1、簡(jiǎn)述連接技術(shù)在電子封裝中的應(yīng)用學(xué) 號(hào)：學(xué) 院：航空制造工程學(xué)院所 在 系：焊接技術(shù)與工程學(xué) 生 姓 名 ：任 課 教 師 ：邢 麗2009年12月簡(jiǎn)述連接技術(shù)在電子封裝中的應(yīng)用0 序言連接是電子設(shè)備制造中的關(guān)鍵工藝技術(shù)。連接起到電氣互連和機(jī)械固定連接的作用，連接又是決定電子產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵一環(huán)。在一個(gè)大規(guī)模集成電路中可能有上萬(wàn)個(gè)焊點(diǎn)，這些焊點(diǎn)雖然只起到簡(jiǎn)單的電氣連接作用和機(jī)械固定作用，但其影響卻非常重要。而另一方面，焊接又是電子生產(chǎn)工藝中研究最為薄弱之處。因此，隨著電子工業(yè)的大規(guī)模發(fā)展和對(duì)電子產(chǎn)品可靠性的更高要求，人們已經(jīng)在開(kāi)展系統(tǒng)的微連接技術(shù)的研究。本文研究在微電子封裝發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，概述芯

2、片封裝所采用的引線鍵合、載帶自動(dòng)健合和倒裝芯片鍵合等焊接技術(shù)，以及微電子其他元器件封裝所采用的波峰焊和再流焊技術(shù)。通過(guò)綜合比較每種焊接技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，指出各自的發(fā)展方向。同時(shí)，也將介紹微連接用焊料發(fā)展?fàn)顩r，展望微連接技術(shù)以及微連接用焊料的發(fā)展前景。1 微電子封裝和組裝中微連接的特點(diǎn)微電子工業(yè)中的封裝和組裝技術(shù)包括芯片的封裝和其他微電子元器件的組裝。在集成電路中少則有幾十個(gè)焊點(diǎn)、多則有上千個(gè)焊點(diǎn)，甚至上萬(wàn)個(gè)焊點(diǎn)。這些焊點(diǎn)具有電氣連接作用和機(jī)械固定作用，但有時(shí)一個(gè)焊點(diǎn)失效就有可能導(dǎo)致整個(gè)元器件或者整機(jī)停止工作，其影響效果非常顯著。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，在電子器件或電子整機(jī)的所有故障原因中，約70%以上為焊點(diǎn)失

3、效所造成。因此，隨著集成電路的大規(guī)模發(fā)展，對(duì)焊點(diǎn)的可靠性的提出更高要求，微電子產(chǎn)品焊接技術(shù)也引起了人們的極大重視，目前已開(kāi)展系統(tǒng)的研究。人們習(xí)慣地將從事微電子生產(chǎn)工藝的科技工作稱(chēng)之為微電子焊接，而在焊接領(lǐng)域被稱(chēng)為微連接在微電子工業(yè)生產(chǎn)中，由于微電子器件連接尺寸非常微小，已達(dá)微米級(jí)甚至納米級(jí)。與常規(guī)焊接方法相比，微電子連接的特點(diǎn)如下：（1）連接材料的尺寸變得極其微小，在常規(guī)焊接中被忽略或不起作用的一些影響因素此時(shí)卻成為決定連接質(zhì)量和可焊性的關(guān)鍵因素。如溶解、擴(kuò)散、表面張力、應(yīng)變量等。（2）微電子材料在形態(tài)上一般為薄膜、厚膜、箔等，且多為附著在基板材料上的金屬?gòu)?fù)合層。由于微電子材料結(jié)構(gòu)、性能的特殊

4、性，需要采用特殊的連接方法，且不能對(duì)器件的功能產(chǎn)生任何影響。（3）由于連接接頭的界面在服役過(guò)程中所受到的力、熱等作用會(huì)隨時(shí)間而發(fā)生變化，將影響連接的力學(xué)、電氣性能及可靠性。因此要求連接精度很高，鍵合時(shí)間很短，對(duì)加熱、加壓等能量的控制要求非常精確。2 微電子封裝和組裝中的微連接技術(shù)2.1芯片焊接技術(shù)在微電子封裝第三階段，出現(xiàn)了許多新的封裝技術(shù)和封裝形式，其中最具代表性的技術(shù)有球柵陣列（BGA）倒裝芯片（FC）和多芯片組件（MCM）等。這些新技術(shù)多采用了面陣引腳，封裝密度大為提高，在此基礎(chǔ)上，還出現(xiàn)了芯片規(guī)模封裝(CSP)倒裝貼裝技術(shù)(DCA)。這些新型封裝都可以通過(guò)引線鍵合、載帶自動(dòng)健合和倒裝芯

