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片式元器件進(jìn)行堆疊安裝的規(guī)則及要求

牽手一起夢(mèng) ? 來(lái)源:可靠性雜壇 ? 作者:佚名 ? 2020-04-11 15:23 ? 次閱讀

一、概述

不能片面引用IPC標(biāo)準(zhǔn)為軍用電子產(chǎn)品電子裝聯(lián)的質(zhì)量判據(jù),尤其是航天產(chǎn)品中不能簡(jiǎn)單地引用IPC標(biāo)準(zhǔn)。IPC標(biāo)準(zhǔn)與MIL標(biāo)準(zhǔn)之間存在一定的差距,不屬于同一個(gè)檔次,對(duì)于軍用電子產(chǎn)品,尤其是航天電子產(chǎn)品,如果IPC標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定符合MIL標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的,我們可以采納,如果低于MIL標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的,則必須拋棄。

QJ標(biāo)準(zhǔn)及GJB標(biāo)準(zhǔn)很多內(nèi)容及規(guī)定源于美國(guó)MIL標(biāo)準(zhǔn),在軍事電子產(chǎn)品應(yīng)用中長(zhǎng)壽命、高可靠產(chǎn)品需執(zhí)行QJ標(biāo)準(zhǔn)。 這是我們制定與軍用電子產(chǎn)品相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)必須予以密切注意的。不能將通用標(biāo)準(zhǔn)與軍標(biāo)混為一談!

二、問(wèn)題提出

1.GJB/Z 163—2012的規(guī)定

GJB/Z 163—2012《印制電路組件裝焊技術(shù)指南》,在第4.4.5節(jié)提出了矩形片式元器件堆疊安裝要求:矩形片式元器件滿(mǎn)足下列條件時(shí),允許進(jìn)行堆疊安裝。

①當(dāng)需要將矩形片式元器件在印制電路板焊盤(pán)上堆疊安裝時(shí),應(yīng)將元器件最上邊的焊端區(qū)域變成下面一個(gè)元器件的焊盤(pán)處理。

②不同種類(lèi)的元器件,如電容、電阻的堆疊安裝,需由設(shè)計(jì)按加工工藝條件確定。

③矩形片式元器件的堆疊安裝、焊接要求應(yīng)參照并滿(mǎn)足4.4.5.1a)、4.4.5.2a)中的要求,正確的堆疊焊如圖1(a)所示。

④同類(lèi)片式元器件最多允許堆疊3個(gè),如圖1(b)所示,預(yù)先并焊接好后,再焊接到PCB相應(yīng)焊盤(pán)上。

圖1堆疊焊(GJB/Z 163第4.4.5.3圖109)

2.IPC-610D的規(guī)定

實(shí)際上GJB/Z 163—2012提出的“矩形片式元器件滿(mǎn)足下列條件時(shí),允許進(jìn)行堆疊安裝”源自IPC-610D(E):

IPC-610E的8.3.2.9.3矩形或方形端片式元器件—1、3或5面端子,端子異?!B裝中指出:這些要求適用于要求疊裝的場(chǎng)合。疊裝元器件時(shí),元器件頂部端子區(qū)域成為上面堆疊的那個(gè)元器件的焊盤(pán)??山邮堋?、2、3級(jí)。

●當(dāng)圖紙?jiān)试S時(shí)。

●堆疊順序滿(mǎn)足圖紙要求。

●堆疊的元器件滿(mǎn)足IPC-610E的表8-2中適用級(jí)別的驗(yàn)收要求。

●側(cè)面偏移未妨礙所要求焊料填充的形成。

片式元器件堆疊安裝(IPC-610E圖8-48)如圖2所示。

圖2 片式元器件堆疊安裝(IPC-610E圖8-48)

三、軍標(biāo)對(duì)軍用PCBA“片式元器件堆疊安裝”的規(guī)定

為防止影響元器件安裝可靠性:

①Q(mào)J 3086—1999第5.5.2條規(guī)定:無(wú)引線(xiàn)元器件應(yīng)直接焊接到印制電路板上,元器件不應(yīng)重疊安放,也不應(yīng)橋接在其他零件或元器件(如導(dǎo)線(xiàn)引出端或其他正確安裝的元器件)的空隙上。

②QJ 3172—2003第5.1.1.1條規(guī)定:元器件應(yīng)處于電路板兩焊盤(pán)中間,片式元器件不應(yīng)重疊或側(cè)立安放,也不應(yīng)橋接在其他元器件(如導(dǎo)線(xiàn)引出端或其他正確安裝的元器件)的空隙上。

