表面安装技术
表面安装技术（英語：Surface-mount technology，簡稱SMT）[1]，最初称为平面安装，是一种将电气元器件直接安装在印制电路板（PCB）表面的电子装联技术[2]，起源于1960年代，最初由美国IBM公司進行技術研發，之後於1980年代後期漸趨成熟。此技術是将电子元件，如电阻、电容、晶体管、集成电路等等安装到印刷电路板上，并通过钎焊形成电气联结。其使用之元件又被簡稱為表面安装元件（SMD，surface-mount devices）。和通孔插装技术的最大不同處在於，表面安装技术不需為元件的針腳預留對應的貫穿孔，而表面安装技术的元件尺寸也比通孔插装技术的微小許多。藉由應用表面黏著技術可以增加整體處理速度，但由於零件的微小化及密度的增加電路板的缺陷風險因而隨之提高，所以在任何表面黏著技術的電路板製造過程，錯誤偵測已經變成必要的一環。
在工业领域，这种方法已基本取代通孔插装技术。SMT能提高制造自动化程度，进而降低成本并提升质量。[3]该技术还能在给定面积的基板上容纳更多元器件。同一块电路板上可以同时使用这两种技术。通孔插装技术通常用于不适合表面安装的元器件，如大型变压器和带散热器的功率半导体。
SMT元器件的引脚较小或根本没有引脚，通常比对应的通孔插装元器件更小。它可以带有短引脚或各种样式的引脚、平触点、焊球矩阵（BGA），或在元器件本体上设有端子。
COG（Chip-On-Glass）是在LCD的玻璃上，利用打線接合及黏糊的方式，直接連接裸晶片，現COG接合技術是將長有金凸塊的驅動IC裸晶片，使用各向異性導電膜（ACF）直接與LCD面板做連接。
历史
[编辑]表面安装技术开发于20世纪60年代。截至1986年，表面安装元器件最多占据10%的市场份额，但普及迅速。[4]到20世纪90年代末，表面安装器件占据绝大多数高科技电子印制电路组件市场。IBM完成了该技术的大部分先驱性工作。IBM于1960年在一台小型计算机中首次展示该设计方法，随后该方法应用于制导所有土星1B號運載火箭和土星5号运载火箭的仪器单元中的运载火箭数字计算机。[5]工程师在机械结构上重新设计了元器件，增加小型金属接片或端帽，以便直接焊接在印制电路板表面。元器件体积大幅缩减。与通孔插装相比，表面安装更常在电路板双面放置元器件，从而实现更高的电路密度和更小的电路板尺寸，进而缩小了装配这些电路板的机器或子组件的体积。
焊料的表面张力通常足以将零件固定在电路板上；在极少数情况下，为防止元器件在回流焊炉内掉落，电路板底部或“第二”面的零件会使用胶粘剂固定。[6]如果采用波峰钎焊工艺同时焊接SMT和通孔插装元器件，通常需要用胶粘剂将SMT元器件固定在电路板底部。或者，若先对SMT零件进行回流焊，随后使用选择性阻焊膜防止固定这些零件的焊料重新熔化并在波峰焊期间漂移，即可在没有胶粘剂的情况下将SMT和通孔插装元器件焊接在电路板的同一面。表面安装非常适合高度自动化，能降低人工成本并大幅提高生产率。
相反，SMT不适合手工或低自动化制造。对于一次性原型制作和小规模生产，低自动化制造更经济、更快捷，这也是许多通孔插装元器件仍在生产的原因之一。部分SMD可使用温控手工电烙铁焊接，但对于体积极小或引脚间距过细的器件，若无昂贵设备，往往难以手工焊接。
常用缩写
[编辑]制造过程中使用了不同术语来描述元器件、技术和机器。下表列出了这些术语：[3]
| SMp术语 | 完整形式 |
|---|---|
| SMD | 表面安装器件（有源、无源和机电元器件） |
| SMT | 表面安装技术（组装与安装技术） |
| SMA | 表面安装组件（使用SMT组装的模块） |
| SMC | 表面安装元器件（用于SMT的元器件） |
| SMP | 表面安装封装（SMD外壳形式） |
