電子制造中的微連接技術(shù)解析PPT課件

1、2021-11-161第1頁/共40頁2021-11-162第2頁/共40頁2021-11-163ASE F/E FlowUV TapeWafer MountBG TapeWafer TapingWafer de-tapingBG TapeWafer Grindinggrind wheelFrame第3頁/共40頁2021-11-164Wafer SawingDie AttachUVIrradiatorEpoxy CureWire Bond第4頁/共40頁2021-11-165封裝是在器件周圍形成一個(gè)確定形狀的物體，提供電源、信號(hào)分配及調(diào)速、散熱、保護(hù)等功能第5頁/共40頁2021-11-16

2、6（1）零級(jí)封裝（2）一級(jí)封裝 一級(jí)封裝就是IC的封裝。它是電子封裝中最活躍、變化最快的領(lǐng)域。一級(jí)封裝的種類繁多、結(jié)構(gòu)多樣。第6頁/共40頁2021-11-167第7頁/共40頁2021-11-168（3）二級(jí)和三級(jí)封裝第8頁/共40頁2021-11-1692.3 電子制造中的微連接技術(shù)第9頁/共40頁2021-11-16102.3.1內(nèi)引線連接 微電子器件中固態(tài)電路內(nèi)部互連線的連接，即芯片表面電極 (金屬化層材料，主要為Al)與引線框架(lead frame)之間的連接。按照內(nèi)引線形式，可分為絲材鍵合、梁式引線技術(shù)、倒裝芯片法和載帶自動(dòng)鍵合技術(shù)。2.3.1.1絲材鍵合(wire bondin

3、g) 把普通的焊接能源（熱壓、超聲或兩者結(jié)合）與健合的特殊工具及工藝（球-劈刀法、楔-楔法）相結(jié)合，形成了不同的健合方法，從而實(shí)現(xiàn)了直徑為10200m的金屬絲與芯片電極金屬膜之間的連接。該技術(shù)通常采用熱壓、超聲和熱超聲方法進(jìn)行。 第10頁/共40頁2021-11-1611（1）熱壓鍵合 通過壓力與加熱，使接頭區(qū)產(chǎn)生典型的塑性變形。熱量與壓力通過毛細(xì)管形或楔形加熱工具直接或間接地以靜載或脈沖方式施加到鍵合區(qū)。只有金絲才能保證鍵合可靠性，但對(duì)于Au-Al內(nèi)引線鍵合系統(tǒng)，在焊點(diǎn)處又極易形成導(dǎo)致焊點(diǎn)機(jī)械強(qiáng)度減弱的“紫斑”(purple plague)缺陷。第11頁/共40頁2021-11-1612（2

4、）超聲波鍵合 利用超聲波的能量，使金屬絲與鋁電極在常溫下直接鍵合。由于鍵合工具頭呈楔形，故又稱楔壓焊。超聲波振動(dòng)平行于鍵合面，壓力垂直于鍵合面。超聲波能量被金屬絲吸收，使金屬絲發(fā)生流變，并破壞工件表面氧化層，暴露出潔凈的表面，在壓力作用下很容易相互粘合而完成冷焊。該方法一般采用Al或Al合金絲，既可避免Au絲熱壓焊的“紫班”缺陷，又降低了生產(chǎn)成本。缺點(diǎn)是尾絲不好處理，不利于提高器件的集成度，而且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的難度較大，生產(chǎn)效率也比較低。 第12頁/共40頁2021-11-1613(3)絲材熱超聲波鍵合(wire thermocompression bonding) 利用熱壓與超聲波兩者的優(yōu)點(diǎn)，超

5、聲波與熱共同作用，一方面可振動(dòng)去膜，另一方面利用了熱擴(kuò)散作用，因此，溫度可以低于熱壓法。特別適用于難于連接的厚膜混合基板的金屬化層。 第13頁/共40頁2021-11-1614（4）絲球焊 絲材通過空心劈刀的毛細(xì)管穿出，然后經(jīng)過電弧放電使伸出部分熔化，并在表面張力作用下成球形，然后通過劈刀將球壓焊到芯片的電極上。該方法一般采用Au絲。近年來，國際上一直尋求采用Al絲或Cu絲替代Al絲球焊，到80年代，國外Cu絲球焊已在生產(chǎn)中應(yīng)用。國內(nèi)研制的Cu絲球焊裝置，采用受控脈沖放電式雙電源形球系統(tǒng)，并用微機(jī)控制形球高壓脈沖的數(shù)、頻率、頻寬比以及低壓維孤時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)形球能量的精確控制和調(diào)節(jié)，在氬氣保

