1、微电子封装技术董海青 李荣茂第6章模组组装和光电子封装6.1 概述概述6.2通孔插装技术通孔插装技术6.3表面贴装技术表面贴装技术6.4光电子封装技术光电子封装技术6.1 概述 模组的组装指的是将一个或者几个封装件装配到基模组的组装指的是将一个或者几个封装件装配到基板上形成一个完整的功能模块。同时，它又决定了器件板上形成一个完整的功能模块。同时，它又决定了器件封装的可能形式和发展方向。封装的可能形式和发展方向。光电子封装涉及面广，包括光电子模块和光电子器光电子封装涉及面广，包括光电子模块和光电子器件的封装。光电子器件封装是光电子封装的基础，一般件的封装。光电子器件封装是光电子封装的基础，一般可
2、将光电子器件分为有源器件和无源器件。有源器件包可将光电子器件分为有源器件和无源器件。有源器件包括光源、光电检测器和光放大器以及由这些器件组成的括光源、光电检测器和光放大器以及由这些器件组成的各种模块，无源器件包括连接器、光耦合器、光衰减器各种模块，无源器件包括连接器、光耦合器、光衰减器、光隔离器、光开关和波分复用器、光纤光缆等。、光隔离器、光开关和波分复用器、光纤光缆等。6.2 通孔插装技术 通孔插装技术为元器件与电路板结合的最常见的方通孔插装技术为元器件与电路板结合的最常见的方式。元器件引脚与电路板上的导孔接合又可以区分为弹式。元器件引脚与电路板上的导孔接合又可以区分为弹簧固定和引脚的焊接两
3、种方式。簧固定和引脚的焊接两种方式。通孔插装技术引脚形状：通孔插装技术引脚形状：6.2 通孔插装技术弹簧固定式弹簧固定式 弹簧固定式接合即将元器件引脚插入已固定于电路弹簧固定式接合即将元器件引脚插入已固定于电路板上的双叉型弹簧夹中。板上的双叉型弹簧夹中。6.2 通孔插装技术焊接固定式焊接固定式 焊接是引脚与电路板接合的一种重要方式，其中波焊接是引脚与电路板接合的一种重要方式，其中波峰焊为通孔插装元器件常见的焊接技术之一。峰焊为通孔插装元器件常见的焊接技术之一。波峰焊的基本工艺步骤为：助焊剂涂布波峰焊的基本工艺步骤为：助焊剂涂布预热预热焊焊锡涂布锡涂布吹除多余焊锡吹除多余焊锡检测检测/修护修护清
4、洁。清洁。6.2 通孔插装技术焊接固定式焊接固定式 波峰焊波峰焊6.2 通孔插装技术焊接固定式焊接固定式 波峰焊波峰焊 助焊剂的目的是在于清洁印刷电路板上金属焊接表助焊剂的目的是在于清洁印刷电路板上金属焊接表面与电镀孔内壁；面与电镀孔内壁；电路板预热的目的是：使助焊剂中的溶剂挥发并电路板预热的目的是：使助焊剂中的溶剂挥发并干燥；提升助焊剂的活性；干燥；提升助焊剂的活性；6.2 通孔插装技术焊接固定式焊接固定式 波峰焊波峰焊 为了适应各种不同的元器件与电路板的焊锡涂布要为了适应各种不同的元器件与电路板的焊锡涂布要求，焊锡槽中焊锡的波形也有许多不同的变化，常见的求，焊锡槽中焊锡的波形也有许多不同的
5、变化，常见的有对称波、不对称波、双波和阶梯波等。有对称波、不对称波、双波和阶梯波等。回流焊（也成为再流焊）技术、波峰焊与红外线回回流焊（也成为再流焊）技术、波峰焊与红外线回流焊的混合工艺（或称为单道焊（流焊的混合工艺（或称为单道焊（Single Pass Soldering，SPS）等也可应用于引脚插入式元器件与）等也可应用于引脚插入式元器件与印制电路板的焊接。印制电路板的焊接。6.3 表面贴装技术 将无引脚或短引线表面组装元器件安装在印制电路将无引脚或短引线表面组装元器件安装在印制电路板（板（Printed Circuit Board，PCB）的表面或其他基板）的表面或其他基板的表面上，通过
