电子封装、微机电与微系统 全套课件

新技术研究与应用系列电子封装、微机电与微系统田文超

编著西安电子科技大学出版社目

录第一篇电子封装技术第一章电子封装技术概述第二章封装形式第三章封装材料第四章封装工艺第五章封装可靠性第六章电气连接第七章电子封装面临的主要挑战第二篇

MEMS封装第八章

MEMS概述第九章

MEMS封装第十章典型MEMS器件封装第三篇

微系统技术第十一章

SOC

技术第十二章

SIP

技术第十三章微系统第一章

电子封装技术概述

1第一章

电子封装技术概述1.1封装的定义1.2封装的内容1.3封装的层次1.4封装的功能1.5封装技术的历史和发展趋势第一章

电子封装技术概述

21.1

封

装

的

定

义电子封装可定义为：将集成电路设计和微电子制造的裸芯片组装为电子器件、电路模块和电子整机的制造过程，

或将微元件再加工及组合构成满足工作环境要求的整机系

统的制造技术。第一章

电子封装技术概述

31.2

封

装

的

内

容封装所涉及的内容主要包括：●工艺，包括热加工、薄膜技术、真空技术、表面处理技术、等离子技术、熔点焊接、微连接技术等。●材料，包括金属材料、无机非金属材料、聚合物材料、复合材料、组合材料、高分子材料等。●机械，包括振动、高速驱动、高精度擦拭、光机电耦合、热应力膨胀、热控制技术、伺服自控技术等。●

电磁，包括高频电路、数字电路、射频电路、信号传输完整性、电源完整性、信号串扰、寄生效应、耦合、

电磁兼容等问题。第一章

电子封装技术概述

4从材料上讲，电子封装涉及各种类型的材料，如焊丝框架、焊剂焊料、金属超细粉、陶瓷粉料、表面活性剂、有机粘接剂、有机溶剂、金属浆料导电材料、感光性树脂、衬底等。图1-1所示为各种封装材料。第一章

电子封装技术概述

5图1-1封装材料第一章

电子封装技术概述

6从设计、评价、解析技术讲，封装涉及薄膜性、电气特性、热特性、结构特性及可靠性等方面的分析、评价与检测，如图1-2所示。第一章

电子封装技术概述

7图1-2封装构成第一章

电子封装技术概述

81.3

封

装

的

层

次如图1-3所示，从电子制造过程可以看出，封装的整个过程可以分为以下6个层次：●层次1：芯片以及半导体集成电路元件的连接。●层次2：单芯片封装以及多芯片组装。单芯片封装是对单个芯片进行封装；多芯片组装是将多个裸芯片装载在陶瓷等多层基板上，进行气密性封装。●层次3：板或卡的装配。将多层次单芯片或多芯片实装在PCB板等多层基板上，基板周边设有插接端子，用于

与母板和其它板或卡的电气连接。第一章

电子封装技术概述

9●层次4：单元组装。将经过层次3装配的板或卡，通过其上的插接端子，搭载在大型PCB板(母板)上，构成单元组件。●层次5：多个单元搭装成架，单元与单元间经布线或电缆相连接。●层次6：总装。将多个架排列，架与架之间经布线或电缆相连接，构成大规模电子设备。第一章

电子封装技术概述

10图1-3封装划分第一章

电子封装技术概述

11图1-4所示为一、二、三级封装。

一级封装利用引线键合将芯片在基板上固定，并进行隔离保护；二级封装为经一级封装后的各器件在基板上的固定和连接；三级封装为将电路板装入系统中组成电子整机系统。图1-5、图1-6所示分别为手机和笔记本电脑的封装过程。第一章

电子封装技术概述

12图1-4一、二、三级封装划分第一章

电子封装技术概述

13图1-5手机封装过程第一章

电子封装技术概述

14图1-6笔记本电脑封装过程第一章

电子封装技术概述

15图1-7～图1-15为零级封装过程，主要工艺步骤为晶圆、磨片、装片、划片、贴片、引线键合、塑封、切筋和电镀。图1-7为晶圆(Wafer)，上面布满了矩形的芯片，有切割槽的痕迹。由于晶圆出厂时厚度比芯片封装所需厚度厚，因此芯片通常要磨片(BackGrinding)。磨片完成后，接下来装片(WaferMount)、划片(Die

