微连接课件第1章

1、1微电子封装与组装微电子封装与组装可靠性与测试可靠性与测试 哈尔滨理工大学材料学院哈尔滨理工大学材料学院 材料成型与控制系材料成型与控制系2微电子封装：微电子封装：为基本的电子电路处理和存储信息为基本的电子电路处理和存储信息建立建立互连和合适的操作环境互连和合适的操作环境的科学和技术的科学和技术，是一个涉及是一个涉及多学科多学科并且超越学科的制造并且超越学科的制造和研究领域。和研究领域。作用作用-为芯片及部件提供保护、能源、为芯片及部件提供保护、能源、冷却、与外部环境的电气连接冷却、与外部环境的电气连接+ +机械连接机械连接3封封 装：装： 一级、二级一级、二级 、三级封装、三级封装 微连接技

2、术：软钎焊微连接技术：软钎焊 、压焊、压焊 （冷、热、超声（冷、热、超声 ）、粘结）、粘结 （树（树 脂、导电胶）脂、导电胶）4主要内容主要内容第一章第一章 电子产品制造中的微连接技术电子产品制造中的微连接技术第二章第二章 微连接技术的学科基础微连接技术的学科基础第三章第三章 微电子封装与组装用材料微电子封装与组装用材料第四章第四章 影响微连接可靠性的缺陷影响微连接可靠性的缺陷第五章第五章 可靠性试验方法和标准可靠性试验方法和标准第六章第六章 微电子封装与组装焊点可靠性评价微电子封装与组装焊点可靠性评价5微系统封装基础微系统封装基础：Rao R.TummalaRao R.Tummala，东南大

3、学黄庆安、，东南大学黄庆安、唐洁影译，东南大学出版社出版；唐洁影译，东南大学出版社出版；Rao R.Tummala:Rao R.Tummala: 佐治亚理工学院封装研究中心的教授和创立者，加佐治亚理工学院封装研究中心的教授和创立者，加入佐治亚理工学院之前，一直在入佐治亚理工学院之前，一直在IBMIBM从事封装研究工作，从事封装研究工作，首先将低温共烧陶瓷（首先将低温共烧陶瓷（LTCCLTCC）和多芯片组件等技术应用）和多芯片组件等技术应用于工业生产，于工业生产，IBMIBM的的FellowFellow； 发表学术论文发表学术论文270270余篇，拥有余篇，拥有6868项美国专利，是电气项美国专

4、利，是电气电子工程师协会的会士（电子工程师协会的会士（Fellow IEEEFellow IEEE）、美国陶瓷协会）、美国陶瓷协会会士（会士（Fellow ACSFellow ACS）、）、IEEEIEEE元件封装与制造技术（元件封装与制造技术（CPMTCPMT）协会主席和美国工程院院士。协会主席和美国工程院院士。参考教材参考教材1 16电子组装制造电子组装制造，哈柏（，哈柏（C.A.HarperC.A.Harper）著，）著，贾松良、蔡坚等译，贾松良、蔡坚等译，20052005年年2 2月，科学出版社；月，科学出版社；贾松良：清华大学微电子学研究所教授，中国贾松良：清华大学微电子学研究所教授

5、，中国电子学会封装专业委员会副主任，中国电子学电子学会封装专业委员会副主任，中国电子学会北京会北京SMTSMT委员会委员委员会委员参考教材参考教材2 27微电子焊接技术微电子焊接技术，金德宣等，电子工业，金德宣等，电子工业出版社，出版社，19901990。参考教材参考教材3 38无铅钎料互联及可靠性无铅钎料互联及可靠性Dongkai ShangguanDongkai Shangguan著，刘建影著，刘建影 孙鹏译，电子工孙鹏译，电子工业出版社，业出版社，20082008年年1 1月。月。上海大学兼职教授，伟创力国际公司副总裁，电上海大学兼职教授，伟创力国际公司副总裁，电气与电子工程师协会（气与

6、电子工程师协会（IEEEIEEE）FellowFellow， IEEEIEEE元元件封装与制造技术（件封装与制造技术（CPMTCPMT）学会董事）学会董事出版专著出版专著2 2本，发表论文本，发表论文250250多篇，多篇，2121项美国及国项美国及国际专利际专利参考教材参考教材4 49参考教材参考教材5 5电子制造技术基础电子制造技术基础，吴懿平、丁汉等编著，吴懿平、丁汉等编著，20052005年年7 7月，机械工业出版社。月，机械工业出版社。吴懿平：华中科技大学吴懿平：华中科技大学材料学院教授材料学院教授/ /博导，微系统中博导，微系统中心副主任。上海交通大学兼职教授。心副主任。上海交通大

7、学兼职教授。创建了华中科技大学创建了华中科技大学电子封装研究室和华中科技大学电子封装研究室和华中科技大学微系统中心微系统中心。研究内容：导电胶技术、柔性化电子封。研究内容：导电胶技术、柔性化电子封装技术、微电子封装可靠性评定；装技术、微电子封装可靠性评定；国家自然科学基金、中港基金和国家自然科学基金、中港基金和863 863 项目。获得多项项目。获得多项国家专利（柔性植球方法、柔性凸点形成方法、光纤国家专利（柔性植球方法、柔性凸点形成方法、光纤插芯成型方法。发表论文插芯成型方法。发表论文6060余篇，余篇，环球环球SMTSMT与封装与封装撰稿人。撰稿人。 10参考教材参考教材6 6无铅焊接技术

