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1、SMT可制造性设计应用研讨会讲义（中）4.0 基板和元件的选择选择适当的材料是设计工作内的注意部分。材料的选择必须考虑到他的寿命和可制造性。许多设计人员只注重在元件的电气性能、供应和成本的做法是不全面的。在电子工业中，大部分所用的材料都对温度有一定的反应和敏感性。而在电子板的组装过程中又必须经过一定程度，而有时又不只一次的高温处理。所选用的元件和基板等是否会变质呢？元件原有的寿命是否会缩短了呢？这些也都是需要加以考虑的。在产品的服务期内，产品本身也会经历一些热变化，如环境的温度变化，产品本身电源的接通和切断产生的热功率等等。这些热起的体形变化对SMD焊点起着不利的影响，是SMT产品中的一个主要
2、寿命问题根源。所以在设计时对这方面的考虑也是重要的工作。4.1基板的选择和考虑基板的作用，除了提供组装所需的架构外，也提供电源和电信号所需的引线和散热的功能。所以对于一个好的基板，我们要求它有以下的功能：1. 足够的机械强度(附扭曲、振动和撞击等)。2. 能够承受组装工艺中的热处理和冲击。3. 足够的平整度以适合自动化的组装工艺。 4. 能承受多次的返修(焊接)工作。5. 适合PCB的制造工艺。6. 良好的电气性能(如阻抗、介质常数等)。在基板材料的选择工作上，设计部门可以将所有产品性能参数(如耐湿性、布线密度、信号频率或速度等)和材料性能参数(如表面电阻、热导、温度膨胀系数等)的关系列下。做
3、为设计选择时的考虑用。目前较常用的基板材料有XXXPC、FR2、FR3、FR4、FR5、G10、和G11数种。XXXPC是低成本的酚醛树脂，其它的为环氧树脂。FR2的特性和XXXPC接近，但付阻燃性。FR3是在FR2的基础上提高了其机械性能。G10较FR3的各方面特性都较强，尤其是防潮、机械性能和电介质方面。G11和G10接近，不过有较好的温度稳定性。FR4最为常用，性能也接近于G10，可以说是在G10的基础上加了阻燃性。FR5则是在G11的基础上加了阻燃性。目前在成本和性能质量方面的考虑上，FR4可说是最适合一般电子产品的批量生产应用。对于有大和微间距的元件，而由采用双面回流工艺的用户，可以
4、选择FR5以求较可控的工艺和质量。为了解决基板和元件之间温度膨胀系数匹配的问题，目前有采用一种金属层夹板技术的。在基板的内层夹有是铜和另一种(常用的为殷钢，也有的用42号合金或钼)，这中间层可用做电源和接地板。通过这种技术，基板的机械性能、热导性能和温度稳定性都可以得到改善。最有用的是，通过对铜和殷钢金属比例的控制，基板的温度膨胀系数可以得到控制，使其和采用的元件有较好的匹配，而增加了产品的寿命。在整个SMT技术应用中，基板技术可以算是较落后的。从目前的用户要求和基板发展商方面了解到，今后基板技术的发展，应该是朝以下的方向前进。1. 注更细的引线和间距工艺(层加技术已开始成熟)。 2. 更大和
5、更厚(用于更多层基板)。 3. 减少温度膨胀系数(新的材料或夹板技术)。4. 更好的热传导性能(目前也有在研究通过辐射散热的)。5. 更好的尺寸和温度稳定性。6. 可控基板阻抗。7. 氧化保护工艺的改革(锡膏成份有可能改变)。这些展望意味着基板技术有可能在将来有个大的改革。设计师应对这方面的动向保持留意。做好需求改变的准备。在基板技术的可制造性考虑上，绿油(防焊层)的应用是其中的一个重点。一般SMT用户很少去了解基板制造商对渌油的选择和应用。也缺乏这方面折知识。所使用渌油的化学特性，必须能符合基板的组装工艺(返修、点胶固化、油印等)，也必须能融合或接受组装工艺上所采用的一切化学材料，如助焊剂和
6、清洁剂等。这方面的资料应向基板供应商要求。注意有些化学反应的资料未必有。但至少用户可以知道那方面是可能存在问题的。在需要时可以要求基板或绿油供应商协助试验分析。基板业中常用的绿油工艺有四种，分别为液态丝印工艺、液态光绘工艺、干膜工艺和干湿混合工艺。液态丝印工艺成本最低，但质量(精度和分析度)较差，用于面积较小和密度较低的产品基板。干膜工艺精度和分析度很好，但成本高和涂布后的厚度较高，不利于某些工艺。干湿混合工艺的强点是对接通孔的充填能力强，但固化工艺必须做得完整，否则在SMT组装中会有泄气的不良问题。液态光绘工艺的发展潜能很高，他有很好的精度和分析度，成本低于干膜工艺，而且能控制较薄的厚度，对