6、護(hù)條件下確保了Cu絲形球質(zhì)量。第14頁/共40頁2021-11-1615打線結(jié)合(Wire Bonding)芯片焊盤框架焊盤銀膠/膠帶金線芯片 Tie Bar芯片俯視圖正視圖引腳CAP_BONDING_CYCLE.swf第15頁/共40頁2021-11-16162.3.1.2梁引線技術(shù)（beam-lead bonding） 采用復(fù)式沉積方式在半導(dǎo)體硅片上制備出由多層金屬組成的梁，以這種梁來代替常規(guī)內(nèi)引線與外電路實(shí)現(xiàn)連接。這種方法主要在軍事、宇航等要求長壽命和高可靠性的系統(tǒng)中得到應(yīng)用。其優(yōu)點(diǎn)在于提高內(nèi)引線焊接效率和實(shí)現(xiàn)高可靠性連接，缺點(diǎn)是梁的制造工藝復(fù)雜，散熱性能較差，且出現(xiàn)焊點(diǎn)不良時(shí)不能修補(bǔ)。

7、 第16頁/共40頁2021-11-16172.3.1.4 倒裝芯片法（flip-chip） 隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，微電子器件內(nèi)引線的數(shù)目也隨之增加。絲球焊作為一種連接技術(shù)，不論是焊接質(zhì)量、還是焊接效率都不能適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的要求，群焊技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。倒裝芯片法在60年代由IBM公司開發(fā)，主要用于厚膜電路。 第17頁/共40頁2021-11-1618Flip-Chip TechnologyGeneric Structures of Flip-Chip Packages 首先在硅片上電極處預(yù)制釬料凸點(diǎn)，同時(shí)將釬料膏印刷到基板一側(cè)的引線電極上，然后將硅片倒置，使硅片上的釬料凸點(diǎn)與之對(duì)位

8、，經(jīng)加熱后使雙方的釬料熔為一體，從而實(shí)現(xiàn)連接并同時(shí)固定基板。這種方法適用于微電子器件小型化、高功能的要求。第18頁/共40頁2021-11-1619 金屬凸臺(tái)可分為重熔的和不可重熔的兩類。前者用于再流軟釬焊，后者用于熱壓焊。FC特點(diǎn)：(1)較小封裝外形尺寸；(2)提高電性能(3)高I/O密度；(4)改善疲勞性能，提高可靠性；(5)可對(duì)裸芯片進(jìn)行測(cè)試，可至少拆裝10次。(6)但釬料凸點(diǎn)制作復(fù)雜，焊后外觀檢查困難。第19頁/共40頁2021-11-16202.3.1.5載帶自動(dòng)鍵合技術(shù)（TAB） 載帶自動(dòng)健合技術(shù)于1964年由美國通用電氣公司推出，是在類似于膠片的柔性載帶上粘結(jié)金屬薄片，在金屬薄片

9、上經(jīng)腐蝕作出引線框圖形，而后與芯片上的凸點(diǎn)進(jìn)行連接。目前的TAB中，廣泛采用的是電鍍Au的Cu引線框和芯片上的Au凸點(diǎn)，進(jìn)行熱壓焊接。其優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，缺點(diǎn)是工藝也很復(fù)雜，成本較高，且芯片的通用性差。 第20頁/共40頁2021-11-1621 TAB 的載帶是由一系列的復(fù)制的內(nèi)引線圖案所組成?；蛘哒f, 在長而窄的薄銅帶上將內(nèi)引線圖案一一腐蝕出來。其周圍有銅的框架或由貼附其上的聚酰亞胺薄膜所支持。這樣銅帶上腐蝕出的細(xì)而扁平的指式引線排便可替代一般引線技術(shù)的導(dǎo)電絲, 將器件芯片上的I/ O 搭接片電連接到外部世界。載帶的邊緣還被腐蝕出與電影膠卷類似的齒孔, 于是隨帶卷的轉(zhuǎn)動(dòng), 引線的鍵合便一步

