第1章
概述

1.1 电子组装技术的发展

小型化、多功能化一直是电子元器件封装技术发展的目标。随着电子元器件封装技术的发展，电子组装技术也经历了手工焊接、浸焊、波峰焊接、表面组装四个发展阶段，如表1-1所示。

表面组装技术源自美国通信卫星使用的短引线扁平安装技术，但是其快速的发展与成熟却是在彩色电视机调谐器大规模制造的需求驱动下实现的。随着表面组装生产线技术的成熟，反过来又带动了元器件封装技术的表面组装化发展，到20世纪90年代初，基本上可以采购到所需的各类表面组装封装形式的电子元器件。

表面组装技术之所以得以快速发展，相比于插装技术，它有四大突出优势：

（1）组装密度高。这是最主要的优势，它使电子产品小型化、多功能化成为可能，可以说没有它就没有今天的智能手机。

（2）可靠性高。

（3）高频性能好。

（4）适应自动化。表面组装元器件与插装元器件相比更适合自动化组装，不仅提高了生产效率，也提高了焊点质量。

在移动便携设备更小、更多功能、更长待机时间的需求驱动下，表面组装技术正向着微组装技术快速发展。今后，表面组装技术将与元器件的封装技术进一步融合，迈向所谓的后SMT时代（Post-SMT）。

1.2 表面组装技术

表面组装技术也称为表面贴装技术、表面安装技术，指将表面组装元器件（也称表面贴装元器件、表面安装元器件）安装到印制电路板（PCB）上的技术。英文名称为Surface Mount Technology，简称为SMT。

从严格意义上来讲，表面组装技术主要包括材料技术、设备技术、工艺技术及检测技术，如图1-1所示。

有时也把表面组装元器件封装技术和表面组装印制电路板技术作为表面组装技术的一部分，这样有利于系统地考虑问题，优化工艺条件。事实上，元器件封装技术和表面组装印制电路板技术与表面组装技术互为基础、互相促进、联动发展。

1.2.1 元器件封装形式的发展

表面组装元器件主要包括三大类别，即无源元器件、有源元器件和机电元器件。无源元器件主要为片式电阻、片式电容；有源元器件主要为各种半导体器件；机电元器件主要为各种形式的接插件。

封装形式，简单讲就是元器件包封的外形结构，包括包封的尺寸、引出端布局与形式，如Chip类（也称片式元件）、PLCC、SOP、QFP、BGA、QFN、LGA及PoP等。我们经常听到SIP等概念，这里必须提醒，从板级组装的角度看，SIP不是一种新的封装形式，它是一种系统级的封装，外观不外乎前面提到的这些封装形式，但内部可能包含多个芯片甚至无源元器件，采用的连接技术包括表面组装、倒装焊、金丝球焊等。

1.片式元件封装形式的发展趋势

片式元件封装的发展方向主要是小型化，如图1-2所示，比如01005后又推出了公制的03015。

目前供应量最大的是0603、0402、0201，在2017年日本电子展上，公制的03015（0.30mm×0.15mm）应用技术（包括焊膏、贴片）都已经成熟。

2.半导体器件封装的发展趋势

半导体器件封装朝着高性能、多功能、小型化、低成本、高可靠方向发展，如图1-3所示。从单芯片到多芯片、从周边引出端到底部引出端，从而实现了多功能、高密度的封装。

1.2.2 印制电路板技术的发展

印制电路板技术主要是在手机小型化、多功能化的驱动下发展的。其发展方向，简单讲就是：

● 更细的线路；

● 更小的孔；

● 更高的互联密度。

代表性的技术就是高密度互联（HDI）技术，手机板40%以上采用了全积层的 HDI 技术（也称任意层微盲孔技术），如图1-4所示。另外，印制电路板技术进一步融合了产品技术，如埋铜/嵌铜、埋置元件等，这些技术在通信产品上有比较多的应用，如图1-5和图1-6所示。这类印制电路板可以归类为特殊类别的印制电路板。

1.2.3 表面组装技术的发展

表面组装技术的发展方向，一个是无铅化；一个就是高密度组装。

1.无铅化带来的变化

（1）焊接温度提高。焊接温度提高使得焊接温度的工艺窗口减小，由有铅焊接工艺的50℃减小到15℃，如图1-7所示。除此而外，温度的提高，对焊膏的设计、元器件的湿度敏感度控制、加热时的变形都有影响。

（2）焊料与PCB焊盘和元件电极（包括引脚和焊端的形式，以下提到电极时即指引脚或焊端）的表面处理多元化，出现了兼容性的问题。有铅工艺时代，PCB 焊盘的表面处理绝大部分是Sn-37Pb，而无铅工艺条件下，仅PCB使用的表面处理就有ENIG、OSP、Im-Ag和Im-Sn，元器件电极使用的镀层种类更多。这就有一个兼容性的问题，包括工艺的兼容性（如BGA焊球熔化与不熔化）、镀层的兼容性（如使用SnBi合金焊料时，元器件电极表面镀层中不能使用含Pb的成分）。