7、锡膏丝印工艺有利。不足的是此工艺对接通孔的充填能力较弱。在SMT组装工艺上常见的绿油相关问题不少，如绿油太厚造成锡膏丝印工艺的难控，绿油在基板制造时固化不良而泄气(形成焊点气孔)或裂开(腐蚀开始和应力集中)，材料吸湿而造成绿油层在回流时的脱离，基板绿油工艺不良而造成绿油和焊盘界面的断裂，以及某些干膜材料容易引起焊球问题等等都是较常见的。4.2 元件的选择和考虑对元件的选择，一般必须做到的考虑点最少有以下几方面1. 电气性能。2. 占地效率(三维)。3. 成本和供应。4. 元件可靠性和使用环境条件。5. 和设计规范的吻合。6. 适合厂内的工艺和设备规范。7. 可组装性、可测试性(包括目视检查)。
8、8.和制造相关的资料是否完整可得(如元件完整详细外形尺寸、引脚材料、工艺温度限制等)。 在可制造性考虑上，元件的选择始于对封装的了解。元件的封装种类繁多，也各有各的长处。做为设计人员，对这些封装技术应该有一定的认识。才有能力在可选择的范围内做出最优化(即适合高质量高效率的生产)最适当的选择。要很好的做出选择，设计人员应该要有最基础知识的认识。比如去了解元件封装的目的。如果了解封装的目的之一是提供散热，那在设计上自然而然的考虑到不同封装的散热性能。了解到散热和IC的引脚材料有关后，便自然而然地考虑到是否需要采用铜而放弃42号合金的引脚之类的问题。对于元件封装和组装工艺相关的问题，已不在只是工艺或
9、生产工程师的事了。设计人员也应该有所了解。比如在爆米花效应(Pop-com effect,因元件吸湿而在回流过程中爆裂的现象)的考虑上，在可选的情况下会优选PLCC44而不用QFP44。又如对SOIC的底部浮起高度的考虑，市面上有不太统一的规范，设计人员应该了解到不同高度指标对厂内现有的工艺和设备将会造成什么问题。如当产品设计较大，厂内工艺采用精洗工艺时，元件选择上就应该规定较高standoff的元件。另一个例子，如果厂内采用的贴片机注意的。元件的选择考虑也应包括元件的包装。不同的包装有不同的生产效率和成本。应按厂内设备和管理的情况加以考虑选择。5.0 热处理设计热处理在SMT的应用上是很重要
10、的学问。原因之一是SMT技术在组装密度上不断增加，而在元件体形上不断缩小，造成单位体积内的热量不断提高。另一原因是SMT的元件和组装结构，对因尺寸变化引起的应力的消除或分散能力不佳，造成对热变化引起的问题特别严重。常见的故障是经过一定时间的热循环后(环境温度和内部电功率温度)，焊点发生断裂的现象。在设计是考虑热处理问题有两方面，一是半导体本身界面的温度，另一是焊点界面的温度。在分析热性能的时候，有两大注意方面。一是温度的变化幅度和速率，另一是处在高低温度下的时间。前者关系到和温差有关的故障，如热应力断裂等。后者关系到和时间长短有关的故障，如蠕变之类。所以他们的影响是不同的，故障分析时都应个别测
11、试和考虑。因为受热而为害产品的其中一种方式是热冲击。产品在其寿命期间，尤其是在组装过程受到的热冲击(来自焊接和老化)，如果处理不当，将会大大的影响其质量和寿命。这种热冲击，由于来得较快，即使材料在温度系数上完全配合也会因温差而造成问题。除了制造上的热冲击，产品在服务期间也会经历程度不一的热冲击，比如汽车电子在冷天气下启动而升温等等。所以一件产品在其寿命期间，将会面对制造、使用环境(包括库存和运输)和本身的电功率耗损三方面的热磨损。为确保寿命而努力的热处理工作，对于半导体或元件供应商、设计和组装工厂、元件产品的用户各方面都有本身的责任。元件商的责任在于确保良好的封装设计、使用优良的封装材料和工艺
12、、并提供完整有用的设计数据给他的用户(即产品设计和组装工厂)。产品设计和组装工厂的责任则在于设计时的热处理考虑，正确和足够散热的采用，以及正确的组装工艺应用和管制。至于产品用户，则应根据供应商建议的使用方法、环境和保养来使用这产品。要确保产品有较长的寿命，有效的散热处理和热平衡设计就成了重要的工作。散热的方式，一般还是通过热传播的三个基本原理，即热的传导、对流和辐射来达到的。在散热考虑上有几个难处。从避免有噪音(机械和电气噪音)和成本的观点上，我们偏向于采用自然空气对流的方法来散热。但从防止腐蚀和电移等观点上，我们又希望将产品和空气隔开。这样的矛盾，加上空气流动学和复杂学问，而产品组装起来的外
