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先进电路组装技术

   文章来源:Internet  发布时间:2010-09-06  访问量:1384

电子元器件是电子信息设备的细胞,板级电路组装技术是制造电子设备的基础。不同类型的电子元器件的泛起总会导致板级电路组装技术的一场革命。60年代与集成电路兴起同时泛起的通孔插装技术(THT),跟着70年代后半期LSI的蓬勃发展,被80年代登场的第一代SMT所代替,以QFP为代表的周边端子型封装已成为当今主流封装;进入90年代,跟着QFP的狭间距化,板级电路组装技术面对挑战,尽管开发了狭间距组装技术(FPT),但间距0.4mm以下的板级电路组装仍旧有很多工艺面对解决。作为最理想的解决方案90年代前半期美国提出了第二代表面组装技术的IC封装一面阵列型封装(BGA),其近一步的小型封装是芯片尺寸的封装(CSP)是在廿世纪90年代未成为人们的关注的焦点,好比,组装实用化难题的400针以上的QFP封由组装轻易的端子间距为1.0-1.5mm的PBGA和TBGA代替,实现了这类器件的成组再流。特别是在芯片和封装基板的连接上采用了倒装片连接技术,使数千针的PCBA在超级计算机、工作站中得到应用,叫做FCBGA,正在开始实用化。第三代表面组装技术直接芯片板级组装,但是因为受可靠性、本钱和KGD等制约,仅在特殊领域应用,IC封装的进一步发展,99年底初露头角的晶片封装(WLP)面阵列突出型FC到2014年期待成为对应半导体器件多针化和高机能化要求的第三代表面组装封装。


  IC封装一直落后于IC芯片本身固有的能力。我们但愿裸芯片和封装的芯片之间的机能缝隙减小,这就促进了新的设计和新的封装技术的发展。在新的封装设计中,多芯片封装(CSP)包含了一个以上的芯片,相互堆积在彼此的顶部,通过线焊和倒装片设计(在倒装片上线焊,在线焊上倒装片,或在线焊上线焊)实现芯片间的互连,进一步减少了器件重量和所占空间)。


  因为尺寸和本钱上风,晶片级CSP(Wafer-levelcap)将被进一步开发,这种技术是在晶片切割成小方块(芯片)之前,就在芯片上形成第一级互连和封装I/O端子,这不但缩短了制造周期,其I/O端子分为面阵列型和周边型(依据I/O端子的分布)两种类型;前者,EIAJ的端子间距0.8mm以下,外型尺寸为4mm-21mm的超小型封装作为尺度,主要合用于逻辑和存贮器件,后者是SON和QFN等带周边端子的无引线小型化封袋,主要合用于存贮器和低档逻辑器件。自从90年代初CSP问世以来,提出了各种各样的结构形式,现在以面阵列型的FBGA是主流,第一代FBGA是塑料类型的面朝下型,第二代FBGA是载带类型的面朝下型,都采用了引线框架塑模块、封装,而新一代的FBGA是以晶体作载体进行传送,切割(划线)的终极组装工艺,即WLP方式,取代了以前封装采用的连接技术(线焊、TAB和倒装片焊),而是在划线分割前,采用半导体前工序的布线技术,使芯片衬垫与外部端子相连接,其后的焊料球连接和电气测试等都在晶片状态下完成,最后才迫行划线分割。显然用WLP方式制作的是实际芯片尺寸的FBGA,形状上与FC无区别。


  总之,PBGA、TBGA、FBGA、(CSP)和FC是当今IC封装的发展潮流。表1和表2分别示出了这些封装的发展动向。在21世纪的前15年,第三代表面组装封装将会迅速发展,围绕高密度组装,封装结构的多样化将是21世纪初IC封装最明显的特点。LSI芯片的叠层封装、环形封装:还有,将泛起新的3D封装,光一电子学互连,光表面组装技术也会蓬勃发展。系统级芯片(SOC)和MCM的系统级封装(MCM/SIP)跟着设计工具的改善,布线密度的进步,新基板材料的采用,以及经济的KGD供应的普及,将进一步得到开发和进入实用阶段。


