电子封装课件：电子组装技术

第四讲：电子组装技术第一部分：电子组装工艺电子元器件电路板波峰焊回流焊通孔组装技术表面贴装技术板上芯片技术BGA技术返修工艺技术第二部分：电子工艺材料铅锡合金焊膏无铅焊料导电胶技术清洗剂基板材料第一部分：电子组装工艺通孔组装技术表面贴装技术电子元器件与电路板波峰焊与回流焊板上芯片技术BGA技术返修工艺技术SurfaceMountTechnology(SMT)表面贴装技术、表面组装技术1线路设计(protel等)2线路板PCB的制造：照相、腐蚀、叠层、打孔、切割、电镀、油漆等3表面贴装元件SMD的准备4焊膏印刷模板Stencil的准备一种实验室用的SMT开发系统5焊膏印刷6表面贴装元件的放置和定位7再流焊Reflow8清洗9质量检验（a）刮刀经过模板孔（b）移开模板（c）印刷好的焊膏模板印刷焊膏示意图（a）针头滴送SMT焊膏（b）手工丝网印刷SMT焊膏

电子组装分类按组装方法：

1)通孔组装技术THP 2)表面组装技术SMT 3)特殊的组装技术按材料分类：

1)陶瓷封装——高可靠性

2)塑料封装——低成本(与陶瓷封装相比），更通用

MoldPackageGlassShieldPackages通孔组装技术InternalStructureofTO-92DlP---Standard(DualIn-linePackage)Theyaremostwidelyused.Theleadpitchis2.54mm(100mil),andthespacingbetweenterminalrowsis300,400,or600mil.DIP--SkinnystandardDIPswithspacingbetweenterminalrowsof7.62mm(300mil)andwith20ormorepins.DIP--ShrinkstandardDIPswithaleadpitchreducedto1.778mm(70mil).TheyaresmallerinexternalsizethanstandardDIPsandsuitedtocompactelectronicequipmentusinghigh-pin-densityICpackages.ZIP(ZigzagIn-linePackage)featuredbytheleadswhicharedrawnoutfromeachpackagebodyintoasinglerowtoallowverticalmountingwithaleadpitchof1.27mm(50mil).TheleadsofeachpackageareZigzagfolded,withinthepackagesurfacethickness,intotworows.TheZigzagfoldingincreasestheleadpitchineachrowto2.54mm(100mil).陶瓷封装ICStandardDIPhermeticceramicpackage.Theleadpitchis2.54mm(100mil)andthepackagebodyismadeofceramics.Metalorglassmaybeusedasasealingmaterial.CER-DIP[GlassSealed]called“CER-DIP”package.Theleadpitchis2.54mm(100mil),andthepackagebodyismoldedwithpowderceramics.Thesealingmaterialisglass.PGA(PinGridArray)featuredbytheleadswhicharedrawnoutverticallyfromeachpackagebodyandarrangedonthespecifiedgrid.Thepackagebodyismadeofceramics,andthestandardleadpitchis2.54mm(100mil).PGApackagesaresuitedtomultipinpackaging.表面安装技术InternalStructureofMP-2

InternalStructureofMinimoldInternalStructureofMP-3Z,MP-25ZSOP(SmallOut-lineL-LeadedPackage)characterizedbygull-wingtypeleadswhicharedrawnoutfromeachpackagebodyintwodirections,andcanbemountedflat.Thestandardleadpitchis1.27mm(50mil).SSOP(ShrinkSmallOut-lineL-LeadedPackage)SOPpackageswithaleadpitchoflessthan1.27mm(50mil)arecalledSSOP.TSOP-TSSOP(ThinSmallSingleOut-lineL-LeadedPackage)ultrathinSOPswithapackageL-Leadedmountingheightoflessthan1.27mm,andaresuitedtoultra-thinelectronicequipmentsuchassmartcards.QFP(QuadFlatL-LeadedPackage)arecharacterizedbygull-wingtypeleadswhicharedrawnoutfromeachpackagebodyinfourdirections,andcanbemountedflat.TherearevariousQFPsavailablebecausetheleadpitchisvariableandthedimensionsofthepackagebodyfixed.TQFP(ThinQuadFlatL-LeadedPackage)ThinQFPpackageshavethepackagebodyheights(moldthickness)of1.0mmandof1.27mm.SOJ(SmallOut-lineJ-LeadedPackage)packagesarecharacterizedbyJ-shapedleadswhicharedrawnoutfromeachpackagebodyintwodirections,andcanbemountedflat.Thestandardleadpitchis1.27mm(50mil).QFJ[PLCC](QuadFlatJ-LeadedPackage)packagesarecharacterizedbyJ-shapedleadswhicharedrawnoutfromeachpackagebodyinfourdirections,andcanbemountedflat.Thestandardleadpitchis1.27mm(50mil).BGA(BallGridArray/FinePitchBGA)packagesaresurfacemountingpackagewithsolderballarraysonbacksidesurfaceofprintedcircuitboard(PCB).W-CSP(WaferLevelChipScalePackage)Apackagedwaferiscutandseparatedintoindividualchips.CSPInternalStructureACSPthatusesgoldbumpsformedforbonding.Thispackagecaneasilybechangedtoafan-outstructureandusedformulti-layeredboardconfigurations,makingitidealforlogicapplications.FCBGA(FlipChipBGA)

