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电子组装技术是根据电路原理图，选择电子元器件、机电元件，合理设计印制电路板（Print Circuit Board，PCB），然后进行互连焊接、安装、调试，使其成为适用的、可生产的电子产品的技术。这里组装的元器件主要包含了通孔插装（Pin Through Hole，PTH）元器件和表面贴装元器件（Surface Mounted Components/Devices，SMC/SMD）。
通孔插装元器件主要运用通孔插装技术（Through Hole Technology，THT）完成电路板组件的制造。THT是将引线插入电路板上的通孔，在板的背面进行焊接的技术。
20世纪60年代出现了表面贴装元器件，后来逐渐在印制电路板上应用，因此表面组装技术（Surface Mounting Technology，SMT）得到发展。表面组装技术又称表面安装技术或表面贴装技术。一般是指用自动组装设备将片式化、微型化的无引线或短引线表面贴装元器件直接贴装和焊接到印制电路板表面或其他基板的表面规定位置的一种先进电子装联技术。广义的电子组装包括了SMT和THT。
电子组装技术的发展见表1-1。
表1-1 电子组装技术的发展
中国SMT起步于20世纪80年代初期，在经历了30多年的快速发展后，已成为全球最大的电子产品的世界加工基地，设备已经与国际接轨，但设计、制造、工艺、管理技术等方面与国际还有差距。国内各企业应加强基础理论和工艺研究，提高工艺水平和管理能力。
1.电子组装的层级介绍
电子组装包含电子组装工艺、电子组装技术和电子封装工程三个领域。电子组装的构成分为4级封装，包含6个层级。一般称层次1为0级封装，层次2为1级封装，层次3为2级封装，层次4、5、6为3级封装，电子组装的层级如图1-1所示。本书中所涉及的组装主要是2级和3级封装。
图1-1 电子组装的层级
层次1（0级封装）是指半导体集成电路组件（芯片）封装工程。半导体厂商提供系列标准芯片。针对系统用户特殊要求的专用芯片，被称为未经封装的裸芯片更为确切。确保芯片质量非常关键，保证芯片的功能符合要求及足够高的初期合格率。
层次2（1级封装）分为单芯片封装和多芯片封装。①单芯片封装，即对单个裸芯片进行封装；②多芯片封装，即将多个裸芯片装载在陶瓷等多层基板上，进行气密性封装构成MCM（Multi-Chip Module，多芯片组件）。MCM伴随集成电路组件的高速、高集成化而产生，与单芯片封装相比，具有更高的封装密度，能更好地满足电子系统微型化的需要。
电子封装工程是指将半导体、电子元器件所具有的电子的、物理的功能转变为适用于机器或系统的形式，即0级组装和1级组装。
层次3（2级封装）指构成板或卡的装配工序，将多个完成层次2的单芯片封装和MCM，安装在PCB等多层基板上，基板外围设有插接端子，用于与母板及其他板或卡的电气连接。
层次4（3级封装）称为单元组装。将多个完成层次3的板或卡，通过其上的插接端子，连接在称为母板的大型PCB上，构成单元组件。
层次5（3级封装）指将多个单元构成架，单元与单元间用布线或电缆相连接。
层次6（3级封装）即总装，将多个架并排，架与架之间由布线或电缆相连接，由此构成大型电子设备或电子系统。
2.印制电路板组件
本书讲的电子组装就是指的2级封装，即印制电路板组件（Print Circuit Board Assembly，PCBA，见图1-2）的装配。PCBA指安装有电子元器件，具有一定功能的印制电路板装配件，在电子制造工厂也称为单板。
图1-2 印制电路板组件
PCBA的结构有一个显著的特点，就是元器件安装在PCB的一面或两面。通常将安装元器件数量和封装类型比较多的PCB面，称为主装配面或上表面（正面）；相反，将安装元器件数量和封装类型少的面，称为次装配面或下表面（反面）。
通常先焊接下表面，后焊接上表面，因此，有时也将下表面称为一次焊接面，上表面称为二次焊接面。
PCBA的可制造性设计，主要是解决可组装性的问题，目的是实现最短的工艺路径、最高的焊接直通率、最低的生产成本。
1.表面组装技术的组成
电子组装的核心技术就是表面组装技术（SMT），包含表面组装元器件、电路基板、组装技术、组装工艺、组装材料、组装设备、组装测试、组装管理等多项技术，是一门涉及微电子、精密机械、自动控制、焊接、精细化工、材料、监测、管理等多种专业和多门学科的系统工程。SMT的组成如图1-3所示。
图1-3 SMT的组成
2.表面组装技术的特点
当前，表面组装技术已经进入微组装、高密度组装和立体组装技术的新阶段。这种技术成为当今微电子技术的重要组成部分，是由其特点决定的。与通孔插装技术相比，表面组装技术具有以下特点：
①组装密度高，产品体积小，质量小。SMC和SMD的体积只有传统的元器件的1/10～1/3左右，可以装在PCB的两面，有效利用了印制电路板的面积，减小了电路板的质量。一般采用表面组装技术后可使电子产品的体积缩小40%～60%，质量减小60%～80%。例如，一个64引线的双列直插式封装（Dual In-line Package，DIP），组装面积为25mm×75mm，同样引线采用间距为0.63mm的QFP，组装面积为12mm×12mm，面积为通孔插装技术的1/12。
②可靠性高，抗振能力强。SMC和SMD无引线或引线很短，质量小，因而抗振能力强，其焊点失效率可比PTH元器件至少降低一个数量级，大大提高了产品的可靠性。SMT组装的平均故障间隔时间（Mean Time Between Failure，MTBF）为25万小时，目前几乎有90%的电子产品采用SMT工艺。
③高性能。SMC和SMD贴装牢固，为无引线或短引线，降低了寄生电感和寄生电容的影响，提高了电路的高频特性。采用SMC和SMD设计的电路最高频率可达3GHz，而采用通孔插装元器件仅为500MHz。采用SMT也可缩短传输延迟时间，可用于时钟频率为16MHz以上的电路。若使用MCM技术，计算机工作站的高端时钟频率可达100MHz，由寄生电抗引起的附加功耗可降低到原来的1/3～1/2，可以毫不夸张地说没有表面组装技术就没有计算机、手机等现代高频电子产品。
④降低成本。表面组装技术使PCB面积减小，产品成本降低；使元器件成本降低，组装中省去引线成型、打弯、整型的工序；频率特性提高，降低了电路调试费用；片式元器件体积小、质量小，降低了包装运输和储存的费用；焊点可靠性提高，降低了调试和维修成本。
⑤高效率。表面组装技术更适合自动化大规模生产。采用计算机集成制造系统（CIMS）可使整个生产过程高度自动化，将生产效率提高到新的水平。目前通孔插装元器件安装印制板的电子组装要实现完全自动化，还需扩大40%原印制板面积，这样才能使自动插件的插装头将元器件插入，否则没有足够的空间间隙，将碰坏零件。
3.表面组装技术的应用
表面组装技术在各种行业的应用越来越广，从最初应用于消费类电子产品、家电、办公设备、计算机、数码产品，到现在应用于航天军事、通信基站、网络信息、电力电源、安防、仪器仪表、汽车，并延伸到照明、LED、太阳能、风能、潮汐能、核能等新能源领域。人们对电子产品也提出了更高的要求，不仅限于功能要求，更多的是质量和可靠性的要求不断提高。
表面组装技术的应用产品根据用途大致分成以下几类：
①消费类产品。包括游戏、玩具、音响电子设备等。
②通用产品。如企业和个人用计算机、家用电器、数码相机、打印机、办公设备。与消费类产品比较，用户期望产品有较长的使用寿命，并享受长期服务。
③通信产品。包括电话、手机、交换机、通信基站、路由器、无线传输设备等。
④安防仪器。包括检测仪器、测试设备。
⑤工业产品。尺寸和功能是这类产品重点关注的，成本也是非常重要的。
⑥高性能产品。如军舰、航天、军用产品、高速大型计算机、医疗设备、新能源设备等。这类产品要求高可靠性和高性能。
⑦航天产品。包括所有能够满足外界恶劣环境要求的产品。在各种不同环境和极端的自然条件下可达到优质和高性能的产品。
⑧军用航空电子产品。需要满足机械变化和热变化的要求，应重点考虑尺寸、质量、性能和可靠性。
⑨汽车产品。汽车内的电子模块应用越来越多，这类产品面临着极端的温度和机械变化，安全性要求很高。
1.发展历史
从1985年中国引入第一台贴装机开始，表面组装技术得到快速发展。1985—2016年中国共引进140794台自动贴装机，其中2000—2009年是快速增长期，引进69778台自动贴装机。2010—2017年的8年是SMT的发展高峰期，共引进80516台贴装机。经过多年的发展，之前进口的贴装机在向新的机型发展以适应电子产品不断向小型化、多样化、智能化方向发展。
2.地域发展情况
从地区发展来看，SMT产业主要集中在珠三角、长三角地区，环渤海地区及重庆、四川等西部地区也进一步增长，同时，江西、湖南、安徽、河南、湖北等地拥有各种丰富的资源、优惠条件以及便利的交通，将会吸引SMT工厂往内地转移。
当前，表面组装技术取得了很大的技术进展，但仍然存在一些技术挑战。
①元器件体积进一步小型化对工艺要求的提高。在大批量生产的微型电子整机产品中，01005系列元器件，以及窄引线间距达到0.15mm的QFP或BGA、CSP、QFN和FC等新型封装的大规模集成电路已经大量采用，对表面组装工艺水平、设备的定位系统等提出了更高的精度与稳定性要求。
②SMT产品的可靠性的进一步提高。微小型SMT元器件被大量采用和无铅焊接技术的应用，使得在极限工作温度和恶劣环境条件下，消除因为元器件材料的热膨胀系数不匹配而产生的应力，避免这种应力导致电路板开裂或内部断线、元器件焊接被破坏，成为不得不考虑的问题。
③电子组装设备的挑战。近年来，各种电子组装设备正朝着高密度、高速度、高精度和多功能方向发展，高分辨率的激光定位、光学视觉识别系统、智能化质量控制等先进技术得到推广应用。表1-2列出的是电子组装设备面临的挑战。
表1-2 电子组装设备面临的挑战
④柔性PCB的表面组装技术要求。随着电子组装中柔性PCB的广泛应用，在柔性PCB上安装SMC已经实现，其难点在于柔性PCB如何实现刚性固定的准确定位要求。
