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14.1 插装及表面安装元器件概述及分类特点 4.1.1 概述 4.1.2 分类及特点4.2 通孔插装技术（THT）4.2.1 TO型 4.2.2 SIP单列直插式封装 4.2.3 DIP双列直插式封装 4.2.4 PGA针栅阵列插入式封装 4.3 表面安装元器件的封装技术（SMT）4.3.1 晶体管的表面封装技术 4.3.2 IC小外形封装（SOP）技术 4.3.3 塑料有引脚片式载体（PLCC）封装技术 4.3.4 陶瓷无引脚片式载体（LCCC）封装技术 4.3.5 四边引脚扁平封装（QFP）技术 4.3.6 表面贴装器件（SMD）的特点2024/1/28 周日24.1 插装及表面安装元器件概述及分类特点 4.1.1 概述 随着晶体管的出现及其质量的稳步提高，特别是硅平面晶体管的日趋成熟，20世纪50年代末，晶体管逐渐代替了电子管。这时，各类晶体管的封装类型主要有玻封二极管和金属封装的三极管。普通管有3根长引线，高频管或需要外壳接地的晶体管有4根长引线，封装的金属底座与晶体管c极相通，而e、b两极则通过底座的开孔，用玻璃绝缘子隔离，管帽帽与底座的边缘进行密封焊接。这就构成了至今仍沿用的TO型（晶体管外壳封装）全密封封装结构。其典型电子整机首推黑白电视机。3 晶体管的体积和重量均为电子管的数十分之一，安装底板不需要使用电子管TO封装时的金属底板，可采用单面酚醛环氧纸质覆铜板。这种基板制作工艺简单，成本低廉，又易打细孔。由于晶体管体积小、电压低、耗电省，所以在覆铜板上刻蚀成所需的电路图形后，元器件穿过通孔焊接在铜焊区上即可。这样，既提高了生产效率和产量，又提高了焊接的一致性，从而提高了焊点的质量和电子产品的可靠性。4TO-252TO-220TO-247TO-2635 前面所述均为单个晶体管的一级封装，随着集成电路（IC）的出现，I/O引脚的数量远多于34个，达数百上千个，不适于使用TO型管壳封装，从而开发出了单列直插封装（SIP）、双列直插封装（DIP）、针栅阵列封装（PGA）和扁平外形封装（FP、QFP、PQFP）等。其中，扁平外形封装属于表面安装。6针栅阵列封装针栅阵列封装(PGA)单列直插封装单列直插封装（SIP）双列直插封装（双列直插封装（DIP）四边引脚扁平封装（四边引脚扁平封装（QFP）74.1.2 分类与特点一、引脚插入型：单列直插式封装（SIP）双列直插式封装（DIP）Z型引脚直插式封装（ZIP）收缩双列直插式封装（S-DIP）窄型双列直插式封装（SK-DIP）针栅阵列插入式封装（PGA）根据封装接线端子的排布方式对其进行分类8二、表面贴装型：小外形塑料封装（SOP）微型四方封装（MSP）四边引线扁平封装（塑封）（QFP）玻璃（陶瓷）扁平封装（FPG）无引线陶瓷封装芯片载体（LCCC）塑封无引线芯片载体（PLCC）小外形J引线塑料封（SOJ）球栅阵列封装（BGA）芯片尺寸大小封装（CSP）9其中比较典型的封装按外形结构分类:1、圆柱外壳封装（TO）2、单列直插式封装（SIP）3、双列直插式封装（DIP）4、针栅阵列封装（PGA）5、四边引线扁平封装（QFP）6、球栅阵列封装（BGA）7、芯片尺寸大小封装（CSP）下节将分别作介绍10 前面所述为元器件的外形结构，对于每一种外形，都可以用不同的材料进行封装。插装元器件按材料分类，有金属封装、陶瓷封装和塑料封装等。金属封装和陶瓷封装一般为气密性封装，多用于军品和可靠性要求高的电子产品中；而塑料封装由于属非气密性封装适用于工艺简单、成本低廉的大批量生产，多用于各种民用电子产品中。114.2 通孔插装技术（THT）TO型封装是最早广泛应用的晶体管或IC芯片封装结构.1.晶体管或芯片固定固定在金属外壳底座的中心。2.