SMT环境中的最新复杂技术

   只要关注一下如今在各地举办的形形色色的专业会议的主题，我们就不难了解电子产品中采用了哪些最新技术。CSP、0201无源元件、无铅焊接和光电子，可以说是近来许多公司在PCB上实践和积极评价的热门先进技术。比如说，如何处理在CSP和0201组装中常见的超小开孔（250um）问题，就是焊膏印刷以前从未有过的基本物理问题。板级光电子组装，作为通信和网络技术中发展起来的一大领域，其工艺非常精细。典型封装昂贵而易损坏，特别是在器件引线成形之后。这些复杂技术的设计指导原则也与普通SMT工艺有很大差异，因为在确保组装生产率和产品可靠性方面，板设计扮演着更为重要的角色；例如，对CSP焊接互连来说，仅仅通过改变板键合盘尺寸，就能明显提高可靠性。

　　 CSP应用
　　 如今人们常见的一种关键技术是CSP（图1）。CSP技术的魅力在于它具有诸多优点，如减小封装尺寸、增加针数、功能∕性能增强以及封装的可返工性等。CSP的高效优点体现在：用于板级组装时，能够跨出细间距（细至0.075mm）周边封装的界限，进入较大间距（1，0.8，0.75，0.5，0.4mm）区域阵列结构。
　　 已有许多CSP器件在消费类电信领域应用多年了，人们普遍认为它们是SRAM与DRAM、中等针数ASIC、快闪存储器和微处理器领域的低成本解决方案。CSP可以有四种基本特征形式：即刚性基、柔性基、引线框架基和晶片级规模。CSP技术可以取代SOIC和QFP器件而成为主流组件技术。
　　 CSP组装工艺有一个问题，就是焊接互连的键合盘很小。通常0.5mm间距CSP的键合盘尺寸为0.250～0.275mm。如此小的尺寸，通过面积比为0.6甚至更低的开口印刷焊膏是很困难的。不过，采用精心设计的工艺，可成功地进行印刷。而故障的发生通常是因为模板开口堵塞引起的焊料不足。板级可靠性主要取决于封装类型，而CSP器件平均能经受-40～125℃的热周期800～1200次，可以无需下填充。然而，如果采用下填充材料，大多数CSP的热可靠性能增加300%。CSP器件故障一般与焊料疲劳开裂有关。

　　 无源元件的进步
　　 另一大新兴领域是0201无源元件技术，由于减小板尺寸的市场需要，人们对0201元件十分关注。自从1999年中期0201元件推出，蜂窝电话制造商就把它们与CSP一起组装到电话中，印板尺寸由此至少减小一半。处理这类封装相当麻烦，要减少工艺后缺陷（如桥接和直立）的出现，焊盘尺寸最优化和元件间距是关键。只要设计合理，这些封装可以紧贴着放置，间距可小至150?m。
　　 另外，0201器件能贴放到BGA和较大的CSP下方。图2是在有0.8mm间距的14mm　CSP组件下面的0201的横截面图。由于这些小型分立元件的尺寸很小，组装设备厂家已计划开发更新的系统与0201相兼容。

　　 通孔组装仍有生命力
　　 光电子封装正广泛应用于高速数据传送盛行的电信和网络领域。普通板级光电子器件是“蝴蝶形”模块。这些器件的典型引线从封装四边伸出并水平扩展。其组装方法与通孔元器件相同，通常采用手工工艺—－引线经引线成型压力工具处理并插入印板通路孔贯穿基板。
　　 处理这类器件的主要问题是，在引线成型工艺期间可能发生的引线损坏。由于这类封装都很昂贵，必须小心处理，以免引线被成型操作损坏或引线-器件体连接口处模块封装断裂。归根结底，把光电子元器件结合到标准SMT产品中的最佳解决方案是采用自动设备，这样从盘中取出元器件，放在引线成型工具上，之后再把带引线的器件从成型机上取出，最后把模块放在印板上。鉴于这种选择要求相当大资本的设备投资，大多数公司还会继续选择手工组装工艺。
　　 大尺寸印板（20×24″）在许多制造领域也很普遍（图3）。诸如机顶盒和路由/开关印板一类的产品都相当复杂，包含了本文讨论的各种技术的混合，举例来说，在这一类印板上，常常可以见到大至40mm2的大型陶瓷栅阵列（CCGA）和BGA器件。
　　 这类器件的两个主要问题是大型散热和热引起的翘曲效应。这些元器件能起大散热片的作用，引起封装表面下非均匀的加热，由于炉子的热控制和加热曲线控制，可能导致器件中心附近不润湿的焊接连接。在处理期间由热引起的器件和印板的翘曲，会导致如部件与施加到印板上的焊膏分离这样的“不润湿现象”。因此，当测绘这些印板的加热曲线时必须小心，以确保BGA/CCGA的表面和整个印板的表面得到均匀的加热。