6、回流焊或浸焊等方法加以焊接组装的电的表面上，通过回流焊或浸焊等方法加以焊接组装的电路装连技术。路装连技术。与传统的与传统的THT技术不同，技术不同，SMT只需要将表面贴装元只需要将表面贴装元器件贴、焊到印刷电路板表面设计的位置，采用包括点器件贴、焊到印刷电路板表面设计的位置，采用包括点胶、焊膏印刷、贴片、焊接、清洗和在线功能测试在内胶、焊膏印刷、贴片、焊接、清洗和在线功能测试在内的一整套完整工艺联装技术。的一整套完整工艺联装技术。6.3 表面贴装技术特点特点 组装对象多、对元器件的要求高；组装精度和组装对象多、对元器件的要求高；组装精度和质量要求高；组装过程复杂；自动化程度高，要求质量要求高；
7、组装过程复杂；自动化程度高，要求专用设备；技术难度高。专用设备；技术难度高。SMT的优点：提高了布线密度；质量轻，其抗振等的优点：提高了布线密度；质量轻，其抗振等机械特性提高；有利于实现自动化，安装速度大大提高机械特性提高；有利于实现自动化，安装速度大大提高；避免了连线、虚焊和变形等问题；避免了连线、虚焊和变形等问题；SMT的缺点：的缺点：1）测试难度增加；）测试难度增加；2）重新设计考虑）重新设计考虑片状元器件。片状元器件。6.3 表面贴装技术组装形式组装形式 三种：单面混合组装、双面混合组装、全表面组装三种：单面混合组装、双面混合组装、全表面组装。单面混合组装即表面组装元器件与通孔插装元器
8、件（。单面混合组装即表面组装元器件与通孔插装元器件（THC）分布在）分布在PCB不同的一面上混装，但其焊接面仅为不同的一面上混装，但其焊接面仅为单面。单面。单面混合组装单面混合组装6.3 表面贴装技术组装形式：单面混合组装组装形式：单面混合组装6.3 表面贴装技术组装形式：双面混合组装组装形式：双面混合组装6.3 表面贴装技术组装形式：全表面组装组装形式：全表面组装6.3 表面贴装技术基本工艺流程基本工艺流程 来料检测来料检测丝网印刷丝网印刷黏着剂涂覆黏着剂涂覆贴装贴装固化固化焊接焊接清洗清洗检测检测返修。返修。丝网印刷的作用是将焊膏或贴片胶漏印到丝网印刷的作用是将焊膏或贴片胶漏印到PCB的焊
9、的焊盘上，为元器件的焊接做准备。所用设备为丝网印刷机盘上，为元器件的焊接做准备。所用设备为丝网印刷机，位于，位于SMT生产线的最前端。生产线的最前端。6.3 表面贴装技术基本工艺流程：黏着剂涂覆基本工艺流程：黏着剂涂覆 黏着剂涂覆是将黏着剂滴到黏着剂涂覆是将黏着剂滴到PCB固定位置上，并将固定位置上，并将元器件固定到元器件固定到PCB板上。黏着剂涂覆可以采用分配器点板上。黏着剂涂覆可以采用分配器点涂、针式转印技术和丝网印刷技术。涂、针式转印技术和丝网印刷技术。贴装是通过机械手利用真空吸附力将料盘或编带中贴装是通过机械手利用真空吸附力将料盘或编带中的元器件拾取后安放在的元器件拾取后安放在PCB表
10、面指定位置的工艺。表面指定位置的工艺。6.3 表面贴装技术基本工艺流程：固化基本工艺流程：固化 固化是将贴片胶融化，从而使表面组装元器件与固化是将贴片胶融化，从而使表面组装元器件与PCB板牢固粘接在一起。所用设备为固化炉，位于板牢固粘接在一起。所用设备为固化炉，位于SMT生产线中贴片机的后面。生产线中贴片机的后面。6.3 表面贴装技术基本工艺流程：焊接基本工艺流程：焊接 将焊膏融化，使表面组装元器件与将焊膏融化，使表面组装元器件与PCB板牢固粘接板牢固粘接在一起。焊接方法可以分为波峰焊与回流焊（又称再流在一起。焊接方法可以分为波峰焊与回流焊（又称再流焊）两大类。焊）两大类。波峰焊对元器件和焊垫
