SMT可制造性設(shè)計應(yīng)用研討會講義(中)

1、SMT可制造性設(shè)計應(yīng)用研討會講義（中）4.0 基板和元件的選擇    選擇適當(dāng)?shù)牟牧鲜窃O(shè)計工作內(nèi)的注意部分。材料的選擇必須考慮到他的壽命和可制造性。許多設(shè)計人員只注重在元件的電氣性能、供應(yīng)和成本的做法是不全面的。在電子工業(yè)中，大部分所用的材料都對溫度有一定的反應(yīng)和敏感性。而在電子板的組裝過程中又必須經(jīng)過一定程度，而有時又不只一次的高溫處理。所選用的元件和基板等是否會變質(zhì)呢？元件原有的壽命是否會縮短了呢？這些也都是需要加以考慮的。在產(chǎn)品的服務(wù)期內(nèi)，產(chǎn)品本身也會經(jīng)歷一些熱變化，如環(huán)境的溫度變化，產(chǎn)品本身電源的接通和切斷產(chǎn)生的熱功率等等。這些熱起的體形變化對S

2、MD焊點起著不利的影響，是SMT產(chǎn)品中的一個主要壽命問題根源。所以在設(shè)計時對這方面的考慮也是重要的工作。4.1基板的選擇和考慮    基板的作用，除了提供組裝所需的架構(gòu)外，也提供電源和電信號所需的引線和散熱的功能。所以對于一個好的基板，我們要求它有以下的功能：    1. 足夠的機械強度(附扭曲、振動和撞擊等)。    2. 能夠承受組裝工藝中的熱處理和沖擊。    3. 足夠的平整度以適合自動化的組裝工藝。   &

3、#160; 4. 能承受多次的返修(焊接)工作。    5. 適合PCB的制造工藝。    6. 良好的電氣性能(如阻抗、介質(zhì)常數(shù)等)。    在基板材料的選擇工作上，設(shè)計部門可以將所有產(chǎn)品性能參數(shù)(如耐濕性、布線密度、信號頻率或速度等)和材料性能參數(shù)(如表面電阻、熱導(dǎo)、溫度膨脹系數(shù)等)的關(guān)系列下。做為設(shè)計選擇時的考慮用。    目前較常用的基板材料有XXXPC、FR2、FR3、FR4、FR5、G10、和G11數(shù)種。XXXPC

4、是低成本的酚醛樹脂，其它的為環(huán)氧樹脂。FR2的特性和XXXPC接近，但付阻燃性。FR3是在FR2的基礎(chǔ)上提高了其機械性能。G10較FR3的各方面特性都較強，尤其是防潮、機械性能和電介質(zhì)方面。G11和G10接近，不過有較好的溫度穩(wěn)定性。FR4最為常用，性能也接近于G10，可以說是在G10的基礎(chǔ)上加了阻燃性。FR5則是在G11的基礎(chǔ)上加了阻燃性。目前在成本和性能質(zhì)量方面的考慮上，F(xiàn)R4可說是最適合一般電子產(chǎn)品的批量生產(chǎn)應(yīng)用。對于有大和微間距的元件，而由采用雙面回流工藝的用戶，可以選擇FR5以求較可控的工藝和質(zhì)量。    為了解決基板和元件之間溫度膨脹系數(shù)匹配

5、的問題，目前有采用一種金屬層夾板技術(shù)的。在基板的內(nèi)層夾有是銅和另一種(常用的為殷鋼，也有的用42號合金或鉬)，這中間層可用做電源和接地板。通過這種技術(shù)，基板的機械性能、熱導(dǎo)性能和溫度穩(wěn)定性都可以得到改善。最有用的是，通過對銅和殷鋼金屬比例的控制，基板的溫度膨脹系數(shù)可以得到控制，使其和采用的元件有較好的匹配，而增加了產(chǎn)品的壽命。    在整個SMT技術(shù)應(yīng)用中，基板技術(shù)可以算是較落后的。從目前的用戶要求和基板發(fā)展商方面了解到，今后基板技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)該是朝以下的方向前進。    1. 注更細的引線和間距工藝(層加技術(shù)已開