新技术革命和成本压力催生了自动化、智能化和柔性化生产制造，组装、物流装连、封装、测试一体化的制造企业生产过程执行管理系统（Manufacturing Execution System，MES）。SMT设备通过技术进步提高电子业的自动化水平，从而实现少人作业，降低人工成本，增加个人产出，保持竞争力，这是SMT行业的主旋律。高性能、易用性、灵活性和环保是SMT设备的主要发展必然趋势。
1.技术发展趋势
表面组装技术总的发展趋势是元器件越来越小，安装密度越来越高，安装难度也越来越大。最近几年，表面组装技术又进入一个新的发展高潮。为适应电子产品整机向短、小、轻、薄方向发展，出现了多种SMT新型封装元器件，并引发了生产设备、焊接材料、贴装和焊接工艺的变化，进而推动电子产品制造技术走向新的阶段。
①半导体封装与表面组装技术的交叉应用进一步加强；
②表面组装技术将加快从传统的制造到智能制造的转型升级；
③5G手机、网络通信设备发展加快；
④国产设备进一步发展；
⑤汽车电子、医疗电子、安防、新能源等领域是表面组装技术的重点发展方向。
2.高精度、柔性化
行业竞争加剧、新品上市周期日益缩短、对环保要求更加苛刻；顺应更低成本、更微型化趋势，对电子制造设备提出了更高的要求。电子设备正在向高精度、高速易用、更环保以及更柔性的方向发展：贴装头功能实现任意自动切换，贴装头实现点胶、印刷、检测反馈，贴装精度的稳定性将更高，元器件和基板兼容性能力将更强。
3.高速化、小型化
高速化、小型化带来了高效率、低功率、占空间小、低成本。贴装效率与多功能双优的高速多功能贴装机的需求逐渐增多，形成多轨道、多工作台贴装的生产模式。
4.半导体封装与表面组装技术融合
电子产品体积日趋小型化、功能日趋多样化、元器件日趋精密化，半导体封装与表面组装技术的融合是大势所趋。半导体厂商已开始应用高速表面组装技术，而表面组装生产线也综合了半导体的一些应用，传统的技术区域界限日趋模糊。技术的融合发展也带来了众多已被市场认可的产品。POP技术已经在高端智能产品上广泛使用，多数品牌贴装机公司提供倒装芯片设备（直接应用晶圆供料器），即为表面组装与半导体封装融合提供了良好的解决方案。
市场需求的多样性使得以往靠单一品种大批量生产、批量降低成本的方法逐渐无法再施展其威力，企业更多地转向多品种、小批量及个性化定制生产，定制生产已成为当今社会上的主要生产类型。大规模定制是近些年来在智能制造的背景下，在制造企业逐渐发展起来的一种生产业务模式，是制造业今后的一个发展方向。
制造装备的智能化是制造技术发展最具有前景的方向。近20年来，制造系统正在由原先的能量驱动型转变为信息驱动型，这就要求制造系统不但要具有柔性，而且还要有智能性，以便应对大量复杂信息的处理、瞬息万变的市场需求和激烈竞争的复杂环境。
通过自动化、数字化、信息化的建设，实现多个数字化车间的统一管理与协同生产，将车间的各类生产数据进行采集、分析与决策，并将优化信息再次传送到数字化车间，实现车间的精准、柔性、高效、节能的生产模式。电子制造属于离散型生产模式。
1.对于电子智能化数字化工厂的要求
①设施全面互联。建立各级标识解析节点和公共递归解析节点，促进信息资源集成共享；建立工业互联网工厂内网，采用工业以太网、工业现场总线、IPv6等技术，实现SMT生产线所有装备、传感器、控制系统与管理系统的互联。利用IPv6、工业物联网等技术实现工厂内网、外网以及设计、生产、管理、服务各环节的互联，支持内、外网业务协同。这就要求所有的设备具备可以联网的接口，实现全面互联。
②系统全面互通。电子工厂的总体设计、工艺流程及布局均已建立数字化模型，可进行模拟仿真，应用数字化三维设计与工艺技术进行设计仿真；建立制造执行系统（MES），实现计划、调度、质量、设备、生产、能效等管理功能；建立企业资源计划系统（ERP），实现供应链、物流、成本等企业经营管理功能；建立产品数据管理系统（PDM），实现产品设计、工艺数据的管理。在这些基础上，制造执行系统、企业资源计划与数字化三维设计仿真软件、产品数据管理（PDM）、供应链管理（SCM）、客户关系管理（CRM）等系统实现互通集成。
③数据全面互换。建立生产过程数据采集和分析系统（SCADA），实现生产进度、现场操作、质量检验、设备状态、物料传送等生产现场数据自动上传、信息反馈，并实现可视化管理。制造执行系统、企业资源计划与数字化三维设计仿真软件、产品数据管理、供应链管理、客户关系管理等系统之间的多元异构数据实现互换。建有工业信息安全管理制度和技术防护体系，具备网络防护、应急响应等信息安全保障能力。建有功能安全保护系统，采用全生命周期方法有效避免系统失效。
④产业高度互融。构建基于云计算的集成共享服务平台，实现从单纯提供产品向同时提供产品和服务转变，从大规模生产向个性化定制生产转变，促进制造业与服务业相融合。
2.智能制造系统
建立制造执行系统，实现生产计划管理、生产过程控制、产品质量管理、车间库存管理、项目看板管理智能化，提高企业制造执行能力。建立企业资源计划系统，实现供应链、物流、成本等企业经营管理功能。建立工厂内部通信网络架构，实现设计、工艺、制造、检验、物流等制造过程各环节之间，以及制造过程与制造执行系统和企业资源计划系统的信息互联互通。
①生产排程柔性化。建立高级计划与排产系统（APS），通过集中排程、可视化调度及时准确掌握生产、设备、人员、模具等生产信息，应用多种算法提高生产排程效率，实现柔性生产，全面适应多品种、小批量的订单需求。
②生产作业数字化。生产作业基于生产计划自动生产，工单可传送到SMT机台，系统自动接收生产工单，并可查询工艺图纸等工艺文件。
③质量控制可追溯。建立数据采集和分析系统（SCADA），通过条形码、二维码或无线射频识别（RFID）卡等识别技术，可查看每个产品生产过程的订单信息、报工信息、批次号、工作中心、设备信息、人员信息，实现生产工序数据跟踪，产品档案可按批次进行生产过程和使用物料的追溯；自动采集质量检测设备参数，产品质量实现在线自动检测、报警和诊断分析，提升质量检验效率与准确率；生产过程的质量数据实时更新，统计过程控制（SPC）自动生成，实现质量全程追溯。
④生产设备自管理。SMT设备台账、点检、保养、维修等管理实现数字化；通过传感器采集设备的相关工艺参数，自动在线监测设备工作状态，实现在线数据处理和分析判断，及时进行设备故障自动报警和预诊断，部分设备可自动调试修复；设备综合效率（OEE）自动生成。
⑤生产管理透明化。可视化系统实时呈现包含生产状况（生产数、生产效率、订单总数、完成率）、品质状况（生产数中的不良数、不良率）、设备状况等生产数据；生产加工进度通过各种报表、图表形式展示，直观有效地反映生产状况及品质状况。
电子元器件分为表面贴装元器件和通孔插装元器件。在可制造性设计过程中是按照元器件的封装外形和尺寸来分析的，所以下面就比较常见的表面贴装元器件的封装和定义做一下基本的介绍。
片式元器件主要包括电阻、电容和电感，其外形为矩形或圆柱形，矩形的称为“Chip”，圆柱形的称为“MELF”。MELF采用再流焊时易发生滚动，需要采用特殊焊盘设计，一般尽量避免使用。
片式元器件外形尺寸越来越小，一般用4位数字代号表示其外形尺寸，有公制和英制两种，但在很多企业的产品物料清单（Bill of Material，BOM）中被混淆定义。一般日本公司的产品都用公制，欧美公司的用英制。公制尺寸单位为mm，英制尺寸单位为mil，1mil为0.001in，1in（英寸）=2.54cm。矩形片式元器件的外形尺寸代号见表1-3。随着尺寸的越来越小，公制的尺寸代号应用更为广泛。
表1-3 矩形片式元器件的外形尺寸代号
终端产品小型化的趋势正在使得0603（0.6mm×0.3mm）、0402（0.4mm×0.2mm）元器件在手机和掌上电脑等产品中的应用变得越来越普遍，更小封装的03015（0.3mm×0.15mm）也开始应用。英制代号片式元器件的实物大小比较如图1-4所示。
图1-4 英制代号片式元器件的实物大小比较
03015（0.3mm×0.15mm）尺寸的电阻：与以往的0402尺寸产品相比，体积缩小了56%；2014年7月全球知名半导体制造商ROHM（罗姆）公司发布了最适用于智能手机和可穿戴式设备等小型设备使用的电流检测用低阻值贴片电阻“UCR006”。UCR006是0201（0.2mm×0.1mm）的厚膜型产品，实现了业界最高级别的低阻值100mΩ，有助于设备的节能化。0201（0.2mm×0.1mm）尺寸的电阻在03015尺寸产品的基础上，体积再降68%。另外，作为低阻值范围的0201贴片电阻，业界首次实现-55～155℃的使用温度范围，可支持更广泛的应用。而且，额定功率保证0.1W，达到同尺寸通用产品的2倍，更有助于设备的小型化。同时，片式元器件向着小外型无引线SON（Small Outline No-Lead）封装发展，如图1-5所示。
图1-5 无引线片式元器件
按照外形分类，集成电路封装分为THT封装和SMT封装两类。THT封装有塑料封装和陶瓷封装两类，常见的有DIP、SIP和PGA。SMT封装形式较多，常见有SOP、SOJ、QFP、PLCC、BGA和QFN。集成电路的封装标准有固态技术协会（Solid State Technology Association，JEDEC）的标准和电子工业协会（Electronic Industry Association，EIA）的标准。EIA标准主要用于日本市场，JEDEC标准的应用更为广泛。集成电路封装技术的发展如图1-6所示。
图1-6 集成电路封装技术的发展
20世纪80年代以来，集成电路封装由双列直插式（Dual In-line Package，DIP）向SOIC、PLCC方向发展。20世纪90年代是以方形扁平封装（Quad Flat Pack，QFP）为代表，向球栅阵列（Ball Grid Array，BGA）的转变。随着SMC/SMD、基板材料、装焊工艺、检测技术的迅速发展，军用电子装备中SMC/SMD的使用率迅速增大。在一些小型化电子装备中大量使用BGA，以SMT为主流的混合组装技术（MMT）是军用电子装备电路组装的主要形式，不仅DIP和SMC/SMD混合组装（THT/SMT），而且随着直接芯片安装（Direct Chip Attach，DCA）技术的推广应用，出现了DIP、SMC/SMD和倒装片（Flip Chip）在同一电路板上组装，以及在一些先进的电子装备中将芯片级封装（Chip Size Package，CSP）装于多芯片模组封装（Multichip Module，MCM）上，再进行3D组装的3D+MCM先进组装技术。近年又向二维、三维发展，出现了系统级封装（System in Package，SIP）、多芯片封装（Multi Chip Package，MCP）、堆叠封装（Package on Package，POP）。
