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BTC指南的进展:IPC-7093A,第一部分
  2020-08-04      71

SMT Solver专栏作者:Ray Prasad,RAY PRASAD 咨询集团公司

如果你参加了2020年度IPC APEX EXPO美国国际线路板与电子组装展览会IPC-7093会议,你就会知道我们完成了这个文件的修订版,现在正在对这个修订后的文件进行投票,希望近几个月内发布文件的最终版本。

作为IPC委员会的主席,我将通过三期专栏的系列文章来分享底部端子元器件(BTC)设计与组装指南的最新进展。在这第一个专栏中,我将介绍这项技术与标准的概况。在以后续的专栏中,我将深入分析BTC技术中的设计、组装、质量和可靠性问题,这些问题已纳入最新的IPC-7093A修订版。

首先,我要感谢IPC委员会的全体成员。我要特别感谢A组的成员Matt Kelly(他来自IBM, 目前在IPC任职)、Mark Jeanson(IBM)、Udo WelzelBosch公司)、Robert Cochran (Mindchasers公司)、David Hillman(Collins Aerospace公司)、Michael Johnson(MACOM公司)、Rob Rowland(Axiom公司)和Raiyo Aspandiar博士(Intel公司)。这些成员投入大量时间参加许多会议,撰写修订版各个部份的内容,修改其他的条款和审查其他的意见。最重要的是,这个小组有幸请到Chris Jorgensen作为IPC的联络员,他时时提醒我们小心谨慎,并敦促每个成员遵守自己的承诺。我在此向这些A组成员和其他众多向我们提供帮助的人表示感谢,正是在他们的努力下,这个最新的文件比以前的版本更好。

BTC是什么?

BTC有很多名称。BTC的例子包括小型无引线封装(SON)、双面扁平无引线封装(DFN)、四方扁平无引线封装(QFN)、 焊盘网格阵列封装(LGA),等等。我们在这里用另一种方式来思考BTC封装。我们都非常熟悉球栅阵列封装(BGA)。BTC就像是没有焊锡球的BGA。我们把BTC看成穷人的BGA,这是因为BGA是最昂贵的封装,而BTC却是最便宜的封装。从物理结构上看,BTC和BGA有微小差异,这使得BTC和BGA在成本、设计、组装和返工等所有方面都不一样。

使用BTC封装的驱动力

人们为什么会对BTC这种封装如此感兴趣呢?使用BTC封装的主要驱动力是什么?此时此刻,在全世界,正在组装的BTC有几十亿个,使用BTC的主要动力来自移动产品,尤其是移动电话。对于有些智能手机,每一部最多要用八个BTC。BTC还用于电压调节器和功率调节器,以及许多其他汽车和工业应用。设计师发现在小尺寸的封装和面积很小的PCB中使用BTC有很大好处。

BTC的缺点

当然,任何一种封装类型都有缺点,BTC也不例外。其最显著的问题是BTC的终端不具良好的可焊接性。其原因显而易见。BTC本质上是构建在铜片上的蜂窝状封装,形状像一块华夫饼。在贴装硅片成型后,这个薄片要么是被切割开,要么被冲切成单独的封装。这导致在终端顶部的铜表面暴露。暴露的铜表面非常容易被氧化;因此,即使使用腐蚀性强的助焊剂,出现侧面角焊缝的可能性也非常低。这就是为什么IPC-610标准不对BTC焊点的侧面角焊缝提出要求的原因。

这里要说一下使用侵蚀性强的助焊剂的问题,一般情况下不允许对BTC使用这种助焊剂,这是因为在BTC的底部和PCB表面的顶部之间几乎没有间隙。你几乎无法把滞留在紧凑空间下的助焊剂去除掉。从本质上讲,在使用BTC时,哪怕电路板上只有一个BTC,除了免清洗助焊剂,没有其他的选择。

BTC另一个主要问题是封装的平整度和共面性。这些封装要求尽善尽美。封装和PCB必须完全平整 。焊锡的用量也必须恰到好处。如果达不到这些条件,要么由于焊膏不够多而出现开路,要么因为焊膏太多而出现大量焊锡空洞和桥连。总而言之,封装、PCB的平整度、印刷技术和回流焊都必须做到尽善尽美。在大批量制造环境中,这通常做得到吗?很难。

