2.2 电子元器件、材料和印制电路板

电子技术和产品的水平，主要取决于元器件制造工业和材料科学的发展水平。电子元器件是电子产品中最革命、最活跃的因素。电子元器件总的发展趋向是：集成化、微型化，以及提高性能、改进结构。

电子元器件种类繁多，性能差异大，应用范围也有很大区别。对于电子工程技术人员来说，全面了解各类电子元器件的结构及特点，学会正确地选择应用，是电子产品研制成功的重要因素之一。

2.2.1 电子元器件

1.SMT元器件的分类

THT元器件主要有用于大功率场合的无源元件（电阻器、电位器、电容器、电感器、变压器等）、机电元件（开关、继电器和插接件等）、电声元件（扬声器、耳机、传声器等）、光电器件和电磁元件等。

表面组装元器件基本上都是片状结构。这里所说的片状是个广义的概念，从结构形状来说，包括薄片矩形、圆柱形、扁平异形等，表面组装元器件的分类如表2.3所示。表面组装元器件从功能上分为无源元件（SMC）、有源器件（SMD）和机电元件三大类，如表2.4和表2.5所示。

（续表）

2.集成电路的封装

集成电路的封装，按材料基本分为金属、陶瓷和塑料三类，按电极引脚的形式分为通孔插装式（PTH）及表面组装式（SMD）两类，图2.5所示是电子封装的发展趋势。集成电路的封装存在两种标准：JEDEC标准和EIAJ标准，其中EIAJ标准主要用于日本市场，而JEDEC标准应用更为广泛。

1）通孔插装式（PTH）封装

绝大多数PTH封装集成电路相邻两个引脚的间距是2.54mm（100mil），宽间距的是5.08mm（200mil），窄间距的是1.778mm（70mil）；DIP封装芯片两列引脚之间的距离是7.62mm（300mil）或15.24mm（600mil）。集成电路的表面一般都有引脚计数起始标志，在DIP封装集成电路上，有一个圆形凹坑或弧形凹口。

①金属封装散热性好，电磁屏蔽好，可靠性高，但安装不够方便，成本较高。这种封装形式常见于高精度集成电路或大功率器件。符合国家标准的金属封装有T型和K型两种。

②采用陶瓷封装的集成电路导热好且耐高温，但成本比塑料封装高，所以一般都是高档芯片，如图2.6所示。国家标准规定的陶瓷封装集成电路可分为扁平型（W型，见图2.6（a））和双列直插型（D型，国外一般称为DIP型，见图2.6（b））两种。DIP封装适合在PCB（印制电路板）上穿孔焊接，操作方便，芯片面积与封装面积之间的比值较大，故体积也较大。直插型陶瓷封装的集成电路，随着引脚数的增加，发展为CPGA形式，图2.6（c）是微处理器80586的陶瓷PGA型封装。

③塑料封装是最常见的封装形式，其最大特点是工艺简单、成本低，因而被广泛使用。国家标准规定的塑料封装形式可分为扁平型（B型）和直插型（D型）两种。图2.7是常见的几种塑料封装集成电路，图2.7（a）是PSIP，图2.7（b）是PV-DIP，图2.7（c）是PZIP，图2.7（d）是PDIP。

2）SMD集成电路

SMD集成电路包括各种数字电路和模拟电路的SSI～ULSI集成器件。由于工艺技术的进步，SMD集成电路的电气性能指标比THT集成电路更好一些，SMD内部的引线结构比较均匀，引线总长度更短，这对于器件的小型化和集成化来说，是更加合理的方案。

表面组装器件SMD的I/O电极有无引脚和有引脚两种形式。无引脚形式有陶瓷芯片载体封装（LCCC），占主导地位的引脚形状有翼形、钩形和球形三种。图2.8（a）、（b）、（c）分别是翼形、钩形和球形引脚示意图。翼形引脚用于SOT/SOP/QFP封装，钩形引脚用于SOJ/PLCC封装，球形引脚用于下文将要介绍的BGA/CSP/Flip Chip封装，还有一种引脚形状叫对接引脚，如图2.8（d）所示。

