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表面贴装技术新工艺及发展趋势

发布时间: 2013-12-06 02:02 作者: 浏览次数: 12 字号:

只要关注一下如今在各地举办的形形色色专业会议的主题,我们就不难了解电子产品中采用了哪些最新技术。CSP(芯片尺寸封装)、0201无源元件、无铅焊接、MCM(多芯片组件)和AXI(自动X射线检测)可以说是近来许多公司在PCB上实践和积极评价的热门先进技术,而随着这些新技术的实施,也带来了一些新的挑战,例如在CSP和0201组装中常见的超小开孔(250μm)就使得焊膏印刷遇到以前从未有过的基本物理问题。

 

芯片级封装技术

 

在BGA(球栅阵列)技术开始推广的同时,另外一种从BGA发展来的CSP封装技术正在逐渐展现它的生力军本色,金士顿、勤茂科技等领先内存制造商已经推出采用CSP封装技术的内存产品。CSP(Chip Scale Package)即芯片尺寸封装,作为新一代封装技术,它在TSOP、BGA的基础上性能又有了革命性的提升。CSP封装可以让芯片面积与封装面积之比超过1:1.14,已经相当接近1:1的理想情况,绝对尺寸也仅有32平方毫米,约为普通BGA的1/3,仅仅相当于TSOP面积的1/6。这样在相同封装尺寸内可有更多I/O,使组装密度进一步提高,可以说CSP是缩小了的BGA。

 

CSP封装芯片不但体积小,同时也更薄,其金属基板到散热体的最有效散热路径仅有0.2mm,大大提高了芯片在长时间运行后的可靠性,其线路阻抗较小,芯片速度也随之得到大幅提高,CSP封装的电气性能和可靠性也相比BGA、TOSP有相当大的提高。在相同芯片面积下CSP所能达到的引脚数明显也要比后两者多得多(TSOP最多304根,BGA以600根为限,CSP原则上可以制造1,000根),这样它可支持I/O端口的数目就增加了很多。此外,CSP封装芯片的中心引脚形式有效缩短了信号的传导距离,衰减随之减少,使芯片的抗干扰、抗噪性能得到大幅提升,这也使CSP的存取时间比BGA改善15%?20%。

 

在CSP封装方式中,芯片通过一个个锡球焊接在PCB板上,由于焊点和PCB板的接触面积较大,所以芯片在运行中所产生的热量可以很容易地传导到PCB板上并散发出去;而传统的TSOP封装方式中,芯片是通过芯片引脚焊在PCB板上的,焊点和PCB板的接触面积较小,芯片向PCB板传热就要相对困难一些。CSP封装可以从背面散热,且热效率良好,CSP的热阻为35℃/W,而TSOP热阻40℃/W。测试结果显示,运用CSP封装的芯片可使传导到PCB板上的热量高达88.4%,而TSOP芯片中传导到PCB板上的热能为71.3%。另外由于CSP芯片结构紧凑,电路冗余度低,因此它也省去了很多不必要的电功率消耗,致使芯片耗电量和工作温度相对降低。

 

目前CSP已经开始应用于超高密度和超小型化的消费类电子产品领域,如内存条、移动电话、便携式电脑、PDA、超小型录像机、数码相机等产品(图1)。

 

无源元件的进步

 

另一个新兴领域是0201无源元件技术。由于市场对小型线路板的需要,人们对0201元件十分关注,主要原因是0201元件大约为相应0402尺寸元件的三分之一,但其应用比以前的元件要面临更多挑战。自从1999年中期0201元件推出,移动电话制造商就把它们与CSP一起组装到电话中,以减少产品的重量与体积。据测算在相同面积印制板上0201元件安装的数量将是0402的2.5倍,也就是说,增加200个0201电阻电容省下的空间还可再安装300个元件,当然也可节省100mm2空间用来安装一个或更多CSP。

 

但处理这类封装相当麻烦,要减少工艺缺陷(如桥接和直立),焊盘尺寸优化和元件间距是关键。只要设计合理,这些封装可以紧贴着放置,间距可小至0.1mm。

 

除此之外,焊膏印刷、元件贴装也是要面对的问题。但庆幸的是机器制造商、元件供应商、印制板制造商、模板工厂和锡膏制造商正在加强相互之间的联系,以形成一个更加无缝的开发过程,最终的结果将使广大印制板组装厂商受益。

 

无铅焊接

 

无铅焊接是另一项新技术,许多公司已经开始采用。这项技术始于欧盟和日本,起初是为了在进行PCB组装时从焊料中取消铅成份。实现这一技术的日期一直在变化,最初提出在2004年实现,最近提出的日期是在2006年。不过,许多公司现正争取在2004年拥有这项技术,有些公司现在已经能提供无铅产品。

