1、第一章 概 述,课程教学大纲,学时：48 学分： 3 教学方式：理论教学+实验教学 考核方式：笔试+设计报告及作品 开课单位：自动化学院 适用学科或对象: 控制理论与控制工程,教学目的和要求:电子产品制造是控制理论与控制工程硕士研究生的一门非学位课程，本课程的任务是通过学习本领域的技能培养，使学生了解电子产品制造中的技术文件设计方法、电路板设计及生产设备与工艺、SMT焊接设备与工艺、电子产品的可靠性设计和结构设计等，提高学生的实际操作能力，培养学生的工程素质。 通过本课程的学习，要求学生掌握以下基本知识和技能： 学会编写电子产品制造中的技术文件； 掌握PCB设计、电子产品结构设计和电子产品可靠
2、性设计方法； 了解PCB和SMT生产设备及工艺； 具备电子产品软、硬件联机调试的能力； 了解电子产品生产中的常用仪器设备及其使用。,教材及参考书,教材： 电子产品制造技术 主编 李雪东 北京理工大学出版社参考书 电子产品制造技术 主编 王卫平，清华大学出版社 周德俭等，SMT组装系统，国防工业出版社 王卫平 陈粟宋 主编 电子产品制造工艺高等教育出版社 电子技术实训陈梓城主编，机械工业出版社,一、现代制造工艺的形成,战国策载：“周有砥厄，宋有结缘，梁有悬愁，楚有和璞。”和璞即和氏璧，璞是没有经过琢磨的玉。,卞和献玉,玉不琢、不成器,制造者对于材料的利用水平和加工水平,工艺 是生产者利用生产设备
3、和生产工具，对各种原材料、半成品进行加工或处理，使之最后成为符合技术要求的产品的艺术（程序、方法、技术），它是人类在生产劳动中不断积累起来并经过总结的操作经验和技术能力。,例1：万用表（AVO Meter）的组装。 （电路板和元器件+显示部分+机械部分=万用表）,例2：电脑（Personal Computer）的组装。（显示器+主机+键盘+鼠标=电脑）,不管是万用表还是电脑，都要将各组成部分按工序、方法或技术（即工艺技术）组装成。,工艺工作的出发点：提高劳动生产率、生产优质产品、增加生产利润,传统的手工业,工艺,现代化的工业生产,个人的操作经验和手工技能极其重要,经验性的、技巧性的操作劳动被不
4、断涌现出来的新型机器设备所取代,工程技术人员成了工业生产劳动的重要力量；科学的经营管理、优质的器件材料、先进的仪器设备、高效的工艺手段、严格的质量检验和低廉的生产成本成为赢得竞争的关键；对一切与商品生产有关的因素，如时间、速度、能源、方法、程序、手段、质量、环境、组织等，都变成研究和管理的主要对象-现代制造工艺学,对于现代化的工业产品来说，工艺不再仅仅是针对原材料的加工或生产的操作而言，应该是从设计到销售、包装每一个制造环节的整个生产过程。,切削工艺学，是研究用金属切削工具借助机器设备，把各种原材料或半成品加工成符合技术要求的机械零件的工艺过程。 电机工艺学，是以电磁学为理论基础，研究各种发电
5、机、电动机的制造技术。 扩散工艺学，是研究在适当的高温及杂质浓度梯度下，使存在于半导体硅片表面的杂质向硅片内部渗透并重新分布，从而制造出各种半导体器件的专门工艺技术。 还有各种化工工艺学、纺织工艺学、金属工艺学、土木工程学等。,自从工业化以来，各种工业产品的制造工艺日趋完善成熟，成为专门的学科，并在大学本科和大、中专院校作为必修课程。,电子工艺研究的范围 二十世纪新兴的行业，经过几十年的发展，已经成为世界经济最重要的支柱性产业。 与其他工业比较，电子产品的种类繁多，主要可分为电子材料、元器件、配件（整件、部件）、整机和系统。 电子技术的应用极其广泛，产品可以分为计算机、通信、仪器仪表、自动控制