Atop-performanceBGAwithpadsrewiredonthechipinanareaarraypatternandbumpintegration,andthatusesaflipchipbondingtechnique.FCBGAInternalStructureExcellentelectricalandheatdissipationcharacteristics.Thispackageenablesproductionofveryhighpincountdevicesmorethan1000pins.特殊的封装形式MemorymodulesarepackageswhichhaveseveralmemoryICsmountedonaPCboard,Tapecarrierpackages(TCP)usingTapeAutomatedBonding(TAB)techniques,ChipOnBoard(COB)packages,orICcardpackages.TCPandCOBpackagesarecustomdesignsconformingtothecustomer’sspecifications.COB(ChipOnBoard)packagesarecustomer-specifiedpackageswithanICchipmountedandsealedoneachPCboard.TCP(TapeCarrierPackage)packagesareconstructedusingTapeAutomatedBonding(TAB)technique.TCPpackagesaresuitedtomulti-pin,thin,compact,highdensityICpackages.Customdesignsareavailabledependingontheapplication.MemoryModuleModulepackagesaredesignedsothatseveralsurfacemountICpackagesaremountedoneachPCboard.Theseackagesarehigh-densityICpackageswithsophisticatedfunctions,andaremostlyusedformemories.COT(ChipOnTape)packagesarecustomer-specifiedpackageswithanICchipdirectlymountedandsealedoneachtapesubstrate.BGA：球栅阵列封装

BGA一出现便成为CPU等VLSI芯片的高密度、高性能、多功能及高I/O引脚封装的最佳选择。其特点有：

I/O引脚数虽然增多，但引脚间距远大于QFP，从而提高了组装成品率；虽然它的功耗增加，但BGA能用可控塌陷芯片法焊接，简称C4焊接，从而可以改善它的电热性能；

厚度比QFP减少1/2以上，重量减轻3/4以上；寄生参数减小，信号传输延迟小，使用频率大大提高；组装可用共面焊接，可靠性高。Motorola1.27mm引脚间距的CBGA1.27mm间距的CBGA器件

CBGA器件

CBGA二级封装结构的剖面图

典型的PBGA结构图具有充填树脂结构的PBGA不同间距尺寸下可能的管脚数BGA与PQFP的管脚数比较不同封装形式的管脚密度三种封装形式的电感量PBGA吸湿率变化（85

C/85RH%）爆米花现象的SAM照片

一种

BGA的封装结构

（a）CSP封装结构（b）CSP内部结构一种CSP封装结构第二部分：电子工艺材料铅锡合金与焊膏技术无铅焊料导电胶技术清洗剂基板材料SolderPasteTechnology

锡膏（焊膏）技术焊膏及其作用焊膏是由焊剂载体、合金焊粉等组成的膏状稳定混合物。在微电子封装焊接中，起到机械支撑、热传导、电连接等作用。固定元件，促进焊料润湿，清除被焊表面的氧化物、硫化物、尘埃杂质和吸附层，保护表面防止再次氧化，形成牢固的冶金结合等作用。