1.DIP封装
DIP封装适合在PCB上穿孔焊接。因为操作方便，芯片面积与封装表面积之间的比值比较大，所以面积也较大。
2.SOP封装
1969年飞利浦公司开发出了小外形封装（Small Outline Package，SOP），以后逐渐派生出SOJ（J型引线小外形封装）、TSOP（薄小外形封装）、VSOP（甚小外形封装）、SSOP（缩小型SOP）、TSSOP（薄的缩小型SOP）及SOT（小外形晶体管）。SOT一般有SOT23、SOT89和SOT143三种外形，SOT23是通用的表面组装三极管，SOT89适用于较大功率，SOT143一般用于射频三极管。SOT封装可用于三极管和二极管。
3.QFP封装
QFP封装如图1-7（a）所示，芯片引线的距离很小，引线很细，一般大规模或超大规模集成电路都采用这种封装形式，其引线数一般在100个以上。QFP有正方形和长方形两种，引线间距有0.5mm、0.4mm、0.3mm、0.15mm等几种。
图1-7 元器件封装结构
4.BGA和CSP封装
由于QFP受到SMT工艺的限制，0.15mm的引线间距已经是工艺极限，因此出现了BGA和CSP封装。CSP与BGA的结构相同，有正装、倒装两种形式。由于倒装形式更有利于缩小体积、提高性能和可靠性，因此倒装形式越来越被广泛采用。金线键合正装的BGA和CSP封装如图1-8（a）所示，倒装芯片的BGA和CSP封装如图1-8（b）所示。CSP是芯片级封装，如图1-7（d）所示，是新一代的内存芯片封装技术，其技术性能比BGA又有了新的提升。从英文的字面意思就不难看出CSP的封装尺寸与芯片尺寸已经相当接近1∶1的理想情况，与BGA封装相比，同等空间下CSP封装可以将存储容量提高三倍。
图1-8 BGA和CSP的两种封装结构示意图
日本电子工业协会将CSP定义为芯片面积与封装体面积之比大于80%的封装；美国国防部元器件供应中心的J-STK-012标准将CSP定义为LSI封装产品的面积小于或等于LSI芯片面积的120%的封装。这些定义虽然有些差别，但都指出了CSP产品的主要特点是封装体尺寸小。
（1）BGA/CSP封装的优点
①封装成本相对较低。和QFP相比，BGA和CSP的引脚是球形的，均匀分布在元器件的底部，I/O数与封装面积比高，节省PCB面积，提高组装密度，引脚间距相对于QFP较大，组装难度下降。
②不易受到机械损伤。
③适用于大批量的电子组装。基体与PCB基材相同，热膨胀系数几乎相同，焊接时产生应力很小，对焊点可靠性影响也较小。
④由于BGA/CSP引脚短，导线的自感和互感很低，器件焊料球间信号干扰较小，频率特性好，散热性好。
⑤再流焊时，焊点之间的表面张力产生良好的自对中效果，允许有50%的贴装精度误差，焊接后的共面性较容易保证。
⑥QFP和BGA金线键合封装的内部结构如图1-9所示：芯片用银浆黏结在基板上，QFP基板采用金属引线框架，BGA载体大多采用BT（Bismaleimide Triazine）树脂，也有采用FR-4的；然后采用芯片通过金属丝压焊方式连接。QFP封装是金属丝直接连接到引脚（即图中内腿和外腿）。BGA封装是金属丝连接到载体表面，通过过孔连接到底部的焊球。
图1-9 QFP和BGA金线键合封装的内部结构
通常，相对于QFP而言，BGA和CSP的安装高度低，引脚间距大，引脚共面性好，这些都极大地改善了组装的工艺性。由于引脚更短，组装密度更高，所以BGA和CSP特别适合在高频电路中使用。BGA和CSP存在的问题是焊接后检验和维修比较困难，必须用X光检测焊点；是湿度敏感的，容易吸潮，受潮后需要烘烤处理，否则焊接后焊点中会产生空洞。
（2）BGA封装的分类
根据封装基板的材质分类BGA可分为如下几类：
①塑料BGA（Plastic BGA，PBGA）基板一般为2～4层有机材料构成的多层板。Intel系列CPU中，Pentium处理器均采用这种封装形式，后来出现了另一种形式，即将IC直接金线键合在PCB上，价格要便宜很多，一般用于对质量要求不高的产品。
②陶瓷BGA（Ceramic BGA，CBGA）采用陶瓷基板，芯片与基板间的电气连接通常采用倒装芯片（Flip Chip，FC）的安装方式。
③FCBGA（Flip Chip BGA）即硬质多层基板。
④TBGA（Tape BGA）即载带自动键合BGA，基板为带状软质的1～2层PCB。
⑤CDPBGA（Cavity Down PBGA）这种封装中央有方形低陷的芯片区（又称空腔区）。
⑥CCGA（Ceramic Column Grid Array）即陶瓷柱状阵列。
（3）CSP封装
CSP封装内存芯片的中心引脚形式有效地缩短了信号的传导距离，其衰减随之降低，芯片的抗干扰、抗噪性能也能得到大幅提升，这也使得CSP的存取时间比BGA改善15%～20%。在CSP的封装方式中，内存芯片通过一个个锡球焊接在PCB上，由于焊点和PCB的接触面积较大，所以内存芯片在运行中所产生的热量可以很容易地传导到PCB上并散发出去。CSP封装可以从背面散热，且热效率良好，CSP的热阻为35℃/W，而TSOP的热阻为40℃/W。
CSP产品已有100多种，封装类型也多，主要有如下5种：
①柔性基片CSP。柔性基片（Flexible Interposer Type）CSP的IC载体基片是用柔性材料制成的，主要是塑料薄膜，在薄膜上制作了多层金属布线。
②硬质基片CSP。硬质基片（Rigid Interposer Type）CSP的IC载体基片是用多层布线陶瓷或多层布线层压树脂板制成的。
③引线框架CSP。引线框架（Lead Frame Type）CSP使用类似常规塑封电路的引线框架，只是尺寸要小些，厚度也薄，并且指状焊盘伸入到了芯片内部区域。引线框架CSP多采用引线键合（金丝球焊）来实现芯片焊盘与引线框架CSP焊盘的连接。引线框架CSP的加工过程与常规塑封电路完全一样，是最容易形成规模生产的。
④晶圆级CSP。晶圆级（Wafer Level Package，WLP）CSP是采用晶圆级工艺的封装，是直接在晶圆上加工凸点的封装技术，是综合倒装芯片技术、SMT和BGA的成果，使IC器件进一步微型化。晶圆级工艺封装如图1-7（c）所示。WLP是一种先进的封装技术，因其具有尺寸小、电性能优良、散热好、成本低等优势，近年来发展迅速。在传统晶圆封装中，将成品晶圆切割成单个芯片，然后再进行封装。不同于传统封装工艺，晶圆级封装是在芯片还在晶圆上的时候就对芯片进行封装，保护层可以黏附在晶圆的顶部或底部，然后连接电路，再将晶圆切成单个芯片。
⑤堆叠CSP。堆叠（Package on Package，POP）CSP是将两个或两个以上芯片重叠黏结在一个基片上，再封装起来而构成的。在堆叠CSP中，如果芯片焊盘和CSP焊盘的连接是用键合引线来实现的，下层的芯片就要比上层芯片大一些，在装片时，就可以使下层芯片的焊盘露出来，以便进行引线键合。在堆叠CSP的封装中，可以将引线键合技术和倒装片键合技术组合起来使用，如上层采用倒装片芯片，下层采用引线键合芯片。
5.倒装芯片封装
倒装芯片（Flip Chip，FC）技术是在芯片的I/O焊盘上沉积焊锡球，然后将芯片翻转加热，熔融的焊锡球与陶瓷基板相结合。此技术替换常规金线接合，逐渐成为未来的封装主流。由于铜柱（Cu Pillar）技术的广泛应用，预计2020年倒装芯片市场将达到250亿美元，晶圆需求量将达到3200万片（等效12in晶圆）。该技术将受到“摩尔定律”技术推动，突破28nm节点；以及受到“超越摩尔”演进影响，应用于下一代DDR存储器和三维集成电路（3D IC）。倒装芯片市场主要由移动无线、消费电子和计算应用组成，还包括不断增长的LED和CMOS图像传感器。与COB相比，该封装形式的芯片结构和I/O端（锡球）方向朝下，由于I/O引出端分布于整个芯片表面，故在封装密度和处理速度上倒装芯片已达到顶峰，特别是它可以采用类似表面组装技术的手段来加工，因此是芯片封装技术及高密度组装的最终方向。倒装芯片封装如图1-7（e）和图1-10所示。
图1-10 倒装芯片封装
倒装芯片的组装方法主要有再流焊方式和胶粘方式。FC再流焊是通过再流加热实现FC的连接，通常有C4法和ESC法。C4法是通过再流焊加热完成可控塌陷芯片连接（Controlled Collapse Chip Connection，C4），即在芯片与基板或印制电路板之间实现C4过程。ESC法是环氧树脂密封焊接方法。
FC胶粘组装采用导电胶将芯片与基板或印制电路板黏结形成点连接，通常有CPC法和ACF法。CPC法是导电胶连接法，即用导电胶将芯片的凸点电极与基板或印制电路板上的镀金电极表面黏结，再进行填充固化。ACF法则采用各向异性导电胶，通过加压，在热压方向上产生导电性，使芯片的凸点电极与基板或印制电路板的镀金电极表面黏结，而其他方向呈现绝缘性，因而无须填充树脂固化。
6.板上芯片封装
板上芯片（Chip on Board，COB）封装，就是将裸芯片用导电或非导电胶黏结在互连基板上，然后用铝线或金线进行引线键合实现其电气连接，如图1-7（f）所示。由于芯片直接暴露在空气中，容易受污染或损坏，影响或破坏其芯片的功能，于是就对芯片和引线键合部分灌胶，这种封装形式称为软包封。由于COB使用的是裸芯片，节省了封装成本，但由于可靠性的原因，COB主要局限于低端的电子产品，如电子玩具、计算器、遥控器等，高端的电子产品还是使用封装的IC为主。现在被广泛应用的半导体照明LED封装也是采用COB技术，传统SMD封装的LED如图1-11（a）所示，COB封装的LED如图1-11（b）所示。
图1-11 传统SMD封装和COB封装的LED
7.多芯片模组
（1）多芯片模组的定义
