第四章封裝工藝4.1薄膜技術4.2厚膜技術4.3基板技術4.4釬焊技術4.5薄膜覆蓋封裝技術4.6金屬柱互連技術4.7通孔互連技術4.8倒裝芯片技術4.9壓接封裝技術4.10引線鍵合技術4.11載帶自動焊(TAB)技術4.12倒裝芯片鍵合(FCB)技術4.13電連接技術4.14焊接中的常見問題

4.1薄膜技術

薄膜技術是指真空蒸發、濺射、化學氣相沉積、電鍍、旋涂、陽極氧化等成膜技術。薄膜技術有下述優點：

●薄膜技術的多樣性可形成多種材料的薄膜，如金屬膜、合金膜、氧化物膜、玻璃膜、陶瓷膜、聚合物膜等；

●薄膜平整光潔，便于采用光刻等圖形成形技術。

4.2厚膜技術

厚膜材料是有機介質摻入微細金屬粉、玻璃粉或陶瓷粉末的混合物，通過絲網印刷工藝，印制到絕緣基板上。無機相金屬粉可確定厚膜成分：

●金屬或金屬合金組成無機相導體；

●金屬合金或釕(Ruthenium)系化合物組成厚膜電阻；

●玻璃或玻璃陶瓷無機相組成多層介質、密封劑或高介電常數的電容層。厚膜的絲網印刷法有下述優點：

●可直接形成電路圖形；

●膜層較厚，經燒結收縮變得致密，電阻率低，容易實現很低的電路電阻；

●導體層、電阻層、絕緣層、介電層及其它功能層都可以印刷成膜；

●容易實現多層化；

●設備簡單，投資少。

4.3基板技術

基板提供芯片及元器件間的有效互連與模塊的機械支撐，是模塊的基礎。選擇基板材料時，要考慮以下性能：

●機械性能方面：有足夠高的機械強度作為模塊的機械支撐；便于加工，尺寸精度高；表面光潔，平整度好，無微細裂紋。

●電氣性能方面：絕緣性能高，介電常數低，介電損耗小，在溫度高、濕度大的條件下性能穩定。

●熱性能方面：導熱率高，耐熱特性好，熱膨脹系數與相關材料匹配。

●其它性能化學穩定性好，無吸濕性，制造容易，成本低。

4.4釬焊技術

釬焊技術的主要工藝過程如下：

●清潔待焊金屬表面，去除表面氧化物，使表面對釬料具有良好的潤濕性；

●熔融焊料潤濕金屬表面；

●在焊料與被焊金屬間形成一層金屬間化合物。4.4.1波峰焊

如圖4-1所示，波峰焊是指將熔化的軟釬焊料經電動泵或電磁泵噴流成設計要求的焊料波峰，亦可通過向焊料池注入氮氣來形成，使預先裝有器件的PCB板通過焊料波峰，實現元器件焊端或引腳與PCB板焊盤之間機械與電氣連接的軟釬焊。圖4-2所示為波峰焊爐。圖4-1波峰焊原理圖圖4-2波峰焊爐4.4.2回流焊

有研究表明，回流焊溫度曲線的變化會對金屬間化合物的生長帶來影響。回流焊技術具有以下技術特征：

●在回流焊過程中，不需要把元器件直接浸在熔融焊料中，元器件受到的熱沖擊小；

●僅在需要部位施放焊料，能控制焊料釋放量，避免橋接等缺陷產生；

●元器件貼放位置有一定偏離時，由于熔融焊料表面張力的作用，位置可以自對準。圖4-3單面貼裝回流焊

1.單面貼裝

1)錫膏預涂

將焊膏涂敷到PCB焊盤圖形上的方法，廣泛采用的是印刷涂敷技術。印刷涂敷技術的大致過程為：印刷前將PCB放在工作支架上，由真空或機械方法固定，將已加工好的印刷圖像窗口的絲網/漏模板在金屬框架上繃緊，并與PCB對準；絲網印刷時，PCB頂部與絲網/漏模板底部之間有一定距離；印刷開始時，預先將焊膏放在絲網/漏模板上，使其與PCB板表面接觸，同時壓刮焊膏，通過絲網/漏模板上的印刷圖像窗口，將焊膏印制(沉積)在PCB的焊盤上。

2)貼裝

貼裝分為手工貼裝和機器自動貼裝兩種。SMT生產中的貼裝技術通常是指用一定的方式，將片式元器件準確地貼放到PCB指定的位置上。這個過程稱之為“PickandPlace”，是指吸取/拾取與放置兩個動作。貼片機的總體結構大致可分為：機架、PCB傳送機構及支撐臺、XY與Z/θ定位系統、光學識別系統、貼片頭、供料器、傳感器和計算機操作軟件。圖4-4JUKIFX-3高速貼片機

