组装密度高、电子产品体积小、重量轻，贴片元件的体积和重量只有传统插装元件的1/10左右，一般采用SMT之后，电子产品体积缩小40[%]~60[%]，重量减轻60[%]~80[%]。

　　可靠性高、抗振能力强。焊点缺陷率低。

　　高频特性好。减少了电磁和射频干扰。

　　易于实现自动化，提高生产效率。降低成本达30[%]~50[%]。 节省材料、能源、设备、人力、时间等。

　　随着SMT新技术、新工艺、新材料、新器件的发展，针对这种应用趋势国外先进研究机构在开展细致分析、检测方面做了许多工作，特别是投入巨额资金，组建了相应的分析实验室，促进了新技术在SMT领域中发展和应用，本文根据笔者搜集的资科汇总，较详细介绍了此类实验室设备或仪器的配置情况，供国内SMT同行参考并指正。

　　当今SMT应用技术及新器件、新材料发展迅速，尤其是近年来新型元器件，代表性的如BGA、chip-scale逐渐从实验走向批量生产，一种新型元器件类型的出现往往引起新设计方法、新工艺、新设备的发展，在这个现象的后面隐藏了许多的幕后工作，即实验室试验及检测分析。发达国家的研究机构及高校在新技术推出、新材料发现、新型器件类型发展方面不惜组织大量的人力、投入巨额资金和时间组建多种类型的实验室，做了相当细致的分折、研究工作，促进了SMT新技术的应用和成熟发展。

　　1 实验分桥内容简介

　　针对SMT应用，相应的实验分析内容都围绕组装质量和材料物质的可靠性进行，大致可以分为以下几种：(在此不包括电测试范围)

　　表面特征；

　　内部结构；

　　应力及拉力；

　　流体特性；

　　环境影响。

　　实验室研究内容主要对新工艺开发、提高可靠性及缺陷分析有重大意义，新工艺的开发涉及新材料开发和应用、工艺过程控制技术、新的组装技术等。新技术的开发工作及开销不可能由单一部门完全承担下来，不可避免地要求许多领域部门或企业的联合开发，最终成果共享，促进行业的技术进步。

　　在可靠性和缺陷分析范畴，实验人员和设备的帮助更是价值不菲的，研究人员的经验和智慧，再加上现代化的实验设备计算机化，得到的每一个实验分析结果都凝结着人类的高度智慧和创造。

　　2 实验设备及仪器应用介绍

　　根据上述述简要分析，结合相关检测技术和作用进行介绍。

　　扫描电子显微镜SEM(Scanning Electron Microscope)

　　该类仪器有两种：常规场致发射SEM、带有X光的能量色散谱仪(EDS)。

　　主要作用：进行好的深场景、高倍光学分析，利用EDS还可以分板内部织成。

　　典型应用：SMT焊点可靠性缺陷检查的显微图像分析，可以进行金相分析。

　　声扫描显微镜(Scanning acoustic microscope)

　　进行物体无损、高倍率检查。其典型应用是样品器件底部填充空洞检查、分析，特别是filp-chip器件。

　　喇曼(Raman)图像显微镜。

　　固体表面特性分析，如厚、薄膜等，用于电子封装用的聚合物的确认。

　　傅利叶变换红外分光计FTIR(Fourier transform infraredspectrometer)

　　利用喇曼光谱分析学进行物体表面吸收的分子种类，用于无机物质分析，例如表面污染度检测，

　　光学显微镜

　　高倍光学检查，可500倍放大，用于样品分析。

　　高速摄影机

　　运动过程捕获及分析，典型的如filp-chip的填充过程分析。

　　x光衍射仪

　　亚微米厚度测量，如PCB或晶片上的镍、金薄膜厚度的测量。

　　计算机断层成像X光检查仪

　　无损三维图像检查，如塑封、薄型金属元器件，针对焊接缺陷特别有效，典型的如BGA器件焊点空洞、开路、短接，

　　原子显微镜(Atomic force microscope)

　　用于纳米级薄膜厚度、表面形状绘制、粗糙度测量，典型应用为PCB上的有机阻焊膜厚度及晶片上金属膜厚度测量。

　　带局部环境的通用拉力测试仪

　　附加环境控制条件的拉力测试，典型的如IC芯片、COB器件中的引线可靠性，PCB焊点应力特性。

　　硬度测试仪

　　基本上有三类：纳米硬度测试仪、微波硬度测试仪、超声微波硬度测试仪。用薄膜或微小物体的硬度测量，评价承受力和微小摩擦力等。例如flip-chip金属衬板承受力、硅芯片上的金、银端头、器件引线拉力等。