多芯片模组（Multi-Chip Module，MCM）是一种裸晶（Die）、芯片、集成电路的封装技术。这种封装技术能在一个封装内容纳两个或两个以上的裸晶，而在此之前，一个封装内多半只有一个裸晶。MCM是在混合集成电路技术基础上发展起来的一种微电子技术，其与混合集成电路产品并没有本质的区别，只不过MCM具有更高的性能、更多的功能和更小的体积，可以说MCM属于高级混合集成电路产品。MCM的外形如图1-12（a）所示，MCM的内部结构如图1-12（b）所示。
图1-12 MCM封装
（2）多芯片模组的种类
MCM依据制造方式的不同而有不同的类型，差别主要在于高密度互连（High Density Interconnection，HDI）基板的形成方式。
MCM-L（Laminated MCM）是层压式MCM，基板部分使用通常的玻璃环氧树脂多层印刷基板的组件。布线密度不太高，成本较低。
MCM-C（Ceramic Substrate MCM）用厚膜技术形成多层布线，以陶瓷（氧化铝或玻璃陶瓷）作为基板的组件，与使用多层陶瓷基板的厚膜混合IC类似，两者无明显差别。布线密度高于MCM-L。
MCM-D（Deposited MCM）是堆积式MCM，用薄膜技术形成多层布线，以陶瓷（氧化铝或氮化铝）或Si、Al作为基板的组件。布线密度在三种中是最高的，但成本也高。
（3）多芯片模组的特点
MCM技术是实现电子整机小型化、多功能化、高性能和高可靠性的十分有效的技术途径。与其他集成技术相比较，MCM技术具有以下特点：
①延时短，传输速度提高。由于采用高密度互连技术，其互连线较短，信号传输延时明显缩短。与单芯片表面组装技术相比，其传输速度提高4～6倍，可以满足100MHz的要求。
②体积小，质量小。采用多层布线基板和芯片，因此其组装密度较高，产品体积小，质量小，组装效率可达30%，质量可减小80%～90%。
③可靠性高。统计表明，电子产品的失效大约90%是由于封装和电路互连所引起的，MCM集有源器件和无源元件于一体，减少了组装层次，从而有效地提高了可靠性。
④高性能和多功能化。MCM可以将数字电路、模拟电路、微波电路、功率电路和光电器件等合理有效地集成在一起，形成半导体技术所无法实现的多功能部件或系统，从而实现产品的高性能和多功能化。
（4）军事微电子领域的优势地位
减小产品尺寸和质量，同时提高电性能和可靠性，这是MCM技术的价值，也是MCM技术得以产生和发展的驱动力。在要求高性能、小型化和价格是次要因素的应用领域，尤其在军事、航空航天领域，MCM技术具有十分稳固的优势地位。
8.底部端子器件
底部端子器件（Bottom Termination Component，BTC）是可以表面贴装的电子器件，其外部连接由构成器件整体一部分的金属端子组成，其焊接端为平面且布局在封装的底面，如图1-13所示。
图1-13 BTC的封装
（1）BTC的分类
QFN、DFN、SON、LGA、MLP、MLFP等封装形式的器件都是BTC。
QFN（Quad Flat No-lead Package，方形扁平无引线封装）的焊接端为平面并布局在封装底面四边。封装的底部有大的散热焊盘。
DFN（Dual Flat No-lead，双列扁平无引线封装）的焊接端为平面并且布局在封装的两边。
SON（Small Outline No-lead，小外形无引线封装）的焊接端为平面并布局在封装的底部。
LGA（Land Grid Array，盘栅阵列封装）的焊接端为平面并以阵列形式布局在封装的底部。LGA通常大于5mm×5mm，并且基本都安装在多层基材上。很多基于基材的LGA元器件包含多芯片和许多无源元件。
MLP（Micro Lead Frame Package，微引线框架封装）的焊接端为平面并布局在封装底面四边。
MLFP（Micro Lead Frame Plastic Package，微引线框架塑料封装）的焊接端为平面并布局在封装底面四边，可以理解为小尺寸的QFN。
（2）BTC的特点
BTC底部没有焊球，与PCB的电气和机械连接是通过PCB焊盘上印刷焊膏，经过再流焊形成焊点来实现的。
①BTC的优点。
● 封装尺寸小。
BTC基本的优点之一是小的外形尺寸。这对于新一代的便携式、无线和掌上型电子产品来说是一个关键的要求，这类产品质量和尺寸都要求最小化。BTC的外形尺寸可以小到只有4个端子的2.0mm×2.0mm，大到有108个端子的12.0mm×12.0mm。封装厚度（也称封装高度）可在0.4～1.5mm变化，其中0.8～1.0mm的封装厚度应用较为普遍。图1-14为几种器件封装厚度的比较。MLF封装比传统的SMT封装厚度更薄。
图1-14 几种器件封装厚度的比较
由于是细间距接触脚模式，BTC的封装尺寸几乎能做到和芯片尺寸相同。BTC的两个接触脚之间的间距一般小于或等于1.0mm，其中0.4mm、0.5mm和0.65mm的应用最为普遍，而且在尺寸上有更小型化的趋势。表1-4中列出了市场典型QFN和DFN的封装尺寸。
表1-4 市场典型QFN和SON的封装尺寸
● 能耗低、散热性能好。
因为没有伸出引线，BTC具有非常低的寄生电阻和电容，所以具有很小的寄生损耗。同时，由于BTC有很大的散热焊盘直接与PCB接触，所以从封装到PCB之间的热转移效果非常优越，具有出色的散热性能，用于释放封装内的热量。PCB中的散热过孔也有助于将多余的功耗扩散到铜接地层中，从而吸收多余的热量。
但是，当印刷基板与封装之间产生应力时，在电极接触处就不能得到缓解。因此电极触点难以做到像QFP的引脚那样多，一般为14～100。
● 成本低。
BTC被广泛使用的基本驱动力是其成本优势。每个端子的封装成本最低可低至半分钱。一般而言，如果一个端子封装的成本低于每脚一分钱，它可被认为是成本非常低的封装。所以，BTC成为一种理想的封装，特别适合应用在大批量生产的产品上，如手机或其他移动产品。
②BTC的缺点。
由于BTC没有传统的引线和焊球，器件的端子直接焊在PCB上，低封装高度会造成在焊点周围的助焊剂残留去除比较困难。如果这些助焊剂是有活性的，潜在的腐蚀性会增大。
组装要求PCB和BTC封装本体扁平，以达到良好的互连，否则会加大焊点开路的可能性。鸥翼形引线封装（如QFP）器件有非常柔韧的引线，因此比同尺寸的BTC有更久的焊点可靠性寿命。也就是说，由于BTC封装高度非常低，没有引线来吸收由于封装材料和基材间热膨胀系数不一致而产生的应力和应变，在更严酷环境下会影响焊点的可靠性，表现为相对短的焊点寿命。
许多BTC封装都有一个铜材质的引线框架，同时通过外露于封装表面底部的芯片连接盘来加强散热。该芯片连接盘直接焊接到板上，可以提供一个有效的散热通道。这种散热加强方式，通过引线键合或导电型芯片附着材料进行电气连接，也使得有稳定的接地接触面。但是这种散热焊盘有可能产生大的空洞，如果控制不好焊膏量，还会导致整个封装器件漂浮。
（3）BTC的应用
由于BTC具有良好的电性能和热性能，体积小、质量小，因此已成为许多新应用的理想选择。BTC非常适合用在手机、数码产品、PDA、视频、智能卡、穿戴产品和其他便携式小型电子设备等高密度产品中。
9.其他封装
若侧重于功能，其他封装有系统级封装（System in a Package，SIP）、多芯片封装（Multi Chip Package，MCP）、芯片尺寸模块封装（Chip Size Module Package，CSMP）等。
SIP指将不同种类的元器件，通过不同种技术，混载于同一封装体内，由此构成集成封装形式。SIP可以搭载不同类型的芯片，芯片之间可进行信号的存取和交换。SIP强调在一个封装中含有一个系统，该系统可以是一个全系统或一个子系统。SIP封装类型有2D SIP、3D SIP、堆叠SIP。
MCP即将多个芯片封装在一处。MCP中叠层的多个芯片一般为同一种类型，以芯片之间不能进行信号存取和交换的存储器为主，从整体来讲为多芯片存储器。
CSMP强调无源元件与有源器件的堆叠，以获得模拟和数字功能的最优化。
若侧重于技术，其他封装有堆叠封装（Package on Package，POP），如图1-15所示。堆叠封装强调一个封装在另一个封装上的堆叠，这种封装的功能越来越强大，目前堆叠封装里面有闪存、RAM、处理器芯片、SOC、RF传感器等多种芯片。POP的出现使得传统的一级封装和二级封装之间的装配等级越来越模糊，出现了半导体装配与传统电路板装配间的集成。
总之，电子元器件的小型化还意味着更小的部件间距。细窄间距技术（Fine Pitch Technology，FPT）是指引脚间距在0.635～0.3mm，长度×宽度小于1.6mm×0.8mm的SMC组装在PCB上的技术。目前，0.635mm和0.5mm引脚间距的QFP已成为工业和军用装备中的通用器件。BGA和CSP的应用已经比较广泛，BGA的I/O数越来越多，有的已经到了2500个以上。所有这些变化都会对制造过程的每一个环节带来影响，并使其日益精细化。随着对环境保护和生活健康的关注，无铅焊接技术已经逐渐替代传统的Sn-Pb合金焊接，RoHS 2.0又增加了4种成分的限制。这些要求使得印制电路板设计、元器件选择、焊接工艺流程都面临全面挑战。
图1-15 堆叠封装形式
焊接是电子组装的核心技术，其作用是将焊膏或焊料融化，使元器件与PCB牢固地连接在一起。焊接质量直接影响电子产品的性能和使用寿命。电子组装的焊接（Soldering）温度不超过450℃，国家标准称为“软钎焊”，以有别于温度较高的“硬钎焊”（Brazing）。至于温度更高（800℃以上）的，用于机械用途的则称为熔焊（Welding）。
钎焊是采用比焊件熔点低的金属材料作焊料，将焊件和焊料加热到高于焊料熔点、低于母材的熔化温度，利用液态焊料润湿母材、填充接头间隙，并与焊件表面相互扩撒、实现连接焊件的方法。钎焊在电子产品的生产中占据极为重要的地位。电工产品的导体连接、内引线和电子产品的内引线、电子元器件制造及印制电路板的组装工序中均采用钎焊技术。
在电子组装技术各种焊接方法中，无论手工焊、浸焊、波峰焊和再流焊，其焊接温度均低于450℃，均属于软钎焊范畴。根据电子装联技术中所使用的焊料不同分为有铅焊接和无铅焊接。使用的传统有铅焊料Sn-Pb共晶和近共晶合金的熔点在179～189℃。目前应用较普遍的无铅焊料Sn-Ag-Cu合金的熔点在216～221℃。因此，电子组装技术中使用的合金焊料为软钎焊料。
