電子元器件是電子信息設(shè)備的細(xì)胞，板級電路組裝技術(shù)是制造電子設(shè)備的基礎(chǔ)。不同類型的電子元器件的出現(xiàn)總會導(dǎo)致板級電路組裝技術(shù)的一場革命。60年代與集成電路興起同時出現(xiàn)的通孔插裝技術(shù)(THT)，隨著70年代后半期LSI的蓬勃發(fā)展，被80年代登場的第一代SMT所代替，以QFP為代表的周邊端子型封裝已成為當(dāng)今主流封裝;進(jìn)入90年代，隨著QFP的狹間距化，板級電路組裝技術(shù)面臨挑戰(zhàn)，盡管開發(fā)了狹間距組裝技術(shù)(FPT)，但間距0.4mm以下的板級電路組裝仍然有許多工藝面臨解決。作為最理想的解決方案90年代前半期美國提出了第二代表面組裝技術(shù)的IC封裝一面陣列型封裝(BGA)，其近一步的小型封裝是芯片尺寸的封裝(CSP)是在廿世紀(jì)90年代未成為人們的關(guān)注的焦點，比如，組裝實用化困難的400針以上的QFP封由組裝容易的端子間距為1.0-1.5mm的PBGA和TBGA代替，實現(xiàn)了這類器件的成組再流。特別是在芯片和封裝基板的連接上采用了倒裝片連接技術(shù)，使數(shù)千針的A在超級計算機(jī)、工作站中得到應(yīng)用，叫做FCBGA，正在開始實用化。第三代表面組裝技術(shù)直接芯片板級組裝，但是由于受可靠性、成本和KGD等制約，僅在特殊領(lǐng)域應(yīng)用，IC封裝的進(jìn)一步發(fā)展，99年底初露頭角的晶片封裝(WLP)面陣列凸起型FC到2014年期待成為對應(yīng)半導(dǎo)體器件多針化和高性能化要求的第三代表面組裝封裝。
IC封裝一直落后于IC芯片本身固有的能力。我們希望裸芯片和封裝的芯片之間的性能縫隙減小，這就促進(jìn)了新的設(shè)計和新的封裝技術(shù)的發(fā)展。在新的封裝設(shè)計中，多芯片封裝(CSP)包含了一個以上的芯片，相互堆積在彼此的頂部，通過線焊和倒裝片設(shè)計(在倒裝片上線焊，在線焊上倒裝片，或在線焊上線焊)實現(xiàn)芯片間的互連，進(jìn)一步減少了器件重量和所占空間)。
由于尺寸和成本優(yōu)勢，晶片級CSP(Wafer-levelcap)將被進(jìn)一步開發(fā)，這種技術(shù)是在晶片切割成小方塊(芯片)之前，就在芯片上形成第一級互連和封裝I/O端子，這不但縮短了制造周期，其I/O端子分為面陣列型和周邊型(依據(jù)I/O端子的分布)兩種類型;前者，EIAJ的端子間距0.8mm以下，外型尺寸為4mm-21mm的超小型封裝作為標(biāo)準(zhǔn)，主要適用于邏輯和存貯器件，后者是SON和QFN等帶周邊端子的無引線小型化封袋，主要適用于存貯器和低檔邏輯器件。自從90年代初CSP問世以來，提出了各種各樣的結(jié)構(gòu)形式，現(xiàn)在以面陣列型的FBGA是主流，第一代FBGA是塑料類型的面朝下型，第二代FBGA是載帶類型的面朝下型，都采用了引線框架塑模塊、封裝，而新一代的FBGA是以晶體作載體進(jìn)行傳送，切割(劃線)的最終組裝工藝，即WLP方式，取代了以前封裝采用的連接技術(shù)(線焊、TAB和倒裝片焊)，而是在劃線分割前，采用半導(dǎo)體前工序的布線技術(shù)，使芯片襯墊與外部端子相連接，其后的焊料球連接和電氣測試等都在晶片狀態(tài)下完成，最后才迫行劃線分割。顯然用WLP方式制作的是實際芯片尺寸的FBGA，外形上與FC無區(qū)別。
