SMD-器件及工艺的发展现状与趋势

SMD器件及工艺的发展现状与趋势前言表面安装技术（SMT（SurfaceMountedTechnology））是将新一代微小型无引线或引线极短的片状元器件贴装在印制电路板或其他基板表面，然后通过再流焊等方法组装电子产品的一种新技术，也是当代电子设备制造中被广泛采用的现金工业化主流技术，发展速度迅猛。不言而喻，SMT的迅速发展在很大程度上取决于表面安装器件（SMD（SurfaceMountedDevices））的发展。据外刊报道，欧美及日本等国家不断有SMD新品上市，SMD已占整个器件总产量的60%以上。国内在“九五”期间将SMD列入了发展规划，已经在“九五”末形成了年产40亿只以上的能力，已经占了整个器件总数的20%。SMD正成为当今和今后国际上的一大科技潮流，为电子器件的封装领域带来新的发展势头，也会引起整个电子相关产业的广泛关注。主题SMD也称片式半导体器件，是国际上七十年代发展起来的，现在越来越广泛应用于民用、军用整机，是表面安装技术（SMT）中必不可少的关键器件。国外SMD在90年代初已有3万多个品种、1150亿只，SMD的总需求量急剧增加。在今后几年内对之需求每年将以14％的速度增长。今后组装技术向着密度更高、速度更快的组装技术(MCM)发展，即采用VLSI、ULSI、ASIC、FPGA芯片组装及薄膜多层布线。组装密度将提高5倍左右。美国、日本和西欧等公司对SMD产品已实现了标准化生产，开发工作与标准化工作同步进行，在日本有电子机械工业协会(EIAT)，在美国有电子工业协会(EIA)颁发的SMD标准。同时为了提高元器件的片式化率和表面安装整机的性能，正在向着尺寸小型化大容量高电压、大功率高精度耐高温、高可靠、低成本方向努力开发。SMD的主要特点是其外形结构不同于传统的插装式产品，SMD的体积小，重量轻，无引线或引线短，可靠性高，耐振动冲击，抗干扰性好，易于实现半自动化和自动化的低成本、高密度组装，其焊点失效率达到百万分之十一下；利用SMD贴装可使电子线路的工作频率提高到3000MHz（通孔插装的为500MHz），而且能够有效地降低寄生参数，有利于提高设备的高频特性和工作速度；SMD产品的器件形状、尺寸精度和一致性高。大部分可编带包装，有利于提高生产装配效率，且能够从根本上解决元器件与整机间的共存可靠性问题。在SMD的销售额中最高的是IC（集成电路），其次是晶体管，再次是二极管，增长速度最快的是二极管。1.一些国家和地区的表面安装器件工艺发展现状目前国际上生产和使用SMD较多的有美国、日本、西欧、韩国以及东南亚地区等。从总体上看，100％的SMT技术需要5～6万种型号的SMD支撑。而各大公司都有独自标准，其SMD的外形类似，功能相同，细节尺寸、标志和称谓略有差异。欧美的SMD多用在计算机、通信、仪器、宇航、军用电子装备中；日本则在通用电子设备与消费类电子产品中普遍采用SMD。东南亚各国和地区为迅速赶上和缩小与欧、美、日之问的差距，不惜巨额投资，纷纷引进先进技术发展SMD，但开发和应用各有侧重。按封装材料可分为塑料(极少部分用玻璃)和陶瓷两大类别，前者用途多样，后者则多数作为高可靠军用。IC技术突飞猛进。其加工线宽不断微细化，正向亚微米、深亚微米发展，集成度平均不到两年半就翻4倍。输入/输出(I/O)引脚数日益增多，工作速度加快，功率增大，由此对IC封装提出更高要求。大部分IC芯片制造厂商认为，当前限制IC发展的关键因素是封装技术，因而需要电学、热学、材料、模具、机械设备等多学科的密切合作予以解决。采用SMD-IC比采用高密度的多芯片组装投资省，见效快，且技术成熟，因而许多产品迅速向SMD封装结构转移。常用的IC封装类型有缩小型IC封装(SOP)，立式表面贴装(SVP)，塑封带引脚芯片载体(PLCC)、带引脚陶瓷芯片载体(LDDCC)、密封陶瓷无引脚芯片载体(LCCC)、四边带引脚封装(QFP)，塑封四方扁平封装(PQFP)，板载芯片级封装(COB)，带载芯片自动焊接封装(TAB)等其中的QFP发展很快，引脚数通常在300条左右，最大耗散功率可达3W。