表面贴装技术 PCB 组装

表面贴装技术（SMT）从根本上改变了电子制造业。它开创了印刷电路板（PCB）组装的小型化和高性能时代。本文探讨了 SMT 的复杂性，包括其演变、优势和对各行业的影响。

什么是表面贴装技术

SMT 是一种将电子元件直接安装到电路板表面的印刷电路板组装方法。与通孔技术不同，SMT 不需要通过钻孔插入元件。这种看似简单的安装技术变化对电子产品的设计和制造具有重大影响。

SMD 或表面贴装器件是 SMT 的核心。这些元件专为这种组装方法而设计，尺寸明显小于通孔元件。它们通常具有短引脚、平触点，甚至是用于连接的小焊球。常见的 SMD 包括电阻器、电容器、电感器、二极管、晶体管和集成电路，每一种都是为高效表面贴装而量身定制的。

SMT 组装过程是精确和自动化的。它首先使用钢网将焊膏涂到印刷电路板上。焊膏是微小焊料颗粒和助焊剂的混合物，既是粘合剂，又是导电介质。然后，拾放式机器从卷轴或托盘上取下元件，并以极高的精确度将其放置在电路板上，通常每小时可放置数以万计的元件。

回流焊接阶段是奇迹发生的地方。整个电路板现在装满了元件，通过回流焊炉。这个受控的加热过程会融化焊膏，在元件和电路板之间建立永久的电气和机械连接。熔融焊料的表面张力有助于对齐元件，纠正微小的位置偏差。

与传统的通孔技术相比，这种组装方法具有众多优势。它可以实现更高的元件密度、更小的器件尺寸，而且由于连接路径更短，通常还能提高电气性能。SMT 固有的自动化还能加快生产速度，并有可能降低大规模生产的成本。

表面贴装技术的演变

SMT 从一个新概念到成为行业标准的过程，展示了电子制造领域快速的创新步伐。SMT 的起源可以追溯到 20 世纪 60 年代，当时它以 "平面安装 "的名称首次被开发出来。然而，直到 20 世纪 80 年代，SMT 才在电子行业中获得显著的发展。

IBM 在 SMT 的早期开发和应用中发挥了关键作用。其最初的主要应用之一是运载火箭数字计算机，该计算机用于指导美国国家航空航天局土星 IB 和土星 V 火箭的仪器装置。这一早期成功展示了 SMT 在高性能关键任务应用中的潜力。

从通孔技术到 SMT 的转变是渐进的，但也是变革性的。几十年来，通孔技术一直是标准技术，但它在电路板尺寸、元件密度和制造效率方面存在局限性。随着电子产品变得越来越复杂，对小型器件的需求也越来越大，业界认识到需要一种新的方法。

SMT 直接解决了这些难题。它将元件直接安装在电路板表面，无需钻孔，从而节省了时间，降低了成本。更重要的是，它大大提高了元件密度，为几十年来消费电子产品的微型化趋势铺平了道路。

20 世纪 80 年代和 90 年代，表面贴装技术的应用加速发展。到 1986 年，表面贴装元件约占市场的 10%。十年后，表面贴装元件在高科技电子组装中占据了主导地位。这种快速应用是由多种因素推动的，包括便携式电子设备需求的增长、对更高性能计算的需求以及对更高效制造工艺的推动。

SMT 技术在不断进步。元件尺寸大幅缩小，一些现代 SMD 几乎不可见。球栅阵列 (BGA) 封装使用焊球阵列进行连接，这种封装的开发使得连接密度更高，散热性能更好。

制造设备与元件技术同步发展。现代贴片机的速度和精度令人难以置信，每小时能够贴装数以万计的元件，精度达到微米级。回流炉也变得更加精密，具有多个加热区和精确的温度控制，以适应不同元件的不同热要求。

焊膏和助焊剂技术的改进提高了 SMT 连接的可靠性。为应对环境问题而开发的无铅焊料已成为许多应用的标准。助焊剂化学成分的进步提高了可焊性，同时减少了装配后清洗的需要。

SMT 对电子行业的影响毋庸置疑。它使我们现在认为理所当然的更小、更轻、更强大的电子设备得以发展。智能手机、平板电脑和可穿戴设备的存在在很大程度上要归功于 SMT 的能力。除消费电子产品外，SMT 还改变了从汽车到航空航天等行业，使汽车、飞机和卫星中的电子系统更加精密。