（3）焊点的可靠性，缺乏可信的寿命数据。不同的机构所做的研究，其结果也是大相径庭，在很大程度上与封装对象、试验条件挂钩，可能没有一个简单的结论，要看具体的应用。这一点使得问题复杂化，打击了高可靠性产品的应用信心，像通信网络设备、军用电子设备、医疗与汽车电子产品等，人们对使用无铅工艺存在疑心。

2.高密度组装的特征

（1）元器件的引脚或焊端中心距越来越小。其本质就是焊盘尺寸越来越小，我们把这种微小焊盘的焊接称为“微焊盘”组装（以区别于以金丝球焊、倒装焊技术为代表的微组装）。小尺寸的焊盘，意味着模板开口尺寸变小，要求更薄的模板；印刷更少的焊膏量及提供更少的助焊剂总量；元器件封装更薄及更大的热变形。所有这些改变都会带来更多的焊接不良问题。

（2）“混装”程度越来越高。这里提到的混装，主要指不同大小共面度元器件的混合安装，它们对焊膏的印刷厚度要求不同，这样会给模板的设计、组装密度带来影响。

“微焊盘”及高密度“混装”，使得焊膏印刷成为难点，这是组装工艺目前乃至今后需要面对的主要挑战。

1.3 表面组装基本工艺流程

表面组装印制电路板组件（Print Circuit Board Assembly,PCBA）的焊接，主要有再流焊接和波峰焊接两种工艺，它们构成了SMT组装的基本工艺流程。

1.3.1 再流焊接工艺流程

再流焊接指通过熔化预先印刷在PCB焊盘上的焊膏，实现表面组装元器件焊端或引脚与PCB焊盘之间机械和电气连接的一种软钎焊工艺。

1.工艺特点

（1）焊料（以焊膏形式）的施加与加热分开进行，焊料的多少可控。

（2）焊膏一般通过印刷的方式分配，每个焊接面只采用一张模板进行焊膏印刷。

（3）再流焊炉主要的功能就是对焊膏进行加热。它对置于炉内的 PCBA 进行整体加热，在进行第二次焊接时，第一次焊接好的焊点会重新熔化。

2.工艺流程

再流焊接工艺流程为印刷焊膏—贴片—再流焊接，如图1-8所示。

1.3.2 波峰焊接工艺流程

波峰焊接指将熔化的软钎焊料（含锡的焊料），经过机械泵或电磁泵喷流成焊料波峰，使预先装有元器件的 PCB 通过焊料波峰，实现元器件焊端或引脚与 PCB 插孔/焊盘之间机械和电气连接的一种软钎焊接工艺。

1.工艺特点

（1）对PCB同时施加焊料与热量。

（2）热量的施加主要通过熔化的焊料传导，施加到PCB上的热量大小主要取决于熔融焊料的温度和熔融焊料与PCB的接触时间（焊接时间）。

（3）焊点的大小、填充性主要取决于焊盘的设计、孔与引线的安装间隙、孔壁与内层铜箔的连接。换句话来讲，就是波峰焊接焊点的大小与填充性主要取决于设计。

（4）焊接 SMD 存在“遮蔽效应”，容易发生漏焊现象。所谓“遮蔽效应”，指片式 SMD的封装体阻碍焊料波接触到焊盘/焊端的现象。

2.工艺流程

波峰焊接工艺流程为点胶—贴片—固化—波峰焊接，如图1-9所示。

1.4 表面组装方式与工艺路径

表面组装方式指印制电路板组件（PCBA）上电子元器件在 PCB 两面的布局结构，它决定了PCBA组装时的工艺路径。

由于表面组装元器件与通孔插装元器件采用的焊接工艺不同，同时，PCBA在再流焊接时底面元器件的焊点也会熔化，加上重力的作用，焊点少又相对较重的元器件是不能布局在PCBA底面的。由于这些原因，PCBA两面的元器件布局不是任意的，必须遵守一定的规则，这就形成了特定的组装方式。

为了定义安装方式，首先定义PCBA的两面。在IPC-SM-782中对PCBA的两面进行了定义。通常，把安装元器件、封装类别比较多的面称为主装配面（Primary Side）；相反，把安装元器件、封装类别比较少的面称为辅装配面（Secondary Side），如图1-10所示。因为它们分别对应EDA叠板顺序所定义的Top面和Bottom面，也把它们简称为T面和B面。