6、始成熟)。     2. 更大和更厚(用于更多層基板)。     3. 減少溫度膨脹系數(shù)(新的材料或夾板技術(shù))。    4. 更好的熱傳導(dǎo)性能(目前也有在研究通過輻射散熱的)。    5. 更好的尺寸和溫度穩(wěn)定性。    6. 可控基板阻抗。    7. 氧化保護工藝的改革(錫膏成份有可能改變)。    這些展望意味著

7、基板技術(shù)有可能在將來有個大的改革。設(shè)計師應(yīng)對這方面的動向保持留意。做好需求改變的準(zhǔn)備。    在基板技術(shù)的可制造性考慮上，綠油(防焊層)的應(yīng)用是其中的一個重點。一般SMT用戶很少去了解基板制造商對淥油的選擇和應(yīng)用。也缺乏這方面折知識。所使用淥油的化學(xué)特性，必須能符合基板的組裝工藝(返修、點膠固化、油印等)，也必須能融合或接受組裝工藝上所采用的一切化學(xué)材料，如助焊劑和清潔劑等。這方面的資料應(yīng)向基板供應(yīng)商要求。注意有些化學(xué)反應(yīng)的資料未必有。但至少用戶可以知道那方面是可能存在問題的。在需要時可以要求基板或綠油供應(yīng)商協(xié)助試驗分析。  

8、0; 基板業(yè)中常用的綠油工藝有四種，分別為液態(tài)絲印工藝、液態(tài)光繪工藝、干膜工藝和干濕混合工藝。液態(tài)絲印工藝成本最低，但質(zhì)量(精度和分析度)較差，用于面積較小和密度較低的產(chǎn)品基板。干膜工藝精度和分析度很好，但成本高和涂布后的厚度較高，不利于某些工藝。干濕混合工藝的強點是對接通孔的充填能力強，但固化工藝必須做得完整，否則在SMT組裝中會有泄氣的不良問題。液態(tài)光繪工藝的發(fā)展?jié)撃芎芨?，他有很好的精度和分析度，成本低于干膜工藝，而且能控制較薄的厚度，對錫膏絲印工藝有利。不足的是此工藝對接通孔的充填能力較弱。    在SMT組裝工藝上常見的綠油相關(guān)問題不少

9、，如綠油太厚造成錫膏絲印工藝的難控，綠油在基板制造時固化不良而泄氣(形成焊點氣孔)或裂開(腐蝕開始和應(yīng)力集中)，材料吸濕而造成綠油層在回流時的脫離，基板綠油工藝不良而造成綠油和焊盤界面的斷裂，以及某些干膜材料容易引起焊球問題等等都是較常見的。4.2 元件的選擇和考慮    對元件的選擇，一般必須做到的考慮點最少有以下幾方面    1. 電氣性能。    2. 占地效率(三維)。    3. 成本和供應(yīng)。   

10、; 4. 元件可靠性和使用環(huán)境條件。    5. 和設(shè)計規(guī)范的吻合。    6. 適合廠內(nèi)的工藝和設(shè)備規(guī)范。    7. 可組裝性、可測試性(包括目視檢查)。    8.和制造相關(guān)的資料是否完整可得(如元件完整詳細外形尺寸、引腳材料、工藝溫度限制等)。     在可制造性考慮上，元件的選擇始于對封裝的了解。元件的封裝種類繁多，也各有各的長處。做為設(shè)計人員，對這些封裝技術(shù)應(yīng)該有一定的認識。

11、才有能力在可選擇的范圍內(nèi)做出最優(yōu)化(即適合高質(zhì)量高效率的生產(chǎn))最適當(dāng)?shù)倪x擇。要很好的做出選擇，設(shè)計人員應(yīng)該要有最基礎(chǔ)知識的認識。比如去了解元件封裝的目的。如果了解封裝的目的之一是提供散熱，那在設(shè)計上自然而然的考慮到不同封裝的散熱性能。了解到散熱和IC的引腳材料有關(guān)后，便自然而然地考慮到是否需要采用銅而放棄42號合金的引腳之類的問題。    對于元件封裝和組裝工藝相關(guān)的問題，已不在只是工藝或生產(chǎn)工程師的事了。設(shè)計人員也應(yīng)該有所了解。比如在爆米花效應(yīng)(Pop-com effect,因元件吸濕而在回流過程中爆裂的現(xiàn)象)的考慮上，在可選的情況下會優(yōu)選PLCC44

