插装元器件的封装技术

插装元器件的封装技术概述1、电子管：（20世纪50、60年代）由插脚引线连接内部的各个电极，通过每个插脚再连到外部电路基板的插座上。所谓的电路基板，则是固定了各类元器件插座的底座，底座下面是杂散固定着的大型电阻器、电容器、电感器等。各元器件及电路间的走线都是各色又祖又长的塑封导线，然后用束线来将散乱的导线捆扎成束。2、晶体管各类晶体管的封装类型主要有玻封二极管和金属封装的三极管。普通管有3根长引线，高频管或需要外壳接地的晶体管有4根长引线，晶体管的金属底座与c极相通，而e、b两极则通过金属底座的开孔，用玻璃绝缘子隔离，金属帽与金属底座的边缘进行密封焊接。这就构成了至今仍沿用的To型金属--玻璃绝缘子全密封封装结构。由于晶体管体积小、电压低、耗电省，所以在覆铜板上刻蚀成所需的电路图形后，元器件穿过通孔焊接在铜焊区上即可，少量的连接线也用细导线连接。这时的装配方式往往可以进行半自动插装，焊接也采用浸焊形式了。这样，既提高了生产效率和产量，又提高了焊接的一致性，从而提高了焊点的质量和电子产品的可靠性。插装元器件的封装技术3、集成电路1958年发明了集成电路，它是完成一定功能的多个晶体管的集成。这样，3-4个I/O引脚就不够用了，这时的全密封封装仍然采用TO的形式，只是底座周围的I/O引线更多了。随着Ic集成度的提高，对I/O数要求越来越高，于是开发出单列直插封装(SIP)、双列直插封装(D1P)、针栅阵列封装和扁平外形封装等。插装元元器件的封装形式主要有PDIP、PGA和HIC用的金属插装外壳封装。尽管至2002年插装元器件封装特别是PDIP的比例只占所有封装的10％，但绝对数量仍有91亿块，插装元器件件与SMD在同一块PWB上然要延用相当长的时间。近几年，PDIP的减少速度正在变慢，在各类大量民用产品中，插装元器件仍具有强大的生命入。再就是HIC若干年来一直与IC芯片保持10％的比例，今后一段时间内大体仍将保持这一比例。因此，用于HIC的金属外壳封装仍将稳步地获得增长。插装元器件的分类与特点按外形分类:圆柱形外壳封装(TO)、矩形单列直插式封装(SIP)、双列直插式封装(DIP)和针栅陈列封装(PGA)按材料分类:金属封装、陶瓷封装、塑料封装金属封装和陶瓷封装一般为气密性封装,多用于军品和可靠性要求高的电子产品中塑料封装属于非气密性封装,适用于工艺简单,成本低廉的大批量生产,多用于民用电子产品中.插装元器件的封装技术DIP插装元器件的封装技术插装型晶体管的封装技术TO型金属封装技术TO型金属封装是使用最早、应用最为广泛的晶体管封装结构,内部结构如下:插装型晶体管的封装技术封装工艺:先将芯片固定在外壳底座的中心,常采用Au-Sb合金共熔法或者导电胶粘接固化法使晶体管的接地极与底座间形良好的欧姆接触对于IC芯片,还可以采用环氧树碑粘接固化法然后在芯片的焊区与接线柱间用热压焊机或超声焊机钭Au丝或Al丝连接起来接着将焊好内引线的底座移到干燥箱中操作,并通以惰性气体或N2,保护芯片最后将管帽套在底座周围的凸缘上，利用电阻熔焊法或环法平行缝焊法将管帽与底座边缘焊牢，并达到密封要求．插装型晶体管的封装技术TO型塑料封装技术塑料封装工艺简便易行，适于大批量生产，成本低廉．工艺过程：先将I/O引线冲制成引线框架，然后在芯片焊区将芯片固定，再将芯片在的各焊区用ＷＢ焊到其它引线键合区，即完成了装架及引线焊接工序．接着完成注塑封装工作，然后开模，整修塑封毛刺，再切断各引线框架不必要的连接部分，就成为单独的TO型塑料件．然后切筋，打弯，成形和镀锡．图为连续塑封成型略图：SIP和DIP的封装技术SIP的封装技术通常用于厚薄HIC及PWB的，基板多为陶瓷基板（如Al２O３）．I/O数只有几个或十多个，可将引脚引向一边，用镀Ni，镀Ag或镀Pb-Sn的“卡式”引线卡在基板一边的I/O焊区上，用电烙铁将焊点焊牢，可将卡式引线浸入熔化的Pb-Sn槽中进行浸焊，还可以在卡式引线的I/O焊区上涂焊膏，然后成批放于再流焊炉中进行再流焊．