8、无铅焊接技术，管沼克昭（，管沼克昭（K.SuganumaK.Suganuma）著，宁）著，宁晓山译，晓山译，20042004年年7 7月，科学出版社月，科学出版社11王春青王春青 教授：教授：中国电子学会中国电子学会 理事，高级会员理事，高级会员 中国电子生产技术学会中国电子生产技术学会 理事理事中国机械工程学会中国机械工程学会 焊接分会焊接分会 常务理事常务理事 中国机械工程学会中国机械工程学会 微纳制造技术分会微纳制造技术分会 理事理事中国半导体行业协会中国半导体行业协会 封装分会封装分会 理事理事 中国机械制造工艺协会中国机械制造工艺协会 电子分会电子分会 理事理事美国电气电子工程师学会

9、美国电气电子工程师学会(IEEE, Inc) (IEEE, Inc) 会员会员 哈尔滨市科学技术专家顾问委员会哈尔滨市科学技术专家顾问委员会 委员委员 韩国韩国焊接学会学报焊接学会学报国际版：顾问国际版：顾问 信息产业信息产业“十一五十一五”规划及规划及20202020年中长期规划专家组年中长期规划专家组 成成员员 ICEPT2005ICEPT2005第六届电子封装技术国际学术会议第六届电子封装技术国际学术会议 组织委员会组织委员会 主席主席 参考资料参考资料7 712研究内容：研究内容： 表面组装激光软钎焊技术表面组装激光软钎焊技术 -SMT-SMT焊点形态预测和设计焊点形态预测和设计 无钎

10、剂免清洗软钎焊技术无钎剂免清洗软钎焊技术 微组装焊点的可靠性微组装焊点的可靠性 互连界面的组织演变、连接界面行为分析和连接材料设互连界面的组织演变、连接界面行为分析和连接材料设计的量子学方法计的量子学方法 封装与组装的工艺技术研究封装与组装的工艺技术研究 多芯片模块封装技术多芯片模块封装技术 面阵封装技术面阵封装技术LEDLED封装技术封装技术 无铅钎料合金基础研究无铅钎料合金基础研究 敏捷型敏捷型锡球制造与熔滴凸点制作技术锡球制造与熔滴凸点制作技术 混合集成电路封装混合集成电路封装 国家发明专利授权多项，发表论文二百多篇。国家发明专利授权多项，发表论文二百多篇。13微电子封装与组装领域的权威

11、研究机构微电子封装与组装领域的权威研究机构美国国家电子制造学会：美国国家电子制造学会： NEMI NEMI （National Electronic Manufacturing Institute National Electronic Manufacturing Institute ）；）；欧洲软钎焊技术组织：欧洲软钎焊技术组织：SOLDERTECSOLDERTEC；日本电子信息技术产业协会：日本电子信息技术产业协会： JEITAJEITA（Japan Electronics and Information Technology Japan Electronics and Informati

12、on Technology Industries Association Industries Association）；）；美国的国家制造科学研究中心：美国的国家制造科学研究中心： NCMSNCMS（National Center for Manufacturing SciencesNational Center for Manufacturing Sciences）；）；英国的国际锡业研究学会：英国的国际锡业研究学会： ITRI ( International Tin Research Institute)ITRI ( International Tin Research Institut

13、e)；日本的新能源开发组织：日本的新能源开发组织： NEDONEDO（New Energy Development OrganizationNew Energy Development Organization） 14第一章第一章 电子产品制造中的微连接技术电子产品制造中的微连接技术151 11 1 电子产品制造工艺简介电子产品制造工艺简介芯片及其上集成电路的制作芯片及其上集成电路的制作161. 1. 集成电路芯片制作集成电路芯片制作 直拉法制作单晶：直拉法制作单晶： 1 1）将硅的小块放入石英坩埚）将硅的小块放入石英坩埚 中，加热到硅的熔点中，加热到硅的熔点 14151415； 2 2）把一

14、个单晶硅的籽晶夹）把一个单晶硅的籽晶夹 持在旋转轴的一端，并使持在旋转轴的一端，并使 轴下降并使籽晶接触到熔轴下降并使籽晶接触到熔 融的硅的表面。融的硅的表面。 3 3）将轴和坩埚向相反方向旋）将轴和坩埚向相反方向旋 转，同时把籽晶拉离熔融转，同时把籽晶拉离熔融 的硅，就会在籽晶的硅，就会在籽晶/ /熔融熔融 硅界面处形成和籽晶结构硅界面处形成和籽晶结构 完全相同的硅晶体。完全相同的硅晶体。17 生长生长n n型或型或p p型晶体：型晶体： 在熔融硅中加入少量杂质（掺杂剂）：在熔融硅中加入少量杂质（掺杂剂）： 1 1）磷、锑、砷）磷、锑、砷-n-n型半导体晶体；型半导体晶体； 2 2）硼）硼-

