微組裝技術(shù)簡述及工藝流程及設(shè)備分析.ppt

微組裝技術(shù)簡述張經(jīng)國1404 一 微組裝技術(shù)內(nèi)涵及其與電子組裝技術(shù)的關(guān)系1 內(nèi)涵 微組裝技術(shù) micropackgingtechnology 是微電子組裝技術(shù) microelectronicpackgingtechnology 的簡稱 是新一代高級的電子組裝技術(shù) 它是通過微焊互連和微封裝工藝技術(shù) 將高集成度的IC器件及其他元器件組裝在高密度多層基板上 構(gòu)成高密度 高可靠 高性能 多功能的立體結(jié)構(gòu)微電子產(chǎn)品的綜合性高技術(shù) 是一種高級的混合微電子技術(shù) 2 微組裝技術(shù)與電子組裝技術(shù)的關(guān)系微電子組裝技術(shù)是電子組裝技術(shù)最新發(fā)展的產(chǎn)物 是新一代高級 先進 的電子組裝技術(shù) 屬第五代電子組裝技術(shù) 從80年代至今 與傳統(tǒng)的電子組裝技術(shù)比較 其特點是在 微 字上 微 字有兩個含義 一是微型化 二是針對微電子領(lǐng)域 二 微組裝技術(shù)對整機發(fā)展的作用微組裝技術(shù)是充分發(fā)揮高集成度 高速單片IC性能 實現(xiàn)小型 輕量 多功能 高可靠電子系統(tǒng)系統(tǒng)集成的重要技術(shù)途徑 三 微組裝技術(shù)的層次和關(guān)鍵技術(shù) 1 微組裝技術(shù)的層次 整機系統(tǒng)的微組裝層次大致可分為三個層次 1 1級 芯片級 系指通過陶瓷載體 TAB和倒裝焊結(jié)構(gòu)方式對單芯片進行封裝 2 2級 組件級 系指在各種多層基板上組裝各種裸芯片 載體IC器件 倒裝焊器件以及其他微型元器件 并加以適當?shù)姆庋b和散熱器 構(gòu)成微電子組件 如MCM 3 3級 印制電路板級 系指在大面積的多層印制電路板上組裝多芯片組件和其他的微電子組件 單芯片封裝器件 以及其他功能元器件 構(gòu)成大型電子部件或整機系統(tǒng) 2 關(guān)鍵技術(shù) 以下為不同微組裝層次的主要關(guān)鍵技術(shù) 1 芯片級的主要關(guān)鍵技術(shù) 凸點形成技術(shù)和植球技術(shù) KGD技術(shù) TAB技術(shù) 細間距絲鍵合技術(shù) 細間距引出封裝的工藝技術(shù) 2 組件級的主要關(guān)鍵技術(shù) 多層布線基板設(shè)計 工藝 材料及檢測技術(shù) 倒裝芯片焊接 檢測和清洗技術(shù) 細間距絲鍵合技術(shù) 芯片互連可靠性評估和檢測技術(shù) 高導(dǎo)熱封裝的設(shè)計 工藝 材料和密封技術(shù) 其他片式元器件的集成技術(shù) 3 印制板級的主要關(guān)鍵技術(shù) 電路分割設(shè)計技術(shù) 大面積多層印制電路板的設(shè)計 工藝 材料 檢測技術(shù)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計 工藝技術(shù)以及組件與母板的互連技術(shù) 四 多芯片組件 MCM 的技術(shù)內(nèi)涵 優(yōu)點及類型1 技術(shù)內(nèi)涵 MCM是multichipmodule英文的縮寫 通常譯為多芯片組件 也有譯為多芯片模塊 MCM技術(shù)屬于混合微電子技術(shù)的范疇 是混合微電子技術(shù)向高級階段發(fā)展的集中體現(xiàn) 是一種典型的高級混合集成電路技術(shù) 關(guān)于MCM的定義 國際上有多種說法 就本人的觀點而言 定性的來說MCM應(yīng)具備以下三個條件 1 具有高密度多層布線基板 2 內(nèi)裝兩塊以上的裸芯片IC 一般為大規(guī)模集成電路 3 組裝在同一個封裝內(nèi) 也就是說 MCM是一種在高密度多層布線基板上組裝有2塊以上裸芯片IC 一般為LSI 以及其它微型元器件 并封裝在同一外殼內(nèi)的高密度微電子組件 2 