SMT技術之CSP及無鉛技術

 只要關注一下如今在各地舉辦的形形色色的專業會議的主題，我們就不難了解電子產品中采用了哪些技術。  
　　CSP、0201無源元件、無鉛焊接和光電子，可以說是近來許多公司在PCB上實踐和積極評價的熱門*技術。
　　比如說，如何處理在CSP和0201組裝中常見的超小開孔（250um）問題，就是焊膏印刷以前從未有過的基本物理問題。板級光電子組裝，作為通信和網絡技術中發展起來的一大領域，其工藝非常精細。典型封裝昂貴而易損壞，特別是在器件引線成形之后。這些復雜技術的設計指導原則也與普通SMT工藝有很大差異，因為在確保組裝生產率和產品可靠性方面，板設計扮演著更為重要的角色；
例如，對CSP焊接互連來說，僅僅通過改變板鍵合盤尺寸，就能明顯提高可靠性。  
　　CSP應用 如今人們常見的一種關鍵技術是CSP。CSP技術的魅力在于它具有諸多優點，如減小封裝尺寸、增加針數、功能∕性能增強以及封裝的可返工性等。
　　CSP的優點體現在：用于板級組裝時，能夠跨出細間距（細至0.075mm）周邊封裝的界限，進入較大間距（1，0.8，0.75，0.5，0.4mm）區域陣列結構。 已有許多CSP器件在消費類電信領域應用多年了，人們普遍認為它們是SRAM與DRAM、中等針數ASIC、快閃存儲器和微處理器領域的低成本解決方案。
　　CSP可以有四種基本特征形式：即剛性基、柔性基、引線框架基和晶片級規模。
　　CSP技術可以取代SOIC和QFP器件而成為主流組件技術。 　　
　　CSP組裝工藝有一個問題，就是焊接互連的鍵合盤很小。通常0.5mm間距CSP的鍵合盤尺寸為0.250～0.275mm。如此小的尺寸，通過面積比為0.6甚至更低的開口印刷焊膏是很困難的。不過，采用精心設計的工藝，可成功地進行印刷。
　　而故障的發生通常是因為模板開口堵塞引起的焊料不足。板級可靠性主要取決于封裝類型，而CSP器件平均能經受-40～125℃的熱周期800～1200次，可以無需下填充。然而，如果采用下填充材料，大多數CSP的熱可靠性能增加300%。CSP器件故障一般與焊料疲勞開裂有關。 無源元件的進步 另一大新興領域是0201無源元件技術，由于減小板尺寸的市場需要，人們對0201元件十分關注。自從1999年中期0201元件推出，蜂窩制造商就把它們與CSP一起組裝到中，印板尺寸由此至少減小一半。處理這類封裝相當麻煩，要減少工藝后缺陷（如橋接和直立）的出現，焊盤尺寸*化和元件間距是關鍵。只要設計合理，這些封裝可以緊貼著放置，間距可小至150?m。
　　另外，0201器件能貼放到BGA和較大的CSP下方。
　　CSP組件下面的0201的橫截面圖。由于這些小型分立元件的尺寸很小，組裝設備廠家已計劃開發更新的系統與0201相兼容。 通孔組裝仍有生命力光電子封裝正廣泛應用于高速數據傳送盛行的電信和網絡領域。普通板級光電子器件是“蝴蝶形”模塊。這些器件的典型引線從封裝四邊伸出并水平擴展。其組裝方法與通孔元器件相同，通常采用手工工藝—－引線經引線成型壓力工具處理并插入印板通路孔貫穿基板。 　　
　　處理這類器件的主要問題是，在引線成型工藝期間可能發生的引線損壞。由于這類封裝都很昂貴，必須小心處理，以免引線被成型操作損壞或引線-器件體連接口處模塊封裝斷裂。歸根結底，把光電子元器件結合到標準SMT產品中的*解決方案是采用自動設備，這樣從盤中取出元器件，放在引線成型工具上，之后再把帶引線的器件從成型機上取出，zui后把模塊放在印板上。鑒于這種選擇要求相當大資本的設備投資，大多數公司還會繼續選擇手工組裝工藝。
　　大尺寸印板（20×24″）在許多制造領域也很普遍。諸如機頂盒和路由/開關印板一類的產品都相當復雜，包含了本文討論的各種技術的混合，舉例來說，在這一類印板上，常常可以見到大至40mm2的大型陶瓷柵陣列（CCGA）和BGA器件。
　　這類器件的兩個主要問題是大型散熱和熱引起的翹曲效應。這些元器件能起大散熱片的作用，引起封裝表面下非均勻的加熱，由于爐子的熱控制和加熱曲線控制，可能導致器件中心附近不潤濕的焊接連接。在處理期間由熱引起的器件和印板的翹曲，會導致如部件與施加到印板上的焊膏分離這樣的“不潤濕現象”。因此，當測繪這些印板的加熱曲線時必須小心，以確保BGA/CCGA的表面和整個印板的表面得到均勻的加熱。 印板翹曲因素 　　為避免印板過度下彎，在再流爐里適當地支撐印板是很重要的。印板翹曲是電路組裝中必須注意觀察的要素，并應嚴格進行特微描述。再流周期中由熱引起的BGA或基板的翹曲會導致焊料空穴，并把大量殘留應力留在焊料連接上，造成早期故障。采用莫爾條紋投影影像系統很容易描述這類翹曲，該系統可以在線或脫機操作，用于描述預處理封裝和印板翹曲的特微。脫機系統通過爐內設置的為器件和印板繪制的基于時間/溫度座標的翹曲圖形，也能模擬再流環境。