15、p-p型半导体晶体。型半导体晶体。 硅圆片的制作：硅圆片的制作： 1 1）单晶硅锭）单晶硅锭-切磨成直径均匀的圆棒切磨成直径均匀的圆棒-测定晶体取测定晶体取 向、导电类型（向、导电类型（n n型或型或p p型）和电阻率；型）和电阻率； 2 2）内圆锯刀片或线切割将硅锭切成薄圆片）内圆锯刀片或线切割将硅锭切成薄圆片0.5-0.75mm0.5-0.75mm； 3 3）激光打标、磨削抛光成镜面；）激光打标、磨削抛光成镜面； -完成集成电路的半导体衬底，即硅圆片制作。完成集成电路的半导体衬底，即硅圆片制作。182. 2. 圆片上集成电路制造圆片上集成电路制造氧化：氧化： 使圆片表面获得一层使圆片表面获

16、得一层SiOSiO2 2，SiOSiO2 2是一种有效介质，是一种有效介质，可以用于构造集成电路元件。可以用于构造集成电路元件。 纯氧气氛下加热晶圆片至纯氧气氛下加热晶圆片至900-1200;900-1200; 水蒸汽可以加速氧化过程水蒸汽可以加速氧化过程; ; 厚度厚度:0.015-0.5:0.015-0.5微米微米19 2 2）光刻：）光刻： 把代表集成电路的单元构件通过光掩膜和刻蚀转移把代表集成电路的单元构件通过光掩膜和刻蚀转移到圆片上。到圆片上。20 3）外延生长：）外延生长： 硅片表面硅片表面-化学气相沉积化学气相沉积方法一层很薄的硅方法一层很薄的硅（约（约2525微米）微米）-获得

17、获得p-np-n节的技术。节的技术。 基本步骤基本步骤: : 将硅片放入惰性气体反应室，加热到相应的温将硅片放入惰性气体反应室，加热到相应的温度度将反应剂气体以特定的流速导入冲击到将反应剂气体以特定的流速导入冲击到硅片表面硅片表面反应剂被圆片吸收反应剂被圆片吸收，通过，通过与圆片与圆片发生化学反应生长外延层发生化学反应生长外延层把把掺杂剂气体掺杂剂气体导导入反应室，与入反应室，与外延层结合生成外延层结合生成n n型或型或p p型材料型材料。214 4）金属化：）金属化： 沉积一层或多层导电材料形成沉积一层或多层导电材料形成芯片表面键合区芯片表面键合区- - 以便形成芯片与外电路之间的互连。以便

18、形成芯片与外电路之间的互连。 铝、铝、CuCu、铂、钛、钨、钼和金可用于金属化工艺。、铂、钛、钨、钼和金可用于金属化工艺。 铝使用最广泛铝使用最广泛: : 与硅以及二氧化硅的与硅以及二氧化硅的接触电阻小，沸点低接触电阻小，沸点低、容易、容易 实现沉积。实现沉积。 a) a) 化学气相沉积（化学气相沉积（CVDCVD）：）：W W 工艺步骤：工艺步骤：1) SiH41) SiH4热分解形成硅热分解形成硅2) 3Si + 2WF6 2) 3Si + 2WF6 3 SiF43 SiF4W W3) 2WF6 + 3 SiH4 3) 2WF6 + 3 SiH4 3 SiF4 + 6H2 3 SiF4 +

19、 6H2 + W4)WF6+ 3 H2 4)WF6+ 3 H2 6 HF6 HFW W22 由于覆层均匀而成为金属化技术的主流由于覆层均匀而成为金属化技术的主流-电场中使惰电场中使惰 性气体（氩）电离后加速轰击铝靶，通过粒子能量打性气体（氩）电离后加速轰击铝靶，通过粒子能量打 出或者说出或者说“溅射溅射”出铝原子出铝原子-沉积到晶圆片上。沉积到晶圆片上。 b) b) 溅射沉积（物理气相沉积溅射沉积（物理气相沉积PVDPVD）：）：AlAl23c) c) 电镀工艺电镀工艺原理：原理：电解溶液中，直流电源加在电解溶液中，直流电源加在晶片（阴极）晶片（阴极）和铜阳极间和铜阳极间-电电流产生并在溶液中

20、形成电场流产生并在溶液中形成电场-阳极的铜转化成铜离子和阳极的铜转化成铜离子和电子电子-阴极铜离子与电子结合形成镀在晶片表面的铜阴极铜离子与电子结合形成镀在晶片表面的铜。24 5 5）钝化：）钝化： 键合区之外气相沉积并形成键合区之外气相沉积并形成SiO2SiO2或氮化硅钝化层或氮化硅钝化层 保护铝互连电路保护铝互连电路-免受潮气和污染影响。免受潮气和污染影响。 6 6）背面研磨：）背面研磨： 减薄圆片以适应封装高度。减薄圆片以适应封装高度。 7 7）背面金属化：）背面金属化： 真空蒸发或溅射在芯片背面形成金膜真空蒸发或溅射在芯片背面形成金膜-与芯片粘接区实现与芯片粘接区实现 电连接电连接-或