6、等几大类，根据工作方式及使用环境的不同要求，其制造工艺又有所不同。,对于现代化的工业产品来说，工艺不再仅仅是针对原材料的加工或生产的操作而言，应该是从设计到销售，包含每一个制造环节的整个生产过程。 电子工艺：电子整机（包括配件）产品的制造工艺。（设计、试验、装配、焊接、调整、检验、维修、服务） 电子整机产品的生产过程 一方面是指制造工艺的技术手段和操作技能 另一方面是指产品在生产过程中的质量控制和工艺管理 工艺工作的出发点是为了提高劳动生产率、生产优质产品以及增加生产利润。 本课程主要针对电子整机产品的制造工艺,电子工艺的组成,电子制造工艺,基础电子制造工艺,电子产品制造工艺,电子装联工艺,其
7、他零部件制造工艺,微电子制造工艺,PCB制造工艺,其他元器件制造工艺,芯片制造工艺,电子封装工艺,PCBA制造工艺,整机组装工艺,研究电子整机产品的制造过程，材料、设备、方法、操作者这几个要素是电子工艺技术的基本重点，通常用“4M+M”来简化电子产品制造过程的基本要素。, 材料（Material）, 设备（Machine）, 方法（Method）, 人力（Manpower）, 管理（Management）, 材料（Material）,包括电子元器件、导线类、金属或非金属的材料以及各种零部件和结构件。 当今世界集成电路芯片制造业有40%在美国、25%在日本、12%在韩国，中国只占1.2%。 以微
8、处理器为核心的集成电路技术，向来是信息产业的两大核心技术之一。,集成电路在电子产品整机系统中的价值，已经从1987年的10%，上升到1995年的13%和1998年的16%，目前这一比重大约为23%。, 材料（Material）,不仅如此，集成电路在现代国防及未来战争中也具有重要的地位。,电子产品制造过程中所使用各种工具、工装、仪器、仪表、机器、设备等 。 我国电子产品制造企业中能够看到的生产工具和生产设备，除了部分手动工具、半自动设备是国内制造的以外，高档生产设备几乎全部是国外进口的。 电子产品工艺技术的提高，产品质量和生产效率的提高，主要依赖于生产设备技术水平和生产手段的提高。, 设备（Ma
9、chine）,“方法”都是至关重要的 对电子材料的利用、对工具设备的操作、对制造过程的安排。 过去，电子产品的生产方法比较简单，对于操作者来说，主要表现为个人的经验与技能，“手巧”是对他最好的评价与褒奖； 今天，电子产品的制造早已不是个人行为，而是在现代化管理体系下团队合作的产物。, 方法（Method）,电子工业是劳动密集型的产业。 我国电子工业历经三十多年的改革开放，逐渐成为“世界电子产品制造业的加工厂” 。 我国的电子产品制造业要从“来料加工型”全面转变为“设计制造型”，劳动力相对低下的平均素质就成为发展的瓶颈。, 人力（Manpower）,电子工业又是技术密集型的产业。 现代化电子工业
10、的精髓是科学的生产过程管理。, 管理（Management）,统计学、运筹学是现代管理科学的理论基础； 电脑化、网络化的过程控制成为电子产品制造企业的管理体系； 统一的、标准化的、完备的经济管理、技术管理和文件管理是现代化企业运作的基本模式。,制造过程的四个要素比较，管理可以算是“软件”，但确实又是连接这四个要素的纽带。企业对生产材料、仪器设备、制造流程和人力资源的控制，都需要通过管理体系和管理制度来实现。, 管理（Management）,电子工艺学的特点涉及众多科学技术领域 ：应用物理学、化学工程技术、光刻工艺学、电气电子工程学、机械工程学、金属学、焊接学、工程热力学、材料科学、微电子学、计
11、算机科学、工业设计学、人机工程学等。 形成时间较晚而发展迅速 ：上世纪70年代以后，第一本系统论述电子工艺技术的书籍才面世，80年代初在高等学校中才开设相关课程 。,我国电子工业的发展历史,上世纪50年代，我国工程技术人员到国外（主要是前苏联和东欧各国）学习工业产品的制造工艺，各大专院校开始设置工艺学课程。 “成”与“败”并存。,建国初到今天，我国的电子工业从无到有。 80年代，我国的电子工业更是突飞猛进地发展，电子工业已经成为我国国民经济的重要产业。 近年来，电子产品制造业的热点从东南沿海地区转移到内地，世界各工业发达国家和港台地区的电子厂商纷纷把工厂迁往珠江三角洲和长江三角洲，这里制造的电
