1. 概述

      表面安装技术（Surface Mounted Technology 简称SMT）是为了适应高密度的组装而产生的一种新的组装技术，与传统的通孔插装技术相比，其组装工艺有本质的区别。自从上世纪60年代问世以来，在通讯、计算机、控制等领域取得了非常大的发展，成为主流的电子元器件装联工艺方法。在航空航天电子产品领域，近几年来，表面贴装技术也得到了快速的发展。SMT的主要特点是：

      1） 元器件的小型化，组装的高密度化使得同样功能的电子产品具有更小的体积和重量，以及由此带来的信号传输快、高频特性好、耐振动冲击能力强。这是航空航天设备的追求目标。

      2） 焊接缺陷少，不良焊点率小于10×10-6 ，（通孔插装元器件不良焊点率10×10-5），SMT组装的电子产品的平均无故障时间可达到25万小时。高的可靠性满足了航空航天飞行对可靠性的要求。

      作为电子产品，在产品工作时自身的热功耗是不可避免的，元器件的高密度和整体尺寸的减小必然造成单位体积发热量的增大，热造成的影响是电子设备能否正常可靠地工作，能否达到预期寿命的最主要的因素。因而，电子设备工作后的温度升高不容忽视。为了减小温度变化对设备的影响，使设备能保持适当的升温，并能在较宽的温度范围内可靠的工作，对电子设备的热设计和防热工艺措施，必须给与重视。

      2. SMD封装功率器件的结构形式及特点

      第二代开关电源直流—直流变换器在电子装联工艺上主要采用了SMT工艺技术，受质量等级和器件重量的限制，个别晶体管和磁性器件仍然保留传统的通孔插装工艺外，绝大部分的电阻、电容、集成电路都按照表贴元器件设计。开关电路、整流电路中的功率器件以CLCC、SMD-1等封装的MOSFTET管、二极管作为首选器件，常用的功率器件封装见图1 。

图 1 常见的功率器件封装外形

      我单位在航天器用直流—直流变换器的元器件设计选型中，大量选用了SMD封装的功率器件（这里的SMD代表一种SMD表面贴装器件的封装形式）。SMD封装的器件不同于CLCC（Ceramic Leadless Chip Carrier）封装的电路，CLCC采用金属钨来作散热介质，而SMD采用了一种钨铜合金（CuW）薄片。CLCC封装是多引线引出器件，可散热面相对较小，适合于低电流、小功率电路；而SMD是一种典型的三个焊极引出的器件，封装尺寸大，焊极尺寸大，传热性能好，更适合于在较大的功率电路中应用。一般用于军品、航天产品和有可靠性指标要求的场合。SMD封装器件的结构解剖图见图2 。

图 2 SMD封装器件结构组成

      SMD封装器件由三个引出电极、陶瓷基板、密封环和上盖组成。半导体裸片焊接在最大的电极另一面（参见图6 器件的外形封装图），对应MOSFTET器件的漏极或二极管的阴极，将热量通过此电极散出。由于在温度的波动和电源的开关下，膨胀系数（CTE）的差别会增加焊接点内的应力和应变，缩短使用寿命，导致器件早期失效。因而，SMD器件在结构上选用了几种材料具有较为相近的热变形系数（见表1 ），满足了受热后热变形造成的应变要求。

      表 1 SMD封装器件材料膨胀系数表

      结构部位 材料 膨胀系数（10-6/℃）
      裸片 Si 4.2
      焊极 CuW 6
      基板 Al2O3 6.4
      密封环 科瓦合金 5.1
      盖 科瓦合金 5.1

      由于硅裸片与电极之间的距离非常短，因此裸片与外部的热沉有最短的散热路径，加之钨铜合金非常优秀的导热性能，因而获得了非常低的结与壳体的热阻Rj-c，几种不同封装的器件重量和热阻比较见下表2 。

      表2 SMD与引线器件的性能比较表

      封装形式 重量
      （g） 安装面积
      （in2） 热阻
      （℃/W）
      SMD-0.5 1.1 0.118 1.67
      TO-257 7 0.340 1.67
      SMD-1 2.6 0.281 0.83
      TO-254 9.3 0.521 0.83
      SMD-2 3.3 0.362 0.42
      SMD-3 3.4 0.387 0.42
      TO-258 10.9 0.693 0.42

