1.2 电子设备的高密度安装技术

1.2.1 何谓高密度安装技术

1.安装的定义

安装是将单个组成部分制成能满足技术条件要求的完整产品的过程。在安装过程中，要先选择好基本的技术方向或工作原理。然后，再进一步确定产品的结构组成部分，规定它们的相互配置和联系，以及确定产品的外形尺寸和重量。

2.安装图的作用

安装图是所完成的安装结果，是对安装主体进行定性评价及估计设备的安装密集度和在客体上放置位置的内容和条件。

3.安装推动了“系统”的形成

（1）何谓“系统”

按词义来解释，是指同类多个事物按一定的关系和预定的目的组成的整体，称为系统。

系统的构成是存在层次关系的，例如，一台计算机（单个事物）是不能构成系统的，而将多台计算机相互连接成网络，就能构成网络系统。即使在一台计算机的内部，把键盘、显示器、磁盘、中央处理器（CPU）、电源等多种装置相互连接起来就构成了系统。而中央处理器是将CPU芯片、存储器芯片、控制器芯片等多个IC和部件组互相连接起来构成的系统。

在一台电子设备或装置的开发中，系统设计者把这些IC、元器件和部件组合起来，赋予必要的功能、特性、价值等各种各样的评价要素，使其能构成一个性能优良的工作系统。显然，所进行的这些工作大部分都属于“安装”工作的内容，如图1.2所示。

（2）安装层次

安装层次是随着科学技术的发展而有不同的内容。关于“安装层次的定义”，目前国际上有下述两种见解：

① 美国IBM公司对安装技术的层次构成的表述如下。

● 层次0：基片连接（WB/TAB/C4），基片内配线为1mm；

● 层次1：封装（PSCM/C-LCC/C-MCM/C-TCM/FTC/C-FP）；

● 层次1～层次2的连接：（PTH/SMT，层次1：封装内配线为1 cm）；

● 层次2封装：（卡片/柔性基板/P-G板/FR-4板/LCM）；

● 层次2～层次3的连接：（连接器/电缆/PTH，层次2：板内配线为10 cm）。

● 层次3封装：（板/电缆/P-G板）；

● 层次3～层次4的连接：（层次3：组合件内配线为1 m）；

② 在日本焊接协会微焊接技术认定-检定委员会编写的《标准微焊接技术》一书中，对微电子安装中的接合-接续分成如下4个层次，如图1.4所示。

● 层次1：半导体芯片内部的相互接合-接续；

● 层次2：半导体芯片端子和封装引脚导体间的接合-接续；

● 层次3：封装的外部导体和印制电路基板配线导体间的接合-接续；

● 层次4：由印制电路基板相互之间的接合-接续构成系统。

4.高密度安装技术的应用

当今世界上在IT产业里，以便携式电话、PDA为代表的便携式的信息产业加速了世界互联网的发展，如图1.4所示。

1.2.2 现代电子设备的安装密度

1.安装密度的概念

现代电子设备结构和工艺问题是与提高产品质量和生产效率结合在一起的，其中最突出的问题是：

● 降低成本；

● 减小体积和重量；

● 扩大微电子学器件的使用范围；

● 提高集成度，使元器件之间的连接和支承结构件微小型化；

● 确保电磁兼容性和增强散热能力；

● 改善人机关系；

● 广泛釆用最优的结构工艺方法；

● 确保结构的高度工艺性和一致性；

● 最大限度地釆用标准化。

2.高密度安装的经济性

在军用电子装备中，机载电子设备，尤其是导弹、卫星等设备，尽可能地以最小的空间安装最多的电路；对地面的移动设备，特别是便携式的电子产品也要求尽可能轻、薄、短、小些。

集成电路用的印制电路板的设计者，由于花了很大代价，总是要求得到最佳安装密度。设计不良、布设不好的印制电路板的制造费用与设计良好的印制电路板的制造费用是一样的，而设计良好的印制电路板在同样的面积上可装配更多的封装器件，而且互连导线短，工作情况将会更好。

这些信息产品的高性能、多功能化（复合化、融合化）和小型便携化（高密度化）的关键工艺是“半导体集成电路技术”。

大量应用微电子器件的设备安装密度和功能复杂性的提高经历了许多阶段，其中的主要内容是靠单个晶片及晶片的组合体来提高集成度的，如图1.5所示。

3.现代电子设备的安装密度的定义及其表征特性的系数

（1）定义

现代电子设备的安装密度也称电子设备的体填充密度，俗称密集系数。密集系数的定义为元器件的体积之和 与装配单位的总体V _c 之比，即

在估算电子设备的密集度时，较普遍采用单位装配体积所拥有的电路元器件数来表征密集度的方法。这种估算考虑了元器件的平均外形尺寸，而不管元器件的微小型化程度如何。假如在式（1.1）中用所有n个元器件的平均体积V _a 来代替它们的实际体积之和，则填充系数K _n 可以写为nV _a /V _c ，即安装的体填充密度为

对由几代不同电路元器件装配的电子设备的安装密度进行比较可看出，假如利用“指形真空管”的安装密度为0.03～0.4个零件／cm ³ ，而过渡到半导体器件和印制布线的安装密度就要增大5倍（1～2个元器件／cm ³ ），当利用薄膜集成电路时，安装密度又可增大50倍（50～100个元器件／cm ³ ）；而当利用半导体集成电路时，安装密度则可进一步增大600倍以上（50～1200个元器件／cm ³ ）。

随着微电子学的发展，电子装备的设计方法也发生了很大的变化。以前的电子装备为了减小设备的外形尺寸、减轻重量和降低成本而力求减少各级电路及电路元器件的数量，那么，对现代电子设备来说，则力求无限制地增加等效电路元器件的数量，也就是力求无限制地提高集成度。