12、子产品行销全世界。,成就,中国成为世界电子工业的加工厂,未能形成系统的、现代化的电子产品制造工艺体系。我国电子行业的工艺现状 “两个并存”相当突出：,有些企业已经具备了世界上最好的生产条件、购买了最先进的设备，也有些企业还在简陋条件下使用陈旧的装备维持生产； 先进的工艺与陈旧的工艺并存，引进的技术与落后的管理并存。,问题,二、电子工艺技术的发展 整机装配工艺的发展经历了五个时代： 第一代：电子管-底座框架式时代（1950- ） 第二代：晶体管-通孔插装（THT）时代（1960- ） 第三代：集成电路-通孔插装时代（1970- ） 第四代：大规模集成电路-表面安装（SMT）时代(1980- ）
13、第五代：超大规模集成电路-多层复合贴装（MPT）时代（1985- ）,电子管时代,应用导线直连技术的 电子管时代虽然很原始， 但却开电子工艺之先河， 在人类社会发展中具有 划时代的意义。,晶体管时代,1947年，世界著名的贝尔实验室研制出了第一个半导体三极管，也就是晶体管。 晶体管既能代替电子管工作，又能消除电子管的所有缺点，它没有玻璃管壳，不需要真空，体积很小，生产成本很低，它的寿命比电子管长得多。因此，晶体管问世后，立即得到了迅速发展并且代替了电子管的位置。现在，我们日常生活中已经到处可见它的踪影。,沃特布拉顿（Walter Brattain）成功地在贝尔实验室制造出第一个晶体管。,就在基
14、尔比发明集成电路四个月后，仙童公司的罗伯特诺伊斯（Robert Noyce）在不知道基尔比工作的情况下，独立发明了类似的技术。,1958年9月12日，基尔比研制出世界上第一块集成电路，42年之后，他因为当年伟大的发明登上了诺贝尔物理学奖的领奖台。,其实，无论是晶体管还是集成电路，他们都属于在印制电路板上通孔安装方式，然而表面组装技术却将人类带入了数字时代。,而现在 我们处在一个三代技术交汇的时代，即第三代表面安装技术（SMT）已经成熟，成为电子制造的主流技术，第四代微组装技术（MPT）正在发展，已经部分进入实际应用，而第二代技术（THT）仍然还有部分应用。,HTT,SMT,MPT,电子工艺的发
15、展趋势,技术的融合与交汇,电子封装,微组装,电子组装,电子设备追求高性能、多功能，向轻薄短小方向发展永无止境，不断推动着电子封装技术和组装技术“高密度化、精细化”发展。 1.精细化：随着1005元件、高密度CSP封装的广泛使用，元件的安装间距将从目前的0.15mm向0.1mm发展，工艺上对焊膏的印刷精度、图形质量以及贴片精度提出了更高要求。SMT从设备到工艺都将向着适应精细化组装的要求发展。 2.微组装化：元器件复合化和半导体封装的三维化和微小型化，驱动着板级系统安装设计的高密度化。电子组装技术必须加快自身的技术进步，适应其发展。将无源元件及IC 等全部埋置在基板内部的终极三维封装以及芯片堆叠
16、封装（SDP）、多芯片封装（MCP）和堆叠芯片尺寸封装（SCSP）的大量应用，将迫使电子组装技术跨进微组装时代。引线键合、CSP超声焊接、DCA、PoP(堆叠装配技术)等将进入板级组装工艺范围。,绿色化,无铅欧盟于 1998 年通过法案，明确规定从2004 年1 月起，任何电子产品中不可使用含铅焊料。 欧洲电子电气设备指导法令（WEEE Directive）则规定到2006 年7 月1 日，部分含铅电子设备的生产和进口将属非法，同时含铅电子产品也不允许在欧盟区域生产和销售。 日本通过了“家用电子产品回收法案”提出限制铅的使用，电子封装协会（JIEP，Japan Institute of Ele