優(yōu)點 MCM技術(shù)有以下主要優(yōu)點 1 使電路組裝更加高密度化 進一步實現(xiàn)整機的小型化和輕量化 與同樣功能的SMT組裝電路相比 通常MCM的重量可減輕80 90 其尺寸減小70 80 在軍事應(yīng)用領(lǐng)域 MCM的小型化和輕量化效果更為明顯 采用MCM技術(shù)可使導(dǎo)彈體積縮小90 以上 重量可減輕80 以上 衛(wèi)星微波通信系統(tǒng)中采用MCM技術(shù)制作的T R組件 其體積僅為原來的1 10 1 20 2 進一步提高性能 實現(xiàn)高速化 與通常SMT組裝電路相比 MCM的信號傳輸速度一般可提高4 6倍 NEC公司在1979 1989年期間研究MCM在大型計算機中的應(yīng)用 從采用一般的厚膜多層布線到使用高級的多芯片組件 混合多芯片組件 其系統(tǒng)的運算速度提高了37倍 達220億次 秒 采用MCM技術(shù) 有效的減小了高速VLSI之間的互連距離 互連電容 電阻和電感 從而使信號傳輸延遲大大減少 3 提高可靠性 統(tǒng)計表明 電子整機的失效大約90 是由封裝和互連引起的 MCM與SMT組裝電路相比 其單位面積內(nèi)的焊點減少了95 以上 單位面積內(nèi)的I O數(shù)減少84 以上 單位面積的接口減少75 以上 且大大改善了散熱 降低了結(jié)溫 使熱應(yīng)力和過載應(yīng)力大大降低 從而提高可靠性可達5倍以上 4 易于實現(xiàn)多功能 MCM可將模擬電路 數(shù)字電路 光電器件 微波器件 傳感器以及其片式元器件等多種功能的元器件組裝在一起 通過高密度互連構(gòu)成具有多種功能微電子部件 子系統(tǒng)或系統(tǒng) HughesReserchlaboratory采用三維多芯片組件技術(shù)開發(fā)的計算機系統(tǒng)就是MCM實現(xiàn)系統(tǒng)級組件的典型實例 3 類型和特點 通常可按MCM所用高密度多層布線基板的結(jié)構(gòu)和工藝 將MCM分為以下幾個類型 1 疊層型MCM MCM L 其中L為 疊層 的英文詞 Laminate 的第一個字母 也稱為L型多芯片組件 系采用高密度多層印制電路板構(gòu)成的多芯片組件 其特點是生產(chǎn)成本低 制造工藝較為成熟 但布線密度不夠高 其組裝效率和性能較低 主要應(yīng)用于30MHz和100個焊點 英寸2以下的產(chǎn)品以及應(yīng)用環(huán)境不太嚴酷的消費類電子產(chǎn)品和個人計算機等民用領(lǐng)域 2 厚膜陶瓷型MCM MCM C 其中C是 陶瓷 的英文名Ceramic的第一個字母 系采用高密度厚膜多層布線基板或高密度共燒陶瓷多層基板構(gòu)成的多芯片組件 其主要特點是布線密度較高 制造成本適中 能耐受較惡劣的使用環(huán)境 其可靠性較高 特別是采用低溫共燒陶瓷多層基板構(gòu)成的MCM C 還易于在多層基板中埋置元器件 進一步縮小體積 構(gòu)成多功能微電子組件 MCM C主要應(yīng)用于30 50MHz的高可靠中高檔產(chǎn)品 包括汽車電子及中高檔計算機和數(shù)字通信領(lǐng)域 3 淀積型MCM MCM D 其中D是 淀積 的英文名Deposition的第一個字母 系采用高密度薄膜多層布線基板構(gòu)成的多芯片組件 其主要特點是布線密度和組裝效率高 具有良好的傳輸特性 頻率特性和穩(wěn)定性 4 混合型MCM H MCM C D和MCM L D 其中英文字母C D L的含義與上述相同 系采用高密度混合型多層基板構(gòu)成的多芯片組件 這是一種高級類型的多芯片組件 具有最佳的性能 價格比 組裝密度高 噪聲和布線延遲均比其它類型MCM小等特點 這是由于混合多層基板結(jié)合了不同的多層基板工藝技術(shù) 發(fā)揮了各自長處的緣故 特別適用于巨型 高速計算機系統(tǒng) 高速數(shù)字通信系統(tǒng) 高速信號處理系統(tǒng)以及筆記本型計算機子系統(tǒng) 五 組件與母板 PCB 的電連接1 要求1 電氣要求 信號互連 電源 接地互連2 