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6.1元器件与基板的结合方式集成电路芯片完成第一层次封装后，根据封装后元器件的引脚情况，组装到基板可分为两类结合方式，即：引脚插入式（PTH）和表面贴装技术（SMT）。由于目前电子元器件向“轻、薄、短、小”方向发展，故现在多用SMT组装电子元器件。有的电路也有同时采用有引脚的元器件和片式元器件的，则将它们组装在印制电路板上采用混合组装技术（MixedTechnology,MT）。第六章元器件与基板的结合根据元器件在电路板上的分布，有三种形式：1.电路板正反面均为表面贴装元器件2.表面贴装元器件与引脚插入式元器件混合3.电路板正面为引脚插入式元器件，反面为表面贴装结合元器件。本章主要介绍2种元器件在电路板上的焊接技术：波峰焊和回流焊，波峰焊适合于MT,而回流焊适合于SMT。1.概述波峰焊是将熔融的液态焊料，借助于泵的作用，在焊料槽液面形成特定形状的焊料波，插装了元器件的PCB置于传送链上，经某一特定的角度以及一定的浸入深度穿过焊料波峰而实现焊点的焊接过程。第六章元器件与基板的结合6.1元器件与基板的结合方式一、波峰焊波峰焊有单波和双波之分，前者主要适用于针脚插入式电子元器件的组装，后者主要适用于表面贴装型和针脚插入型电子元器件的混合组装。一般来说，一次波具有防止焊接开路的功能，而二次波具有防止焊接短路的功能。波峰焊也称群焊或流动焊接，最早起源于20世纪50年代英国Fry,sMetal公司的发明。由于波峰焊能大幅度提高生产效率（50倍之多），节约大批人力和焊料，焊点质量可靠性明显提高，故一直受到人们的广泛的重视，是20世纪电子产品装联工艺技术中最成熟、影响最广、效率最明显的一项成就，至80年代仍是联装工艺的主流。尽管近20年来出现了再流焊工艺，并有不断扩展的应用范围，但今后一段时间内，SMT的混合装工艺中仍缺不了波峰技术。第六章元器件与基板的结合6.1元器件与基板的结合方式二、波峰机的工位组成及其功能常见的波峰机有如下的工位：各工位功能如下：（1）装板：将所焊接的PCB置于机器中（2）焊剂涂覆：PCB上喷涂助焊剂。常用的方法有发泡、浸渍、刷涂、喷雾等。（3）预热：预热PCB/焊点，活化助焊剂。（4）焊接：完成实际的焊接操作。（5）热风刀：去除桥连，并减轻组件的热应力（6）冷却：冷却产品，减轻热滞留带来的损坏。（7）卸板：取出焊好的电子组件板。波峰机中，主要工位是焊料波峰与PCB接触工位，其余都是辅助工位，但波峰焊机是一个整体，其余工位不可缺少或损坏。（1）涂布焊剂目前采用较多的是发泡式和喷雾式。如图示发泡式涂布焊剂的原理。第六章元器件与基板的结合6.1元器件与基板的结合方式几个主要工序采用发泡式涂布焊剂，借助大量微细的气泡，可以克服插入到印制电路板通孔中的电子元器件的针脚与孔壁间的机械阻碍，便于焊剂渗透到二者的间隙中，并在表面形成薄而均匀的焊剂膜层。（2）预加热第六章元器件与基板的结合6.1元器件与基板的结合方式几个主要工序涂布焊剂之后，要用棒状加热器或螺旋管状加热器对实装印制电路板进行预加热。预加热的目的缓和布线板浸入焊料时的热冲击，防止翅曲，并增加焊剂的活性。若在预加热不充分而不能使焊剂的溶剂不蒸发的情况下进行焊接工序，则由于溶剂气化吸收潜热，焊料表面温度会激剧下降，往往造成焊接不良、搭桥、埋孔、结成焊料珠、焊料棒等缺陷。反之，若预加热温度过高，焊剂过于干燥，则会失去其应有的氧化膜去除功能，从而达不到理想的焊接效果。一般情况下布线板背面的温度以100～140℃为宜。预加热一般采用热辐射的方式。热辐射的强度与热源温度的四次方成反比，而与布线板被加热的位置距热源距离的平方成反比。应根据需要调节热源到布线板的距离（3）波峰焊接第六章元器件与基板的结合6.1元器件与基板的结合方式几个主要工序当载有封装元器件的电路板通过锡槽时，槽中持续涌出的焊锡除了提供焊锡的涂布之外，也有刮除及清洁结合点表面金属氧化层的作用。