表面组装技术的发展和微组装技术的兴起

电子部工艺所王德贵 王德贵

一、引言
电路组装技术是先进电子设备开发、更新换代、提高设备性能、降低成本的技术基础
，是提高企业经济效益的重要途径，也是提高电子设备在国内外市场上的竞争能力的有效
手段，所以它是推动先进电子设备发展的决定因素之一。
５０年代以来，电路组装技术经历了两次大的“组装革命”。ＳＭＴ的兴起和发展引
起了印制电路组装技术的“第二次革命”。近年来，一方面ＳＭＴ继续向纵深发展，而另
一方面又迎来了一次电路组装革命（微组装技术）的崛起和发展。表１概括了ＳＭＴ的发
展和微组装技术的兴起。
表一 (496-98B1.PCX)
二、表面组装技术的发展概况
８０年代中期以来，ＳＭＴ进入高速发展阶段，但从世界范围分析，发展很不平衡。
美国一直重视在产业电子设备和军事装备领域发挥ＳＭＴ在高密度、高功能和高可靠性方
面的优势。美国ＣＥＥＲＩＳ公司１９９１年对美国电子行业五个领域（计算机和办公自
动化、电信、仪器和工业控制、航天与国防电子和转包组装厂家）的４１家公司进行了调
查，表２列出这次调查的结果。该调查的综合分析表明，通孔插装仍然是电路组装的重要
手段，而ＳＭＴ的应用在迅速增长。美国这些公司１９９１组装件的５６％与ＳＭＴ有关
。从投资方面分析，这些公司在电路组装方面非常重视质量控制，在这方面的投资居第一
位，居第二位的是表面贴装设备，而与化工有关的设备（丝印、焊接和清洗等）投资略低
于插装设备。日本虽然一直重视在消费类电子产品领域发挥ＳＭＴ在“轻薄短小”化方面
的巨大潜力，但从８０年代中后期以来，在加快开发ＳＭＩＣ的基础上开始在产业电子设
备领域全面推广应用ＳＭＴ，仅四年ＳＭＴ在计算机和通信设备中的应用就增长了近３０
％，在传真设备中增长达４０％以上。欧洲ＳＭＴ的发展仅次于美、日，而亚洲将成为未
来ＳＭＴ发展较快的地区。表二 (496-98B2.PCX)
三、表面组装工艺技术的发展动向
电子装备的“轻薄短小”化，特别是军事和航空航天电子装备，对其电路组件高密度
、高功能和高速化的需求越来越迫切；与此相适应的电子元器件的微小型化和多引脚狭间
距的发展进入了更先进的水平，这就是要求表面组装工艺向更加精细和更严格控制的方向
发展。近年来表面组装工艺有以下几个值得关注的发展方向。
１．狭间距技术的发展
狭间距技术，简称ＦＰＴ，是将引脚间距在０．６３５～０．３ｍｍ之间
的ＳＭＤ组装在ＰＣＢ的技术，而引脚间距小于０．３ｍｍ的芯片在ＰＣＢ上的直接组装
叫超狭间距技术（ＵＦＰＴ）。近年来，０．６３５ｍｍ和０．５ｍｍ狭间距ＱＦＰ已成
为工业和军用电子装备中的通信器件，最近ＱＦＰ引脚间距已达到０．４０６ｍｍ和０．
３０５ｍｍ，进入ＴＡＢ引脚间距的范围。因此，ＦＰＴ正向ＵＦＰＴ发展。
ＦＰＴ是现在ＳＭＴ发展中的最大趋势。人们最关心的是ＩＣ封装引脚间距多大能适
合采用现有组装工艺进行组装。根据现在的技术水平，０．４ｍｍ引脚间距勉强能达到生
产水平，０．３ｍｍ间距器件的组装尚存在许多技术问题，所以０．３ｍｍ的引脚间距是
器件封装的极限值。这种连接间距的界限取决于：引脚间的焊接桥接，电路基板的翘曲，
引线框架的加工精度以及电路板焊盘部位适量焊料的供给等。