| SME | 表面安装设备（SMT组装机器） |
组装技术
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在需要放置元器件的位置，印制电路板通常设有无孔的平坦焊盘，即“焊盘”，表面一般镀有锡铅合金、银或金。制造过程中，首先使用不锈钢或镍网板，通过絲網印刷工艺将焊锡膏（一种由助焊剂和微小焊料颗粒组成的粘性混合物）涂敷在所有焊盘上。该过程也可采用类似于喷墨打印的喷印机械结构来完成。涂敷焊膏后，电路板通过传送带送入贴片机。待贴装的元器件通常以卷带（纸质或塑料材质）或塑料管的形式送至生产线。部分大型集成电路则装在防静电托盘中交付。数值控制贴片机从卷带、塑料管或托盘中取出零件，将其放置在印制电路板上。
随后，电路板传入回流焊炉。电路板首先进入预热区，在此区域内，电路板及所有元器件的温度均匀且逐渐上升，以防止热冲击。接着，电路板进入高温区，足以熔化焊膏中的焊料颗粒，将元器件引脚与电路板上的焊盘结合。熔融焊料的表面张力有助于保持元器件位置。若焊盘几何形状设计得当，表面张力会自动将元器件对齐到焊盘上。
回流焊料有多种技术。其中一种使用红外线灯，称为红外回流焊。另一种使用热气對流。此外，利用高沸点特殊碳氟化合物液体的气相回流焊技术也正重新流行。出于环保考虑，该方法曾一度失宠，直到无铅法规出台，对焊接工艺提出更严格的控制要求后才重获重视。截至2008年底，对流焊接是应用最广泛的回流焊技术，主要使用标准空气或氮气。这些方法各有利弊。采用红外回流焊时，电路板设计师必须合理布局，避免矮小元器件落入高大元器件的阴影中。若设计师知晓生产中将采用气相回流焊或对流焊接，元器件的位置布局则限制较少。回流焊后，工人可通过手工安装并焊接某些不规则或热敏感元器件；在大规模自动化生产中，则使用聚焦红外束（focused infrared beam，FIB）或局部对流设备完成该工序。
对于双面电路板，可使用焊膏或胶水固定元器件，并重复上述印刷、贴片和回流焊工艺。若采用波峰钎焊工艺，则必须在加工前用黏合剂将零件固定在电路板上，以防止固定它们的焊膏熔化时零件漂移。
焊接完成后，通常需清洗电路板，去除助焊剂残留物和任何可能导致密集元器件引脚短路的散落焊球。松香助焊剂可使用氟碳溶剂、高闪点烃类溶剂或低闪点溶剂（如提取自橘皮的柠烯）去除，后者需要额外的冲洗或干燥周期。水溶性助焊剂使用去离子水和洗涤剂去除，随后通过鼓风快速清除残留水分。然而，多数电子组件采用“免清洗”工艺制造。该工艺认为助焊剂残留物无害，因此将其保留在电路板上。此举节省了清洗成本，加快了制造过程，并减少了废弃物。但一般建议，在应用环境涉及超高频时钟信号（超过 1 GHz）时，即使采用“免清洗”工艺，也应对组件进行清洗。去除免清洗残留物的另一原因是改善三防膠和底部填充材料的附着力。[7]无论是否清洗印制电路板，当前的行业趋势表明需谨慎评估采用“免清洗”工艺的组装流程。截留在元器件和射频屏蔽罩下的助焊剂残留物可能影响表面绝缘电阻（surface insulation resistance，SIR），在元器件密度极高的电路板上尤为明显。[8]
某些制造标准，如国际电子工业联接协会（IPC）制定的标准，要求无论使用何种类型的助焊剂都必须进行清洗，以确保电路板彻底清洁。适当的清洗可去除所有助焊剂痕迹，以及肉眼可能无法察觉的污垢和其他污染物。免清洗或其他焊接工艺可能会留下“白色残留物”。根据IPC的标准，只要“这些残留物已被鉴定并记录为良性”，即为可接受。[9]尽管符合IPC标准的工厂应遵守该协会关于电路板状况的规定，但并非所有制造设施都应用或被要求应用IPC标准。此外，在低端电子产品等应用中，此类严苛的制造方法在成本和时间上均显多余。