焊锡沉浸的高度约1/3～1/2的电路板厚度，在多层印制电路板中，沉浸高度可达1/4电路板的厚度。在理想情况下，焊锡波与电路板移动的方向相反，移动的速度应调整至相同，电路板传送带与焊锡系统通常维持6°～8°的倾斜以获得最佳的涂布效果，此倾斜的设计可减低电路板离开时焊锡波与电路板所形成的凹面半径，可抑制焊锡的过度涂布，进而减低水柱状焊点(Icicles)或相邻焊接点发生架桥(SolerBridge,或称为短路)短路的缺陷。电路板经过焊锡槽的时间也应适当调整，过长时间的涂布可能导致元器件的高温损坏；时间过短，则电路板温度不足，并降低焊锡的润湿性。为适应各种不同的元器件与电路板的焊锡涂布要求，焊锡槽中焊锡的波形也有许多不同的变化，除了以上讲的双波外，还有对称波、不对称波、阶梯波等，这里就不详细介绍。（4）热风刀第六章元器件与基板的结合6.1元器件与基板的结合方式几个主要工序热风刀是20世纪90年代出现的新技术。所谓热风刀，是在电路板刚离开焊锡峰后，在焊接点的下方放置一个窄长的带开口的“腔体”，在窄长的开口处能吹出（4～20）×0.068个标准大气压和500℃～525℃的气流，尤如刀状，故称热风刀。热风刀吹向尚处于熔融状态的焊接点，过热的风可以吹掉多余的焊锡，也可以填补金属化孔内焊锡的不足，对有桥接的焊点可以立即得到修复。同时由于使焊点的熔化时间得以延长，故原来那些带有气孔的焊点也得到修复，因此热风刀可以使焊接缺陷大大降低。由于电子元器件向“轻、薄、短、小”化方向发展，现在的元器件的结构也出现了革命性的变化，向片式化（无引线或小引线）方向发展，以适应表面组装技术（SMT）的要求。SMT舍弃了在电路板上钻孔以供元器件引脚插入固定的方法，而是用一定的方式将片式元器件准确地贴放到PCB指定的位置上，这个过程英文称为“PickandPlace”,显然它是指吸取/放置两个动作。第六章元器件与基板的结合6.2贴片技术6.2贴片技术贴片机的结构可分为：机架，PCB传送机构及支撑台，X、Y与Z/θ伺服、定位系统，光学识别系统，贴片头，供料器，传感器，计算机操作系统。在贴片前，多使用丝网印刷或点胶技术将锡膏先印在焊垫上，然后即可进行贴片。回流焊又称再流焊（reflow），它的本意是通过重新熔化预先放置的焊料而形成焊点，焊接过程中不再添加任何额外焊料的一种焊接方法。早期预置的片状和圈状焊料，随着片式元器件的出现，膏状焊料应运而生，并取代了其它形式的焊料，回流焊技术成为SMT的主流工艺。第六章元器件与基板的结合6.3回流焊6.3回流焊回流焊与传统的波峰焊相比，具有下列优点：（1）焊膏能定量分配，精度高，焊料受热次数少，不易混入杂质，并且焊料使用量相对较少；（2）能使用于焊接各种高精度、高要求的元器件，如0603电阻电容以及QFP、BGA、CSP等芯片封装器件；（3）焊接缺陷少，当前不良焊点率已小于10×10-6。回流焊技术，按照加热方法通常分为三大类：热风红外回流焊汽相回流焊激光回流焊第六章元器件与基板的结合6.3回流焊6.3回流焊（1）焊接机理早期的红外回流焊设备只是单靠红外辐射来达到焊接目的的。通常，波长在1.5～10μm的红外线辐射能力最强，约占红外总能量的80%～90%。红外辐射能的传递一般是非接触进行。被辐射到的物体能快速升温，其升温机理是：当红外波长的震动频率与它辐射物体分子间的震动频率一致时，被它辐射到的物体的分子就会产生共振，引发剧烈的分子震动，分子的剧烈震动就意味着升温。红外回流炉设有四个温区，每个温区均有上下加热器，每块加热器都是优良的红外辐射体，能发射出波长在1～8μm的红外线，而被焊接对象，如PCB基材、锡膏中的有机助焊剂、元件的塑料本体，均具有吸收波长1～8μm的能力，因此这些物质手段加热器辐射后，其分子产生剧烈震动，迅速升温到锡膏熔化温度之上，焊膏的活化剂清除掉焊区的氧化物，促使焊料迅速润湿焊区，从而完成焊接。第六章元器件与基板的结合6.3回流焊1.