（2）表征的特征系数

现代电子设备的设计和制造质量，取决于其功能特性、技术特性和经济特性这三方面的总合，它决定了设备与其给定用途相适应的程度。电子设备的设计和制造工程师所从事的工作的主要阶段是安装。安装的特征量包括设备的体积、尺寸、重量和成本等。几代无线电电子设备安装体密度（元件数／cm ³ ）的变化情况：对于第一代无线电电子设备来说，最重要的判据之一是有源分立器件（如电子管）的数目。过渡到微电子器件时代，又岀现了一些新的判据，如在一个基片上容纳的组件、微型组件、低集成度的集成电路、大规模集成电路及超大规模集成电路等的集成度。它通常可用下述三个特征系数来表征。

① 表征小型化结构中部件数的系数κ _M ：

式中，N ₁ 为元器件总数；N ₂ 为微型电路中的元器件数。

② 表征重量减轻的系数K _G ：

式中，G ₁ 为釆用微电子部件前的重量；G ₂ 为釆用微电子部件后的重量。

③ 表征体积缩小的系数K _V ：

式中，V ₁ 为采用微电子部件前的体积；V ₂ 为采用微电子部件后的体积。

系数κ _M 表示电子设备小型化的有效程度，而系数K _G 和K _V 则分别表示机械装置和电机装置小型化的有效程度。

当然，也存在一些其他的判据，例如：

● 用来评定在抗干扰、意外故障（减少接点数）及提高可靠性程度等方面，表征电气安装连接线的长度最短及数量最少、部件输出的接点数量最少。

● 由于微电子部件和组件的大量应用，连接线的长度缩短。在大批量生产采用群集工艺时，连接线相互配置的稳定性增大，这就要求在产品设计和工艺设计阶段就要对热状态和寄生耦合作用做出估计。因此，它们在时间上是相近的。

● 耗电量降低系数可使人们估计靠缩小电源尺寸及冷却系统的尺寸来缩小体积的潜力。

1.2.3 现代电子设备高密度安装技术是一项系统工程技术

1.现代电子设备高密度安装是设计、元器件及制造-检查等技术的集成

随着电子技术的飞速发展，封装的小型化和安装的高密度化以及各种新型封装技术的不断涌现，电子设备安装所涉及的技术领域也越来越广泛。完全可以说现代电子设备安装技术是一项涉及多学科、多技术专业综合的系统工程技术，按其技术内涵，大致可由三大技术板块集成，如图1.6所示。

如图1.6所示，电子安装技术首先涉及的是与设计相关的材料、化学、物性的分类，而后就是元器件的封装、封装用材料、焊接技术等，即元器件技术。近些年来，在该领域又有不少新的实用技术及产品被推出，如微小型的BGA、CSP、堆叠安装、0201及01005元件、组合基板、挠性和钢性复合基板、无公害的微细焊料技术，以及以便携式电话、智能手机和数字相机等为代表的电子产品的小型化和廉价化的新产品和技术，更是获得了日新月异的发展。

近些年来，在元器中，特别是在IC内部回路中，随着封装技术的发展发生了巨大的变化，例如，在系统中安装一个IC芯片的片上系统（SoC），在1个IC封装中安装了多个IC芯片的系统封装（SiP），如图1.7所示。

从电气学的观点看现代电子设备的高密度安装，首先，是伴随着工作的高速化而带来的在设计技术方面的一些新问题，如高速信号的传输问题、高速回路分析问题、电磁兼容性问题及热分析问题等。其次，是涉及由安装用基板和各种各样的元器件的技术变革，所带来的新的技术变革所构成的元器件技术。最后，是实际机器的安装、产品制成品的试验；元器件在基板上的安装、焊接、安装效率的提高、不良品的检测等所构成的制造-检查技术。正是如上所述的设计技术，电子元器件技术及制造、检查技术的集合构成了一个完整的现代电子设备的安装技术体系。

2.表面安装技术已成为高密度安装的主流技术

将电子元器件安装到印制电路板上目前并存如下两种基本安装技术。

（1）插入安装技术

插入安装技术，即将电子元器件插入到印制电路板的PTH孔（金属化的贯通孔）中，再通过焊接而完成安装过程。通常，将此种安装方式称插入安装。

（2）表面安装技术

表面安装技术，即在印制电路板的安装面上设置与元器件端子相对应的焊盘（接续图形），再将元器件的端子搭载在相应的焊盘上，然后再经过焊接而完成安装过程。人们将此种安装方式称为表面安装技术。

作为表面安装用的元器件主要指无引脚的外形呈矩形、圆柱形的片式电阻、电容、半导体器件等。从安装时的稳定性考虑，目前以矩形片式元器件为主流，如图1.8所示。

3.现代电子设备高密度安装所涉及的学科知识

日本电子与信息技术工业协会（JEITA）的电子系统安装技术委员会把从半导体器件，电子元器件，印制板的安装、设计，质量保证到再循环的“系统设计统合技术”广义地统称为“安装技术”，并且由此预测了其所涉及的技术学科领域，如图1.9所示。

4.半导体技术发展路线图与安装技术发展路线图的关联性

微电子封装技术发展的驱动力是半导体技术的日新月异的发展，而现代电子设备高密度安装技术的核心取决于微电子设备设计技术的进步。它们之间所要求的知识结构领域有很大的不同。因此，在工程应用中，工作的侧重点是不同的，然而，它们之间又存在着天然的关联性。这种差异性和关联性充分体现在二者技术发展路线图的集合运算韦恩图上，如图1.10中的交集部分。