3级电子产品PCBA片式元器件堆叠安装分析

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三、军标对军用PCBA“片式元器件堆叠安装”的规定

为防止影响元器件安装可靠性:

①QJ 3086—1999第5.5.2条规定:无引线元器件应直接焊接到印制电路板上,元器件不应重叠安放,也不应桥接在其他零件或元器件(如导线引出端或其他正确安装的元器件)的空隙上。

②QJ 3172—2003第5.1.1.1条规定:元器件应处于电路板两焊盘中间,片式元器件不应重叠或侧立安放,也不应桥接在其他元器件(如导线引出端或其他正确安装的元器件)的空隙上。

③QJ 165B—2014第5.4.3.1条重申元器件表面安装应符合QJ 3086的要求。

四、分析

1.3级产品不允许片式元器件堆叠安装

除QJ 3086—1999,QJ 3172—2003和QJ 165B—2014这些航天标准明确规定不允许“片式元器件堆叠安装”外,GJB 3243—1998《电子元器件表面安装要求》、GJB 3835—1999《表面安装印制板组装件通用要求》和SJ 20385A—2008《军用电子设备电气装配技术要求》,以及作为“具有工艺控制技术”的IPC-J-STD-001F—2014均不允许和提到3级产品“片式元器件可以堆叠安装”,在这些标准中,片式元器件的安装方式都是一致的,军标规定的片式元器件安装方式如图3所示。即使与GJB/Z 163—2012为同一个主编的SJ 20882—2003《印制电路板组装件装焊工艺要求》中也没有提到允许“片式元器件堆叠安装”。

图3 军标规定的片式元器件安装方式

“片式元器件堆叠安装”的内容仅在IPC-610D(E)中有。

2011年12月,通过国家鉴定和验收的国防科工局下达的,由中国电科编制的《PCBA焊接工艺质量控制通用要求》(已于2012年初下发电科各研究所执行)中也已经把“片式元器件堆叠安装和侧立安装”作为禁用工艺。并在2011年12月已经通过国家鉴定和验收的国防科工局下达的,由中国电科编制的《PCBA焊接质量可接受判据》中把片式元器件堆叠焊接、并列焊接和外接焊接作为焊接不合格缺陷处理,如图4所示。

图4 焊接不合格

2.关于片式元器件的“堆叠”安装焊接

片式元器件的“堆叠”安装焊接在IPC-A-610C—2001里还没有出现,因此以IPCA-610C为蓝本的SJ 20882—2003《印制电路板组装件装焊工艺要求》中也没有提到“片式元器件堆叠安装”;2005年出版的IPC-A-610D提到了“片式元器件堆叠安装”,GJB/Z 163—2012的主编立刻在军标里加入了“片式元器件堆叠安装”;而对军品上已经广泛使用,可靠性很高的QFN元器件则没有提及。

2010年,IPC-A-610E提出了“表面贴装面阵列”——堆叠,如图5所示,这是由Bob Willis所著的《封装上的封装(POP)——封装的叠装》提供了其他的封装叠装工艺指南。


图5 IPC-A-610E提出了“表面贴装面阵列”——堆叠

POP——堆叠组装技术是2003年由环球公司引进的,在SMT向post-SMT的过渡阶段,板级电路组装焊接中出现了芯片级堆叠装配技术(PIP)、元器件级堆叠装配技术(POP)、板级堆叠装配技术、“细微焊接”技术和FPC组装技术。

堆叠装配技术是板级电子组装从2级向1.5级跨越的里程碑,是板级电子组装与半导体组装的最新结合形式,是板级电路高密度组装的最新成果。堆叠装配技术按其结构特征可分为以下3类。

1)元器件内置元器件堆叠装配(Package In Package,PIP),如图6所示。

图6 元器件内置元器件堆叠装配

2)元器件堆叠装配(Package On Package,POP),如图7所示。元器件堆叠装配示意图如图8所示。


图7 元器件堆叠装配

图8 元器件堆叠装配示意图

元器件堆叠装配(POP)的基本特征是充分利用元器件的下方空间,在元器件下面再放置元器件;元器件的组合可自由选择,堆叠装配成本可降至最低;元器件堆叠装配(POP)需要有复杂的工艺流程和装配技术。图9所示是高密度印制电路板采用双面四层“叠层”组装产品。

图9 高密度印制电路板采用双面四层“叠层”组装产品

3)板级堆叠装配示意图如图10所示。

图10 板级堆叠装配示意图

①板级堆叠装配“沿用”MCM芯片级组装中的垂直互连、侧向互连、凸点互连等多种互连技术,实现电路板之间的堆叠装配,以板级为基础在设备内部空间实现印制电路板之间的堆叠装配,应用板级之间的“错位”设计技术,从而大量减少传输器和连接导线,大幅度缩小设备的体积。

②板级堆叠装配以表面组装技术为基础技术,其突出标志是在垂直方向(Z方向)上安装高密度元器件,主要应用元器件为超薄型SCSP和微小型0201、01005元器件和公制03015,主要应用焊接技术为回流焊及TAB、WB和F4技术;板级堆叠装配的板级间距离视元器件厚度而定,一般小于0.5mm。

③基板材料一般采用CEPGC-32F阻燃型覆铜箔环氧玻璃布层压板(FR-4)和挠性积层板(FPC)。

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