③QJ 165B—2014第5.4.3.1條重申元器件表面安裝應(yīng)符合QJ 3086的要求。

四、分析

1.3級(jí)產(chǎn)品不允許片式元器件堆疊安裝

除QJ 3086—1999,QJ 3172—2003和QJ 165B—2014這些航天標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定不允許“片式元器件堆疊安裝”外,GJB 3243—1998《電子元器件表面安裝要求》、GJB 3835—1999《表面安裝印制板組裝件通用要求》和SJ 20385A—2008《軍用電子設(shè)備電氣裝配技術(shù)要求》,以及作為“具有工藝控制技術(shù)”的IPC-J-STD-001F—2014均不允許和提到3級(jí)產(chǎn)品“片式元器件可以堆疊安裝”,在這些標(biāo)準(zhǔn)中,片式元器件的安裝方式都是一致的,軍標(biāo)規(guī)定的片式元器件安裝方式如圖3所示。即使與GJB/Z 163—2012為同一個(gè)主編的SJ 20882—2003《印制電路板組裝件裝焊工藝要求》中也沒(méi)有提到允許“片式元器件堆疊安裝”。

圖3 軍標(biāo)規(guī)定的片式元器件安裝方式

“片式元器件堆疊安裝”的內(nèi)容僅在IPC-610D(E)中有。

2011年12月,通過(guò)國(guó)家鑒定和驗(yàn)收的國(guó)防科工局下達(dá)的,由中國(guó)電科編制的《PCBA焊接工藝質(zhì)量控制通用要求》(已于2012年初下發(fā)電科各研究所執(zhí)行)中也已經(jīng)把“片式元器件堆疊安裝和側(cè)立安裝”作為禁用工藝。并在2011年12月已經(jīng)通過(guò)國(guó)家鑒定和驗(yàn)收的國(guó)防科工局下達(dá)的,由中國(guó)電科編制的《PCBA焊接質(zhì)量可接受判據(jù)》中把片式元器件堆疊焊接、并列焊接和外接焊接作為焊接不合格缺陷處理,如圖4所示。

片式元器件進(jìn)行堆疊安裝的規(guī)則及要求

圖4焊接不合格

2.關(guān)于片式元器件的“堆疊”安裝焊接

片式元器件的“堆疊”安裝焊接在IPC-A-610C—2001里還沒(méi)有出現(xiàn),因此以IPCA-610C為藍(lán)本的SJ 20882—2003《印制電路板組裝件裝焊工藝要求》中也沒(méi)有提到“片式元器件堆疊安裝”;2005年出版的IPC-A-610D提到了“片式元器件堆疊安裝”,GJB/Z 163—2012的主編立刻在軍標(biāo)里加入了“片式元器件堆疊安裝”;而對(duì)軍品上已經(jīng)廣泛使用,可靠性很高的QFN元器件則沒(méi)有提及。

2010年,IPC-A-610E提出了“表面貼裝面陣列”——堆疊,如圖5所示,這是由Bob Willis所著的《封裝上的封裝(POP)——封裝的疊裝》提供了其他的封裝疊裝工藝指南。

片式元器件進(jìn)行堆疊安裝的規(guī)則及要求

圖5IPC-A-610E提出了“表面貼裝面陣列”——堆疊

POP——堆疊組裝技術(shù)是2003年由環(huán)球公司引進(jìn)的,在SMT向post-SMT的過(guò)渡階段,板級(jí)電路組裝焊接中出現(xiàn)了芯片級(jí)堆疊裝配技術(shù)(PIP)、元器件級(jí)堆疊裝配技術(shù)(POP)、板級(jí)堆疊裝配技術(shù)、“細(xì)微焊接”技術(shù)和FPC組裝技術(shù)。

堆疊裝配技術(shù)是板級(jí)電子組裝從2級(jí)向1.5級(jí)跨越的里程碑,是板級(jí)電子組裝與半導(dǎo)體組裝的最新結(jié)合形式,是板級(jí)電路高密度組裝的最新成果。堆疊裝配技術(shù)按其結(jié)構(gòu)特征可分為以下3類(lèi)。