Sawing)、贴片(DieAttach)。贴片是将芯片粘贴到涂好环氧树脂的引线框架上。最后是引线键合(WireBonding)、塑封(Molding)、切筋(Trim)、电镀(Plating)。电镀的作用是增强导电性。第一章

电子封装技术概述

16图1-7

晶圆第一章

电子封装技术概述

17图1-8

磨片第一章

电子封装技术概述

18图1-9

装片第一章

电子封装技术概述

19图1-10

划片第一章

电子封装技术概述

20图1-11

贴片第一章

电子封装技术概述

21图1-12

引线键合第一章

电子封装技术概述

22图1-13

塑封第一章

电子封装技术概述

23图1.14

切筋第一章

电子封装技术概述

24图1-15

电镀第一章

电子封装技术概述

251.4

封

装

的

功

能作为用户，所关心的并不是芯片，而是由芯片和相关材料通过封装技术构成的半导体器件或设备的可靠性。因此，电子封装必须具有以下功能：●

电气特征保持功能。芯片技术在不断发展，对芯片的高性能、小型化、高频化、低功耗、集成化等要求越来越高。类似信号完整性、电源完整性、集肤效应、邻近效应、串扰耦合、寄生效应等都会对设备的性能产生影响，

在进行封装设计时必须考虑。第一章

电子封装技术概述

26●机械保护功能。针对类似航天等特殊环境下的芯片及设备，所承受的高低温、强振动冲击对芯片等的保护要

求越来越高。通过封装技术保护芯片表面以及连接引线等，

使其免受外力损坏及外部环境的影响。●应力缓和功能。随着设备应用环境的变化以及芯片集成密度的提高，由外部环境温度的变化或者芯片自发热等产生的热量在热膨胀系数不匹配的材料中传导，将导致热应力。利用封装技术，实现应力释放，以防止芯片等发

生损坏。第一章

电子封装技术概述

271.5封装技术的历史和发展趋势图1-16和图1-17所示分别为电子封装发展趋势。第一章

电子封装技术概述

28图1-16

电子封装发展趋势(一)第一章

电子封装技术概述

29图1-17

电子封装发展趋势(二)第二章

封

装

形

式

1第二章封

装

形

式2.1DIP(双列直插式封装)2.2SOP(小外形封装)2.3PGA(针栅阵列插入式封装)2.4QFP(

四边引线扁平封装)2.5BGA(球栅阵列封装)2.6CSP(芯片级封装)2.7

3D封装2.8MCM封装2.9

发展趋势第二章

封

装

形

式

22.1DIP(双列直插式封装)如图2-1所示，芯片由Au浆料固定在陶瓷底座上，

Al键合丝将芯片电极同外基板电路连接。底座与陶瓷盖板由玻璃封接，使芯片密封在陶瓷之中与外界隔离。玻璃具有封接密封和应力缓冲作用，经过玻璃过度，可以使陶瓷与Fe/Ni系金属的热膨胀系数相匹配。第二章

封

装

形

式

3图2-1DIP第二章

封

装

形

式

42.2SOP(小外形封装)SOP是表面贴装型封装之一，引脚从封装两侧引出，呈海鸥翼状(L字形)。材料有塑料和陶瓷两种。

SOP也叫SOL和DFP，如图2-2所示。

SOP封装标准有SOP-8

、SOP-16、SOP-20

、SOP-28等。

SOP后面的数字表示引脚数。第二章

封

装

形

式

5图2-2

SOP第二章

封

装

形

式

62.3PGA(针栅阵列插入式封装)如图2-3所示，PGA的针脚不是单排或双排，而是在整个平面呈针阵分布。与DIP相比，在不增加针脚间距和面积

的情况下，可以按平方的关系增加针脚数，提高封装效率。第二章

封

装

形

式

7图2-3PGA第二章

封

装

形

式

82.4QFP(四边引线扁平封装)如图2-4所示，QFP呈扁平状，鸟翼形引线端子的一端由芯片四个侧面引出，另一端沿四边布置在同一PCB上。QFP不是靠针脚插入PCB的，而是采用的SMT(表面贴装技术)方式，即通过焊料等贴附在PCB表面相应的电路图形上。第二章