焊膏物理化学性能焊膏有很多性能参数，按状态分有：

膏糊状态l

物理外观l

稳定性和存贮寿命l

粘性l

常温塌落l

细针滴注性

l

丝网印刷性l

模板印刷性l

粘性时间l

粘着力l

工作寿命再流焊状态l

与被焊金属表面的相容性l

在熔融前的流动特性l

熔融中和熔融后的流动特性l

润湿性l

非润湿现象l

焊料球现象l

桥接现象l

“抽芯”现象l

浸析现象焊后状态l

残留物可清洗性l

残留物腐蚀性l

电子迁移l

焊点外观l

焊点空位l

焊点强度:

l

焊点微观结构l

焊点完整性与机械疲劳关系l

焊点完整性与热疲劳关系l

焊点完整性与热膨胀系数失配关系l

焊点完整性与内部热膨胀的各向异性关系l

焊点完整性与腐蚀增强疲劳关系为了获得适合的性能参数，除了要考虑后面将要讨论讨论的焊料外，还要正确设计焊剂载体系统，主要方面包括：l

液相沸点l

固相熔点l

松香软化点l

焊剂活化温度l

焊剂活化时间l

与焊料合金粉末的相容性l

与基片表面的相容性l

粘度和粘结力l

环境稳定性l

热分解和衰变l

流变性l

可接受金属含量l

与传热机制的相容性l

与清洗溶剂与设备相容性焊剂载体的组成

焊剂载体在焊膏中的比重一般为10％～20％，体积百分比为50～60％。作为焊粉载体，它起到结合剂、助熔剂、流变控制剂和悬浮剂等作用。 它由成膜物质、活化剂（表面活性剂、催化剂）、触变剂、溶剂、其它添加剂（缓蚀剂、稳定剂、抗氧化剂）等组成。常用的焊剂载体物质——成膜物质主要防止合金焊料粉进一步氧化。使焊膏具备一定的粘性以固定元器件。它对焊膏的粘度和流变性有较大的影响，含量低使得润湿性变低并产生塌落。含量高使得残留物较多，不利于清洗。例如松香就是一种成膜物质，在焊接条件下，它可与焊剂中的其它物质例如甘油起反应生成松香甘油酯。成膜物质——松香及树脂等 WWW特级松香、氢化松香、歧化松香、苯改性松香、酯改性松香等。 环氧树脂、聚丙烯酸树脂、酚醛树脂、丙烯酸树脂、改性环氧树脂、氯乙烯树脂、聚氨酯、纤维素、聚乙二醇和硬脂酸酯等。 羟乙基纤维素、聚酰亚胺硅氧烷、多聚甲醛。常用的焊剂载体物质——活性剂化学反应去除被焊表面的氧化层。减小熔融焊料表面张力以增加润湿性。和其它杂质反应提高助焊性能。主要物质有：有机酸及其卤化物、有机胺及其卤酸盐、肼类及其卤化物、酰胺类尿素等焊剂载体用活性剂有机酸甲酸、丁酸、草酸、丙二酸、戊二酸、酸、乳酸、苯乙酸、对羟基苯甲酸、水杨酸、酒石酸、苹果酸、桂皮酸、植酸、谷氨酸、邻苯二甲酸、油酸、硬脂酸、有机胺及酰胺单乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、乙二胺、二乙胺、十二烷基胺、甲酰胺、肼、尿素有机胺的氢卤酸盐及有机卤化物十六烷基三甲基氯化铵、十六烷基溴化吡啶、十六烷基三甲基溴化胺、乙基二甲基十六烷基溴化胺、溴化肼其它苯胺磷酸盐、氟碳季铵盐常用的焊剂载体物质——触变剂触变性是指粘度随时间、温度、剪切率等因素变化而变化的特性。蓖麻辣、蓖麻蜡、脂肪酸酰胺、羟基脂肪酸、硬脂酸盐类等，具备破坏氢键的作用从而使焊膏有触变性能。同时还可改善流挂性能，使其均匀一致。常用的焊剂载体物质——溶剂溶解活性剂、成膜剂、触变剂以及其它添加剂，使之成为均匀的膏状以便于印刷。含高沸点和低沸点的物质混合使用。具有一定的粘度又具有一定的挥发性能而提供适当的印刷性和工作寿命。溶剂一元醇：乙醇、异丙醇、苯甲醇、十二醇、松油醇、环己醇山梨醇等。多元醇：乙二醇、聚乙二醇（400）、1,2丙二醇、丙三醇、1,4丁二醇、乙二醇醚、丁二醇等。酯类及其它：邻苯二甲酸二丁酯、亚磷酸二丁酯、磷酸三丁酯、二甲苯等。其它添加剂润湿剂：一般采用非离子型表面活性剂。也可采用阳离子或者阴离子表面活性剂。光亮剂：提高焊点光亮性，例如甘油、三乙醇胺、氨等。。抗氧剂：为了防止焊剂的氧化变质，可加入少量的苯酚、对苯酚等强还原剂。缓蚀剂：保护电路板和元器件引线，使之具有防潮、防盐雾、防腐蚀性能，又能保持良好的可焊性。SMT中主要是针对铜的缓蚀。通常采用供电子的含氮化合物，如苯并三唑、咪唑等。一般加入量在1％以下。焊剂载体的物理性能

