表面组装技术发展历程与未来趋势

表面组装技术发展历程与未来趋势 

 作者：张文杰 发布时间：2009

1 表面组装技术发展历程

1.1 产品与技术市场分布现状

当今全球社会处于商品经济发展相对迅速的时代，国家经济实力、知识技术基础、区域或地域贸易组织形式、国际金融与贸易法律认同程度、文化意识政治形态都直接影响某些行业全球化市场分工。

以电子组装技术应用为例，在信息技术应用基础上已经形成全球产业分化和完整的供应链，发达国家往往占据上游和基础优势，在关键技术如产品研发与设计、基础材料研究、半导体技术、电子元器件封装与制造、关键设备制造、关键工艺研究、军工科研医疗电子装备制造等具有高附加值方面处于绝对领先地位，如欧美日等国家；而在消费类电子产品的批量化生产、物流等低附加值服务则在发展中国家得到机遇，不过，欧美日等国家仍是最好的设备推销对象，当前，亚洲东南地区就是典型，另外，这些地区由于历史原因人口密度高，又由于上个世纪以日、韩、台、新为代表的电子业迅速发展为基础，具有良好的电子组装生产管理经验，就是在制造这一环节上又进一步得到分化，相对技术含量高、附加值较大的领域又被相对发达国家所掌握并控制，如芯片制造、高密度基板制造等。而且发展中国家大多居该地区，对经济发展需求点较多，同时也带动了庞大消费类产品需求。综合上述分析，现在电子组装技术在全球发展布局可大致归纳为“设计开发在欧美、原型制造在日欧、制造生产在亚洲”，所形成的供应链，曾有台湾业界人士形象地将其称作“食物链”，个中意味耐人寻味！

分析电子产品、技术应用，全球市场划分为三个层次：

以美国为代表的发达国家（含北美、西欧及日本）：高科技（高附加值）的知识产权（尤其是高密度高功率集成电路、专用芯片或模块、无线及光通讯模块等处于垄断地位）、先进电子电路设计软件、军事电子装备、航天航空、医疗器材、卫星通信、高分辨率科研仪器仪表、高速高精度集成电路、电路组装与测试设备、新型消费类产品、专用工艺材料等的设计开发，另外，高、精、尖产品原型制作、工艺技术会牢牢掌握在联盟合作伙伴手中！因长期工业化发展经验，社会经济、法律法规、工业基础健全及财力雄厚，重视科学技术研究，其产品研发形成了系统化分工合作，政府、金融（财团）机构、大专院校、企业能够灵活高效运作，特别是对于基础学科如理论、材料、设备等肯于长期高投入，从而形成当前电子组装产业的第一集团形势。

日本、新加坡、韩国及中国台湾地区：其发展多源于美国技术的支撑，但已经走过了最初的“拿来主义”模仿阶段并已拥有相当知识产权，在产业化方面，多为中规模集成电路基片与芯片封装制造技术、电子线路板制造技术、规模化电子产品制造技术应用、组装设备研制等方面处于中上游，掌握一定的电子产品设计技术，尤其突出的是基于特定民族人文氛围而造就的制造生产管理技术、产品批量质量水平往往超过欧美居世界领先。

中国、东南亚（马来西亚、印度、印度尼西亚等为代表）及东欧国家和地区：这些地区处于高速发展阶段，而非洲是可预见的下一个地区。这些区域缘于低成本的人工成本因素，多为消费类产品（电视、录象机、录音机、收音机、电话、VCD、DVD、手机等）规模化代工产业发达，但在产品研发、基础研究、物流组织、工艺基础理论、工艺技术研究、装备研制、生产管理方面处于劣势，关键设备如模板印刷机、高精度贴片机绝大多数由欧美日韩引进，尚未发现具有技术优势的达实际规模应用的自主产权设备及产品。我们国家经过近20多年来的表面组装技术应用发展，从单纯的引进使用、初步的工艺方法摸索到装备研制方面，从波峰焊机、再流焊设备等后端配套装备，已逐步将关键组装设备如高速高精度模板印刷机、贴片机、检测设备研制提到日程上来，并得到企业支持，此外，焊接材料等基础研究也逐步扩展开来，力争能切实掌握电子组装技术关键内容，但在重视程度、扶持力度、人才培养机制方面仍存在严重不足而收效有限！

