表面贴装技术

表面贴装技术(SMT)是一种将电子元件直接安装到印刷电路板(PCB)表面的方法。以这种方式安装的电子元件称为表面安装器件(SMD)。在工业上，这种方法已经在很大程度上取代了通孔技术装配组件的构造方法，很大程度上是因为SMT允许增加制造自动化，从而降低成本并提高质量。它还允许在给定的基板区域上安装更多组件。这两种技术可以在同一块板上使用，通孔技术通常用于不适合表面安装的元件，如大型变压器和散热功率半导体。

表面贴装技术组件通常比其通孔组件小，因为它有较小的引线或根本没有引线。它可能具有各种样式的短引脚或引线、扁平触点、焊球矩阵(BGA)或组件主体上的端子。

在要放置元件的地方，印刷电路板通常具有平坦的、通常是镀锡铅、镀银或镀金的无孔铜焊盘，称为焊盘。焊膏是助焊剂和微小焊料颗粒的粘性混合物，首先使用丝网印刷工艺用不锈钢或镍模板将其涂在所有焊盘上。它也可以通过类似于喷墨打印机的喷射打印机制来应用。粘贴后，电路板进入贴片机，它们被放置在传送带上。要放置在板上的组件通常以缠绕在卷轴上的纸/塑料带或塑料管的形式传送到生产线。一些大型集成电路是在防静电托盘中交付的。数控拾放机从胶带、管子或托盘上取下零件，然后将它们放置在PCB上。

然后将电路板传送到回流焊炉中。它们首先进入预热区，在那里板子和所有组件的温度逐渐、均匀地升高以防止热冲击。然后电路板进入一个温度高到足以熔化焊膏中的焊料颗粒的区域，将元件引线连接到电路板上的焊盘。熔化焊料的表面张力有助于将元件固定到位，如果焊盘几何形状设计正确，表面张力会自动将元件对齐到焊盘上。

有多种回流焊料的技术。一是使用红外线灯；这称为红外线回流。另一种是使用热气对流。另一项再次流行的技术是特殊氟碳使用称为气相回流的方法的高沸点液体。由于环境问题，这种方法不受欢迎，直到引入无铅立法，要求对焊接进行更严格的控制。2008年底，对流焊接是最流行的回流焊技术，使用标准空气或氮气。每种方法都有其优点和缺点。使用红外回流焊，电路板设计人员必须将电路板布局好，以便短元件不会落入高元件的阴影中。如果设计人员知道将在生产中使用气相回流焊或对流焊接，则元件位置的限制较少。回流焊后，某些不规则或热敏元件可能需要手工安装和焊接，或大规模自动化，

如果电路板是双面的，则可以使用焊膏或胶水重复此印刷、放置、回流过程，以将组件固定到位。如果使用波峰焊工艺，则必须在加工前将零件粘在板上，以防止在固定它们的焊膏熔化时它们漂浮。

焊接后，可以清洗电路板以去除助焊剂残留物和任何可能使紧密间隔的元件引线短路的杂散焊球。松香助焊剂用碳氟化合物溶剂、高闪点烃溶剂或低闪点溶剂如柠檬烯（源自橘皮）去除，这些溶剂需要额外的冲洗或干燥循环。用去离子水去除水溶性助焊剂和清洁剂，然后吹气以快速去除残留的水分。然而，大多数电子组件是使用“免清洁”工艺制造的，其中助焊剂残留物被设计为留在电路板上，因为它们被认为是无害的。这样可以节省清洁成本，加快制造过程并减少浪费。但是，通常建议清洗组件，即使在使用“免清洗”过程时，当应用程序使用非常高频的时钟信号（超过1GHz）时也是如此。去除免清洗残留物的另一个原因是提高保形涂层和底部填充材料的附着力。无论是否清洁这些PCB，当前的行业趋势都建议仔细审查应用“免清洁”的PCB组装过程，因为残留在元件和射频屏蔽下的助焊剂残留物可能会影响表面绝缘电阻(SIR)，尤其是在高元件上密度板。

某些制造标准，例如由IPC-AssociationConnectingElectronicsIndustries编写的标准，无论使用何种助焊剂类型，都需要清洁以确保电路板彻底清洁。适当的清洁可以去除所有焊剂痕迹，以及肉眼看不见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的说法，这些残留物是可以接受的，“前提是这些残留物已经过合格证明并记录为良性”。然而，虽然符合IPC标准的商店应遵守协会的船上条件规则，但并非所有制造设施都适用IPC标准，也不需要他们这样做。此外，在一些应用中，例如低端电子产品，这种严格的制造方法在费用和时间上都是过分的。

最后，目视检查电路板是否有缺失或未对准的组件和焊料桥接。如果需要，它们会被送到返工站，在那里人工操作员会修复任何错误。然后通常将它们发送到测试站（在线测试和/或功能测试）以验证它们是否正确运行。

自动光学检测(AOI)系统通常用于PCB制造。事实证明，该技术对于流程改进和质量成就非常有效。

与旧的通孔技术相比，SMT的主要优点是：

• 更小的组件。
• 更高的组件密度（每单位面积的组件）和每个组件更多的连接。
• 元件可以放置在电路板的两侧。
• 更高的连接密度，因为孔不会阻塞内层的布线空间，如果组件仅安装在PCB的一侧，则不会阻塞背面层。
• 当熔化焊料的表面张力将元件拉到与焊盘对齐时，元件放置中的小错误会自动纠正。（另一方面，通孔元件不能稍微错位，因为一旦引线穿过孔，元件就完全对齐，不能横向移动错位。）
• 在冲击和振动条件下具有更好的机械性能（部分原因是质量较小，部分原因是悬臂较少）
• 连接处的电阻和电感较低；因此，不需要的射频信号影响更少，高频性能更好、更可预测。
• 由于较小的辐射回路面积（由于较小的封装）和较小的引线电感，因此更好的EMC性能（较低的辐射发射）。
• 需要钻的孔更少。（钻孔PCB既费时又费钱。）
• 使用自动化设备降低初始成本和批量生产设置时间。
• 更简单、更快速的自动化组装。一些贴片机每小时能够贴装超过136,000个元件。
• 许多SMT零件的成本低于等效的通孔零件。