封

装

形

式

9图2-4

QFP第二章

封

装

形

式

102.5BGA(球栅阵列封装)BGA是在PGA和QFP的基础上发展而来的。它基于PGA的阵列布置技术，将插入的针脚改换成键合用的微球；基于QFP的SMT工艺，采用回流焊技术实现焊接。

BGA所占的实装面积小，对端子间距的要求不苛刻，便于实现高密度封装，具有优良的电学性能和机械性能。第二章

封

装

形

式

11图2-5所示为Sn/Pb焊料凸点芯片的截面组成结构。芯片I/O电极通常为铝或铝合金，铝和焊料难以形成直接连接，因此在I/O

电极上制作基底金属膜，构成凸点的可焊区。基底金属膜由多层金属组成，具有三个功能：●提供对芯片I/O电极的黏附力；●

提供焊料的浸润；●

阻挡焊料与I/O电极产生化学反应。第二章

封

装

形

式

12图2-5Sn/Pb焊料凸点芯片截面组成结构第二章

封

装

形

式

13图2-6倒装充胶工艺过程第二章

封

装

形

式

14图2-7BGA封装MOSFET第二章

封

装

形

式

152.6CSP(芯片级封装)CSP全称为Chip

ScalePackage，即芯片级封装的意思。作为新一代的芯片封装技术，在BGA基础上，CSP的性能又有了很大的提升。图2-8所示为采用CSP的芯片。第二章

封

装

形

式

16图2-8CSP芯片第二章

封

装

形

式

17这些定义虽然有些差别，但都指出了CSP产品的主要特点：封装体尺寸小。如图2-9、图2-10所示，CSP有多种不同形式的内部连接方式。第二章

封

装

形

式

18图2-9平面阵列端子CSP第二章

封

装

形

式

19图2-10周边分布端子CSP第二章

封

装

形

式

20CSP技术具有下述特征：●CSP与芯片尺寸等同或略大；●CSP逐渐向便携式信息电子设备发展；●拥有更小的引脚、更低的寄生电容(在高频中非常重要)和更高的I/O密度。第二章

封

装

形

式

211)基于定制引线框架的CSP基于定制引线框架的CSP又称做芯片上引线

(LOC)，主要用于管芯扩展和系统封装，以保持封装在PCB上所占用

的面积不变。主要代表产品有：南茂科技的SOC(SubstrateOnChip)

、MicroBGA和四边无引线扁平封装(QFN)、HitachiCable的芯片上引线的芯片尺寸封装(LOC-CSP)。第二章

封

装

形

式

222)

带扰性中间支撑层的CSP带扰性中间支撑层的CSP的主要代表产品有：

3M的增强型扰性CSP

、Hitachi的用于存储器件的芯片尺寸封装、NEC的窄节距焊球阵列

(FPBGA)

、Sharp的芯片尺寸封装、Tessera的微焊球阵列(μBGA)

、TIJapan的带扰性基板的存储器芯片尺寸封装(MCSP)。第二章

封

装

形

式

233)

刚性基板CSP刚性基板CSP的主要代表产品有：

IBM的陶瓷小型焊球阵列封装(Mini-BGA)、倒装芯片—塑料焊球阵列封装(FC-PBGA)

、NEC的三维存储器模块(3DM)CSP

、SONY的变换

焊盘阵列(TGA)。第二章

封

装

形

式

244)

圆片级再分布CSP圆片级再分布CSP的主要代表产品有：倒装芯片技术的UltraCSP、富士通的SuperCSP(SCSP)

、WL-CSP。CSP是在BGA基础上发展起来的，被业界称为单芯片的最高形式。

CSP和BGA很容易区分：球间距小于1.0mm的封装为CSP，球间距大于或等于1.0mm的封装为BGA。表2-1和表2-2分别列出了上述各类封装在封装总量中所占份额和总产量年增长率。第二章

