摘要：文章介紹了SMD封裝器件的結構形式以及SMD封裝器件在熱效能、電效能方面的優點，著重在SMD封裝器件的使用工藝方面進行了分析和探索。

關鍵詞：SMD封裝，結構，使用工藝

1。 概述

表面安裝技術（Surface MountedTechnology簡稱SMT）是為了適應高密度的組裝而產生的一種新的組裝技術，與傳統的通孔插裝技術相比，其組裝工藝有本質的區別。自從上世紀60年代問世以來，在通訊、計算機、控制等領域取得了非常大的發展，成為主流的電子元器件裝聯工藝方法。在航空航天電子產品領域，近幾年來，表面貼裝技術也得到了快速的發展。SMT的主要特點是：

1） 元器件的小型化，組裝的高密度化使得同樣功能的電子產品具有更小的體積和重量，以及由此帶來的訊號傳輸快、高頻特性好、耐振動衝擊能力強。這是航空航天裝置的追求目標。

2） 焊接缺陷少，不良焊點率小於10×10-6 ，（通孔插裝元器件不良焊點率10×10-5），SMT組裝的電子產品的平均無故障時間可達到25萬小時。高的可靠性滿足了航空航天飛行對可靠性的要求。

作為電子產品，在產品工作時自身的熱功耗是不可避免的，元器件的高密度和整體尺寸的減小必然造成單位體積發熱量的增大，熱造成的影響是電子裝置能否正常可靠地工作，能否達到預期壽命的最主要的因素。因而，電子裝置工作後的溫度升高不容忽視。為了減小溫度變化對裝置的影響，使裝置能保持適當的升溫，並能在較寬的溫度範圍內可靠的工作，對電子裝置的熱設計和防熱工藝措施，必須給與重視。

2。 SMD封裝功率器件的結構形式及特點

第二代開關電源直流-直流變換器在電子裝聯工藝上主要採用了SMT工藝技術，受質量等級和器件重量的限制，個別電晶體和磁性器件仍然保留傳統的通孔插裝工藝外，絕大部分的電阻、電容、積體電路都按照表貼元器件設計。開關電路、整流電路中的功率器件以CLCC、SMD-1等封裝的MOSFTET管、二極體作為首選器件，常用的功率器件封裝見圖1 。

圖 1 常見的功率器件封裝外形

我單位在航天器用直流-直流變換器的元器件設計選型中，大量選用了SMD封裝的功率器件（這裡的SMD代表一種SMD表面貼裝器件的封裝形式）。SMD封裝的器件不同於CLCC（CeramicLeadlessChipCarrier）封裝的電路，CLCC採用金屬鎢來作散熱介質，而SMD採用了一種鎢銅合金（CuW）薄片。CLCC封裝是多引線引出器件，可散熱面相對較小，適合於低電流、小功率電路；而SMD是一種典型的三個焊極引出的器件，封裝尺寸大，焊極尺寸大，傳熱效能好，更適合於在較大的功率電路中應用。一般用於軍品、航天產品和有可靠性指標要求的場合。SMD封裝器件的結構解剖圖見圖2 。

圖 2 SMD封裝器件結構組成

SMD封裝器件由三個引出電極、陶瓷基板、密封環和上蓋組成。半導體裸片焊接在最大的電極另一面（參見圖6 器件的外形封裝圖），對應MOSFTET器件的漏極或二極體的陰極，將熱量透過此電極散出。由於在溫度的波動和電源的開關下，膨脹係數（CTE）的差別會增加焊接點內的應力和應變，縮短使用壽命，導致器件早期失效。因而，SMD器件在結構上選用了幾種材料具有較為相近的熱變形係數（見表1 ），滿足了受熱後熱變形造成的應變要求。

表 1 SMD封裝器件材料膨脹係數表

結構部位 材料 膨脹係數（10-6/℃）裸片 Si 4。2焊極 CuW 6基板 Al2O3 6。4密封環 科瓦合金 5。1蓋 科瓦合金 5。1

由於矽裸片與電極之間的距離非常短，因此裸片與外部的熱沉有最短的散熱路徑，加之鎢銅合金非常優秀的導熱效能，因而獲得了非常低的結與殼體的熱阻Rj-c，幾種不同封裝的器件重量和熱阻比較見下表2 。

表2 SMD與引線器件的效能比較表

封裝形式 重量（g） 安裝面積（in2） 熱阻（℃/W）SMD-0。5 1。1 0。118 1。67TO-257 7 0。340 1。67SMD-12。6 0。281 0。83TO-2549。3 0。521 0。83SMD-23。3 0。362 0。42SMD-3 3。4 0。387 0。42TO-258 10。9 0。693 0。42