• 表面贴装技术可能不适合作为承受频繁机械应力的组件的xxx连接方法，例如用于与频繁连接和分离的外部设备进行接口的连接器。
• SMD的焊接连接可能会被灌封化合物经历热循环损坏。
• 由于许多SMD的尺寸和引线间距较小，手动原型组装或组件级维修更加困难，并且需要熟练的操作员和更昂贵的工具。与几乎所有通孔元件不同，处理小型SMT元件可能很困难，需要镊子。虽然通孔元件一旦插入就会保持原位（在重力下），并且可以在焊接前通过弯曲电路板焊接侧的两条引线进行机械固定，而SMD很容易通过触摸焊接而移出原位铁。如果没有熟练的技能，手动焊接或拆焊元件时，很容易意外回流相邻SMT元件的焊料并无意中将其移位，这对于通孔元件几乎是不可能的。
• 许多类型的SMT元件封装不能安装在插座中，这提供了方便的安装或更换元件以修改电路和容易更换故障元件。（几乎所有的通孔元件都可以插接。）
• SMD不能直接与插入式试验板（一种快速即插即用的原型制作工具）一起使用，需要为每个原型定制PCB或将SMD安装在引脚引线载体上。对于特定SMD组件周围的原型设计，可以使用较便宜的分线板。此外，还可以使用条板式原型板，其中一些包括用于标准尺寸SMD组件的焊盘。对于原型设计，可以使用“死虫”面包板。
• 随着超细间距技术的进步，SMT中的焊点尺寸迅速变得更小。焊点的可靠性变得越来越受关注，因为每个焊点允许使用的焊料越来越少。空洞是通常与焊点相关的故障，尤其是在SMT应用中回流焊膏时。空隙的存在会降低接头强度并最终导致接头失效。
• SMD通常比等效的通孔组件小，用于标记的表面积较小，需要标记的零件ID代码或组件值更隐蔽且更小，通常需要放大才能读取，而较大的通孔组件可能用肉眼阅读和识别。这对于原型设计、维修、返工、逆向工程以及可能的生产设置都是不利的。

电阻器对于5%精度的SMD电阻器，通常使用三位数字标记其电阻值：两位有效数字和一位乘数。这些通常是黑色背景上的白色字体，但也可以使用其他颜色的背景和字体。对于1%精度SMD电阻器，使用代码，否则三位数字将无法传达足够的信息。此代码由两位数字和一个字母组成：数字表示值在E96序列中的位置，而字母表示乘数。

电容器非电解电容器通常没有标记，确定其值的xxx可靠方法是从电路中取出并随后使用电容计或阻抗桥进行测量。用于制造电容器的材料，例如钽酸镍，具有不同的颜色，这些可以大致了解组件的电容。通常，对于相同的电介质，物理尺寸与电容和（平方）电压成正比。例如，100nF、50V电容器可能与10nF、150V器件采用相同的封装。SMD（非电解）电容器通常是单片陶瓷电容器，在未被端盖覆盖的所有四个面上都呈现相同的体色。贴片电解电容，通常是钽电容，薄膜电容的标志像电阻一样，有两位有效数字和一个以皮法或pF为单位的乘数，（10-12法拉）。电感器具有中等高额定电流的较小电感通常是铁氧体磁珠类型。它们只是一个穿过铁氧体磁珠的金属导体，几乎与它们的通孔版本相同，但具有SMD端盖而不是引线。它们呈深灰色且具有磁性，与具有类似深灰色外观的电容器不同。这些铁氧体磁珠类型仅限于纳亨(nH)范围内的小值，通常用作电源轨去耦器或电路的高频部分。较大的电感器和变压器当然可以通孔安装在同一块板上。具有较大电感值的SMT电感器通常在身体周围或嵌入透明环氧树脂中的匝线或扁平带，从而可以看到电线或带。有时是铁氧体磁芯也存在。这些较高电感类型通常仅限于小电流额定值，尽管一些平带类型可以处理几安培。与电容器一样，较小电感器的元件值和标识符通常不会标记在元件本身上；如果没有记录或印刷在PCB上，通常从电路中移除的测量是确定它们的xxx方法。较大的电感器，尤其是占位面积较大的绕线型电感器，通常会将值印在顶部。例如，“330”，相当于33μH的值。分立半导体二极管和晶体管等分立半导体通常标有两个或三个符号代码。

标记在不同包装或来自不同制造商的设备上的相同代码可以转换为不同的设备。使用这些代码中的许多代码是因为设备太小而无法在较大的封装上使用更传统的编号进行标记，当查阅相关列表时，这些代码与更熟悉的传统部件编号相关联。英国的GM4PMK已经准备了相关列表，也有类似的.pdf列表，虽然这些列表并不完整。集成电路通常，集成电路封装足够大，可以印上完整的部件号，包括制造商的特定前缀，或部件号的重要部分和制造商的名称或标志。