电子产品小型化对下一代SMD技术的影响

上网时间: 2002年08月01日? 作者:Sjef van Gastel? 我来评论 【字号: ? ?小】

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电信设备和计算机外设等高端电子产品的功能越来越强,它们的尺寸和重量却在不断缩减,这只有通过元器件和系统基底的集成化和小型化才能得以实现。与此同时,终端产品的多样化程度也在不断增加,而产品的面市时间却在不断缩短。所有这一切都意味着生产设备的灵活性正在成为日益重要的决定性因素。

小型化和灵活性是SMD技术的两大驱动力量。元器件和系统基底的小型化对SMD贴装机提出了更高的精度要求,随着现有的工艺已接近其应用的极限,对新工艺的需求迫在眉睫。由于新型终端电子产品需要应用先进的元器件及相应工艺,而且其开发和面市规划都具有不确定性,因此高精度SMD贴装设备必须采用高度模块化、灵活、可扩展且可升级的平台结构。

计算机和电信产品正不断将因特网应用和数字成像等功能集成到产品中,这些高端产品决定了先进元器件、基底及贴装工艺的发展。由于全球电子行业的激烈竞争,只有那些能以最快速度创新和提供多样化优秀产品的公司才能获胜。这预示着,处理小型化元器件和灵活性的能力对SMD贴装设备供应商至关重要。

小型化的最大困难在于基底。为获得极高密度的线路板,线分辨率必须降得很低很低,顶层和内层之间的互连将由焊盘上的微通孔(micro-vias)完成,而这需要基底采用层结构。随着特细间距元器件的使用,其相应引脚的准确定位需要局部基准,这些基准可在距其它图案模式不远的小范围内找到。

在线路板连续构成的情况下,微通孔可能出现在焊接区域,因此当图案模式被用做局部基准时这可能也是一种障碍。所以,可选用不同图案模式作为局部基准这种灵活性也是一种优势,因为这样就不必专门定义局部基准。

若分辨率要求很高,线路板尺寸就必须减小,这时陶瓷基底就显得特别重要,尤其是MCM(多芯片模块)的生产。为了实现更进一步的小型化,包含嵌入式元器件的基底正得到越来越广泛的采用,像LTCC(低温合成烧结陶瓷)等。对SMD贴装设备制造商来说,如何处理极薄线路板或灵活基底是很大的挑战。印刷线路板的发展趋势见表1。从表1可以看出,线分辨率、基底厚度和基底大小都在减小,而层数、微通道数和元器件密度却在增加。

元器件的发展趋势

无源器件变得越来越小,分立无源器件即将达到可制造性的极限。对于大批量贴装应用来说,0201器件(0.6 x 0.3mm)仍是最小的。下一步,分立器件将被集成进所谓的集成无源器件中,或集成进到嵌入式无源器件的基底中。电子产品小型化对下一代SMD技术的影响_元器件的发展趋势_1

这些集成无源器件将会在器件的底面突起焊球,而不是在器件的周围引出引脚,其焊点间距也会越来越小。周边引脚的IC器件(如SO和QFP等封装器件)的引脚间距仍在现有间距(最小0.3mm)附近保持稳定。然而,考虑到强度和工艺牢固性等原因,这些器件批量应用的实际最小间距可能为0.4mm。为了进一步减小封装尺寸,像BGA和CSP等区域阵列形式的封装类型正大受欢迎,而倒装器件的包装也将从饼干状转向带状和/或圆片状。元器件的发展趋势见表2。

工艺/技术的发展趋势

电子产品的小型化趋势也迫使倒装芯片和CSP封装器件的焊点间距不断减小,由于工艺的限制,低于某一间距后回流焊工艺便不再适用。

有两种工艺可用于倒装/CSP芯片的回流焊:采用焊膏的C-4处理和采用粘性助焊剂的回流焊。

在这两种倒装芯片回流焊工艺中,焊接后一般需要进行底部填充以解决芯片和基底之间热膨胀差异所带来的问题。至今,焊接后的底部填充都是通过在倒装芯片两边进行流体涂敷的方法来实现的。倒装芯片底边和基底顶边之间的间隙(回流焊后是40(m或更大)相当于毛细管,将填充材料带至倒装芯片的下面。

所有的制造商都不想将底部填充作为单独的工艺来处理,因此混合助焊剂/底部填充流体材料便应运而生。这种混合流体材料的另一个优点是填充系数比较好,因此无须毛细管效应。但低于100(m的间距以下,回流焊就不行了。这时,就要采用导电粘合剂。电子产品小型化对下一代SMD技术的影响_工艺/技术的发展趋势_2