　　表面角度计

　　焊点外形倾角测量，主要用于PCB、器件的润湿度衡量。

　　聚合材料热特性测试仪

　　可大致分为三类：差式扫描热量计DSC(Differential scanning calorimeter)、热力学机械分析仪(Thermal mechanical analyser)、机械冲击热分析仪(Dynamic mechanical thermal analyser)。主要用于PCB玻璃介质、封装材料和阻焊膜的传导特性测试：评价PCB基板、IC封装材料的弹性及松弛度。

　　同步热分析仪

　　主要进行物质的温度和氧化稳定程度，确定混合物成份，具体如IC的封装材料热稳定特性评价。

　　表面张力旋转流速计

　　主要进行聚合物的流变特性，具体是针对填充物质，如环氧树脂(epoxy)、密封剂(sealant)、密封胶材料等(encapsulant)。

　　3 结束语

　　新加坡南洋理工大学的GINTIC研究所该类实验室的配置水平很高，其研究项目的设立、检测设备、仪器投资大多来自于大财团、大企业的支持、赞助或损赠，研究成果可以马上用于SMT生产，成果转化效率很高，同时也增强了研究所的基本手段和保持了技术上的高水平。这种联合立项、投资、开发研究，成果共享的形式很值得我国SMT企业、研究部门的深思。

　　随着电子技术的飞速发展，电子元件朝着小型化和高度集成化的方向发展。BGA元件已越来越广泛地应用到SMT装配技术中，并且随着 BGA和CSP的出现，SMT装配的难度愈来愈大，工艺要求也愈来愈高。由于BGA的返修难度颇大，返修成本高，故提高BGA的制程质量是SMT制程中的新课题。（福景科技提供BGA返修一条龙服务）

　　BGA有不同类型，不同类型的BGA有不同的特点，只有深入了解不同类型BGA的优缺点，才能更好地制定满足BGA制程要求的工艺，才能更好地实现BGA的良好装配，降低BGA的制程成本。BGA通常分为三类，每类BGA都有自己独特的特点和优缺点：

　　1、PBGA（PLASTIC BALL GRID ARRAY）塑料封装BGA

　　其优点是：

　　①和环氧树脂电路板热匹配好。

　　②焊球参与了回流焊接时焊点的形成，对焊球要求宽松。

　　③贴装时可以通过封装体边缘对中。

　　④成本低。

　　⑤电性能好。

　　其缺点是：对湿气敏感以及焊球面阵的密度比CBGA低

　　2、CBGA（CERAMIC BGA）陶瓷封装BGA

　　其优点是：

　　①封装组件的可靠性高。

　　②共面性好，焊点形成容易，但焊点不平行度交差。

　　③对湿气不敏感。

　　④封装密度高。

　　其缺点是：

　　①由于热膨胀系数不同，和环氧板的热匹配差，焊点疲劳是主要的失效形式。

　　②焊球在封装体边缘对准困难。

　　③封装成本高。

　　TBGA（TAPE BGA）带载BGA

　　其优点是：

　　①尽管在芯片连接中局部存在应力，当总体上同环氧板的热匹配较好。

　　②贴装是可以通过封装体边缘对准。

　　③是最为经济的封装形式。

　　其缺点是：

　　①对湿气敏感。 

　　②对热敏感。

　　③不同材料的多元回合对可靠性产生不利的影响。

　　BGA在电子产品中已有广泛的应用，但在实际生产应用中，以PBGA居多。PBGA的缺点是对湿气敏感，如果PBGA吸潮后，在焊接中PBGA极易产生“爆米花”现象，从而导致PBGA失效。在很多的文献中有很多提高BGA制程质量的文章，在此我们仅针对PBGA对湿气敏感的缺点，讨论在实际生产过程的相关工艺环节中防止PBGA因吸潮而失效的方法。

　　PBGA的验收和贮存

　　PBGA属于湿敏性元件，出厂时均是采用真空包装，但在运输周转过程中很容易破坏其真空包装，导致元件受潮和焊点氧化，因此在元件入厂验收时，必须将元件的包装状态作为检验项目，严格将真空和非真空包装的元件区分开，真空包装的元件按照其贮存要求进行贮存，并在保质期内使用，非真空的元件应该放入低湿柜中按要求进行贮存，防止PBGA吸潮和引脚的氧化。同时按“先进先出”的原则进行控制，尽量降低元件的贮存风险。