1.钎缝的金相组织和连接可靠性
电子组装技术中的焊接就是通过熔融焊料在母材表面经过润湿、毛细作用、扩散、溶解、冶金结合形成金属间合金层，又称钎缝或焊缝，从而实现两个被焊接金属之间电气与机械连接的焊接技术。例如，QFP器件Sn-Pb焊接后的钎缝如图1-16所示，器件引脚和PCB焊盘上的金属是Cu，焊料的成分是Sn-Pb。
图1-16 QFP器件Sn-Pb焊接后的钎缝
钎缝的金相组织主要由固溶体、共晶体和金属间化合物的混合物组成，是很不均匀的。固溶体钎缝组织具有良好的强度和塑性，有利于焊点性能。共晶体钎缝组织，一方面是焊料本身含有大量的共晶体组织，另一方面焊料与固体母材能形成共晶体。金属间化合物钎缝组织，冷凝时会在界面析出金属间化合物（Intermetallic Compound，IMC）。Sn系焊料与Cu焊接生成的界面合金层的扫描电子显微镜（SEM）照片如图1-17所示。Sn-Pb合金焊接时，当温度达到210～230℃时，Sn向Cu表面扩散，而Pb不扩散。初期生成的Sn-Cu合金为Cu 6 Sn 5 （η相）。其中Cu的质量分数约为40%。随着温度升高和时间延长，Cu原子渗透（溶解）到Cu 6 Sn 5 中，局部结构转变为Cu 3 Sn（ε相），Cu含量由40%增加到66%。当温度继续升高和时间进一步延长，Sn-Pb焊料中的Sn不断向Cu表面扩散，在焊料的一侧留下Pb形成富Pb层。Cu 6 Sn 5 和富Pb层间的界面结合力非常脆弱，当受到温度、振动等冲击，就会在焊接结合层发生裂纹。
图1-17 Sn系焊料直接与Cu焊接生成的界面合金层的扫描电子显微镜（SEM）照片
Sn-Pb焊料与Cu焊接形成的金属间化合物主要是Cu 6 Sn 5 和Cu 3 Sn。从扩散过程中可以看出，焊接工艺温度越高，时间越长，化合物层会增厚，如果化合物层形成过多的Cu 3 Sn，将大大降低焊点强度。Cu 6 Sn 5 和Cu 3 Sn两种金属间化合物的比较见表1-5。
表1-5 Cu 6 Sn 5 和Cu 3 Sn两种金属间化合物的比较
钎缝中的金属间化合物不能太厚，因为金属间化合物比较脆，与基板材料、焊盘、元器件焊端之间的热膨胀系数差别很大，容易产生龟裂造成失效，降低焊点可靠性。金属间化合物的厚度与抗拉强度的关系如图1-18所示。
图1-18 金属间化合物的厚度与抗拉强度的关系
金属间化合物的厚度与焊接温度和时间成正比。所以要控制焊接时间和焊接峰值温度，保证金属间化合物的厚度。金属间化合物厚度为0.5μm时，抗拉强度最佳；0.5～4μm时，抗拉强度可以接受；小于0.5μm时，由于金属间合金层太薄，几乎没有强度；大于4μm时，由于金属间合金层太厚，使焊接连接区域失去弹性，由于金属间结合层的结构疏松、发脆，也会使强度小。考虑到许多组装板需要经过双面再流焊，有的焊点甚至还要经过多次焊接，因此无论再流焊还是波峰焊，都不建议采用过高的温度进行焊接，同时要控制液相时间不要过长，避免金属间化合物过厚，影响焊点强度。理想的IMC厚度控制在0.5～2.5μm，考虑到多次焊接等因素，通常Sn-Pb焊料与母材Cu焊接的最佳IMC厚度控制在1.2～3.5μm。
2.无铅焊接
（1）无铅焊接机理
无铅焊接过程、原理与Sn-Pb焊接基本是一样的，主要区别是由于合金成分和助焊剂成分改变了，因此焊接温度、生成的金属间结合层及其结合层的结构、强度、可靠性也不同了。无铅焊接中焊料主要是Sn-Ag共晶合金、Sn-Ag-Cu三元合金、Sn-Cu系合金、Sn-Zn系合金、Sn-Bi系合金、Sn-In系合金和Sn-Sb系合金。
目前应用最多的用于再流焊的无铅焊料是三元共晶或近共晶形式的Sn-Ag-Cu焊料。Sn-Ag-Cu与Cu焊接的金属间化合物的主要成分还是Cu 6 Sn 5 和Cu 3 Sn。当然也不能忽视次要元素也会产生一定的作用。Sn-Ag-Cu与Cu焊接钎缝组织如图1-19所示。
图1-19 Sn-Ag-Cu与Cu焊接钎缝组织
（2）Sn-Ag-Cu中Sn与次要元素的冶金反应
在Sn、Ag、Cu三种元素之间有三种可能的二元共晶反应。
①Ag与Sn在221℃形成Sn基质相位的共晶结构和ε金属间的化合相位（Ag 3 Sn）。
②Cu与Sn在227℃形成Sn基质相位的共晶结构和η金属间的化合相位（Cu 6 Sn 5 ）。
③Ag与Cu在779℃形成富Agα相和富Cuα相共晶合金。
但在Sn-Ag-Cu的三种合金固化温度的测量研究中没有发现779℃相位转变。对这个现象，理论界认为在温度动力学上解释为更适于Ag或Cu与Sn反应，生成Ag 3 Sn和Cu 6 Sn 5 。从以上分析中可以看出，Sn-Ag-Cu系统中液态时的成分为βSn+Cu 6 Sn 5 +Ag 3 Sn，Sn-Ag-Cu与Cu焊接界面的钎缝组织还是Cu 6 Sn 5 和Cu 3 Sn。Sn-Ag-Cu与Cu焊接的焊点中只是多了一个成分Ag 3 Sn，而Ag 3 Sn是稳定的化合物，能够改善合金的机械性能。因此Sn-Ag-Cu与Cu焊接的连接可靠性是可以的。
（3）Sn系焊料与Ni/Au焊接
Sn系焊料与Ni/Au焊接后的钎缝组织扫描电子显微镜（SEM）照片如图1-20所示。在Ni焊盘这一侧，Ni与焊料之间的金属间化合物主要是Ni 3 Sn 4 ，在焊料一侧主要是AuSn 4 。Ni-Sn化合物比较稳定，Ni-Sn界面反应层与Sn-Cu反应层相比，反应速度稍慢一些，IMC的厚度也相对薄得多，因此Ni-Sn合金的连接强度较好；但是Au能与焊料中的Sn形成Au-Sn的共价化合物AuSn 4 。AuSn 4 不是所需要的结合层。
图1-20 Sn系焊料与Ni/Au焊接后的钎缝组织扫描电子显微镜（SEM）照片
（4）Sn系焊料与42号合金（Fe-42Ni）焊接
与Cu相比，Sn系合金与Fe-42Ni的界面反应速度比较慢。主要反应如下：
①Fe-42Ni中的Ni向Sn中溶解，凝固时结晶生成板状的Ni 3 Sn 4 。
②剩余的Fe和残留的Ni在界面发生反应生成（Fe，Ni）Sn 2 ，大多形成FeSn 2 。
③42号合金与Sn系合金一般能形成良好的界面，但加入Bi会发生界面偏析，因此连接强度明显降低。
Sn与42号合金在250℃时界面反应成长状况的SEM照片如图1-21（a）所示。从照片中可明显看出，钎缝组织是两层结构，42号合金一侧主要是由FeSn 2 和残留的Ni构成，而另外一侧凹凸剧烈的、具有小晶面的结晶层是Fe扩散到Sn液体中生长起来的FeSn 2 ，其中几乎没有Ni固溶。也就是说，原来的界面变成了两个反应层的界面，融入Sn中的Ni在凝固时结晶生成板状的Ni 3 Sn 4 。图1-21（b）显示最弱的部位是两个反应层的界面，合金容易在此处发生失效。
图1-21 Sn与42号合金在250℃时界面反应成长状况
（5）无铅焊料合金元素与不同金属电极焊接后在界面形成化合物
各种合金元素与不同金属电极焊接后在界面形成的化合物见表1-6，从界面反应和钎缝组织可以看出，不同的焊料合金，甚至同一种焊料合金与不同的金属焊接时的界面反应和钎缝组织都不一样，它们的可靠性也不一样。
表1-6 焊料合金元素与不同金属电极焊接后在界面形成的化合物
续表
注：1.粗体字表示已经在Sn系合金中发现的化合物。
2.“—”表示从金相图判断为不形成化合物的系。
3. x 、 y 表示不定比。
由于电子元器件的品种非常多，特别是元器件焊接端的镀层很复杂，可能会存在某些元器件焊接端与焊料的失配现象，造成可靠性问题。因此一定要仔细选择并管理元器件。
3.典型的钎焊焊接技术
电子组装的钎焊有很多，典型的钎焊技术有再流焊、波峰焊、选择性波峰焊、手工焊、浸焊、机器人焊等。
1.再流焊流程
再流焊也称为回流焊，其流程如图1-22所示。再流焊工艺是将焊膏通过模板的开孔印刷到PCB焊盘，再用贴装机贴装元器件，从再流焊炉入口到出口大约5～6min完成干燥、预热、熔化、冷却凝固全部焊接过程，形成焊点。
图1-22 再流焊流程
印刷焊膏使用印刷机，模板一般是激光切割的钢网，元器件贴装使用贴装机，再流焊使用再流焊炉。再流焊炉种类很多，按照再流焊加热区域，可分为对PCB整体加热和对PCB局部加热两大类。对PCB整体加热的有箱式、流水式再流焊炉，具体有红外炉、热风炉、红外热风炉、气相焊炉、真空炉等。目前应用最广的是热风炉。对PCB局部加热的方式有热丝流、热气流、激光、感应、聚焦红外等。PCB局部加热设备主要用于返修和个别元器件的特殊焊接。
2.再流焊原理
再流焊是通过重新熔化预先分配到PCB焊盘上的膏状软钎焊料，实现表面组装元器件焊接端与PCB焊盘之间的机械与电气连接的软钎焊技术。再流焊的工艺目的就是获得良好的焊点。
焊接过程中，沿再流焊炉长度方向的温度随时间的变化而变化。从再流焊炉的入口到出口方向，温度随时间变化的曲线称为温度曲线。图1-23是Sn-Ag-Cu无铅焊膏再流焊温度曲线及温区的划分示意图。再流焊炉从PCB进入到出口，可以分为升温区、预热区、助焊剂浸润区、回流区（液相区）和冷却区，回流区的顶部是峰值温度的区域，元器件的耐热温度就是指的这个区域。以焊接理论为指导，由再流焊温度曲线分析再流焊的原理如下：
图1-23 Sn-Ag-Cu无铅焊膏再流焊温度曲线及温区的划分示意图
①当PCB进入升温区（干燥区）时，焊膏中的溶剂、气体蒸发掉，焊膏中的助焊剂润湿焊盘、元器件焊接端和引脚，焊膏软化、塌落、覆盖焊盘，将焊盘、元器件焊接端与氧气隔离。
②PCB进入预热区时，使PCB和元器件得到充分的预热，以防PCB突然进入焊接高温区而损坏PCB和元器件。
③在助焊剂浸润区，焊膏中的助焊剂润湿焊盘、元件焊端，并清洗氧化层。
④当PCB进入焊接区，即回流区（液相区）时，温度迅速上升使焊膏熔化，液态焊锡润湿PCB的焊盘、元件焊接端，同时发生扩散、溶解、冶金结合，漫流或回流混合形成焊点。
⑤PCB进入冷却区，使焊点凝固。此时完成了再流焊。
波峰焊主要用于传统的通孔插装印制电路板组装工艺，以及表面贴装与通孔插装元器件的混装工艺。适合波峰焊的表面贴装元器件有矩形和圆柱形片式元器件、SOT、较小的SOP和QFP等器件。
尽管再流焊与波峰焊相比较具有很多优点，但波峰焊仍然是当前、甚至将来很长时间必须采用的焊接工艺。考虑加工成本，许多低价的消费电子产品仍然需要使用低价的通孔插装元器件和纸基或酚醛树脂的单面板，因此波峰焊仍然富有生命力。
