SMT 工艺指导.pdf

SMTSMTSMTSMT学习资料、仅供参考 巨人的肩膀属于你我 何祎 SCNB/SCM/M1 珍珍珍惜惜惜知知知识识识、共共共发发发展展展、创创创新新新高高高、信信信心心心源源源于于于自自自己己己 第 1 页 目录目录目录目录 第一章第一章第一章第一章 前言前言前言前言.5 1.1 序论.5 1.2 穿孔组装技术（THT）.5 1.3 表面贴装技术（SMT）.6 1.4 混装技术（MT）.6 1.4.2 电子组装的高密度化.8 1.5 电子组装中的静电问题.8 第二章第二章第二章第二章 半导体电子封装半导体电子封装半导体电子封装半导体电子封装.11 2.1 序论.11 2.2 SCP（SINGLE-CHIP PACKAGE）封装形式.12 2.2.1 双列直插式（DIP）.13 2.2.2 无引线陶瓷封装.14 2.2.3 PQFP（Plastic Quad Flat Package）封装.14 2.2.4 PGA（Pin Grid Array）与PAC（Pad Array Carrier）.16 2.2.5 球形阵列封装.17 第三章第三章第三章第三章 印制电路板印制电路板印制电路板印制电路板.19 3.1 绪论.19 3.1.1 PCB的分类.19 3.1.2 多层线路板的制造流程.20 3.1.2.1 内层线路加工.20 3.1.2.2 多层板压合.21 3.1.2.3 钻孔.21 3.1.2.4 通孔镀铜.21 3.1.2.5 外层线路二次镀铜.21 3.1.2.6 涂附阻焊膜.21 3.1.2.7 丝印文字.22 3.1.2.8 接点加工.22 3.1.2.9 成型切割.22 3.1.2.10 终检包装.22 3.2 PCB的表面处理技术.22 3.2.1 HASL的替代方案.23 3.2.1.1 有机可焊性保护层（OSP）.23 3.2.1.1.1 OSP的保护机理.23 3.2.1.1.2 OSP涂附工艺.24 3.2.1.1.3 OSP的应用.24 3.2.1.1.4 OSP的局限性.24 3.2.1.2 化镍浸金(ENIG).25 3.2.1.2.1 ENIG的保护机理.25 3.2.1.2.2 ENIG处理工艺.25 3.2.1.2.3 ENIG的应用.26 SMTSMTSMTSMT学习资料、仅供参考 巨人的肩膀属于你我 何祎 SCNB/SCM/M1 珍珍珍惜惜惜知知知识识识、共共共发发发展展展、创创创新新新高高高、信信信心心心源源源于于于自自自己己己 第 2 页 3.2.1.2.4 ENIG的局限性.26 3.2.1.3 化镍钯浸金(ENEPIG).26 3.2.1.3.1 化镍钯浸金的原理.26 3.2.1.3.2 化镍钯浸金的工艺步骤.26 3.2.1.3.3 化镍钯浸金的应用.26 3.2.1.3.4 化镍钯浸金的局限性.27 3.2.1.4 浸银.27 3.2.1.4.1 浸银的工作原理.27 3.2.1.4.2 浸银的工作步骤.27 3.2.1.4.3 浸银的应用.27 3.2.1.4.4 浸银的局限性.27 3.2.1.5 浸锡.27 3.2.1.5.1 浸锡原理.27 3.2.1.5.2 浸锡的应用和局限性.28 第四章第四章第四章第四章 锡膏和印刷锡膏和印刷锡膏和印刷锡膏和印刷.29 4.1 前言.29 4.2 锡膏.29 4.2.1 焊锡.29 4.2.1.1 物理特性.30 4.2.1.2 冶金特性.30 4.2.1.3 机械特性.31 4.2.1.4 性能与外部设计.31 4.2.2 锡膏.32 4.2.2.1 合金成分.32 4.2.2.2 助焊剂.34 4.2.2.2.1 松香.34 4.2.2.2.2 活性剂.34 4.2.2.2.3 触变剂.35 4.2.2.3 锡膏的特性.35 4.2.2.4 锡膏的存放和使用.35 4.3 网板.37 4.3.1 网板的制作方式.37 4.3.1.1 化学腐蚀.37 4.3.1.2 激光刻板.38 4.3.1.3 电铸模板.38 4.3.2 三球定理.39 4.3.3 通用开孔规范.39 4.3.4 常见元器件的开孔规范（仅供参考，本规范假设 Gerber 设计尺寸都是合理的。）