　　PBGA的除湿方式的选择

　　受潮的PBGA在上线生产前要进行除湿处理。BGA的除湿通常有低温除湿和高温除湿两种，低温除湿是采用低湿柜除湿，除湿比较费时，通常在5[%]的湿度条件下，需要192小时，高温除湿是采用烘箱除湿，除湿时间比较短，通常在125摄氏度的条件下，需要4小时。在实际的生产中，对那些非真空包装的元件进行高温除湿后，放入低湿柜中贮存，以缩短除湿的周期。对湿度卡显示潮湿度超标的PBGA建议采用低温除湿，而不采用高温除湿，由于高温除湿的温度较高（大于100摄氏度）而且速度快，如果元件湿度较高，会因为水分的急促气化而导致元件失效。

　　PBGA在生产现场的控制 

　　PBGA在生产现场使用时，真空包装的元件拆封后，必须交叉检查包装的湿度卡，湿度卡上的湿度标示超标时，不得直接使用，必须进行除湿处理后方可使用。生产现场领用非真空包装的元件时，必须检查该料的湿度跟踪卡，以确认该料的湿度状态，无湿度跟踪卡的非真空包装的元件不得使用。同时严格控制PBGA在现场的使用时间和使用环境，使用环境应该控制在25摄氏度左右，湿度控制在40-60[%]之内，PBGA现场的使用时间应控制在24小时以内，超出24小时的PBGA必须重新进行除湿处理。

　　PBGA的返修

　　BGA返修通常采用BGA返修台（BGA rework station）。生产现场返修装贴有PBGA的PCBA，若放置时间比较长，PBGA易吸潮，PBGA的湿度状态也很难判断，因此PBGA在拆除之前，必须将装PBGA的PCBA进行除湿处理，避免元件在拆除中失效报废，使BGA的置球和重新装配变得徒劳。

　　当然，在SMT制程中导致BGA失效的工艺环节和原因很多，比如ESD、回流焊接等等，要想降低SMT制程中BGA的失效，需要在多方面进行全面控制。对于PBGA而言，与元件吸潮相关的工艺环节在实际生产中往往被忽视，而且出现问题比较隐蔽，往往给我们改善制程、提高制程质量造成了很多障碍，因此针对PBGA对湿气敏感的缺点，在生产制程中，从以上几个方面着手，针对性的采取有效应对措施，可以更好地减少PBGA的失效，提高PBGA的制程质量，降低生产成本。

　　一、静电防护原理

　　电子产品制造中，不产生静电是不可能的。产生静电不是危害所在，其危害所在于静电积聚以及由此产生的静电放电。静电防护的核心是“静心消除”。

　　静电防护原理：

　　(1)对可能产生静电的地方要防止静电积聚。采取措施在安全范围内。

　　(2)对已经存在的静电积聚迅速消除掉，即时释放。

　　二．静电防护方法

　　(1)使用防静电材料：金属是导体，因导体的漏放电流大，会损坏器件。另外由于绝缘材料容易产生摩擦起电，因此不能采用金属和绝缘材料作防静电材料。而是采用表面电阻l×105Ω?cm以下的所谓静电导体，以及表面电阻1×105-1×108Ω?cm的静电亚导体作为防静电材料。例如常用的静电防护材料是在橡胶中混入导电碳黑来实现的，将表面电阻控制在1×106Ω?cm以下。

　　(2)泄漏与接地：对可能产生或已经产生静电的部位进行接地，提供静电释放通道。采用埋大地线的方法建立“独立”地线。使地线与大地之间的电阻＜10Ω。(参见GBJl79或SJ／T10694-1996)

　　静电防护材料接地方法：将静电防护材料(如于作台面垫、地垫、防静电腕带等)通过1MΩ的电阻接到通向独立大地线的导体上(参见SJ／T10630-1995)。串接1MΩ电阻是为了确保对地泄放＜5mA的电流，称为软接地。设备外壳和静电屏蔽罩通常是直接接地，称为硬接地。

　　IPC-A-610C标准中推荐的防静电工作台接地方法如图1。

　　SMT生产中的静电防护技术4

　　(3)导体带静电的消除：导体上的静电可以用接地的方法使静电泄漏到大地。放电体卜的电压与释放时间可用下式表示：

　　UT=U0L1/RC

　　式中 UT-T时刻的电压(V) U0一起始电压(V) R-等效电阻(Ω) C-导体等效电容(pf)