ＦＰＴ的关键工艺是焊接，而影响焊接质量的因素有：焊膏特性和使用（焊膏涂布量
、涂布面积、与焊盘图形的相对位置精度、涂布形状等），元器件贴装精度，合适的再流
温度曲线，合适的清洗溶剂、工艺和设备。所以，焊接质量的管理是与整个组装工艺程中
的各个环节密切相关的系统工程。为了确保细间距器件的组装质量和长期可靠性，必须精
心对待组装工艺中的每一个工艺环节。
首先要重视焊膏特性和选用。要求焊膏在ＦＰＴ使用条件下始终保持优良的印刷性能
和高的印刷分辨率，使之减少坍塌、扩展、涂抹和桥接等缺陷。焊膏中焊料合金粉末的颗
粒大小和焊膏粘度是影响这些性能的关键参数。ＦＰＴ还要求采用低温焊料，低温焊料能
解决ＳＭＡ在高温下反复热循环引起的器件损坏和组件变形开裂，以及由于器件与基板热
膨胀系数不匹配导致组件翘曲或扭曲和焊接部位出现微裂纹；还能避免元件直立和焊料桥
接，提高高密度组装的焊接合格率和可靠性。所以，近年来结合无铅焊料的研究开发，低
温焊料研究工作比较活跃。
近年来，为满足ＦＰＴ的要求，围绕焊膏涂布技术进行了多方面的开发研究工作。在
模板印刷中特别重要的是模板的设计和制造。ＦＰＴ防止桥接的主要方法是减少焊接涂布
量（焊盘上），所以应采用薄箔结构的模板，合适的模板厚度为０．１～０．２ｍｍ。也
可以采用分步蚀刻技术获得所需印刷厚度。在确定模板厚度之后，就需要根据引脚间距和
焊盘尺寸，设计模板开口形状和大小，选择合适的高宽比。最近国外还采用所谓的“交错
印刷”技术，形成焊膏印刷的交错图形，也可得到减少焊膏布量和防止桥接的效果。另外
，在丝网印刷方面，采用高精度丝网印刷机，对确保优良的印刷效果十分重要，这种丝印
机在军事和航天航空电子设备领域已广泛采用。还有，近年来研究开发比较活跃的是在Ｐ
ＣＢ焊盘上预先电镀Ｓｎ－Ｐｂ合金，然后通过热风整平（再流）形成规定厚度的焊料涂
层，用醇类溶剂清洗后，即完成了预镀焊料工艺；一般所镀焊料厚度是引脚间距１２％至
１５％。
ＦＰＴ对贴装精度有严格要求，必须采用带视觉系统的高精度多功能贴装机，这是实
施ＦＰＴ的基本物质条件之一。这类贴装机近年来已用于军事和航天航空领域，但价格较
昂贵；所以，近年来，产量较低的承包组装厂家广泛采用此视觉系统的手动装焊设备。同
时，为了使贴装能在合适的误差范围内完成，有必要规定合适的引脚宽／焊盘宽的比值，
因为尺寸公差（贴装精度）与焊盘几何图形和最大允许的贴装误差有关。对于０．５０８
ｍｍ引脚间距的器件，引脚器宽／焊盘宽的比率为１．０：１．２（或１．４）
由于狭间距器件引脚间距狭小，采用普通再流焊接工艺会出现严重的焊接质量问题，
所以对焊接工艺提出了更加严格的要求。常用的焊接工艺有：对流红外再流焊、汽相再流
焊、工具再流焊、激光再流焊和聚焦红外再流焊等焊接技术。这些焊接技术各有其优缺点
，应根据电路组件要求和实际生产情况选择使用。在高产情况下，近年来研究和使用较多
的是红外加热强制对流再流焊接设备，可适用于０．６３５ｍｍ引脚间距器件的焊接；而
更加先进的适合于ＦＰＴＴ和ＶＦＰＴ使用的是美国开发的流水线式单汽相再流焊接系统
，该系统集红外辐射、对流和汽相原理为一体进行设计，采用多频谱红外预热、单汽相加
热、氮气保护和智能控制等先进技术；如果采用免洗焊膏，就能成功地实现免洗焊接工艺