總之，PBGA、TBGA、FBGA、(CSP)和FC是當(dāng)今IC封裝的發(fā)展潮流。表1和表2分別示出了這些封裝的發(fā)展動向。在21世紀(jì)的前15年，第三代表面組裝封裝將會迅速發(fā)展，圍繞高密度組裝，封裝結(jié)構(gòu)的多樣化將是21世紀(jì)初IC封裝最顯著的特點。LSI芯片的疊層封裝、環(huán)形封裝：還有，將出現(xiàn)新的3D封裝，光一電子學(xué)互連，光表面組裝技術(shù)也會蓬勃發(fā)展。系統(tǒng)級芯片(SOC)和MCM的系統(tǒng)級封裝(MCM/SIP)隨著設(shè)計工具的改善，布線密度的提高，新基板材料的采用，以及經(jīng)濟(jì)的KGD供給的普及，將進(jìn)一步得到開發(fā)和進(jìn)入實用階段。
無源封裝
隨著工業(yè)和消費類電子產(chǎn)品市場對電子設(shè)備小型化、高性能、高可靠性、安全性和電磁兼容性的需求，對電子電路性能不斷提出新的要求，從20世紀(jì)90年代以來，冶式元件進(jìn)一步向小型化、多層化、大容量化、耐高壓和高性能方向發(fā)展，同時隨著SMT在所有電子設(shè)備中的推廣應(yīng)用，世界范圍片式元件的使用量迅速增加，現(xiàn)在年消耗片式元件達(dá)到1兆只，無源元件對IC的比率一般大于20.由于需要如此大量的分立元件，所以分立元件支配最終組件的尺寸;另外，片式無源元件用量的劇增使貼裝工藝中的瓶頸經(jīng)片式元件的貼裝更難解決，導(dǎo)致生產(chǎn)線失去平衡，設(shè)備利用率下降，成本提高，同時片式元件供給時間占用生產(chǎn)線時間的30%，嚴(yán)重影響生產(chǎn)量的提高。解決這些問題的有效辦法就是。實現(xiàn)無源元件的集成。
集成無源元件有以下幾種封裝形式：
陣列：將許多一種類型的無源元件集成在一起，以面陣列端子形式封裝;
網(wǎng)絡(luò)：將許多混合電阻和電容集成在一起，以周邊端子形式封裝;
混合：將一些無源元件和有源器件混合集成進(jìn)行封裝;
嵌入：將無源元件嵌入集成在或其它基板中;
集成混合：所集成的無源元件封裝在QFP或TSOP格式中。
這些無源封裝的推廣應(yīng)用，可以有效地解決貼裝：瓶頸，改善SMT生產(chǎn)線平衡，降低成本，提高產(chǎn)量，提高組裝密度。
先進(jìn)板級電路組裝工藝技術(shù)的發(fā)展
電路組裝技術(shù)的發(fā)展在很大程度上受組裝工藝的制約同，如果沒有先進(jìn)組裝工藝，先進(jìn)封裝難以推廣應(yīng)用，所以先進(jìn)封裝的出現(xiàn)，必然會對組裝工藝提出新的要求。一般來說，BGA、CSP和MCM完全能采用標(biāo)準(zhǔn)的表面組裝設(shè)備工藝進(jìn)行組裝，只是由于封袋端子面陣列小型化而對組裝工藝提出了更嚴(yán)格的要求，從而促進(jìn)了SMT組裝設(shè)備和工藝的發(fā)展。
1. 漏板設(shè)計和印刷