散熱能力3 機械能力4 I O要求 2 連接的主要類型1 ZIF插拔針連接 見下圖A 2 彈簧連接 見下圖B 3 插桿固緊連接 見下圖C 4 柔性電路ZIP互連 圖A ZIF插拔針連接 圖B 彈簧連接 圖C 插桿固緊連接 六 三維多芯片組件 3D MCM 技術(shù)定義 優(yōu)點和類型1 定義 系指半導(dǎo)體芯片在X Y Z三個方向都實現(xiàn)了高密度組裝的多芯片組件技術(shù) 也稱MCM V 2 優(yōu)點 可實現(xiàn)更高組裝密度 組裝密度可達200 而2D MCM的最高組裝效率為90 體積更小 重量更輕 功能更多 性能更優(yōu) 甚至可實現(xiàn)一個組件即是一個整機系統(tǒng) 3 類型 主要有以下兩種類型 1 2D MCM疊片組裝2 芯片疊層組裝 通過絲鍵合或凸點 TAB等 七 厚膜混合電路定義及其應(yīng)用特點1 定義 厚膜混合集成電路 簡稱厚膜混合電路或厚膜電路 是通過厚膜漿料 pasteorink 絲網(wǎng)印刷和燒結(jié)技術(shù) 在陶瓷基板或其它高導(dǎo)熱基板上形成厚膜布線 焊區(qū)和厚膜電阻 從而制成厚膜電路成膜基板 再采用表面組裝技術(shù) SMT 和鍵合技術(shù) 組裝半導(dǎo)體芯片和其它片式元件 構(gòu)成具有一定功能的微電路 2 應(yīng)用特點厚膜電路具有功率密度高 承載電流大 電壓高 高頻特性好 體積小 可靠性和穩(wěn)定性高 設(shè)計靈活 易于實現(xiàn)多功能微電路等特點 特別適宜制作小型高可靠的功率電路 包括DC DC變換器 DC AC變換器 AC DC變換器 交流電源 驅(qū)動器 功率放大器 電壓調(diào)節(jié)器等 以及高密度高可靠的多功能微電路 廣泛用于航天 航空 船舶 兵器 雷達 電子對抗 通信 汽車 計算機等領(lǐng)域的制導(dǎo) 遙測 動力 引信 控制 慣導(dǎo)和信號處理等電子系統(tǒng) NASA采用厚膜混合集成技術(shù)研制了導(dǎo)彈制導(dǎo)計算機的運算組件 其中采用了2 88in見方的厚膜多層布線基板 組裝了5個大規(guī)模半導(dǎo)體集成電路芯片 12個中規(guī)模半導(dǎo)體集成電路芯片 TTL 6個片式電容和6個片式電阻 629根鍵合互連絲 采用厚膜集成技術(shù)制作厚膜混合集成DC DC變換器是厚膜混合電路的一大類產(chǎn)品 其產(chǎn)品功率范圍達1W 120W 電流最大20A 輸出路數(shù)從單路到三路 開關(guān)頻率300kHz 550kHz 國內(nèi)120WDC DC變換器產(chǎn)品的功率密度達78W in3 輸出電壓15V 輸出電流8A 效率85 紋波 100mV 電性能與INTERPOINT同類產(chǎn)品相同 功率密度高于INTERPOINT同類產(chǎn)品 后者為66 3W in3 還可制作高壓輸出 160V 900V 的厚膜混合集成DC DC變換器 采用厚膜混合電路工藝制作DC DC電源的優(yōu)點 1 減小產(chǎn)品體積和重量與常規(guī)PCB板組裝電源同比 重量可減少30 60 體積可減小25 70 2 提高功率密度 25 70 3 提高微組裝密度達30 40個元器件 平方厘米4 擴展工作溫度范圍 55 125 5 提高可靠性和頻率 例如 100W的DC DC電源功率密度和重量比較 功率密度 W in3 重量 g PCB板電路37160厚膜HIC6278 厚膜混合集成濾波器包括兩類 電源濾波器 無源 和信號濾波器 有源 前者也稱EMI濾波器 與DC DC電源配套使用 輸入16V 40V 輸出電流最大15A 插入損耗40db 500kHz時 后者是使有用頻率信號通過 抑制或衰減無用頻率信號 按其功能要求不同有多種 采用集成運放 RC組成的厚膜混合集成可編程濾波器即是信號濾波器的一種 厚膜混合集成交流電源包括 單相400HZ和16kHZ交流電源 500HZ交流電源 500HZ馬達交流電源 8kHZ交流電源等 厚膜混合集成驅(qū)動器包括各種馬達伺服電路 其中有 直流電機伺服電路 步進馬達驅(qū)動電路 