1.波峰焊流程
PTH元器件波峰焊的流程如图1-24（a）所示：元器件手动或自动插装到PCB→从PCB底部喷涂助焊剂→经过融熔的焊锡→在表面张力和润湿力的相互作用下，借助毛细管作用焊锡填充到PCB通孔形成焊点。表面贴装元器件波峰焊焊接的流程如图1-24（b）所示：通过设备点涂红胶在焊盘之间的位置→贴装机贴装元器件→固化使得元器件固定在印制电路板上→翻转电路板，通过波峰焊机，在印制电路板的底部涂覆助焊剂，通过波峰焊形成焊点。
图1-24 元器件波峰焊的流程
波峰焊机的种类很多，按照泵的形式可分为机械泵和电磁泵波峰焊机。机械泵波峰焊机又分为单波峰焊机和双波峰焊机。单波峰焊机适用于纯通孔插装元器件组装板的波峰焊工艺；对于SMC/SMD与THC混装板，一般采用双波峰焊机或电磁泵波峰焊机。波峰焊机及工作原理示意图如图1-25所示。
波峰焊的焊点形成是一个非常复杂的过程，除和润湿、毛细管现象、扩撒、溶解、表面张力之间的互相作用有直接影响外，还与PCB的传送速度、传送角度、焊锡波的温度、黏度、锡波高度、焊锡波喷流的速度、PCB与焊锡波喷流相对运动时的速度比等有关。这些参数不是独立的，它们之间互相存在一定的制约关系。
图1-25 波峰焊机和工作原理示意图
2.影响波峰焊质量的因素
影响波峰焊质量的主要因素有设备、工艺材料、印制板质量、元器件端的氧化程度、PCB设计、工艺等。
①设备。设备对焊接质量的影响主要有：助焊剂涂覆系统的可控性，预热区和波峰锡炉温度控制系统的稳定性。波峰结构、波峰高度的稳定性和可调性，PCB传输系统的平稳性，波峰焊的配置。
②工艺材料。工艺材料主要是焊料合金、助焊剂、防氧化剂等。
③PCB设计及印制板加工质量。PCB焊盘、金属孔与阻焊膜质量、PCB的平整度、元器件的排布方向，以及插装孔的孔径和焊盘设计的是否合理，这些都是影响焊接质量的重要因素。另外，PCB受潮也会在焊接时产生氧化、焊料飞溅，造成气孔、漏焊、虚焊、焊球缺陷。
④元器件引脚和焊端的氧化程度。
⑤工艺控制。波峰焊工艺比较复杂，影响质量的因素多，操作过程中需要设置的工艺参数也比较多。设置合理的参数匹配，也是波峰焊工艺要掌握和控制的难点。
选择性波峰焊是一种新型的焊接技术，与传统的波峰焊不同，选择性波峰焊是逐点焊接方式，针对局部焊点，波峰焊则是群焊方式。如果焊接面上有高密度贴片元器件或者细间距元器件时，传统波峰焊很难或根本无法处理，这时候选择焊的优势就体现出来了。与传统波峰焊相比，选择性波峰焊的速度虽慢，但其可生产性和高品质足以弥补其不足。选择性波峰焊的示意图如图1-26所示。
图1-26 选择性波峰焊示意图
1.选择性波峰焊的独特优势
①PCB在固定位置，PCB焊接时没有运动，助焊剂槽和波峰焊锡喷嘴可以运动，所以灵活性大。
②PCB的清洁度大大提高，离子污染量大大降低。
由于是针对所需要焊接的点进行助焊剂的选择性喷涂，每个焊点的助焊剂量可单独编程控制，相邻区域不会被助焊剂污染，是免清洗工艺。
③对每块PCB的预热温度和时间可独立编程，PCB上表面的温度敏感元器件不会过热。
选择性波峰焊进行焊接时，每一个焊点的焊接参数都可以单独设置，足够的工艺调整空间把每个焊点的焊接条件（如助焊剂的喷涂量、焊接时间、焊接波峰高度、波峰高度）调至最佳，缺陷率由此降低。
使用选择性波峰焊进行焊接时，只有需要焊接的焊点才会接触到高温焊料。这样的焊接模式避免了整个PCB在高温的液态焊料中经过，大大降低了在焊接过程中PCB所承受的热冲击。双面混装电路板上焊接好的表面贴装元器件只要与通孔插装元器件引脚距离不近，就不会接触到高温焊料，也就不会出现二次熔化的情况。因此，不需要制作大量复杂的工装载具对表面元器件进行遮蔽。
PCB上已经焊接好的热敏元器件（如电容、LED等）在选择性波峰焊的工艺中不会接触到高温焊料。而在预热过程中，由于预热温度和预热时间都可以精确控制，因此也不会出现热敏元器件温度超出最高温度的情况。因此，热敏元器件不会在选择性波峰焊工艺中由于超高温而损坏。在传统波峰焊中，使用工装载具还会受到焊接阴影的影响而导致漏焊、少锡、透锡不良的情况。由于选择性波峰焊的工艺减少了工装载具的使用，因此也不用担心焊接阴影而影响焊接品质。
④选择性波峰焊全面提升焊接品质。因为采用具有润湿表面的焊锡喷嘴，当焊锡波与焊点分开时有良好的分离力，由于良好的分离很少桥接。
⑤多块PCB可同时工作。
⑥快速的喷嘴更换及维修。选择性波峰焊的设备维护便捷。
⑦新增功能，比如“风刀设计”（Solder Drainage Conditioning Knives），可以有效降低桥接缺陷的产生。
⑧选择焊和浸焊的根本性不同。浸焊是将PCB浸在锡缸中依靠焊料的表面张力自然爬升完成焊接。对于大热容量和多层PCB，浸焊是很难达到锡的爬升要求的。选择性波峰焊不同于浸焊，焊接喷嘴中冲出来的是动态的锡波，这个波的动态强度会直接影响到通孔内焊锡垂直爬升度。特别是无铅焊接，因为润湿性差，更需要动态强劲的锡波。另外，流动强劲的波峰上不容易残留氧化物，对提高焊接品质也会有帮助。
⑨选择性波峰焊节约人工费用和使用成本。选择性波峰焊的成本优势体现在以下几个方面：
● 较小的设备占地面积；
● 较小的能源消耗；
● 节省大量的助焊剂；
● 大幅度减少焊锡渣产生；
● 大幅度减少氮气使用量；
● 没有工装载具费用。
因此，选择性波峰焊的应用也越来越多。特别是高端电子制造领域，如通信、汽车、工业控制、医疗和军工电子行业。
正因为产品的高复杂、高密度及小型化，选择性波峰焊工艺也存在诸多问题，而合理的可制造性设计对选择性波峰焊有着非常重要的作用。例如，焊盘的形状和间距如果采用了合理的设计，就会大大降低短路缺陷的发生。
2.选择性波峰焊机
市场上目前应用最广的是德国ERSA公司的选择性波峰焊机，如图1-27（a）所示。ERSA公司在1995年发明了世界上第一台选择性波峰焊机。同时，ERSA公司也是世界上第一个发明电烙铁、波峰焊机的企业。
选择性波峰焊机同样由助焊剂单元、预热单元和焊接单元三个主要部分组成。通过预先编好的程序，机器可以针对性地对需要喷涂助焊剂的焊点进行喷涂和焊接。
对于ERSA选择性波峰焊机，锡炉焊接区域是单喷嘴（Single Nozzle），根据配置的喷嘴个数，有单点焊接方式、多点焊接方式和多点与单点组合三种方式。单点焊接方式就是一台选择性波峰焊设备内有一组助焊剂喷涂模块、一组移动喷嘴模块，利用可编程的移动焊料喷嘴选择性地焊接插装元器件引脚，如图1-27（b）所示，适用于焊点少，焊接面布局又非常复杂的PCBA。由于其焊接的效率低（平均3s/点），业界目前仅用于引线热容量比较大、总焊点数比较少（一般少于30个焊点）或不追求生产效率的PCB面焊接。多点焊接方式[见图1-27（c）]就是有多组（一般两组或4组）助焊剂喷涂模块和相同组数的喷嘴模块，可以同时焊接多块PCB，提高生产效率。
图1-27 选择性波峰焊机和喷嘴
配置多个焊接喷嘴模块，相应的设备价格也会增加。根据应用的灵活性，目前单点选择性波峰焊应用较广，对于一些连接器，还可以通过拖焊来提高焊接的效率。
3.选择性波峰焊
对于单一的产品大批量的生产，单点选择性波峰焊效率低，这时候可以考虑固定多喷嘴（Multi Wave）的选择性波峰焊。固定喷嘴选择性波峰焊，是一种有多个固定的焊锡喷嘴的波峰焊技术。固定喷嘴多点选择性波峰焊如图1-28所示。基板由预热区进入焊接区域后，机器对基板进行定位便开始焊接。在焊接完几块基板或间隔一定的时间后，机器对焊锡波的高度进行自动测试并根据测试结果自动调整。焊接时的动作由程序中相应的参数控制，一次性焊接所有点。
图1-28 固定喷嘴多点选择性波峰焊
固定喷嘴选择性波峰焊单元的设计与单点选择性波峰焊系统基本相同，区别在于焊锡槽。需要专门定制多个焊接喷嘴并集成，其位置和尺寸对应于印制板上需要形成焊点的位置。电磁泵通过不同的喷嘴把焊锡推出，保证了对焊点的连续加热。印制板浸入焊锡波内2～3s所有的焊点同时形成。
1.通孔插装再流焊工艺
通孔插装再流焊（Pin in Hole Reflow，PIHR）简称通孔再流焊，是把PTH元器件引脚插入填满焊膏的插装孔中，并使用再流焊的工艺方法，是标准SMT工艺的一部分。通孔再流焊工艺是焊膏通过模板印刷到PTH元器件的焊盘（也就是环形孔的周围焊盘），焊膏印刷工艺会把焊膏涂覆在焊盘上的同时把部分焊膏挤压到插装孔内。在再流焊过程中，焊膏熔化沿着孔流下的同时浸润引脚和孔形成焊点。通孔插装再流焊工艺如图1-29所示。
图1-29 通孔插装再流焊工艺
2.通孔插装再流焊的优点和应用
通孔插装再流焊虽已经得到广泛应用，但因为不像再流焊、波峰焊那么成熟，还应注意一定的应用技巧。
（1）通孔插装再流焊工艺的特点
①因为PTH元器件采用了通孔插装再流焊工艺，从而避免波峰焊、浸焊或者手工焊。
②对于双面都有PTH元器件的组装非常有用。
（2）通孔插装再流焊与波峰焊相比的优点
①通孔插装再流焊可以控制焊膏的量，从而保证焊点的填充。
②焊接质量好，DPPM可低于20。虚焊、连锡等缺陷少，返修率低。
③PCB布局的设计无须像波峰焊工艺那样特别考虑。
④工艺流程简单，设备操作简单。
⑤设备占地面积小。
⑥无锡渣的问题。
⑦再流焊机器为全封闭式，生产车间干净而且无异味。
⑧设备管理及保养简单。
（3）通孔插装再流焊工艺的应用
①对于印制电路板组件上大多数是SMT元器件，只有极个别的PTH元器件，这种情况PTH元器件组装可以采用通孔插装再流焊工艺，例如，计算机主板上的RS-232接口、网络接口等通孔插装元器件可以使用通孔插装再流焊工艺。
②不能用SMT元器件，而选用同等功能的PTH元器件时；选用的SMT元器件价格高，而采用相同功能的PTH元器件替代时；或者因使用通孔插装再流焊工艺，而可以去除波峰焊工艺时。
③双面SMT工艺而PTH元器件安装于第二面，或者PTH和SMT元器件在同一面采用一次再流焊工艺。
④PTH元器件本体部分必须能够承受再流焊温度的要求，如个别元器件不能满足且周围有足够空间，可以采用小治具罩住元器件以避免受热。选择、设计元器件和孔的大小应满足通孔插装再流焊的工艺。
⑤降低制造成本的最好方法是减少制造流程。尽可能地优化元器件选择以简化生产流程。比如一个印制电路板上只有1个PTH连接器，就要想办法将这个连接器替换为SMT封装。
