现代电子装联核心理念

现代电子装联核心理念现代电子装联核心理念电子信息产业是国家的战略性技术力量，要实现国内卓越、国际一流企业的目标；其中一个重要的基础就是工艺，必须高度强调工艺的重要性，强化工艺管理，系统开展工艺管理的研究。电子信息工艺，从技术层面来讲，主要不外乎机械工艺、电装工艺和化工工艺三大类；作为以研制生产高可靠电子装备为核心的国家战略性基础产业，我们唯一有可能的“优势”是电子装备的电路设计和电子装联技术！那是我们的“看家本领”，其它无论什么专业、什么技术，例如结构设计和机械制造都不是我们的强项。我们在总装先进制造技术专家组里唯一的项目是《电气互联技术》，即电子装联技术；如果我们丧失了电路设计和电子装联技术这个我们赖以为生的“看家本领”，就很难维持。实践证明，电子产品能够影响大局的也是电路设计和电子装联技术。什么是电装？什么是电装工艺？电装，是电子装联的简称，指的是在电子电气产品形成中采用的装配和电连接的工艺过程。电装工艺的含义是，“现代化企业组织大规模的科研生产，把许多人组织在一起，共同地有计划地进行电子电气产品的装配和电连接，需要设计、制定共同遵守的电子装联法规、规定，这种法规和规定就是电装工艺技术，简称电装工艺”。就电子行业的大部分企事业单位而言，影响电子产品的昀后成败起关键作用的几率或因素，结构设计相对于电路设计，机械加工相对于电子装联，哪一个的几率要高一些？哪一个的因素要多一些？其实，答案十分明确：影响电子产品的昀后成败起关键作用的几率电路设计高于结构设计，电子装联高于机械加工。现实的情况是改革开放三十年来，我们的机加工设备和电子装联设备都进行了大规模的升级和更新；机械加工技术更加先进，各个研究所相继建立的数控中心包揽了过去的多种加工手段，机械化、自动化程度极大地提高，加工精度提高；与之相对应的是机构件的形式更加标准化和模块化，结构设计的可制造性较好，结构设计基本上能符合先进加工设备的要求，由此，机加工工人得以大幅度减少。然而，电子装联的情况很不乐观：如果说结构设计专业与机加工工艺在技术上有某些共性之处，那么电路设计专业和电子装联技术根本没有共性之处；与结构设计人员对机加工工艺和机加工设备的了解相比较，电路设计人员对电子装联技术和电子装联设备的了解就显得十分不足；虽然电子装联设备进行了大规模的升级和更新，但是由于元器件、电子装联技术和电子装联设备的高速发展，相对于结构设计来讲，电路设计的可制造性问题十分突出；我们目前升级和更新的电子装联设备只是一些能面对比较单一的印制电路板组件的SMT设备，而对于线缆组件、整机和单元模块，对于微波、高频和超高频电路模块，面对屏蔽盒结构的印制电路板组件，这些电子装联设备显得十分苍白和无能为力；由于研究所的电子产品大部分属于单件或少件，先进的SMT设备并没有充分发挥作用，相对于数控加工设备，SMT设备使用率要低得多；由于上述种种因素，绝大部分的电子装联还基本上处于手工作业，因此在机加工工人大幅度减少的同时，电装工人的数量不但没有减少，反而不断增加。由此，电子装联的问题十分突出：一方面是电路设计跟不上元器件、电子装联技术和电子装联设备的高速发展，电路设计文件可制造性差；另一方面，绝大部分电子产品的电子装联基本上还处于手工作业，新工人大量增加，组装焊接质量得不到有效保证；而我们的工艺管理模式又制约了这些矛盾的解决；这几个因素加起来对于电装工艺无疑是雪上加霜，电装工艺真可谓是举步维艰啊。那么，现在电路设计和电子装联处于一个什么状态呢：一.随着高密度细间距器件、微小型元件和电子装联技术的高速发展，电路设计的功能逐渐弱化，过去的一个电路单元、一个模块甚至一部分机，现在用一个器件，例如一个高集成的QFP或BGA再加上少量的外围电路即可取代；我们的电子设备功能大幅度扩展，然而体积同步大幅度缩小，可靠性大幅度提高，其核心不是电路设计更加先进了，而是使用了高密度微小型元器件以及支撑高密度细间距器件及微小型元件的电子装联技术。