1.2 SMT发展历程

表面组装技术（SMT-Surface Mount Technology）自20世纪60年代在美国问世以来，是随着电路模块制造发展而来的，主要是将片式组件用在厚膜电路制作之中，作为当今最为活跃的自动化电子组装技术仍然处于发展之中，该项技术应用的划分，类属电子产品二级连接方式，经过多年发展其可靠程度、规模化生产、高效、高质、低耗、低污染等特点尤为突出，是构成所有电子整机产品所需单元电路功能集成（即板级电路模块）的基础工艺技术。采用SMT的电子产品的体积和重量只有插装工艺产品的1/10左右，通常，体积缩小40%-60%、重量减轻60%-80%，综合成本降低约达 30%-50%。

1.2.1 初级阶段

SMT其开始阶段是将分立组件片式化，并采用改造插件装备，利用原用于插件焊接的波峰焊进行焊接，其后也出现了汽相焊、红外再流焊设备，多采用清洗工艺，当时的检测手段主要以目检、仪表仪器及针床在线测试设备，其基板主要以多种材质的刚性单层、单面或双面PCB为主，关键材料涵盖有铅锡合金焊料、焊膏、胶粘剂、清洗溶剂、助焊剂等，焊膏涂布以丝网印刷为主，元器件种类不多，多为大尺寸无引线端阻容组件，还有一些经由插装件引顶端平整化或直脚“I”形状的插装元器件，尚未出现细间距集成电路（以标准1.25mm、0.65mm引脚中心间距规格为主），随后也出现了引脚水平伸出周边的扁平封装（Flatpack）（需成型后使用）、双列引脚SOP（Small Outline Package）（有“翼”形、“J”形两种引脚形式）、PLCC（Plastic Leaded Chip Carrier）（有引脚塑料芯片载体）等形式，元器件的封装材料应用了玻璃、塑料、金属、陶瓷等介质。产品结构、工艺（插贴混合）应用相对现在较为简易，专业规模化生产开始萌生，但是，工艺装备技术程度不高且略显单一，可选用范围不宽泛，这个时期（60年代-80年代中期）以美国为代表，重点在投资类产品和军事装备领域应用，并且在提高可靠度及合格率方面予以重视。

自20世纪80年代中后期，日本引进消化SMT技术并大量应用于消费类电子产品中，明确国家技术发展策略，巨资投入加强了基础材料、典型工艺及装备、应用推广的研究开发，仅四年时间即在计算机和通信设备中应用数量大幅提高，成为SMT技术及应用领域领先的国家。90年代初，SMT已经成为完全成熟的电路组装技术并逐步取代通孔插装工艺，并由此成为主流技术，发达国家有80%以上的电子产品采用了SMT。

中国SMT起步于20世纪80年代初期，主要用于彩电调谐器、录象机、电视机、摄像机及袖珍式娱乐产品中，经过20多年发展已经成为SMT产业大国，可以预见在今后十年左右其地位不会有太大的变化。

1.2.2 过程控制与供应链管理

社会进入二十一世纪以来，表面组装技术飞速发展，材料工程、技术装备制造、理论研究日趋成熟，企业业务趋于专业化细划、地域特色更为分明，信息化技术手段开始大量应用于表面组装技术，需求的旺盛造成经济实体及产业链形成跨地区、跨时区全球化趋势，表面组装生产线产能得到极大地扩张，特别是对产品可制造性/可测试性（DFM/DFT）分析、企业资源管理（ERP-Enterprise Resource Planning）、制造执行系统（MES-Manufacturing Execute System）、生产线及车间管理系统、虚拟制造等予以关注，其根本实质是完善并强化产品工艺流程、提高生产效率及生产组织效率，确保交货期。