常见SMD集成电路封装的外形如图2.9所示。可以分成下列几类。

①SOT封装。一般有SOT23、SOT89和SOT143三种，其中SOT23是通用的表面组装三极管，SOT89适用于较高功率，SOT143一般用做射频晶体管。SOT封装既可用做晶体管，也可用做二极管。SOT焊接条件为：回流焊/波峰焊230～260℃，5～10s。

②SO封装。引线比较少的小规模集成电路大多采用这种小型封装。SO封装又分为几种，芯片宽度小于0.15in、电极引脚数目少于18脚的，叫做SOP封装，如图2.9（a）所示；其中薄形封装的叫做TSOP封装；6.35mm宽的、电极引脚数目在20～44以上的，叫做SOL封装，如图2.9（b）所示。SO封装的引脚采用翼形电极，引脚间距有1.27mm、1.0mm、0.8mm、0.65mm和0.5mm，特点是焊接容易，工艺检测方便，但占用面积较大。SOJ是两边“J”形引脚，特点是节省PCB面积。

③QFP封装。矩形四边都有电极引脚的SMD集成电路封装叫做QFP封装，其中PQFP封装的芯片四角有突出（角耳），薄形TQFP封装的厚度已经降到1.0mm或0.5mm。QFP封装也采用翼形的电极引脚形状，如图2.9（c）所示。QFP封装的芯片一般都是大规模集成电路，在商品化的QFP芯片中，电极引脚数目最少的有20脚，最多可能达到300脚以上，引脚间距最小的是0.4mm（最小极限是0.3mm），最大的是1.27mm。QFP由于引线多，接触面积大，具有较高的焊接强度，但在运输、储存和安装中引线易折弯和损坏，使引线的共面度发生改变，影响器件的共面焊接。

PFP方式封装的芯片与QFP方式的基本相同。唯一的区别是QFP一般为正方形，而PFP既可以是正方形，也可以是长方形。

④LCCC封装。陶瓷芯片载体有无引线（LCCC）和有引线两种形式，因有引线的陶瓷芯片载体附加引线的工艺复杂烦琐，成本高，不适合大批量生产。LCCC无引线地组装在电路中，引进的寄生参数小，噪声和延时特性明显改善，陶瓷外壳的热阻也比塑料小，但因直接组装在基板表面，没有引线来帮助吸收应力，易造成焊点开裂，LCCC比其他类型价格高。LCCC具有良好的导热性能和耐腐蚀性，能在恶劣的环境下可靠工作，主要用于军事、航空航天、船舶等恶劣环境的装备中。

LCCC电极中心距有1.0mm和1.27mm两种，矩形有18、22、28和32个电极数，方形有16～156个电极数，其外形如图2.9（d）所示。

⑤PLCC封装，这种封装有引线芯片载体，比SOP更节省PCB面积，“J”形引线具有一定的弹性，可缓解安装和焊接的应力，防止焊点断裂，但由于这种封装焊在PCB上，所以检测焊点较困难。正方形的引线数有20～84个，矩形的引线数有18～32个，其外形如图2.9（e）所示。PLCC封装的集成电路大多是可编程的存储器，芯片可以安装在专用的插座上，容易取下来对它改写其中的数据。为了降低插座的成本，PLCC芯片也可以直接焊接在电路板上，但用手工焊接比较困难。

⑥QFN封装。这种封装具有良好的导电和散热性能，比传统的QFP器件体积更小、重量更轻，QFN器件和CSP有些相似，但元件底部没有焊球。

根据导电焊盘的不同设计，器件封装分两种类型：一种只裸露出封装底部的一面，其他部分被封装在元件内，称之为Saw Type，另一种焊盘有裸露在封装侧面的部分，称之为Punch Type。

3）BGA/CSP

①BGA是大规模集成电路的一种极富生命力的封装方法。通常BGA的安装高度低，引脚间距大，引脚的共面性好，这些都极大改善了组装的工艺性。由于它的引脚更短，组装密度更高，所以特别适合在高频电路中使用。存在的问题是：焊后检查和维修比较困难，必须使用X射线检测，才能确保焊接的可靠性；易吸潮，使用前应经过烘干处理。