21、通过共晶键合到陶瓷基板或通过共晶键合到陶瓷基板 8 8）电性能测试：）电性能测试： 测试探针与圆片表面焊盘接触，可以测试芯片的电特性。测试探针与圆片表面焊盘接触，可以测试芯片的电特性。 9 9）芯片切割：）芯片切割： 圆片分割并分离成单个的芯片。圆片分割并分离成单个的芯片。25 芯片与芯片载体、外部引线之间、即元器件内部使用的互连技术芯片与芯片载体、外部引线之间、即元器件内部使用的互连技术 3. 3. 集成电路（集成电路（ICIC）芯片封装（一级封装）芯片封装（一级封装）SOPSOP(Small Outline Package)(Small Outline Package)26 BGA: (B

22、all Grid Array)BGA: (Ball Grid Array)27 FC: (Flip Chip)FC: (Flip Chip) 28 封装必须满足：封装必须满足： 1 1）电学（静电放电破坏）指标；）电学（静电放电破坏）指标； 2 2）热学（功率耗散）指标；）热学（功率耗散）指标； 3 3）质量、可靠性）质量、可靠性( (机械应力、环境应力机械应力、环境应力 潮气）指标潮气）指标; ; 4 4）成本控制指标。）成本控制指标。293.1 IC 3.1 IC 组装工艺芯片到封装的互连组装工艺芯片到封装的互连 1) 1) 芯片粘接芯片粘接: : 将芯片背面机械地粘接到层压陶瓷或层压基板

23、腔室内的芯片粘接区将芯片背面机械地粘接到层压陶瓷或层压基板腔室内的芯片粘接区 方式方式1 1金属合金键合：金属合金键合： 材料：材料：AuSiAuSi共晶、共晶、AuSnAuSn共晶或软钎料；用于陶瓷封装；共晶或软钎料；用于陶瓷封装； 优点：良好的剪切强度、界面导热性和防潮性；优点：良好的剪切强度、界面导热性和防潮性； 缺点：工艺温度较高，会对芯片引入缺点：工艺温度较高，会对芯片引入较大的热应力较大的热应力。 方式方式2 2有机粘接：有机粘接： 材料：环氧树脂、聚酰亚胺浆料；用于陶瓷和塑料封装；材料：环氧树脂、聚酰亚胺浆料；用于陶瓷和塑料封装； 优点：环氧树脂固化温度低，可用于优点：环氧树脂固

24、化温度低，可用于粘接大芯片粘接大芯片。 方式方式3 3无机粘接：无机粘接： 材料：填银玻璃，即片状填银环氧粘接剂；材料：填银玻璃，即片状填银环氧粘接剂； 特点：既可特点：既可导电导电、降低芯片背面和基板间的电阻，又可、降低芯片背面和基板间的电阻，又可导导 热热，在芯片和封装的支撑物之间提供一条导热通路，在芯片和封装的支撑物之间提供一条导热通路30 2) 2) 引线键合引线键合 wire bonding wire bonding 芯片剪切强度：芯片剪切强度：MIL-STD-883(2019MIL-STD-883(2019方法方法) )引线键合强度：引线键合强度：MIL-STD-883(2011M

25、IL-STD-883(2011方法方法) ) 31a) a) 金丝的热压球形楔形键合（或热超声焊）金丝的热压球形楔形键合（或热超声焊）球形楔形热超声金丝键合工艺步骤球形楔形热超声金丝键合工艺步骤32b b）铝丝）铝丝( (或金丝或金丝) )的超声楔形楔形键合的超声楔形楔形键合3334 3) 3) 载带自动焊（载带自动焊（TAB-Tape Automated BondingTAB-Tape Automated Bonding） 特点：特点： a) a) 整体一次自动键合，速度快、成本低、电性能和键合强度更高；整体一次自动键合，速度快、成本低、电性能和键合强度更高； b) TABb) TAB键合焊

26、盘尺寸和节距都小于引线键合键合焊盘尺寸和节距都小于引线键合, ,减小了芯片尺寸。减小了芯片尺寸。35 原理：原理： a) a) 使用使用曝光显影曝光显影/ /腐蚀工艺腐蚀工艺在在“电影胶片电影胶片”式的绝缘导体式的绝缘导体 载带上制作导体图形。载带上制作导体图形。 b) b) 导体从导体从节距为节距为0.05-0.10mm0.05-0.10mm的高密度梁处扇出到节距为的高密度梁处扇出到节距为 0.15-0.50mm0.15-0.50mm的外部外键合位置，再往外延伸到节距为的外部外键合位置，再往外延伸到节距为 1.27mm1.27mm的测试焊盘上。的测试焊盘上。 c) c) 将梁式引线同将梁式引

27、线同ICIC芯片键合（内引线键合芯片键合（内引线键合ILBILB）后，对载带）后，对载带 上的芯片进行上的芯片进行电学测试电学测试，最后，按照设计尺寸，最后，按照设计尺寸切断外引切断外引 线线, ,通过外引线键合通过外引线键合(OLB)(OLB)将芯片连接到下一级封装将芯片连接到下一级封装36 TAB TAB互连方法互连方法1 1 - - 带凸点的芯片技术带凸点的芯片技术37 TABTAB互连方法互连方法2 -2 -带凸点的载带技术带凸点的载带技术 38 倒装芯片倒装芯片-芯片上的芯片上的引出端面朝下引出端面朝下放置在基板上的对应焊盘上，放置在基板上的对应焊盘上，通过导电凸点实现电学互连。通过