对于芯片TO封装，需用热压焊机或超声焊机将芯片焊区与接线柱之间用Au丝或Al丝连接起来。3.焊好内引线的底座移至干燥箱中，通以惰性气体或N2保护芯片。4.将金属管帽套在底座周围的凸缘上，利用电阻熔焊法或环形平行缝焊法将管帽与底座边缘焊牢，达到密封要求。4.2.1 TO型常常采用Au-Sb（锑）合金共熔法或导电胶粘接固化法使晶体管的接地极与金属底座间形成良好的欧姆接触；多引脚的TO型结构还可以封装IC芯片，对于IC芯片，还可以采用环氧树脂粘接固化法固定芯片。TO型金属封装工艺：各类插装元器件封装的引脚节距多为2.54 mm，DIP已形成4-64个引脚的系列化产品。PGA能适应LSI芯片封装的要求，I/O数可达数百个。12注：接线柱插在PWB的插孔中并焊接，实现芯片与外电路的连通。131.冲制引线框架引线框架（金属引线框架，其下端切割之后为接线柱）。2.将芯片固定在框架上。3.内引线焊接（芯片焊区与框架焊接）。4.制作塑封用的空腔。5.框架置于空腔内，将塑封料加热熔化，并加压送至空腔中。6.固化7.整修、切断不必要的连接部分，切筋、打弯、成形和镀锡。TO型塑料封装工艺：塑料封装工艺简单，适合大批量生产，成本低廉。空腔空腔对于小型芯片的封装，为了简化封装过程，可以先制作合金引线框架，然后将芯片置于框架上，并用WB技术将芯片焊区与引线框架的内引脚部分键合，经密封之后将框架的下半部分切断形成外引脚。14TO3 TO5 TO8 早期TO型封装图片15 单列直插式封装（SIP）的基板多为陶瓷基板（如Al2O3）。由于电路并不复杂，当电路组装完成后，I/O数只有几个或十多个，可将基板上的I/O引脚引向一边（单列），用镀Ni、镀Ag或镀Pb-Sn的“卡式”引线（基材多为合金，用来连接芯片焊区和基板焊区）两端分别卡在基板一边的 I/O焊区（引脚钎焊在对应的基板I/O焊区上）和芯片焊区上，用电烙铁将焊点焊牢，或将卡式引线浸入融化的Pb-Sn槽中进行浸焊，还可以在卡式引线的I/O焊区上涂上焊膏，然后成批再流焊炉中进行再流焊。引线的节距有2.54mm与2.27mm之分。4.2.2 SIP单列直插式封装16 焊接之后对基板进行涂覆保护，如浸渍一层环氧树脂，然后固化。SIP封装后要插在特定的插座上（再将插座插在PCB上），SIP插座占的PWB面积小，插取自如。SIP的工艺简便易行，很适于多品种、小批量的HIC及PWB基板封装，还便于逐个引线的更换和返修。SIP（Single Inline Package）17 20世纪70年代，芯片封装基本都采用DIP（Dual ln-line Package，双列直插式封装）封装，此封装形式在当时具有适合PCB（印刷电路板）穿孔安装，布线和操作较为方便等特点。DIP是指采用双列直插形式封装的集成电路芯片，绝大多数中小规模集成电路(SIC)均采用这种封装形式，其引脚数（即引线数）一般为464个,多的也不超过100个。产品呈系列化、标准化、品种规格齐全,至今仍然大量沿用。4.2.3 DIP双列直插式封装 18 采用DIP封装的CPU芯片引脚节距有2.54mm和1.78mm两种，一般需要插入到具有DIP结构的芯片插座上使用。当然，也可以直接插在有相同焊孔数和几何排列的电路板上进行焊接。DIP封装的芯片在从芯片插座上插拔时应特别小心，以免损坏引脚。DIP封装主要有陶瓷全密封型DIP（CDIP）、塑封型DIP（PDIP）和窄节距DIP（SDIP）等。191.CDIP的封装技术 CDIP封装又分为陶瓷熔封DIP和多层陶瓷DIP，均是由底座（或基板）和盖板将芯片封装。CerDIP封装结构除了芯片外由底座、盖板和引线框架三个零件构成。这种封装不需在陶瓷上金属化（用金属引线框架代替金属化布线，框架中与芯片键合的部分涂覆铝），烧结温度低，一般为500，因此成本很低。陶瓷熔封DIP（CerDIP）206.镀Ni-Au或Sn。1.