无源封装


  跟着产业和消费类电子产品市场对电子设备小型化、高机能、高可靠性、安全性和电磁兼容性的需求,对电子电路机能不断提出新的要求,从20世纪90年代以来,冶式元件进一步向小型化、多层化、大容量化、耐高压和高机能方向发展,同时跟着SMT在所有电子设备中的推广应用,世界范围片式元件的使用量迅速增加,现在年消耗片式元件达到1兆只,无源元件对IC的比率一般大于20.因为需要如斯大量的分立元件,所以分立元件支配终极PCB组件的尺寸;另外,片式无源元件用量的剧增使贴装工艺中的瓶颈经片式元件的贴装更难解决,导致出产线失去平衡,设备利用率下降,本钱进步,同时片式元件供应时间占用出产线时间的30%,严峻影响出产量的进步。解决这些题目的有效办法就是。实现无源元件的集成。


集成无源元件有以下几种封装形式:


阵列:将很多一种类型的无源元件集成在一起,以面阵列端子形式封装;


网络:将很多混合电阻和电容集成在一起,以周边端子形式封装;


混合:将一些无源元件和有源器件混合集成进行封装;


嵌入:将无源元件嵌入集成在PCB或其它基板中;


集成混合:所集成的无源元件封装在QFP或TSOP格局中。


  这些无源封装的推广应用,可以有效地解决贴装:瓶颈,改善SMT出产线平衡,降低本钱,进步产量,进步组装密度。


提高前辈板级电路组装工艺技术的发展


  电路组装技术的发展在很大程度上受组装工艺的制约同,假如没有提高前辈组装工艺,提高前辈封装难以推广应用,所以提高前辈封装的泛起,必定会对组装工艺提出新的要求。一般来说,BGA、CSP和MCM完全能采用尺度的表面组装设备工艺进行组装,只是因为封袋端子面阵列小型化而对组装工艺提出了更严格的要求,从而促进了SMT组装设备和工艺的发展。


1. 漏板设计和印刷


  在提高前辈组装技术中,焊膏是广泛采用的主要焊接材料,焊膏沉积采用漏板印刷技术。在漏板印刷工艺中,刮板叶片将焊膏推入漏板开孔转移到电路板上,影响焊膏印刷机能的四个因素是:(1)漏板开孔尺寸,决定了印刷膏的量;(2)焊膏脱模,在特定焊膏情况下,开孔壁和几何外形和光洁度影响焊膏脱模;(3)开孔的纵横比和面积比,开孔的宽度和长度之比,启齿面积和开孔壁面积之比;通常设计规则是纵横31.5,面积0.66;但是对于光滑的锥形开孔壁,这两个比分别为1和0.44就能获得良好的焊膏脱模。在设计漏板厚度时,这个两个比率就是重要的设计规则。当开孔长度大于其宽度的5倍时,纵横比是主要设计规则(QFP时),当开孔长度即是宽度时,面积比是更精确的设计规则(采用球栅阵列焊盘时)。(4)焊膏印刷精度,当在电路板上印刷焊膏时,电路板上的焊盘图形和漏板上的开孔在尺寸和位置上必需完全相符,漏印的焊膏立方块必需无变形。 BGA、CSP和FCOB的板级组装极用共晶焊料合金,BGA采用普通SMT用焊膏就可以知足要求,但对于CSP和FCOB I/O端子比通SMT封装提供的焊接面积小,所以要求漏板启齿更小,必需采用小于40um,颗粒尺寸的精细焊膏。它们的漏板设计和制造要求与窄间距器件一样严格.BGA、CSP和倒装片组装的漏板一般要求采用激光或电铸成型工艺,而后进行电抛光,固然制造本钱高,但一致性超过化学蚀刻漏板;有时还要求渡镍,并采用锥形开孔,以便进步孔壁光洁度,有利于焊膏脱模,漏板启齿尺寸,一般比电路板上的焊盘尺寸略小为宜,启齿以略微增加印刷的焊膏量。 