在先進(jìn)組裝技術(shù)中，焊膏是廣泛采用的主要焊接材料，焊膏沉積采用漏板印刷技術(shù)。在漏板印刷工藝中，刮板葉片將焊膏推入漏板開孔轉(zhuǎn)移到電路板上，影響焊膏印刷性能的四個因素是：(1)漏板開孔尺寸，決定了印刷膏的量;(2)焊膏脫模，在特定焊膏情況下，開孔壁和幾何形狀和光潔度影響焊膏脫模;(3)開孔的縱橫比和面積比，開孔的寬度和長度之比，開口面積和開孔壁面積之比;通常設(shè)計規(guī)則是縱橫31.5，面積0.66;但是對于光滑的錐形開孔壁，這兩個比分別為1和0.44就能獲得良好的焊膏脫模。在設(shè)計漏板厚度時，這個兩個比率就是重要的設(shè)計規(guī)則。當(dāng)開孔長度大于其寬度的5倍時，縱橫比是主要設(shè)計規(guī)則(QFP時)，當(dāng)開孔長度等于寬度時，面積比是更精確的設(shè)計規(guī)則(采用球柵陣列焊盤時)。(4)焊膏印刷精度，當(dāng)在電路板上印刷焊膏時，電路板上的焊盤圖形和漏板上的開孔在尺寸和位置上必須完全相符，漏印的焊膏立方塊必須無變形。 BGA、CSP和FCOB的板級組裝極用共晶焊料合金，BGA采用普通SMT用焊膏就可以滿足要求，但對于CSP和FCOB I/O端子比通SMT封裝提供的焊接面積小，所以要求漏板開口更小，必須采用小于40um，顆粒尺寸的精細(xì)焊膏。它們的漏板設(shè)計和制造要求與窄間距器件一樣嚴(yán)格.BGA、CSP和倒裝片組裝的漏板一般要求采用激光或電鑄成型工藝，而后進(jìn)行電拋光，雖然制造成本高，但一致性超過化學(xué)蝕刻漏板;有時還要求渡鎳，并采用錐形開孔，以便提高孔壁光潔度，有利于焊膏脫模，漏板開口尺寸，一般比電路板上的焊盤尺寸略小為宜，開口以略微增加印刷的焊膏量。
漏板厚度是漏板設(shè)計的主要指標(biāo)，對于BGA要求采用的漏板厚度為0.13-0.15mm，CSP用的漏板厚度是0.10-0.13mm。由于漏板較薄，印刷時要防止從開孔中掏出焊膏。組裝BGA和CSP時，通常都按1對1的比例印刷;但對于CSP，實際印刷要比凸起尺寸大0.05-0.076mm，使再流焊后器件支撐高度略高些，以提高熱適應(yīng)性，并可繼續(xù)選用三類焊料粉末。對于采用0.3mm直徑凸起的CSP推薦采用0.3-0.6mmr 矩形開孔。0.36mm的開口是采用三類焊料粉末最小可能的開口尺寸，以便進(jìn)行一致性和重復(fù)性好的印刷。如果印刷0.25mm的矩形或圓形開孔將要求采用IV 類焊料粉末。
為了適應(yīng)電子產(chǎn)品的輕薄小型化、高密度、多功能和高可靠性的要求，混合組裝技術(shù)仍然是21世紀(jì)初電路組裝發(fā)展的趨勢之一。不僅通孔器件和SMD混合組裝，而且隨著以倒裝片為核心的直接能組裝技術(shù)的推廣應(yīng)用，將會出現(xiàn)通孔元器件、SMD或倒裝片在同一電路板上的組裝，這就是對漏板設(shè)計和印刷提出了新的挑戰(zhàn)。有不同的組裝工藝完成混合電路組件的組裝，其中采用再流焊接技術(shù)是比較理想的工藝方法，以便充分發(fā)揮SMT生產(chǎn)線的作用，降低成本，提高生產(chǎn)率，有幾種漏板設(shè)計和印刷方法可供選擇，其中比較理想的是雙漏板印刷。