将陶瓷粉末、润滑剂和粘接剂的混合物压制成需要的形状，烧结成瓷，以此方法制作底座和盖板。2.将玻璃浆料分别印刷到底座和盖板上，烧结（使玻璃与陶瓷粘接）。3.将陶瓷底座加热，使玻璃熔化，将引线框架埋入玻璃中。4.芯片粘接于框架上，并引线键合（将芯片焊区与框架连接）。5.将涂有低温玻璃的盖板与装好IC芯片的底座组装，熔化玻璃以达到密封。底座盖板引线框架芯片涂有低温玻璃的底座和盖板焊接处覆Al的引线框架，IC芯片与引线键合封装、电镀并切断引线21 多层陶瓷DIP封装技术 多层陶瓷封装与CerDIP工艺不同，其基板是由流延法制备的多层瓷片压制而成，且不需要引线框架，而是由每一层瓷片的金属化和基板侧面钎焊引脚代替。1.配流延浆料。2.流延成型多片生瓷片，并烘干。3.冲腔体和层间通孔（对生瓷片表面或内部进行加工，金属化后形成金属布线），并对通孔金属化。4.每层生瓷片丝网印刷W或Mo金属化，并把多层生瓷片叠层。5.在一定温度和压力下层压。6.在一定温度下切割规整。7.叠层侧面金属化印刷（侧面钎焊的引脚通过侧面金属化与基板焊区连通）。8.排胶，并在气氛中于15501650将叠层瓷片烧结为熟瓷体。9.金属化并电镀或化学镀Ni。10.钎焊封口环和外引脚。11.镀金，并对外壳进行检测。12.安装芯片引线键合 检测封盖检漏成品测试打印、包装。22 塑料封装工业自动化程度高，工艺简单，成本低廉，外壳是非密封性的塑料外壳。塑封用的树脂要具备如下特性：1）树脂要尽可能与所包围的各种材料的热膨胀系数CTE相近，即可以通过增加添加剂的方法使其与Si、引线框架（铜合金）、Au丝等的CTE相近。2）工作温度：-65150，玻璃化温度玻璃化温度大于150。2.PDIP的封装技术 在玻璃化转变温度以下，高聚物处于玻璃态，分子链和链段都不能运动，只是构成分子的原子(或基团)在其平衡位置作振动；而在玻璃化转变温度时分子链虽不能移动，但是链段开始运动，表现出高弹性质，温度再升高，就使整个分子链运动而表现出粘流性质。23PDIP的工艺过程与TO型塑封类似。3）树脂吸水性要小，并与引线的粘结性能良好。4）具有良好的物理性能和化学性能。5）良好的绝缘性能。6）固化时间短且Na含量低。7）辐射性杂质含量低。24常用封装件芯片的粘贴区域 在每个封装体的中心区域就是芯片被牢固地粘贴在引脚框架上的地方。见图一：内部和外部的引脚 金属引脚系统从内部的粘片区凹腔至外部的印制电路板或电子产品是连续的。芯片封装体的连接 芯片与封装体的电性连接是由压焊线、压焊球或其他芯片上的连接体完成的。见图二：图一图二25DIP封装结构具有以下特点:1.适合PCB的穿孔安装;2.比TO型封装易于对PCB布线;3.操作方便。26 20世纪90年代随着技术的进步，芯片集成度不断提高，I/O引脚数急剧增加，功耗也随之增大，对集成电路封装的要求也更加严格。此时，四周型引脚无法满足要求，开发出了PGA针栅阵列式封装。4.2.4 PGA针栅阵列封装 工艺过程与多层陶瓷DIP类似：多层陶瓷流延片（基板）印制布线图形，并通孔金属化，然后叠层，烧结，使其达到气密封装。镀镍，钎焊针引脚（每个针引脚通过金属化通孔与布线焊区对应相连），镀Au。将IC芯片粘接后进行WB键合（与基板金属化焊区键合），然后封盖。27针栅阵列封装针栅阵列封装(PGA)PGA封装具有以下特点有：插拔操作更方便，高可靠性，高引脚数（可达上千个），可适应更高的频率。284.3 表面安装元器件的封装技术（SMT）随着混合集成电路（HIC）的发展，电路越来越复杂，由于大面积的平整陶瓷基板很难制备，人们只能采取多块HIC陶瓷基板拼装的方式，使HIC的体积、重量、成本、可靠性和生产效率受到限制。有机材料可以制备大面积、平整的基板，但是传统的直插式插装器件不适于在有机基板上安装。为此，开发出来表面安装元器件和表面安装技术（SMT），此种封装称为表面安装封装（SMP），其中表面安装元器件是SMT的基础与核心,一般通称为片式元器件（SMDSMD或或SMCSMC）。