SMT 的发展远未结束。随着我们对电子产品微型化和性能的不断追求，新的挑战和创新不断涌现。三维封装技术的发展以及 SMT 与快速成型制造工艺的整合只是该技术不断适应和进步的几个例子。

表面贴装技术的优势

SMT 具有众多优势，已成为大多数现代电子应用中首选的印刷电路板组装方法。这些优势涵盖设计、制造和性能。

微型化和空间效率

SMT 大大缩小了电子设备的尺寸。SMT 元件本身就比通孔元件小，通常小十倍或更多。这种尺寸的缩小使得印刷电路板上的元件密度大大提高。

SMT 还能利用印刷电路板的两面进行元件贴装。这种双面功能可有效地将元件的可用空间增加一倍，从而实现更加紧凑的设计。因此，电子设备体积更小、重量更轻，但功能相同或更强。

这种微型化对于现代便携式电子产品的发展至关重要。例如，智能手机将几十年前需要台式机大小的计算能力装入口袋大小的设备中。如果没有 SMT 的空间效率，智能手表和健身追踪器等可穿戴技术几乎是不可能实现的。

生产效益

SMT 在制造过程中具有显著优势，可提高效率，降低生产成本。元件引线无需钻孔，简化了印刷电路板的制造过程，减少了材料浪费，节省了时间，降低了钻孔带来的缺陷风险。

组装过程本身高度自动化。拾放式机器可以快速、准确地在电路板上定位元件，一些先进的系统每小时可以放置超过 100,000 个元件。与通孔组装相比，这种速度和精度使生产时间更短，产量更高。

回流焊接是 SMT 中用于建立永久连接的方法，可同时焊接电路板上的所有元件。这与通孔组装中通常需要的顺序焊接形成鲜明对比。其结果是焊接过程更加均匀可靠，同时减少了电路板和元件上的热应力。

性能和可靠性优势

SMT 可在多个领域提供性能优势。SMT 元件的引线长度更短，寄生电容和电感更小，因此高频性能更好。这在无线通信和高速数字电路等应用中尤为重要。

设计合理的 SMT 组件可以表现出卓越的机械性能。与通孔元件相比，许多 SMT 元件具有更好的抗冲击和抗振动性能，部分原因是它们的质量较轻，而且没有引线作为应力集中点。

SMT 组件的平面特性还能改善散热性能。元件与电路板表面紧密接触，散热效率更高，尤其是结合使用散热孔或金属芯印刷电路板等技术时。

设计的灵活性和创新性

SMT 为设计人员提供了前所未有的灵活性。由于可以在电路板的两面都放置元件，再加上多种可用的 SMT 封装类型，使得电路设计更加复杂和创新。

这种灵活性延伸到可使用的电路板类型。SMT 与柔性和刚柔结合印刷电路板兼容，为非传统外形尺寸的电子产品开辟了新的可能性。这对于开发可折叠智能手机和可穿戴电子设备等产品至关重要。

SMT 元件体积小，可以更有效地利用电路板空间布线。这可以简化电路板设计，减少层数，从而降低成本并提高信号完整性。

成本效益

虽然 SMT 设备的初始投资可能会很大，但从长远来看，这项技术往往具有成本效益，尤其是在大批量生产方面。自动化程度的提高降低了人工成本和人为失误的可能性。电路板制造中元件尺寸的缩小和材料用量的减少也有助于节约成本。

正确设计和制造的 SMT 组件具有更高的可靠性，可以降低产品在整个生命周期内的保修和维修成本。这对于设备故障可能造成严重后果的行业（如汽车或医疗应用）尤为重要。

SMT 的成本优势在大批量生产中最为明显。对于原型制作或极小批量的生产，初始设置成本和所需的专用设备在某些情况下会使通孔技术变得更加经济。

表面贴装装配工艺

SMT 组装流程是一连串复杂的步骤，每个步骤对于生产高质量、可靠的电子组装产品都至关重要。让我们从最初的印刷电路板准备到最终的质量控制，详细了解这一过程。

PCB 准备

这一过程始于印刷电路板本身。SMT 印刷电路板的设计需要仔细考虑焊盘布局、迹线布线和整个电路板拓扑结构。电路板通常具有平坦的金属焊盘（通常是镀锡、铅、银或金的铜），作为元件的着陆区。