，完成高产情况下用狭间距器件组装的ＳＭＡ的免洗焊接。汽相再流焊接设备现有用得较
多的是单汽相一批量式或流水线式，都设有预热区和再流后的冷却区，不仅适用于ＦＰＴ
，还可用于倒装片组装的焊接工艺。在中小批量生产中采用工具再焊接技术更适合于狭间
距器件的装焊。激光和聚焦红外焊接也是近年来发展迅速的ＦＰＴ理想的再流焊接技术；
目前投放市场的有聚焦束激光焊接系统和散射束激光焊接系统两种系统两种类型的激光再
流焊接系统；近年来国外有更多的公司在开发这类焊接系统。
２．焊接技术的发展动向
焊接是电路组装技术中影响电路组件可靠性的关键工艺，进入８０年代以来，焊接技
术的发展是围绕着减少对人类生存环境的污染这个大目标进行的。其中研究得比较广泛深
入并取得了显著成果的是免洗焊接技术，其次是近几年来兴起的无铅焊料和相应焊接技术
的研究。
（１）免洗焊接技术
在ＰＣＢ组件和ＳＭＡ的组装中，传统的软纤焊接工艺一直采用松香型焊剂，相应的
焊后有效清洗剂是ＣＦＣ。由于ＣＦＣ对大气臭氧层的极大破坏作用，８０年代以来国际
上强有力地展开取缔ＣＦＣ的运动。与此同时，广泛深入地开展了替代ＣＦＣ的研究开发
工作，新型清洗和相应清洗设备已投放市场。然而，在电子工业领域取消ＯＤＣ（臭氧破
坏物质）的根本途径是采用免洗焊接技术。
免洗焊接技术包括免洗焊剂、免洗焊工艺和设备。８０年代中后期国际上掀起了低固
体成份免洗焊剂的研究，很快取得了丰硕成果。进入９０年代以来已有几种免洗焊剂投放
市场，尤其在美国和日本正在电子工业领域推广应用免洗焊剂和焊膏。免洗焊剂的采用要
求有相应的免洗焊接工艺和设备与之相结合，二者相辅助成才能实现焊后免洗。投放市场
较早的免洗焊接设备是８０年代后期开发的Ｎ２气氛双波峰焊接炉。随着免洗焊膏的开发
和应用又将Ｎ２气氛用于强力对流红外再流焊接炉中。Ｎ２气氛再流软钎焊炉，在美国和
日本已有产品投放市场。国外有关专家预测，Ｎ２气氛再流软钎焊炉将成为表面组装中软
钎焊接技术的主流，它特别适用于ＦＰＴ。在ＦＰＴ中采用Ｎ２气氛再流焊接技术，能减
少坍塌和焊料球等缺陷的形成。
Ｎ２气氛再充软钎焊炉从结构上有开放式和封闭式两大类。封闭式能充分发挥Ｎ２气
氛的作用，并能节省Ｎ２气，所以将成为Ｎ２气氛再流炉的主流。Ｎ２气氛再流软钎焊炉
的关键工艺是Ｏ２浓度控制及其测定，Ｎ２气氛消耗和流量控制。虽然Ｎ２气氛保护的免
洗焊接会带来附加成本的提高，但由于省去了清洗设备及清洗材料，会使组装总成本下降
。
近年来又开发了一种新型的免洗焊剂和焊膏，在一般应用中不需要采用Ｎ２气保护；
用于ＦＰＴ时，由于焊剂活性的提高，仍要求采用氮气保护。最近仍在加强免洗焊剂和焊
膏、免洗工艺和设备的研究，这将成为９０年代引人注目的研究项目。
（２）真空再流微软钎焊技术
近年来日本正在研究真空再流微软钎焊法，这是一种免洗再流软钎焊接新工艺，适用
于器件引脚间距小于０．３ｍｍ的ＳＭＡ免洗再流焊接。ＦＰＴ的免洗Ｎ２气氛再流软钎
焊接所用的焊膏的焊料粉末粒度范围是４５～２０μｍ，小于２０μｍ的粉末以下纯物去
除。然而对于０．３ｍｍ间距器件的装焊，采用上述焊料配制成的焊膏，难以避免焊料桥
接等缺陷，所以必须采用更更加精细的粒径小于１μｍ的超微粉焊料，这就要求在极低的