SMD是有源片式器件，如IC；SMC是无源片式器件，如电阻、电感和电容等。29 将元器件安装在印刷线路板上的方式除了前面所讲的通孔插装技术（Through Hole Hechnology,THT）之外，还有表面安装技术(SMT)。与THT技术相比，SMT的区别在于元器件的形状不同以及用表面贴装代替通孔安装。SMT是一个十分复杂的技术，被称为一次“电子组装技术革命”。304.3.1 晶体管的表面封装技术 半导体二、三极管的表面封装主要有“芝麻管”形、圆柱形和SOT形封装，有24个引脚。20世纪60、70年代，厚、薄膜HIC得到长足的发展，无源元件的电阻、电容是用厚膜或薄膜方法制作在陶瓷基板上，并用厚、薄膜方法制作连接的引脚；有源器件则制成“芝麻管”的形式，然后焊接在基板焊区上。31 “芝麻管”：在一个陶瓷片（直径3mm）上用厚、薄膜方法制作成发射极、基极和集电极（包含三个电极的焊区），并焊接出三根引脚（引脚与三个电极的焊区对应相连）。晶体管（或芯片）烧结在陶瓷片的集电极焊区，而晶体管的e、b电极用WB技术焊接到陶瓷片的e、b电极焊区上，最后用环氧树脂将晶体管包封固化，成为“芝麻管”。陶瓷片圆柱形无引脚表面封装MELF技术略，P10132 SOT型封装原为替代HIC的芝麻管，安装在HIC陶瓷基板上。随着SMT的发展，更多的SOT型封装用于PWB上组装。SOT型通常有三种，即SOT23、SOT89和SOT143。小外形晶体管（SOT）的封装技术 SOT型封装的工艺技术类似：在冲制好的引线框架集电极上装配晶体管芯片，然后将芯片的发射极、基极与对应引线框架的另两极用WB互连（与引线框架的e、b极引脚相连），再经塑料封装后进行筛选测试。331、SOT23 SOT23是有三根翼形引脚的通用型晶体管封装结构。这种类型主要用于封装小功率晶体管，也用于封装场效应晶体管、二极管及带电阻网络的复合晶体管，允许最大芯片尺寸为0.76mm0.76mm，功耗一般为150300mW。bec342、SOT89 SOT89是有三根分布在同一侧的短引脚的功率晶体管封装结构。集电极宽且长，塑封时露在外面，用于装芯片及散热，允许最大尺寸可达1.5mm1.5mm,一般功耗为0.32W。becc353、SOT143 SOT143是有四根翼形引脚，它的散热性与SOT23型相当，芯片尺寸最大为0.64mm0.64mm，主要用于场效应晶体管及高频晶体管封装(二者均有四个电极)。364.3.2 IC小外形封装（SOP）技术 SOP实际上是DIP的变形,就是将DIP的直插式引脚向外弯曲成90度，就成了适合SMT的封装了，只是外形尺寸和重量比DIP小得多。SOP主要针对I/O数为数十个的中、小规模IC及少数LSI芯片。37 这种封装结构的引脚如果是“L”形时称SOP，引脚如果是“J”形就称SOJ。SOP封装的特点是引脚容易焊接，焊点容易检查，但占用PWB面积大。SOJ的封装密度要比SOP高。这两种封装引脚节距多为1.27mm、1.0mm和0.65mm。SOP封装SOJ封装38 SOP和SOJ封装几乎全部是模塑封装。先把IC芯片用导电银浆（又称导电胶）或树脂粘接在引线框架引线框架上，经树脂固化，使IC芯片固定，再将IC芯片上的焊区与引线框架引脚的键合区（焊区，一般为金或银）用WB连接。然后放入塑封模具中进行模塑封装，出模后经切筋整修，去除塑封“毛刺”，对框架外引脚打弯成形。成形后经筛选、测试、分选、打印、包装出厂。与塑封DIP（PDIP）类似，不需要基板和金属化，而是利用金属引线框架。芯片固定在引线框架的中心（镀铝），然后用WB技术将芯片焊区与框架引脚的键合区键合。SOP封装结构SOJ封装结构39常规型常规型SOPSSOP（窄节距型SOP）TSOP（薄型SOP）或TSSOP（窄节距薄型SOP）SOP封装 SOP有常规型、窄节距SOP（SSOP）和薄型SOP（TSOP）多种。