TAB技术可增加封装密度，外形也很薄，可提高时钟频率，降低引线焊接成本，更容易进行检测，在多引脚SMD-IC中将获得推广应用。为适应高集成度超大规模IC需求，SMD-IC向更多引脚、引脚间距更窄的方向发展，尽量减小引脚互连线间的延迟。与前几年相比较，制造片式元件的工艺技术有了很大的进展，不仅对原来的工艺技术进行了改进和提高，而且通过借鉴、融合其它相关工艺技术，发展了更先进的制造片式元器件的工艺技术，可以综合为以下几个方面：（1）叠层工艺技术的提髙以前连通方式主要有三种，即：机械穿孔工艺(干法)、交迭印刷工艺（湿法）、内连接工艺(湿法），然而这三种工艺技术都有不足之处，都难以有效地制作尺寸更小、更精细的片式元件。现在对机械穿孔连接工艺做了很大改进，采用激光穿孔、精密印刷、自动微孔注浆技术，使孔径缩减到50μm，位置精度±20μm。印刷线宽、线距为50μm，位置精度±10μm。利用这种先进工艺技术可以制作尺寸更小、更精细的片式元件和LTCC无源集成元件。（2）超薄介质层与纳米粉料技术现在的片式多层陶瓷电容器（MLCC）电容量已提高到100μf,并己实用化。之所以如此，是由于得到了超薄介质层与纳米粉料技术的强力支持。其介质层既薄又均匀，表明了目前超薄介质层技术的发展水平。为了使陶瓷介质层薄到1μm上下，陶瓷粉料的颗粒度必须为纳米级；为了将层数增加到几百层，从成本考虑，必须采用金属电极替代Ag/Pd。这样,开发抗还原纳米陶瓷粉料就成了关键问题。目前，在这方面国内外已经有了飞跃发展。（3）薄膜技术前些年薄膜技术主要用来制造以微波集成为代表的薄膜电路。成本相当高，产量规模也不大。近些年，薄膜制造技术大有发展，除了传统的物理方法外，化学方法大显神手，将薄膜制造技术带入到低成本大规模的生产模式。用这种工艺技术制造的片式元件具有体积小，高频特性优异，并易于集成的特点。（4）半导体微电子技术在上世纪末的二十年中，半导体微电子技术发生了惊人的飞跃，从微米进展到亚微米，进而深亚微米，而且生产率高、成本低、可靠性好，目前我国的生产水平已达0.18微米。相比之下，无源元件制造技术的发展却没有这样幸运。这几年无源元件开始借鉴、移植半导体微电子技术，这样的明智之举，立即取得了成效。2．国内表面安装器件的发展趋势虽然片式元件已经发展成为一门相当成熟的产业，表面组装技术也获得了十分广泛的应用，但是这一电子技术领域并未停滞不前,在市场的驱动下,仍然朝气蓬勃地向前迈进,新产品、新工艺、新技术、新应用不断涌现,值得我们密切关注。总体上看，片式元件的结构正向微小型化、薄型化、组件化、集成化发展；在性能上，正向大容量、大电流、无铅化、高指标发展；在频段上，正向射频乂微波发展。同时,在制造工艺上也有日新月异的变化，融合了其它相关的先进工艺技术，将片式元件制造工艺推向了新的高度。随着片式元件越来越微小型化、薄型化、无铅化，表面贴装技术也在贴装精度、速度和可靠性等方面取得了显著的改进。现举例说明片式元器件的发展趋势：（1）微小型/薄型化人们曾经认为1005(1.0×0.5mm)是片式元件最小封装尺寸的极限，因为这样微小型的封装尺寸会给贴装工艺带来很多困难。然而表面贴装技术的进步使01005（0.4×0.2×0.2mm）成了当前的主流封装尺寸。同时片式元件的封装尺寸并没有止步于01005，还会继续向小型化方向发展，究竟多大才是SMD器件的封装尺寸，我们将拭目以待。（2）高性能化在市场驱动下，封装尺寸缩小的同时，性能却在日益提高。特别是在参数范围扩大、承受电流/功率的能力、无铅化、可靠性方面有显著提高。（3）阵列化/组件化为了应用方便并减小占居的PCB面积，各种片式元件都己阵列化。（4）集成化/LTCC无源集成是当今的发展方向，低温共烧（LTCC）是最适合用的无源集成技术。