Ｏ２浓度气氛中进行焊接，所以开发了真空加氮气氛的真空再流微软钎焊法。这种焊接工
艺首先要求采用精细的焊料预涂工艺，如可以采用电镀法、化学镀法、热风整平法等工艺
，目前这些工艺在实用化方面还存在一些问题，正在进行深入研究。另外，正在开发研究
采用精细丝网印刷的焊料油墨，将成为有发展前途的新型软钎焊接材料；在这种焊墨中，
加入了适量的与氧亲和力大的磷或钾等元素，使其产生自焊剂作用，促进了高度净化和高
纯度化的焊接气氛的形成。这种焊接工艺的实施将改变ＳＭＴ的工艺状况。该项再流软钎
焊接新工艺仍在深入开发研究之中。
（３）无铅焊料的兴起
由于铅对人体的有害作用，近年来国外越来越关心铅的使用问题。在电子工业中，无
铅焊料的研究开发正在受到重视。近年来，在美国、欧洲和日本都成立了一些机构专门从
事在Ｓｎ／Ｐｂ焊料中取代Ｐｂ的研究组织工作。目前在研究中替代铅的方法有三种：第
一种是在现有Ｓｎ－Ｐｂ焊料中实现无Ｐｂ化，如采用Ｉｎ基焊料和Ｂｉ基焊料，但是Ｉ
ｎ储量很少，比Ｓｎ－Ｐｂ焊料成本高２０倍，Ｂｉ在地球上的储量也有限；第二种方法
是完全取消焊料，采用导电粘接剂；第三种是采用非传统金属代替焊料，如镓基汞剂被用
于芯片粘接和倒装片凸起连接。这三个方面的研究工作都尚未取得最终成果，有待于各方
面协力合作，共同研究开发。
导电粘度接剂的研究已有５０年的历史，而ＳＭＴ的兴起和发展才为它在电路组装中
的应用提供了最佳的环境。从８０年代以来，随着无焊接研究的逐步深入，加快了导电粘
接剂的研究步伐，其中最成功的是叫做“Ｐｏｌｙ ｓｏｌｄｅｒ”的各向同性填充金属
的导电粘接剂，它已能替代美国阿法金属公司的焊料。现在在美国有数以百万计的电子组
件采用这种粘接剂进行组装。
另一种聚酯类粘接剂是各向异性导电粘接剂，虽然已有３０年的研究历史，并在８０
年代以来研究工作特别活跃，现在已进入第三代，但仍有一些问题需要解决，目前正在继
续开发研究，以便将来能用于替代锡一铅焊料。
四、微组装技术的兴起
推进电子设备“轻薄短小”化和高功能化的基本技术是半导体ＩＣ技术、混合ＩＣ技
术和表面组装技术，其中半导体ＩＣ技术处于核心地位。在硅片内图形设计规划已突破了
１微米进入亚微米级，但是在实际应用中必须依赖于大于两位数字的１００μｍ级的连接
和引出的封装技术；这种技术一方面影响了ＩＣ芯片性能的发挥，另方面由于ＩＣ封装的
封装效率（ＩＣ芯片面积／封装面积）低，严重影响了电路组装密度的进一步提高，０．
５ｍｍ引脚间距的组装其封装效率仅５％，还有，为满足高密度和高功能化，ＬＳＩ封装
迅速向多引脚狭间距发展，使ＳＭＴ面临严重挑战，难以满足细间距化对组装的要求。
因此，进一步的高密度组装只有依赖于裸芯片组装技术。为了实现裸芯片在电路板上
的组装采用了线焊、ＴＡＢ和倒装片等微焊接技术，这些技术的开发已有２０多年的历史
，开始时用于民用电子设备中；近年来国外对用于裸芯片组装的微焊接技术仍在进行深入
广泛的研究，以便大大提高电路组件的可靠性，从而使裸芯片组装技术能进一步在工业和
军用电子设备中推广应用。
电路组装技术的发展一方面依赖于电子设备的需求索引，另一方面要以元器件和其它
相关材料为基础。随着内装Ｃ、Ｒ和ＩＣ的电路板、复合元器件的发展以及裸芯片组装的