40三、4.3.3 塑料有引脚片式载体（PLCC）封装技术 PLCC是LSI芯片的封装结构，引脚节距为1.27mm，四边引脚（引脚由SOP的两列变为四边排列，增加了引脚数）呈“J”形，向封装体下面弯曲。引脚材料为Cu合金,不但导热、导电性能好,而且引脚还具有一定弹性,这样可以缓解焊接时引脚与PWB的CTE不一致造成的应力。由于引脚成“J”形，引脚占用PWB的面积小，所以安装密度高。41 PLCC的外形有方形和矩形两种，矩形PLCC引脚数有18、28和32等几种，方形PLCC有20、28、44、52、68、84、100和124等多种。PLCC封装封装PLCC封装结构封装结构424.3.4 陶瓷无引脚片式载体（LCCC）封装技术 LCCC的特点是无引脚，在陶瓷封装体四周的引脚处具有城堡式的Au凹槽，可直接焊到基板的焊区上，或者安装在已焊接到PWB的插座上。由于是无引脚的陶瓷气密性封装，寄生电感和寄生电容小，适于高频、高速LSI芯片封装，而且电性能、热性能俱佳，耐腐蚀性优良，可在恶劣的环境条件下可靠地工作，它的环境工作温度可达55165，所以常应用于军事和高可靠领域中。但由于制作工艺要求高且复杂，又使用陶瓷，故价格要比PLCC高。43LCCC各种类型结构444.3.5 四边引脚扁平封装(QFP)技术 为解决高I/O引脚数的LSI和VLSI芯片的封装，满足SMT高密度、高性能、多功能及高可靠性的要求，引脚节距向窄节距方向发展。QFP（Quad Flat Package）封装的芯片引脚之间距离很小，管脚很细，一般大规模或超大型集成电路(LSI、VLSI)都采用这种封装形式，其引脚数一般在100个以上。特别是引脚数在208以下的QFP芯片具有很高的性价比。引脚为“J”形的四边引线扁平封装称为QFJ，实际上与PLCC相同（从略），本节主要介绍引脚为翼形的QFP封装技术。45QFP封装的种类：QFP封装按封装材料、外形结构及引脚节距可分为5种。1）塑封型(PQFP)2）陶瓷密封型(CQFP)3）薄型(TQFP)4）窄节距型(FQFP)5）带保护垫型(BQFP)46TQFP QFPPQFP四边引线扁平(QFP)封装47 QFP封装的特点：1.适用于SMD表面安装技术，可在PCB电路板上安装布线。2.适合高频使用。3.操作方便，可靠性高。4.芯片面积与封装面积之间的比值较小。48PQFP工艺流程工艺流程QFP封装结构封装结构494.3.6 表面贴装器件（SMD）的特点一、优势：SMD的体积小、重量轻、所占基板面积小，因而封装密度高。一般表面贴装器件（SMD）占基板面积是插装器件所占面积的2540，SMD所占空间高度是插装器件的4085。重量差别更大，SMD是插装器件的4.513.5。还有SMD只占基板的一面，而插装器件占两面。50 与插装器件相比，具有优异的电性能。因为SMD引脚短或无引脚，所以寄生电感、电容小，噪声小，信号传输快。64只引脚的PLCC的传输延迟仅为插装器件的15。适合自动化生产 SMD小而轻，形状规则，安装机器拾起和放下更容易。一机可以安装多种SMD；而插装器件大而重，引脚形状多样，需要多种插装机。而且为便于各种插装机器操作，往往要使印刷线路板的面积扩大40左右。51 降低生产成本 使用SMD大大减少印刷线路板的钻孔，SMD器件生产还可减少引脚打弯整形工作量，提高生产效率和降低成本。能提高可靠性 因直接安装在印刷线路板上，减少连接故障，因安装紧靠，耐机械冲击，耐高频振动。提高了焊接质量，焊接缺陷率低。更有利于环境保护 使用的原料少，提高了原材料的利用率，减少了废弃物，更有利于环境保护。52二、SMD的不足 SMD由于封装密度高，线路板功率高，散热是个大问题。SMD器件与线路板热膨胀系数匹配是个问题，会导致焊点裂纹或开裂。53