PWB上的焊接工艺与之相同SIP的插座占的基板面积小，插取自如，工艺简单，适于多品种，小批量的HIC及PWB基板封装，还便于引线的更换和返修．SIP和DIP的封装技术DIP封装技术双列直插式封装（DIP）是20世纪60年代开发出来的最具代表性的IC芯片封装结构．在ＳＭＴ元器件出现之前是７０年代大量应用于中，小规模IC芯片的主导封装产品，引线数４－６４．产品也呈系列化，标准化，品种规格齐全类型：陶瓷全密封型DIP(CDIP），塑封型DIP(PDIP），窄节距DIP(SDIP）等CDIP封装技术陶瓷熔封DIP(CerDIP)的封装技术DIP封装技术引线节距为2.54mm,封装结构简单,只有底座、盖板和引线框架三个零件低熔点玻璃密封DIP底座和盖板都是用加压陶瓷工艺制作，一般是黑色陶瓷，即把氧化铝粉末润滑剂和粘接剂的混合物压制成所需要的形状，然后在空中烧结成瓷件,把玻璃浆料印刷到底座和盖板上然后在空气中烧成．对陶瓷底座加热，使玻璃熔化，将引线框架埋入玻璃中，粘接IC芯片，进行WB，把涂有低温玻璃的盖板与装好IC芯片的底座组装在一起，在空气中使玻璃社会化，达到密封．然后镀Ni-Au或Sn．不需要陶瓷上金属化，烧结温度低（低于500℃)因此成本低，由于电性能和可靠性不易提高，体积也大，现逐渐被多层陶瓷封装和塑料封装取代DIP封装技术低熔点玻璃密封DIP的工艺步骤DIP封装技术多层陶瓷DIP(CDIP)和封装工艺多层陶瓷DIP由多层陶瓷工艺制作分类：黑色陶瓷、白色陶瓷和棕色陶瓷多层陶瓷工艺的生瓷片由流延法制成．流延工艺是多层陶瓷工艺的基础生瓷片主要由陶瓷粉末、玻璃粉末、粘接剂、溶剂和增塑剂等组成粘接剂在生瓷片制作过程中起粘接陶瓷颗粒的作用，还可以生瓷片以适于金属化浆料印刷溶剂的作用：使瓷粉均匀，溶剂挥发后形成大量的微孔增塑剂能使生瓷片呈现：现出“塑性”或柔性，这是由于增塑过程中降低了粘接剂的玻璃化温度所致．多层陶瓷DIP的封装工艺DIP封装技术CDIP的特点：具有良好的机械性能和电性能，可靠性较高，引线节距2.54mm，体积较大多层陶瓷封装的最大优势在于：封装设计者有很大的灵活性，可以充分利用封装布线来提高封装的电性能．如在陶瓷封装体内加入电大同和接地面，以减小电感；可以加入接地屏蔽面或线，以减小信号线间的串扰，可以控制信号线的特性阻抗等等PDIP封装技术特点：具有工业自动化程度高，产量大，工艺简单，成本低廉等特点非密封性的塑封外壳，不能完成隔断芯片与周围的环境，但大量民用产品的使用环境中，在一定时期内是能够保证器件可靠工作的塑料有吸潮的弱点PDIP封装技术塑料封装用的树脂要求应具备如下特性：树脂要尽可能与所包围的PDIP各种材料相匹配，即热膨胀系数CTE相近在65-150℃的使用温度范围内能正常工作，要求玻璃化温度大于150℃树脂的吸水性要小，并与引线的粘接性能良好，防止湿气沿树脂－引线界面浸入内部要有良好的物理性能和化学性能固化时间短Na含量低辐射性杂质含量低PDIP封装技术塑封的工艺过程与TO型塑封类似PDIP的引线框架为局部镀Ag的C194铜合金或42号铁镍合金，基材用冲压成型或刻蚀成形。将IC芯片用粘接剂粘接在引线框架的中心芯片区，IC芯片的各焊区与局部电镀Ag的引线框架各焊区用WB连接。然后将载有IC芯片的该引线框架置于塑封模具的下模中，再盖上上模。接着将已预热过并经计量的环氧坯料放入树脂腔中，置于注塑机上，加热上下模具达到150－180℃，这时的环氧坯料已经软化熔融并具有一定的流动性，注塑机对各个活塞加压．熔融的环氧树脂就通过注塑流道挤流到各个IC芯片所在的空腔中，保温加压约2－3min，即可脱模已成型的塑封件，并及时清除塑料毛刺，还要对引线框架的引线连接处切筋，并打弯成90度，就成为标准的PDI。再对PDIP进行高温老化筛选，并达到充分固化，再经测试、分选打印包装就可以成品出厂。