從表中可以看出，在同樣的熱阻下，SMD封裝的元器件比引線引出的TO-25×具有更小的安裝尺寸和重量。這正是SMD器件與傳統封裝的器件相比一個顯著優點。

由於是表面貼裝，因此在設計階段就要考慮選用膨脹係數相近的印製板材料，為了減小熱應力，建議膨脹係數的相差最好在2~3ppm/℃，同時應設計良好的散熱路徑，控制結-殼體以及結-環境的熱阻。小功率的SMD或CLCC器件可以直接安裝在傳統的FR-4或聚醯亞胺板基的印製線路板上。而大功率或需要承受寬範圍溫度變化的SMD器件，安裝材料的膨脹係數相差可以放寬到7~9ppm/℃，或者採取控制其他膨脹係數的技術。

SMD封裝器件的裝聯可以採用低熔點合金釺焊工藝或導電膠粘接工藝，釺焊時可採取預熱方法。注意，SMD封裝的對溫度的耐受值是300℃，5s，否則，將會造成器件的損壞。

由於FR-4 和聚醯亞胺板基的印製板的導熱性差，如果沒有足夠的敷銅層來提供散熱路徑的話必須採取其他的散熱方法，使熱量及時傳走。降低結-環境的熱阻是關鍵。對於航天裝置，受空間環境的限制，熱交換方式中對流是不存在的，輻射散熱非常有限，只有熱傳導才是最主要的散熱途徑。對於超過幾瓦以上的大功率SMD器件必須靠熱沉散 熱。對於功率較大的SMD器件的安裝必須採取適當的冷卻措施，確保元件的結溫不能高出規定的範圍。

3。 常見的SMD封裝器件的安裝方式

1） 帶引線的SMD

將SMD器件用扁平的銅引線安裝在印製板上，透過環氧板或導熱墊將熱量傳遞到熱沉或散熱器，器件與熱沉絕緣。結到蓋的熱阻對於SMD-2大約6℃/W，考慮總熱阻時必須考慮環氧板的熱阻，典型的帶引線的SMD器件見圖3。

圖 3 帶引線封裝的SMD器件

2） SMD載體安裝

對於安裝一塊或兩塊SMD器件，常用採用SMD載體是一個比較經濟的方法，SMD載體是用三片銅箔預先在陶瓷基板上製成的專用安裝片（三片銅箔分別對應MOS管的柵極、源極、漏極），此種結構具有很好的導熱性和絕緣特性。標準SMD載片（carrier）見圖4。

圖 4 常見的SMD載片示意圖

圖5是一個用SMD載體作安裝的示例。所有的小訊號和低功率的元器件被直接安裝在印製電路板上面，每一個SMD器件裝在載體上。SMD載體被安裝在環氧或膨脹係數較低的底板上（Al/SiC或其它膨脹係數相差在5~9ppm/℃的材質）。底板最後被釺焊或粘接在導熱較好的鋁板上（熱沉）。器件的引線與印製板相連線。總的安裝熱阻（從節到底板）取決於裸片的尺寸、基板材料、載體材料和連線方式。對於SMD-2封裝的器件，採用6號裸片、氧化鋁基板、Al/SiC底板、釺焊工藝連線，其總熱阻可達0。7~0。8℃/W。

圖 5 SMD載體安裝示意圖

3） 無引線SMD安裝

電路設計時，在功率器件選型過程中，受到使用者所給定的空間尺寸限制，選用了無引線封裝的SMD器件，SMD-1封裝尺寸見圖6，對於此類器件的應用，在小電流、低功耗而且對流良好的環境下，器件的散熱問題容易解決；對於空間飛行器而言，器件的主要的散熱途徑要依靠傳導來解決，但是，器件透過引線（焊極）經焊盤傳導至印製線路板的散熱途徑所能傳遞出的熱量是有限的，因而必須採用其他有效的散熱方法。經過不斷的研究探索，我們採用了印製板面直接安裝和散熱措施相結合的辦法，取得了比較滿意的結果。器件在產品中的安裝見圖7所示。器件工作時的發熱透過器件殼體（蓋）傳遞到導熱墊然後傳遞到機殼，最後傳遞到安裝底板（熱沉）。

