现代电子装联工艺技术的发展走向

2022-06-15邓波

科学与信息化 2022年11期

关键词：工艺技术元器件电子产品

邓波

中国电子科技集团公司第三十四研究所广西桂林 541000

引言

我国的战略性科技力量主要依靠电子与资讯行业支撑。要达到国际一流目标，其中一项关键的技术基础就是必须高度重视电子装联工艺技术的核心，并加强对电子装联工艺技术管理开展有关科学研究。

1 现代电子装联工艺技术概述

电子装联，是指将元器件、光电子元器件、基板、引线、接头等重要零件按照所规定的电气工程模型进行组装并与电气连接的生产流程。在此过程中，所使用的各种装置叫作电子装联装置。电子装联专业装置的技术和运作特性，影响产品的电气连通性、稳定性、安全可靠和实际应用的稳定性。

其中，现代电子装联质量管理系统全面地介绍了现代电子装联质量管理的理论、方法和技术，突出了质量管理内容的系统性、先进性、理论性和实践性。电子装联工艺和装置关键技术是电子电气生产制造业的关键技术，是电子电气生产工业实现小型化、轻量化、多功能化和高可靠性的核心技术。我国正在逐步由全球的工业强国向制造业强国转变，并逐渐从生产劳动密集型国家向科技密集型国家转变，尤在以工业化与信息化融合为重点的趋势下，将成为世界电子电气产品工业的核心所在。国家在电子产品组装行业的投资与生产将大幅增加，而电子电气产业中的电子产品装配联工艺以及专用设备行业，也处于千载难逢的发展时机。根据曾在电子产品研究与制造一线进行过电子产品装联工作的人员表述，其深刻体会到电子装联工艺技术的重要性[1]。电子产品装联与工艺技术的好坏，影响到公司完成产品销售的指标，关乎着产品销售的安全，也决定了公司制造的品质。所以，提升我国电子装联工作者的整体制造工艺水平，是提升中国电子信息产业能力的核心要素。

2 现代电子装联工艺及其设备的分类

2.1 按电子产品的安装及技术方法的不同划分

2.1.1 表面贴装（Surface Mount Technoloty，SMT）用设备：如点胶机、锡膏印刷设备、多功能贴片机、回流焊接机、在线光学测量装置AOI、离线及在线X-Ray设备等。

2.1.2 通孔插装技术（Through Hole Technology，THT）用设备：如各类的元电子器件成型机，以及各类元电子器件插装机、波峰焊接机、异形插件机、压装机、绕接机等。

2.1.3 CMT（混合安装）用设备：如选择性波峰式焊接机，功能模块电焊机，激光焊锡机等。

2.2 按电子装联装置本身功用的不同划分

2.2.1 生产工序用设备。它是指实施生产制造工艺过程中某一工序内容的专用设备。如焊接、胶接、螺钉连接、压接，绕接，铆焊，轧花等，其中以焊缝加工是最主要的工序，它与相应的机械设备主要有波峰焊接机，回流焊接机、选择性波峰式焊接机，脉冲热压焊接机，激光焊锡机等。

2.2.2 检测类设备。其主要用途是进行工艺流程质量监测，如：ICT、FCT、AOI、X-RAY等
（3）。

2.2.3 返修类设备。对生产线中不良品的回修工作，如各种类型的CGA、BGA、QFN等芯片的回料操作台，上锡、除锡装置等。

2.2.4 装配类设备（或生产线）。对电子设备的手动组装，如各类SMT周边装置，手动上料机，各类非标组装装置，柔性工厂等。

3 现代电子装联技术发展水平

传统的装联技术采用金属基板和电气元器件单独制造，然后再使用SMT工艺技术将其安装在一块的方法。在达到更高效化、微小化、薄型化等技术方面，就变得有点力不从心。电子安装工艺技术正由SMT向后SMT（post-SMT）转化。通信终端产品是加快进行3D包装及制造的主动力，比如手机己从中低端向高端的快速发展，需要规格小、重量轻、功用多。现在手机用存储已经超越了PC用存储器[2]。单芯片堆叠密封（SDP），多晶片密封（MCP）和堆叠芯片尺寸密封（SCSP）等，已经大规模使用。但装联技术工艺还必须进一步加强提升自己的技术水平，以适应其发展趋势。为了满足对微型元器件装配自动定位工艺技术的需求，最新的精准定位工艺方法也日益引入。如日本松下最新装置体系，能够有效避免施工中由于焊盘高度偏移和焊膏印刷高度偏移而导致的再流焊缝的错误，成为继SMT工艺技术以后（post-SMT）的下一批装配工艺技术。这项技术也必将推动电子元器件设计、密封、安装等行业进行巨大转型。驱使将原来从芯片设计~封装~安装~再到全机的由前决定后的垂直产销链系统，转化为由前后相互控制的平行产销链系统，工艺创新路线也必须进行重要调整，以应对产销链条的变化，将PCB基板工艺与装配有机地结合的新技术，是未来瞩目的重要发展方向。