17、ctronics Packaging）在2002年的最新无铅路线图中已经要求到2004年底，所有电子元器件均不含铅，而到2005年底彻底废除电子产品中铅的使用。 美国政府早在上世纪90年代初的一些法案就已经提出限制电子产品中铅的使用。 中国政府也已于2003年3 月由信息产业部拟定电子信息产品生产污染防治管理法，自2006 年7 月1 日禁止电子产品中含有铅、汞、镉、六价铬、聚溴化联苯（PBB）、聚溴化苯基（PBDE）及其它有毒有害物质的含量。,2.无卤大部分有机卤素化合物本身是有毒的，在人体中潜伏可导致癌症，且其生物降解率很低，致使其积累在生态系统中，而且部分挥发性有机卤素化合物对臭氧层有极
18、大的破坏作用，对环境和人类健康造成严重影响。因此，被列为对人类和环境有害的化学品，禁止或限量使用，是世界各国重点控制的污染物。,3.其他方面：如绿色设计能源效率产品回收并大部分循环利用等方面。,在全球变暖日益加剧以及其他化境问题日益凸显的今天，电子工艺的绿色化进程无疑具有极大的意义和深远的影响，同时它对普通人的低碳生活也颇有启示。,标准化与国际化,标准化,国内标准,国际标准,国家标准,行业标准,地方标准,企业标准,强制性标准,推荐性标准,ISO,IEC,ITU,ISO/IEC联合标准与JTC1,*IPC等,国际化,三、电子产品的组成结构：,通孔插装板,表面安装板,1.零件：组成产品的基本单元。
19、如元器件、印刷电路板、一定长度的导线。外购或订货。,2.组件：由零件、元器件、电子材料构成，通过装配工序组成部分连接不具独立用途的中间产品。如机壳、焊接导线的组合开关、组装部分元件的面板。来源：外加工或本企业组织生产,3.整机：通过装配工序完成连接具有独立结构、独立用途和一定通用性的产品（某些部件也可做为整件）如：个人计算机的声卡、显卡，完成装配、焊接、调试的电路板组件（PCBA）等,4.电子产品系统：由一定基本功能的整机连接构成，能够完成某项完整功能的产品；若干台整机又能组成成套设备。如：计算机、多媒体音响、示波器等。成套设备（整机）一般不需要制造厂连接，必须在使用环境下进行安装与连接,收音
20、机：电子元器件、电路板、外壳。,四、电子产品制造工艺流程,1、电子整机装配工艺流程,1）生产准备阶段,（1）技术文件准备,（2）元器件整形,（3）导线加工,三道工序的简单装配线,装配工艺文件示意图,（1）技术文件准备,实物装配图（波形发生器波段开关局部接线）,实体接线图举例（稳压电源）,（2）元器件整形。改变材料的几何形状，满足产品的装配连接。,电阻整形加工,（3）导线加工,2）安装,高档生产线,3）调试, 在整机通电调试之前，各部件应该先通过装配检验和分别调试。,确认电源输入端无短路或输入阻抗正常；, 按照电路的功能模块，根据调试的方便，从前往后或者从后往前地依次把它们接通电源，分别测量各电
21、路（或电路各级）的工作点和其它工作状态。,4）整机检验,通电检查,5）包装入库,例:两面分别安装,2、 PCBA生产的基本工艺流程,典型SMT焊点的外观：有末端重叠部分,制作焊锡膏丝网,丝网漏印焊锡膏,手动刮锡膏,小型贴片机,SMT焊接设备,再流焊,多功能贴片机在工作,SMT生产设备,SMT电路板的焊接检测设备,AOI自动光学检测系统,插装THT元器件,插件机,正在插件,THT插件机背面,波峰焊,预热,焊接,印制板（清洗）测试,3、电子设备生产工艺流程的工位,工位 ： 凡不适合直接在流水线上组装的元器件可安排在准备工序里去做，在组装流水线上把一台整机装配调试工作划分为若干简单操作，每个装配工人