導熱墊是一種近幾年興起的導熱絕緣材料，專門為利用縫隙傳遞熱量的設計方案生產，完成發熱部位與散熱部位的熱傳遞，同時還能起到減震、絕緣、密封等作用，是在矽類彈性體（矽橡膠）中填充氮化硼、氧化鋁、氧化鎂等非金屬導熱材料的柔性材料，導熱效果非常好，同等條件下，熱阻抗小於其他導熱材料，具有柔軟、乾淨、無汙染和放射性，高絕緣性的特點，玻璃纖維加固提供了良好的機械效能，能夠防穿刺、抗剪下、抗撕裂，並帶有導熱壓敏背膠，使用非常方便，在多種型號的飛行器以成功應用。不同厚度的導熱墊組合使用時可以填補元器件與底座之間較大的縫隙，導熱效能不僅與導熱墊的厚度有直接的關係，還和使用面積大小有關。由於導熱材料的結構關係，一般情況下，導熱材料還會與受到的壓力大小有關係。在應用時，應儘量減小導熱墊的厚度，透過印製板組裝件的固定螺釘使導熱墊受一定的壓力，同時在導熱墊表面塗少量的矽脂，彌補固體之間的接觸缺陷，可明顯提高導熱墊的導熱效能。

在圖7的結構中，導熱墊的熱阻率0。2℃•in2/W（貝格斯公司Sil-Pad2000型導熱墊），器件結到殼的熱阻0。83℃/W，經計算總熱阻大約在1。55℃/W左右。對於SMD-1封裝器件的焊裝工藝可採用紅外熱風迴流焊接工藝，手工無法焊接。

4檢查方法

由於SMD器件獨特的安裝方式，SMD-1封裝器件所有的焊接部位在器件與印製板接觸部位。一般來講，僅靠視覺檢查是非常困難的。特種檢查方法有X-射線檢查、聲納掃描檢查和熱響應檢查。

為了解決暫時不具備特種檢測條件情況下的焊接質量檢查，保證產品質量，對印製板上原有的焊盤進行重新設計，見圖8。SMT的組裝質量與PCB焊盤設計有著直接和十分重要的關係。如果PCB焊盤設計正確，貼裝時少量的歪斜可以在迴流焊時，由於熔融焊錫表面張力的作用而得到糾正（稱為自定位或自校正效應）。相反，如果PCB焊盤設計不正確，即使貼裝位置十分準確，迴流焊後反而會出現元件位置偏移、吊橋等焊接缺陷。為了不改變原來焊盤與SMD-1器件電極之間的對應關係，適當增加焊盤區域性的長度尺寸，滿足了元器件在焊料熔化後的自定位效應，同時使得器件在焊接完成後的焊點仍有一小部分暴露在肉眼可視的範圍內，透過檢查焊料熔化後的浸潤情況來判斷器件電極與印製板焊盤間的焊料熔化情況，見圖9。

圖6改進前後的焊接情況對比

5。 SMD提供的優越的電效能

SMD因其低的接觸電阻和低的引線電感，提供了優秀的電特性，特別是在開關電路。表4 給出了SMD封裝和TO-25×封裝器件（引線長6。35mm時）典型的電感值。SMD器件的內阻在低的Rds（on）時非常小（1mΩ~5mΩ）。在開關電路應用中，引線表面引起的AC損失比DC損失要大，TO-25×的引線中含有鐵磁性的材料成分，在磁場中引線表面會產生電流，在磁場中渦流在引線表面產生趨膚效應，形成電流。趨膚電流環的深度與頻率的平方根成反比。對於直徑40mil的引線（TO-254引線）在50Hz時的交流電阻與直流電阻的比是1。35，當頻率從50kHz增長到100kHz時，其比值增長到1。75。而其，電阻值的比率隨著線徑的增加而變大，當導線直徑從40mil增加到60mil（TO-258引線）時，在100kHz時的阻值比率將會增大50%，交流損失影響電路的效率。在電路裝聯中，SMD封裝的器件減小了引線長度，減小了電阻和電感，交流損失可以忽略，不但提高了效率，而且可以獲得較好的開關波形。

表3引線電感

引線電感TO-254TO-257TO-258 SMD 1SMD 2SMD 3漏極 （nH） 5 - 8。7 0。8 -2源極 （nH） 8。7 - 15 2。8 - 4。1

6。 SMD 返修

需要對已安裝的SMD器件返修時，應使用熱風返修系統，最好在要拆卸的器件周圍採用保護罩，以免傷及周圍器件。採取適當的預熱措施，同時必須嚴格控制溫度並監視焊料熔化情況，及時取下SMD器件，避免對器件和印製板造成損壞。

7。 結論

密封的SMD封裝器件以其尺寸小、重量輕以及優秀的導熱效能，是選擇功率器件一個突出優點。同時，波形好、效率高，對於低功耗的器件直接在印製板上裝聯，大功率的SMD器件採用合適有效的散熱措施後，也能方便可靠的使用。

大功率的器件有三種基本安裝方式，包括採用引線安裝，SMD載體安裝和無引線安裝。帶引線的SMD器件，透過引線和蓋子傳熱，SMD載體安裝的器件透過專門的散熱路徑傳熱，這些安裝技術提高了SMD器件的應用。