国外著名公司：美国国家半导体、摩托罗拉、日本村田等都已生产出大量LTCC产品，如：射频模块、蓝牙模块等，获得了广泛应用，并且技术难度在不断加大。LTCC技术有三大技术难点，即：摸拟仿真设计、专用材料和高精度工艺设备，不过现在这些技术国内外的公司都已经克服。（5）高频（射频/微波）化现代电子向高频发展趋势强劲，而且大多是便携式，传统的微波器件满足不了要求，从而有力地促进了片式高频(射频/微波)元器件的蓬勃发展.对于IC器件，同样也在发生着日新月异的变化。封装技术的发展越来越趋向于小型化、低功耗、高密度，典型的主流技术就是BGA技术和CSP技术。为了最终接近IC本征传输速度，满足更高密度、更高功能和更高可靠性的电路组装的需求。还必须发展DCA(芯片板级组装)，最引人注目的是板上倒装片技术(FCOB)，倒装片技术是最先进的最有发展前途的集成电路封装技术，它分为封装倒装片(FCIP)和板上倒装片(FCOB)。由于FCOB取消了引线框架、采用线焊、模制、修整和成形工艺，将IC芯片直接组装到印制板上，大大减少了工序，降低了成本，使互连紧靠在一起，提高了组装密度，减少了电气干扰和噪声，改善了高频特性，所以FCOB将会得到广泛采用。IC器件加工线宽不断微细化，正向亚微米、深亚微米发展，集成度平均不到两年半就翻4倍。输入/输出(I/O)引线数日益增多，工作速度加快，功率增大，由此对IC封装提出更高要求。为适应高集成度超大规模IC需求，SMD-IC向更多引脚、引脚间距更窄的方向发展，尽量减小引脚互连间的延迟。现正研制1000～2000条引脚、引脚间距从0.5mm向0.3mm、0.2mm过渡的产品。SMD器件还有一个很重要的发展趋势就是无铅化。虽然将金属铅用作低温焊料已有多年的历史，其优点在于铅锡合金可在较低温度下熔化，而且铅的储量丰富、价格便宜。但随着人们环保意识日益增强，作为污染土壤和地表水的潜在因素，业界对铅的使用限制越来越多。1998年欧洲共同体草拟了两项提案，分别为《报废电子电气设备指令（WEEE）》和《关于在电子电气设备中禁止使用某些有害物质的指令（ROHS）》，明确规定禁止使用含铅的钎料，规定从2006年7月1日起，在电子产品中不得使用铅、汞、六价铬、镉、PBB、PBDE等有害元素和物质；日本、韩国于1998年开始在大公司实施无铅化生产；2003年我国信息产业部发布《电子信息产品污染控制管理办法》，第四款规定：全面禁止在电子信息产品生产中使用含铅的钎料，自2007年3月1日起施行，所以说无铅制造必然会成为发展趋势。总结综上所述，SMD表面贴装元器件，是以减小产品的体积向小型化、轻量化、高性能、高可靠方向发展的先进电子元器件制造技术。在国外，SMD技术发展十分迅速，尤其是在美、欧、日等国家，SMD技术发展正处在全面发展时期，SMD已成为电子组装技术的主流，所以只有加大SMD的创新和研发力度，才能推进我国电子技术的发展。参考文献[1].吴雄,国内外表面安装器件(SMD)发展现状.电子与自动化,1995(06):第3-5页.[2].张秀英,关于我国发展SMT与SMD的几点建议.电子展望与决策,1994(06):第40-42页.[3].第二届国SMT／SMD学术研讨会.电子科技导报,1994(01):第35-36页.[4].DavidRHold.AReviewoftheAdvancedPackagingTechnologies[J].SurfaceMountDevices,1997(9):54-58.[5].JeroenSchmits.ElectronicAssemblyintheNextMillennium[J].CircuitsAssembly,1997(10):32-71.[6].熊辉,表面安装器件及其国内外发展状况.微电子学,1995(01):第29-35页.[7].张经国,SMD技术向高端的发展趋势.世界电子元器件,2003(01):第70-72页.[8].云振新,半导体表面安装器件及其应用.半导体技术,1992(06):第9-19页.[9].张如