BGA焊球的尺寸为0.75～0.89mm，焊球间距有40mil，50mil，60mil几种，引脚数目为169～480个。图2.10所示是几种典型的BGA结构。

• 塑料BGA（PBGA），如图2.10（a）所示，基板一般为由2～4层有机材料构成的多层板。Intel系列CPU中，Pentium II、III、IV处理器均采用这种封装形式。
• 柔性微型BGA（μBGA），如图2.10（b）所示。
• 载带自动键合BGA（TBGA），如图2.10（c）、（d）所示，基板为带状软质的1～2层电路板。
• 陶瓷BGA（CBGA），如图2.10（e）所示，陶瓷基板、芯片与基板间的电气连接通常采用倒装芯片（Flip Chip），简称FC的安装方式。Intel系列CPU中，Pentium I、II、Pentium Pro处理器均采用过这种封装形式。
• CDPBGA（Carity Down PBGA）：指封装中央有方型低陷的芯片区（又称空腔区）。
• CCGA（Ceramic Column Grid Array）：陶瓷柱栅阵列。

②随着全球电子产品个性化、轻巧化的需求蔚为风潮，封装技术已进步到CSP（Chip Size Package），它减小了芯片封装外形的尺寸，封装后的IC尺寸边长不大于芯片的1.2倍，IC面积只比晶粒（Die）大不超过1.4倍。CSP封装分为以下四类：

• 传统导线架形式（Lead Frame Type），代表厂商有富士通、日立、Rohm和高士达。
• 硬质内插板型（Rigid Interposer Type），代表厂商有摩托罗拉、索尼、东芝和松下等。
• 软质内插板型（Flexible Interposer Type），代表厂商有Tessera、CTS、GE和NEC。
• 晶圆尺寸封装（Wafer Level Package），有别于传统的单一芯片封装方式，WLCSP是将整片晶圆切割为一个个单一芯片，它号称是封装技术的未来主流，已投入研发的厂商包括FCT、Aptos、卡西欧、EPIC、富士通和三菱电子等。

CSP封装适用于脚数少的IC，如内存条和便携电子产品。未来则将大量应用在信息家电（IA）、数字电视（DTV）、电子书（E-Book）、无线网络WLAN/GigabitEthemet、ADSL/手机芯片和蓝牙（Bluetooth）等产品中。

③PGA插针网格阵列封装的芯片封装形式在芯片的内外有多个方阵形的插针，每个方阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列。根据引脚数目的多少，可以围成2～5圈。安装时，将芯片插入专门的PGA插座。为使CPU能够更方便地安装和拆卸，从486芯片开始，出现一种名为ZIF的CPU插座，专门用来满足PGA封装的CPU在安装和拆卸上的要求。在Intel系列CPU中，80486、Pentium和Pentium Pro均采用这种封装形式。

ZIF（Zero Insertion Force Socket）是指零插拔力的插座。把这种插座上的扳手轻轻抬起，CPU就可容易、轻松地插入插座中，然后将扳手压回原处，利用插座本身的特殊结构所生成的挤压力，将CPU的引脚与插座牢牢地接触，绝对不存在接触不良的问题，而拆卸CPU芯片时只需将插座的扳手轻轻抬起，压力解除，CPU芯片即可轻松取出。

PGA封装的特点：插拔操作更方便，可靠性高；可适应更高的频率。

4）芯片组装器件

表面组装技术的发展，使电子组装技术中的集成电路固态技术和厚薄膜混合组装技术同时得到发展，这个结果促进了半导体器件芯片的组装与应用，正向微组装技术（FPT）的方向发展，即用芯片级组装代替板级组装技术。

芯片组装器件主要有载带自动键合（TAB）、倒装芯片（FC）、芯片直接组装到电路板上（COB），凸点载带自动键合（BTAB）、微凸点连接（MBB），以及陶瓷多层组装（MCM）等。芯片组装器件具有可批量生产，通用性好，工作频率高，速度快等优点，目前已大量应用在大型液晶显示器、液晶电视机、摄录机及精密计算机等产品中。

2.2.2 电子材料

在电子整机产品生产中，通常将焊料、贴片胶、锡膏和钢网称为电子工艺材料。电子工艺材料对产品的品质及生产效率起着致关重要的作用。表2.6为STM工艺材料类型。

1.焊接材料

焊接材料包括焊料、焊剂（又叫助焊剂）和焊膏。常用焊料形状有棒状和丝状，表2.7为有铅焊料的物理和机械性能，表2.8为电子装配对无铅焊料的基本要求，表2.9为焊料对照表。