13、形(元件高矮距离的布局)对空气的流动造成的影响，基本的结构和对各不同热源(元件)的散热分担等等都是复杂的学问。目前也还没有能较好准确进行整体分析软件之类的工具来协助设计工作。所以这工作做起来相当棘手。很多时候还得凭经验和尝试。传统的以热阻公式的估计法依然通用，唯对多元件合成的整体产品的分析准确度不高(个别估计还可以)。但因为没有更可靠的方法，目前的软件还是建立在这基础上的。从THT(插件技术)到SMT的转变中，我们可以发现元件的体形缩小了，产品的组装密度增加了，元件第部和基本间的距离缩短了，这些都导致通过对流和辐射散热功效的减低，而通过基板的传导来散热就更重要了(虽然基板因密度增加也造成传导散
14、热效率不良)。在元件封装技术上，SMDIC方面的设计通过不同引脚材料的选用和内部引脚底盘的尺寸设计而大有改善(较插件DIP的效果好)，但这改进很多时候还应付不了组装密度的增加、元件的微型化和信号速度快速增加等方面发展连带的散热问题。温度膨胀系数失配的问题，除了材料外也和元件和基板的大小有关。比如2220的矩形件在这方面的寿命就较1206来得短，而LCCC156也会较LCCC16的寿命短许多。一份试验报告显示LCCC156的热循环测试寿命为183周，对同测试条件下LCCC16的722周寿命小了许多，只有他的25%左右。解决这类问题或延长寿命的方法，工业界中有几种对策。当然最基本的是尽量选择有引脚
15、的元件，尤其是体形较大的元件。其中翼形引脚在这方面的可靠性算是较好的。另一种做法是采用有金属夹层(如上提到的铜一殷钢夹板)的基本设计，这是种相当理想的做法。但价格昂贵而且供应商少。第三种做法是采用在环氧树脂和铜焊盘间加入一层弹胶物的基板设计，这弹胶层的柔性可以大大吸收因温度变化产生的应力。还有一种做法是采用了一种特制的锡膏，在锡膏中加入了某些专人成份的陶瓷或金属细球体，使焊点在回流后被托高起来。较高的焊点有更强的吸收应力的能力。很多时候，单靠正确的材料选择和设计还是不足以完全解决散热的问题。因此额外的设计就必须被用上。在散热处理中，通过辐射的方法以往不被采用(这方面有新发展，稍后提到)。原因是
16、辐射散热需要有较大的温差才有效，也就是说热源要相当的热而一般不被接受(散热就是使元件处于低热)；同时散热的途径不易被控制(辐射是往各方向进行的)，会造成对周边元件的加热现象。对流散热常被使用，其中有自然对流和强制对两种方法。自然对流较经济简单，但有一定的限制。如热源不应超过每单位立方米1万两千瓦特、空气和热源的温差应超过30度以上等等条件。强制对流，即采用风扇吹风或排风的做法，是个相当常用和有效的方法。可以用在整机或单一元件(如电脑中的处理器IC)上。一般它的散热效率可达自然对流的4至8倍。缺点是成本、重量、耗能等都高。传导散热技术，在产品不断微型化下逐渐被重视和采用。一般配合基板材料的选用和
17、设计(如金属内夹板)，使热能通过基板的传导扩散到基板外去。一般传到板边缘的金屑支架或机壳上。散热能力可以达到每单位立方米25万瓦特(自然对流的20倍)。另外还有很少被使用和液体散热技术，散热能力可达自然对流的80倍。由于产品的基板必须被浸在冷却液体中，液体材料的选择要很小心。以确保不会影响产品的电气性能和起化学变化。这方面系统的设计也较困难，成本很高，所以只用在特大功率如特大型的电脑上。采用黏性较大的冷却液体还能同时起着避震的作用。液态散热也有自然对流和强制对流两种做法。目前工业界中有工厂在开发一套新的散热技术，是采用辐射原理的。借助于类似无线电天线的发射原理，把热能当做是一种波来发射离热源。据已表的研究报告，通过在元件底部基板上铜分布和图形，元件基板内层的结构设计，其辐射散热的效果可以达到采用一般散热器的两倍多。目前这项研究仍进行中，是要找出铜分布图形和散热能力的确实关系。以下是一些有用的散热考虑：1.在空气流动的方向上，对热较敏感的元件应分布在上游的位置。2. 发热较高的元件分散开来，使单位面积的热量较小。3.将热源尽量靠近冷却面(如传导散热的板边等等)在使用强制空气对流的情况下：4. 较高的元件应分布在热源的下游地方。5.下游的高元件应和热源有一定的距离。6. 高长形的元件应和空气流动方向平行。