11、的形状与排列有很多限制，波峰焊对元器件和焊垫的形状与排列有很多限制，不适用与特殊形状和引脚间距日益缩小的表面贴装元器不适用与特殊形状和引脚间距日益缩小的表面贴装元器件的焊接，而且在波峰焊过程中元器件必须在高温的焊件的焊接，而且在波峰焊过程中元器件必须在高温的焊锡中通过，对元器件难免有损伤。锡中通过，对元器件难免有损伤。6.3 表面贴装技术基本工艺流程：焊接基本工艺流程：焊接 回流焊是预先在回流焊是预先在PCB焊接位置（焊盘）施放适量和焊接位置（焊盘）施放适量和适当形式的焊料，然后贴放表面组装元器件，经固化（适当形式的焊料，然后贴放表面组装元器件，经固化（在采用焊膏时）后，再利用外部热源使焊料再
12、次流动达在采用焊膏时）后，再利用外部热源使焊料再次流动达到焊接目的的成组或逐点焊接工艺。到焊接目的的成组或逐点焊接工艺。回流焊技术按照加热的方法进行分类，可以区分为回流焊技术按照加热的方法进行分类，可以区分为：气相回流焊、红外回流焊、热风炉回流焊、热板加热：气相回流焊、红外回流焊、热风炉回流焊、热板加热回流焊、红外光束回流焊、激光回流焊和工具加热回流回流焊、红外光束回流焊、激光回流焊和工具加热回流焊等。焊等。6.3 表面贴装技术基本工艺流程：清洗基本工艺流程：清洗 清洗地作用是将组装好的清洗地作用是将组装好的PCB板上面的各种焊接残板上面的各种焊接残留物除去。从印制电路板的制作到封装元器件焊接
13、的完留物除去。从印制电路板的制作到封装元器件焊接的完成，成品表面不可避免地有许多污染残余，这些污染可成，成品表面不可避免地有许多污染残余，这些污染可能是电路板制作时留下的，也可能是焊接工艺中留下的能是电路板制作时留下的，也可能是焊接工艺中留下的残留物，如元器件或电路板的填充料、焊锡掩膜的残料残留物，如元器件或电路板的填充料、焊锡掩膜的残料、助焊剂、焊锡等。、助焊剂、焊锡等。近年来，免洗焊膏的成功开发使得免清洗流程在表近年来，免洗焊膏的成功开发使得免清洗流程在表面贴装技术中得到了广泛的应用。面贴装技术中得到了广泛的应用。6.3 表面贴装技术设计技术设计技术 表面贴装设计时要满足系统的总体要求，总
14、体要求表面贴装设计时要满足系统的总体要求，总体要求包括功能、功率要求、频率范围和电源条件等，表面贴包括功能、功率要求、频率范围和电源条件等，表面贴装设计时首先设计满足要求的电路图，然后进行元器件装设计时首先设计满足要求的电路图，然后进行元器件、基板和工艺选择，最后在此基础上进行、基板和工艺选择，最后在此基础上进行SMT电路板设电路板设计和焊盘图形设计。计和焊盘图形设计。6.3 表面贴装技术检验测试检验测试 根据测试方式的不同，测试技术可分为非接触式测根据测试方式的不同，测试技术可分为非接触式测试盒接触式测试。非接触式测试从人工目测发展到试盒接触式测试。非接触式测试从人工目测发展到AOI、自动射
15、线检测、自动射线检测AXI，而接触式测试则可分为在线测试，而接触式测试则可分为在线测试和功能测试两大类。和功能测试两大类。6.3 表面贴装技术检验测试检验测试 传统的在线测试仪测量时，使用专门的针床与已焊传统的在线测试仪测量时，使用专门的针床与已焊接好的线路板上的元器件接触，并用数百毫伏电压和接好的线路板上的元器件接触，并用数百毫伏电压和10mA以内电流进行分立隔离测试，从而精确地测出所以内电流进行分立隔离测试，从而精确地测出所装电阻、电感、二极管、晶闸管、场效应管、集成块等装电阻、电感、二极管、晶闸管、场效应管、集成块等通用和特殊元器件的漏装、错装、参数值偏差、焊点连通用和特殊元器件的漏装、