 

现在市场上已有许多无铅焊料合金,美国和欧洲最通用的合金成份是95.6Sn/3.7Ag/0.7Cu。处理这些焊料合金与处理标准Sn/Pb焊料相比较并无多大差别,其中的印刷和贴装工艺是相同的,主要差别在于再流焊工艺,也即大多数无铅焊料必须采用较高的液相温度。Sn/Ag/Cu合金一般要求的峰值温度比Sn/Pb焊料高大约30℃。另外,初步研究表明,其再流焊工艺窗口比标准Sn/Pb合金要严格得多。但从无铅组装的可靠性可以看出,它完全比得上Sn/Pb焊料。

MCM技术

HSPACE=12 ALT=”图1:采用MCM技术的IBM Power5处理器带有八颗核心。”>

 

尽管CSP封装的裸芯片尺寸与封装尺寸基本相近,可使电路组装密度大幅度提高,但人们在应用中也发现,无论采用何种封装技术封装后裸芯片的性能总是比未封装的要差一些。于是人们对传统的混合集成电路(HIC)进行彻底的改变,提出了多芯片组件(MCM)封装模式。

 

MCM是上世纪90年代以来发展较快的一种先进混合集成电路,它把几块IC芯片或CSP组装在一块电路板上,构成功能电路板(图2),它是用电路组件功能实现系统级的基础。随着MCM的兴起,封装概念发生了本质的变化,在20世纪80年代以前,所有的封装是面向器件的,而MCM可以说是面向部件或者说是面向系统或整机的。MCM技术集先进印刷电路板技术、混合集成电路技术、表面安装技术、半导体集成电路技术于一体,是典型的垂直集成技术,对半导体器件来说,它是典型的柔型封装技术,是一种电路的集成。MCM的出现为电子系统实现小型化、模块化、低功耗、高可靠性提供了更有效的技术保障。

 

对MCM发展影响最大的莫过于IC芯片。因为MCM高成品率要求各类IC芯片都是良品(KGD),而裸芯片无论是生产厂家还是使用者都难以全面测试老化筛选,给组装带来了不确定因素。CSP的出现解决了KGD问题,CSP不但具有裸芯片的优点,还可像普通芯片一样进行测试老化筛选,使MCM的成品率得到保证,大大促进MCM的发展和推广应用。目前MCM已经成功地用于大型通用计算机和超级巨型机中,今后将用于工作站、个人计算机、医用电子设备和汽车电子设备等领域,2004年产值有望突破110亿美元,进入全面实用化阶段。

 

AXI检测技术

 

在BGA、CSP等新型元件应用中,由于焊点隐藏在封装体下面,传统的检测技术已无能为力。为应对新挑战,自动X射线检测(AXI)技术开始兴起。组装好的线路板沿导轨进入机器内部后,其上方有一个X射线发射管发射X射线,穿过线路板后被置于下方的探测器(一般为摄像机)接收,由于焊点中含有可以大量吸收X射线的铅,因此与穿过玻璃纤维、铜、硅等其它材料的X射线相比照射在焊点上的X射线被大量吸收,而呈黑点产生良好图像(图3),使得对焊点的分析变得直观,用简单的图像分析算法便可自动且可靠地检验焊点缺陷。

 

AXI检测技术已从以往的2D检验发展到目前的3D检验。前者为透射X射线检验,对于单面板上的元件焊点可产生清晰的视像,但对于目前广泛使用的双面贴装线路板,效果就会很差,因为两面焊点的视像会重叠而难于分辨。3D检验法采用分层技术,将光束聚焦到不同的层上并将相应图像投射到一高速旋转接受面,由于接受面高速旋转使位于焦点处的图像非常清晰,而其它层上的图像则被消除,故3D检验法可对线路板两面的焊点独立成像。

 

3D X射线技术除了可以检验双面贴装线路板外,还可对那些不可见焊点如BGA等进行多层图像“切片”检测,即对BGA焊接连接处的顶部、中部和底部进行彻底检验。同时利用此方法还可测通孔(PTH)焊点,检查通孔中焊料是否充实,从而极大地提高焊点连接质量。

 

AXI检测技术为SMT生产检测手段带来了新的变革,可以说它是目前那些渴望进一步提高生产工艺水平、提高生产质量、并将及时发现装联故障作为解决突破口的生产厂家的最佳选择。按照目前SMT器件的发展趋势,其它装配故障检测手段由于其局限性而寸步难行,X射线自动检测设备将成为SMT生产设备的新焦点并在SMT生产领域中发挥着越来越重要的作用。

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