.41 4.3.4.1 1.27mm pitch BGA/MPGA.41 4.3.4.2 1.00mm pitch BGA/MPGA.42 4.3.4.3 QFP-0.5mm pitch.42 4.3.4.4 QFP-0.65mm pitch和0.65mm pitch以上.44 4.3.4.5 SOIC-0.5mm pitch.46 SMTSMTSMTSMT学习资料、仅供参考 巨人的肩膀属于你我 何祎 SCNB/SCM/M1 珍珍珍惜惜惜知知知识识识、共共共发发发展展展、创创创新新新高高高、信信信心心心源源源于于于自自自己己己 第 3 页 4.3.4.6 SOIC-0.65mm pitch 和0.65mm pitch.47 4.3.4.7 小SOIC.47 4.3.4.8 Chip.48 4.3.4.9 電源晶体管.49 4.3.4.10 0603排电阻/0603排电容/0603排电感.50 4.3.4.11 六脚服装三极管.50 4.3.4.12 三引脚三极管.51 4.4 刮刀.52 4.5 网印.52 4.5.1 刮刀的移动速度.52 4.5.2 刮刀压力.52 4.5.3 刮刀的行程.52 4.5.4 Snap off.53 4.5.5 刮刀升起速度.54 4.5.6 脱模.54 4.5.7 印刷环境.54 第五章第五章第五章第五章 焊接焊接焊接焊接.55 5.1 前言.55 5.2 温度曲线.55 5.2.1 传输速度.55 5.2.2 温度和静压.56 5.2.3 温升斜率.56 5.2.4 温度峰值和液相温度时间.57 5.2.5 冷却.58 5.3 材料.58 5.3.1 常用的金属表面.58 5.3.1.1 裸铜.58 5.3.1.2 金.58 5.3.1.3 Kovar铁镍钴合金.59 5.3.1.4 银.59 5.3.1.5 浸锡.59 5.3.1.6 锡铅.59 5.3.2 润湿和可焊性.59 5.3.3 可焊性测试.60 5.3.3.1 测试过程.60 5.3.3.1.1 浸锡测试.61 5.3.3.1.2 锡球测试.61 5.3.3.2 可焊性测试标准.61 5.3.4（电镀.61 5.3.5（锡铅热熔.61 5.3.6（可焊性与电镀.61 5.3.7（预清洗）.61 第六章第六章第六章第六章 静电防治静电防治静电防治静电防治.62 SMTSMTSMTSMT学习资料、仅供参考 巨人的肩膀属于你我 何祎 SCNB/SCM/M1 珍珍珍惜惜惜知知知识识识、共共共发发发展展展、创创创新新新高高高、信信信心心心源源源于于于自自自己己己 第 4 页 6.1 前言.62 6.2 防静电地线的埋设.62 6.3 防静电地线的铺设和测试.63 6.4 防静电地板.63 6.5 防静电工作台面.63 6.6 电烙铁,小锡炉,测试仪器等用电设备的接地与测试.64 6.7 防静电服(衣,鞋,手套等).64 6.8 防静电手环.64 6.9 加装离子风扇.64 6.10 传送带加装防静电清洁辊.65 6.11 防静电材料.65 6.12 温度和相对湿度的调控.65 6.13 其它.65 6.14 静电测试仪.65 6.15 监测和记录.65 第七章第七章第七章第七章 湿度敏感器件知识湿度敏感器件知识湿度敏感器件知识湿度敏感器件知识.67 7.1 学习了解 IPC 标准.67 7.2 湿度敏感器件的等级划分、标识、处理和储存、包装及其使用要求.71 SMTSMTSMTSMT学习资料、仅供参考 巨人的肩膀属于你我 何祎 SCNB/SCM/M1 珍珍珍惜惜惜知知知识识识、共共共发发发展展展、创创创新新新高高高、信信信心心心源源源于于于自自自己己己 第 5 页 第一章 前言 1.1 序论 工艺，其英文名称为Process，也就是把原材料或半成品加工成成品的过程。当然，这里所说的“原材料”、“半成品”和“成品”在不同的过程中，其名称是相对的。就SMT线而言，在不同的公司，其成品的状态是各有特色。所谓SMT工艺，就是把电子元器件、PCB等通过SMT设备组装成主板的过程。PCB主板的组装过程也是SMT工艺的核心。本章大概介绍SMT PCB主板的组装流程。“手机、呼机、商务通一个都不能少”的时代与我们擦肩而过，而“n in one”转眼间便成了C3（Consumer-Communication-Computer）新应用的基本特征。这些新应用给电子产业“食物链”从半导体元器件到封装，到PCB，到电子组装，甚至到最终装配提出了前所未有的挑战。尤其是PCB及SMT制造行业，随着电子产品体积的缩小和功能模块的不断增加，为了生存，如今SMT设备必须能够处理体积越来越小、间距几乎为零的元器件。