrier） • 塑封有引线芯片载体 • 四边有引脚，引线呈“J”形，具有一定的弹性，可缓解安装和焊 的应力，防止焊点断裂。 • 这种封装焊在PCB上，检测焊点较困难。 • 正方形的引线数有20-84,矩形的引线数有18-32。 SMT集成电路4 • BGA（ball grid array） • 球栅阵列 • 引脚成球形阵列分布在底面，因此引脚数量较多且间距较大。 • 通常BGA的安装高度低，引脚的共面性好，组装密度更高 • 焊后检查和维修比较困难，必须使用X射线检测，才能确 保焊接的可靠性。易吸潮，使用前应经过烘干处理。 • 焊 球 的 尺 寸 为 0.75-0.89 左 右 ， 焊 球 间 距 有 40mil 、 50mil 、 60mil几种。目前的引脚数目在169-313之间。 6-3 SMT设备介绍 1. 印刷机 目前印刷机大致分为三种档次： （1）半自动印刷机 （2）半自动印刷机加视觉识别系统。增加了 CCD图像识别，提高了印刷精度。 （3）全自动印刷机。全自动印刷机除了有自 动识别系统外，还有自动更换漏印模板、清洗 网板、对QFP器件进行45度角印刷、二维和三 维检查印刷结果（焊膏图形）等功能。 2、贴片机 随着SMC小型化、SMD多引脚窄间距化和复合式、组合式片式元 器件、BGA、CSP、DCA（芯片直接贴装技术）、以及表面组 装的接插件等新型片式元器件的不断出现，对贴装技术的要求 越来越高。近年来，各类自动化贴装机正朝着高速、高精度和 多功能方向发展。采用多贴装头、多吸嘴以及高分辨率视觉系 统等先进技术，使贴装速度和贴装精度大大提高。 目前最高的贴装速度可达到0.06S/Chip元件左右；高精度贴装 机的重复贴装精度为0.05-0.25mm; 多功能贴片机除了能贴装 0201(0.6mm*0.3mm)元件外,还能贴装SOIC(小外型集成电路)、 PLCC（塑料有引线芯片载体）、窄引线间距QFP、BGA和CSP 以及长接插件（150Mm长）等SMD/SMC的能力。 此外，现代的贴片机在传动结构（Y轴方向由单丝械向双丝杠发 展）；元件的对中方式（由机械向激光向全视觉发展）；图像 识别（采用高分辨CCD）；BGA和CSP的贴装（采用反射加直 射镜技术）；采用铸铁机架以减少振动，提高精度，减少磨损； 以及增强计算机功能等方面都采用了许多新技术，使操作更加 简便、迅速、直观和易掌握。 3、再流焊炉 再流焊炉主要有热板式、红外、热风、红外＋热风和气相焊等形式。 再流焊热传导方式主要有辐射和对流两种方式。 辐射传导――主要有红外炉。其优点是热效率高，温度陡度大，易控制温度 曲线，双面焊接时PCB上、下温度易控制。其缺点是温度不均匀；在同一块 PCB上由于器件的颜色和大小不同、其温度就不同。为了使深颜色和大体积的 元器件达到焊接温度、必须提高焊接温度，容易造成焊接不良和损坏元器件 等缺陷。 对流传导――主要有热风炉。其优点是温度均匀、焊接质量好。缺点是PCB 上、上温差以及沿焊接长度方向的温度梯度不易控制。 SMT设备介绍.wmv 6-4 SMT工艺过程 • SMT 基本工艺构成要素 印刷（或点胶）--> 贴装 --> （固化） --> 回流焊接 --> 清洗 --> 检测 --> 返修 印刷 • 将焊膏或贴片胶漏印到PCB的焊盘上，为元器件的焊接做 准备。所用设备为印刷机（锡膏印刷机），位于SMT生产 线的最前端。 点胶 • 因现在所用的电路板大多是双面贴片，为防止二次回炉时 投入面的元件因锡膏再次熔化而脱落，故在投入面加装点 胶机，它是将胶水滴到PCB的固定位置上，其主要作用是 将元器件固定到PCB板上。所用设备为点胶机，位于SMT 生产线的最前端或检测设备的后面。有时由于客户要求产 出面也需要点胶， 而现在很多小工厂都不用点胶机，若投 入面元件较大时用人工点胶。 贴装 • 其作用是将表面组装元器件准确安装到PCB的固定位置上。 所用设备为贴片机，位于SMT生产线中印刷机的后面。 固化 • 将贴片胶融化，从而使表面组装元器件与PCB板牢固粘接 在一起。所用设备为固化炉，位于SMT生产线中贴片机的 后面。 回流焊接 • 将焊膏融化，使表面组装元器件与PCB板牢固粘接在一起。 所用设备为回流焊炉，位于SMT生产线中贴片机的后面。 清洗 • 将组装好的PCB板上面的对人体有害的焊接残留物如助 焊剂等除去。所用设备为清洗机，位置可以不固定，可以 在线，也可不在线。 检测 • 组装好的PCB板进行焊接质量和装配质量的检测。所用设 备有放大镜、显微镜、在线测试仪（ICT）、飞针测试仪、 自动光学检测（AOI）、X-RAY检测系统、功能测试仪等。 位置根据检测的需要，可以配置在生产线合适的地方。 返修 • 其作用是对检测出现故障的PCB板进行返工。