5、片鍵合等焊接技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高密度、高可靠性封裝。2.1.1引線鍵合技術(shù)引線鍵合技術(shù)又稱(chēng)線焊，即將裸芯片電極焊區(qū)與電子封裝外殼的輸入/輸出引線或基板上的金屬布線焊區(qū)用金屬細(xì)絲連接起來(lái)。通過(guò)加熱、加壓、超聲波等能量方式去除表面氧化膜，借助于球-劈(Ball-Wedge)或楔-楔（Wedge-Wedge）等鍵合工具實(shí)現(xiàn)連接。按外加能量形式的不同可分為熱壓鍵合、超聲波鍵合、熱超聲波鍵合。根據(jù)鍵合工具的不同，又可分為球鍵合和楔鍵合。熱壓鍵合和熱超聲鍵合都是先用高壓電火花使金屬絲端部形成球形，然后在IC芯片上球焊，再在管殼基板上楔焊，故又稱(chēng)球楔鍵合。兩種方法的區(qū)別在于熱壓鍵合采用加熱加壓，而熱超聲鍵合采用加熱

6、加壓加超聲。熱超聲鍵合通過(guò)加超聲可降低熱壓溫度，提高鍵合強(qiáng)度，提高了器件的成品率，將逐步取代了熱壓鍵合。球楔鍵合在芯片封裝中是應(yīng)用最廣泛的一種鍵合方法。其原理是：對(duì)金屬絲和壓焊點(diǎn)同時(shí)加熱加超聲，接觸面便產(chǎn)生塑性變形，并破壞了界面的氧化膜，使其活性化，通過(guò)接觸面兩金屬之間的相互擴(kuò)散而實(shí)現(xiàn)連接。球楔鍵合要求產(chǎn)生的金屬絲端球圓正。目前能滿(mǎn)足此條件的材料為金絲和銅絲。金絲具有電導(dǎo)率大、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，適用于高速鍵合和封裝工藝。其不足是在高溫條件下，金絲與芯片鋁電極之間容易產(chǎn)生金屬間化合物AuAl和AuAl終導(dǎo)致器件失效。銅絲產(chǎn)生的球形圓正度好，價(jià)格低，目前已進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域，預(yù)計(jì)可成為理想的鍵合材料。超聲鍵

7、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(chēng)楔壓焊。其原理是：當(dāng)劈刀加超聲功率時(shí)，劈刀產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)，在負(fù)載的作用下，超聲能量被金屬絲吸收，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。楔壓焊常用的材料是摻硅鋁絲。在高密度封裝中，焊盤(pán)的中心間距縮小，當(dāng)中心間距小于120時(shí)，球焊難以實(shí)現(xiàn)，需要采用超聲波楔焊。目前金絲、焊盤(pán)中心間距的超聲波楔焊機(jī)已成功地進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域。2.1.2載帶自動(dòng)鍵合技術(shù)引線鍵合技術(shù)方便靈活、工藝簡(jiǎn)單、成本低、散熱性好，但焊點(diǎn)面積較大而不利于組裝密度的提高。載帶自動(dòng)鍵合技術(shù)（TAB）為了彌補(bǔ)

8、引線鍵合技術(shù)之不足而發(fā)展起來(lái)的，但直至20世紀(jì)80年代后期才獲得了較快發(fā)展。TAB是在類(lèi)似于膠片的聚合物柔性載帶上粘接金屬薄片，在金屬薄片上腐蝕出引線圖形，然后與芯片上的凸臺(tái)進(jìn)行熱壓焊或熱壓再流焊而實(shí)現(xiàn)連接。聚合物柔性載帶一般為聚酞亞胺；金屬薄片通常采用Cu箔，少數(shù)為Al箔；芯片凸點(diǎn)材料一般為Au、Ni-Au、Cu-Au。采用TAB可提高生產(chǎn)效率和連接質(zhì)量，其鍵合強(qiáng)度是引線鍵合的3-10倍，缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜，成本高，芯片通用性差，芯片上凸臺(tái)的制作和返修比較困難。由于TAB能適應(yīng)超窄引線間距、多引腳和薄外形封裝要求，雖載帶價(jià)格較貴，但引線間距最小可達(dá)到150，且TAB比較成熟，自動(dòng)化程度相對(duì)較高，