因此，熟悉并不断提高SMT的工艺水平，成为SMT工程师不可推卸的历史责任。早在20世纪60年代，便出现了自动电子组装技术。随着电子产品体小、质轻、高速、宽带趋势的不断推进，自动电子组装技术也历经沧桑，丝毫不敢懈怠的向前发展着。业界通常把电子组装技术分为3类：1、穿孔技术（Through-Hole-Technology）2、表面贴装技术（Surface-Mount-Technology）3、混装技术（Mixed-Technology）穿孔技术一直是宝刀未老，而且近年来部分供应商还推出了新的穿孔技术设备。表面贴装技术 是当今业界的主力军，新技术、新设备源源不断。混装技术则是技术革新时期的产物，穿孔技术、表面贴装技术以及异形封装、bare-die的任意一种组合都可以叫做混装技术。1.2 穿孔组装技术（THT）穿孔组装是指把电子元器件管脚插到PCB的通孔里面，然后把管脚焊接到PCB上，从而形成电 气连接的过程。大约在20世纪50年代末期引入了这项技术，20世纪60年代实现了穿孔组装自动化。通常来讲，穿孔组装元器件的价格以及工艺费用要比表面贴装元器件的价格以及工艺费用低很多，但是穿孔组装技术难于实现电子产品组装高密度化。一般穿孔组装技术多用于对电子产品体积要求不高、成本低廉的场合，如电视机、录像机、空调等。采用穿孔器件和穿孔组装技术是把成本降到最低的最好方法。与表面贴装技术相比，穿孔器件 费用、工艺工程费用和组装费用都很低。穿孔器件的封装形式主要有以下类：双列直插式（DIPs）、轴向管脚、径向管脚和异形器件。穿孔组装技术采用的组装流程一般都是一样的：双列直插器件组装 轴向管脚器件组装 径向管脚器件组装 异形器件组装 焊接 清洗 一般双列直插器件封装在塑料管内，每个塑料管内只装有唯一的一种（或者Part Number）器 件，由自动插件机完成组装。轴向管脚、径向管脚器件封装大致一样，都是固定管脚末端，由自动插件机完成组装。异形器件指的是由于特殊原因不能由前三道工序工序来完成组装的器件，它们可能是双列直插式（DIPs）、轴向管脚和径向管脚器件中的任何一种。大多数情况下，异形器件靠手工SMTSMTSMTSMT学习资料、仅供参考 巨人的肩膀属于你我 何祎 SCNB/SCM/M1 珍珍珍惜惜惜知知知识识识、共共共发发发展展展、创创创新新新高高高、信信信心心心源源源于于于自自自己己己 第 6 页 来完成组装。组装完所以的元器件以后，可能会接着进行表面贴装，也可能送到下道工序进行焊接。对穿孔器件来将，最常用的焊接工艺是波峰焊（Wave Soldering）。顾名思义，焊接过程中，熔化的焊料喷出来并形成波峰，PCB Bottom 面要直面波峰。PCB首先要经过载有助焊剂（Flux）的工作台，通过这道工序来润湿焊盘和元器件管脚以增加可焊性。之后PCB继续得到加热，这个阶段称为预热，使所有焊点达到一定的温度，最后PCB流经波峰，所有焊点便完成了焊接任务。最后一道工序是清洗，必须要清洗的PCB会被送到清洗设备内，洗去多余的助焊剂。1.3 表面贴装技术（SMT）1.3.1 SMT组装流程 从1993年开始，大量元器件开始从THT封装向SMT封装转移。在1993年，50的半导体器件是DIP封装，但是到了2000年，这个比率降到了30，估计近年来，会进一步降到10左右。引入SMT技术以后，高密度电子组装成了可能。SMT的设备和工艺工程成本虽然比THT高出许多，但是它是一种先进的技术，其生产效率和组装密度是THT无法替代的。为了表示区别，一般对于PCB的两个表面有不同的称呼。我们把同时分布有体积较大的有源 器件和体积较小的无源器件的一面叫做正面（Topside）；只有一小部分无源器件（或着没有元器件）的一面叫做反面（Bottomside）。有些主板反面一个元器件都没有，这种主板称作单面主板。反之，则称之为双面主板。典型的SMT组装流程（双面组装工艺）如图1.3.1。流程虽然是固定的，但实现形式确因人而异。为了完成一种产品的组装过程，有的采用一条环形SMT线，这样可以同时组装主板正面和反面；有的则采用两条配置相同的两条SMT直线，分别完成正面和反面的组装。单面组装工艺要比双面组装工艺简单得多。1.3.2 SMT 辅助线 要完成电子产品的组装任务，仅有网印机、贴片机和回流焊炉是不够的。许多电子产品在SMT 贴片以前要把驱动程序和应用软件下载到需要用到的FLASH存储器内，这种情况下，在SMT线的起始端必须增加烧片工位和烧片设备。