16、错装、参数值偏差、焊点连焊、线路板开短路等故障，并将故障是哪个元件或开短焊、线路板开短路等故障，并将故障是哪个元件或开短路位于哪个点准确告诉用户。路位于哪个点准确告诉用户。6.3 表面贴装技术检验测试检验测试 功能测试仪则可以测试整个系统是否能够实现设计功能测试仪则可以测试整个系统是否能够实现设计目标，它将线路板上的被测单元作为一个功能体，对其目标，它将线路板上的被测单元作为一个功能体，对其提供输入信号，按照功能体的设计要求检测输出信号。提供输入信号，按照功能体的设计要求检测输出信号。这种测试是为了检测线路板能否按照设计要求正常工作这种测试是为了检测线路板能否按照设计要求正常工作。6.3 表面
17、贴装技术检验测试检验测试 AOI不但可对焊接质量进行检验，还可以对基板板不但可对焊接质量进行检验，还可以对基板板、焊膏印刷质量进行检验，还可对光板、焊膏印刷质量、焊膏印刷质量进行检验，还可对光板、焊膏印刷质量、贴片质量等进行检查。各工序、贴片质量等进行检查。各工序AOI的使用几乎完全替的使用几乎完全替代人工操作，可显著提高产品质量和生产效率。代人工操作，可显著提高产品质量和生产效率。AOI通通过摄像头自动扫描基板各个部分采集图像，测试的焊点过摄像头自动扫描基板各个部分采集图像，测试的焊点信息与数据库中的参考参数进行比较，经过图像处理，信息与数据库中的参考参数进行比较，经过图像处理，检查出检查出
18、PCB上的缺陷，并通过显示器或自动标志把缺陷上的缺陷，并通过显示器或自动标志把缺陷显示显示/标示出来，供维修人员修整。标示出来，供维修人员修整。6.3 表面贴装技术检验测试检验测试 AXI测试过程是当组装好的线路板沿导轨进入机器测试过程是当组装好的线路板沿导轨进入机器内部后，位于线路板上方的内部后，位于线路板上方的X射线管发射的射线管发射的X射线穿过射线穿过线路板后，被置于下方的探测器接收，由于焊点中含有线路板后，被置于下方的探测器接收，由于焊点中含有大量可以吸收大量可以吸收X射线的铅，因此与穿过玻璃纤维、铜、射线的铅，因此与穿过玻璃纤维、铜、硅等其他材料的硅等其他材料的X射线相比，照射在焊点
19、上射线相比，照射在焊点上X射线被大射线被大量吸收，使得对焊点的分析变得相当直观。量吸收，使得对焊点的分析变得相当直观。6.4 光电子封装 光电子封装是光电子器件、电子元器件及功能应用光电子封装是光电子器件、电子元器件及功能应用材料的系统集成。材料的系统集成。光电子封装在光通信系统中可分为如下级别的封装光电子封装在光通信系统中可分为如下级别的封装：芯片：芯片IC级的封装、器件封装、模块封装、系统板封装级的封装、器件封装、模块封装、系统板封装、子系统组装和系统组装。、子系统组装和系统组装。6.4 光电子封装 光电子器件和模块的封装形式，根据其应用的广度光电子器件和模块的封装形式，根据其应用的广度可
20、以分为商业标准封装和客户要求的专有封装。其中商可以分为商业标准封装和客户要求的专有封装。其中商业标准封装又可分为同轴晶体管外壳（业标准封装又可分为同轴晶体管外壳（Transistor Outline，TO）封装、同轴器件封装、光电子组件和光）封装、同轴器件封装、光电子组件和光电子模块封装等几种。电子模块封装等几种。对于同轴器件封装来说有同轴尾纤式器件（包括：对于同轴器件封装来说有同轴尾纤式器件（包括：同轴尾纤式激光器、同轴尾纤式探测器、尾纤型单纤双同轴尾纤式激光器、同轴尾纤式探测器、尾纤型单纤双向器件）和同轴插拔式器件（包括：同轴插拔式激光器向器件）和同轴插拔式器件（包括：同轴插拔式激光器、同