9、是一種高生產(chǎn)效率的內(nèi)引線鍵合技術(shù)，應(yīng)用越來(lái)越普遍。2.1.3倒裝芯片鍵合技術(shù)倒裝芯片鍵合技術(shù)（FCB）是目前半導(dǎo)體封裝的主流技術(shù)，是將芯片的有源區(qū)面對(duì)基板鍵合。在芯片和基板上分別制備了焊盤(pán)，然后面對(duì)面鍵合，鍵合材料可以是金屬引線或載帶，也可以是合金焊料或有機(jī)導(dǎo)電聚合物制作的焊凸。倒裝芯片鍵合引線短，焊凸直接與印刷線路板或其他基板焊接，引線電感小，信號(hào)間竄擾小，信號(hào)傳輸延時(shí)短，電性能好，是互連中延時(shí)最短、寄生效應(yīng)最小的一種互連方法。2.2微電子組裝中的焊接技術(shù)微電子焊接一般用錫基釬料的釬焊技術(shù)，錫釬焊方法有多種，但適合自動(dòng)化、大批量生產(chǎn)的主要是波峰焊和再流焊技術(shù)。微電子元器件焊接過(guò)程中，通孔元件

10、一般采用波峰焊接方法，而表面貼裝件則主要采用再流焊方法，如紅外再流焊、熱風(fēng)對(duì)流再流焊、熱板傳導(dǎo)再流焊和激光再流焊等進(jìn)行互連。在此將介紹波峰焊和再流焊的工藝及應(yīng)用。2.2.1波峰焊波峰焊是通孔插裝最常用的焊接方法。波峰焊技術(shù)適合于插裝型電子線路的規(guī)模化生產(chǎn)，在當(dāng)前的電子工業(yè)中仍具有重要地位。波峰焊的特點(diǎn)為：大量焊點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行，效率高；適合于焊接點(diǎn)與元件分處電路板兩面的插裝式組裝；相對(duì)于再流焊，設(shè)備較為便宜。目前波峰焊技術(shù)的主要發(fā)展方向是適應(yīng)無(wú)鉛焊接的耐高溫波峰焊。但隨著集成電路向高密度、小型化方向發(fā)展，體積更小的表面貼裝型電路在集成電路中占的比例越來(lái)越大。波峰焊技術(shù)在焊接形狀變化多樣、管腳間距極小

11、的元件時(shí)，顯現(xiàn)出一定局限性。而與此相應(yīng)的再流焊技術(shù)卻表現(xiàn)出極大的優(yōu)越性。2.2再流焊再流焊就是通過(guò)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(rùn)濕金屬焊盤(pán)表面形成牢固連接的過(guò)程。常用的再流焊方法有激光釬焊、紅外輻射再流焊、熱風(fēng)再流焊和汽相再流焊等，但目前再流焊工藝中比較成熟的是熱風(fēng)再流焊法和紅外輻射再流焊法。紅外再流焊和熱風(fēng)再流焊由于適合大批量生產(chǎn)仍然在電子封裝與組裝中占有重要地位；而激光再流焊因其可局部加熱，對(duì)熱敏感元件沒(méi)有熱沖擊的優(yōu)點(diǎn)而逐漸被人們所矚目。3微連接用無(wú)鉛釬料合金的研究進(jìn)展隨著環(huán)境、健康問(wèn)題成為全球的關(guān)注焦點(diǎn)，電子封裝材料和工藝面臨著向“綠色”轉(zhuǎn)變的挑戰(zhàn)。此外，隨著微細(xì)間距