最后，对电路板进行目视检查，排查缺失、未对齐的元器件及焊桥。[10][11]如有必要，电路板将送往返工站，由操作员修复错误。随后，电路板通常送至测试站（電路測試或功能测试）验证其运行正常。
自動光學檢查（AOI）系统广泛应用于印制电路板制造。该技术已证明在工艺改进和质量达成方面极为高效。[12]
优势
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- 更快的自动化组装。部分贴片机每小时可贴装超过136,000个元器件。
- 更高的元器件密度（单位面积元器件数量）及单个元器件更多的连接点。
- 元器件可双面放置于电路板上。
- 连接密度更高。由于孔洞不阻挡内层布线空间，当元器件仅贴装于单面时，也不阻挡背层布线空间。
- 熔融焊料的表面张力能将元器件拉拽对齐至焊盘，从而自动纠正贴装过程中的微小偏差。（相比之下，通孔插装元器件一旦引脚穿过孔洞便完全对齐，无法发生横向偏移，因此不存在微小的对准误差。）
- 在冲击和振动条件下具备更佳的机械性能（部分归因于质量较轻，部分归因于悬臂效应减弱）。
- 连接处的电阻与电感更低；因此，不良射频信号效应减少，高频性能更优且更具可预测性。
- 辐射环路面积更小（受惠于更小的封装）且引脚电感更低，从而具有更好的电磁兼容性能（更低的辐射发射）。[15]
- 钻孔需求减少。（钻孔耗时且昂贵。）
- 使用自动化设备进行大规模生产的初始设置成本更低、耗时更短。
- 许多SMT零件成本低于同等通孔插装零件。
- 元器件体积更小。
劣势
[编辑]- 对于承受频繁机械应力的元器件，如频繁插拔的外部设备接口连接器，仅采用SMT作为固定方法可能不够稳妥。[16]
- 在经历热循环时，SMD的焊点可能会被灌封胶损坏。
- 由于众多SMD尺寸微小且引脚间距极小，手动原型组装或元器件级维修难度较大，需配备熟练操作员及更昂贵的工具。[17]处理微小SMT元器件颇具难度，通常需要使用镊子，这与绝大多数通孔插装元器件不同。通孔插装元器件插入后在重力作用下能保持固定，焊前也可通过弯折电路板焊接面的两根引脚实现机械固定；而SMD极易因电烙铁的触碰移位。若操作不熟练，在手动焊接或拆焊时，极易意外熔化相邻SMT元器件的焊料并导致其意外移位，这种现象在通孔插装元器件中几乎不可能发生。
- 许多类型的SMT元器件封装无法安装在插座中。插座便于安装、更换元器件以修改电路，并可轻松替换故障部件。（几乎所有通孔插装元器件均可安装在插座中。）
- SMD无法直接用于插入式面包板（一种即插即用的快速原型工具），要么需为每个原型定制印制电路板，要么需将SMD贴装在带引脚的载体上。若围绕特定SMD进行原型制作，可使用成本较低的引出板。此外，也可使用条纹板类型的原型板，其中部分板自带适配标准尺寸SMD的焊盘。在原型制作时，还可采用“死虫法”搭建电路。[18]
- 随着技术向超细间距迈进，SMT中的焊点尺寸迅速缩减。因每个焊点允许的焊料持续减少，焊点可靠性日益受到关注。空洞是焊点常见的缺陷，尤其在SMT应用中回流焊膏时。空洞的存在会削弱焊点强度，并最终引发连接失效。[19][20]
- SMD通常比对应的通孔插装元器件更小，供标记的表面积也更为有限。其零件识别码或元器件数值的标记不得不更为隐秘且细小，常需放大方可看清；而体积较大的通孔插装元器件凭肉眼即可读取和识别。这对于原型制作、维修、返工、逆向工程，甚至可能的生产准备环节而言，均为一项劣势。
返工
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缺陷表面安装元器件可通过焊鐵（适用于部分连接点）或非接触式返修系统进行修复。在大多数情况下，返修系统是更优选择，因为使用电烙铁处理SMD需要高超的技巧，且并不总能奏效。
返修通常用于纠正人为或机器引发的各类错误，包含以下步骤：
