電子封裝材料教學(xué)課件

1、電子封裝材料教學(xué),0 引言,電子封裝材料,電子封裝材料教學(xué),電子封裝的定義,分為狹義封裝和廣義封裝: 狹義的封裝（packaging，PKG）利用膜技術(shù)及微細(xì)連接技術(shù)，將半導(dǎo)體元器件及其他構(gòu)成要素在框架或基板上布置、固定及連接，引出連接端子，并通過可塑性絕緣介質(zhì)灌封固定，構(gòu)成整體主體結(jié)構(gòu)的工藝。 廣義的電子封裝應(yīng)該是狹義的封裝與實(shí)裝工程及基板技術(shù)的總和。將半導(dǎo)體、電子器件所具有的電子的、物理的功能轉(zhuǎn)變?yōu)檫m用于機(jī)器或系統(tǒng)的形式，并使之為人類社會服務(wù)的科學(xué)與技術(shù)，統(tǒng)稱為電子封裝工程。,電子封裝材料教學(xué),封裝技術(shù)發(fā)展,直插式DIP,三次重大變革,表面貼裝式SMT,芯片尺寸封裝CSP, SOP小型平面

2、引線式封裝 SOJ小型平面J 形引線式封裝 QFP四周平面引線式封裝 BGA球狀柵陣電極封裝, 導(dǎo)電絲焊接組裝 FCP倒扣芯片組裝, MCM多芯片組裝 三維組裝,電子封裝材料教學(xué),各種封裝類型 示意圖,電子封裝材料教學(xué),歷史的發(fā)展過程：最早是金屬封裝，然后是陶瓷封裝， 最后是塑料封裝。 性能分：金屬和陶瓷封裝是氣密封裝， 塑料封裝是非氣密或準(zhǔn)氣密封裝； 金屬或陶瓷封裝可用于“嚴(yán)酷的環(huán)境條件”，如軍用、宇航等，而塑封只能用于“不太嚴(yán)酷”的環(huán)境； 金屬、陶瓷封裝是“空封”，封裝不與芯片表面接觸，塑封是“實(shí)封”； 金屬封裝目前主要用于大功率的混合集成電路（HIC），部分軍品及需空封器件。,電子封裝材

3、料教學(xué),封裝及材料 塑料封裝 金屬封裝 陶瓷封裝 玻璃封裝 集成電路基片材料,裸芯片 金屬封裝 陶瓷封裝 1 2 % 塑料封裝 92 %,電子封裝材料教學(xué),不同的封裝使用的封裝工藝是不同的： 金屬封裝 陶瓷封裝 塑料封裝： 引線框架式封裝 PCB基板 PBGA： WB （引線鍵合） FC （倒裝芯片） 載帶： TAB（載帶自動焊） 圓片級封裝 WLP DIP、SOP、QFP、PLCC等主要都是塑料封裝。,電子封裝材料教學(xué),20世紀(jì)70年代前后，按封裝材料、封裝器件和封裝結(jié)構(gòu)分類,電子封裝材料教學(xué),半導(dǎo)體元件的封裝方法及封裝材料 金屬蓋板 鍵合金屬絲 金屬底座（金屬基板） 引線端子 陶瓷蓋板 玻

4、璃封接 陶瓷底座（陶瓷基板） 玻璃 包封樹脂 元件底座（樹脂基板）,電子封裝材料教學(xué),(a),（可控坍塌芯片連接技術(shù) ）,蓋板材料，導(dǎo)熱脂，芯片材料，陶瓷基板，焊球,各類BGA的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖,電子封裝材料教學(xué),(b),包封樹脂，芯片，金屬引線，芯片粘接材料，樹脂基板材料，焊球,各類BGA的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖,電子封裝材料教學(xué),IC芯片,引線架,導(dǎo)線絲,內(nèi)引線,封裝樹脂,焊料微球凸點(diǎn),BGA,基板,各類BGA的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖,電子封裝材料教學(xué),(c),（載帶球柵陣列）,各類BGA的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖,電子封裝材料教學(xué),(d),各類BGA的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖,MBGA是指微型球柵陣列封裝，英文全稱