大功率馬達驅(qū)動器 永磁馬達驅(qū)動電路 脈寬調(diào)制功放電路 調(diào)寬功率放大器等 八 薄膜混合電路定義及其應(yīng)用特點1 定義 采用物理汽相淀積 PVD 蒸發(fā) 濺射和離子鍍等 或化學(xué)汽相淀積 CVD 工藝以及濕刻 光刻 或干刻 等離子刻蝕等 圖形形成技術(shù) 在基板上形成薄膜元件和布線 然后組裝微型元器件 多為芯片和片式元器件 構(gòu)成具有一定功能的微電路 區(qū)分是 薄膜 還是 厚膜 主要按工藝技術(shù)分 而非主要按其膜厚度 雖然厚度有區(qū)別 GJB548中提到 薄膜厚度通常小于5微米 2 應(yīng)用特點薄膜電路具有 精度高 穩(wěn)定性好 高頻特性好 組裝密度高 信號傳輸速度快等特點 其應(yīng)用主要在三個方面 1 高精度轉(zhuǎn)換電路 如高位數(shù) 12 18位 數(shù) 模 模 數(shù)轉(zhuǎn)換電路 軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換電路 f V和V f轉(zhuǎn)換器等 利用精度高 穩(wěn)定性好的特點 2 高頻和微波電路 利用高頻特性好的特點 薄膜集總參數(shù)微波混合集成電路應(yīng)用頻率可高達15 30GC 若與分布參數(shù)電路結(jié)合 可用于60GC 3 信號和數(shù)據(jù)處理電路 利用線條細 布線密度高 信號傳輸速度快的特點 通信領(lǐng)域應(yīng)用的微波電路中 薄膜混合電路約占80 F 111型殲擊機的攻擊雷達中 高頻部分采用了薄膜混合電路 中頻采用了厚膜電路 使得整機與原分立元件電路相比 體積減小了75 重量減輕了63 可靠性提高了3 5倍 F 22戰(zhàn)斗機的機載雷達數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用了薄膜技術(shù)制成的MCM D 休斯公司 使機載雷達重量減輕了96 體積減小了93 八十年代美國微波網(wǎng)絡(luò)公司采用薄膜混合電路技術(shù)首次研制成功18位混合集成D A轉(zhuǎn)換器 線性精度達0 008 是當時世界上精度最高的D A轉(zhuǎn)換器 九 共燒陶瓷多層基板的類型及應(yīng)用特點1 類型 1 高溫共燒陶瓷多層基板 HTCC 2 低溫共燒陶瓷多層基板 LTCC 國際上對其共燒陶瓷多層基板類型的劃分原則是按其陶瓷多層基板的共燒溫度是在1000 以上或以下來分 共燒溫度是在1000 以上者稱高溫共燒陶瓷多層基板 共燒溫度是在1000 以下者稱低溫共燒陶瓷多層基板 所謂共燒溫度系指陶瓷基板材料和布線導(dǎo)體漿料同時完成燒結(jié)的溫度 厚膜混合電路與LTCC的主要區(qū)別 前者分層印燒 后者共燒 LTCC的主要優(yōu)點 1 易實現(xiàn)更多布線層數(shù) 實現(xiàn)高密度組裝2 易實現(xiàn)內(nèi)埋元件 實現(xiàn)多功能 3 高頻特性和高速傳輸特性好4 燒結(jié)前可進行質(zhì)量檢查5 可實現(xiàn)空腔結(jié)構(gòu) 易于實現(xiàn)多功能和微波MCM 6 可與薄膜多層布線兼容 實現(xiàn)混合多層 7 可與封裝實現(xiàn)一體化 2 應(yīng)用特點LTCC主要用于高頻和微波電路以及信號和數(shù)據(jù)處理電路 而HTCC則更適用于功率MCM 美國IBM公司和日本NEC公司采用共燒陶瓷多層技術(shù) 于1979 1990年研制了四代超級計算機 其MCM類型從MCM C發(fā)展到MCM C DIBM公司的超級計算機MCM C D采用23層布線LTCC 2層薄膜布線 基板尺寸127 5mm 127 5mm 2000W功耗 NEC公司的超級計算機MCM C D采用45層HTCC 8層薄膜布線 基板尺寸225mm 225mm 功耗4000W 美國MartinMarietta公司采用10層LTCC陶瓷多層基板制作的MCM C用于軍用飛機和導(dǎo)彈目標探索和識別系統(tǒng)的圖像處理電子裝置 該MCM是個子系統(tǒng)