封

装

形

式

25第二章

封

装

形

式

26第二章

封

装

形

式

272.7

3D

封

装3D封装技术也称为叠层芯片封装技术(StackedDiePackage)，是指在不改变封装体外形尺寸的前提下，在同一个封装体内，垂直方向叠放两个以上芯片的封装技术。3D封装主要有两类：埋置型3D封装和叠层型3D封装。埋置型3D封装即将元器件埋置在基板多层布线内或埋置、制作在基板内部，如图2-11所示。第二章

封

装

形

式

28图2-11埋置型3D封装第二章

封

装

形

式

29图2-12所示为应用引线键合技术和C4技术制造的叠层型3D封装产品，芯片间通过连线相连。该产品采用PBGA(PlasticBallGridArray)形式封装，共有四层芯片。第一、三层芯片(Die1

、Die3)是FLASH；第二层芯片(Die2)是隔离片，上面没有电路；第四层芯片(Die4)是SRAM。第一、四层芯片黏合剂(DAl

、DA4)是银膏(EpoxyPasteQMl546)；第二、三层芯片黏合剂(DA2

、DA3)是粘贴膜(FilmHS231)。第二章

封

装

形

式

30图2-12叠层型3D封装第二章

封

装

形

式

31图2-12中阴影处为密封剂(MoldingCompound)。衬底由三层印制电路板构成，中间层是BT(BismaleimideTriazine

，双马来酰亚胺三嗪)树脂，上下层是SR(SolderResist)层，SR层中还包含铜金属化布线，采用金线键合。图2-13所示为3D封装实物图。第二章

封

装

形

式

32图2-133D封装实物图第二章

封

装

形

式

33随着工作频率的不断提高，

3D微波集成模块变得越来越重要了。图2-14所示为采用3D技术加工的微波集成模块。低噪音放大器(LNA)等有源器件和相关元件利用键合技术连

在薄膜基板上；无源器件(带通滤波器等)嵌在多芯片模块中；封盖密闭和屏蔽射频信号。微波集成模块的目标频率为29.5~30GHz，频带平坦度为0.5dB。第二章

封

装

形

式

34图2-143D微波集成模块第二章

封

装

形

式

352.8MCM封装MCM是将多个(两个或以上)未封装或裸露的LSI电路芯片和其它微型元器件组装在同一块高密多层布线互连基板

上，封片装在同一外壳内，形成具有一定部件或系统功能的高密度微电子组件的技术。第二章

封

装

形

式

36图2-15MCM封装(通过导线相连)第二章

封

装

形

式

37图2-16MCM封装(通过通孔相连)第二章

封

装

形

式

38图2-17MCM封装实物第二章

封

装

形

式

39图2-18多层基板MCM封装第二章

封

装

形

式

402.9

发

展趋

势根据IC技术的发展趋势，结合电子产品整机和系统的高性能化、多功能化、小型化、便携式、高可靠性以及低成本等要求，电子芯片封装的发展趋势主要有：●

随着芯片功能的复杂化，微电子封装具有的I/O引脚数目(或外界连接端子)将会越来越多；●

电子芯片封装将具有更高的电性能和热性能；●

电子芯片封装会变得越来越轻、越薄、越小；第二章

封

装

形

式

41●

电子芯片封装将更方便于安装和使用，但不一定适合维修；●

随着成本的降低以及更新换代的加快，芯片封装体基本上成为一次性使用物品；●

电子芯片封装体的可靠性会更高；●

电子芯片封装的性价比将会越来越高，制造工艺日益集成、标准化，成本更低。第三章

封

装

材

料

1第三章封

装

材

料3.1

陶瓷3.2

金属3.3

塑料3.4

复合材料3.5焊接材料3.6基板材料第三章

封

装

材

料

23.1

陶

瓷Al2O3(氧化铝)陶瓷是目前应用最成熟的陶瓷封装材料，其热膨胀系数(6.7×10-6/K)接近硅(4.2×10-6/K)的热膨胀系数，价格低廉，耐热冲击性、电绝缘性都比较好，制作和加工技术成熟，使用广泛。但是，