4 现代电子装联工艺技术发展的重要性

4.1 通过电子装联工艺技术的发展，可以实现电子装备的微变形与可靠性

通过电子装联工艺技术的发展，可以实现电子装备的微变形，从而有效提高了电子装备的可靠性。先进的电子产品装联工艺创新采用了高密度的新型元器件装配技术，可以在减小了电子产品装备体积与外形的同时，也使电子器件的信息传递、散热特性等方面进行了优化，在达到其所要求的技术指标要求的同时，也有效保障了电子器件的顺利工作。而要完成某RF功率放大器的轻数字化、紧凑型化转换，从而保持它自身的发射效能、功耗和工作的稳定性，就必须采用国际领先的多芯片系列的设计与组装工艺技术才能完成，而这是传统的电子装联工艺创新技术根本无法做到的。同时，通过对电子装联制造工艺科学技术的进一步发展，还可以更有效地推动了立体电子产品装配技艺的进一步发展和完善，以便于在三维的空间区域里就可以实现电子元件的装配，从而促进了信息传输速率、空间宽度利用率的有效提高，并可以在较大程度上减少了电路干扰。

4.2 电子装联工艺技术的进展将有利于微焊接工艺技术的进展

根据目前的电子装联工艺技术，装备距离约为0.3mm的芯片已逼近技术装备力量的限制。但是随着科学技术的不断进步，微机械与零点五导体技术中的元器件厚度将会愈来愈小，甚至超过了毫微级别。芯片级的封装密度将大幅增加，而焊点的体积也将更加细微。这时，基于传统的电子装配与连接工艺技术将会面对着巨大的技术挑战，以至面临着淘汰。而电子装联工艺创新的进展则可以更有效地实现微连接技术水平的提高，进而为装备更小的或超微细型的电子元器件创造了机会。所谓微焊接，是指通过实现对焊缝的微观细化，使相同间距间的焊缝条数大幅增多。但要进行微焊工序，首先在生产体系上，要形成能够确保焊缝接触具备较强安全性的生产体系，从而确保焊缝自身具备较强的接触安全性。这都必须建设在电子装联工艺技术的牢固基础上。

4.3 高密度装配中的微焊接工艺科学技术加快发展

高密度电子装配中的微焊接工艺技术，是由于高密度面阵列密封元件（如CSP。FCOB等）在电子制造业中的大规模使用而产生的。其优点为单芯片级封装系统具有的包封材料密度较高。譬如，在一个5mm×5mm的面积上就集成了5000个以上的接点数。焊点尺寸愈来愈微细化。距离约为0.4mm的CSP，其焊球的孔径将低于0.15mm。在SMT组装中各工位焊缝缺陷迅速增多。像上面一样的凸形接合部的大量存在，也促进了“微焊缝”工艺技术的发展。“微焊缝”工艺技术就意味接合部（焊点）的微观化，密间距的焊点数大幅增多，接合的可靠程度需要更高。

归纳起来，“微焊缝”工艺技术正面对着下述几个课题：①“微焊缝”工艺技术。由于操作人员不可能做出，大体上处于无检查工艺。为达到上述所规定的无检查工序的目的，就一定要设置保证焊点接触可靠性的质量保证系统（对制造系统的要求）。②由于对焊缝的微观化，焊缝与连接部本身的接续可靠性也一定要保证。因此，需要有最完整的连接，而焊点内各种空隙、异物等都是形成影响接续工作可靠性的主要原因（对接合部构成的需要）。通过以上分析，如果想要达到以上的要求，故需要引入“微焊接技术制造工艺系统设计”的思考方式。所说的“微焊缝工艺方案设计”，就是说用电子计算机仿真焊缝接合部的安全可靠性工程设计，以便得到现实应用工厂的安全工作可靠性措施和控制项目。对工厂或许会遇到的不良现象加以预报，以便求得防止不良现象产生的技术手段，这正是开展"工艺方案设计"的主要目的。采用“工艺设计”，即预先构建了实际的生产线和制造系统。如此，就能够达到最高的制造效率和焊缝品质，对焊缝连接部的可靠性管理工作也就多了一些可能。

5 现代电子装联工艺技术发展趋势

在未来，现代消费电子产品装联工艺创新的技术发展趋势将主要向着高密度电子元器件的装配技术、新型元器件装配技术、立体装配技术、多晶片系列的设计、多晶片组装配技术等的方面发展。可预见的是，由于电子装联工艺过程科技的蓬勃发展，它所需要的知识结构将会越来越复杂，并逐渐复合化。今天，电子产品自组装技术将获得巨大的发展，而电子装联工艺技术也将迈入超越了微细电子产品的新世纪。而称为自组装技术，其定义和创意都来源于在自然界中具有自我复制能力或自组织成复杂构造的原子等基本元件，而自组装技术也正是这种基本原理在电子装联工艺技术中的运用。目前这项关键技术还在研发阶段，它要求经过对压强、电磁性、高温等电子产品装联环境条件加以严格且科学合理的过程调控，才能得到最理想的电子产品装联产品属性和构成。

从理论而言，未来并行贴装的工艺技术将全部取代传统串行贴装技术，即现将整套网络系统先期构建好，而后再采用移动的方法将薄膜图像更有效传递到基板上，并利用这种类似印刷的方法，来完成对整套电路图像的成功并行制作。来自美国的IBM公司，通过将自重组聚合体矩阵技术应用在超密快闪记忆体的硅基板上，使毫微晶体开发获得了成功。由来自加州的ALIM科技有限公司所提供的FSA（流动式自组装）工艺技术目前已获得了相当完善的研究，它有效地把电器元件装配流程中的初始位置与终点定位融合到一起，也因此更有效地提高了电子装联的工作品质与效率，并应用于更大规模、低成本的电器元件生产中[3]。同时，美国加州大学、剑桥大学和圣地亚哥大学等全球著名院校的电子技术实验室也采用了不同的研究方法，使用电场、磁场等来产生定向力以使电子元器件向更加精确的方向移动，并在电子装联工艺创新以及自组装技术的研发上获得了一定的进步。