10、一步自動(dòng)進(jìn)行。TAB第21頁/共40頁2021-11-1622單層載帶：由蝕刻金屬制成。引線長度受到限制。雙層載帶：在聚合物上鍍金屬圖案。三層載帶：Cu箔與預(yù)先打好孔的聚合物薄膜用膠粘在一起，然后刻蝕出引線圖案。傳送孔用模具打出。 TAB特點(diǎn)：(1)引線間距更??；(2)能保證器件的質(zhì)量和可靠性；(3)自動(dòng)化程度高；(4)鍵合強(qiáng)度是絲材鍵合的3-10倍；(5)良好的高頻特性和散熱特性；(6)工藝復(fù)雜，成本高，芯片通用性差。第22頁/共40頁2021-11-1623 2.3.2印刷電路板組裝中的微連接技術(shù) 印刷電路板組裝是指微電子器件信號(hào)引出端（外引線）與印刷電路板（PCB）上相應(yīng)焊盤之間的連接。

11、自1962年日本推出陶瓷基板球柵陣列（CBGA），1966年美國RCA公司推出片式電阻、電容，1971年P(guān)hlips公司正式提出表面組裝概念，到1991年Motorola公司推出樹脂基板球柵陣列（PBGA），使BGA技術(shù)走向?qū)嵱没㈦娮悠骷耐庖€連接技術(shù)完成了由通孔插裝技術(shù)（THT, through-hole technology）到SMT的歷史性飛躍，極大地推動(dòng)了微電子技術(shù)的發(fā)展。第23頁/共40頁2021-11-1624 2.3.2.1波峰焊(wave soldering; flow soldering) 借助于釬料泵把熔融態(tài)釬料不斷垂直向上地朝狹長出口涌出，形成2040mm高的波峰。

12、釬料波以一定的速度和壓力作用于PCB上，充分滲入到待焊接的器件引線與電路板之間，使之完全潤濕并進(jìn)行焊接。由于釬料波峰的柔性，即使PCB不夠平整，只要翹曲度在3以下，仍可得到良好的焊接質(zhì)量。 第24頁/共40頁2021-11-1625 在THT工藝中，主要采用單波峰焊。引線末端接觸到釬料波，毛細(xì)管作用使釬料沿引線上升，釬料填滿通孔，冷卻后形成釬料圓角。但釬料波峰垂直向上的力會(huì)給一些較輕的器件帶來沖擊，造成浮動(dòng)或虛焊。而在SMT中由于有諸多難點(diǎn)很難應(yīng)用。第25頁/共40頁2021-11-1626 SMD元件并不具有THD元件那樣的安裝插孔，釬劑受熱后揮發(fā)出的氣體無處散逸，另外SMD元件具有一定的高

13、度和寬度，且組裝密度大，釬料的表面張力作用將形成屏蔽效應(yīng)，使釬料很難及時(shí)潤濕并滲透到每個(gè)引線 ，此時(shí)采用單峰焊會(huì)產(chǎn)生大量的漏焊和橋連 ，為此，開發(fā)出了雙波峰焊。前峰較窄而多頭，形成湍流排出氣體減弱表面張力，后峰為雙向?qū)捚讲?，去處多余釬料，消除缺陷。其缺點(diǎn)是印制電路板經(jīng)過兩次波峰，受熱量較大，一般耐熱性差的電路板易變形翹曲。第26頁/共40頁2021-11-1627 波峰焊技術(shù)適合于插裝型電子線路的規(guī)?；a(chǎn)，在當(dāng)前的電子工業(yè)中仍具有重要地位，但隨著IC電路高密度、小型化的發(fā)展，體積更小的表面貼裝型電路占的比例越來越大。在焊接形狀變化多樣、管腳間距極小的元件時(shí)，波峰焊技術(shù)有一定局限性。與此相應(yīng)的

14、再流焊技術(shù)越來越顯示出其重要性。 為了克服雙波峰焊的缺點(diǎn)，近年來又開發(fā)出了噴射空心波峰?？招牟▏娚渌俣雀哌_(dá)100cm/s，接觸時(shí)間短。第27頁/共40頁2021-11-16282.3.2.2再流焊（reflow soldering） 通過印制或滴注等方法將釬料膏涂敷在印制電路板的焊盤上，再用專用設(shè)備-貼片機(jī)在上面放置表面貼裝元件，然后加熱使預(yù)置的釬料膏或釬料凸點(diǎn)重新熔化即再次流動(dòng)，潤濕金屬焊盤表面形成牢固連接的過程。根據(jù)熱源和加熱方法的不同，再流焊主要可分為紅外再流焊、氣相再流焊和激光再流焊。貼片過程貼片機(jī)拾取第28頁/共40頁2021-11-1629(1)紅外再流焊(infrared ref