通常在回流焊炉的入口和出口位置还会设置补正和补焊工位，用于检查和修正简单的网印、贴片和焊接缺陷。同时，随着BGA、CSP等封装芯片的广泛使用，以及电子产品可靠性要求的不断提高，还需要采用特殊的胶水对BGA、CSP等封装芯片进行底部填充（Underfill）处理，这种情况下，在SMT线后面就会出现点胶和低温固化工位等。沿着SMT线向后走，还可能有自动切割机（用于把PCB拼板切割成单一得PCB主板）、主板下载和校准，以及主板功能测试。1.4 混装技术（MT）常见的混合组装技术一般可以分为以下几类：1、复合型双面混装：这种混装技术是最复杂的一种，主板正面和反面都同时含有SMT 器件和THT器件，这种情况不常见；2、SMT型双面混装：这是一中常见的混装技术，主板正面含有SMT和THT器件，反面 只有THT器件；3、THT型双面混装：主板正面只有THT器件，反面只有SMT器件；4、单面混装：主板正面同时含有SMT器件和THT器件，反面没有器件。当然还有那些含有bare-die的混装技术，这里就不多介绍了。1.4.1 SMT型双面混装 SMTSMTSMTSMT学习资料、仅供参考 巨人的肩膀属于你我 何祎 SCNB/SCM/M1 珍珍珍惜惜惜知知知识识识、共共共发发发展展展、创创创新新新高高高、信信信心心心源源源于于于自自自己己己 第 7 页 网印机：把锡膏印刷到焊盘上 主板反面组装流程 自动贴片机：贴元器回流焊炉：焊接 翻板：接着组装正面 主板正面的组装流程与反面相同 清洗（如果需要的话）图1.3.1 THT型双面混装和单面混装可以认为是SMT型双面混装的特殊情况，所以这里主要介绍一下 SMT型双面混装的组装工艺流程，见图1.4.1。双面混装与SMT组装流程正好相反，因为波峰焊的温度比回流焊的温度要高很多，所以双面混网印机：把锡膏印刷到焊盘上 SMT型双面混装流程 自动贴片机：贴元器件 回流焊炉：焊接 翻板 清洗（如果需要的话）图1.4.1 在需要贴SMT器件的地方涂上贴片胶 自动贴片机：贴元器件 固化炉：固化贴片胶 正面 正面 正面 反面 翻板 波峰焊 清洗 反面 反面 反面 正面 插THT器件 正面 SMTSMTSMTSMT学习资料、仅供参考 巨人的肩膀属于你我 何祎 SCNB/SCM/M1 珍珍珍惜惜惜知知知识识识、共共共发发发展展展、创创创新新新高高高、信信信心心心源源源于于于自自自己己己 第 8 页 装首先组装的是PCB正面。第一步要做的就是组装PCB正面的SMT器件，过去网印环节往往成为生产中的瓶颈，但是随着供应商不断的改进锡膏的印刷性能，现在的印刷已经不是问题了。一般一条SMT线，其贴片机会配置两种：主要贴无源器件的高速机和贴有源器件的多功能机。贴片之后，主板被送进回流焊炉，主板以及上面的元器件管脚和锡膏经过一定时间和温度的预热，当温度达到锡膏的熔点以后，锡膏熔化，紧接着温度又会迅速降下来，于是焊点就形成了。现在的锡膏基本上都实现了无氟和免清洗。采用贴片胶的目的是为了防止SMT器件在过波峰焊时脱落，贴片胶需要达到一定的温度才能固化，从而起到粘结的作用。1.4.2 电子组装的高密度化 SMT使电子产品的组装密度上了一个台阶，在半导体集成电路的封装方面，逐步采用了诸如 SOIC（Small-Outline Integrated Circuits）、QFP（Quad Flat Packs）、BGA（Ball Grid Arrays）和CSP（Chip-Scale Packages）等先进封装形式。尤其是无线应用技术促使这种趋势飞跃式的向前发展，掌上电脑、个人数字助手和移动电话的功能越来越多，增加电路板单位面积的元器件的数量的需求也越来越大。一方面，元器件的体积做的越来越小，另一方面，则出现了各种高密度的功能模块，甚至直接把集成电路埋入到了PCB内。到了20世纪90年代末，大约有78的半导体集成电路不再采用传统的封装方法，而是直接把半导体集成电路或电阻电容等直接嵌入到PCB上，COB（Chip-on-board）、COC（Chip-on-ceramic）和COFC（Chip-on-flexible-circuits）就是典型的应用实例。首先通过精密度极高的绑定机把半导体集成电路绑定到PCB上，然后在再用胶把集成电路密封起来。但是这种技术目前还不是很流行，主要存在两大障碍：高成本和维修困难，而且很难保证在绑定和密封以前集成电路是好的。1.5 电子组装中的静电问题 静电是电子工业中让人非常费劲的一个问题，它直接影响电子产品合格率、制造成本、产品品 质与可靠性。