- 熔化焊料并取下元器件
- 清除残留焊料（某些元器件可能无需此步）
- 在印制电路板上印刷焊膏，可通过直接印刷、点胶或浸涂完成
- 贴装新元器件并进行回流焊
有时需修复成百上千个相同零件。若源于组装失误，此类错误往往在工艺流程中即可被察觉。然而，一旦元器件故障发现过晚，甚至直到制造设备的终端用户遭遇问题时才引起注意，返修难度便会大幅跃升。当产品价值高昂值得修正或重新设计时，也可运用返修手段，例如更换单个固件级元器件。大规模返修需要配备专属的作业流程。
非接触式焊接与拆焊方法主要有两类：红外焊接和热气焊接。[21]
红外技术
[编辑]在红外焊接中，加热焊点的能量通过长波、中波或短波红外电磁辐射传输。
优势：
- 设置简便
- 加热过程无需压缩空气（部分系统使用压缩空气进行冷却）
- 无需为众多元器件形状和尺寸配备不同的喷嘴，降低了成本并省去更换喷嘴的麻烦
- 在配备高质量红外加热系统的前提下，可实现极佳的均匀加热
- 若温度曲线设置正确，回流焊过程温和且表面温度低
- 红外源反应迅速（取决于所用系统）
- 可利用热电偶或高温计直接对元器件进行闭环温度控制。这能补偿各种环境影响和热量流失，并使加热过程自我调整。因此可以在存在细微差异的组件上套用相同的温度曲线，甚至在发热的组件上（重新）激活该曲线
- 通过直接控制每次单独焊接过程中的元器件温度，可直接设置目标曲线温度与梯度
- 避免了因热风强力吹拂焊点而加剧氧化，减少了助焊剂损耗或被吹散的情况
- 可记录每次单独返修过程中的元器件温度变化
劣势：
- 必须对热敏感的相邻元器件进行隔热防护以防损坏，这增加了每块电路板的处理时间
- （仅限短波红外）表面温度受元器件反照率影响：深色表面的受热程度高于浅色表面
- 元器件处可能存在对流热量损失
- 无法提供回流焊气氛（但通常也无需此条件）
热气技术
[编辑]在热气焊接期间，加热焊点的能量通过热气传输。热气可为空气或惰性气体（氮气）。
优势：
- 某些系统支持在热空气与氮气之间切换
- 标准与特定元器件专用喷嘴确保了高可靠性和更快的处理速度
- 支持可重复的焊接温度曲线（取决于所用系统）
- 加热效率高，可传输大量热量
- 作用区域内的电路板受热均匀（取决于系统与喷嘴质量）
- 元器件温度绝不会超过设定的气体温度
- 回流焊后冷却迅速，有利于形成细晶粒焊点（取决于所用系统）
劣势：
- 发生器的热容量导致反应迟缓，从而可能使温度曲线失真（取决于所用系统）
- 必须采用精密且有时极为复杂的特定元器件专用热气喷嘴，以将热气引向目标元器件。这类喷嘴造价极为高昂
- 受限于相邻元器件的存在，当前喷嘴往往无法紧贴印制电路板放置。这导致密闭的工艺腔室不复存在，热风可能从侧面强力吹拂相邻元器件，进而导致其被吹散甚至遭受热损伤。在这种情况下，必须采取措施隔离气流保护相邻元器件，例如覆盖聚酰亚胺胶带
- 热气的局部湍流会在加热表面产生热点和冷点，引发加热不均。因此，必须配备设计完美、质量上乘的喷嘴
- 元器件边缘（尤其是底座和连接器处）的气流旋涡会使其受热远超其他表面，可能引发过热（如灼烧、塑料熔化）
- 鉴于生产过程中并未实时测量元器件温度，环境因素造成的热量损失无法得到补偿
- 制定合适的回流焊曲线需要历经调整与测试阶段，某些情况下包含多个繁琐步骤
- 受气体高流速影响，测量元器件实际温度极为困难，因此无法实现对元器件的直接温度控制
混合技术
[编辑]混合返修系统将中波红外辐射与热风相结合。
优势：
- 设置简便
- 辅助红外辐射的低流速热风改善了热传递，且不会吹走元器件
- 热传递不完全依赖于元器件或组件表面的热气流速（参见热气技术）
- 无需为众多元器件形状和尺寸配备不同喷嘴，降低成本且免去更换喷嘴的操作
- 如有必要，可通过各类附件调整加热面
- 可加热体积大、尺寸长及形状奇特的元器件，视顶部加热器类型而定