由于通常先焊接B面再焊接T面，因此，有时我们也将B面称为一次焊接面，T面称为二次焊接面。

根据元器件在PCB两面的布局结构，基本可以归为全表面组装和混合安装两大类，进而还可以细分为五小类，分别对应不同的工艺路径。它们是：

（1）单面全表面贴装方式。

（2）双面全表面贴装方式。

（3）T面混装B面表面贴装（Ⅰ）—T面较多插装元器件，B面仅有可波峰焊接贴装元器件。

（4）T面混装B面表面贴装（Ⅱ）—T面较多插装元器件，B面较多表面贴装元器件。

（5）T面混装B面表面贴装（Ⅲ）—T面较少插装元器件，B面较多表面贴装元器件。

通常情况下，PCBA的设计首先要根据元器件的数量和种类确定合适的组装方式，也就是确定工艺路径；然后，再根据板面的组装工艺确定元器件的布局要求—位向、间距等。

组装方式与对应工艺路径如表1-2所示。

1.5 表面组装技术的核心与关键点

SMT 工艺工作的目标是制造合格的焊点，要获得良好的焊点，有赖于合适的焊盘设计、合适的焊膏量、合适的再流焊接温度曲线，这些都是工艺条件。使用同样的设备，有些厂家焊接的直通率比较高，有些则比较低，差别在于工艺不同，它体现在“科学化、精细化、规范化”上。比如，使用的焊膏、模板的厚度与开口设计、印刷支撑与参数调整、贴片程序设定、温度曲线设置，以及进炉间隔、装配时的工装配备情况等，这些往往需要企业用很长的时间探索、积累并规范化。而这些经过验证并固化的工艺方法、技术文件、工装设计就是“工艺”，它是SMT的核心。

按照业务划分，SMT工艺一般可分为工艺设计、工艺试制和工艺控制，如图1-11所示。其核心目标是通过合适焊膏量的设计与一致的印刷沉积，减少开焊、桥连、少印和移位的问题，从而获得预期的焊点质量。

在每项业务中都有一组工艺控制点，其中焊盘设计、模板设计、焊膏印刷与PCB的支撑，是工艺控制的关键点。

随着元器件焊盘及间隔尺寸的不断缩小，模板开口的面积比及印刷时模板与PCB的间隙越来越重要。前者关系到焊膏的转移率，而后者关系到焊膏印刷量的一致性及印刷的良率。

为了获得75%以上的焊膏转移率，根据经验，一般要求模板开口与侧壁的面积比大于等于0.66；要获得符合设计预期的、稳定的焊膏量，印刷时模板与PCB的间隙越小越好。要实现面积比大于等于0.66，不是一件困难的工作，但是要消除模板与PCB的间隙却是一件非常困难的工作。这是因为模板与PCB的间隙与PCB的设计、PCB的翘曲、印刷时PCB的支撑等很多因素有关，有时受制于产品设计和使用的设备是不可控的，而这恰恰是精细间距元器件组装的关键。像0.4mm引脚间距的CSP、多排引脚QFN、LGA、SGA的焊接不良几乎100%与此有关。因此，在先进的专业代工厂，发明了很多非常有效的PCB支撑工装，用于矫正PCB的桥曲，保证零间隙印刷。

1.6 表面组装元器件的焊接

电子组装采用的是软钎焊技术，软钎焊原理讨论的是焊点的合金熔化与再结晶、焊接界面的反应（润湿、扩散和合金化）课题，即冶金原理，与之有关的焊接不良包括冷焊、不润湿、半润湿、渗析、过量的金属间化合物；而元器件的焊接讨论的是元器件封装级别多个焊点的焊接课题，焊接不良多与焊点形态有关，包括立碑、偏移、芯吸、桥接、空洞、开路、锡球、锡珠、飞溅物等。两者讨论的对象不同，工艺原理也不同。

单个焊点的形成，已经从被焊接镀层、助焊剂方面得到了足够的保障，我们了解焊接原理主要是“知其然”，以便制定这些材料的评价方法与标准，帮助我们分析焊接遇到的润湿、芯吸和渗析等问题，了解提升可靠性的方法。如果仅焊接只有一个引脚的元器件，焊接不会有太多的问题，但是，对于多引脚、热变形的表面贴装元器件而言，焊接就会有很多的问题。事实上，我们遇到的绝大部分焊接不良都是元器件级别的，如桥连、开焊、移位、立碑等。

元器件级别的焊接，很大程度上取决于元器件的封装结构（如电极间距、电极布局、封装厚度）、对湿度的敏感性、焊盘设计和焊膏分配。元器件的焊接属于多点并受封装热变形影响的焊接。由于每类封装的结构不同，因而形成了各自独有的工艺特性，也导致了生产中出现的焊接不良现象不同，如片式元器件主要问题是立碑和移位，BGA 焊接主要问题是球窝和开焊，QFP焊接主要问题是桥连和开焊，QFN主要问题是桥连、虚焊和空洞等。掌握各类封装的工艺特点，是工艺设计、工艺优化的基础。下面举两个例子予以说明：