28、导电凸点实现电学互连。 4) 4) 倒装芯片键合倒装芯片键合 （Flip Chip)Flip Chip) 面阵列排布面阵列排布-所有键合技术中所有键合技术中最高的最高的 I/OI/O互连密度互连密度 良好的电性能和热性能良好的电性能和热性能, ,可靠性好可靠性好 必须在芯片的互连位置必须在芯片的互连位置制作制作凸起的凸起的焊凸点焊凸点39 凸点材料：凸点材料： a) a) 钎料钎料 单一钎料连接：单一钎料连接： 高高Pb (3Sn97PbPb (3Sn97Pb、5Sn95Pb )5Sn95Pb )陶瓷芯片载体；陶瓷芯片载体； 低低Pb (60Sn40Pb )Pb (60Sn40Pb )有机芯片

29、载体有机芯片载体 双钎料连接：高熔点凸点用低熔点钎料连接到芯片载体双钎料连接：高熔点凸点用低熔点钎料连接到芯片载体 C4-Controled Collapse Chip Connection)C4-Controled Collapse Chip Connection) b) b) 金属：金属：AuAu、CuCu c) c) 导电环氧树脂导电环氧树脂: :低成本、低可靠性低成本、低可靠性40 UBM (Under-Bump Metallurgy)UBM (Under-Bump Metallurgy)： a) a) 芯片焊盘与凸点之间的金属过渡层芯片焊盘与凸点之间的金属过渡层 b) b) 通常采用

30、溅射、蒸发、化学镀或电镀方法形成通常采用溅射、蒸发、化学镀或电镀方法形成 焊凸点制作焊凸点制作 a) a) 制作时期：制作时期： 高可靠性的焊凸点制作，是在高可靠性的焊凸点制作，是在ICIC还处于圆片还处于圆片 阶段时制作焊凸点。阶段时制作焊凸点。 41 b) b) 典型制作方法：典型制作方法： 蒸发沉积法：蒸发沉积法：42 模板印刷法：模板印刷法： 将钎料印刷到芯片将钎料印刷到芯片 焊盘上，回流形成焊盘上，回流形成 焊凸点。焊凸点。43 电镀法：将钎料电镀到浸润的芯片焊盘上，回流形成电镀法：将钎料电镀到浸润的芯片焊盘上，回流形成焊凸点。焊凸点。44钉头凸点法：钉头凸点法：45铜钉头凸点作为焊

31、料的铜钉头凸点作为焊料的粘附层粘附层，而，而不需要使用不需要使用UBMUBM或或化学镀镍化学镀镍/ /金凸点金凸点，简化了工艺流程，简化了工艺流程 46钎料传送法：钎料传送法：47微球法：微球法：48钎料液滴喷射（印刷）法：钎料液滴喷射（印刷）法：a a）连续喷射：）连续喷射：频率：频率：5000500044000Hz44000Hz在在压电传感器压电传感器驱动及驱动及机械机械振动振动触发下触发下, ,金属流断开金属流断开形形成非常均匀一致的熔化金成非常均匀一致的熔化金属液滴；属液滴；优点：优点：由由CADCAD控制，控制，不需要掩膜设备不需要掩膜设备49偏转电场偏转电场-控制液滴运动轨迹；控制

32、液滴运动轨迹；部分部分液滴喷射到焊盘上液滴喷射到焊盘上-其余进入回收器重复使用；其余进入回收器重复使用；连续喷射连续喷射液滴直径是喷嘴直径的两倍液滴直径是喷嘴直径的两倍；喷嘴周围同喷嘴周围同惰性气体惰性气体-一方面促进液滴的断开喷射一方面促进液滴的断开喷射, ,同同 时防钎料液滴氧化；时防钎料液滴氧化；缺点：缺点：大量喷出液滴并未被使用大量喷出液滴并未被使用, ,虽然采用了配套的再循环系统虽然采用了配套的再循环系统, ,但仍不能完全克服这一缺点。但仍不能完全克服这一缺点。50b b）按需喷射：）按需喷射：频率：频率：2000Hz2000Hz以下以下流体周围的流体周围的压电材压电材料变形或电阻加

33、热料变形或电阻加热（脉冲频率）（脉冲频率）-引起流体体积的引起流体体积的脉脉冲冲变化变化-引起流体压力引起流体压力/ / 速速度脉冲变化度脉冲变化-促使钎料液滴由喷促使钎料液滴由喷嘴嘴脉冲喷出脉冲喷出51通过调节控制脉冲通过调节控制脉冲, ,只有当只有当需要时才产生液滴需要时才产生液滴；液滴尺寸液滴尺寸基本与喷嘴尺寸相同；基本与喷嘴尺寸相同；通常喷嘴与芯片焊盘通常喷嘴与芯片焊盘间距仅间距仅1 mm1 mm , ,液滴运动过程中液滴运动过程中所受的外部影响很小；所受的外部影响很小；喷嘴周围喷嘴周围惰性气体惰性气体保护保护, ,可保证钎料液滴成形并防可保证钎料液滴成形并防止氧化。止氧化。52 典型