不断进步，为了满足电子设备对电路数字化和高频高速化以及电路功能模块化和小型轻型
化的要求，多芯片模块（ＭＣＭ）就应用而生了。
ＭＣＭ是近年来发展较快的一种先进的混合集成电路。它是把几块ＩＣ芯片组装在一
块电路板上，构成功能电路块，叫做多芯片模块，简称ＭＣＭ。
可将ＭＣＭ分成四种类型：ＭＣＭ－Ｌ，使用积层板；ＭＣＭ－Ｃ和ＭＣＭ－Ｃｏ，
使用多层陶瓷基板；ＭＣＭ－Ｈ，采用混合电路组装技术；这三种的导体图形线宽在１０
０μｍ或略小于１００μｍ范围；ＭＣＭ－Ｄ和ＭＣＭ－ＨＤＩ，使用薄膜为主的高密度
互连电路板，图形线宽达到几十微米以下，这是高级模块。ＭＣＭ已经成功地用于大型通
用计算机和超级计算机中；今后将用于工作站、个人计算机、通信机、医用电子设备和汽
车电子设备等领域，估计今后两年有可能在这些方面实用化。９０年代将是ＭＣＭ推广应
用和使电子设备变革的年代。
ＭＣＭ是ＬＳＩ的数字化电路，它是电路组件功能实现系统级的基础。ＭＣＭ采用了
裸芯片组装技术，使电路图形线宽达到了几微米到几十微米的等级。在ＭＣＭ的基板上设
计与外部电路连接的引脚，间距可达０．５ｍｍ，把几块ＭＣＭ组装在普通电路板上就可
实现电子设备或系统级的功能。
ＭＣＭ的兴起、发展和推广应用使电路组装技术进入微组装技术（ＭＰＴ）时期，这
是电路组装的第三次大变革。这种微组装技术，在国外叫做“Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏ
ｎｉｃ Ｐａｃｋａｇｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”，简称ＭＰＴ。可以说，ＭＰＴ
是从７０年代兴起，８０年代末已达到很高水平，并已在高级计算机、雷达和通讯等军事
电子设备中应用。可以预料，在９０年代，通孔插装技术仍然会继续用于某些电子设备的
电路组装中；ＳＭＴ将进一步推广应用；ＦＰＴ将更加趋向完善；以ＭＣＭ为核心的ＭＰ
Ｔ将不仅在工业和军事电子设备中广泛采用，而且将会出现廉价的ＭＣＭ用于民用电子设
备，从而大大推进电子设备个人化的进程，进一步推进电子信息产业展现更加光辉的前景
。
五、对发展我国电路组装技术的浅见
（１）我国电路组装技术基础薄弱，微组装技术刚刚起步，因此必须有一个适合国情
以及国内市场需求的近期和中长期发展规划，尤其应突出微组装技术的开发和推广应用，
提高开发微组装技术的投资强度。
（２）在ＳＭＴ方面应集中人力、物力和财力研究开发带视觉系统的高精度多功能贴
装机，力争引进国外技术和资金，缩短研制周期，争取早日赶上国际先进水平。中低档贴
装机应引进外资或合资进口设备，建立电路组装专业承包工厂，形成一定规模的专业化生
产。其它ＳＭＴ的相关设备就应加强投资强度，使科研成果尽快转化为生产力。
（３）加强ＳＭＴ基础部件和基础材料的研究开发工作，采取多种方式加快表面组装
集成电路生产，建立外资独资和合资ＳＭＩＣ专业生产工厂，争取在“九五”期间形成中
规模生产水平，除满足国内需求外，争取出口创汇。
（４）组织一定人力和财力移植日本和美国有关ＳＭＴ的标准，尽快建立我国ＳＭＴ
的标准体系。

（计算机世界报 1994年 第24期）

定哈！ 多谢老大

帅哥上线了

呵呵！ 恩！ 才回来哈！ 你辛苦了