無鉛焊接 　　
　　無鉛焊接是另一項新技術，許多公司已經開始采用。這項技術始于歐盟和日本工業界，起初是為了在進行PCB組裝時從焊料中取消鉛成份。實現這一技術的日期一直在變化，起初提出在2004年實現，zui近提出的日期是在2006年實現。不過，許多公司現正爭取在2004年擁有這項技術，有些公司現在已經提供了無鉛產品。
　　現在市場上已有許多無鉛焊料合金，而美國和歐洲zui通用的一種合金成份是95.6Sn∕3.7Ag∕0.7Cu。處理這些焊料合金與處理標準Sn/Pb焊料相比較并無多大差別。其中的印刷和貼裝工藝是相同的，主要差別在于再流工藝，也就是說，對于大多數無鉛焊料必須采用較高的液相溫度。Sn∕Ag∕Cu合金一般要求峰值溫度比Sn/Pb焊料高大約30℃。另外，初步研究已經表明，其再流工藝窗口比標準Sn/Pb合金要嚴格得多。 　　對于小型無源元件來說，減少表面能同樣也可以減少直立和橋接缺陷的數量，特別是對于0402和0201尺寸的封裝。總之，無鉛組裝的可靠性說明，它*比得上Sn/Pb焊料，不過高溫環境除外，例如在汽車應用中操作溫度可能會超過150℃。

倒裝片 　　
　　當把當前*技術集成到標準SMT組件中時，技術遇到的困難zui大。在一級封裝組件應用中，倒裝片廣泛用于BGA和CSP，盡管BGA和CSP已經采用了引線-框架技術。在板級組裝中，采用倒裝片可以帶來許多優點，包括組件尺寸減小、性能提高和成本下降。
　　令人遺憾的是，采用倒裝片技術要求制造商增加投資，以使機器升級,增加設備用于倒裝片工藝。這些設備包括能夠滿足倒裝片的較高精度要求的貼裝系統和下填充滴涂系統。此外還包括X射線和聲像系統，用于進行再流焊后焊接檢測和下填充后空穴分析。 　　焊盤設計，包括形狀、大小和掩膜限定，對于可制造性和可測試性（DFM/T）以及滿足成本方面的要求都是至關重要的。
　　板上倒裝片（FCOB）主要用于以小型化為關鍵的產品中，如藍牙模塊組件或醫療器械應用。圖4所展示的就是一個藍牙模塊印板，其中以與0201無源元件同樣的封裝集成了倒裝片技術。組裝了倒裝片和0201器件的同樣的高速貼裝和處理也可圍繞封裝的四周放置焊料球。這可以說是在標準SMT組裝線上與實施*技術的一個上佳例子 .