5、為Micro Ball Grid Array Package,電子封裝材料教學(xué),(e) SBGA的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖（局部）,各類BGA的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖,結(jié)構(gòu)形式：在封裝的頂部是一倒扣的銅質(zhì)腔體，以增強(qiáng)向周圍環(huán)境的散熱。一薄而軟的基片焊在銅片的底面，作為沿周邊幾行焊球附著之焊盤（即中央無焊球分布，參照J(rèn)EDEC）。內(nèi)導(dǎo)線將基板與芯片相連接，芯片從底部塑封。,電子封裝材料教學(xué),模塑壓力機(jī),電子封裝材料教學(xué),電子封裝材料教學(xué),三種類型封裝之一： 塑料封裝 塑料封裝主要有三種類型： (1)保角包封或浸封 裝配好的電路基片浸入塑料中，干燥，固化 (2)灌封 將基片插入薄壁塑料殼(或使用可剝下的鑄模)，

6、倒入塑料流體，最后固化 (3)模鑄 將裝配好的電路基片牢牢固定在金屬模內(nèi)，在壓力下注入 熔融的熱塑料，接著固化,電子封裝材料教學(xué),金屬封裝 先把微電路基片安裝在可伐管座上，然后用金屬絲把基片焊點(diǎn)與可伐管座的引出線連接起來，可伐金屬的熱脹系數(shù)接近玻璃，熱脹冷縮時，玻璃封接不會發(fā)生破壞。最后利用冷焊、電阻焊或銅焊把鎳殼焊在管座四周形成全密封結(jié)構(gòu)，金屬封裝的成本高于塑料封裝，但它有良好的密封性，還能起電磁屏蔽的作用。,全密閉金屬封裝,電子封裝材料教學(xué), 陶瓷封裝 陶瓷封裝由氧化鋁瓷座、瓷壁和瓷蓋所組成，外引線穿過兩個瓷體間的玻璃封接層。與金屬封裝相反，絕緣陶瓷可進(jìn)行電絕緣，非常堅(jiān)固，且成本較低。,電

7、子封裝材料教學(xué), 玻璃封裝 玻璃封裝類似于陶瓷封裝，玻璃比陶瓷更脆，一般不用于大型 電路，多用于小型電路的扁平封裝，其封裝的微電路往往是單片集 成電路?；旌想娐分?，玻璃的使用也很普遍，通常在膜、電 阻、電容或半導(dǎo)體芯片表面涂覆一層玻璃。這層全密封玻璃保護(hù)有 時單獨(dú)使用，有時與外部塑料封裝配合使用。,電子封裝材料教學(xué),封裝中的材料,封裝中涉及到的材料 芯片粘結(jié)材料； 引線材料； 引線框架材料； 封裝基板與外殼材料； 模塑料； 焊接材料；,電子封裝材料教學(xué),封裝中的材料,電子封裝材料教學(xué),封裝中的材料,電子封裝材料的性能 電特性 絕緣性質(zhì)、擊穿、表面電阻， 熱特性 玻璃化轉(zhuǎn)化溫度、熱導(dǎo)率、熱膨脹系

8、數(shù)， 機(jī)械特性 揚(yáng)氏模量、泊松比、剛度、強(qiáng)度， 化學(xué)特性 吸潮、抗腐蝕， 其它 密度、可焊性、毒性，,電子封裝材料教學(xué),引線鍵合材料,引線鍵合常用于芯片與載體（或基板）或引線框架 之間的互連. 常用的引線材料 Au、Al、Cu（包括用于TAB）、AlSi(1%)絲.（需要退火處理） 鍵合的模式 球焊（金絲）和楔形焊（鋁絲） 金絲用于塑料封裝，鋁絲用于陶瓷和金屬封裝,電子封裝材料教學(xué),引線鍵合材料,電子封裝材料教學(xué),引線鍵合材料,金絲鍵合系統(tǒng) 消費(fèi)類電子產(chǎn)品中最常用的鍵合方式 金絲：軟 摻雜的金絲 Be，5-10ppm；Cu，30-100ppm 金絲-鋁鍵合區(qū),電子封裝材料教學(xué),引線鍵合材料,A