12、而不用QFP44。又如對SOIC的底部浮起高度的考慮，市面上有不太統(tǒng)一的規(guī)范，設(shè)計人員應(yīng)該了解到不同高度指標(biāo)對廠內(nèi)現(xiàn)有的工藝和設(shè)備將會造成什么問題。如當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計較大，廠內(nèi)工藝采用精洗工藝時，元件選擇上就應(yīng)該規(guī)定較高standoff的元件。另一個例子，如果廠內(nèi)采用的貼片機注意的。元件的選擇考慮也應(yīng)包括元件的包裝。不同的包裝有不同的生產(chǎn)效率和成本。應(yīng)按廠內(nèi)設(shè)備和管理的情況加以考慮選擇。5.0 熱處理設(shè)計    熱處理在SMT的應(yīng)用上是很重要的學(xué)問。原因之一是SMT技術(shù)在組裝密度上不斷增加，而在元件體形上不斷縮小，造成單位體積內(nèi)的熱量不斷提高。另一原因是SMT

13、的元件和組裝結(jié)構(gòu)，對因尺寸變化引起的應(yīng)力的消除或分散能力不佳，造成對熱變化引起的問題特別嚴重。常見的故障是經(jīng)過一定時間的熱循環(huán)后(環(huán)境溫度和內(nèi)部電功率溫度)，焊點發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。    在設(shè)計是考慮熱處理問題有兩方面，一是半導(dǎo)體本身界面的溫度，另一是焊點界面的溫度。在分析熱性能的時候，有兩大注意方面。一是溫度的變化幅度和速率，另一是處在高低溫度下的時間。前者關(guān)系到和溫差有關(guān)的故障，如熱應(yīng)力斷裂等。后者關(guān)系到和時間長短有關(guān)的故障，如蠕變之類。所以他們的影響是不同的，故障分析時都應(yīng)個別測試和考慮。    因為受熱而為害

14、產(chǎn)品的其中一種方式是熱沖擊。產(chǎn)品在其壽命期間，尤其是在組裝過程受到的熱沖擊(來自焊接和老化)，如果處理不當(dāng)，將會大大的影響其質(zhì)量和壽命。這種熱沖擊，由于來得較快，即使材料在溫度系數(shù)上完全配合也會因溫差而造成問題。除了制造上的熱沖擊，產(chǎn)品在服務(wù)期間也會經(jīng)歷程度不一的熱沖擊，比如汽車電子在冷天氣下啟動而升溫等等。所以一件產(chǎn)品在其壽命期間，將會面對制造、使用環(huán)境(包括庫存和運輸)和本身的電功率耗損三方面的熱磨損。     為確保壽命而努力的熱處理工作，對于半導(dǎo)體或元件供應(yīng)商、設(shè)計和組裝工廠、元件產(chǎn)品的用戶各方面都有本身的責(zé)任。元件商的責(zé)任在于確保良好

15、的封裝設(shè)計、使用優(yōu)良的封裝材料和工藝、并提供完整有用的設(shè)計數(shù)據(jù)給他的用戶(即產(chǎn)品設(shè)計和組裝工廠)。產(chǎn)品設(shè)計和組裝工廠的責(zé)任則在于設(shè)計時的熱處理考慮，正確和足夠散熱的采用，以及正確的組裝工藝應(yīng)用和管制。至于產(chǎn)品用戶，則應(yīng)根據(jù)供應(yīng)商建議的使用方法、環(huán)境和保養(yǎng)來使用這產(chǎn)品。    要確保產(chǎn)品有較長的壽命，有效的散熱處理和熱平衡設(shè)計就成了重要的工作。散熱的方式，一般還是通過熱傳播的三個基本原理，即熱的傳導(dǎo)、對流和輻射來達到的。在散熱考慮上有幾個難處。從避免有噪音(機械和電氣噪音)和成本的觀點上，我們偏向于采用自然空氣對流的方法來散熱。但從防止腐蝕和電移等觀點上，