图1-30所示为采用通孔插装再流焊的印制电路板组件，完全取消了波峰焊工艺的应用：在印制电路板通孔上印刷焊膏，元器件插入通孔后经过再流焊。
3.通孔插装再流焊的填充和焊膏量
通孔插装再流焊的工艺目标是再流焊后100%填充孔。IPC标准中通孔焊接的填充要求如图1-31所示。IPC-A-610标准规定二级和三级接收标准是大于75%的孔填充，一级没有要求。但是孔内填充达到75%是很难检测的，因为元器件装入后就很难从上面观察到焊锡的填充，借用X光检测也有很大的局限性。而采用通孔再流焊工艺，在电路板下表面看到焊锡就意味着焊锡已经贯穿整个孔形成焊点，达到全部填充。
图1-30 采用通孔再流焊的印制电路板组件
图1-31 IPC标准中通孔焊接的填充要求
通孔再流焊的工艺关键是保证足够量的焊膏涂覆在焊盘上用以填充，如果焊膏印刷钢网设计得合理，100%的孔填充是完全可以实现的。通孔再流焊的焊膏印刷和孔填充如图1-32所示，焊接后通过切片可以看出焊点已经达到100%孔填充。
图1-32 通孔再流焊的焊膏印刷和孔填充
通孔再流焊工艺的关键就是要精确控制印刷焊膏量。通孔再流焊工艺的焊膏计算方法是，首先根据理想固态金属焊点的结构计算出固态金属焊点的体积，然后再计算所需要印刷的焊膏体积。理想的固态金属焊点如图1-33所示。理想的固态金属焊点要求固态金属完全覆盖（润湿）焊接面（底面）和元器件面（顶面）的焊盘，形成半月形的焊点，同时要求固态金属100%填充插装孔。
由于不同焊料合金组分、引脚形状、再流特点等因素的变化，很难准确地计算焊接润湿角的形状和体积，因此可以采用较简易的近似方法来确定固态焊点的体积。
理想固态金属焊点的体积计算参考下面的公式：
焊点体积（ V j ）=焊接面和元器件面润湿角固态金属体积（ A 1 + A 2 ）+通孔中固态金属体积（ B ）
式中， V j 为焊点（Joint）的体积； A 1 = A 2 ，为焊点体积，即焊点所包含引脚部分的体积，如图1-33（b）所示（沿元器件引脚焊点爬升角为45°）； B 为孔的体积，即焊点所包含引脚部分的体积（焊点所包含引脚部分的体积：如果元器件引脚的形状是圆形，焊点所包含的引脚部分就是圆柱；如果元器件引脚的形状是方形，焊点所包含的引脚部分就是立方体），如图1-33（c）所示。
当计算出焊点的固态金属体积后，再计算所需要的焊膏的体积，这是合金类型、流量密度和焊膏中金属质量分数的函数。由于常用的印刷焊膏中焊料合金约占总体积的48%～60%，我们可以计算为50%，另外的50%为助焊剂、溶剂和其他添加剂，它们在焊接温度下会挥发、消失在空气中，所以
理想的焊点焊膏需求量 V =固态金属焊点的体积 V j ×2
如果采用点涂焊膏工艺，焊料合金与助焊剂的体积比更低，焊膏的体积还需增加，大约为
理想的焊点焊膏体积=固态金属焊点体积的2.5倍
图1-33 通孔再流焊理想的固态焊点示意图
焊膏印刷量的多少取决于钢网开孔。已知需要的焊膏体积，再根据选好的钢网的厚度计算出应开孔面积。尽可能在引脚间互不干涉的情况下达到开孔面积。一般根据印制电路板的实际布局因地制宜，尽可能使得印刷在每个通孔的焊膏量一致。一些通孔再流焊印刷焊膏后的形状实例如图1-34所示。如果采用普通钢网印刷后不能满足焊膏量，也可以采用阶梯钢网，局部加厚。例如，采用的钢网厚度为0.12mm，对于需要通孔再流焊的元器件局部采用0.15mm，或者使用相同厚度的钢网，刮刀印刷两次。在元器件的引脚定位孔印刷焊膏时，钢网开孔适当保留孔的贯通，焊膏印刷在孔的周围呈梅花状，有助于插装PTH元器件，如图1-34（a）所示。
图1-34 通孔再流焊印刷焊膏后的形状实例
4.元器件的插装
用于通孔再流焊的元器件有两种插装方式，一种是采用特殊的吸嘴用贴装机贴装，另外一种就是手工插装。因为PCB厚度比较薄，在手工插装时会导致板子弯曲，影响其他已经贴装好的元器件，所以会使用辅助夹具，把印制电路板转移到夹具上插件防止PCB变弯，或者改造传送接驳输送台，增加气缸和顶针支撑PCB。在用手工插装时为了防止手碰到其他元器件，可以采用辅助的透明罩盖在印制电路板上方，留出插装的元器件孔辅助装配。手工插装PTH元器件的辅助夹具和透明罩如图1-35所示。
图1-35 手工插装PTH元器件的辅助夹具和透明罩
在自动化程度越来越高的电子组装工艺中，传统手工焊技术由于具备成本低、灵活性强的优势，在一些行业仍在广泛使用，一般是以下原因。
①设备能力不足；
②SMT元器件不耐温，不能经过再流焊；
③电路板设计不合理，SMT元器件离板边太近；
④双面有PTH元器件；
⑤第二面元器件太重；
⑥第二面元器件太高不能用选择性波峰焊；
⑦非常少的SMT元器件，在第二面不值得使用整条自动生产线；
⑧产品出现缺陷需要返修。
手工焊的主要工具是电烙铁。电烙铁的种类很多，有直热式、感应式、恒温电烙铁、智能电烙铁、吸锡枪、热风焊台、电热夹等。手工焊应根据被焊元器件种类，选择电烙铁的功率和温度，根据焊点大小选择烙铁头的形状和尺寸。
应尽量避免采用手工焊，原因如下。
①这种工艺最大的缺点就是在焊接过程中很难控制焊接时间、焊接温度和焊接的一致性。这些因素都会增加焊接缺陷的产生和影响可靠性。
②手工焊对操作员的技能要求比较高，同时还要有良好工具和工艺步骤。一个经验不足的操作员可能会带来可靠性的问题。中国劳动力成本上升，劳动力相较机器设备的成本优势正在逐渐丧失。
③因为更小的引脚间距和更高的引脚数，手工焊表面贴装元器件有时比手工焊通孔插装元器件更具挑战性。
浸焊是将导线、元器件引脚或插装好元器件的PCB浸在熔融的锡槽中，使导线、元器件引脚或焊点上锡的一种多点焊接方法。浸焊大量应用在导线上锡、元器件引脚上锡和插件工艺，与手工焊相比提高了生产效率。如插装元器件的引脚很长，没办法过普通的波峰焊，就会选择采用浸焊加剪脚。
（1）手工浸焊
手工浸焊是由人手持夹具夹住插装好的PCB进行浸焊，其操作过程如下：
①加热锡炉温度控制在250～280℃。
②在PCB上涂一层（或浸一层）助焊剂。
③用夹具夹住PCB浸入锡缸中，使焊锡表面与PCB接触，浸过PCB的锡厚度以PCB厚度的1/2～2/3为宜，浸焊的时间约3～5s。
④以PCB与焊锡表面成5°～10°的角度使PCB离开锡面，略微冷却后检查焊接质量。如有较多的焊点未焊好，可以重复浸焊一次；如只有个别不良焊点，可用手工补焊。
注意： 要经常去除锡缸内锡渣，保持良好的焊接状态，避免因锡渣过多影响PCB的洁净度及引起清洗问题。
手工浸焊的特点：设备简单、投入少，但效率低，焊接质量与操作人员熟练程度有关，易出现漏焊，在焊接带有贴片元器件的PCB时较难取得良好的效果。
（2）机器浸焊
机器浸焊是用机器代替手工夹具夹住插装好的PCB进行浸焊。PCB先经过泡沫助焊剂槽被喷上助焊剂，加热器将助焊剂烘干，然后经过熔化的锡槽进行焊接，冷却凝固后再送到切头机剪去过长的引脚。
机器浸焊的过程如图1-36所示。用夹具夹住PCB的边缘，以与锡槽内的焊锡成30°～45°的倾角，且与锡液面平行浸入锡槽内，浸入深度为PCB厚度的1/2～2/3，浸焊时间为3～5s，然后PCB离开浸焊区域，完成焊接。
图1-36 机器浸焊的过程
1.简介
焊锡机器人又名自动焊锡机，是一种能代替手工焊的设备，是由多个机械手、送锡丝装置、控制系统和烙铁系统组成的设备，应用于焊锡焊接工位，主要针对手工焊的工艺制程。主要代替简单且重复性强的手工焊的设备。当前主要为桌面式焊锡机器人、在线式焊锡机器人和SCARA式焊锡机器人，一般有单头、双头、双工位的。各种焊锡机器人如图1-37所示。
图1-37 焊锡机器人
2.优点和缺点
焊锡机器人的最大优势为焊点产品焊点一致，品质稳定性好。同时针对很多产品，一人可操作多台设备，效率远远大于手工焊，具有提高效率和保证焊点稳定一致的优势。但是并非所有无法过波峰焊的产品都适合用焊锡机器人来焊接，对于一些定位比较困难或者焊锡工艺难以实现的产品，焊锡机器人的焊锡良率也不高。
3.与波峰焊的区别
针对手工焊工位的替代，当前市面上可选的自动设备包括选择性波峰焊和焊锡机器人。选择性波峰焊主要针对通孔插装元器件，选择性地设置焊接点来满足生产需要。选择性波峰焊的特点决定了其设备要求的精密度非常高，所以市面上真正稳定可靠的设备只有少数几家可供选择，且价格昂贵。焊锡机器人的工作方式与选择性波峰焊相反，针对通孔插装产品，元器件用工装固定，引脚向上，从上方进行焊接。工装固定元器件用于焊锡机器人如图1-38所示。
图1-38 工装固定元器件用于焊锡机器人
焊锡机器人已经成功应用于汽车电子、数码电子、LCD、印制电路板等生产行业，能提高生产的整体水平和自动化水平。另外，减少了人员的投入，也就是降低了企业的生产成本，设备也可以采用流水线作业模式一体化生产。
随着新型元器件的出现，一些新技术、新工艺也随之产生，在电子组装的层级之间的交叉应用也越来越广泛。之前用于1级封装的技术也用到了2级和3级封装中，打破了传统的层级界限，从而极大地促进电子组装技术的改进、创新和发展。下面就简单介绍几种交叉技术的应用。
在多层板中预埋电阻R、电容C、电感L、滤波器组成复合元件或复合印制板，在制造多层板时，不仅可以把电阻、电容、电感、ESD元件等无源元件做在里面，需要时可以把它们放在靠近集成电路引脚的地方，甚至能够把一些有源器件做在PCB里面。这样不仅可以保证电路板的小、薄、轻，而且性能更好。埋入式元器件被制作为印制板中不可分割部分的分立或有源器件。传统电子组装和元器件埋入式组装方式如图1-39所示。
图1-39 传统电子组装和元器件埋入式组装方式
底部填充工艺（Underfill）一直用于元器件封装工艺中，就是对Flip-Chip芯片的底部进行填充；目前也同样用于电子组装中，对BGA/CSP封装的芯片，在经过再流焊之后将化学胶水（主要成分是环氧树脂）材料填充到器件与基板之间、芯片与基板之间的缝隙。Underfill是利用了毛细作用使得胶水迅速流过BGA底部的球间隙，然后用加热的固化形式，将BGA底部的空隙填满从而达到加固的目的，增强BGA封装芯片和PCBA之间的抗振动、抗跌落性能。当然这种胶水现在已经有可以返修的了，如乐泰3515、乐泰3568。近来为了改善CSP焊点的可靠性，底部填充工艺被越来越多地应用，如手机电路板上的CSP也采用底部填充来增加其连接强度。