其中一个关键因素是使用阻焊层。在电路板上涂上一层薄薄的漆状聚合物，只露出焊盘。它有助于防止间距较近的焊盘之间出现焊桥，并保护铜线不被氧化。

SMT 印刷电路板设计的另一个重要特点是包含靶标。这些通常为圆形的小金属焊盘可作为自动装配设备的参考点，确保元件的精确对准。

锡膏应用

下一步是在印刷电路板上涂抹焊膏。焊膏是悬浮在助焊剂介质中的微小焊料颗粒（直径通常为 20-45 微米）的混合物。焊膏可暂时将元件固定到位，熔化后形成永久性焊点。

焊膏通常采用钢网印刷工艺。在电路板上放置与 PCB 设计精确匹配的金属模板。然后使用刮板在钢网上涂抹焊膏，在每个外露焊盘上沉积一定量的焊膏。

焊膏的量和一致性至关重要。锡膏太少可能导致连接薄弱或开路，而锡膏太多则可能导致相邻焊盘之间出现焊桥。现代焊膏印刷机通常采用闭环反馈系统和视觉检测，以确保焊膏沉积的一致性和高质量。

组件安置

涂上焊膏后，电路板进入元件贴装阶段。这通常由自动贴片机完成。

这些机器能从卷轴、托盘或管子中取出元件，并以极高的精度将其放置到印刷电路板上。先进的系统每小时可贴装数万个元件，贴装精度以微米为单位。

机器采用各种方法确保精确贴装。光学系统可识别印刷电路板上的靶标，进行整体对齐。元件识别系统可确保每个元件在贴装之前方向正确。有些系统甚至对最关键或最复杂的部件采用实时 X 射线检测。

焊膏的粘性有助于在元件定位后将其固定到位。这有时被称为组装的 "绿色强度"，因为它允许电路板移动到下一个阶段，而元件不会移动位置。

回流焊接

填充后的电路板进入回流焊炉，焊膏在此熔化，形成永久性的电气和机械连接。这一过程比简单地将电路板加热到一个温度更为复杂。

典型的回流曲线包括几个不同的阶段：

1. 预热：电路板逐渐升温至 150°C 左右，以便均匀加热并激活焊膏中的助焊剂。
2. 热浸泡：将温度保持稳定一段时间，让所有部件达到统一的温度。这样可以最大限度地减少热冲击，降低出现缺陷的风险。
3. 回流焊：温度迅速升高，超过焊料的熔点（无铅焊料的熔点通常在 220°C 左右）。熔化的焊料在元件引线和 PCB 焊盘之间形成连接。
4. 冷却：电路板逐渐冷却，使焊料凝固，形成牢固可靠的焊点。

精确的温度曲线是根据电路板厚度、元件类型和焊膏成分等因素精心优化的。现代回流焊炉提供多个独立控制的加热区，可在整个过程中实现精确的温度控制。

检查和质量控制

回流焊后，组装好的印刷电路板要经过严格的检验，以确保质量。这通常涉及自动和手动检测技术的结合。

自动光学检测 (AOI) 系统使用高分辨率摄像头和复杂的图像处理算法来检测元件缺失、方向错误或焊接缺陷等问题。这些系统每秒可检测数百个焊点，快速反馈装配质量。

对于具有隐藏焊点的元件，如球栅阵列 (BGA) 封装，则采用 X 射线检测系统。这些系统可以检测出焊料不足、焊点空洞或相邻球之间桥接等问题。

电气测试也至关重要。在线测试（ICT）使用钉床夹具与电路板上的测试点接触，可对组装电路进行快速电气验证。功能测试是对电路板进行通电和测试，对组装和运行的正确性进行最终验证。

装配后工艺

根据具体的应用和要求，组装好的电路板可能需要经过其他工序。这些工序包括

1. 清洁：虽然许多现代 SMT 工艺设计为 "免清洗"，但某些应用，特别是航空航天或医疗领域，可能需要使用专门的清洗解决方案和设备清除助焊剂残留物。
2. 保形涂层：对于要在恶劣环境中使用的电路板，可以涂上薄薄的保护层，以防止潮湿、灰尘和化学污染物的侵蚀，从而提高组件的长期可靠性。
3. 底部填充：对于某些高可靠性应用，可在 BGA 或其他大型元件下注入液态环氧树脂。这种底部填充在固化后可提供额外的机械支持和保护，以防止热循环应力。