21、轴插拔式探测器、同轴插拔式单纤双向器件）。其、同轴插拔式探测器、同轴插拔式单纤双向器件）。其封装接口结构有封装接口结构有SC型、型、FC型、型、LC型、型、ST型、型、MU-J等。等。6.4 光电子封装 光电子器件和模块在封装过程中涉及到的工艺按照光电子器件和模块在封装过程中涉及到的工艺按照封装工艺的阶段流程和程序，可以具体细分为：驱动及封装工艺的阶段流程和程序，可以具体细分为：驱动及放大芯片封装；裸芯片（放大芯片封装；裸芯片（Die）封装；器件或组件封装）封装；器件或组件封装；模块封装。；模块封装。6.4 光电子封装 半导体光电子器件封装包括光发射器件管芯半导体光电子器件封装包括光发射器件管
22、芯(LD-Chip)封装和光接收器件管芯封装和光接收器件管芯(PD-Chip)封装。封装。光电子器件的主要的封装过程有管芯封装、器件耦光电子器件的主要的封装过程有管芯封装、器件耦合封装及模块封装。合封装及模块封装。6.4 光电子封装典型的管芯封装、器件耦合封装及模块封装典型的管芯封装、器件耦合封装及模块封装6.4 光电子封装SC插拔型同轴激光器的装配图插拔型同轴激光器的装配图6.4 光电子封装半导体激光器半导体激光器TO封装封装6.4 光电子封装光纤金属化与耦合封装工艺光纤金属化与耦合封装工艺 光纤金属化是耦合封装的关键。光纤金属化是耦合封装的关键。金属化光纤示意图金属化光纤示意图6.4 光电
23、子封装光纤金属化与耦合封装工艺光纤金属化与耦合封装工艺 光纤经过金属化之后即可用于耦合封装。光纤耦合光纤经过金属化之后即可用于耦合封装。光纤耦合可以分为光纤与发光管、光纤与（激光器（可以分为光纤与发光管、光纤与（激光器（Laser Diode，LD）、光纤与光电二极管（）、光纤与光电二极管（Positive Intrinsic-Negative，PIN）（或雪崩光电二极管（）（或雪崩光电二极管（Avalanche Photo Diode，APD）的耦合。）的耦合。从具体耦合结构形式上可以分为：直接耦合、半球从具体耦合结构形式上可以分为：直接耦合、半球和球形透镜耦合、柱状透镜耦合、圆锥形透镜耦合
24、、凸和球形透镜耦合、柱状透镜耦合、圆锥形透镜耦合、凸透镜耦合、自聚焦透镜耦合等多种。透镜耦合、自聚焦透镜耦合等多种。6.4 光电子封装光纤金属化与耦合封装工艺光纤金属化与耦合封装工艺同轴耦合示意图及工艺装备同轴耦合示意图及工艺装备6.4 光电子封装光纤金属化与耦合封装工艺光纤金属化与耦合封装工艺 蝶形封装耦合的内部结构蝶形封装耦合的内部结构本章小结 本章主要讲述了模组组装技术和光电子封装技术。本章主要讲述了模组组装技术和光电子封装技术。模组组装技术部分主要介绍了两种常用的组装技术模组组装技术部分主要介绍了两种常用的组装技术：通孔插装技术和表面贴装技术，通孔插装部分主要介：通孔插装技术和表面贴装技术，通孔插装部分主要介绍了两种常见的引脚接合技术：弹簧固定式和焊接式，绍了两种常见的引脚接合技术：弹簧固定式和焊接式，表面贴装技术部分主要介绍了表面贴装技术部分主要介绍了SMT技术特点、工艺类别技术特点、工艺类别、基本工艺流程、基本工艺流程、SMT设计技术和检验测试技术；设计技术和检验测试技术；光电子封装部分简要介绍了光电子器件的封装形式光电子封装部分简要介绍了光电子器件的封装形式和封装技术，然后简要介绍了光纤金属化和耦合封装的和封装技术，然后简要介绍了光纤金属化和耦合封装的基本工艺过程。基本工艺过程。