3)回流焊

回流焊工藝是表面安裝技術的主要工藝技術，它是使焊料合金和結合的金屬表面之間形成合金層的一種連接技術。這種焊接技術的主要工藝特征是：用焊劑將要焊接的金屬表面洗凈(去除氧化物等)，使之對焊料具有良好的潤濕性；供給熔融焊料潤濕金屬表面，在焊料和被焊金屬間形成金屬間化合物。圖4-5HELLER1809MKⅢ9溫區回焊爐

4)清洗

通常在焊接后，總是存在不同程度的助焊劑的殘留物及其它類型的污染物，如孔膠、高溫膠帶的殘留膠、手跡和飛塵等，因此清洗對保證電子產品的可靠性有著極其重要的作用。根據清洗介質的不同，清洗技術有溶劑清洗和水清洗。根據清洗工藝和設備不同，清洗技術又可分為間歇式清洗和連續式清洗。根據清洗方法不同，清洗技術還可以分為高壓噴洗和超聲波清洗。

2.雙面貼裝

雙面貼裝工藝類似于單面貼裝工藝，主要工藝過程如下：

●?A面預涂錫膏；

●貼片，分為手工貼裝和機器自動貼裝；

●回流焊；

●?B面預涂錫膏；

●貼片，分為手工貼裝和機器自動貼裝；

●回流焊；

●清洗檢查；

●?電測試。

3.回流焊的溫度曲線

回流焊技術的核心環節是利用外部熱源加熱，使焊料熔化后再次流動浸潤，完成電路板的焊接過程。

影響回流焊工藝的因素很多，也很復雜。在SMT生產流程中，回流爐參數設置的好壞是影響焊接質量的關鍵，而溫度曲線又是回流爐的關鍵參數。圖4-6回流焊溫度曲線

1)預熱段

預熱段的目的是把室溫的PCB盡快加熱，以達到特定目標。升溫速率要控制在適當范圍以內。升溫過快，會產生熱沖擊，電路板和元件都可能受損；升溫過慢，則溶劑揮發不充分，影響焊接質量。由于加熱速度較快，因此在溫區的后段溫差較大。為防止熱沖擊對元器件的損傷，規定最大速度為4℃/s。通常上升速率設定為1℃～3℃/s，典型的升溫速率為2℃/s。

2)保溫段

保溫段是指溫度從120℃～150℃升至焊膏熔點的區域，其主要目的是使PCB上各元器件的溫度趨于穩定，盡量減少溫差。應保證足夠的時間，使較大元器件的上升溫度同較小元器件上升溫度同步，保證焊膏中的助焊劑得到充分揮發。

3)回流段

在回流區域里，加熱溫度最高，元器件的溫度快速上升至峰值溫度。在回流階段，不同的焊膏，焊接峰值溫度不同，一般為焊膏的熔點溫度加20℃～40℃。對于熔點為183℃的Sn63Pb37焊膏和熔點為179℃的Sn62Pb36Ag2焊膏，峰值溫度一般為210℃～230℃。回流時間不要過長，以防對PCB及元器件造成不良影響。理想的溫度曲線是超過焊錫熔點“尖端區”覆蓋的面積最小。

4)冷卻段

在冷卻區域里，焊膏內的鉛錫粉末已經熔化，并充分潤濕，被連接于表面。用盡可能快的速度進行冷卻，有助于得到明亮的焊點，并有好的外形和低的接觸角度。緩慢冷卻，會導致電路板的更多分解，從而進入錫中，進而產生灰暗毛糙的焊點，在極端的情形下，引起焊接不良或焊點結合力減弱。冷卻階段降溫速率一般為3℃～10℃/s，冷卻至75℃即可。

4.5薄膜覆蓋封裝技術

圖4-7所示為通用電氣公司采用薄膜覆蓋封裝技術(Thin-filmPowerOverlayTechnology)構成的功率模塊。芯片的背面焊接在DBC陶瓷基板上，芯片正面粘貼聚酰亞胺絕緣薄膜。粘貼前，薄膜已按要求形成一定距離和大小的過孔，過孔的位置與下面芯片電極的位置對應，用濺射法使過孔金屬化，過孔提供了芯片到頂層的互連。之后沉積金屬層，并光刻出圖形。圖4-7采用薄膜覆蓋封裝技術構成的功率模塊薄膜覆蓋技術具有以下優點：

●芯片產生的熱量主要經過銅墊片傳送到DBC陶瓷基板，然后通過導熱或輻射向大氣散發。同時，一部分熱量通過金屬化過孔傳送至頂層金屬，再通過對流或輻射向大氣散發，實現了三維散熱。

●外形尺寸小，寄生參數小。

●多層結構便于實現更復雜的電路結構。

4.6金屬柱互連技術

圖4-8所示為金屬柱互連平行板結構(MetalPostsInterconnectedParallelPlateStructure，MPIPPS)的封裝示意圖。圖4-8金屬柱互聯技術封裝模塊