22、完成指定的简单作业，我们把每一个工人所完成的作业内容称为工位。 电子设备装配工序、工位的安排原则：先准备后上线，先轻后重，先铆后装，先里后外，先平后高，上道工序不影响下道工序等。,1）电子工艺操作安全用知识,（1)触电的种类、方式及对人体的危害 1、触电种类触电对人体的危害主要有电击和电伤两种。 （1）电击 电击是指电流通过人体内部，影响呼吸、心脏和神经系统，造成人体内部组织的损坏乃至死亡，即其对人体的危害是体内的、致命的。它对人体的伤害程度与通过人体的电流大小、通电时间、电流途径及电流性质有关。 （2）电伤 电伤是指由于电流的热效应、化学效应或机械效应对人体所造成的危害。包括烧伤、电烙伤、皮
23、肤金属化等。它对人体的危害一般是体表的、非致命的。,2) 安全电压,安全电压是指在一定的皮肤电阻下，人体不会受到电击时的最大电压。我国规定的安全电压有42V、36V、24V、12V、6V等几种。 安全电压并不是指在所有条件下均对人体不构成危害。它与人体电阻和环境因素有关。 人体电阻一般分为体内电阻和皮肤电阻。,体内电阻基本上不受外界条件的影响，其值约为500欧姆左右。 皮肤电阻因人因条件而异。干燥皮肤的电阻大约为100千欧姆，但随着皮肤的潮湿，电阻值逐渐减小，可小到1千欧姆以下。 42V、36V是就人体的干燥皮肤而言。在潮湿条件下，安全电压应为24或12，甚至6V。,3)触电引起伤害的因素,触
24、电对人体的伤害与多种因素有关，主要有电击强度、电流途径和电流的性质等。 （1）电击强度 电击强度是指通过人体的电流与通电时间的乘积。 1毫安的电流可使人体产生电击的感觉。 数毫安的电流可引起肌肉收缩、神经麻木。电疗仪及电子针灸仪就是利用微弱电流对人体的刺激来达到治疗的目的的。 十几毫安的电流可使肌肉剧烈收缩、痉挛 、失去自控能力，无力使自己与带电体脱离。,几十毫安的电阻通过人体1秒种以上就可造成死亡。 几百毫安电流可以造成严重烧伤，并立即停止呼吸。 人体受到30毫安秒以上电击时，会产生永久性伤害。,4)电流途径,若电流不经过人体的脑、心、肺等重要部位，除了电击强度较大时会造成内部烧伤外，一般不
25、会危及生命。 若电流流经人体的心脏，则会引起心室颤动，较大的电流还会造成心脏停跳。 若电流流经人体的脑部，则会使人昏迷，直至死亡。 若电流流经人体的肺部，则会影响呼吸，使呼吸停止。,5)电流的性质,直流电不易使心脏颤动，人体忍受直流电击的电击强度要稍高一些。 静电因随时间很快减弱，没有足够量的电荷，一般不会导致严重后果。 高频（特别是高于20kHz）电流由于集肤效应，使得体内电流相对减弱，故对人体伤害较小。 40300Hz的交流电对人体危害最大，当通过时间超过心脏脉动周期时，极易引起心室颤动而造成严重后果。其中工频（50Hz）信号人们接触最多，危害最大。,6)触电原因,人体触电，主要原因有直接
26、触电、间接触电和跨步电压引起的触电。直接触电又分为单相触电和两相触电两种。,（1）单相触电单相触电是指人体的某一部分触及带电设备或线路中的某一相导体时，一相电流通过人体经大地回到中性点，人体承受相电压。绝大多数触电事故都属于这种形式。,（2）两相触电,两相触电是指人体两处同时触及两相带电体而发生的触电事故。这种形式的触电，加在人体的电压是电源的线电压(380V)，电流将从一相经人体流入另一相导线，如图所示。双相触电的危险性比单相触电高。,（3）悬浮电路上的触电,又称间接触电：是指电气设备已断开电源，但由于设备中高压大容量电容的存在而导致在接触设备某些部分时发生的触电。这类触电有一定的危险，容易