从最初的印刷电路板制备到最终测试，SMT 组装流程展示了现代电子制造的精确性和复杂性。每一步都是在上一步的基础上进行的，最终生产出复杂、可靠的电子组件，为我们联系日益紧密的世界提供动力。

表面贴装技术与通孔技术

虽然 SMT 已成为许多应用中 PCB 组装的主流方法，但通孔技术仍发挥着重要作用。了解这两种技术之间的差异对于工程师和设计师在电子产品设计和制造方面的决策至关重要。

元件安装的主要区别

SMT 与通孔技术的根本区别在于如何将元件安装到印刷电路板上。在 SMT 技术中，元件直接安装在电路板表面。它们的引线或终端与电路板表面的焊盘接触。与此相反，通孔元件的导线是通过在印刷电路板上钻孔插入的。然后将这些引线焊接在电路板的另一面。

这种安装技术上的差异具有深远的影响。表面贴装元件通常要小得多。例如，表面贴装电阻器的长度可能不到一毫米，而通孔电阻器可能有几毫米长。这种尺寸差异是电子设备微型化的关键因素。

另一个重要区别是，SMT 允许在印刷电路板的两面都放置元件。通孔元件由于引线突出，通常只能放置在一面。SMT 的这种双面功能有效地将元件的可用面积增加了一倍，从而能在给定的电路板面积内实现更复杂的电路。

制造工艺比较

SMT 和通孔装配的制造工艺差别很大。

PCB 准备：通孔装配需要在 PCB 上为每个元件引线钻孔。这不仅增加了电路板制作的时间和成本，还可能带来缺陷。而 SMT 只需在电路板表面印刷焊盘，简化了 PCB 的制作。

元件放置：通孔元件的插入传统上是一个手动过程，尽管某些元件类型可以使用自动插入设备。SMT 非常适合自动化。拾放式机器可快速、准确地定位 SMT 元件，大大提高装配速度和一致性。

焊接工艺：通孔组装通常采用波峰焊接，即填充电路板通过熔融焊料的波峰。这对控制很有挑战性，特别是对于通孔和表面贴装元件混合的电路板。SMT 采用回流焊接，即在元件贴装前将焊膏涂在电路板上，然后在严格控制的烘箱中熔化。这样可以更精确地控制焊接过程，从而获得更一致、更高质量的焊点。

性能和可靠性考虑因素

SMT 和通孔技术都能生产可靠的电子组件，但两者各有所长。

电气性能：在高频应用中，SMT 通常具有更好的性能。SMT 元件的引线长度更短，寄生电容和电感更小，因此信号传输更干净，电磁干扰更少。这使得 SMT 在无线通信或高速数字电路等应用中更具优势。

机械强度：通孔元件的引线穿过电路板，通常能提供更强的机械连接。这在汽车或工业环境等振动或机械应力较大的应用中非常有利。设计精良的 SMT 组件也能表现出卓越的机械可靠性，而底部填充等技术则能进一步增强其坚固性。

热性能：SMT 和通孔组件的热特性会有很大不同。通孔元件的引线穿过电路板，可提供散热路径。SMT 可以更有效地利用铜平面散热，必要时还可以使用热通孔等技术来加强散热。

设计灵活性和组件可用性

SMT 在许多方面提供了更大的设计灵活性。SMT 元件尺寸更小，因此在给定的电路板面积上可以实现更高的元件密度和更复杂的布线。SMT 与柔性和刚柔结合印刷电路板的兼容性也更高，为非传统外形尺寸的设计提供了可能性。

通孔技术在某些领域仍具有优势。一些专用或大功率元件只能采用通孔封装。对于可能需要更换或升级的元件，如连接器或某些类型的电容器，通孔通常也是首选，因为更强的机械连接使其更适合反复插入和取出。

SMT 支持多种高级封装类型，如 BGA 和四扁平封装 (QFP)，可实现极高的连接密度。这些封装类型在通孔技术中没有直接对应的产品。

成本考虑因素

SMT 和通孔技术的成本比较取决于各种因素，包括产量、元件选择和具体应用要求。

对于大批量生产而言，SMT 通常更具成本效益。SMT 组装的自动化程度更高，因此生产时间更快，劳动力成本更低。SMT 元件尺寸的减小还能缩小电路板的整体尺寸，从而降低材料成本。