而且消除静电危害的费用非常高。据ESD协会专家估计，电子工业ESD损坏的实际成本达到每年数十亿美元。本节着重介绍ESD的产生机理和防置措施。静电是相对于“动电”，即导体中的流动电荷（电流）而言。静电多由绝缘物体间互相磨擦或干燥空气与绝缘物磨擦产生。当两种材料相互摩擦，一种材料失去电子，而另一种材料则得到多余的电子，在这个过程中静电产生了。静电是一个物体上的不能移动的电荷，带有这些多余电荷的物体形成一个等势体，其电位不为零。当静电能量积累到一定程度，并且带有静电荷的物体遇到与自己电位不同的物体时，两个物体产生放电现象，这时的放电最高电压可达几千乃至几万伏，势必对静电敏感组件造成损害。显然，放电过程中将产生电流；有可能放电之后，物体上的静电荷被完全中和掉，又回到中性。这个静电荷移动的过程就是ESD（Electrostatic Discharge），静电放电。ESD又是静电敏感器件（Electrostatic Sensitive Device）的简称。电荷在两种情况下处于“静止”状态：1、电荷分布在导体上，而导体与外界是绝缘的；2、电荷分布在绝缘体上。绝缘体趋向于将静电荷集中在一个不动的区域，因此电压可能很高；导体趋向于均衡其静电荷，把它传导给接触到的接地（零电位）物体。ESD产生的速度很快，肉眼觉察不到，而且强度很高，产生的热量足以熔化半导体芯片的内部电路。通过电子显微镜观察，外表就象由芯片内部向外吹出的小子弹孔。引起即时的和不可逆转的损坏。更加严重的是，大多数情况下（90的几率），在对电子产品做最终测试时，产品堂而皇之的PASS了。而当客户拿到产品以后，确遇到了无法预计的故障。SMTSMTSMTSMT学习资料、仅供参考 巨人的肩膀属于你我 何祎 SCNB/SCM/M1 珍珍珍惜惜惜知知知识识识、共共共发发发展展展、创创创新新新高高高、信信信心心心源源源于于于自自自己己己 第 9 页 当人从地毯走过、梳头、撕开胶带(塑料)或打开两面接触的塑料袋等，甚至空气流动（尤其是干燥空气流动时），都会产生ESD。ESD典型的来源包括人员、机械和电气设备和一些普通塑料。ESD敏感元件(可能容易被ESD损坏的元器件)主要包括：半导体元件、薄膜电阻、片状元件、混合电路器件和晶体。表1.5.1显示了典型生产场合的静电电压。表1.5.2则统计了各种器件的静电放电(ESD)和电气过载(EOS)耐压范围。表1.5.1 静电电压（V）生产场合 湿度1020 湿度6590 在地毯上走动时 35000 1500 在乙烯树脂地板上走动时 12000 250 手拿乙烯塑料袋装入元器件时 7000 600 在流水线接触聚酯塑料袋时 20000 1200 在操作工位与聚氨酯类接触时 18000 600 表1.5.2 器件类型 ESD/EOS最小敏感电压（V）VMOS 301800 MOSFET 100200 砷化镓FET 100300 EPROM 100 JFET 1407000 SAW(声表面波滤波器)150500 运算放大器 1902500 CMOS 2503000 肖特基二极管 3002500 SMD薄膜电阻器 3003000 双极型晶体管 3807800 射极耦合逻辑电路 5001500 可控硅 6801000 肖特基TTL 1002500 实际上，工人在工作台上的自然移动所形成的摩擦都可能产生4006000伏的静电电压。在拆开或包装泡沫盒或泡泡袋中的PCB期间，如果工人与外界是绝缘的，那么在工人身体表面累积的净电荷可达到26000伏左右。有些集成电路内部含有多达四百万个单独的元件，单个元件的尺寸只有0.18，只需要10V的ESD就可毁坏其内部的某些极小零件和迹线。诸如奔腾处理器，只要5伏的静电电压，它就命归西天了。静电放电(ESD)及电气过载(EOS)对电子元器件造成损害的主要机理有：热二次击穿；金属镀层熔融；介质击穿；气弧放电；表面击穿；体击穿等等。见附表1.5.3。ESD/EOS有其特殊性：一是静电的产生和积累要一定的条件和过程，所以如果产品不加任何保护，不见得元器件就一定会会受到ESD/EOS伤害，ESD/EOS伤害是“偶然事件”；其二，由于多数情况下ESD/EOS能量都较小，所以受到ESD/EOS伤害的也并不表现为立即报废，有些仅表现为漏SMTSMTSMTSMT学习资料、仅供参考 巨人的肩膀属于你我 何祎 SCNB/SCM/M1 珍珍珍惜惜惜知知知识识识、共共共发发发展展展、创创创新新新高高高、信信信心心心源源源于于于自自自己己己 第 10 页 电增加，工作不稳定，甚至在出厂测试中一时表现不明显，以后发现问题时人们却常会归咎于材料不良或设计不良。