27、被忽视，因此要特别注意。,（4）跨步电压引起的触电,在故障设备附近(例如电线断落在地上)，或雷击电流经设备入地时，在接地点周围存在电场，人走进这一区域，两脚之间形成跨步电压就会引起的触电事故。,保护接零是指电器外壳要接地，即除火线、零线外，还应有一根保护零线。如图所示。,相 线,工作零线,保护零线,熔断器,a.单相电路的保护接零,b.单相电的三项插座,E,L,N,N,L,用电安全注意事项,1、 三相电路的保护接零,漏电保护器,用电器,J,火线,零线,地线,2、 漏电保护开关,用电安全注意事项,3、 接通电源前的检查 电源线不合格最容易造成触电。因此，在接通电源前，一定要认真检查，做到“四查而后
28、插”。即一查电源线有无损坏；二查插头有无外露金属或内部松动；三查电源线插头的两极间有无短路，同外壳有无通路；四查设备所需电压值与供电电压是否相符。 检查方法是采用万用表进行测量。两芯插头的两个电极及他们之间的电阻均应为无穷大。三芯插头的外壳只能与接地极相接，其余均不通。,4、装焊操作安全规则,（1）不要惊吓正在操作的人员，不要在实验室争吵打闹。 （2）烙铁头在没有确信脱离电源时，不能用手摸。 （4）电烙铁应远离易燃品。 （5）拆焊有弹性的元件时，不要离焊点太近。并使可能弹出焊锡的方向向外。 （6）插拔电烙铁等电器的电源插头时，要手拿插头，不要抓电源线。 （7）用螺丝刀拧紧螺钉时，另一只手不要握
29、在螺丝刀刀口方向上。,（8）用剪线钳剪断短小导线时，要让导线飞出方向朝着工作台或空地，决不可向人或设备。 （9）各种工具、设备要摆放合理、整齐，不要乱摆、乱放，以免发生事故。. （10）要注意文明实验，文明操作，不乱动仪器设备。,文明生产,5S： 整理(Seiri)，目的：将“空间“腾出来活用 整顿(Seiton)，目的：不浪费“时间“找东西 清扫(Seiso)，目的：消除“脏污”，保持职场干干净净、明明亮亮。 清洁(Seiketsu)，目的：通过制度化来维持成果。 素养(Shitsuke) ，目的：提升“人的品质”，成为对任何工作都讲究认真的人。,2）电子工艺中的静电防护,1. 静电:物体表
30、面过剩或不足的静止的电荷.,2. 静电的产生： (1)摩擦 (2)感应 (3)传导,A、静电放电及危害,3、静电对电子工业的影响,1） 静电吸附灰尘，改变线路间的阻抗，影响产品的功能与寿命。2） 因电场或电流破坏元件的绝缘或导体，使元件不能工作。（完全破坏） 3） 因瞬间的电场或电流产生的热，元件受伤，仍能工作，寿命受损,静电对电子元件的影响,1、接地法：直接将静电通过一条线的连接泄放到大地。,1） 人体通过手腕带接地。 2） 人体通过防静电鞋（或鞋带）和防静电地板接地。 3） 工作台面接地。 4） 测试仪器，工具夹，烙铁接地。 5） 防静电地板，地垫接地。 6） 防静电转运车，箱，架尽可能接
31、地。 7） 防静电椅接地。,B、静电防护方法,方法实施：,2. 静电屏蔽 静电敏感元件在储存或运输过程中会暴露于有静电的区域中，用静电屏蔽的方法可削弱外界静电对电子元件的影响，最通常的方法是用静电屏蔽袋和防静电周转箱作为保护。另外防静电衣对人体的衣服具有一定的屏蔽作用。,绝缘体往往是易产生静电，对绝缘体静电的消除，用接地方法是无效的，通常采用的方法是离子中和（部分采用屏蔽），即在工作环境中用离子风机等，提供一等电位的工作区域。,3. 离子中和,C、常用静电防护器材,1.防静电工作台原理,1.生产前准备：穿防静电工作服带好接地环（手腕带/脚腕带）通过仪器测试检查ESD（Electro-Static discharge）装备是否完好,D、生产中的防静电操作措施,2.操作过程中 拿元件前双手触摸工作台面 将器件引脚向下放在消散静电的台面上 不要在任何表面上拖动或滑动 抓住集成块的身体，而不是引脚 非导体应与静电安全工作区保持1米以上的距离 只有在静电安全工作区才将元器件及电路板从防静电包装盒中拿出 将静电敏感元器件放在抗静电容器内或包装盒中 将搬运次数减少到最低限度。,