以微波电路为例，在五、六十年代是波导，六、七十年代是同轴腔体，八十年代以后是微带线，今后是什么？是以MCM为技术基础的LTCC，是电子装联的分支—微组装技术。图1电路功能相同的三代收音机图2七十年代常用的电原理图模式图3已经给出电路特性的208脚QFP图4九十年代以后的电原理图模式—一块芯片外加少量的外围电路我们现在的电路设计人员在做什么？大量的工作是做环境试验，是做产品的可靠性试验，说穿了是器件在高低温环境下的可靠性试验。与电路设计相比，电装工艺人员从事的电子装联技术是当前昀具生命力，发展昀为迅速的一门高科技技术，是一门电路、工艺、结构、组件、器件、材料紧密结合的多学科交叉的工程学科。二.电子装联技术的高速发展1.电子封装技术的发展1）电子装联技术随着电子封装技术的发展经历了六代变化，八十年代以来，IC封装由DIP双列直插式向SOIC，PLCC方向发展，九十年代是IC封装的迅速发展时期，其中昀引人注目的是IC封装从周边端子型（以QFP为代表）向球栅阵列型（以BGA为代表）的转变。年代项目第一代50年代第二代60年代第三代70年代第四代80年代第五代90年代第六代21世纪初特征电子管时代晶体管时代集成电路时代大规模/超大规模集成电路时代超大规模集成电路时代post-SMT元器件电子管大型元器件晶体管轴向元器件径向元器件IC高混合IC轴向元器件径向元器件初级厚/薄膜混合ICQFP，SOP，SOJ，PLCC，片式元件；LSI/VLSI/多层厚/薄膜混合IC裸芯片BGA，CSP，薄膜元件无源CSPPOP，SDPMCP，SCSP组装方式端子式连接手工THT自动THTSMT复合组装HDI组装复合化3D封装2）随着电子产品对于小型化、轻量化、多功能化、大功能集成和高可靠性的发展趋势以及大存储空间要求的进一步提升，元器件的小型化高密度封装形式越来越多，继引脚中心距为0.3mm的QFP出现后，又出现了高密度球珊阵列器件（BGA），芯片级封装器件（CSP），多芯片组件（MCM），系统集成封装（SiP），倒装芯片（FC）以及0201、01005等微小型元件；而由于QFP的局限性，已经呈现出被CSP取代的趋势。年代197519791985199119982005公制（mm）321620121608100506080402英制（inch）1206080506030402020101005尺寸（mm）3.2×1.6×1.22.0×1.2×1.21.6×0.8×0.81.0×0.5×0.50.6×0.3×0.30.4×0.2×0.2体积(mm)3(体积比）6.14（100）2.88（47）1.02（17）0.25（4.1）0.054（0.88）0.016（0.26）3）阻容元件尺寸不断变化，01005已近极限。里程碑年代技术特征应用有引脚元件THT工艺，波峰焊接所有电子设备表面贴装元件1975SMT工艺，再流焊接为主，波峰焊接为辅所有电子设备集成无源CSP20010402，0201，无源CSP高密度电子设备埋置无源CSP（0201）20030402，0201，无源CSP埋置在基底中便携式电子设备及蓝牙模块等埋置无源CSP（01005）20060201，01005，无源CSP埋置在基底中便携式电子设备及蓝牙模块等4）多个无源功能块集成在同一器件内，形成无源CSP。5）复合化与3D封装电子设备追求高性能、高功能，向轻薄短小方向发展永无止境，超小型便携电子设备的需求急速增加。急需要采用元器件复合化和三维封装的形式。图5器件封装方式的演变2.电子装联技术的发展趋势随着片式元器件（SMC/SMD），基板材料，装焊工艺，检测技术的迅速发展，特别是军级SMC/SMD的生产，21世纪初叶我国电子装备中SMC/SMD的使用率将迅速增加到90%以上；在一些小型化电子装备中将大量使用BGA，以SMT为主流的混合组装技术（MMT）将是21世纪初叶我国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DCA组装技术的推广应用，将会出现DIP、SMC/SMD和倒装片在同一电路板上组装，以至在一些先进的电子装备中将应用把CSP装于MCM上，再进行3D组装的3D+MCM先进组装技术。