4.7通孔互連技術

通孔互連技術(TSV)是一種新穎的互連方式。如圖4-9所示，與傳統的互連(如引線鍵合)不同，它是通過在硅片或玻璃上刻蝕通孔實現的。這種互連技術因為是垂直連接電路的兩端，所以電連接距離短、密度高，寄生、串擾等效應也較小。圖4-9引線鍵合和通孔互連技術比較

1.通孔刻蝕

1)濕法腐蝕

如圖4-10所示，濕法腐蝕是一種利用KOH溶液對硅片進行腐蝕的方法，一般使用<100>晶向的硅片，以熱氧化形成的二氧化硅層做掩膜，腐蝕過程中腐蝕速率與溶液溫度有關。圖4-10KOH濕法腐蝕

2)干法刻蝕

如圖4-11所示，干法刻蝕是一種采用SF6作為刻蝕氣體，CF4作為保護氣體，以二氧化硅層或光刻膠作掩膜的各向異性的反應離子刻蝕技術。圖4-11干法刻蝕

2.絕緣層淀積

硅片本身具有導電性，為了保證硅片上通孔間的絕緣，防止短路，在通孔制作完畢后，必須在通孔的側壁淀積一層絕緣介質層。通常采用化學氣相淀積的方法，在通孔的側壁沉積Si3N4或SiO2介質層。

3.孔內電連通

斜孔深度一般有幾百微米，要在其側壁上形成電通路，通常可采用濺射、蒸發、電鍍等方法。直孔電連通的常用方法有低溫化學淀積、熔融金屬淀積、電鍍等。

4.重布線

通孔內金屬層制作完畢后，可以采用類似于集成電路的再分布技術對鍵合好的圓片表面進行重新布線。

5.寄生電容的形成

在玻璃片上制作通孔，一般不考慮通孔寄生電容問題。因為玻璃片本身可認為是絕緣的，所以玻璃上的通孔可以運用于超高頻的電路中。

如圖4-12所示，因為硅片本身的導電性，所以在通孔內淀積金屬或多晶硅之前，會先在通孔的側壁上淀積一層絕緣層，這樣就會在硅片和金屬層之間形成一個MOS寄生電容。圖4-12寄生電容

4.8倒裝芯片技術

倒裝芯片技術(FlipChipTechnology，FCT)是1960年首先由IBM公司設計并開發研制出來的，但一直到近幾年才開始應用于高速、單芯片微處理器或微電子集成芯片。倒裝芯片技術應用于少數功率器件，則是在最近的時間內。倒裝芯片技術可實現芯片和基板的互連距離最短。根據芯片與基板的互連媒介種類，芯片倒裝互連主要可分為三種類型：

●焊料凸點倒裝互連技術；

●聚合物倒裝互連技術；

●熱壓共晶焊技術。圖4-13焊料凸點倒裝互連技術通過對芯片上施加的壓力來控制焊點的塌陷程度，彌補因芯片與基板的缺陷(如芯片凸點的高度不同，板的凹凸、扭曲等)而產生的焊接不均勻性，使所有凸點都能可靠互連。由于焊料表面張力的存在，按照基板焊盤尺寸的百分比，即使芯片的焊料凸點與焊盤的中心誤差達到25%，也能在回流焊接時使凸點回復到焊盤的中心位置，使凸點和襯底焊盤“自對中”，如圖4-14所示。圖4-14倒裝焊“自對中”效應

4.9壓接封裝技術

壓接封裝技術(PressurePackTechnology)是富士公司、東芝公司和ABB公司最早開發研制出來的一種封裝技術。圖4-15所示為銅塊壓接封裝技術示意圖。這種技術采用壓力裝配，多個芯片的連接通過過渡鉬片扣合完成，取消了焊接和焊接面。圖4-15銅塊壓接封裝技術

4.10引線鍵合技術

1.熱壓鍵合

熱壓鍵合是最早用于芯片互連的方法，目前已很少采用。熱壓鍵合是指通過壓力與加熱，使鍵合區產生塑性變形，實現引線與焊盤的連接。熱量與壓力通過毛細管形或楔形工具，以靜載或脈沖方式施加到鍵合區。

2.熱超聲引線鍵合

熱超聲引線鍵合是指在熱壓鍵合基礎上引入超聲波，在超聲波作用下將引線軟化，可降低鍵合溫度和壓力，提高鍵合強度。圖4-16熱超聲引線鍵合過程圖4-17正向金球熱超聲焊主要步驟圖4-18球焊鍵合過程圖4-19金絲鍵合圖4-20劈刀圖4-21鍵合點鑒于封裝形式的變化，如圖4-22所示，有時引線鍵合需要在兩塊芯片上(如3D封裝等)。因此，此類引線鍵合需要采用引線反打技術。圖4-23所示為引線反打鍵合的主要步驟。圖4-22雙芯片引線鍵合圖4-23引線反打鍵合主要步驟圖4-24鋁絲鍵合

