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电子设备中的电气互联技术

作译者：潘开林,周德俭,吴兆华等

出版时间：2024-11 千字数：576 版次：01-01 页数：360

开本：16开装帧： I S B N ：9787121490767

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纸质书定价：￥98.0

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第1章  概述	1
1.1  电气互联技术的基本概念	1
1.1.1  由“电气互连”到“电气互联”的概念演进	1
1.1.2  电气互联技术的组成与作用	2
1.1.3  电气互联技术中的若干技术概念	3
1.2  电气互联技术的技术体系	8
1.2.1  电气互联技术的总体系构架	8
1.2.2  电气互联技术的分体系	9
1.3  电气互联技术的现状与发展	10
1.3.1  元器件技术	10
1.3.2  互联基板技术	14
1.3.3  板级组装互联技术	16
1.3.4  互联设计技术	22
1.3.5  互联设备和系统技术	24
1.3.6  电气互联技术的发展特点	27
1.4  全书体系架构	29
第2章  封装互联基础	30
2.1  概述	30
2.1.1  器件封装的作用与类型	30
2.1.2  封装的基本工艺	31
2.2  互联基础工艺技术	33
2.2.1  键合的类型及其比较	34
2.2.2  引线键合技术	35
2.2.3  载带自动键合技术	39
2.2.4  倒装芯片键合技术	45
2.3  包封、密封与成品处理工艺技术	53
2.3.1  包封技术	53
2.3.2  密封技术	54
2.3.3  打标与成型剪边	59
2.3.4  包装	61
 
第3章  器件级封装互联技术	67
3.1  经典封装技术概述	67
3.1.1  引线框架封装技术	67
3.1.2  球栅阵列封装技术	69
3.2  芯片级封装与晶圆级封装	74
3.2.1  芯片级封装技术	74
3.2.2  晶圆级封装技术	77
3.2.3  重布线技术	84
3.3  2.5D和3D封装技术	86
3.3.1  2.5D封装技术	86
3.3.2  3D封装技术	90
3.3.3  3D封装关键技术	93
第4章  电气互联基板技术	99
4.1  概述	99
4.1.1  互联基板的作用、特点与类型	99
4.1.2  互联基板材料与性能	100
4.2  封装基板制造技术	111
4.2.1  陶瓷基板电路制造技术	111
4.2.2  低温共烧陶瓷基板工艺技术	116
4.2.3  高温共烧陶瓷基板工艺技术	120
4.2.4  内埋芯片基板技术	123
4.3  PCB制造技术	126
4.3.1  单面印制电路板制造工艺	126
4.3.2  双面印制电路板制造工艺	128
4.3.3  多层印制电路板制造工艺	132
4.3.4  PCB可焊性涂层技术	136
4.4  特种基板制造技术	143
4.4.1  绝缘金属基板制造工艺	143
4.4.2  金属芯基板制造工艺	145
4.4.3  刚-挠印制电路板制造工艺	148
4.4.4  异形基板制造工艺	151
4.4.5  微波特种基板制造工艺	153
第5章  PCB组装互联技术	159
5.1  PCB组装互联技术的方式与组装工艺流程	159
5.1.1  PCB组装技术概述	159
5.1.2  SMT组装方式与组装工艺流程	161
5.2  表面组装工艺材料	163
5.2.1  焊料	163
5.2.2  助焊剂	169
5.2.3  焊膏	171
5.2.4  贴装胶	173
5.2.5  清洗剂	174
5.3  表面组装工艺技术	175
5.3.1  表面组装焊膏印刷工艺技术	175
5.3.2  黏结剂涂覆工艺技术	182
5.3.3  表面贴装通用工艺技术	185
5.3.4  焊接工艺技术	188
5.3.5  清洗工艺技术	204
5.3.6  SMT检测技术	209
第6章  SMT组装系统	214
6.1  SMT组装系统概述	214
6.1.1  板级组装系统的基本概念	214
6.1.2  SMT组装系统的组成与分类	215
6.1.3  广义SMT组装系统生产现场管理	218
6.2  SMT组装系统设备	220
6.2.1  焊膏印刷机与点胶机	220
6.2.2  贴片机	227
6.2.3  再流焊炉与波峰焊机	232
6.2.4  检测设备	241
6.2.5  清洗设备	246
6.2.6  其他辅助设备	247
6.3  智能组装系统	247
6.3.1  智能制造概述	247
6.3.2  智能组装系统体系架构	248
6.3.3  智能组装系统典型案例简介	250
第7章  整机互联技术	260
7.1  整机互联技术及其主要内容	260
7.1.1  整机与整机互联的概念	260
7.1.2  整机互联技术主要内容	263
7.2  整机结构设计	265
7.2.1  整机结构设计的基本原则	265
7.2.2  整机结构设计内容及顺序要求	266
7.2.3  整机结构设计的工艺性要求	268
7.3  整机线缆互联工艺技术	270
7.3.1  整机线缆布线设计	270
7.3.2  整机线缆布线工艺	271
7.3.3  其他互联技术	276
7.4  整机互联电磁兼容控制技术	277
7.4.1  电磁兼容概述	277
7.4.2  电磁兼容中的接地技术	279
7.4.3  整机互联接地技术	281
7.4.4  整机装联中的接地工艺	284
7.5  整机互联三维自动布线技术	286
7.5.1  三维自动布线技术	286
7.5.2  三维布线系统的设计要求和流程	289
第8章  电气互联新技术	291
8.1  光电互联技术	291
8.1.1  光电互联技术概述	291
8.1.2  光电互联封装技术	294
8.2  射频与微波封装技术	299
8.2.1  射频与微波概述	299
8.2.2  微波封装技术	302
8.3  微系统与微机电系统封装技术	311
8.3.1  微系统与微机电系统封装技术概述	311
8.3.2  微光机电系统封装技术	327
8.4  3D增材制造技术及其在电气互联技术中的应用	331
8.4.1  3D增材制造技术概述	331
8.4.2  3D增材制造技术在PCB制造中的应用	332
8.4.3  3D增材制造技术在电子组件制造中的应用	335
8.4.4  3D增材制造技术在结构功能一体化组件中的应用	339
参考文献	341