PGA的封装技术针栅阵列封装(PGA)是为解决LSI芯片的高I/O引脚数和减少封装面积而设计的针栅阵列多层陶瓷封装结构，其制作技术与CDIP的多层陶瓷封装基本相同(参见上一小节)。陶瓷一般为90％－96％的Al2O3、生瓷材料，每层用厚膜W或Mo浆料印制成布线图形，并通金属化，按设计要求进行生瓷叠片并层压，然后整体放入烧结炉中进行烧结，使层间达到气密封装，然后镀Ni，而后再钎焊针引脚，最后镀Au．在信号线的印制图形中，每个金属化焊区均勺相应的针引脚相连，外壳内腔是IC芯片粘接位置，用粘接剂固定好IC芯片后，用WB连接芯片焊区与陶瓷金属化焊区，再进行封盖，就成为IC芯片PGA气密封装结构PGA的封装技术PGA特点：I/O数可高达数百个及至上千个气密封的，所以可靠性高制作工艺复杂，成本高，适于可靠性要求高的军品使用PGA的面陈引脚结构为开发BGA提供了经验，也为解决QFP窄节距四边引脚提供帮助金属外壳制造和封装技术金属外壳封装的特点：

金属外壳封装针对军用电子产品要求的高可靠性而专业制作的：一般具有如下特点：封装具有良好的热性能、电性能和机械性能，能够保护各类芯片、无源器件和布线免受大气环境的侵蚀使用温度范围广，一般可达-65-125℃气密性优良，漏速小于１X10-3Ｐa.cm3/s(He)封装多为金属外壳配合陶瓷基板封装，封装壳体通常较大封装单芯片和厚薄膜HIC金属外壳制造和封装技术金属外壳封装的主要类型：按结构、功能和应用等分类，主要有浅腔式外壳系列、平板式外壳系列、扁平式外壳系列、功率外壳系列和AIN陶瓷基板外壳系列等，如图3-10、图3-11、图3-12和图3-13等所示。

图３-10浅腔式双列引脚外壳金属外壳制造图３-11浅胯式四边引脚外壳金属外壳制造图3-12平板式四边引脚外壳金属外壳制造图3-14金属外壳典型工艺流程

金属外壳封装技术SMC／SMD与各类IC芯片的混合组装技术的优点

金属外壳内使用的多层基板主要包括各类陶瓷基板和Si基板．它们的组装技术多是用寸要求高的高档电子产品，是典型的厚、薄膜HIC产品，当今的HIC产品也采用SMT。陶瓷或Si基板与PWB多层基板相比，有如下明显的优点：陶瓷基板的导热系数比PWB基板要高一个数量级以上，因此再流焊接时对元器件的热冲击很小。由于传热快，基板受热均勾，焊接时的温度低，且焊料熔化一致性好，焊接缺陷就大为减少。由大功耗元器件产生的失效也大为减少。陶瓷基板的CTE更接近SMC／SMD，而Si基板与IC芯片完全一致。它们的热匹配好,界面应力自然会大大降低，从而由于热循环造成的疲劳失效也大为降低。