对于小批量生产或原型制作，通孔装配有时更为经济。SMT 组装所需的设备是一项重大的资本投资。对于小批量生产，SMT 的安装成本可能会超过效率收益。

元件成本也是一个因素。虽然 SMT 封装中的许多元件因尺寸较小和大批量生产而较为便宜，但情况并非总是如此。一些专用元件可能更昂贵，或者只能采用通孔封装。

针对具体应用的考虑因素

选择 SMT 还是通孔通常取决于具体应用。

军事和航空航天：由于通孔技术在极端条件下具有更高的可靠性，这些行业通常更倾向于采用通孔技术制造关键元件。在高振动或高重力环境下，通孔元件更强的机械连接也是一大优势。

消费电子：由于 SMT 在微型化和大批量生产效率方面的优势，它在这一领域占据主导地位。对于智能手机、平板电脑和可穿戴设备等便携式设备来说，SMT 组件的小尺寸和轻重量至关重要。

汽车：由于需要紧凑、可靠的控制模块，现代汽车的大部分电子元件越来越依赖于 SMT。通孔元件仍可用于某些大功率或高可靠性应用。

工业设备：该行业通常混合使用 SMT 和通孔技术。SMT 技术适用于控制电子设备，而通孔技术则适用于坚固耐用的大功率元件或可能需要现场更换的部件。

许多现代印刷电路板设计都结合使用 SMT 和通孔元件，在适当的地方利用每种技术的优势。这种混合方法允许设计人员根据电路各部分的具体要求优化性能、可靠性和成本。

SMT 的应用和对行业的影响

SMT 对众多行业产生了深远的影响，彻底改变了产品设计和制造工艺。其影响范围从消费电子产品到航空航天、医疗设备等。让我们来探讨一下 SMT 是如何改变各行各业的。

消费电子产品

SMT 对消费电子行业的改变可能最为明显。在过去几十年里，个人电子产品的微型化趋势一直是这项技术的主要推动力。

智能手机就是一个典型的例子。这些设备将计算能力、无线通信能力、高分辨率显示屏和复杂的摄像系统装进了口袋大小的外形中。没有 SMT 实现的高元件密度和小型化，就不可能有现代智能手机。

平板电脑和笔记本电脑也从中受益。这项技术使设备更薄、更轻，电池寿命更长。笔记本电脑从笨重的机器发展到时尚的超极本，在很大程度上要归功于 SMT 的空间效率。

智能手表和健身追踪器等可穿戴技术是另一个得益于 SMT 的类别。这些设备需要极其紧凑的电路设计，以适应其小巧的外形，同时还能提供先进的功能，如心率监测、GPS 跟踪和无线通信。

在家庭娱乐领域，SMT 使我们能够开发出越来越先进、越来越小巧的设备。现代智能电视在轻薄的外形中集成了强大的处理器和无线连接功能。游戏机在相对较小的机身内集成了高性能图形和处理能力。

汽车电子

随着电子产品集成度的不断提高，汽车行业发生了重大变革，而 SMT 起到了至关重要的作用。

发动机控制单元（ECU）已变得越来越复杂，从燃油喷射到排放控制，其管理精度也在不断提高。SMT 使这些装置结构紧凑但功能强大，能够实时处理大量传感器数据。

高级驾驶员辅助系统（ADAS）的实施在很大程度上依赖于 SMT。自适应巡航控制、车道偏离警告和自动紧急制动等功能需要紧凑、可靠的电子控制模块。SMT 组件体积小，可以将这些系统无缝集成到汽车中。

现代汽车的信息娱乐系统已变得越来越先进，可提供导航、智能手机集成和高保真音频等功能。SMT 使这些复杂的系统能够安装在有限的仪表板空间内。

电动汽车和混合动力汽车的兴起对汽车电子产品提出了新的要求。电池管理系统对这些车辆的安全和高效运行至关重要，其紧凑、高性能的设计依赖于 SMT。用于电动汽车电机控制的电力电子设备也受益于设计精良的 SMT 组件所具有的优异热特性和电气特性。