期间由于世界范围关注环境保护并形成行业及国家法规的变化，引起SMT工艺材料方面发生较大变化，特别是限制氟里昂、铅、卤素等的使用，在技术上对免清洗、无铅技术提出更高要求。焊接材料从单一铅锡合金向多种合金方向发展以应对这种要求，关键的焊膏成分中合金、溶剂、活化剂、焊剂等成分发生了变化，特别是焊膏组成合金颗粒尺寸也越来越小，以便于高密度元器件的焊接应用，此外，导电胶（同向、异向）、胶状助焊剂等新材料也开始使用。

20多年来，随着人们对电子产品小型化、便携式、高可靠、节能需求的不断提高，高密度多层PCB、高密度细间距（小于0.63 mm引脚中心间距）的新型封装器件，如QFP（最小引脚中心间距    0.30mm）、BGA（焊端中心间距最小0.50mm）、CSP（焊端中心间距最小0.30mm、封装厚度1.25 mm）、倒装片（焊端中心间距可达0.07mm）、QFN（尺寸介于3.0 mm×3.0mm和  9.0mm×9.0mm、焊端中心间距0.50mm、厚度低于1mm），超小型组件（焊接端间距01005）应运而生。

在此期间，元器件方面有了长足的进步，分立组件在九十年代末01005封装的产品已得到应用，BGA、CSP等高集成度芯片也大量使用，PCB的设计制作也趋于高频、高密度、多功能模块组合结构，信号层增多、导线线径超细化、导通孔形式多样化。产品结构及理念发生了令人难以想象的变化，采用刚-挠基板的三维立体组装成为关键技术。关键工艺设备在整体上有了长足的进步，高速、高精度贴装工艺装备制造水平得到提升，光学视觉及其处理系统、计算机及软件技术、人工智能等得到大量应用，从而对整个SMT工艺的稳定性控制有了更为坚实的保障。电路模块的焊接大量应用多温区强制热风回流焊接工艺，出现氮气保护焊接技术。

从器件功能上看，多芯片模块（MCM）、专用集成电路（ASIC）及可编程逻辑电路芯片等均已在封装技术上往适合表面贴装工艺方向靠拢，而基于板电路组装的SMT工艺技术也在这类电路模块的制造上大显身手，在芯片制造工艺技术方面，其垫底材料不仅限于采用原有的硅片，金属、陶瓷、超薄PCB等也大量应用，半导体的精细化工艺、薄膜工艺、厚膜工艺、PCB工艺、SMT工艺、检测技术互相渗透。图5所示为某企业全球导航定位（GPS）核心芯片（双面贴装）制作工艺流程，从图中可以看出该芯片制作工艺即是以SMT工艺为核心，功能上将数字信号处理、随机存储器、闪存及其它功能集成在一只芯片中，最后进行封装。

在这个时期内，板级电路模块或组件的检测技术呈现出多样化，超越了初期阶段单一模式，飞针测试、自动光学检测、自动X光检测等不同组合的应用，为保障生产过程质量监控与控制提供了高效可靠的手段，统计过程控制（SPC）技术成为SMT车间管理系统、质量管理系统、制造执行系统必不可少的工具，而且SPC也延伸到所有SMT设备的过程控制上。

2 SMT发展趋势分析

可以预见表面组装技术的发展将融合半导体工艺、表面组装及机械（含微组装）安装等先进制造技术，作为电子产品功能级支撑的板级电路在功能上将突破单一电信号传输作用，通过采用先进集成电路封装、组装工艺实现光、机、电、无线等集成功能的板级电路模块的组装。