导电粘合剂主要有两种类型:1,等向性导电粘合剂(ICA),包含很多导电微粒,可在所有方向导电;2,非等向性导电粘合剂(ACA),包含很少的导电微粒,只有在加大贴装力度(70~150N/cm2)及局部处理(150~200(C)后才具有导电性。

ACA相对于回流焊的优势在于其更小的间距(50(m相对于100(m)、无须焊接抗蚀剂,而且无须底部填充。ACA的缺点在于焊膏溶化期间元器件无法自己排列,而且其电气阻抗较高。工艺/技术的发展趋势见表4 。这些导电粘合剂工艺的重要性将会日益明显,特别是模块装配制造商。

选择SMD贴装机的主要考虑

在印刷线路板上贴装SMD器件涉及如下步骤:送入PCB;抓取器件;将器件移至元器件排列感应系统(CA);识别器件;将器件移到板上;通过基准排列系统(FA)确认板的位置;贴装器件;将吸抓头移回抓取位置;取出PCB。在这9个步骤中,唯一有效的步骤是元器件的贴装,其它步骤不会增加任何价值,因此应尽可能将它们并行处理,例如:同时抓取多个器件、CA排列与移动并行、抓取循环与贴装循环并行(双机械概念)等。另外,缩减CA和FA的时间也可提高速度及缩短处理时间。

电子制造商在投资下一代SMD贴装机器时,应考虑如下四个方面的问题:


* 生产成本(CoP),取决于折旧/利率成本、运行成本、维护成本和有效产量;


* 运行灵活性,或设备适应生产需求变化的能力。包括变化持续时间、批量灵活性、进料器灵活性和线路板品种系列等;


* 技术性能,即设备贴装下一代元器件的能力(精度、元器件处理和适用工艺等);


* 支持水平,包括维护、易操作性和操作友好特性等。

在考虑新的贴装机时,技术性能是最重要的因素。这是排在其它任何考虑以前的标准。设备通过这一标准后,制造商就可确定其它三个因素的影响,以做出购买何种SMD贴装机的选择。

降低生产成本

降低SMD贴装机的成本非常困难,因为可视系统、伺服系统和机械部件的成本都是固定的。因此,只有通过设计更加智能和快速的贴装机来降低生产成本。在这方面,有5个因素需要考虑:杜绝废品、避免时间的浪费、提高产量、减少操作干预和减少维护。

零缺陷品质是杜绝废品的首要条件。对SMD贴装机来说,其它可能功能还包括集成验证系统和集成贴装品质控制能力。电子产品小型化对下一代SMD技术的影响_印刷线路板的发展趋势_3

减少时间浪费可提高SMD贴装机的效率。一些可以采用的方法包括加速PCB传输或采用双道PCB传输、采用推车式快速变换原理、实施光可视、快速可视及快速工具更换,以及采用更加智能的贴装优化器等。

SMD贴装机的总产出不断提高也是一个稳定的趋势。可通过如下方法实现:提高机器的加速度和速度、采用并行贴装、模块化及可扩展机器的概念,以及采用伺服控制的置放头。

采取主动的贴装质量控制系统也可减少操作员的干预,每部机器放置更多送料器或采用大批量送料器来减少送料补充也可达到目的。后者可通过如下方式降低10%至15%的成本:较低的拾取错误、降低操作员干预、减少存储空间要求、改善送料器动作时间,以及无料浪费。

提高灵活性

有两种灵活性需要考虑:种类灵活性和数量灵活性。种类灵活性可通过减小产品变换难度来实现,主要有以下几种方式:


* 加快PCB转换速度。可以通过灵活的PCB传输系统、软件控制的PCB宽度调节、灵活的PCB支持,以及利用边沿箝位来实现特定PCB零加工定位等方法。


* 利用线控制系统实现软件控制的变换


* 通过增加送料器位置来避免送料器变换,或采用推车原理来加快送料器变换速度。


* 尽量减少吸嘴变换时间,通过快速且无时间损失的吸嘴调换,或增加戏嘴调换速度来减少时间损失。

改进技术性能

SMD贴装机应该能处理先进的元器件、基底及粘合工艺。同时,机器结构也应是可升级的,以适应将来的元器件/粘合工艺。

主要应考虑:


* 元器件小型化需要提高置放精度


* PCB小型化需要提高置放精度和艺术识别


* ACA、ICA和激光等先进的粘合工艺。

改善服务

SMD贴装机正变得越来越易于操作,而且对操作员的依赖程度越来越低。其特性包括:


* 自动化循环校正、线性马达的使用(无须传动)和空气轴承的使用(无摩擦接触)等措施来降低或避免维护


* 采用环境监控等主动维护方法


* 远程诊断


* 先进的多媒体用户界面


* 自动错误恢复。

作者:Sjef van Gastel


Assembléon公司


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