案例1 QFN的桥连

QFN封装，中间有一个大的散热/接地焊盘。为了减少散热焊盘焊缝中的空洞尺寸和数量，往往采用格栅状焊膏印刷图形。这样，散热焊盘上焊膏的覆盖率就会低于100%，多数情况下只有30%～50%。这意味着QFN底部焊料熔化后会向下塌落（焊缝高度取决于散热焊盘，因为其面积远大于周边焊盘的面积总和），如图1-12所示。这会引起周边焊点熔融焊料的压挤效应，结果就可能导致周边相邻焊点的桥连，特别是双排QFN内圈的焊点，这就是QFN桥连产生的机理。

案例2 BGA的球窝与开焊

BGA，特别是塑封BGA，由于尺寸大、层结构，在再流焊接的焊接加热阶段，会发生由“哭脸”向“笑脸”的翘曲变形，如图1-13所示。这将引发BGA焊球与焊膏的分离—产生间隙，最终导致球窝或开焊现象的发生。从图中可以看到，BGA 在室温时中心上弓（所谓的“哭脸”），随着温度升高逐渐变平。温度一旦超过封装铸塑时的温度（通常在150℃左右）,BGA四角开始上翘（所谓的“笑脸”），角部、边上的焊球逐渐与PCB拉开距离，这是导致焊接出现球窝、开焊等不良现象的常见原因。在此阶段，焊球与焊膏分离，助焊剂无法去除分离的焊球表面的氧化物，而焊剂随着时间的延长也逐渐失去活性（反应消耗、挥发与分解）。随着温度的进一步升高，焊膏熔化，BGA 塌落。这时即使熔融焊球与焊料接触，也会因焊球表面较厚的氧化层而不能很好地融合在一起，最终导致球窝缺陷。BGA 焊接的这个例子，很好地诠释了焊点形成与封装焊接的不同。

1.7 表面组装技术知识体系

表面组装技术的核心目的就是实现表面组装元器件与PCB的可靠连接，简单讲就是焊接。什么样的焊点是符合要求的？要获得良好的焊点需要什么样的工艺条件？什么样的设计与工艺条件可以获得高的直通率？这些都是表面组装技术要研究的内容。要弄明白这些问题，必须了解和掌握完整的电子制造工艺知识，包括钎焊原理、SMT工艺原理及焊点失效分析技术。

焊接是表面组装的核心，了解钎焊的原理对于理解和优化焊接的工艺条件很重要。与之有关的基本概念包括表面张力、润湿、扩散、金属间化合物、可焊性等。

焊点的可靠性取决于焊点的界面金属间化合物的厚度、形貌及合金的金相组织，而金相组织取决于焊料合金的成分与工艺条件。学习钎焊原理，就是要了解焊点的微观组织的形成过程与条件，了解合金的成分对焊点组织的作用，帮助我们优化焊点的机械性能、抗疲劳性能，选用合适的焊料合金。我们必须清楚，焊点的疲劳失效除了与应力环境、CTE 的匹配性有关外，还与焊点的微观组织有关，这是我们选择学习钎焊原理的原因。很多专业书籍不厌其烦地介绍焊点的微观组织，就是希望读者了解焊点的微观组织与性能的关系，能够进行焊点的失效分析。

SMT 工艺，简单讲就是焊膏印刷、贴片、再流焊接三个工序。实际上与之有关的工艺控制点多达四五十项，包括元器件来料检验、储存、配送，PCB 的来料检验、储存、配送，车间的温/湿度管理、防静电管理，焊膏/焊剂的性能评估、储存和使用，模板的设计与检验，焊膏印刷参数的设置与支撑，贴片，再流焊接温度测试与设置，在线检查等，是非常复杂、系统化的工程技术。这些工艺控制点通常细化到岗位，目标、做法和要求都非常具体，在工厂以作业指导书的形式编制。这是企业制造技术的核心资产与技术要点，体现了企业的工艺技术水准与管理水平。学习SMT工艺原理，就是为了不断优化这些作业指导书，使之“简明、科学、高效”。

虽然制造工程师不一定要具备操作各种失效分析仪器的能力，但必须了解主要的分析手段、原理及用途，能够明白分析的要求并看懂分析的结果。因此，学习一点失效分析技术对工艺工程师进行焊点的失效分析而言是必需的。

图1-14列出了SMT知识体系，目的是希望读者清楚SMT的知识范围，了解哪些知识需要掌握，做到“应知应会”，成为电子制造方面训练有素的工程师。