先進(jìn)的封裝對焊膏的印刷精度要求比普通SMT更加嚴(yán)格，所以應(yīng)該采用視覺系統(tǒng)的高精度印刷機(jī)完成焊膏的印刷作業(yè)。這類印刷也有高檔和中檔之別，要根據(jù)用戶的需要和可能選購。印刷作業(yè)開始，首先要完成漏板和電路板的對準(zhǔn)，借助視覺系統(tǒng)可以很方便地實現(xiàn)漏板開孔和電路板上焊盤圖形的精確對準(zhǔn)。高級對準(zhǔn)系統(tǒng)具有全集成圖像識別處理功能，可以實現(xiàn)快速而準(zhǔn)確的圖像對準(zhǔn)，確保高質(zhì)量的焊膏印刷和高和生產(chǎn)效率。印刷和第二個問題是根據(jù)電路板類型、刮板類型和所用焊膏設(shè)定印刷高度、刮板壓力和角度、印刷還度等印刷參數(shù);另外環(huán)境溫度和相對濕度也是重要的印刷參數(shù);先進(jìn)封裝對印刷參數(shù)偏差要求嚴(yán)格，必須借助印刷機(jī)的計算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確而嚴(yán)格控制。更高檔的印刷機(jī)上還裝有2D和3D激光檢測系統(tǒng)，檢查印刷質(zhì)量，滿足了先進(jìn)封裝對印刷精度的要求。
2. 貼裝技術(shù)
盡管陣列封裝顯著地使用貼裝位置規(guī)范限制加寬，但是由于這類封裝的I/O端子在封裝體下面呈陣列分布，所以精確貼裝這類器件最先決條件是檢查焊料球的存在與否和間距，檢查焊料球形狀態(tài)。這就要求貼片機(jī)的視覺系統(tǒng)能根據(jù)球的形狀質(zhì)量因數(shù)和建立焊料球畸變認(rèn)可等級實現(xiàn)這種功能。。二維寬度和形狀質(zhì)量因素測試是檢查整個球體積和畸變的可靠方法，所以，貼裝機(jī)的視覺系統(tǒng)應(yīng)具有合適和分辨率，以便搜集和形成最佳影響;為此就必須采用合適的外部照明和遠(yuǎn)心焦蘭光學(xué)系統(tǒng)，并通過大深度聚焦提供恒定放大倍數(shù)，以便確定球的存在和精確尺寸;采用LED(發(fā)光二極管)提供最佳照明條件，特別需要輪廓對中的背照明和合理選用明視場和前照明，前照明應(yīng)采用三個可編程光源給每封裝形式提供特殊的理想照明，以便在焊球結(jié)構(gòu)和背影環(huán)境之間形成適當(dāng)反差，提供精確對中的光學(xué)條件。視場應(yīng)適合觀察物的特微和位誤差要求，以便能確定良好的、有缺陷的損壞的焊料球之間的差別。處理全部先進(jìn)封裝的高性能貼裝機(jī)必須擁有兩臺元器件攝像機(jī)(一臺標(biāo)準(zhǔn)型和一臺倒裝片用攝像機(jī))。BGA器件的精確定可以根據(jù)每個角落的5個球發(fā)現(xiàn)球柵的整體位置和取向，并根據(jù)BGA樹檢索算法和采用模板比較算法確定的位置;然后借助于灰度級機(jī)器視覺系統(tǒng)和計算機(jī)控制最后實現(xiàn)BGA的精確對準(zhǔn)和貼裝。另外還可以在上設(shè)置器件局部基準(zhǔn)標(biāo)記，以便提高貼裝精度。BGA的貼裝誤差主要來自接觸表面的非共面性，所以在貼裝操作期間必須建立和維持接觸表面的共面性，采用自動準(zhǔn)直儀，使貼裝機(jī)的運動保持共面性。
CSP雖然是更加小型化的封裝，但比BGA更平，所以更容易進(jìn)行精確貼裝。與BGA一樣可采用上述方法檢查球的存在與否，間距和變形狀態(tài)，但無需采用灰度級視覺系統(tǒng)，僅需采用二進(jìn)制攝像機(jī)就可以進(jìn)行觀察和對準(zhǔn)，所以可以比貼裝QFP和BGA更高的速度貼裝CSP。