表1.5.3 元器件类型 元器件组成部分 失效机理 失效标志 MOS结构 MOSFET（分立）MOS集成 数字集成 线性集成 混合电路 电压引起的介质击穿和接着发生的大电流现象 短路漏电大 半导体结 二极管（PN，PIN肖特基）双极晶体管 结型场效应管 可控硅 双极型集成电路，MOSFET和MOS集成电路 电过剩能量和过热引起的微等离子体二次击穿和微扩散 由Si和Al的扩散引起的电流束过大（导热迁移）失效 薄膜电阻器 混合集成电路（厚膜、薄膜）电阻 单片集成电路 厚膜电阻器 密封厚膜电阻器 介质击穿 与电压有关的电流通路和与焦耳热量有关的微电流通路破坏 电阻漂移 金属化条 混合IC 单片IC 梳状覆盖式晶体管 与焦耳热量有关金属烧毁 开路 场效应结构和非导电性盖板 存储器 EPROM等 由于ESD使正离子在表面积垒，引起表面反型或栅阀值电压漂移 性能退化、失效 压电晶体管 晶振声表面波 电压过高产生的机械力使晶体破裂 性能退化、失效 电极阀的间距较小部位 声表面波 IC内各种微电路 电弧放电使电极材料熔融 性能退化、失效 雷电，或许你认为它是一种非常恐怖的东西，它也是ESD。当气流与云层中的水滴相互磨擦，伴随高压ESD的产生,令人发指的雷电也就喷涌而来了。高压带电云层经过建筑物附近时,避雷针的尖端放电效应会中和掉一部分电荷；当云层中电荷量太大,或云层移动太快而来不及全部中和时,将通过避雷针剧烈放电形成雷击。这两种情况下,尤其是雷击时,整个建筑物及附近地面都是带电的,雷击的危害主要是直击雷和雷电感应。由于人在建筑物中处于“等势体”状态,象鸟儿落在高压线上一样,所以一般不会受到雷击。但雷电感应(超高压静电感应和强电磁感应)会对静电敏感器件造成损害。设备漏电,尤其是不会对人造成触电伤害的徽小漏电并不属于静电。虽然大多数情况下人们几乎感觉不到这些微不足道的设备漏电,但由于其普遍性(任何电器设备多少总有些漏电)和高内阻的特点,漏电过程中会产生最高近似于电源电压(100400V)的即时尖峰电脉冲,它足以对静电敏感器件造成电气过载（EOS)损害。所以设备漏电也是静电防护体系中极为重要的一个方面。SMTSMTSMTSMT学习资料、仅供参考 巨人的肩膀属于你我 何祎 SCNB/SCM/M1 珍珍珍惜惜惜知知知识识识、共共共发发发展展展、创创创新新新高高高、信信信心心心源源源于于于自自自己己己 第 11 页 第二章 半导体电子封装 2.1 序论 半导体电子元器件的封装不仅起到内部集成电路芯片键合点与外部进行电气连接的作用，还为 集成电路提供了一个稳定可靠的工作环境，对集成电路芯片起到机械或环境保护的作用。封装质量的好坏与集成电路的整体性能优劣关系很大。因此，集成电路封装应具有较强的机械性能、良好的电气性能、散热性能和化学稳定性。不同类型的集成电路，使用场合和气密性要求不同，其加工方法和封装材料也不同。早期的集成电路，其封装材料采用有机树脂和蜡的混合体，用填充或贯注的方法进行密封，其可靠性很差；也曾采用橡胶进行密封，但是其耐热、耐压及电性能都不好，现已被淘汰。目前，流行的气密性封装材料是陶瓷-金属、玻璃金属和低熔玻璃-陶瓷等。由于大量生产和降低成本的需求，目前有很多集成电路采用了塑料封装材料，它主要采用热固性树脂通过模具加热加压的方法来完成封装，其可靠性取决于有机树脂及添加剂的特性和成型条件。塑料封装材料属于非气密性性装材料，其耐热性较差，且具有吸湿性。0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 1980 1990 2000 2010 2020 106 semiconductor,blts/cm2 图2.1.1逻辑和DRAM器件的集成电路密度趋势 SMTSMTSMTSMT学习资料、仅供参考 巨人的肩膀属于你我 何祎 SCNB/SCM/M1 珍珍珍惜惜惜知知知识识识、共共共发发发展展展、创创创新新新高高高、信信信心心心源源源于于于自自自己己己 第 12 页 半导体电子元器件的封装历经了革命性的变革，本章着重介绍晶体管集成电路（IC）的高级封 装形式。万变不离其宗，在封装的变革过程中，永远都不会变化的是：IC的功能越来越强，尺寸相对来讲也越来越小。图2.1.1和2.1.2分别说明了IC变化的两个不可阻挡的趋势。