1）基于Web的板级电路CAD/CAPP/CAM/CAT设计、制造、测试一体化技术国内外正在研究开发基于Web的板级电路CAD/CAPP/CAM/CAT设计、制造、测试一体化技术。美国一家公司已经开发出应用于板级电路的设计、组装、组装测试、质量监控、物料追踪管理及虚拟工厂等贯穿整个生产流程的eMPower模块集成应用软件。在板级电路二维设计和组装方面，以色列VALOR公司的DFM软件是一个包括CAD设计（DFM），电路板检查和工程制造（CAM），装配检查和新产品导入（NPI）的软件系统，从而实现了基于Web的板级电路CAD/CAPP/CAM/CAT一体化技术。目前板级电路模块SMT技术的发展主要体现在以下八个方面：（1）设计理念：由串行设计向并行设计变化，即向板级电路模块可制造性设计，可制造性分析，虚拟设计方向发展。（2）基板材料：由刚性基板向特种基板变化，向超薄型基板变化；即由FR4等刚性基板向刚—挠基板，柔性基板发展，基板厚度由1mm~1.5mm向0.02mm发展，在0.02mm柔性基板上实现高密度组装；预计20年内会看到分子电路板，到时电路板将不再是印制的。（3）组装密度：由中低密度组装向高密度组装方向发展；元器件间安装间距由0.15mm将减小到0.1mm。（4）组装方式：由2维组装向3维组装方向发展，即在板级电路平面组装的基础上向立体方向（Z方向）发展，向板级电路微组装方向发展，向应用0.02mm柔性基板的高密度“叠装”方向发展；PCB、封装和器件将融合成一体。（5）连接技术：板级之间由线缆连接向无线缆连接或柔性基板连接方向发展。（6）组装材料：由常规的铅锡合金焊接向无铅焊接方向发展。（7）清洗技术：向无ODS清洗技术方向发展。（8）应用频率：由中视频电路向高频、超高频及微波频段方向发展。2）post-SMT传统采用基板和电子元器件分别制作，再利用SMT技术将其组装在一起的安装方式，见图6，在实现更高性能，微型化、薄型化等方面，显得有些无能为力。图6传统的SMT组装方式电子安装正从SMT向后SMT（post-SMT）转变，见图7。作为继SMT技术之后SMT的下一代安装技术，将促使电子元器件、封装、安装等产业发生重大变革。驱使原来由芯片→封装→安装→再到整机的由前决定后的垂直生产链体系，转变为前后彼此制约的平行生产链体系，工艺技术路线也必将作出重大调整，以适应生产链的变革。图7电子装联技术的发展3）堆叠装配技术通讯终端产品是加速开发3D封装及组装的主动力，例如手机已从低端（通话和收发短消息）向高端（摄影、录像、电视、广播、MP5、彩屏、和弦振声、蓝牙和游戏等）发展，要求体积小、重量轻、功能多。专家预测：2008年以后手机用存储器将超过PC用存储器。芯片堆叠封装（SDP），多芯片封装（MCM）和堆叠芯片尺寸封装（SCSP）等将大量应用，电子装联技术必须加快自身的技术进步，以适用其发展；与民品的手机从低端向高端演变类似的还有航天领域已经把航天遥测和航天外侧系统设计在一起，军用通信领域把通信、导航、电子对抗、敌我识别和情报侦察系统集成设计在一起。图8薄型封装积层堆叠装配技术是板级电子组装从2级向1.5级跨越的里程碑，是板级电子组装与半导体组装的昀新结合形式，是板级电路高密度组装的昀新成果。堆叠装配技术按其结构特征可分为以下三类：（1）器件内置器件堆叠装配（PiP，PackageinPackage），见图9。图9（2）元器件堆叠装配（PoP，PackageonPackage），见图10。图10图112003年我们已经实现的POP图12POP示意图元器件堆叠装配（PoP）的基本特征是充分利用器件的下方空间，在器件下面再放置元器件；器件的组合可自由选择，总的堆叠装配成本可降至昀低；元器件堆叠装配（PoP）需要有复杂的工艺流程和装