34、的倒装芯片组装工艺流（底填充典型的倒装芯片组装工艺流（底填充-防潮、减小防潮、减小TCETCE应力）应力） 533.2 IC 3.2 IC 组装工艺其他组装工艺组装工艺其他组装工艺1).1).气密封装的封盖气密封装的封盖 目的目的-保护保护ICIC、防止外界污染。可用、防止外界污染。可用玻璃或金玻璃或金 属属完成气密封接，或用完成气密封接，或用聚合物聚合物完成非气密封接。完成非气密封接。 2 2）环氧包封（覆盖芯片表面和脆弱的引线键合）环氧包封（覆盖芯片表面和脆弱的引线键合） 材料选择：材料选择：机械强度、与机械强度、与SiSi和基板和基板的粘接性、同硅和基板的粘接性、同硅和基板的的CTECT

35、E兼容性、耐温性和兼容性、耐温性和耐湿性、电绝缘、化学耐湿性、电绝缘、化学稳定性以及流动性。稳定性以及流动性。543 3）清洗工艺）清洗工艺清洗时间：引线键合、清洗时间：引线键合、FCFC下填料填充、包封或盖板密封之前。下填料填充、包封或盖板密封之前。清洗目的：一是有机溶剂去除影响键合性能的有机物；清洗目的：一是有机溶剂去除影响键合性能的有机物； 二是水去除引起腐蚀的离子化合物，这些离子化合物二是水去除引起腐蚀的离子化合物，这些离子化合物 可能引起表面电荷积累。可能引起表面电荷积累。4 4）BGABGA封装的焊球连接封装的焊球连接 包括将助焊剂涂到包括将助焊剂涂到BGABGA焊盘、焊球放置、焊

36、料回流、清洗焊盘、焊球放置、焊料回流、清洗 和检验。和检验。5556工工 艺艺近似工艺温度近似工艺温度/芯片粘接芯片粘接共晶键合共晶键合软钎焊（软钎焊（5Sn95Pb5Sn95Pb）银玻璃银玻璃环氧树脂环氧树脂金硅（金硅（98Au2Si98Au2Si）金磷（金磷（99.5Au0.5P99.5Au0.5P）金锡（金锡（80Au20Sn80Au20Sn）425425450450280280315315375375175175芯片与外电路芯片与外电路间互连间互连引线键合引线键合载带自动焊载带自动焊（带凸点的芯片或载带）（带凸点的芯片或载带）倒装芯片倒装芯片热压热压超声超声超声热压超声热压热压热压超声

37、超声超声热压超声热压钎焊（钎焊（63Sn37Pb63Sn37Pb）300300400400室温室温150150300300400400室温室温150150215215封装密封封装密封气密封装气密封装非气密封装非气密封装钎焊（钎焊（5Sn95Pb5Sn95Pb）钎焊（钎焊（AuAuSnSn）平行缝焊平行缝焊玻璃密封玻璃密封环氧模塑环氧模塑3153153203203503501000100015001500（局部）（局部）420420175175二级封装互连二级封装互连陶瓷陶瓷BGABGA塑料塑料BGABGA焊柱焊接（焊柱焊接（10Sn90Pb10Sn90Pb）焊球（焊球（63Sn37Pb63Sn

38、37Pb）305305215215573.2 IC3.2 IC封装工艺封装工艺1 1）模塑封装模塑封装技术技术 特点：高可靠性和成本低的原因被工业界广泛接受，特点：高可靠性和成本低的原因被工业界广泛接受， 封装是非气密性的。封装是非气密性的。后模塑封装技术的典型后模塑封装技术的典型QFPQFP剖面图剖面图 后模塑封装技术后模塑封装技术58 后模塑封装技术的封装组装流程后模塑封装技术的封装组装流程 流程流程材料材料零部件零部件1 1安装芯片安装芯片聚合物粘接剂聚合物粘接剂AuSiAuSi、共晶焊、共晶焊料料ICIC芯片芯片引线框架：铜、铜合金或引线框架：铜、铜合金或4242合金合金（4242Ni

39、Ni余量为余量为FeFe）（管芯粘接区和引线键合指（管芯粘接区和引线键合指部分局部镀银或镀金）部分局部镀银或镀金）2 2引线键合引线键合AuAu引线丝引线丝3 3模塑模塑模塑料模塑料4 4切筋、引线涂切筋、引线涂覆、引线成形覆、引线成形SnPbSnPb或或SnSn5 5功能测试功能测试59 前模塑封装技术的封装组装流程前模塑封装技术的封装组装流程流程流程材料材料零部件零部件1 1模塑模塑铜或铜或4242合金合金模塑料模塑料引线框架引线框架2 2安装芯片安装芯片 聚合物粘接剂聚合物粘接剂ICIC芯片芯片3 3引线键合引线键合AuAu引线丝引线丝（0.025-0.032mm0.025-0.032m