从书序
电子机械工程的主要任务是进行面向电性能的高精度、高性能机电装备机械结构的分析、设计与制造技术的研究。
高精度、高性能机电装备主要包括两大类：一类是以机械性能为主、电性能服务于机械性能的机械装备，如大型数控机床、加工中心等加工装备，以及兵器、化工、船舶、农业、能源、挖掘与掘进等行业的重大装备，主要是运用现代电子信息技术来改造、武装、提升传统装备的机械性能；另一类则是以电性能为主、机械性能服务于电性能的电子装备，如雷达、计算机、天线、射电望远镜等，其机械结构主要用于保障特定电磁性能的实现，被广泛应用于陆、海、空、天等各个关键领域，发挥着不可替代的作用。
从广义上讲，这两类装备都属于机电结合的复杂装备，是机电一体化技术重点应用的典型代表。机电一体化（Mechatronics）的概念，最早出现于20世纪70年代，其英文是将Mechanical与Electronics两个词组合而成，体现了机械与电技术不断融合的内涵演进和发展趋势。这里的电技术包括电子、电磁和电气。
伴随着机电一体化技术的发展，相继出现了如机-电-液一体化、流-固-气一体化、生物-电磁一体化等概念，虽然说法不同，但实质上基本还是机电一体化，目的都是研究不同物理系统或物理场之间的相互关系，从而提高系统或设备的整体性能。
高性能机电装备的机电一体化设计从出现至今，经历了机电分离、机电综合、机电耦合等三个不同的发展阶段。在高精度与高性能电子装备的发展上，这三个阶段的特征体现得尤为突出。
机电分离（Independent between Mechanical and Electronic Technologies，IMET）是指电子装备的机械结构设计与电磁设计分别、独立进行，但彼此间的信息可实现在（离）线传递、共享，即机械结构、电磁性能的设计仍在各自领域独立进行，但在边界或域内可实现信息的共享与有效传递，如反射面天线的机械结构与电磁、有源相控阵天线的机械结构-电磁-热等。
需要指出的是，这种信息共享在设计层面仍是机电分离的，故传统机电分离设计固有的诸多问题依然存在，最明显的有两个：一是电磁设计人员提出的对机械结构设计与制造精度的要求往往太高，时常超出机械的制造加工能力，而机械结构设计人员只能千方百计地满足其要求，带有一定的盲目性；二是工程实际中，又时常出现奇怪的现象，即机械结构技术人员费了九牛二虎之力设计、制造出的满足机械制造精度要求的产品，电性能却不满足；相反，机械制造精度未达到要求的产品，电性能却能满足。因此，在实际工程中，只好采用备份的办法，最后由电调来决定选用哪一个。这两个长期存在的问题导致电子装备研制的性能低、周期长、成本高、结构笨重，这已成为制约电子装备性能提升并影响未来装备研制的瓶颈。
随着电子装备工作频段的不断提高，机电之间的互相影响越发明显，机电分离设计遇到的问题越来越多，矛盾也越发突出。于是，机电综合（Syntheses between Mechanical and Electronic Technologies，SMET）的概念出现了。机电综合是机电一体化的较高层次，它比机电分离前进了一大步，主要表现在两个方面：一是建立了同时考虑机械结构、电磁、热等性能的综合设计的数学模型，可在设计阶段有效消除某些缺陷与不足；二是建立了一体化的有限元分析模型，如在高密度机箱机柜分析中，可共享相同空间几何的电磁、结构、温度的数值分析模型。
自21世纪初以来，电子装备呈现出高频段、高增益、高功率、大带宽、高密度、小型化、快响应、高指向精度的发展趋势，机电之间呈现出强耦合的特征。于是，机电一体化迈入了机电耦合（Coupling between Mechanical and Electronic Technologies，CMET）的新阶段。