9、u-Al金屬間化合物 300C以上的使用環(huán)境，容易發(fā)現(xiàn)“紫斑”； 125C，可能產(chǎn)生一系列的金屬間化合物。,電子封裝材料教學(xué),引線鍵合材料,Kirkendall效應(yīng) 異種金屬之間的互擴(kuò)散 不同的擴(kuò)散速度 溫度、結(jié)構(gòu)、,電子封裝材料教學(xué),引線鍵合材料,電子封裝材料教學(xué),引線鍵合材料,金絲與其他介面的鍵合 Au-Cu Cu3Au，AuCu，Au3Cu：200-350C Au-Ag 無金屬間化合物產(chǎn)生 Au-Au 最好的鍵合 高溫應(yīng)用,電子封裝材料教學(xué),引線鍵合材料,鋁（硅鋁）絲鍵合系統(tǒng) Pure aluminum is too soft. So alloyed with 1%Si or 1% Mg

10、 to provide a solid-solution strengthening mechanism. Al-OFHC Cu Al-Ag plated LF Al-Ni 75um Al can be used for power devices.,電子封裝材料教學(xué),引線鍵合材料,“白毛” Al(OH)3 + Cl- Al(OH)2 + OH- Al+ 4Cl- Al(Cl)4- 2AlCl4- + 6H2O 2Al(OH)3 + 6H+ + 8Cl-,電子封裝材料教學(xué),引線鍵合材料,提高鍵合可靠性 無論何種鍵合，鍵合表面特性是至關(guān)重要的。 潔凈度（等離子體清洗） 表面粗糙度 表面鍍層的厚度

11、 阻擋層的應(yīng)用 TiW 高質(zhì)量的鍵合絲 可靠的鍵合工藝 等離子體清洗,電子封裝材料教學(xué),引線框架材料,引線框架的功能 電連接 對內(nèi)依靠鍵合實(shí)現(xiàn)芯片與外界的信號連接； 依靠焊點(diǎn)與電路板連接； 機(jī)械支撐和保護(hù) 對芯片起到支持 與外殼或模塑料實(shí)現(xiàn)保護(hù) 散熱 散熱通道,電子封裝材料教學(xué),引線框架材料,引線框架材料的要求 熱匹配 良好的機(jī)械性能 導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好 使用過程無相變 材料中雜質(zhì)少 低價 加工特性和二次性能好,電子封裝材料教學(xué),引線框架材料,電子封裝材料教學(xué),引線框架材料,電子封裝材料教學(xué),引線框架材料,銅合金 導(dǎo)電特性好 引入第二相彌散強(qiáng)化，提高強(qiáng)度 常用有Cu-Fe-P，Cu-Cr，Cu-

12、Zn，Cu-Zr等等 機(jī)械加工性能好 熱膨脹系數(shù)與塑料封裝匹配,電子封裝材料教學(xué),引線框架材料,電子封裝材料教學(xué),引線框架材料,引線框架的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 引線鍵合區(qū) 幾何尺寸、表面涂敷、引線扭曲、平整度、共面性 芯片粘接區(qū) 幾何尺寸、表面涂敷、粗糙度,電子封裝材料教學(xué),芯片粘結(jié)材料,芯片粘接的基本概念 Chip Attachment/Bonding，通常采用粘接技術(shù)實(shí)現(xiàn)管芯 （IC Chip）與底座（Chip Carrier）的連接. 機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)性能穩(wěn)定、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、熱匹配、 低固化溫度、可操作性,電子封裝材料教學(xué),芯片粘結(jié)材料,幾種基本的芯片鍵合類型 銀漿粘接技術(shù) 低熔點(diǎn)玻璃粘接技術(shù) 導(dǎo)電膠粘