40、m）4 4包封包封- -封盖封盖包覆聚合物包覆聚合物盖板粘接剂盖板粘接剂5 5切筋、引线涂覆、切筋、引线涂覆、引线成形引线成形SnPbSnPb或或SnSn或或AuAu6 6功能测试功能测试60 前模塑封装技术前模塑封装技术后模塑封装易引起的后模塑封装易引起的引线跨度变形和芯片表面应引线跨度变形和芯片表面应变变等问题，前模塑封装避免了这些封装应力。等问题，前模塑封装避免了这些封装应力。612 2）层压塑料层压塑料技术技术 层压材料：层压材料： a) a) 早期早期FR-4FR-4环氧树脂环氧树脂基板，其中的阻燃剂引起的污染较基板，其中的阻燃剂引起的污染较 严重，且严重，且FR-4FR-4环氧树脂

41、基板的玻璃化转变温度较低环氧树脂基板的玻璃化转变温度较低 140140）与许多标准的）与许多标准的ICIC组装工艺不兼容组装工艺不兼容- -软化软化; ; b) b) 目前采用高温环氧树脂、聚铣亚胺、双马来酰亚胺三目前采用高温环氧树脂、聚铣亚胺、双马来酰亚胺三 嗪树脂（嗪树脂（BTBT树脂）树脂）等基板材料，其玻璃化等基板材料，其玻璃化 温度范围温度范围 在在180180240240。 通孔插装类型（通孔插装类型（THTH）的塑料针栅阵列（）的塑料针栅阵列（PPGAPPGA）和表面组装）和表面组装 用的塑料焊球阵列（用的塑料焊球阵列（PBGAPBGA）。）。 62 塑料针栅阵列（塑料针栅阵列（

42、PPGAPPGA）63 a) a) 底部底部压配安装圆形插针压配安装圆形插针并用焊料焊到印制电路板上。并用焊料焊到印制电路板上。 插针插针通常为直径通常为直径0.46mm0.46mm的的磷铜磷铜，而不是，而不是陶瓷封装陶瓷封装 中使用的较昂贵的中使用的较昂贵的可伐或可伐或4242合金合金；插针镀焊料；插针镀焊料（60Sn40Pb60Sn40Pb或或10Sn90Pb10Sn90Pb），基板通孔镀金或焊料），基板通孔镀金或焊料64C) C) 芯片下面可以设置导热通孔或导热铜块，使得芯片下面可以设置导热通孔或导热铜块，使得PPGAPPGA和和Al2O3Al2O3共烧层压陶瓷的共烧层压陶瓷的CPGAC

43、PGA相比，其电学性能和热相比，其电学性能和热学性能相当，甚至更好。学性能相当，甚至更好。65 塑料焊球阵列（塑料焊球阵列（PBGAPBGA）封装）封装同同PPGAPPGA相比，相比，用焊球用焊球代替插针代替插针。b) b) 双面或多层双面或多层PWBPWB基板，基板，通孔通孔将顶层表面的信号印将顶层表面的信号印制线互连到基板底部相应制线互连到基板底部相应焊盘上；再将焊球粘接到焊盘上；再将焊球粘接到封装底面就完成了组装。封装底面就完成了组装。基板基板（BTBT树脂）为芯片、包封结构和焊球（引针）提供树脂）为芯片、包封结构和焊球（引针）提供结构支撑结构支撑，同时也方便了芯片与母板间的电气连接，同

44、时也方便了芯片与母板间的电气连接66C C） 基板焊盘基板焊盘-电镀或化学镀电镀或化学镀Ni/Au-Ni/Au-防止氧化和实现防止氧化和实现引线键合和焊球连接。引线键合和焊球连接。标准焊盘节距和焊球直径的对应尺寸标准焊盘节距和焊球直径的对应尺寸焊球间距焊球间距（mmmm）焊球直径焊球直径（mmmm）0.50.50.30+0.10/-0.050.30+0.10/-0.050.80.80.40+0.10/-0.050.40+0.10/-0.05或或0.50+0.10/-0.100.50+0.10/-0.101.01.00.50+0.10/-0.100.50+0.10/-0.100.63+0.10/

45、-0.100.63+0.10/-0.101.271.270.75+0.15/-0.150.75+0.15/-0.151.501.500.75+0.15/-0.150.75+0.15/-0.1567 ABGA (Advanced BGA) 68PBGAPBGA优点：优点：a) a) 高互连密度；高互连密度；优良的热学电学性能优良的热学电学性能( (芯片下镀通孔将热量直芯片下镀通孔将热量直接通过焊球流向母板的导热通道接通过焊球流向母板的导热通道; ;电感小电感小) )c) c) 消除了窄节距焊膏印刷困难、降低桥连缺陷消除了窄节距焊膏印刷困难、降低桥连缺陷d) d) 焊料回流过程中的自对准功能；焊料

46、回流过程中的自对准功能；较低共面性要求较低共面性要求，0.150.150.2mm0.2mmf) f) 外形更低外形更低；69塑封器件含多种材料塑封器件含多种材料-CTE-CTE、热导率和弹性、热导率和弹性性能都不相同性能都不相同-焊点失效大部分焊点失效大部分CTECTE失配失配+ +温温度循环中的热疲劳造成。度循环中的热疲劳造成。 其他的失效机理还有蠕变开裂、焊点其他的失效机理还有蠕变开裂、焊点/ /焊焊盘界面的盘界面的IMCIMC开裂。开裂。 潮气敏感性潮气敏感性: :现有的塑封器件的许多材料都现有的塑封器件的许多材料都容易吸潮，储存期间吸收的潮气在焊料回流容易吸潮，储存期间吸收的潮气在焊料