      从表中可以看出，在同样的热阻下，SMD封装的元器件比引线引出的TO-25×具有更小的安装尺寸和重量。这正是SMD器件与传统封装的器件相比一个显著优点。

      由于是表面贴装，因此在设计阶段就要考虑选用膨胀系数相近的印制板材料，为了减小热应力，建议膨胀系数的相差最好在2～3ppm/℃，同时应设计良好的散热路径，控制结-壳体以及结-环境的热阻。小功率的SMD或CLCC器件可以直接安装在传统的FR-4或聚酰亚胺板基的印制线路板上。而大功率或需要承受宽范围温度变化的SMD器件，安装材料的膨胀系数相差可以放宽到7～9ppm/℃，或者采取控制其他膨胀系数的技术。

      SMD封装器件的装联可以采用低熔点合金钎焊工艺或导电胶粘接工艺，钎焊时可采取预热方法。注意，SMD封装的对温度的耐受值是300℃，5s，否则，将会造成器件的损坏。

      由于FR-4 和聚酰亚胺板基的印制板的导热性差，如果没有足够的敷铜层来提供散热路径的话必须采取其他的散热方法，使热量及时传走。降低结-环境的热阻是关键。对于航天设备，受空间环境的限制，热交换方式中对流是不存在的，辐射散热非常有限，只有热传导才是最主要的散热途径。对于超过几瓦以上的大功率SMD器件必须靠热沉散 热。对于功率较大的SMD器件的安装必须采取适当的冷却措施，确保元件的结温不能高出规定的范围。

      3. 常见的SMD封装器件的安装方式

      1） 带引线的SMD

      将SMD器件用扁平的铜引线安装在印制板上，通过环氧板或导热垫将热量传递到热沉或散热器，器件与热沉绝缘。结到盖的热阻对于SMD-2大约6℃/W，考虑总热阻时必须考虑环氧板的热阻，典型的带引线的SMD器件见图3。

图 3 带引线封装的SMD器件

      2） SMD载体安装

      对于安装一块或两块SMD器件，常用采用SMD载体是一个比较经济的方法，SMD载体是用三片铜箔预先在陶瓷基板上制成的专用安装片（三片铜箔分别对应MOS管的栅极、源极、漏极），此种结构具有很好的导热性和绝缘特性。标准SMD载片（carrier）见图4。

图 4 常见的SMD载片示意图

      图5是一个用SMD载体作安装的示例。所有的小信号和低功率的元器件被直接安装在印制电路板上面，每一个SMD器件装在载体上。SMD载体被安装在环氧或膨胀系数较低的底板上（Al/SiC或其它膨胀系数相差在5～9ppm/℃的材质）。底板最后被钎焊或粘接在导热较好的铝板上（热沉）。器件的引线与印制板相连接。总的安装热阻（从节到底板）取决于裸片的尺寸、基板材料、载体材料和连接方式。对于SMD-2封装的器件，采用6号裸片、氧化铝基板、Al/SiC底板、钎焊工艺连接，其总热阻可达0.7～0.8℃/W。

图 5 SMD载体安装示意图 

      3） 无引线SMD安装

      电路设计时，在功率器件选型过程中，受到用户所给定的空间尺寸限制，选用了无引线封装的SMD器件，SMD-1封装尺寸见图6，对于此类器件的应用，在小电流、低功耗而且对流良好的环境下，器件的散热问题容易解决；对于空间飞行器而言，器件的主要的散热途径要依靠传导来解决，但是，器件通过引线（焊极）经焊盘传导至印制线路板的散热途径所能传递出的热量是有限的，因而必须采用其他有效的散热方法。经过不断的研究探索，我们采用了印制板面直接安装和散热措施相结合的办法，取得了比较满意的结果。器件在产品中的安装见图7所示。器件工作时的发热通过器件壳体（盖）传递到导热垫然后传递到机壳，最后传递到安装底板（热沉）。

      导热垫是一种近几年兴起的导热绝缘材料，专门为利用缝隙传递热量的设计方案生产，完成发热部位与散热部位的热传递，同时还能起到减震、绝缘、密封等作用，是在硅类弹性体（硅橡胶）中填充氮化硼、氧化铝、氧化镁等非金属导热材料的柔性材料，导热效果非常好，同等条件下，热阻抗小于其他导热材料，具有柔软、干净、无污染和放射性，高绝缘性的特点，玻璃纤维加固提供了良好的机械性能，能够防穿刺、抗剪切、抗撕裂，并带有导热压敏背胶，使用非常方便，在多种型号的飞行器以成功应用。不同厚度的导热垫组合使用时可以填补元器件与底座之间较大的缝隙，导热性能不仅与导热垫的厚度有直接的关系，还和使用面积大小有关。由于导热材料的结构关系，一般情况下，导热材料还会与受到的压力大小有关系。在应用时，应尽量减小导热垫的厚度，通过印制板组装件的固定螺钉使导热垫受一定的压力，同时在导热垫表面涂少量的硅脂，弥补固体之间的接触缺陷，可明显提高导热垫的导热性能。