BGA/CSP芯片的主成分硅（Si）的热膨胀系数（CTE）为2.8×10 -6 /℃，PCB材质环氧玻璃FR-4的CTE为15.8×10 -6 /℃，焊点的CTE为25×10 -6 /℃，填充环氧树脂就是为了降低硅芯片和有机基板之间的CTE不匹配问题，因为在功率循环与热循环工作中，CTE失配会导致焊点热应力，从而发生疲劳失效。为了增强BGA芯片的可靠性，防止在受热和应力的作用下拉伸焊点，填入底部填充胶水。底部填充工艺如图1-40所示。
图1-40 底部填充工艺
适合底部填充的PCB焊盘设计和良好的PCB设计可以减少或消除气孔、填充不完全的质量缺陷。以下是底部填充工艺对PCB焊盘设计的基本要求。
①PCB设计时尽可能避免把不需要底部填充的器件布局在距方形芯片边缘200μm以内。
②适当缩小焊盘面积，尽可能拉大焊盘间距以增大待填充的间隙。
③底部填充器件与周围元器件的最小间距应大于点胶针头的外径（0.7mm），如图1-41所示。
图1-41 底部填充器件与周围元器件的最小间距示意图
④所有的半通孔需要填平，并在其表面覆盖阻焊膜。开放的半通孔可能会产生空洞。
⑤阻焊膜需覆盖焊盘外所有的金属基底。
⑥减少弯曲，确保基板的平整度。
⑦尽可能消除沟渠状的阻焊膜开口以确保一致的流动性，确保阻焊膜一致、平整，没有细小间隙。
⑧减少BGA球周围暴露的材料，阻焊膜开口尺寸公差配合好，避免产生不一致的润湿效果。
除了焊膏印刷工艺外还用到点涂焊膏，点涂焊膏有很大的灵活性，可三维点涂并且非常容易控制焊膏点的大小，自动更换机种，节省焊膏，不需要印刷钢网和其他治具，是一种非常清洁的工艺。由于点涂焊膏工艺有许多优点，因此正在被越来越多的生产厂商所采纳。
点涂焊膏的优点：
①点涂焊膏工艺不需要钢网。
②点涂焊膏工艺可作为一种非常有效的返修手段，用于中、大批量生产中，可以精确地将焊膏点涂到某一个元器件位置。对于又小又复杂的板，由于无法用手工组装和返修，这一点就显得非常重要。例如，BGA器件返修时，周围元器件密集没有足够的空间放置迷你钢网，为保证印刷质量，点涂焊膏就很方便，而且不需要对每个BGA器件制作钢网。
③与模板印刷相比，点涂的最大优点在于其灵活性。另外在一些不能印刷的场合也只能采用点涂，例如，在通孔内点涂焊膏（SPOTT）时，以及移动电话和汽车电子中采用的现代3D电路等。3D电路需要在不同高度平面点涂焊膏，这对于模板印刷而言是根本无法做到的。
实例：电路板利用特殊工艺粘在散热铜底板上，如图1-42（a）所示。在电路板上组装的大功率元器件需要很好的散热，功率元器件底部直接连接散热铜板，两个翼型引脚焊接在电路板上，如图1-42（b）所示。普通的钢网印刷是无法实现在元器件底部焊盘的焊膏涂布，可以采用放置预制焊片的方法，但常因预制焊片不平整而抬高元器件，导致元器件焊点开路或焊片振落而元器件底部少锡。像这样的组装工艺，在电路板的底部焊盘点涂焊膏，再进行再流焊很容易达到。
图1-42 点涂焊膏用于元器件组装
④可以对模板印刷起辅助作用，增加特殊焊点的焊膏量，防止再流焊缺陷发生。
在1.3.2节中讲到堆叠封装（POP）是元器件的一种封装形式。在板级电路组装焊接中也出现了类似的堆叠装配技术。堆叠装配技术是PCB组装与半导体组装的最新结合交叉形式，是PCB电路高密度组装的最新成果。POP技术在PCBA的应用举例如图1-43所示。
图1-43 POP技术在PCBA的应用举例
1.POP的组装工艺
底部的封装元器件与组装板上的其他元器件一起印刷焊膏，上面堆叠的元器件采用浸蘸膏状助焊剂或焊膏的方法堆叠在底部元器件上。浸蘸膏状助焊剂的方法与晶圆级封装（WL-CSP）的贴装工艺基本相同。POP堆叠在PCB上的组装如图1-44所示。
图1-44 POP堆叠在PCB上的组装
2.POP装配的工艺关注点
①控制顶部封装元器件助焊剂和焊膏量。要求与倒装芯片浸蘸工艺相同，蘸取1/2焊球直径的高度。
②控制贴装过程中基准点的选择和压力。底部元器件以全域基准点来校正没有问题，顶层元器件应选择其底部元器件表面上的局部基准点。
③底部元器件焊膏印刷工艺的控制。底部元器件球间距为0.5mm或0.4mm的CSP，需要优化PCB焊盘的设计。
④再流焊工艺的控制。由于无铅焊接的温度较高，较薄的元器件和基板（小于0.3mm）在再流焊过程中很容易产生热变形，升温速度建议控制在1.5℃/s以内。同时监控顶部和底部元器件内部的温度，既要考虑元器件表面温度不要过高，又要保证元器件的球和焊膏熔化充分，形成好的焊点。
3.是否考虑底部填充
为了提高产品的可靠性，POP可以考虑进行底部填充工艺。对于两层堆叠，可以对上层元器件进行底部填充，也可以两层元器件都做填充。如果上、下层元器件外形尺寸相同，就没有空间单独对上层元器件进行底部填充。对上、下层元器件同时进行底部填充时，填料能否在两层元器件间完整流动需要关注。正确的点涂路径和精准的胶量，可以有效控制填料中的气泡，再流焊过程中过多的助焊剂残留会影响填料在元器件下的流动，导致气孔的产生。
PCBA无焊压接式连接技术，又称压入式连接技术（Press Fit），是将弹性可变形插针或硬性插针嵌入印制板的金属化孔内形成的一种无焊连接，在插针与金属化孔之间形成紧密的接触点，靠机械连接实现电气连接。
随着电子产品的不断发展，产品的一致性和高密度化要求越来越高。对于细间距、多排插针的连接器，焊接技术无法完成。压接技术具有较高的可靠性、插接安全性以及易操作性，因此，压接技术至今仍然被广泛应用于通信、汽车、机车和军事行业。
1.压接与焊接工艺性能比较
压接技术与焊接技术相比，压接连接的特点和优势体现在：
①在电路板和连接器上无热应力。
②没有影响连接器可靠连接的焊接气体和焊剂残渣，环保。
③可靠性高，国际电工技术委员会规范认为此产品至少比焊接和刺破式连接器（IDC）可靠10倍。
④无焊接点短路、虚焊等缺陷。
⑤连接器压接后，一般无须再用螺钉与PCB固定。
⑥使用长插针连接器压接时，PCB背后伸出的针脚可作为背面插针，实现双面连接。
⑦快速和简单的装配工艺，压接效率高、成本低。
⑧非破坏性的快速检查。
⑨确定的接触阻抗（良好的高频特性）。
2.压接式连接器接端种类
压接式连接器的接端（压接的插针）分为刚性插针与柔性插针，如图1-45所示。在连接器压入过程中刚性插针不产生变形，PCB的孔会变形；在连接器压入过程中柔性插针会挤压而变形，PCB的孔不变形。
图1-45 刚性插针与柔性插针
3.压接区的结构
不同厂家生产的压接式连接器，其压接区的结构也不一样，常用的压接连接器和压接区的界面结构如图1-46所示。其中，鱼眼孔端子（Eye of Needle）是应用最为广泛的端子结构。
图1-46 常见压接连接器和压接区的界面结构
4.压接原理
连接器插针压接时，在插针的金属部分和其他金属之间产生类似于原子熔融的状态而使金属连成一体。通过金属相互之间压接，保持连接的电气和力学性能。
当插针受到压力时，插针和金属孔壁之间产生非常大的挤压力，使插针和金属孔壁同时受外力而发生塑性变形，保持紧密接触。当压力消失后，插针的弹性恢复原状，产生对金属孔壁的压力而形成电接触。压接原理示意图如图1-47所示。
图1-47 压接原理示意图
5.压接连接器的设备和工艺
压接连接器的设备和压接区对位如图1-48所示。压接时，将连接器放置到印制板对应的位置上，并确保压接上模、连接器、印制板和压接下模对齐，否则可能损坏印制板和连接器。
对压接的工艺要求如下：
①压接模具要与连接器相对应，不能混用。
②印制板的重复压接一般不超过三次。
图1-48 压接连接器的设备和压接区对位
③返工时退出来的连接器不能再使用。
④平压模和针压模不能混用。
三维模塑互连器件（Three Dimensional Molded Interconnect Devices，3D-MID）是指在注塑成型的塑料壳体的表面上，制作有电气功能的导线、图形，然后安装元器件，从而使普通的电路板具有的电气互连功能、支承元器件功能和塑料壳体的支撑、防护等功能，以及由机械实体与导电图形结合而产生的屏蔽、天线等功能集成于一体，形成所谓三维模塑互连器件，简称共形电路。3D-MID技术的应用如图1-49所示。
图1-49 3D-MID技术的应用
1.优势
（1）设计方面的优势
①三维电路载体，可供利用的空间增加；
②元器件更小、更轻；
③功能更多，设计自由度更大，有可能实现创新性功能。
（2）制造方面的优势
①采用塑料为材料，通过模具注塑成型形成基体，基础技术成熟可靠；
②减少了零部件数目，更为经济合理；
③导电图形加工步骤少，制造流程短；
④减少了组装层次，简化了安装，可靠性更高。
（3）生态经济方面的优势
①制造流程短，直接用壳体作为互连载体，投入制造的材料数量和种类都有所下降，环境友好性好；
②循环利用和处理容易；
③有害物质排放少。
2.材料的选择和设计
采用LDS技术制作3D-MID，市场上有不同品种、性能的热塑性塑料原料和供货渠道，可以根据3D-MID的应用需求进行选择。
PA6/6T（芳香化聚酰胺）是基于BASF的Ultramid尼龙，抗热形变好，适合再流焊（包括无铅再流焊）；机械性能好。
聚酯类热塑性塑料PBT、PET及其共混聚合物是基于Bayer的Pocan，机械性能、电气性能好；PET的聚合物抗热形变性能好。
LCP（Liquid Crystal Polymer）液晶聚合物是基于Ticona GmbH的Vectra，流动性好；在热应力下，抗热变形性能好。
PC/ABS（聚碳酸酯/丙烯青丁二烯苯乙烯共聚物）表面性能好，机械性能好。
3.工艺流程
①注塑成型：以可激光化的改性塑料为原料，采用普通的注塑成型设备、模具和技术注塑出塑料本体。
②激光活化：用聚焦激光束投照塑料表面需要制作导电图形的部位，活化、粗糙图形部位表面。
③金属化：用化学方法在被激光活化的图形部位沉积上导电金属，从而实现在三维塑料件上制造导电图形，形成互连器件。
4.应用
3D-MID技术在美日欧等发达国家、地区已被较广泛应用，主要应用于通信、汽车电子、计算机、机电设备、医疗器械等行业领域，产品主要有连接器、电池、EM屏蔽壳、装配电子元器件、WLAN天线、LED、机械开关、电容开关、接触开关等。