　　一般要求在1秒内将静电泄漏。即1秒内将电压降至1OOV以下的安全区。这样可以防止泄漏速度过快、泄漏电流过大对SSD造成损坏。若U0=500V，C=200pf，想在1秒内使UT达到100V，则要求R=1．28×109Ω。因此静电防护系统中通常用1MΩ的限流电阻，将泄放电流限制在5mA以下。这是为操作安全设计的。如果操作人员在静电防护系统中，不小心触及到220V工业电压，也不会带来危险。

　　(4)非导体带静电的消除：对于绝缘体上的静电，由于电荷不能在绝缘体上流动，因此不能用接地的方法消除静电。可采用以下措施：

　　(a)使用离子风机-离子风机产生正、负离子，可以中和静电源的静电。可设置在空间和贴装机贴片头附近。

　　(b)使用静电消除剂-静电消除剂属于表面活性剂。可用静电消除剂檫洗仪器和物体表面，能迅速消除物体表面的静电。

　　(c)控制环境湿度-增加湿度可提高非导体材料的表面电导率，使物体表面不易积聚静电。例如北方干燥环境可采取加湿通风的措施。

　　(d)采用静电屏蔽-对易产生静电的设备可采用屏蔽罩(笼)，并将屏蔽罩（笼）有效接地。

　　(5)工艺控制法：为了在电子产品制造中尽量少的产生静电,控制静电荷积聚，对已经存在的静电积聚迅速消除掉，即时释放，应从厂房设计、设备安装、操作、管理制度等方面采取有效措施。

　　三．静电防护器材

　　(1)人体防静电系统包括防静电腕带、工作服、帽、手套、鞋、袜等

　　(2)防静电地面包括防静电水磨石地面、防静电橡胶地面、PVC防静电塑料地板、防静电地毯、防静电活动地板等。

　　(3)防静电操作系列：包括防静电：I：作台垫、防静电包装袋、防静电物流小车、防静电烙铁及工具等。

　　四．静电测量仪器．

　　(1)静电场测试仪：用于测量台面、地面等表面电阻值。平面结构场合和非平面场合要选择不同规格的测量仪。

　　(2)腕带测试仪：测量腕带是否有效。

　　(3)人体静电测试仪：用于测量人体携带的静电量，人体双脚之间的阻抗，测量人体之间的静电差,腕带、接地插头、工作服等是否阻护有效。还可以作为入门放电，把人体静电隔在车间之外。

　　(4)兆欧表：用于测量所有导电型、抗静电型及静电泄放型表面的阻抗或电阻。

　　五．电子产品制造中防静电技术指标要求

　　(1)防静电地极接地电阻＜10Ω。

　　(2)地面或地垫：表面电阻值105-1010Ω;摩擦电压＜100V。

　　(3)墙壁：电阻值5×104-109Ω。

　　(4)工作台面或垫：表面电阻值106-109Ω；摩擦电压＜100V；对地系统电阻106-108Ω。

　　(5)工作椅面对脚轮电阻106-108Ω。

　　(6)工作服、帽、手套摩擦电压＜300V；鞋底摩擦电压＜100V。

　　(7)腕带连接电缆电阻1MΩ；佩带腕带时系统电阻1-1OMΩ。脚跟带(鞋束)系统电阻0．5×105-108Ω。

　　(8)物流车台面对车轮系统电阻106-109Ω。

　　(9)料盒、周转箱、PCB架等物流传递器具一表面电阻值103-108Ω;摩擦电压＜100V。

　　(10)包装代、盒一摩擦电压＜100V。

　　(11)人体综合电阻106-108Ω。

　　六、 电子产品制造中防静电措施及静电作业区(点)的一般要求

　　SMT生产中的静电防护技术5

　　SMT生产设备必须接地良好，贴装机应采用三相无线制接地法并独立接地。生产场所的地面、工作台面垫、坐椅等均应符合防静电要求。车间内保持恒温、恒湿的环境。应配备防静电料盒、周转箱、PCB架、物流小车、防静电包装带、防静电腕带、防静电烙铁及工具等设施。