      在图7的结构中，导热垫的热阻率0.2℃•in2/W（贝格斯公司Sil-Pad2000型导热垫），器件结到壳的热阻0.83℃/W，经计算总热阻大约在1.55℃/W左右。
对于SMD-1封装器件的焊装工艺可采用红外热风回流焊接工艺，手工无法焊接。

      4 检查方法

      由于SMD器件独特的安装方式，SMD-1封装器件所有的焊接部位在器件与印制板接触部位。一般来讲，仅靠视觉检查是非常困难的。特种检查方法有X-射线检查、声纳扫描检查和热响应检查。

      为了解决暂时不具备特种检测条件情况下的焊接质量检查，保证产品质量，对印制板上原有的焊盘进行重新设计，见图8。SMT的组装质量与PCB焊盘设计有着直接和十分重要的关系。如果PCB焊盘设计正确，贴装时少量的歪斜可以在回流焊时，由于熔融焊锡表面张力的作用而得到纠正(称为自定位或自校正效应)。相反，如果PCB焊盘设计不正确，即使贴装位置十分准确，回流焊后反而会出现元件位置偏移、吊桥等焊接缺陷。为了不改变原来焊盘与SMD-1器件电极之间的对应关系，适当增加焊盘局部的长度尺寸，满足了元器件在焊料熔化后的自定位效应，同时使得器件在焊接完成后的焊点仍有一小部分暴露在肉眼可视的范围内，通过检查焊料熔化后的浸润情况来判断器件电极与印制板焊盘间的焊料熔化情况，见图9。

图 6改进前后的焊接情况对比

      5. SMD提供的优越的电性能

      SMD因其低的接触电阻和低的引线电感，提供了优秀的电特性，特别是在开关电路。表4 给出了SMD封装和TO-25×封装器件（引线长6.35mm时）典型的电感值。SMD器件的内阻在低的Rds（on）时非常小（1mΩ～5mΩ）。在开关电路应用中，引线表面引起的AC损失比DC损失要大，TO-25×的引线中含有铁磁性的材料成分，在磁场中引线表面会产生电流，在磁场中涡流在引线表面产生趋肤效应，形成电流。趋肤电流环的深度与频率的平方根成反比。对于直径40mil的引线（TO-254引线）在50Hz时的交流电阻与直流电阻的比是1.35，当频率从50kHz增长到100kHz时，其比值增长到1.75。而其，电阻值的比率随着线径的增加而变大，当导线直径从40mil增加到60mil（TO-258引线）时，在100kHz时的阻值比率将会增大50％，交流损失影响电路的效率。在电路装联中，SMD封装的器件减小了引线长度，减小了电阻和电感，交流损失可以忽略，不但提高了效率，而且可以获得较好的开关波形。

      表 3引线电感

      引线电感 TO-254
      TO-257
      TO-258 SMD 1
      SMD 2
      SMD 3
      漏极 (nH) 5 - 8.7 0.8 -2
      源极 (nH) 8.7 - 15 2.8 - 4.1

      6. SMD 返修

      需要对已安装的SMD器件返修时，应使用热风返修系统，最好在要拆卸的器件周围采用保护罩，以免伤及周围器件。采取适当的预热措施，同时必须严格控制温度并监视焊料熔化情况，及时取下SMD器件，避免对器件和印制板造成损坏。

      7. 结论

      密封的SMD封装器件以其尺寸小、重量轻以及优秀的导热性能，是选择功率器件一个突出优点。同时，波形好、效率高，对于低功耗的器件直接在印制板上装联，大功率的SMD器件采用合适有效的散热措施后，也能方便可靠的使用。

      大功率的器件有三种基本安装方式，包括采用引线安装，SMD载体安装和无引线安装。带引线的SMD器件，通过引线和盖子传热，SMD载体安装的器件通过专门的散热路径传热，这些安装技术提高了SMD器件的应用。