  漏板厚度是漏板设计的主要指标,对于BGA要求采用的漏板厚度为0.13-0.15mm,CSP用的漏板厚度是0.10-0.13mm。因为漏板较薄,印刷时要防止从开孔中取出焊膏。组装BGA和CSP时,通常都按1对1的比例印刷;但对于CSP,实际印刷要比突出尺寸大0.05-0.076mm,使再流焊后器件支撑高度略高些,以进步热适应性,并可继承选用三类焊料粉末。对于采用0.3mm直径突出的CSP推荐采用0.3-0.6mmr 矩形开孔。0.36mm的启齿是采用三类焊料粉末最小可能的启齿尺寸,以便进行一致性和重复性好的印刷。假如印刷0.25mm的矩形或圆形开孔将要求采用IV 类焊料粉末。


  为了适应电子产品的轻薄小型化、高密度、多功能和高可靠性的要求,混合组装技术仍旧是21世纪初电路组装发展的趋势之一。不仅通孔器件和SMD混合组装,而且跟着以倒装片为核心的直接能组装技术的推广应用,将会泛起通孔元器件、SMD或倒装片在统一电路板上的组装,这就是对漏板设计和印刷提出了新的挑战。有不同的组装工艺完成混合电路组件的组装,其中采用再流焊接技术是比较理想的工艺方法,以便充分施展SMT出产线的作用,降低本钱,进步出产率,有几种漏板设计和印刷方法可供选择,其中比较理想的是双漏板印刷。


  提高前辈的封装对焊膏的印刷精度要求比普通SMT更加严格,所以应该采用视觉系统的高精度印刷机完成焊膏的印刷功课。这类印刷也有高档和中档之别,要根据用户的需要和可能选购。印刷功课开始,首先要完成漏板和电路板的对准,借助视觉系统可以很利便地实现漏板开孔和电路板上焊盘图形的精确对准。高级对准系统具有全集成图像识别处理功能,可以实现快速而正确的图像对准,确保高质量的焊膏印刷和高和出产效率。印刷和第二个题目是根据电路板类型、刮板类型和所用焊膏设定印刷高度、刮板压力和角度、印刷还度等印刷参数;另外环境温度和相对湿度也是重要的印刷参数;提高前辈封装对印刷参数偏差要求严格,必需借助印刷机的计算机控制系统进行正确而严格控制。更高档的印刷机上还装有2D和3D激光检测系统,检查印刷质量,知足了提高前辈封装对印刷精度的要求。


2. 贴装技术


  尽管阵列封装明显地使用贴装位置规范限制加宽,但是因为这类封装的I/O端子在封装体下面呈阵列分布,所以精确贴装这类器件最先决前提是检查焊料球的存在与否和间距,检查焊料球外形态。这就要求贴片机的视觉系统能根据球的外形质量因数和建立焊料球畸变认可等级实现这种功能。。二维宽度和外形质量因素测试是检查整个球体积和畸变的可靠方法,所以,贴装机的视觉系统应具有合适和分辨率,以便搜集和形成最佳影响;为此就必需采用合适的外部照明和远心焦兰光学系统,并通过大深度聚焦提供恒定放大倍数,以便确定球的存在和精确尺寸;采用LED(发光二极管)提供最佳照明前提,特别需要轮廓对中的背照明和公道选用明视场和前照明,前照明应采用三个可编程光源给每封装形式提供特殊的理想照明,以便在焊球结构和背影环境之间形成适当反差,提供精确对中的光学前提。视场应适合观察物的特微和位误差要求,以便能确定良好的、出缺陷的损坏的焊料球之间的差别。处理全部提高前辈封装的高机能贴装机必需拥有两台元器件摄像机(一台尺度型和一台倒装片用摄像机)。BGA器件的精确定可以根据每个角落的5个球发现球栅的整体位置和取向,并根据BGA树检索算法和采用模板比较算法确定的位置;然后借助于灰度级机器视觉系统和计算机控制最后实现BGA的精确对准和贴装。另外还可以在PCB上设置器件局部基准标记,以便进步贴装精度。BGA的贴装误差主要来自接触表面的非共面性,所以在贴装操纵期间必需建立和维持接触表面的共面性,采用自动准直仪,使贴装机的运动保持共面性。

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