电子制造中的微连接技术

2022/12/251微连接在电子工业中的应用

连接是电子设备制造中的关键工艺技术，印制电路板上许多集成电路器件、阻容器件以及接插件等按照原理电路要求通过软钎焊(Soldering)等方法连接构成完整的电路；在集成电路器件制造中，芯片上大量的元件之间通过薄膜互连工艺连接成电路，通过丝球键合(Wire/BallBonding)、倒扣焊(FlipChip)等方式将信号端与引线框架或芯片载体上的引出线端相互连接，实现封装。连接同时起到电气互连和机械固定连接的作用，绝大多数采用钎焊、固相焊、精密熔化焊等冶金连接方法，也有导电胶粘接、记忆合金机械连接等方法。2022/12/2522022/12/2532022/12/254ASEF/EFlowUVTapeWaferMountBGTapeWaferTapingWaferde-tapingBGTapeWaferGrindinggrindwheelFrame2022/12/255WaferSawingDieAttachUVIrradiatorEpoxyCureWireBond2022/12/256封装是在器件周围形成一个确定形状的物体，提供电源、信号分配及调速、散热、保护等功能2022/12/257（1）零级封装（2）一级封装一级封装就是IC的封装。它是电子封装中最活跃、变化最快的领域。一级封装的种类繁多、结构多样。2022/12/2582022/12/259（3）二级和三级封装2022/12/25102.3电子制造中的微连接技术2022/12/20112.3.1内引线连连接微电子器器件中固固态电路路内部互互连线的的连接，，即芯片片表面电电极(金属化层层材料，，主要为为Al)与引线框框架(leadframe)之间的连连接。按按照内引引线形式式，可分分为丝材材键合、、梁式引引线技术术、倒装装芯片法法和载带带自动键键合技术术。2.3.1.1丝材键合合(wirebonding)把普通的的焊接能能源（热热压、超超声或两两者结合合）与健健合的特特殊工具具及工艺艺（球-劈刀法、、楔-楔法）相相结合，，形成了了不同的的健合方方法，从从而实现现了直径径为10～200μμm的金属丝丝与芯片片电极－－金属膜膜之间的的连接。。该技术术通常采采用热压压、超声声和热超超声方法法进行。。2022/12/2012（1）热压键合通通过过压力与加热热，使接头区区产生典型的的塑性变形。。热量与压力力通过毛细管管形或楔形加加热工具直接接或间接地以以静载或脉冲冲方式施加到到键合区。只只有金丝才能能保证键合可可靠性，但对对于Au-Al内引线键合系系统，在焊点点处又极易形形成导致焊点点机械强度减减弱的“紫斑斑”(purpleplague)缺陷。2022/12/2013（2）超声波键合合利利用超超声波的能能量，使金金属丝与铝铝电极在常常温下直接接键合。由由于键合工工具头呈楔楔形，故又又称楔压焊焊。超声波波振动平行行于键合面面，压力垂垂直于键合合面。超声声波能量被被金属丝吸吸收，使金金属丝发生生流变，并并破坏工件件表面氧化化层，暴露露出洁净的的表面，在在压力作用用下很容易易相互粘合合而完成冷冷焊。该方方法一般采采用Al或Al合金丝，既既可避免Au丝热压焊的的“紫班””缺陷，又又降低了生生产成本。。缺点是尾尾丝不好处处理，不利利于提高器器件的集成成度，而且且实现自动动化的难度度较大，生生产效率也也比较低。。2022/12/2014(3)丝材热超声声波键合(wirethermocompressionbonding)利用热压与与超声波两两者的优点点，超声波波与热共同同作用，一一方面可振振动去膜，，另一方面面利用了热热扩散作用用，因此，，温度可以以低于热压压法。