1)元器件內(nèi)置元器件堆疊裝配(Package In Package,PIP),如圖6所示。

片式元器件進(jìn)行堆疊安裝的規(guī)則及要求

圖6 元器件內(nèi)置元器件堆疊裝配

2)元器件堆疊裝配(Package On Package,POP),如圖7所示。元器件堆疊裝配示意圖如圖8所示。

圖7 元器件堆疊裝配

片式元器件進(jìn)行堆疊安裝的規(guī)則及要求

圖8 元器件堆疊裝配示意圖

元器件堆疊裝配(POP)的基本特征是充分利用元器件的下方空間,在元器件下面再放置元器件;元器件的組合可自由選擇,堆疊裝配成本可降至最低;元器件堆疊裝配(POP)需要有復(fù)雜的工藝流程和裝配技術(shù)。圖9所示是高密度印制電路板采用雙面四層“疊層”組裝產(chǎn)品。

圖9高密度印制電路板采用雙面四層“疊層”組裝產(chǎn)品

3)板級(jí)堆疊裝配示意圖如圖10所示。

片式元器件進(jìn)行堆疊安裝的規(guī)則及要求

圖10板級(jí)堆疊裝配示意圖

①板級(jí)堆疊裝配“沿用”MCM芯片級(jí)組裝中的垂直互連、側(cè)向互連、凸點(diǎn)互連等多種互連技術(shù),實(shí)現(xiàn)電路板之間的堆疊裝配,以板級(jí)為基礎(chǔ)在設(shè)備內(nèi)部空間實(shí)現(xiàn)印制電路板之間的堆疊裝配,應(yīng)用板級(jí)之間的“錯(cuò)位”設(shè)計(jì)技術(shù),從而大量減少傳輸器和連接導(dǎo)線(xiàn),大幅度縮小設(shè)備的體積。

②板級(jí)堆疊裝配以表面組裝技術(shù)為基礎(chǔ)技術(shù),其突出標(biāo)志是在垂直方向(Z方向)上安裝高密度元器件,主要應(yīng)用元器件為超薄型SCSP和微小型0201、01005元器件和公制03015,主要應(yīng)用焊接技術(shù)為回流焊及TAB、WB和F4技術(shù);板級(jí)堆疊裝配的板級(jí)間距離視元器件厚度而定,一般小于0.5mm。

③基板材料一般采用CEPGC-32F阻燃型覆銅箔環(huán)氧玻璃布層壓板(FR-4)和撓性積層板(FPC)。

五、三個(gè)問(wèn)題

雖然進(jìn)行了試驗(yàn),也做出了產(chǎn)品,但有3個(gè)問(wèn)題需要解決:第一,在軍品PCBA的電路設(shè)計(jì)上基本沒(méi)有這個(gè)需求,也沒(méi)有設(shè)計(jì)技術(shù),工藝上缺乏可靠的、有效的保障措施;第二,POP技術(shù)的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性能不能滿(mǎn)足軍品,尤其是航天航空高應(yīng)力環(huán)境條件下的可靠性要求有待進(jìn)一步驗(yàn)證;第三,對(duì)多層堆疊封裝的返修是將要面臨的重大挑戰(zhàn)。

如何將需要返修的元器件移除并成功重新貼裝而不影響其他堆疊元器件和周?chē)骷半娐钒迨侵档梦覀冄芯康闹匾n題。雖然業(yè)界已有上下溫度可以單獨(dú)控制的返修臺(tái),但很難不影響到其他堆疊元器件。很多時(shí)候可能需要將元器件全部移除后再重新貼裝。對(duì)于無(wú)鉛元器件,其焊盤(pán)返修過(guò)程中的重新整理本來(lái)就是一個(gè)問(wèn)題,堆疊封裝的返修變得尤為困難,多次高溫帶來(lái)金屬氧化、焊盤(pán)剝離、元器件和基板的變形和損壞及金屬間化合物的過(guò)度生長(zhǎng)等問(wèn)題都不容忽視。因此,提出“表面貼裝面陣列”——堆疊的IPCA-610E,也說(shuō)明“這是由Bob Willis所著的《封裝上的封裝(POP)——封裝的疊裝》提供了其他的封裝疊裝工藝指南”。國(guó)內(nèi)也僅處于研究探索及在民用電子產(chǎn)品上使用,大部分使用在移動(dòng)電話(huà)上。

如IPC-J-STD-001F所述:“標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)表達(dá)可制造性設(shè)計(jì)DFM)與環(huán)境設(shè)計(jì)(DFE)的關(guān)系;對(duì)于POP技術(shù),軍品上可以試驗(yàn),也可以應(yīng)用,但必須經(jīng)過(guò)充分驗(yàn)證確保軍品可靠性時(shí)才能列入標(biāo)準(zhǔn)。

責(zé)任編輯:gt

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