Al2O3热导率相对较低，限制了它在大功率集成电路中的应用。第三章

封

装

材

料

3AlN(氮化铝)陶瓷的导热性能好，其理论导热系数为320W/(m·K)，实际产品接近250W/(m·K)，是氧化铝的5~7倍；热膨胀系数小，与硅的热膨胀系数非常接近，比氧化铝约低一半。

AlN绝缘性好，电阻率大，介电常数和介电损耗小，无毒，且有良好的温度稳定性，其综合性能远优于

氧化铝，是LSI

、VLSI基板和封装的理想材料，也可用于大

功率晶体管、开关电源基板以及电力器件。第三章

封

装

材

料

43.2

金

属金属材料中，铝的热导率很高、重量轻、价格低、加工容易，是最常用的封装材料。但铝的热膨胀系数(23.6×10-6/K)与硅(4.2×10-6/K)和GaAs(5.8×10-6/K)的相差较大，器件工作时的热循环常会产生较大的应力，导致器件性能失效。铜材也存在类似的问题。第三章

封

装

材

料

53.3

塑

料常见塑料一般分为两大类，即热塑性塑料和热固性塑料。第三章

封

装

材

料

63.4

复

合材

料作为导热性电子材料，金属材料能满足导热性要求，但它的导电性限制了它的使用范围；无机非金属晶体同时

具有优良的导热性和绝缘性，是理想的导热性电子材料，但制备困难、成本高；聚合物成型方便，易于生产，介电

性好，但导热性差。第三章

封

装

材

料

73.5

焊接

材

料1.

Sn-PbSn-Pb系焊料是使用最广泛的软钎焊料，图3-1所示为Sn-Pb系二元相图。

Sn-Pb配比不同时，性能会有很大变化，其

中Sn63/Pb37共晶焊料可由液相直接转变为固相。Sn-Pb系焊料的优点是熔点较低，浸润性能、导电性能和加工性能较好，成本低，是应用最多的焊料。第三章

封

装

材

料

8图3-1Sn-Pb系二元相图第三章

封

装

材

料

92.

Sn-InSn-In二元共晶合金成分为Sn-52In，共晶温度为118℃。两相均是金属间化合物相。在20℃~60℃之间，Sn-52In钎料的剪切强度低于Sn-Pb钎料，这是因为Sn-In共晶的熔点(118℃)远低于Sn-Pb共晶的熔点(183℃)

。Sn和In均可与Cu反应生成金属间化合物。界面反应中，

Sn和Cu可反应生成

Cu6

Sn5和Cu3

Sn。第三章

封

装

材

料

103.

Sn-BiSn-Bi二元合金的共晶成分为Sn-58Bi，共晶温度为139℃。室温下平衡相为Bi相及含约4wt%Bi的Sn的固溶体。由于在共晶组织中，

Sn在Bi中的固溶度很小，因此Bi相为纯Bi

。Bi在Sn中最大固溶度约为21wt%。当合金冷却时，

Bi在Sn相上析出。在适合冷却条件下，共晶Sn-Bi微观组织是片层状的结构。第三章

封

装

材

料

114.

Sn-9ZnSn-Zn二元合金的共晶成分为Sn-9Zn，共晶温度为199℃,十分接近Sn-Pb共晶合金。共晶组织由两相组成：体心四方的Sn基体相和含有不到19wt%Sn的密排六方Zn的固溶体。快冷时该合金凝固后微观组织显示出大晶粒，并且具有分布十分均匀的两相共晶区。第三章

封

装

材

料

125.

Sn-3.5AgSn-Ag二元合金的共晶成分为Sn-3.5Ag，共晶温度为221℃。添加1%Zn，可消除β-Sn的粗大枝晶，使Ag3

Sn分布均匀。第三章

封

装

材

料

136.

Sn-0.7CuSn-Cu二元合金的共晶成分为Sn-0.7Cu，共晶温度为227℃。凝固反应时，

Cu形成颗粒状或棒状的Cu6

Sn5

，金属间化合物弥散分布在树枝状R-Sn的基体上。在波峰焊过程

中，Sn-0.7Cu共晶合金展示了替代Sn-Pb钎料的优良的潜力。由于该合金Sn的含量较高，因此具有Sn晶须生长和灰锡转变的倾向。目前还不清楚Cu的加入对Sn的晶须生长和α-Sn转变的影响。第三章

封

装

材

料

143.6

基板

材

料1.