机电耦合是比机电综合更进一步的理性机电一体化，其特点主要包括两点：一是分析中不仅可实现机械、电磁、热的自动数值分析与仿真，而且可保证不同学科间信息传递的完备性、准确性与可靠性；二是从数学上导出了基于物理量耦合的多物理系统间的耦合理论模型，探明了非线性机械结构因素对电性能的影响机理。其设计是基于该耦合理论模型和影响机理的机电耦合设计。可见，机电耦合与机电综合相比具有不同的特点，并且有了质的飞跃。
从机电分离、机电综合到机电耦合，机电一体化技术发生了鲜明的代际演进，为高端装备设计与制造提供了理论与关键技术支撑，而复杂装备制造的未来发展，将不断趋于多物理场、多介质、多尺度、多元素的深度融合，机械、电气、电子、电磁、光学、热学等将融于一体，巨系统、极端化、精密化将成为新的趋势，以机电耦合为突破口的设计与制造技术也将迎来更大的挑战。
随着新一代电子技术、信息技术、材料、工艺等学科的快速发展，未来高性能电子装备的发展将呈现两个极端特征：一是极端频率，如对潜通信等应用的极低频段，天基微波辐射天线等应用的毫米波、亚毫米波乃至太赫兹频段；二是极端环境，如南北极、深空与临近空间、深海等。这些都对机电耦合理论与技术提出了前所未有的挑战，亟待开展如下研究。
第一，电子装备涉及的电磁场、结构位移场、温度场的场耦合理论模型（Electro- Mechanical Coupling，EMC）的建立。因为它们之间存在相互影响、相互制约的关系，需在已有基础上，进一步探明它们之间的影响与耦合机理，廓清多场、多域、多尺度、多介质的耦合机制，以及多工况、多因素的影响机理，并将其表示为定量的数学关系式。
第二，电子装备存在的非线性机械结构因素（结构参数、制造精度）与材料参数，对电子装备电磁性能影响明显，亟待进一步探索这些非线性因素对电性能的影响规律，进而发现它们对电性能的影响机理（Influence Mechanism，IM）。
第三，机电耦合设计方法。需综合分析耦合理论模型与影响机理的特点，进而提出电子装备机电耦合设计的理论与方法，这其中将伴随机械、电子、热学各自分析模型以及它们之间的数值分析网格间的滑移等难点的处理。
第四，耦合度的数学表征与度量。从理论上讲，任何耦合都是可度量的。为深入探索多物理系统间的耦合，有必要建立一种通用的度量耦合度的数学表征方法，进而导出可定量计算耦合度的数学表达式。
第五，应用中的深度融合。机电耦合技术不仅存在于几乎所有的机电装备中，而且在高端装备制造转型升级中扮演着十分重要的角色，是迭代发展的共性关键技术，在装备制造业的发展中有诸多重大行业应用，进而贯穿于我国工业化和信息化的整个历史进程中。随着新科技革命与产业变革的到来，尤其是以数字化、网络化、智能化为标志的智能制造的出现，工业化和信息化的深度融合势在必行，而该融合在理论与技术层面上则体现为机电耦合理论的应用，由此可见其意义深远、前景广阔。
本丛书是在上一次编写的基础上进行进一步的修改、完善、补充而成的，是从事电子机械工程领域专家们集体智慧的结晶，是长期工作成果的总结和展示。专家们既要完成繁重的科研任务，又要于百忙中抽时间保质保量地完成书稿，工作十分辛苦。在此，我代表丛书编委会，向各分册作者与审稿专家深表谢意！
丛书的出版，得到了电子机械工程分会、中国电子科技集团公司第十四研究所等单位领导的大力支持，得到了电子工业出版社及参与编辑们的积极推动，得到了丛书编委会各位同志的热情帮助，借此机会，一并表示衷心感谢！ 