先進(jìn)封裝技術(shù)的推廣應(yīng)用，要求貼裝機(jī)能適應(yīng)IC芯片的精度要求，特別是倒裝倒片貼裝，可重復(fù)精度小于4um，采用高穩(wěn)定高分辯率的定位系統(tǒng)，視覺系統(tǒng)能檢查0.10-0.127mm的焊盤和0.05mm的高的凸起，所以倒裝片視覺系統(tǒng)必須擁有不同的光源設(shè)施和比標(biāo)準(zhǔn)攝像機(jī)的分辨率很高的攝像機(jī)，高精度進(jìn)行凸起的識別和對準(zhǔn)。貼裝機(jī)還應(yīng)具有一定的喂料器公司(適合不同的喂料方式)和貼裝工具更換能力，另外還應(yīng)裝備焊劑涂敷工具，滿足倒裝片貼裝的要求。
先進(jìn)封裝的推廣應(yīng)用和混合技術(shù)的發(fā)展，要求組建柔性SMT生產(chǎn)線。根據(jù)電子產(chǎn)品的需求選擇不同類型的貼裝機(jī)和其它組裝設(shè)備，組成柔性生產(chǎn)線，有條件時更應(yīng)升級為CIMS，這樣才能不斷滿足知識經(jīng)濟(jì)時采對各類電子設(shè)備電路組件的需求。
3. 焊接技術(shù)
先進(jìn)IC封裝的實用化，板級電路組裝密度的不斷提高，雙面組裝和混合組裝組件的使用，對再流焊接技術(shù)提出了新的要求，容易設(shè)定焊接工藝參數(shù)，使用方便，爐內(nèi)溫度分布均勻，工藝參數(shù)可重復(fù)性好，適用于BGA等先進(jìn)IC封裝的料接，適應(yīng)用不同的基板材料，可充氮，適于雙面SMT的焊接和貼裝膠固化，適合與高速貼裝機(jī)組線，能實現(xiàn)微機(jī)控制等。能滿足這些要求的再流焊接技術(shù)主要是熱空氣循環(huán)加遠(yuǎn)紅外，加熱的再流爐和全熱氣循環(huán)加熱的再流爐。
全熱風(fēng)再流爐的顯著特點是采用了多噴嘴加熱組件，加熱元件封閉在組件內(nèi)，避免了加熱元器件和組件的不良影響，用鼓風(fēng)機(jī)將被加熱的氣體從多噴嘴系統(tǒng)噴入爐腔，確保了工作區(qū)寬度范圍溫度均勻，能分別控制頂面積和底面積的熱氣流量和溫度，實現(xiàn)雙面再流焊。其主要問題是循環(huán)風(fēng)速的控制和焊劑煙塵向基板的附著，還有，由于空氣是熱的不良導(dǎo)體，熱傳導(dǎo)性差，所以熱空氣循環(huán)再流爐中需要大量的循環(huán)熱空氣，這對復(fù)雜組件的焊接質(zhì)量無疑有影響。
熱風(fēng)循環(huán)加遠(yuǎn)紅外加熱的再流爐中，電磁波不僅能有效激活焊劑活性，而且能使循環(huán)空氣中的焊劑樹脂成份很分解，有效地防止了焊劑向機(jī)構(gòu)部件和連接器內(nèi)部的附差;熱空氣循環(huán)提高了爐內(nèi)均勻性，與全熱風(fēng)循環(huán)相比風(fēng)速易控制，器件位置會偏移，這種爐子在與標(biāo)準(zhǔn)再流爐長度相同的情況下增加了加熱區(qū)，各區(qū)溫度可分別控制，易于獲得適合BGA和CSP焊接要求的加熱曲線，爐內(nèi)溫度均勻，不會發(fā)生過熱，可采用氮氣保護(hù)，可設(shè)置下加熱體，滿足了多層基板對熱量的要求，確保優(yōu)良的焊接質(zhì)量。
顯然，上述兩種再流焊接技術(shù)將用于不同的應(yīng)用領(lǐng)域，所以對流加熱為主的再流焊接技術(shù)將成為21世紀(jì)初期板級電路組裝焊接技術(shù)的主流。
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