2.助焊剂

金属同空气接触以后，表面会生成一层氧化膜。这层氧化膜会阻止液态焊锡对金属的润湿作用。助焊剂就是用于清除氧化膜，保证焊锡润湿的一种化学溶剂。

助焊剂的分类及主要成分如表2.10所示。

3.焊膏

锡膏主要由合金焊料粉、助焊剂、活化剂和黏度控制剂四部分组成，如表2.11所示，其中金属颗粒约占锡膏总体积的90%。焊膏是一种均质混合物，是由合金焊料粉、糊状焊剂和一些添加剂混合而成的具有一定黏性和良好触变性的膏状体。在常温下，焊膏可将电子元器件初步粘在既定位置，当被加热到一定温度时（通常183℃），随着溶剂和部分添加剂的挥发，以及合金粉的熔化，使被焊元器件和焊盘连在一起，冷却形成永久连接的焊点。表2.12为常用焊粉中金属成分的影响。

4.贴片胶

SMT中使用的贴片胶的作用是固定片式组件、SOT、SOIC等表面组装器件在PCB上，以使其在插件、过波峰焊的过程中避免元器件脱落或移位。贴片胶的使用目的如表2.13所示。

贴片胶可分为两大类型：环氧树脂类型和丙烯酸酯类型，如表2.14所示。

2.2.3 印制电路板

SMT印制电路板是电子产品中电路组件与器件的支撑件，它实现了电路组件和器件之间的电气连接。现已普遍把贴装表面组装元器件的印制板称做表面组装印制板（SMB，Surface Mounting Board），它包括单面板、双面板和多层板。随着电子技术发展，PCB的体积越来越小，密度也越来越高，并且PCB层不断增加，因此，对PCB的设计和制造要求越来越高。

1.PCB的种类

（1）单面板

在最基本的PCB上，零件集中在其中一面，导线则集中在另一面。因为导线只出现在其中一面，所以称这种PCB叫做单面板。由于单面板在设计电路上有许多严格的限制（因为只有一面，所以布线间不能交，必须绕独自的路径），所以只有早期的电路才使用这类板子。

（2）双面板

这种电路板的两面都有布线，但是要用上两面的导线，必须要在两面间有适当的电路连接才行。这种电路间的“桥梁”叫做导孔（Via）。导孔是在PCB上充满或涂上金属的小洞，它可以与两面的导线相连接。因为双面板的面积比单面板大了一倍，并且布线可以互相交错（可以绕到另一面），所以它更适合用在比单面板更复杂的电路上。

（3）多层板

为了增加可以布线的面积，多层板用上了更多单面或双面的布线板。多层板使用数片双面板，并在每层板间放进一层绝缘层后粘牢（压合）。板子的层数代表了有几层独立的布线层，通常层数都是偶数，并且包含最外侧的两层。大部分的主机板是4～8层的结构，技术上可以做到近100层的PCB。

2.表面组装印制板SMB

SMT用PCB比传统PCB的电路图设计要求要高。表2.15和表2.16分别表示SMT和THT PCB的误差值比较，以及导线与焊盘的关系。SMT印制板的主要特点为：高密度、小孔径、多层数、高板厚孔径比、优良的传输特性、高平整光洁度和较好的尺寸稳定性等。

SMT电路板最常用环氧玻璃基板，表2.17表示了各种基板材料的性能。

图2.11为采用图形电镀法的双面印制板生产工艺流程。

2.3 电子整机产品的制造技术

电子产品的种类越来越丰富，它既包括用于工业生产的大型设备和仪器，又包括人们熟悉的各种消费类电器。虽然应用领域不同，复杂程度各异，工作原理更是千差万别，但作为工业产品，它们大多数都是机电一体化的整机结构，制造过程都要涉及多学科、多工种的工艺技术。