金属外壳封装技术可容许更高的功率密度，加上HIC能制作远小于PWB基板的线宽和间距，因此，SMC/SMD和IC芯片的混合组装密度高，而多层布线内层还可以埋置R、C和IC芯片，使电子产品更易于实现小型化和微型化，而且功率更大，功能更强．化学稳定性好，更抗外界环境的腐蚀等．不足之处：制作工艺复杂，并难以制作平整的大基板，要使用现代化的贴装设备，必须将小基板拼接成大基板后才行．此外，陶瓷或Si基板的成本比PWB基板高.金属外壳封装技术SMC/SMD与芯片的混合组装工艺金属外壳封装技术混装工艺流程：成膜基板制备成膜基板制备与常规制作厚膜HIC的工艺方法相同，这里不再赘述。组装前的清洗分成膜基板的清洗和封装外壳的清洗。前者只需在干净的器皿中用丙酮和乙醇反复超声两遍．而后者因油污重，要彻底进行去油污处理。贴装SMC／SMD由于HIC的成膜基板比通常PWB基板的尺寸小、装配密度高，再者基板往往要装入外壳，所以对贴装的要求也高。贴装SMC／SMD的工艺流程如下页图3-16所示：金属外壳封装技术金属外壳封装技术再流焊对陶瓷基板SMC／SMD的再流焊一股采用＝种方法：热板再流焊、汽相再流炸和红外再流焊．热板再流焊成本低，使用灵活、方便．适于小批量的试制；汽相再流焊因使用固定沸点的氟油蒸气汽相焊接，焊件各处受热均匀．又处在保护气氛中．所以焊接质量好；但是由于它不能连续再流焊操作，氟油昂贵，焊接成个高，再加上氟能破坏臭氧层等，所以只适于小批量、高价值产品的应用；红外再流焊采用自动温控，带式传送焊件，且可通保护性气体进行再流焊，因此，特别适合大批量生产，焊接质量良好．再流焊后的清洗再流焊后．焊剂除残留在焊接的电极处之外，由于焊剂的挥发，还沾污了整个基极表面，下一道工序要安装许多芯片，就必须清洗，除基板上芯片粘接区和键合区上的焊剂．芯片粘接、固化和清洗金属外壳封装技术芯片引线键合

芯片引线键合是电子部件获得电性能的关键工艺，也是产品可靠性的保障．目前，引线键合仍采用金丝焊和超声键合的方法，也可使用载带自动焊（TAB)和倒装芯片焊(FCB)．封帽前检验

芯片引线键合完毕，使SMC／SMD与芯片混合组装的电子部件具有了电性能，为了全面检查混合组装的工艺质量并测试电性能，设计人员先测试电性能，合格后专检人员进行全面的“封帽前检验”.不符合标准的要予以剔除，并由相关人员负责返修．

到此，整个混装工序才算完成！金属外壳封装技术工艺流程的设计和工艺兼容性问题为了使各种工艺都能相互兼容，以达到组装和部件性能的最佳效果，一般设计混合组装工艺流程应遵循如下原则：前道工序不能对后道工序造成不良影响；各类焊接、粘接、固化应先高温、后低温；容易受污染的元器件(如芯片类)应尽可能靠后安排组装等。经过完整的混合组装工序，并进行了严格的封帽前检验后．即可进行最后的封帽工艺．

金属外壳封装技术封帽工艺金属外壳HIC的封帽具有特殊的重要性，要求高可靠性，封装必须要求气密性，达到标准的水汽