13、接技術(shù) 環(huán)氧樹脂粘接技術(shù) 共晶焊技術(shù),電子封裝材料教學(xué),芯片粘結(jié)材料,環(huán)氧樹脂粘接技術(shù) 工藝簡單、成本低廉 適合于大規(guī)模生產(chǎn)，質(zhì)量上已經(jīng)接近Au-Si共晶焊水平 分類： 導(dǎo)電、導(dǎo)熱膠“導(dǎo)電膠” 導(dǎo)熱、電絕緣膠,電子封裝材料教學(xué),芯片粘結(jié)材料,固化條件 一般固化溫度在150C左右，固化時間約1hr 固化前：“導(dǎo)電膠”不導(dǎo)電 固化后：溶劑揮發(fā)、銀粉相互緊密接觸形成導(dǎo)電鏈,電子封裝材料教學(xué),模塑料,模塑的基本工藝 熱固性：在加熱固化后 不會再次受熱軟化; 熱塑性：在加熱塑化后 如果再次受熱還會再次 軟化. 模塑料通常為熱固性塑 料.,電子封裝材料教學(xué),模塑料,電子封裝材料教學(xué),模塑料,模塑料的基本構(gòu)

14、成 基體（10-30%）（高分子化合物樹脂） 環(huán)氧樹脂 硅酮樹脂 1,2-聚丁二烯酯樹脂 添加劑（60-90%） 固化劑 催化劑 填充劑（SiO2） 阻燃劑 脫模劑 染色劑,主要生產(chǎn)廠家 日本：住友；日東；日立化成； 美國：Plaskon Hysol(Cookson) 中國：中科院化學(xué)所,電子封裝材料教學(xué),模塑料,模塑料的類型 普通型 快速固化型 無后固化型 高熱導(dǎo)型 低應(yīng)力型 低輻射型 低膨脹型 低翹曲型,普通型模塑料 結(jié)晶二氧化硅型填料 熱導(dǎo)率高、線膨脹系數(shù)大、成本低 分立器件、LSI 熔融二氧化硅型填料 線膨脹系數(shù)小、熱導(dǎo)率低、成本較高 VLSI、大尺寸分立器件,電子封裝材料教學(xué),模塑料

15、,低應(yīng)力型模塑料 固化過程產(chǎn)生的收縮應(yīng)力 溫度變化時的熱應(yīng)力 熱應(yīng)力導(dǎo)致失效:開裂 溫度變化時的熱應(yīng)力 彈性模量 線膨脹系數(shù) 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,電子封裝材料教學(xué),封裝基板與外殼材料,基板材料的性能 電 介電常數(shù)、功耗、電阻、 熱 熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)、熱穩(wěn)定性、 物理 表面平整度、表面光潔度 化學(xué) 化學(xué)穩(wěn)定、低孔隙率、高純度,電子封裝材料教學(xué),封裝基板與外殼材料,氧化鋁（Al2O3）陶瓷 良好的介電性能、高的機(jī)械強(qiáng)度、高熱穩(wěn)定性、高 化學(xué)穩(wěn)定性 應(yīng)用最廣 90-99% Al2O3 性能與Al2O3含量相關(guān) 添加劑 （黑色、紫色、棕色）瓷,電子封裝材料教學(xué),封裝基板與外殼材料,其它陶瓷基板材料 氧化

16、鈹（BeO） 熱導(dǎo)率8倍于氧化鋁，用于功率器件; 貴 毒 氮化鋁（AlN） 高熱導(dǎo)率，用于替代氧化鈹; 與Si相近的熱膨脹系數(shù); 低價（與氧化鈹比較）;,電子封裝材料教學(xué),封裝基板與外殼材料,其它陶瓷基板材料 滑石和鎂橄欖石 用于厚膜電路 低介電常數(shù) 低強(qiáng)度 低價 玻璃、石英、藍(lán)寶石,電子封裝材料教學(xué),封裝基板與外殼材料,電子封裝材料教學(xué),封裝基板與外殼材料,多層陶瓷基板材料 HTCCHigh Temperature Co-fired Ceramic 1500C Mo-Mn or W as the metallization LTCCLow Temperature Co-fired Ceramic 850-900C Ag-Pd, Au, Ag or Cu Higher wiring density,電子封裝材料教學(xué),封裝基板與外殼材料,電子封裝材料教學(xué),封