特别别适用于难难于连接的的厚膜混合合基板的金金属化层。。2022/12/2015（4）丝球焊丝材通过空空心劈刀的的毛细管穿穿出，然后后经过电弧弧放电使伸伸出部分熔熔化，并在在表面张力力作用下成成球形，然然后通过劈劈刀将球压压焊到芯片片的电极上上。该方法法一般采用用Au丝。近年来来，国际上上一直寻求求采用Al丝或Cu丝替代Al丝球焊，到到80年代，国外外Cu丝球焊已在在生产中应应用。国内内研制的Cu丝球焊装置置，采用受受控脉冲放放电式双电电源形球系系统，并用用微机控制制形球高压压脉冲的数数、频率、、频宽比以以及低压维维孤时间，，从而实现现了对形球球能量的精精确控制和和调节，在在氩气保护护条件下确确保了Cu丝形球质量量。2022/12/2016打线线结结合合(WireBonding)芯片片焊焊盘盘框架架焊焊盘盘银胶胶/胶带带金线线芯片片TieBar芯片片俯视视图图正视视图图引脚脚2022/12/20172.3.1.2梁引线技技术（beam-leadbonding）采用复式式沉积方方式在半半导体硅硅片上制制备出由由多层金金属组成成的梁，，以这种种梁来代代替常规规内引线线与外电电路实现现连接。。这种方方法主要要在军事事、宇航航等要求求长寿命命和高可可靠性的的系统中中得到应应用。其其优点在在于提高高内引线线焊接效效率和实实现高可可靠性连连接，缺缺点是梁梁的制造造工艺复复杂，散散热性能能较差，，且出现现焊点不不良时不不能修补补。2022/12/20182.3.1.4倒装芯芯片法法（flip-chip）随着大大规模模和超超大规规模集集成电电路的的发展展，微微电子子器件件内引引线的的数目目也随随之增增加。。丝球球焊作作为一一种连连接技技术，，不论论是焊焊接质质量、、还是是焊接接效率率都不不能适适应大大规模模生产产的要要求，，群焊焊技术术便应应运而而生。。倒装装芯片片法在在60年代由由IBM公司开开发，，主要要用于于厚膜膜电路路。2022/12/2019Flip-ChipTechnologyGenericStructuresofFlip-ChipPackages首先在在硅片片上电电极处处预制制钎料料凸点点，同同时将将钎料料膏印印刷到到基板板一侧侧的引引线电电极上上，然然后将将硅片片倒置置，使使硅片片上的的钎料料凸点点与之之对位位，经经加热热后使使双方方的钎钎料熔熔为一一体，，从而而实现现连接接并同同时固固定基基板。。这种种方法法适用用于微微电子子器件件小型型化、、高功功能的的要求求。2022/12/2020金属凸台可分分为重熔的和和不可重熔的的两类。前者者用于再流软软钎焊，后者者用于热压焊焊。FC特点：(1)较小封装外形形尺寸；(2)提高电性能(3)高I/O密度；(4)改善疲劳性能能，提高可靠靠性；(5)可对裸芯片进进行测试，可可至少拆装10次。(6)但钎料凸点制制作复杂，焊焊后外观检查查困难。2022/12/20212.3.1.5载带自动键合合技术（TAB）载带自动健合合技术于1964年由美国通用用电气公司推推出，是在类类似于胶片的的柔性载带上上粘结金属薄薄片，在金属属薄片上经腐腐蚀作出引线线框图形，而而后与芯片上上的凸点进行行连接。目前前的TAB中，广泛采用用的是电镀Au的Cu引线框和芯片片上的Au凸点，进行热热压焊接。其其优点是生产产效率高，缺缺点是工艺也也很复杂，成成本较高，且且芯片的通用用性差。2022/12/2022TAB的载带是由一一系列的复制制的内引线图图案所组成。。或者说,在长而窄的薄薄铜带上将内内引线图案一一一腐蚀出来来。