- 在配备高质量混合加热系统的前提下，可实现极佳的均匀加热
- 若温度曲线设置正确，回流焊过程温和且表面温度低
- 加热过程无需压缩空气（部分系统使用压缩空气进行冷却）
- 可利用热电偶或高温计直接对元器件进行闭环温度控制。这能补偿各种环境影响和热量流失，并使加热过程自我调整。因此可以在存在细微差异的组件上套用相同的温度曲线，甚至在发热的组件上（重新）激活该曲线
- 通过直接控制每次单独焊接过程中的元器件温度，可直接设置目标曲线温度与梯度
- 避免了因热风强力吹拂焊点而加剧氧化，减少了助焊剂损耗或被吹散的情况
- 可记录每次单独返修过程中的元器件温度变化
劣势：
- 必须对热敏感的相邻元器件进行隔热防护以防损坏，这增加了每块电路板的处理时间。隔热罩同时也必须阻挡气流侵袭
- 元器件处可能存在对流热量损失
封装
[编辑]
表面安装元器件通常比带引脚的通孔元器件更小，其设计初衷是供机器而非人工处理。电子工业已对封装形状和尺寸进行标准化（主要标准化机构为JEDEC）。
截至2024年[update]，继0201之后，市场上可用的最小外壳尺寸包括01005、008005、008004、008003和006003。[22]
识别
[编辑]电阻器
[编辑]对于5%精度的SMD电阻器，通常使用三位数字标示阻值：两位有效数字及一位乘数。最常见的是黑底白字，但也可能采用其他颜色的背景与字符。对于1%精度的SMD电阻器，通常采用由两位数字及一个字母组成的代码体系，因为三位数字无法传递足够信息。该代码中，数字代表阻值在E96系列中的位置，字母则表示乘数。[23]
电容器
[编辑]非电解电容器通常无标记，确定其电容值的唯一可靠方法是将元器件从电路中拆下，随后用电容表或阻抗电桥进行测量。用于制造电容器的材料（如钽酸镍）具有不同颜色，通过这些颜色可粗略估算元器件的电容值。[來源請求]通常，对于相同的电介质，物理尺寸与电容及电压成正比。例如，100 nF、50 V的电容器可能与10 nF、150 V的器件采用相同封装。SMD（非电解）电容器（通常为独石陶瓷电容器）在未被端帽覆盖的四个面上呈现相同的本体颜色。SMD电解电容器（通常为钽电容器）和薄膜电容器的标记方式类似电阻器，包含两位有效数字和一个乘数，单位为皮法或pF（10-12法拉）。
电感器
[编辑]较小电感量且承受适度大电流的器件通常为铁氧体磁珠类型。此类器件本质上是穿过铁氧体磁珠的金属导线，结构与通孔插装版本基本相同，仅以贴片端电极取代引线。器件呈暗灰色且具磁性，可与外观相似的暗灰色电容器区分。此类磁珠电感值较小，限制在纳亨（nH）数量级，常用于电源轨去耦或电路高频部分。较大电感与变压器当然也可同板采用通孔插装。具有较大电感值的贴片电感器通常在管体四周绕有导线或扁平金属带，或将其嵌于透明环氧树脂中以便肉眼观察。有时内部还装有鐵氧體磁芯。此类高电感器件额定电流通常较小，但部分扁带绕制类型可承受数安培电流。与电容器类似，较小电感的器件数值与标识符通常不标示于器件本身；若无文档记录或印制电路板丝印，唯一确定方法也是从电路焊下后测量。较大电感（尤其是大封装绕线型）通常顶部印有数值。例如“330”代表33 μH。
分立半导体
[编辑]二极管与晶体管等分立半导体通常印有两位或三位符号代码。不同封装或不同厂商的器件若标有相同代码，可能对应完全不同的型号。由于器件体积过小无法印制大封装常用的传统型号，因而采用此类代码；查阅对照表可将其还原为熟知的传统器件型号。
集成电路
[编辑]通常集成电路封装足够大，可以印有包含厂商特定前缀的完整型号，或印有型号的主要部分以及厂商名称或标志。
相关
[编辑]参考文献
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