此外,由于封装终端没有突出到封装的外面,因此,视觉检查和验证焊锡的界面都很困难。鉴于这种封装对组装、检查和返工都提出许多更高的要求,这意味着这种低成本的封装可能不会马上降低组装的整体成本。我将在未来的两期专栏文章中,在探讨设计和组装的问题时,再讨论关于如何解决这些问题的技术细节。

BTC具有优异的电气性能和热特性,而且它们是一种非常耐用的封装,在处理过程中不必担心会损坏引脚。BTC最有吸引力的地方就是它的价格。总的说来,如果封装成本按照每个I/O一美分来计算(例如,有100个I/O的封装成本就是1美元),那么这个封装价格就被认为是非常好的价格了。BTC的价格可以做到每个I/O只要 0.5美分,甚至更低。这是非常有吸引力的价格,这也是它为什么能够在手机和其他移动产品这类大批量产品中得到广泛使用的原因。

IPC-7093概述:即将发布的标准

正如你看到的,BTC有诸多好处,但是也存在一些主要问题。IPC-7093A描述了实施BTC设计和组装的指南,重点关注和这种封装有关的关键设计、材料、组装、检查、维修、质量和可靠性问题。

制定这个文件不是一次学术活动。制定这一标准的目的是为那些正在使用或者有打算使用BTC的用户提供实用信息。这个文件的目标读者是负责印刷电路板组件设计、组装、检查和维修工艺的物理设计师、工艺设计师,以及可靠性工程师和经理。

制定这个文件的目的是帮助你成功进行稳健可靠的设计与组装工艺,以满足印刷电路板组件的要求,从而使您充分了解如何对设计和装配问题进行故障排除,以提高使用BTC的锡铅和无铅组件的可靠性。

A小组对这一修订本的修订工作已进行了一段时间,将在举行2020年度IPC APEX的前一周完成最后的修订。在这次展览会上,IPC委员会的成员将进行投票,对是否一致同意公布该文件进行表决。在最终版本发布之前,A小组将通过电话会议审议该文件的意见或建议。如果你对这一文件有任何意见或建议,请发送给我或者给IPC。如果你要添加全新的内容,我们也很欢迎,但我们在它的下一个修订版B时才会考虑。

总结

由于BTC没有引线,因此有许多优点,诸如封装的尺寸更小,优异的电气(即电阻、电容、电感)性能。此外,由于BTC封装产生的热量是直接传导到PCB的热路径(热从硅晶粒到硅晶粒到铜焊盘再到PCB),它们还具有优异的热性能。最重要的是,BTC封装和标准的SMT工艺兼容(与微间距QFP中的热路径一样,没有特殊的中间环节),并且比所有的其他封装更便宜。

在把BTC封装用在电子组件中时,有一点必须牢记,BTC必须安装在电路板上。这块电路板上还会有其他的封装,例如BGA、微间距元件,甚至会有一些通孔元件;这些元件可能有它们自身独有的设计和组装要求。

BTC封装有两个关键问题:把BTC封装安装到电路板上时,要提供适量的焊膏并确保焊点的可靠性。减少焊膏体积可以减少封装浮动和焊点中的空洞,但这会增加焊点开路的风险,因此需要在焊膏体积和焊点可靠性之间保持平衡,来确保焊点的总体可靠性。

在检查方面,BTC比BGA面临更多的挑战,这是由于使用内窥镜检查BGA至少能提供关于BGA焊锡球状况的一些信息。BTC焊点基本上很像邮票,因此不能使用侵蚀性强的助焊剂。由于BTC的两端是锯切或冲切的,并且不能是湿的,因此侧面角焊缝不总是会出现。

在下两期的专栏里,我将讨论在这个文件中涵盖的设计与组装问题的细节,说明在使用这些技术时要关注哪些问题,才能提高成品率,降低成本。换句话说,我将说明要怎样做才符合IPC的信条

“把电子产品做得更好”。

作者简介:Ray Prasad Ray Prasad咨询 集团公司的主席,同时也是《表面组装技术:原则与实践》一书的作者。Prasad 还入选IPC名人堂,这是电子行业的最高荣誉,他从事SMT数十年,熟悉SMT的各个领域,包括在波音公司和Intel公司担任推行SMT的领导角色;帮助遍布全球的OEMEMS客户建立强大的、内部的、自主的SMT架构;除此之外,他还提供现场的深度SMT课程教学。 他的电子邮件:smtsolver@rayprasasd. com最新的SMT培训班开课时间是2020 4 20–22日和2020720–22日。更多详细信息,请访问www.rayprasad.com。如需阅读往期专栏内容,请点击这里。


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