2.3.1 电子整机产品生产线的组成

电子工业既是技术密集型，又是劳动密集型的行业。生产电子产品，采用流水作业的组织形式，生产线是最合适的工艺装备。生产线的设计、订购、制造水平，将直接影响产品的质量及企业的经济效益。高水平的生产线为企业参与市场竞争奠定了坚实的基础。但是，由于产品对象的特点与需求不同，企业的经济状况、场地条件、生产组织各异，很难为生产线的具体形式与结构制定统一的模式和标准。针对不同电子产品的特点，利用生产线组织生产，是电子工艺技术人员应该具备的基本能力。

任何现代工程项目都是一个具有相当规模和一定复杂程度的系统，是由许多相互作用、相互制约和相互依赖的分系统组合而成的有机整体。

电子产品的生产线系统一般是由插件线、SMT线、调试线、组装线等若干条功能各异、相对独立的生产线，以及焊接机、提升机、包装机等自动化专用机械组成的，如图2.12所示。每条生产线又由机械系统、计算机系统、电控系统、气动系统、工具工装系统及仪器仪表系统等分系统组成。每个分系统又可分为几个子系统，如机械系统由线体单元、动力装置、传输装置及张紧装置等组成；电控系统由动力供电、控制电路、可编程控制器等硬件及相应的软件组成。因此，生产线的建设是一项系统工程。

2.3.2 电子整机产品生产工艺过程举例

电子产品的生产可以分为两种类型，一种是单一品种、大批量的类型，另一种是多品种、小批量的类型。显然，对于后者来说，就不适宜采用高效率的、高速的自动生产线和固定工位的流水作业，所以，问题的关键在于怎样针对具体产品，有序地组织和管理生产过程。本节以某厂生产电视机的整机装配流程为例，介绍电子产品的生产工艺过程。该电视机厂分为四个车间，分别完成元器件和零部件准备作业、机芯组装、整机装配和整机包装，如表2.18所示。

准备作业车间的任务是对整机中的全部元器件和零部件进行准备性加工，根据产品的特点，共分为17个加工工序；机芯组装车间的任务是对电视机的机芯（印制电路板采用邮票板方式进行组装性加工，采用流水作业的方式，流水线分为4个工段，共25个工序）；整机装配车间分成两个工段，即总装和总调；整机包装车间流水完成从包装到仓储的工序，有两条生产线，即纸箱整备和整机包装。

2.4 认证考试举例

中国电子学会SMT专业技术资格认证考试分专业知识和实际操作两部分，在SMT专业技术资格认证培训和考评平台AutoSMT-VM1.1上完成。专业知识考试着重考查考生SMT电子制造的基础知识能力、综合运用能力及解决问题的能力。实际操作考试着重考查考生SMT电子制造实践动手能力。试题涉及较广的专业知识面，根据专业级别的不同，有必要的区分度和适当的难度。专业理论知识选择30题，共60分；实际操作10题，共40分。专业知识题直接在试卷上输入答案，实践技能题单击进入相应培训模块，按题目要求完成操作；全部题目完成后必须返回本界面，单击“完成提交”后系统自动批卷。

本章认证考试的重点是电子元器件、电子材料和印制电路板的种类及特点。

【例2.1】3216矩形贴片电阻电容元件的外形尺寸是：（ ）

A.3.2mm×1.6mm；

B.2.0mm×1.25mm；

C.60mil×30mil；

D.40mil×20mil

答案：A

【例2.2】卷带式的包装方式，目前市面上使用的种类主要有：（ ）

A.纸带；

B.塑料带；

C.背胶包装带

答案：A

【例2.3】PLCC元器件最常用的包装方式有：（ ）

A.纸带式；

B.粘着带式；

C.Tray盘式

答案：C

【例2.4】QFP208的IC脚间距是：（ ）

A.0.3；

B.0.4；

C.0.5；

D.0.6

答案：C

【例2.5】双面板是：（ ）

A.两面都有布线；

B.两面都有元器件；

C.元器件集中在其中一面，导线则集中在另一面

答案：A

【例2.6】目前SMT最常使用的焊锡膏Sn和Pb的含量各为：（ ）

A.63Sn+37Pb；

B.90Sn+37Pb；

C.37Sn+63Pb；

D.50Sn+50Pb l

答案：A

【例2.7】以松香为主的助焊剂可分为四种：（ ）

A.R，RMA，RN，RA，

B.R，RA，RSA，RMA；

C.RMA，RSA，R，RR

答案：B