要考虑的物理性能包括熔点、沸点、软化点、玻璃转变温度、气压、表面张力、粘性和混溶性。所有这些都取决于分子间作用力（或内聚能）。尽管在稳定化学键的形成中不是很关键，它仍然是一个重要的次级结合力。

例如分子从液体挥发的倾向是总的转变能的函数，从而依赖于温度。沸点取决于这种转变能与分子间相互作用内聚能之间的关系。对于聚合物，这种关系是分子量的函数，决定着随温度升高的分解和气化的发生。除内聚能外，熔点也受分子有序度（熵）的影响。尽管熔点和幅度与结构的关系复杂，一般地，沸点高，其熔点也高；而且在其它因素相同条件下，对称分子由于熵较低而熔点较高，其热力学方程为：

⊿G＝⊿H－T⊿S

除了聚合物和溶剂的特性外，溶剂中聚合物的粘性还取决于一定温度下的分子量以及分子量的分布。粘性与分子量之间的关系为：

＝KMa

K与a为经验常数，M为分子量

软化点也随着分子量和结晶度的增加而增加。对于非结晶聚合物，软化温度接近于玻璃转变温度，而高度结晶的聚合物的则接近于熔点。玻璃转变温度与熔点的关系一般为：非对称聚合物：

对称聚合物：

在焊膏中，每种组分的气压对焊膏工作性能影响不止一个方面，包括再流焊方法的选择以及焊点空洞的形成。液相的整体沸点或者单个液相成分的沸点会改变焊剂的活性和残留物特性，以及与再流焊方法的相容性。固相的整体熔点或者单个固相成分的熔点也能改变焊剂的活性。

焊剂载体化学性能—焊剂载体分类R（rosin）型：焊剂活性最弱，它只含有松香而没有活性剂。RMA（middleactivatedrosin）型：既含松香又含活性剂的系统。RA型：是完全活化型的松香或者树脂系统，比RMA型的活性高。OA型：指有机酸焊剂，具有很高的助焊活性。一般认为OA型焊剂具有腐蚀性。SA（syntheticactivator）型是杜邦公司1980年代透露的非松香型焊剂。

焊剂载体化学性能从化学的角度来看，强酸、强碱、某些盐等无机化学物质具有很高的活性，不适合于电子领域的应用。含有活性官能团（如羧基-COOH和胺基-NH2、-NHR、-NR2）的有机物是很好的助熔活性剂。一般使用的包括脂肪酸、芳香酸、脂肪胺及其衍生物，胺的氢氯酸盐、胺的氢溴酸盐。助熔活性强度取决于化学分子结构、物理性能和周围的介质。结构和介质对酸和碱强度的影响可分为：诱导、共振、氢键合、溶解、混杂和位阻效应。

对于普遍采用的诱导效应，分子结构中和羧基官能团相邻的电子获取基由于阴离子的稳定性而增强了羧基的酸性。反过来，电子释放基团降低其酸性。示意图如下：电子俘获基团：增加强度电子释放基团：减小强度有机羧酸的酸度常数化学物质K

CH3COOH1.75×10-5ClCH2COOH136×10-5Cl2CHCOOH5530×10-5Cl3CCOOH23200×10-5CH3CH2CH2COOH1.52×10-5FCH2COOH260×10-5BrCH2COOH125×10-5

上一张表和本张图表示的是这种反应结构效应的一些羧基酸的酸值常数。表明，随着

氢被电子获取基如-F、-Cl、-Br等的替代，酸值加强。对于芳香酸，电子获取基如NO2对芳香环上的氢替换会增加酸性，而电子释放基如-CH3则会减小其酸性。松香是从松树获取的天然树脂。可分为橡胶松香、木质松香、和高焦油松香。橡胶松香是活松树的树脂油分离出构节油后的产物。木质松香是树干蒸馏的残留物。高焦油松香是在磨浆过程中高焦油的分馏产物分离脂肪酸后而得的物质。松香由多种松香酸、松香酸酯、松香酐、和脂肪酸组成。没有调整的松香的主要组分有：松香酸、海松酸、异构海松酸、新松香酸、氢化松香酸和脱氢松香酸。通用分子式为C19H29COOH、C19H27COOH或者C19H31COOH。结构共同特点是具有三环、羧基和双键，其活性部分为羧基和双键。关于松香松香结构式温度（℃）松香的变化74软化74－144溶解，封闭在内的松酸（C20H30O2）呈现活性144－148转化为