人们一直对IC的每一步革新都寄予厚望，因为这是促使电子产品向高精尖方向发展的不可回避的动力。IC的设计和性能每上一个台阶，集成电路制造商都必须寻求一种成本更低可靠性更强的IC封装方法。半导体集成电路技术的发展，进一步刺激了电子系统在以下几个方面需求的增长：1、电子产品的运行速度更高，其性能更加优越，功能更为强大；2、在不增加成本的情况下，提高电子产品的可靠性和质量；3、电子产品的体积可以做得更小。现在唯一限制迷你趋势的障碍是环境和散热问题；4、元器件及其组装成本随着岁月的流失而迅速下降，这是所有人都喜闻乐见的事情；5、市场需求决定一切。2.2 SCP（Single-chip Package）封装形式 早在1980年以前，双列直插（DIP，Dual inline package）占据着主导地位。这种封装，其外 形呈长方形，管脚分布在两侧，管脚间距为0.100inch。下面我们可以从图2.2看到各种各样的半导体封装形式以及他们的变化趋势。图的左侧主要是 那些管脚位于四个侧边的芯片的封装形式，如DIP，PLCC（Plastic Leaded Chip Carrier），QFP，TAB（Tape Automated Bonding）。从图的右下侧可以看到其他封装，如PGA（Pin Grid Array，它的管脚成阵列状组装在芯片的下面），LGA（Land Grid Array，又名PAC-Pad Array Carrier，它与外部的电气接口是位于芯片下面的阵列状焊盘），BGA（Ball Grid Array，在芯片下表面分布着一些阵列状圆 MHz 1 10 100 1，000 10，000 100，000 1，000，000 1980 1990 2000 2010 2020 图2.1.2 集成电路的工作频率变化趋势 SMTSMTSMTSMT学习资料、仅供参考 巨人的肩膀属于你我 何祎 SCNB/SCM/M1 珍珍珍惜惜惜知知知识识识、共共共发发发展展展、创创创新新新高高高、信信信心心心源源源于于于自自自己己己 第 13 页 图2.2 图2.2.1（a）形焊球，这些焊球在经过回流焊炉时会重新熔化），MCM（Multi-chip Modules）等。DIP和PGA的I/O间距为0.1in，其他封装的I/O间距一般为0.060in或更小一些（0.05in，0.5mm，0.4mm，0.3mm等），阵列状封装技术使高了许多元器件的性能提，尺寸进一步降低。2.2.1 双列直插式（DIP）图2.2.1(a)是DIP的外形结构，图2.2.1(b)则是DIP的内部结构。DIP的管脚是焊在器件的长边（相对与短边）上（或者是引线框架上）的铜质引线。从图2.2.1(b)可以看出，DIP在封装以前，集成块儿（die）被绑定在引线框架上，然后用金线把集成电路和引线框架上的引线连接起来，最 后再用塑料密封。集成电路 金线 塑料 引线框架 图 2.2.1（b）SMTSMTSMTSMT学习资料、仅供参考 巨人的肩膀属于你我 何祎 SCNB/SCM/M1 珍珍珍惜惜惜知知知识识识、共共共发发发展展展、创创创新新新高高高、信信信心心心源源源于于于自自自己己己 第 14 页 2.2.2 无引线陶瓷封装 无引线陶瓷封装实例见图2.2.2。这种封装器件的管脚不是一些引线，而是一些平整的焊盘，其封装基材是气密性的陶瓷。这种封装多用于军事和电信产品。在引入这种封装技术的同时，也出现了无引线陶瓷封装的有引线封装版本。无引线元器件的管脚间距一般为0.040in和0.050in，而有引线元器件的管脚间距通常为0.050in。2.2.3 PQFP（Plastic Quad Flat Package）封装 PQFP封装的发展曾经推动了塑料封装SMD的流行。这种器件的I/O管脚采用引线结构，它 由许多从正方形器件四边伸出的引线组成，引线结构的材料一般是铜。器件中央的半导体集成块靠“堆绑定”（die-bonding，通常是环氧绑定）的方法与引线结构连在一块儿；半导体集成块的I/O则采用金线与引线结构的相应引线连接起来，这个过程叫“线绑定”（wire-bonding）。线绑定的传统方法是热声金球契入法（thermosonic gold ball wedge bonding）。最后用塑料浇铸到半导体集成块上面，同时引线被剪切成型（管脚就形成了）。图2.2.3（a）是PQFP解剖图。PQFP的管脚就像海鸥的翅膀，而PLCC的管脚是J型的，并弯向器件的底部。