　　(1)根据防静电要求设置防静电区域，并有明显的防静电警示标志。按作业区所使用器件的静电敏感程度分成1、2、3级，根据不同级别制订不同的防护措施。

　　1级静电敏感程度范围：0-1999V

　　2级静电敏感程度范围：2000-3999V

　　3级静电敏感程度范围：4000-15999V

　　16000V以上是非静电敏感程产品。

　　(2)静电安全区(点)的室温为23±3℃，相对湿度为45-70％RH。禁止在低于30％的环境内操作SSD(静电敏感元器件)。

　　(3)定期测量地面、桌面、周转箱等表面电阻值。

　　(4)静电安全区(点)的工作台上禁止放置非生产物品，如餐具、茶具、提包、毛织物、报纸、橡胶手套等。

　　(5)工作人员进入防静电区域，需放电。操作人员进行操作时，必须穿工作服和防静电鞋、袜。每次上岗操作前必须作静电防护安全性检查,合格后才能生产。

　　(6)操作时要戴防静电腕带，每天测量腕带是否有效。

　　(7)测试SSD时应从包装盒、管、盘中取一块，测一块,放一块，不要堆在桌子上。经测试不合格器件应退库。

　　(8)加电测试时必须遵循加电和去电顺序：低电压→高电压→信号电压的顺序进行。去电顺序与此相反。同时注意电源极性不可颠倒，电源电压不得超过额定值。

　　(9)检验人员应熟悉SSD的型号、品种、测试知识，了解静电保护的基本知识。

　　七．静电敏感元器件(SSD)运输、存储、使用要求

　　(1)SSD运输过程中不得掉落在地，不得任意脱离包装。

　　(2)存放SSD的库房相对湿度：30-40％RH。

　　(3)SSD存放过程中保持原包装，若须更换包装时，要使用具有防静电性能的容器。

　　(4)库房里，在放置SSD器件的位置上应贴有防静电专用标签。

　　(5)发放SSD器件时应用目测的方法，在SSD器件的原包装内清点数量。

　　(6)对EPROM进行写、擦及信息保护操作时，应将写入器／擦除器充分接地，要带防静电手镯。

　　(7)装配、焊接、修板、调试等操作人员都必须严格按照静电防护要求进行操作。

　　(8)测试、检验合格的印制电路板在封装前应用离子喷枪喷射一次，以消除可能积聚的静电荷。

　　从历史上讲，贴装元器件SMC/SMD，由欧美先进技术国家发明于1960年代中期。后来的一些年较多采用这种新型元器件是厚膜电路与混合集成电路。在先前已制作好线路、厚膜电阻与焊盘的陶瓷基板上，印刷锡膏，以手工方式贴上无引线独石陶瓷电容MLC、被称为‘芝麻管’的短小引脚晶体管与贴装式IC，然后进行再流焊接，完成组装，这就是雏形的SMT方式。尽管当时还没有出现‘SMT’这个学术名词，尚未形成单独的技术门类，但这先进的具有强大生命力的组装工艺逐渐形成。

　　中国电子元件学术界最早在1980年代初期已经密切关注国际上SMC/SMT的发展动向，一些对新技术敏感的元件与HIC专家积极编译撰写推介文章。

　　中国内地最早引进雏形SMT工艺以手工贴片方式生产的时间可追溯到1982年。据上海资深SMC/SMT专家王行乾的回忆，那年8月他任职于上海无线电六厂，随团赴英国DEK公司考察引进印刷机、再流焊炉与工艺技术，批量生产厚膜电路，技术升级换代，明显地提高了产量与质量。这是可以考证确定的国内最早手工贴装的SMT生产方式。

　　虽然SMC/SMD的发明及雏形的SMT技术最早在欧美形成，但进展的步履缓慢，倒是缺乏资源但善于学习西方并进行技术再创新的日本，在1970年代中期加快了开发应用步伐。在1970年代后期日本大型电子企业集团率先研制成功了自动贴片机，由内部的专用设备逐步改进为商品化的通用设备，大批量地应用在家用电子产品生产中。1980年代初期SMT作为新型一大门类的先进电子板级组装工艺技术，由于自动贴片关键工艺设备的突破而正式启动。SMT技术在发达国家的大型电子集团公司间重点开发与竞争而得到了蓬勃的发展。由于SMC/SMD无引线或短小引线，便于改善电子产品高频性能，因此最早最多地应用量大面广的彩色电视机电子调谐器上。

　　在一定意义上可以讲电子调谐器也只是启动了SMT的发展，却没有起到后续推动SMT发展的更大作用。SMT的发展历史表明，不断推动SMT快速向前发展的产品是便携式通信与IT数字产品。有专家曾指出，没有SMT就没有手机，没有手机也就没有SMT的今天。通过手机发展历史的研究可以从另一角度研究SMT技术的发展轨迹。

　　纵观只电子管发明至今的电子技术发展历史，可以相信SMT这一代组装技术的前景无限。虽然阻容类分立元件的小型化有极限，PCB的制作技术也会有较大的改进，IC会多功能高集成化、封装形式也会多样化，但总得依靠SMT这一技术组装起来与其他部件装配成最终电子产品。