3.超聲引線鍵合

超生引線鍵合是指在常溫下，施加超聲和鍵合力(超聲波振動平行于鍵合面，鍵合力垂直于鍵合面)，將引線鍵合到焊盤上的方法。由于采用如圖4-25所示的楔形劈刀，故又稱楔鍵合(WedgeBanding)。圖4-25超聲引線鍵合圖4-26超聲引線鍵合過程

4.11載帶自動焊(TAB)技術

隨著超大規模集成電路的發展，微電子器件I/O數目亦隨之增加。超聲鍵合作為一種點焊技術，其鍵合質量和鍵合效率已經不能適應大規模生產的要求，群焊技術便應運而生。載帶自動焊技術是群焊技術的一種。圖4-27載帶自動焊內鍵合技術

4.12倒裝芯片鍵合(FCB)技術

倒裝芯片鍵合(Flip-ChipBonding，FCB)是一種面陣列芯片互連技術，具有高的互連密度和互連強度。

1)回流焊接技術

回流焊接技術即倒裝鍵合技術最初的原型，它有可靠性好，可焊接的I/O點多等優點，但其焊盤和倒裝凸點的制作技術復雜、成本高，因此主要針對大批量生產的應用。

2)導電膠粘接技術

導電膠粘接是指在基板上涂覆帶有納米導電粒子的環氧樹脂，芯片凸點和基板焊盤通過納米導電粒子連通。

3)熱壓鍵合技術

熱壓鍵合技術是指芯片焊盤通過引線鍵合的方式植入金凸點，將芯片倒置，凸點向下反扣在基板焊盤上，然后采用熱壓鍵合的方式，將芯片凸點鍵合到基板焊盤上。熱壓鍵合技術沒有鉛污染問題，效率也較高，但存在可靠性差、可鍵合窗口小等缺點，且高溫高壓的鍵合條件對芯片不利。

4)熱超聲倒裝鍵合技術

熱超聲倒裝鍵合技術借鑒熱超聲引線鍵合技術，在超聲、鍵合力和熱的作用下，將金凸點鍵合到基板焊盤上。具體步驟為：首先在芯片焊盤上用超聲引線鍵合的方式植入金凸點；然后將芯片倒置，凸點向下反扣在基板焊盤上；通過超聲、鍵合力和溫度的共同作用，將芯片凸點鍵合到基板焊盤陰。圖4-28連接技術和I/O數關系

4.13電?連?接?技?術

電子封裝電連接的主要功能是：

●信號的輸入、輸出端向外界的過渡；

●功率的輸入、輸出端向外界的過渡。

4.14焊接中的常見問題

1.橋聯

焊接加熱過程中，會產生焊料塌邊，主要出現在預熱和主加熱兩種場合。當預熱溫度在幾十至一百度范圍內時，溶劑黏度會降低，并流出。如果溶劑流量大，會將焊料顆粒擠出焊區外。熔融時溶劑如不能及時返回到焊區內，其內部的含金顆粒將滯留形成焊料球。圖4-29所示即

為橋聯。圖4-29橋聯

2.立碑(曼哈頓現象)

立碑指片式元器件在遭受急速加熱情況下發生翹立的現象。導致立碑的原因主要為急熱。急熱使元器件兩端存在溫差，電極端一邊的焊料完全熔融后獲得良好的濕潤，而另一邊的焊料未完全熔融而引起濕潤不良，元件翹立。

3.潤濕不良

潤濕不良是指焊接過程中焊料和電路基板的焊區(銅箔)或元器件的外部電極，經浸潤后不生成相互間的反應層，造成漏焊或少焊故障。圖4-30所示為潤濕不良。圖4-30潤濕不良

4.黑焊盤

黑焊盤指焊盤表面化鎳浸金鍍層形態良好，但金層下的鎳層已變質生成為鎳氧化物的脆性黑色物質，對焊點的可靠性構成很大威脅。圖4-31所示為黑焊盤。圖4-31黑焊盤

5.脫焊

脫焊容易造成橋聯、短路、對不準等現象。圖4-32所示為脫焊。圖4-32脫焊

6.助焊劑殘留

助焊劑殘留既影響板面的光潔程度，又影響PCB板本身的電氣性。圖4-33所示為殘留助焊劑。圖4-33殘留助焊劑

7.錫瘟

在13℃或更低的溫度條件下，Sn會發生同位素異形轉變，由灰白色的β-Sn(四角形晶體結構)轉變為白色脆性的粉末狀α-Sn(立方晶體結構)，該轉變速度在-30℃的時候達到最大值。航