12、器件的發(fā)展，組裝密度愈來(lái)愈高，焊點(diǎn)愈來(lái)愈小，而其所承載的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)負(fù)荷則愈來(lái)愈重，對(duì)可靠性要求日益提高。因此，無(wú)鉛焊料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，不僅對(duì)環(huán)保有利，而且還擔(dān)負(fù)著提高電子產(chǎn)品質(zhì)量的重要任務(wù)。比較了不同體系無(wú)鉛釬料合金的優(yōu)缺點(diǎn)?？芍?，在幾個(gè)候選合金系統(tǒng)中，Sn-Ag-Cu是新一代代表性焊料，這種合金焊料具有優(yōu)良的物理性能和高溫穩(wěn)定性，正在世界范圍內(nèi)推廣使用，并成為各種無(wú)鉛焊接工藝中的首選候補(bǔ)焊料。4展望隨著集成電路的發(fā)展，未來(lái)微電子器件內(nèi)連接的對(duì)象將日趨復(fù)雜，尺寸更加微細(xì)，焊點(diǎn)間距更加密集，連接工藝將趨于多樣化，設(shè)備趨于精密化，熱源將逐漸由電能向超聲能、激光能擴(kuò)展。芯片封裝內(nèi)部連接方式呈現(xiàn)出

13、引線向焊球和硅片無(wú)焊球連接等非引線方式以縮短電氣連接路徑并縮小封裝尺寸的總趨勢(shì)。在傳統(tǒng)的引線鍵合之外發(fā)展了倒裝芯片連接和硅片鍵合工藝。引線鍵合在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)仍將是半導(dǎo)體封裝內(nèi)部連接的主流方式。倒裝芯片將作為高性能、高成本的內(nèi)部連接方式迅速發(fā)展并和引線鍵合長(zhǎng)期共存，共同和硅片鍵合應(yīng)用在Sip、MCM、3D等新型封裝中。微連接用材料將向高性能、低成本高可靠性、微細(xì)化、綠色化方向發(fā)展。目前微連接所采用的無(wú)鉛焊料與傳統(tǒng)Sn-Pb焊料相比，仍然存在浸潤(rùn)性差、熔點(diǎn)高、金屬溶解速度快這三個(gè)不可忽視的弱點(diǎn)。而國(guó)際上推薦使用的幾種無(wú)鉛焊料在價(jià)格、浸潤(rùn)性、穩(wěn)定性等方面雖然各有優(yōu)勢(shì)，卻很難形成統(tǒng)一，至今仍未找到一種

14、可以在各方面超越并替代Sn-Pb焊料的合金系統(tǒng)。因此各類(lèi)新型無(wú)鉛焊料的設(shè)計(jì)與研制，可焊性與可靠性研究，相關(guān)焊接工藝的研究均是當(dāng)前無(wú)鉛焊料研究工作中的幾大前沿課題。參考文獻(xiàn)：1 范琳，袁桐，楊士勇.微電子封裝技術(shù)與聚合物封裝材料的發(fā)展趨勢(shì)J.新材料產(chǎn)業(yè)，2005，7（8）：88-972 李枚.微電子封裝技術(shù)的發(fā)展與展望J.半導(dǎo)體雜志，2005,25(2)：32-363 王青春.電子封裝和組裝中的微連接技術(shù)J.現(xiàn)代表面貼裝資訊，2004,3(6)：14 陳方，杜長(zhǎng)華，黃福祥，等援微電子器件內(nèi)連接技術(shù)與材料的發(fā)展展望J.材料導(dǎo)報(bào)，2006，20（5）：8-115 葛勱沖.微電子封裝中芯片焊接技術(shù)及其設(shè)備的發(fā)展J.電子工業(yè)專(zhuān)用設(shè)備，2000，29（4）：5-86 賈松良，胡濤，朱繼光.倒裝焊芯片的焊球制作技術(shù)J.半導(dǎo)體技術(shù)，2000，25（5）：25-288 黃卓，張力平，陳群星，等.電子封裝用無(wú)鉛焊料的最新進(jìn)展J.半導(dǎo)體技術(shù)，2006，31(11)：815-8189 張曙光，何禮君，張少明，等.綠色無(wú)鉛電子焊料的研究與應(yīng)用進(jìn)展J.材料導(dǎo)報(bào)，2004，18(6)：72-7510 馬鑫，董本霞.無(wú)鉛釬料發(fā)展現(xiàn)狀眼J.電子工藝技術(shù)，20