其周围有有铜的框架或或由贴附其上上的聚酰亚胺胺薄膜所支持。这这样铜带上腐腐蚀出的细而而扁平的指式式引线排便可可替代一般引引线技术的导导电丝,将器件芯片上上的I/O搭接片电连接接到外部世界界。载带的边边缘还被腐蚀蚀出与电影胶胶卷类似的齿齿孔,于是随带卷的的转动,引线的键合便便一步一步自自动进行。TAB2022/12/2023单层载带：由由蚀刻金属制制成。引线长长度受到限制制。双层载带：在在聚合物上镀镀金属图案。。三层载带：Cu箔与预先打好好孔的聚合物物薄膜用胶粘粘在一起，然然后刻蚀出引引线图案。传传送孔用模具具打出。TAB特点：(1)引线间距更小小；(2)能保证器件的的质量和可靠靠性；(3)自动化程度高高；(4)键合强度是丝丝材键合的3-10倍；(5)良好的高频特特性和散热特特性；(6)工艺复杂，成成本高，芯片片通用性差。。2022/12/20242.3.2印刷电电路板板组装装中的的微连连接技技术印刷电电路板板组装装是指指微电电子器器件信信号引引出端端（外外引线线）与与印刷刷电路路板（（PCB）上相相应焊焊盘之之间的的连接接。自自1962年日本本推出出陶瓷瓷基板板球栅栅阵列列（CBGA），1966年美国国RCA公司推推出片片式电电阻、、电容容，1971年Phlips公司正正式提提出表表面组组装概概念，，到1991年Motorola公司推推出树树脂基基板球球栅阵阵列（（PBGA），使使BGA技术走走向实实用化化，微微电子子器件件的外外引线线连接接技术术完成成了由由通孔孔插装装技术术（THT,through-holetechnology）到SMT的历史史性飞飞跃，，极大大地推推动了了微电电子技技术的的发展展。2022/12/20252.3.2.1波峰焊焊(wavesoldering;flowsoldering)借助于于钎料料泵把把熔融融态钎钎料不不断垂垂直向向上地地朝狭狭长出出口涌涌出，，形成成20～40mm高的的波波峰峰。。钎钎料料波波以以一一定定的的速速度度和和压压力力作作用用于于PCB上，，充充分分渗渗入入到到待待焊焊接接的的器器件件引引线线与与电电路路板板之之间间，，使使之之完完全全润润湿湿并并进进行行焊焊接接。。由由于于钎钎料料波波峰峰的的柔柔性性，，即即使使PCB不够够平平整整，，只只要要翘翘曲曲度度在在3％以以下下，，仍仍可可得得到到良良好好的的焊焊接接质质量量。。2022/12/2026在THT工艺艺中中，，主主要要采采用用单单波波峰峰焊焊。。引引线线末末端端接接触触到到钎钎料料波波，，毛毛细细管管作作用用使使钎钎料料沿沿引引线线上上升升，，钎钎料料填填满满通通孔孔，，冷冷却却后后形形成成钎钎料料圆圆角角。。但但钎钎料料波波峰峰垂垂直直向向上上的的力力会会给给一一些些较较轻轻的的器器件件带带来来冲冲击击，，造造成成浮浮动动或或虚虚焊焊。。而而在在SMT中由由于于有有诸诸多多难难点点很很难难应应用用。。2022/12/2027SMD元件件并并不不具具有有THD元件件那那样样的的安安装装插插孔孔，，钎钎剂剂受受热热后后挥挥发发出出的的气气体体无无处处散散逸逸，，另另外外SMD元件件具具有有一一定定的的高高度度和和宽宽度度，，且且组组装装密密度度大大，，钎钎料料的的表表面面张张力力作作用用将将形形成成屏屏蔽蔽效效应应，，使使钎钎料料很很难难及及时时润润湿湿并并渗渗透透到到每每个个引引线线，，此此时时采采用用单单峰峰焊焊会会产产生生大大量量的的漏漏焊焊和和桥桥连连，，为为此此，，开开发发出出了了双双波波峰峰焊焊。。前前峰峰较较窄窄而而多多头头，，形形成成湍湍流流排排出出气气体体减减弱弱表表面面张张力力，，后后峰峰为为双双向向宽宽平平波波，，去去处处多多余余钎钎料料，，消消除除缺缺陷陷。。