红外热风回流焊（2）红外热风回流焊红外同光一样，也无法穿透物体，像物体在阴影下一样，使得阴影内的温度低于辐射到的地方，当焊接PLCC、BGA器件时，由于器件本体的覆盖原因，引脚处的升温速度要明显低于其它部位的焊点，而产生“阴影效应“，由于元器件表面颜色、体积、外表光亮度不一样，对于元件品种多样化的SMT来说，有时会出现温度不均匀问题。为了克服这些缺点，90年代后出现的回流焊炉中均具有热风循环的功能，从而红外回流焊的能力大大增强。对流传热的原理是热量依靠媒介的运动而发生传递，在红外热风回流焊炉中，媒介是空气或氮气，对流传热的快慢取决于热风的速度。通常风速控制在1.8m/s的范围内。热风的产生常以两种方式：由轴向风扇和切向风扇产生。轴向风扇形成的风源会形成不同的气流速度，且在不同的加热区中风压有所不同，并在整个生产区会产生一个薄的层流，热风层流运动会造成各个温区的温度分界不清，易于形成不必要的混合，还会造成元件位移第六章元器件与基板的结合6.3回流焊1.红外热风回流焊切向风扇安装在加热器外侧，工作时由切向风扇产生板面涡流，此时热风的吹入和返回在同一温区，因此前后温区的温度不会出现混合情况，在传送方向上没有层流，而仅在加热板上产生涡流，故每个温区的温度可以精确的控制。典型的热风红外回流焊炉如图所示，通常它由5个温区组成，各温区配置了面状远红外加热器和热风加热器。第一和第二温区的温度上升范围由室温到150℃（PCB上的温度）第三和第四温区的加热起到保温作用，主要是为了实现焊区加热更均匀，以保证焊接元器件在充分良好的状态下进入焊接温区；第五温区为焊接温区，出炉后常温冷却。第六章元器件与基板的结合6.3回流焊1.红外热风回流焊第六章元器件与基板的结合6.3回流焊2.气相回流焊汽相回流焊又称汽相焊（VaporPhaseSoldering,VPS）,这种焊接方法是1973年由美国Wster电气公司开发成功的。起初主要用于厚膜集成电路的焊接，由于VPS具有升温速度快、温度均匀恒定的优点，被广泛用于一些高难度电子产品的焊接中。但由于在焊接过程中需要大量使用形成“汽相场”的传热介质—FC-70，它价格昂贵，又是典型的臭氧层损耗物质（ODS）,此外在VPS过程中还需使用FC-113(典型的ODS物质)，故VPS未能大生产中全面推广应用。汽相焊原理是利用加热FC-70类高沸点的液体作为转换介质，利用它沸腾后产生饱和蒸汽，遇到冷却工件放出汽化潜热，从而使工件本身升温并达到焊接所需要的温度，蒸汽本身却转化为同温度的流体。(1)气相回流焊的优缺点第六章元器件与基板的结合6.3回流焊2.气相回流焊与红外回流焊相比较，汽相回流焊具有如下优点：由于被焊接物置于恒定温度的汽相场中，汽相潜热释放对被焊接元器件的物理结构和几何形状不敏感，所以可使用组件均匀地加热到焊接温度，特别对于超大型的BGA以及形状复杂的表面贴装器件的焊接十分有利。焊接温度保持一定，无须采用复杂的温控手段就可以精确保持温度，不会发生过热，并可以采用不同沸点的加热介质，以满足不同温度的焊接的需要。例如采用低熔点的焊料实现对热敏元件的焊接，确保焊接件的可靠性。VPS的汽相场中是介质的饱和蒸汽，密度比空气大的多，即含氧量低，有利于形成高质量的焊点，这对于BGA、CSP等器件的焊接是十分有利的。热转换效率高，加热速度，焊接时间短。尽管由于热介质价格昂贵而难以广泛推广应用，但由于上述的独特的特点，仍是一种重要的焊接手段，一旦新的转换介质研究成功，应用前景很广阔。（2）汽相焊的热转换介质与设备热转换介质早期用于VPS的材料是1975年美国3M公司推出的全氟化液体FC-70，化学名称是全氟三胺。尽管FC-70具有较高的热稳定性和化学稳定性，但长时间的高温下（通常在汽相焊机运行80小时以后），还会或多或少地发生低级别的分解。最初发现分解的现象是在蛇形不锈钢管外壳上沉积一层绿色的与棕色的沉积物。经分析表明，绿色沉积物是金属氯化物，棕色沉积物是金属氟化物。金属氟化物源于不锈钢材质，而氯化物是因为在汽相焊接过程中，所使用的二级气体FC-113,这种材料通常也是非常稳