在组装形式上，多层立体组装如堆封装（PoP）也是在实现高密度组装向垂直方向延展的一个趋势，见图6所示。这类组装过程相比芯片三维构造而言，在工艺技术应用及成本方面都具有很强的竞争力，利用现有SMT生产线及材料即可实现。

三维组装形式是最具生命力的发展方向，基于刚-挠基板、柔性电路的电路模块是其主要意图，重点是解决柔性电路基板的高密度组装工艺及可靠性问题。目前已有所谓的“弹性互连电路”研究问世，这种电路基于柔性基板，可使伸缩率达50% ~100%，而不影响基板导线的电阻值，不仅可以弯曲，而且具有弹性。能够嵌入纺织物、甚至人体内，这种具有很强伸缩的互连电路能够形成具有弹性的、可洗涤的电子电路和器件。

2.1 工艺技术应用方向

2.1.1 高密度组装

该技术领域覆盖了板级电路及多芯片组装，SMT在芯片制造技术中的应用更为突出，超小型01005片式组件、裸片安装等极为普遍，基板材质的选择更为广泛，焊接材料则除了使用更细颗粒的焊膏外，倾向于使用导电胶等流体材料，其次是仍然采用胶粘接、邦定工艺。

板级电路仍是以SMT为主流，但多功能集成的复杂产品生产线工艺内容及线体配置将会扩展和丰富，芯片工艺中的邦定、粘接、清洗、测试等也同样会有所应用，后道生产线则可能将压接、机械组装、清洗、涂敷等包括在内。随之而来的是对生产环境、材料、生产组织和管理的变化。

如前所述，高密度电路组装技术的发展除了要在芯片、PCB水平面方向实现多功能、高密度化外，三维高密度组装的各种形式也是其降低制造成本、提高产品质量的有效途径！虽然，这些新技术的出现部分已经有了雏形，但由于在工艺实现方面的差异，芯片封装与表面组装工艺还存在一个技术规范、工艺、装备标准及其它一些方面的融合问题有待解决，同样，元器件、PCB的组装发展在企业动作及管理方面存在许多问题！

高密度组装的实现对电路功能测试的影响，还要考虑焊接方面的防护手段、免清洗工艺对测试探针使用效果的影响、高覆盖率（电路功能）的电测试可实现程度、测试工装及夹具制作及应用、电路故障分析与诊断技术、研究替代常规电测试手段进行光电器件性能的测试技术。

2.1.2 光电子组装

光电子组装原先由于其光电器件封装形式不同于电子元器件，体积较大，而且光学特性在安装方式上较为独特要求严格，装配后的调整调测是一个最大的难题，光电子板级电路组装的概念提出应在20世纪90年代左右，但由于光电路PCB中的光路设计（光纤通路布设）、光组件的小型化（部分已采用MEMS可望有所突破）封装、光电效应测试、光组件的连接方法等存在与电子组装工艺较大差异，一直没有很大的进展，但是前景看好。

光电子组装需要将光电器件与常规电功能元器件一并组装在同一块基板（包括刚性基板、挠性基板及刚-挠结合等类型基板）上，而光电器件也分为有源件（如激光二极管、光电转换器件、图像接收件等）、无源件（如透镜、光隔器、偏光器、光纤及反射镜等），通常，在封装（多为芯片集成光路、MCM、模块组件，半密封封装工艺）上也与电子元器件差别较大，将来有望采纳纳米技术、MEMS等组成功能性模块再封装后，实现在SMT生产在线的使用！在组装应用技术方面，偏重于高精度机械定位、调整，80%以上工序为手工作业，组装装配效率低、光路等功能性测试速度慢、费用高，而且还要求在机械冲击、震动、热冲击及必要的可焊性等方面有额外要求，此外，部分光组件还对密封性有严格要求，因而超出了现有高效SMT技术应用领域，目前，在行业内尚未形成规范的自动化生产解决方案及相关标准，是自动化光电组装的“独岛”。