16、我們又希望將產(chǎn)品和空氣隔開。這樣的矛盾，加上空氣流動學(xué)和復(fù)雜學(xué)問，而產(chǎn)品組裝起來的外形(元件高矮距離的布局)對空氣的流動造成的影響，基本的結(jié)構(gòu)和對各不同熱源(元件)的散熱分擔(dān)等等都是復(fù)雜的學(xué)問。目前也還沒有能較好準(zhǔn)確進行整體分析軟件之類的工具來協(xié)助設(shè)計工作。所以這工作做起來相當(dāng)棘手。很多時候還得憑經(jīng)驗和嘗試。傳統(tǒng)的以熱阻公式的估計法依然通用，唯對多元件合成的整體產(chǎn)品的分析準(zhǔn)確度不高(個別估計還可以)。但因為沒有更可靠的方法，目前的軟件還是建立在這基礎(chǔ)上的。    從THT(插件技術(shù))到SMT的轉(zhuǎn)變中，我們可以發(fā)現(xiàn)元件的體形縮小了，產(chǎn)品的組裝密度增加了，元

17、件第部和基本間的距離縮短了，這些都導(dǎo)致通過對流和輻射散熱功效的減低，而通過基板的傳導(dǎo)來散熱就更重要了(雖然基板因密度增加也造成傳導(dǎo)散熱效率不良)。在元件封裝技術(shù)上，SMDIC方面的設(shè)計通過不同引腳材料的選用和內(nèi)部引腳底盤的尺寸設(shè)計而大有改善(較插件DIP的效果好)，但這改進很多時候還應(yīng)付不了組裝密度的增加、元件的微型化和信號速度快速增加等方面發(fā)展連帶的散熱問題。    溫度膨脹系數(shù)失配的問題，除了材料外也和元件和基板的大小有關(guān)。比如2220的矩形件在這方面的壽命就較1206來得短，而LCCC156也會較LCCC16的壽命短許多。一份試驗報告顯示LCCC1

18、56的熱循環(huán)測試壽命為183周，對同測試條件下LCCC16的722周壽命小了許多，只有他的25%左右。    解決這類問題或延長壽命的方法，工業(yè)界中有幾種對策。當(dāng)然最基本的是盡量選擇有引腳的元件，尤其是體形較大的元件。其中翼形引腳在這方面的可靠性算是較好的。另一種做法是采用有金屬夾層(如上提到的銅一殷鋼夾板)的基本設(shè)計，這是種相當(dāng)理想的做法。但價格昂貴而且供應(yīng)商少。第三種做法是采用在環(huán)氧樹脂和銅焊盤間加入一層彈膠物的基板設(shè)計，這彈膠層的柔性可以大大吸收因溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)力。還有一種做法是采用了一種特制的錫膏，在錫膏中加入了某些專人成份的陶瓷或金屬細球體，

19、使焊點在回流后被托高起來。較高的焊點有更強的吸收應(yīng)力的能力。    很多時候，單靠正確的材料選擇和設(shè)計還是不足以完全解決散熱的問題。因此額外的設(shè)計就必須被用上。在散熱處理中，通過輻射的方法以往不被采用(這方面有新發(fā)展，稍后提到)。原因是輻射散熱需要有較大的溫差才有效，也就是說熱源要相當(dāng)?shù)臒岫话悴槐唤邮?散熱就是使元件處于低熱)；同時散熱的途徑不易被控制(輻射是往各方向進行的)，會造成對周邊元件的加熱現(xiàn)象。對流散熱常被使用，其中有自然對流和強制對兩種方法。自然對流較經(jīng)濟簡單，但有一定的限制。如熱源不應(yīng)超過每單位立方米1萬兩千瓦特、空氣和熱源的溫差應(yīng)超過30度以上等等條件。強制對流，即采用風(fēng)扇吹風(fēng)或排風(fēng)的做法，是個相當(dāng)常用和有效的方法?？梢杂迷谡麢C或單一元件(如電腦中的處理器IC)上。一般它的散熱效率可達自然對流的4至8倍。缺點是成本、重量、耗能等都高。傳導(dǎo)散熱技術(shù)，在產(chǎn)品不斷微型化下逐漸被重視和采用。一般配合基板材料的選用和設(shè)計(如金屬內(nèi)夾板)，使熱能通過基板的傳導(dǎo)擴散到基板外去。一般傳到板邊緣的金屑支架或機殼上。散熱能力可以達到每單位立方米25萬瓦特(自然對流的20倍)。另外還有很少被使用和液體散熱技術(shù)，散熱能力可達自然對流的80倍。由于產(chǎn)品的基板必須被浸在