　　 印板翘曲因素
　　 为避免印板过度下弯，在再流炉里适当地支撑印板是很重要的。印板翘曲是电路组装中必须注意观察的要素，并应严格进行特微描述。再流周期中由热引起的BGA或基板的翘曲会导致焊料空穴，并把大量残留应力留在焊料连接上，造成早期故障。采用莫尔条纹投影影像系统很容易描述这类翘曲，该系统可以在线或脱机操作，用于描述预处理封装和印板翘曲的特微。脱机系统通过炉内设置的为器件和印板绘制的基于时间/温度座标的翘曲图形，也能模拟再流环境。

　　 无铅焊接
　　 无铅焊接是另一项新技术，许多公司已经开始采用。这项技术始于欧盟和日本工业界，起初是为了在进行PCB组装时从焊料中取消铅成份。实现这一技术的日期一直在变化，起初提出在2004年实现，最近提出的日期是在2006年实现。不过，许多公司现正争取在2004年拥有这项技术，有些公司现在已经提供了无铅产品。
　　 现在市场上已有许多无铅焊料合金，而美国和欧洲最通用的一种合金成份是95.6Sn∕3.7Ag∕0.7Cu。处理这些焊料合金与处理标准Sn/Pb焊料相比较并无多大差别。其中的印刷和贴装工艺是相同的，主要差别在于再流工艺，也就是说，对于大多数无铅焊料必须采用较高的液相温度。Sn∕Ag∕Cu合金一般要求峰值温度比Sn/Pb焊料高大约30℃。另外，初步研究已经表明，其再流工艺窗口比标准Sn/Pb合金要严格得多。
　　 对于小型无源元件来说，减少表面能同样也可以减少直立和桥接缺陷的数量，特别是对于0402和0201尺寸的封装。总之，无铅组装的可靠性说明，它完全比得上Sn/Pb焊料，不过高温环境除外，例如在汽车应用中操作温度可能会超过150℃。

　　 倒装片
　　 当把当前先进技术集成到标准SMT组件中时，技术遇到的困难最大。在一级封装组件应用中，倒装片广泛用于BGA和CSP，尽管BGA和CSP已经采用了引线-框架技术。在板级组装中，采用倒装片可以带来许多优点，包括组件尺寸减小、性能提高和成本下降。
　　 令人遗憾的是，采用倒装片技术要求制造商增加投资，以使机器升级,增加专用设备用于倒装片工艺。这些设备包括能够满足倒装片的较高精度要求的贴装系统和下填充滴涂系统。此外还包括X射线和声像系统，用于进行再流焊后焊接检测和下填充后空穴分析。
　　 焊盘设计，包括形状、大小和掩膜限定，对于可制造性和可测试性（DFM/T）以及满足成本方面的要求都是至关重要的。
　　 板上倒装片（FCOB）主要用于以小型化为关键的产品中，如蓝牙模块组件或医疗器械应用。图4所展示的就是一个蓝牙模块印板，其中以与0201无源元件同样的封装集成了倒装片技术。组装了倒装片和0201器件的同样的高速贴装和处理也可围绕封装的四周放置焊料球。这可以说是在标准SMT组装线上与实施先进技术的一个上佳例子。