QFP的管脚间距为0.5mm时是比较合适的，其制造和组装（SMA，Surface Mount Assemble）工艺性都比较好。考虑到封装成型能力和管脚长度对电气性能的影响，一般认为当QFP的外框面积（不含管脚）超出30mm2时，就不太理性了。鉴于此，对于0.5mm pitch的QFP，其I/O管脚数要限定在200个左右。现在，有些IC制造商已经推出了0.4mm pitch的QFP。从图2.2.3-2可以看到基于PQFP技术的各种塑料封装SMD的尺寸差异。陶瓷或塑料QFP、PLCC多用于封装门阵列和标准蜂窝逻辑集成电路以及微处理器。而在存储器（SRAM、DRAM）和线性半导体等这类元器件中经常会看到SOP、SOJ的踪影。但不论是以上提到的任何一种种封装形式，其管脚数目都会受到成型能力和封装尺寸最小化需求的限制。LID Die(Die被固定以后，用金线与I/O绑定)基材 组装完成以后 图2.2.2 SMTSMTSMTSMT学习资料、仅供参考 巨人的肩膀属于你我 何祎 SCNB/SCM/M1 珍珍珍惜惜惜知知知识识识、共共共发发发展展展、创创创新新新高高高、信信信心心心源源源于于于自自自己己己 第 15 页 图2.2.3 塑料封装SMD（a）引线 塑料 集成电路 绑定线（b）SOP（Small Outline Package）（c）PQFP（d）SOJ（Small Outline J-lead）（e）PLCC（Plastic Leaded Chip Carrier）SMTSMTSMTSMT学习资料、仅供参考 巨人的肩膀属于你我 何祎 SCNB/SCM/M1 珍珍珍惜惜惜知知知识识识、共共共发发发展展展、创创创新新新高高高、信信信心心心源源源于于于自自自己己己 第 16 页 100 200 300 400 500 600 管脚数 图2.3.2-2 QFP的外框面积 mm2 10 20 30 40 50 理性区 限制线 2.2.4 PGA（Pin Grid Array）与PAC（Pad Array Carrier）图2.2.4（a）描述了LCC（Leadless Chip Carrier）与PAC的差别。显然，随着有源器件I/O管脚的增加，对于I/O管脚分布在四周的封装形式，其整个尺寸也以惊人的速度庞大起来，这与封装尺寸最小化趋势背道而驰。从图2.2.4（b）可以看出不同封装形式的管脚数与芯片表面积的变化关系。很明显，对于大规模和超大规模集成电路，当半导体元器件的I/O管脚数超过100时，PGA和PAC封装具有不可替代的优势。0.5pitch 0.4pitch 0.3pitch 0.2pitch 0.15pitch 0.1pitcch LCC PAC 管脚 图2.2.4（a）SMTSMTSMTSMT学习资料、仅供参考 巨人的肩膀属于你我 何祎 SCNB/SCM/M1 珍珍珍惜惜惜知知知识识识、共共共发发发展展展、创创创新新新高高高、信信信心心心源源源于于于自自自己己己 第 17 页 2.2.5 球形阵列封装 BGA是封装形式的一大进步，封装材料有塑料或陶瓷等。图2.2.5（a）是PBGA的剖面图。PBGA的焊球一般为可回流的共晶合金Sn62Pb36Ag2或Sn63Pb37，在焊接时自对中能力很好；CBGA和TBGA的焊球为Sn10Pb60，熔点温度很高（304度左右），在回流焊时不会融化，其自对中能力较差。BGA封装（塑料或者陶瓷）具有很多优点：1、可以提高集成密度和组装密度。1.27、1.0、0.8、0.5mm pitch的BGA已经非常流行。2、SMA工艺性能特别好。由于植在BGA底部的焊球（一般为SnPb共晶合金），其焊料充足，封装表面积（in2）0 2 4 6 8 10 12 100 200 400 600 管脚数 图2.2.4（b）0.050”LCC 0.100”PGA 0.050”PAC 图2.2.5（a）塑料塑料BGA SMTSMTSMTSMT学习资料、仅供参考 巨人的肩膀属于你我 何祎 SCNB/SCM/M1 珍珍珍惜惜惜知知知识识识、共共共发发发展展展、创创创新新新高高高、信信信心心心源源源于于于自自自己己己 第 18 页 对于 1.27、1.0mm pitch的BGA其焊接质量足以达到6-sigma的水平。而且，球形管脚不像细间距QFP那样容易变形。3、外形尺寸小。其厚度已经可以做到1mm。4、具有优异的电气性能。其球形管脚短小精悍，因此连接阻抗和介电常数低，其基