所用工具 为烙铁、返修工作站等。配置在生产线中任意位置。 SMT电路板加工过程.mpg 6-4 SMB(Surface Mount Board)设计的基本原则 • 元器件选择和布局 • 导线布设规则 • 印制板的抗电磁干扰设计 印制板的组装形式 • 元器件选择和布局 元器件布局和THT元器件布局原则相同 元件排列方向应注意：在采用贴片-波峰焊工艺时，片式元 件和SOIC的引脚焊盘应垂直于印制板波峰焊时的运动方向， QFP器件(引脚中心距大于0.8mm以上)则应转45°角 • 导线布设规则 布线除应遵循THT布线原则外，还应遵守如下规则： （1）在满足使用要求的前提下，选择布线方式的顺序为单层-双层-多 层。多层板上各层的走线应互相垂直，以减少耦合，切忌上下层走 线对齐或平行。为了测试的方便，设计上应设定必要的断点和测试 点。 （2）两个连接盘之间的导线布设尽量短，敏感的信号、小信号先走， 以减少小信号的延迟与干扰。焊盘与较大面积导电区相连接时，应 采用长度不小于0.5mm的细导线进行热隔离，细导线宽度不小于 0.13mm。 （3）模拟电路的输入线旁应布设接地线屏蔽；同 一层导线的布设应分布均匀；各导线上的导电面积 要相对均衡，以防板子翘曲。不同频率的信号线中 间应布设接地线隔开，避免发生信号串扰。 （4）高速电路的多根I/O线以及差分放大器、平衡 放大器等电路的I/O线长度应相等，以避免产生不必 要的延迟或相移。 （5）公共电源线和接地线尽量布设在靠近板的边缘， 并且分布在板的两面。多层板可在内层设置电源层和地 线层，通过金属化孔与各层的电源线和接地线连接，内 层大面积的导线和电源线、地线应设计成网状，可提高 多层板层间结合力。 （6）信号线应粗细一致，这样有利于阻抗匹配，一般 推荐线宽为0.2-0.3mm(8-12mil)，而对于电源地线则走 线面积越大越好，可以减少干扰。对高频信号最好用地 线屏蔽，可以提高传输效果。 • 印制板的抗电磁干扰设计 （1）可能相互产生影响或干扰的元器件，在布局时应尽量远离或采取屏蔽 措施。工作时电位差比较大的元器件或印制线，应加大相互之间的距离。 （2）不同频率的信号线，不要相互靠近平行布线；对高频信号线，应在其 一侧或两侧布设接地线进行屏蔽。 （3）对于高频、高速电路，应尽量设计成双面和多层印制板。双面板的一 面布设信号线，另一面可以设计成接地面；多层板中可把易受干扰的信号线布 置在地线层或电源层之间，对于微波电路用的带状线，传输信号线必须布设在 两接地层之间，并对其间的介质层厚度按需要进行计算。 （4）晶体管的基极印制线和高频信号线应尽量设计得短。减少信号传输时 的电磁干扰 （5）数字电路与模拟电路不共用同一条地线，在与印制板对外地线连接处 可以有一个公共接点。 （6）不同频率的元器件不共用同一条接地线，不同频率的地线和电源线应 分开布设。 6-5 SMB设计的具体要求 1) 拼板和工艺边 工艺边的主要用途是为设备的夹持与定位提供空 间。若印制板两侧5mm以上不贴装元件或不插元 件，则可以不设专用工艺边，即可借用印制板两 边以保证正常生产需要，若印制板因结构尺寸的 限制无法满足上述的要求，则可在印制板上沿贴 装印制板流动的长度方向增设工艺边，工艺边的 宽度为5~8mm。 2) 定位孔和图像识别标志 4 0.5 0.5 1 2 20 1 3) 测试点的设计 （1）测试点可以是焊盘，也可以是通孔，焊盘作为 测试点时直径为0.9-1.0mm，并需与相关测试针相匹 配。 （2）测试点不应设计在板子的边缘5mm内，测试 点原则上应设在同一面上，并注意分散均匀。 （3）相邻的测试点之间的中心距不小于1.46mm， 测试点之间不设计其他元件，以防止元件或测试点之 间短路。 （4）测试点与元件焊盘之间的距离应不小于1mm， 测试点不能涂覆任何绝缘层，图中TP点即为测试点。 • 4．焊盘设计 SMB焊盘设计的原则 5．印制导线的设计 （1）印制导线与SMC焊盘连接时，一般不得 在两焊盘的相对间隙之间直接进行，建议在两 端引出后再连接， （2）为了防止集成电路在再流焊中发生偏转，与集成 电路焊盘连接的印制导线原则上从焊盘任一端引出， 但不应使焊锡的表面张力过分聚集在一侧，要使器件 各侧所受的焊锡张力保持均衡，以保证器件不会相对 焊盘发生偏转。 （3）为了防止因排列方位不合理、焊盘上焊膏量不等 以及焊盘的导热路径不同而产生“立碑”现象或元件 在焊盘上偏转的现象，一般规定不允许把宽度大于 0.25mm的印制导线和再流焊焊盘连接。如果电源线或 接地线要和焊盘连接，则在连接前需要将宽布线变窄 至0.25mm宽，且不短于0.635mm的长度，再和焊盘 相连， （4）导通孔与焊盘连接时，通常用具有阻焊膜的 窄走线与焊盘相连，如图4-34所示。