松香酸150－190转化为松香酸150－151转化为左旋海松酸173－174转化为脱氢松香酸211－212转化为右旋海松酸230－250转化为焦松香酸300－350碳化松香随温度的变化氢化松香

由松香加氢而制得。主要成分为二氢（少量四氢）松香酸。它比松香的共轭双键含量低，稳定性好，抗氧化和抗退色能力增强，残渣色淡、无气味、无结晶、脆性小。但是软化点较低，热熔流动性好，粘性大，用它配制的焊剂焊接之后残留物有粘性。于是可以制备氢化松香酯类，满足不同软化点和不同酸值的要求。例如：聚合松香

在浓硫酸催化下，松香中的双键相互聚合（而保持－COOH基不变），生成聚合松香，熔点为120℃。它的酸值比松香要低。因此，有些配方中将它作为活性物质添加在焊剂中是不妥的；它只能作为高分子成膜物质使用或者替代松香。歧化松香

在钯、碘、硫、硒等的催化下，使松香的双键发生歧化。歧化反应实质上是一种氧化还原反应，一部分松香酸上的共轭键上失去二个氢原子，形成稳定的苯环结构即脱氢松香酸，另一部分吸收二到四个氢原子而生成二氢松香酸或者四氢松香酸。歧化松香其实是脱氢松香酸、二氢松香酸和四氢松香酸的混合物。歧化松香不易被空气氧化，热稳定性能良好。合金焊粉合金焊粉占焊膏重量的80～90％适合SMT的最常见合金是63Sn37Pb，62Sn36Pb2Ag其它SnPb、SnPbBi、SnAgCu、SnAg等也有。合金焊粉的关键参数形状尺寸分布含氧量熔化温度流量率基本杂质这些参数的水平都取决于制粉技术的发展焊粉颗粒形状

焊粉形状最好是球形或者类球形，而且球的表面光滑而没有“小卫星球”球粘连。球形比表面小，能量低，在制造、存储和印刷中不易氧化，而且印刷时不会堵塞网孔。形状极其不规则焊粉不规则焊粉较规则焊粉右图中：黑色的为富锡相，而亮区为富铅相

规则焊粉尺寸分布（PSD）由Stokes公式F=6

a

v（F是半径为a的球形颗粒以速度v在黏性为

的介质中运动所受的力）可知，尺寸分布的变化直接影响着焊膏的粘性、流变性能，继而影响到印刷质量。常用焊膏中粉末的尺寸是－200

/+325目和－325

/+500目，分别对应着75～45，和45～20微米。尺寸分布的测量有悬浮法和过筛法焊粉根据尺寸分类尺寸分布与焊膏其它参数的关系金属含量粘度（Pa.s）尺寸（

m）主施用方法90％600～100040-75模板印刷90％400～60020-36细间距网印刷85％400～60020-45丝网印刷80％300～40020-45定量分配器注射含氧量

焊料粉末的含氧量直接影响着焊膏的可焊性，特别是锡珠和飞溅的发生。还会降低回流焊的焊膏最终厚度，带来焊料不足以及其它焊点质量问题。一般认为高于0.05％就不合格。氧含量的测定

确定氧含量时，采用湿化学法来测量焊粉在松香溶剂中扩散前后的重量差。这种方法的固有特点使得结果常常估计过高。然而，在适当的方法下，它反应了粉末的清洁度和杂质，而且是氧化物和其他外部污染生成的指标。也可使用氧探测仪器直接测量氧含量。熔化温度 Fish—Johns熔点仪器是常用的液相温度测量工具。对于非共晶合金液相和固相温度差别及其相变，可用热分析仪来测量。由于相图是从平衡条件推导而来，而绝大多数过程是在非平衡条件下发生，则可根据温谱图与相图对照，确定相应的相变。 下面三张图是63Sn37Pb、96.5Sn3.5Ag和10Sn88Pb2A