47、回流时可能引起时可能引起内部分层（爆米花现象）和产生内部分层（爆米花现象）和产生裂纹裂纹。703 3）模压陶瓷封装模压陶瓷封装（难熔玻璃密封）技术（难熔玻璃密封）技术 封装的气密性受到封接玻璃的粘接性、机械强封装的气密性受到封接玻璃的粘接性、机械强 度和母体玻璃中填充料的溶解性影响。度和母体玻璃中填充料的溶解性影响。 气密性封接的低成本气密性封接的低成本ICIC芯片包封芯片包封 MIL-STD-883MIL-STD-883标准标准10141014方法规定：封装漏率定义为方法规定：封装漏率定义为“2525下，在高压一侧的为一个大气压和低压一下，在高压一侧的为一个大气压和低压一侧不大于侧不大于1m

48、m1mm汞柱的情况下每秒通过的单个或多个汞柱的情况下每秒通过的单个或多个泄漏通道的干燥空气量泄漏通道的干燥空气量”。71 工艺工艺1 1： 引线框架未预埋在底座中，陶瓷盖板直接与引线框引线框架未预埋在底座中，陶瓷盖板直接与引线框架连接，连接材料为密封玻璃架连接，连接材料为密封玻璃-需需较高温度较高温度（高于（高于400400）-故使用故使用全铝的单金属系统全铝的单金属系统（芯片上铝焊盘、（芯片上铝焊盘、超声铝引线楔形楔形键合和淀积了铝的引线键合指超声铝引线楔形楔形键合和淀积了铝的引线键合指组成）组成）-避免避免AuAuAlAl键合的紫斑现象。键合的紫斑现象。工艺工艺2 2： 工业界称窗口框架封

49、装，引线框架工业界称窗口框架封装，引线框架预埋预埋在底座在底座 中，陶瓷盖板与陶瓷窗口框架之间的连接中，陶瓷盖板与陶瓷窗口框架之间的连接-可可 使用使用低温焊料低温焊料完成气密封装完成气密封装-IC-IC芯片免受高温芯片免受高温 玻璃封接的影响玻璃封接的影响-适于高温敏感元件。适于高温敏感元件。72 模压陶瓷模压陶瓷ICIC组装技术流程组装技术流程 流程流程材料材料零部件零部件1 1安装芯片安装芯片掺银玻璃浆料掺银玻璃浆料预成型金属预成型金属ICIC芯片、封装、窗口芯片、封装、窗口框架框架2 2引线键合引线键合AuAu、AlAl引线丝引线丝（0.0250.032mm0.0250.032mm）3

50、 3 密封密封密封玻璃密封玻璃或低温焊料或低温焊料陶瓷或金属盖板陶瓷或金属盖板引线验试切筋、引线验试切筋、浸渍焊料、浸渍焊料、引线成形引线成形SnPbSnPb焊料浸渍焊料浸渍5 5功能测试功能测试734 4）共烧层压陶瓷封装技术）共烧层压陶瓷封装技术 目前目前ICIC封装技术中封装技术中可靠性最高的一种，可靠性最高的一种，用于单用于单 芯片封装、混合集成电路、多芯片模块（芯片封装、混合集成电路、多芯片模块（MCMMCM） 等复杂的封装中。等复杂的封装中。 包括高温共烧陶瓷技术（包括高温共烧陶瓷技术（1600 1600 ）和低温共烧）和低温共烧 陶瓷技术（陶瓷技术（85085010001000）

51、，二者制造过程完全），二者制造过程完全 相同。相同。74共烧层压陶瓷技术的工艺流程共烧层压陶瓷技术的工艺流程 75 DIP DIP (Double In-line Package)(Double In-line Package)封装中所用的封装中所用的 共烧层压陶瓷共烧层压陶瓷技术技术CBGACCGA76 PBGA-CBGA-CCGA (Ceramic Column Grid Array）标准标准BGABGA封装引脚间距封装引脚间距0.5,0.8,1.0,1.27,1.5mm0.5,0.8,1.0,1.27,1.5mm系列，系列，焊球直径为焊球直径为0.30.30.75mm) 0.75mm)

52、；引脚在元器件下，焊接时有阴影效应引脚在元器件下，焊接时有阴影效应, ,焊后质量检查困难；焊后质量检查困难；焊球共面性要求为焊球共面性要求为0.15-0.2mm0.15-0.2mm7778794. 4. 元器件与电路板连接（二级封装）元器件与电路板连接（二级封装） 4.1 4.1 电子元器件的发展历程电子元器件的发展历程互连类型：互连类型： 通孔插入（通孔插入（PHT-Through Hole TechnologyPHT-Through Hole Technology） 表面安装（表面安装（SMT-Surface Mounting TechnologySMT-Surface Mounting Technology） 804.2 4.2 通孔插装型电子元器件通孔插装型电子元器件 DIP(Double In-line Package) DIP(Doub