其其缺缺点点是是印印制制电电路路板板经经过过两两次次波波峰峰，，受受热热量量较较大大，，一一般般耐耐热热性性差差的的电电路路板板易易变变形形翘翘曲曲。。2022/12/2028波峰焊技技术适合合于插装装型电子子线路的的规模化化生产，，在当前前的电子子工业中中仍具有有重要地地位，但但随着IC电路高密密度、小小型化的的发展，，体积更更小的表表面贴装装型电路路占的比比例越来来越大。。在焊接接形状变变化多样样、管脚脚间距极极小的元元件时，，波峰焊焊技术有有一定局局限性。。与此相相应的再再流焊技技术越来来越显示示出其重重要性。。为了克服服双波峰峰焊的缺缺点，近近年来又又开发出出了喷射射空心波波峰。空空心波喷喷射速度度高达100cm/s，接触时时间短。。2022/12/20292.3.2.2再流焊（（reflowsoldering）通过印制制或滴注注等方法法将钎料料膏涂敷敷在印制制电路板板的焊盘盘上，再再用专用用设备--贴片机在在上面放放置表面面贴装元元件，然然后加热热使预置置的钎料料膏或钎钎料凸点点重新熔熔化即再再次流动动，润湿湿金属焊焊盘表面面形成牢牢固连接接的过程程。根据据热源和和加热方方法的不不同，再再流焊主主要可分分为红外外再流焊焊、气相相再流焊焊和激光光再流焊焊。贴片过程程贴片机拾取2022/12/2030(1)红外再流流焊(infraredreflowsoldering)。红外再流流焊波长长范围：：1-7微米2022/12/2031再流焊温度度曲线的建建立是再流流焊技术中中一个非常常关键的环环节。按照照焊接过程程各区段的的作用，一一般将其分分为预热区区、保温区区、再流区区和冷却区区等4段。预热过程的的目的是为为了用一个个可控制的的速度来提提高温度，，以减少元元件和板的的任何热损损坏。保温主要是是为了平衡衡所有焊接接表面温度度，使SMA上所有元件在在这一段结束束时具有相同同的温度。再流区域里加加热器的温度度设置得最高高，使组件的的温度快速上上升至峰值温温度，一般推推荐为焊膏的的熔点温度加加20～40℃。而冷却过程使使得钎料在退退出加热炉前前固化，从而而得到明亮的的焊点并有好好的外形和低低的接触角度度。2022/12/2032利用红外线辐辐射加热实现现表面贴装元元件与印制电电路板之间连连接的软钎焊焊方法。一般般采用隧道加加热炉，热源源以红外线辐辐射为主，适适用于流水线线大批量生产产。且设备成成本较低，是是目前日本最最普遍的再流流焊方法。缺点是SMD因表面颜色的的深浅、材料料的差异及与与热源距离的的远近，所吸吸收的热量也也有所不同；；体积大的SMD会对小型SMD造成阴影，使使之受热不足足而降低焊接接质量；温度度的设定难以以兼顾周到。。2022/12/2033(2)气相再流焊(vaporrefolwsoldering)利用饱和蒸汽汽的汽化潜热热加热实现表表面贴装元件件与印制电路路板之间焊接接的软钎焊方方法。热源来来自氟氯烷系系溶剂（典型型牌号为FC-70）饱和蒸汽的的汽化潜热。。PCB放置在充满饱饱和蒸汽的氛氛围中，蒸汽汽与SMD接触时冷凝并并放出汽化潜潜热使钎料膏膏熔融再流。。2022/12/20342022/12/2035汽相再流焊应应用最广的是是美国。优点溶剂蒸汽可到到达每一个角角落，热传导导均匀，可完完成与产品几几何形状无关关的高质量焊焊接；焊接温度精确确，（215士3）℃，不会发发生过热现象象；饱和蒸汽同时时可起到清洗洗作用，去除除钎剂和残渣渣。缺点溶剂价格昂贵贵，生产成本本高；如操作不当，，溶剂经加热热分解会产生生有毒的氟化化