15、low soldering)。紅外再流焊波長范圍：1-7微米第29頁/共40頁2021-11-1630 再流焊溫度曲線的建立是再流焊技術(shù)中一個(gè)非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。按照焊接過程各區(qū)段的作用，一般將其分為預(yù)熱區(qū)、保溫區(qū)、再流區(qū)和冷卻區(qū)等4段。 預(yù)熱過程的目的是為了用一個(gè)可控制的速度來提高溫度，以減少元件和板的任何熱損壞。 保溫主要是為了平衡所有焊接表面溫度，使SMA上所有元件在這一段結(jié)束時(shí)具有相同的溫度。 再流區(qū)域里加熱器的溫度設(shè)置得最高，使組件的溫度快速上升至峰值溫度，一般推薦為焊膏的熔點(diǎn)溫度加2040。 而冷卻過程使得釬料在退出加熱爐前固化，從而得到明亮的焊點(diǎn)并有好的外形和低的接觸角度。 第30頁

16、/共40頁2021-11-1631 利用紅外線輻射加熱實(shí)現(xiàn)表面貼裝元件與印制電路板之間連接的軟釬焊方法。一般采用隧道加熱爐，熱源以紅外線輻射為主，適用于流水線大批量生產(chǎn)。且設(shè)備成本較低，是目前日本最普遍的再流焊方法。 缺點(diǎn)是SMD因表面顏色的深淺、材料的差異及與熱源距離的遠(yuǎn)近，所吸收的熱量也有所不同；體積大的SMD會(huì)對(duì)小型SMD造成陰影，使之受熱不足而降低焊接質(zhì)量；溫度的設(shè)定難以兼顧周到。 第31頁/共40頁2021-11-1632(2)氣相再流焊(vapor refolw soldering) 利用飽和蒸汽的汽化潛熱加熱實(shí)現(xiàn)表面貼裝元件與印制電路板之間焊接的軟釬焊方法。熱源來自氟氯烷系溶劑（

17、典型牌號(hào)為FC-70）飽和蒸汽的汽化潛熱。PCB放置在充滿飽和蒸汽的氛圍中，蒸汽與SMD接觸時(shí)冷凝并放出汽化潛熱使釬料膏熔融再流。第32頁/共40頁2021-11-1633第33頁/共40頁2021-11-1634 汽相再流焊應(yīng)用最廣的是美國。優(yōu)點(diǎn) 溶劑蒸汽可到達(dá)每一個(gè)角落，熱傳導(dǎo)均勻，可完成與產(chǎn)品幾何形狀無關(guān)的高質(zhì)量焊接； 焊接溫度精確，（215士3），不會(huì)發(fā)生過熱現(xiàn)象； 飽和蒸汽同時(shí)可起到清洗作用，去除釬劑和殘?jiān)Ｈ秉c(diǎn) 溶劑價(jià)格昂貴，生產(chǎn)成本高； 如操作不當(dāng)，溶劑經(jīng)加熱分解會(huì)產(chǎn)生有毒的氟化氫和異丁烯氣體； 引腳和焊盤不同時(shí)受熱，產(chǎn)生上吸錫現(xiàn)象； 導(dǎo)致“墓碑”缺陷。 第34頁/共40頁202

18、1-11-1635工藝流程：滴注/印制釬料膏放置表面貼裝元件加熱再流。第35頁/共40頁2021-11-16363）激光再流焊(laser reflow soldering) 利用激光輻射能加熱實(shí)現(xiàn)表面貼裝元件與印制電路板之間焊接的軟釬焊。熱源來自CO2或YAG激光束。 基于激光束優(yōu)良的方向性和高功率密度，其特點(diǎn)是加熱過程高度局部化；不產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱敏感性強(qiáng)的器件不會(huì)受熱沖擊；焊接時(shí)間短，焊點(diǎn)顯微組織得到細(xì)化，抗熱疲勞性能得到提高。缺點(diǎn)是作為再流焊方法唯一的點(diǎn)焊技術(shù)，生產(chǎn)效率根低。 激光焊第36頁/共40頁2021-11-1637目前激光濤流焊主要用于引線節(jié)距在0.650.5m以下的高密度組裝。如Philips公司研制的“Laser Number PLM1”在波峰焊或再流焊之后組裝專用IC，引線節(jié)距達(dá)0.2mm也不會(huì)橋接。激光超聲焊第37頁/共40頁2021-11-16