中国工程院院士，中国电子学会电子机械工程分会主任委员    段宝岩
    2024年4月 

                                 前  言
电子产品制造中的电气互联技术是指在电、磁、光、静电、温度、湿度、振动、速度、辐射等已知和未知因素构成的环境中，任何两点（或多点）之间的电气互联制造技术以及相关设计技术。它是传统电气互连技术概念的新描述。在微型化、集成化和多功能等需求的推动下，现代电气互联技术具有比传统的电气互连技术更丰富的内涵，已经成为电子产品先进制造的核心技术。
电气互联技术具有涉及学科广、知识面宽、综合性强、技术发展快等特点，是一门多学科综合性工程技术。目前，在传统的封装互联基础、器件级封装互联技术、电气互联基板技术、PCB组装互联技术、整机互联技术等传统技术基础上，SiP技术、2.5D/3D封装互联技术、Chiplet封装互联技术、光电封装互联技术、微系统级封装互联技术、绿色互联技术、智能互联技术等高速发展，并已经逐步发展成为电气互联技术的主体技术。
本书力图通过对电气互联技术概念和主要技术的描述和介绍，较为系统、全面地反映现代电气互联技术的知识内涵和体系结构，从而便于从事电子制造工程类专业或相关专业方向的读者学习。同时，也希望现代电气互联技术在快速发展的同时，其定义、内涵、技术体系等知识内容的解读也能与时俱进，以利该门综合性工程技术的学科专业归类、科学研究和建设。
本书分为8章，内容包括：电气互联技术的基本概念、技术体系、现状与发展等概述，封装互联基础、器件级封装互联技术、互联基板技术、PCB组装互联技术、SMT组装系统、整机互联技术、电气互联新技术等。本书在周德俭教授、吴兆华教授等编著的《电气互联技术》的基础上进行了全面的更新迭代，其中第3章主要由王波完成，第7章主要由黄伟完成，其余主要由潘开林、周德俭、吴兆华完成，全书由潘开林统稿。特别感谢中国电子科技集团第十四研究所、海能达公司分享了电子智造的经典案例。李站、杨溢青、隋晓明、傅如意等研究生参与了搜集资料、协助绘制插图等工作。本书参考和引用了部分文献的相关内容，因文献量较大，仅列出了主要参考文献。
电气互联技术涉及知识面广，技术内容新且非常丰富，要在一册书籍中予以系统和全面的介绍是困难的；同时，由于作者的水平有限，书中也一定存在不少谬误，不足之处请同行专家和读者谅解。

                                                      编著者
                                                      2024.7

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