航空航天与国防

尽管航空航天和国防工业历来青睐通孔技术，认为其具有可靠性优势，但 SMT 技术也取得了长足进步。

在商业航空领域，SMT 使更复杂的航空电子系统得以开发。飞行管理计算机、导航系统和机上娱乐系统都得益于 SMT 组件尺寸和重量的减小。

卫星技术也受益于 SMT。SMT 组件重量的减轻在卫星应用中尤为重要，在卫星应用中，组件重量每减轻一克，就能节省大量发射费用。SMT 还能在卫星设计的有限空间内实现更复杂的功能。

在军事应用中，SMT 已被用于便携式通信设备，从而实现了对野外作业至关重要的更紧凑、更轻便的设计。雷达系统和电子战设备也受益于 SMT 改进的高频性能特性。

医疗设备

医疗设备行业利用 SMT 技术制造出更先进、更紧凑、更方便病人使用的设备。

便携式医疗设备取得了长足的进步。糖尿病患者血糖监测仪等设备变得更小巧、更方便用户使用。监测各种生命体征的可穿戴健康追踪器的紧凑型设计依赖于 SMT。

植入式医疗设备是 SMT 的一项重要应用。起搏器和植入式心律转复除颤器（ICD）变得更小巧、更精密，提高了患者的舒适度和设备的使用寿命。人工耳蜗可以恢复一些重度听力损失患者的听力，它利用 SMT 将复杂的信号处理功能集成到小型植入式设备中。

诊断设备也受益匪浅。例如，超声波机已从大型的推车式系统发展为手持式设备，可以方便地携带和在医疗点使用。SMT 实现的这种微型化扩大了先进医疗成像技术的普及范围。

SMT 还促进了更先进实验室设备的发展。自动血液分析仪和 DNA 测序机利用 SMT 的高元件密度，将复杂的分析功能集成到相对紧凑的外形中。

SMT 组件的可靠性在医疗应用中尤为重要，因为设备故障可能会造成严重后果。为了确保使用 SMT 的医疗设备的长期可靠性，我们采用了严格的质量控制流程和专门的设计技术。

工业和电信设备

在工业领域，SMT 推动了更紧凑、更精密控制系统的开发，促进了自动化和工业 4.0 计划的发展。

由于采用了 SMT 技术，可编程逻辑控制器 (PLC) 变得更加强大和紧凑。这使得更复杂的控制系统可以在空间有限的工业环境中实施。

SMT 在开发工业应用传感器和数据采集系统方面也发挥了至关重要的作用。物联网 (IoT) 在很大程度上依赖于结构紧凑、功耗低的传感器节点，而 SMT 使其成为可能。

在电信行业，SMT 对网络基础设施的发展起到了重要作用。路由器、交换机和蜂窝基站在提高数据处理能力的同时，也变得更加紧凑和节能。

5G 技术的发展对高频操作和紧凑型设备的要求尤其依赖于 SMT。创建高密度、高性能射频电路的能力对于实现 5G 网络所需的先进天线阵列和信号处理至关重要。

对制造业和供应链的影响

除直接应用外，SMT 还对电子制造工艺和全球供应链产生了深远影响。

SMT 组装的高度自动化导致对制造劳动力的要求发生了重大变化。虽然减少了对手工装配工人的需求，但对操作和维护精密 SMT 设备的熟练技术人员的需求也随之增加。

SMT 还影响了电子产品的设计和原型制作方式。SMT 元件和组装服务的提供使初创企业和小公司更容易开发和制造电子产品，从而促进了科技领域的创新。

SMT 塑造了全球电子供应链。由于 SMT 组装的自动化特性降低了劳动力成本差异的影响，因此该技术使大批量电子产品的生产集中在劳动力成本较低的地区。

元件供应商已对其产品进行了调整，以满足 SMT 的需求。越来越小的元件封装的开发和向无铅焊料的转变是 SMT 广泛应用的直接结果。

对专业 SMT 设备的需求为制造技术供应商创造了新的市场。专门生产贴片机、回流焊炉和检测系统的公司已成为电子制造生态系统中的重要参与者。

SMT 还推动了 PCB 制造技术的进步。SMT 元件的细间距和高密度促使印刷电路板制造商开发出生产更细线路、更小通孔和更多层电路板的能力。