DBC陶瓷基板常用的陶瓷基板为Al2O3基板和AlN基板。陶瓷基板导热率高、热膨胀系数(CTE)小，适用于大功率应用场合。第三章

封

装

材

料

152.绝缘金属基板绝缘金属基板(InsulatedMetal

Substrate)由覆铜层、导热绝缘层和金属基层组成。

一般单面板居多，也有双面板。第四章

封

装

工

艺

1第四章封

装

工

艺4.1

薄膜技术4.2

厚膜技术4.3基板技术4.4钎焊技术4.5薄膜覆盖封装技术4.6金属柱互连技术4.7通孔互连技术4.8倒装芯片技术4.9压接封装技术4.10

引线键合技术4.11载带自动焊(TAB)技术4.12倒装芯片键合(FCB)技术4.13

电连接技术4.14焊接中的常见问题第四章

封

装

工

艺

24.1

薄膜

技

术薄膜技术是指真空蒸发、溅射、化学气相沉积、电镀、旋涂、阳极氧化等成膜技术。薄膜技术有下述优点：●薄膜技术的多样性可形成多种材料的薄膜，如金属膜、合金膜、氧化物膜、玻璃膜、陶瓷膜、聚合物膜等；●

薄膜平整光洁，便于采用光刻等图形成形技术。第四章

封

装

工

艺

34.2

厚膜

技

术厚膜材料是有机介质掺入微细金属粉、玻璃粉或陶瓷粉末的混合物，通过丝网印刷工艺，印制到绝缘基板上。

无机相金属粉可确定厚膜成分：●金属或金属合金组成无机相导体；●金属合金或钌(Ruthenium)系化合物组成厚膜电阻；●玻璃或玻璃陶瓷无机相组成多层介质、密封剂或高介电常数的电容层。第四章

封

装

工

艺

4厚膜的丝网印刷法有下述优点：●

可直接形成电路图形；●膜层较厚，经烧结收缩变得致密，电阻率低，容易实现很低的电路电阻；●

导体层、电阻层、绝缘层、介电层及其它功能层都可以印刷成膜；●

容易实现多层化；●

设备简单，投资少。第四章

封

装

工

艺

54.3

基板

技

术基板提供芯片及元器件间的有效互连与模块的机械支

撑，是模块的基础。选择基板材料时，要考虑以下性能：●机械性能方面：有足够高的机械强度作为模块的机械支撑；便于加工，尺寸精度高；表面光洁，平整度好，

无微细裂纹。●

电气性能方面：绝缘性能高，介电常数低，介电损耗小，在温度高、湿度大的条件下性能稳定。●热性能方面：导热率高，耐热特性好，热膨胀系数与相关材料匹配。●其它性能化学稳定性好，无吸湿性，制造容易，成本低。第四章

封

装

工

艺

64.4钎

焊

技

术钎焊技术的主要工艺过程如下：●清洁待焊金属表面，去除表面氧化物，使表面对钎料具有良好的润湿性；●

熔融焊料润湿金属表面；●在焊料与被焊金属间形成一层金属间化合物。第四章

封

装

工

艺

74.4.1波峰焊如图4-1所示，波峰焊是指将熔化的软钎焊料经电动泵或电磁泵喷流成设计要求的焊料波峰，亦可通过向焊料池注入氮气来形成，使预先装有器件的PCB板通过焊料波峰，

实现元器件焊端或引脚与PCB板焊盘之间机械与电气连接的软钎焊。图4-2所示为波峰焊炉。第四章

封

装

工

艺

8图4-1波峰焊原理图第四章

封

装

工

艺

9图4-2波峰焊炉第四章

封

装

工

艺

104.4.2

回流焊有研究表明，回流焊温度曲线的变化会对金属间化合物的生长带来影响。回流焊技术具有以下技术特征：●在回流焊过程中，不需要把元器件直接浸在熔融焊料中，元器件受到的热冲击小；●仅在需要部位施放焊料，能控制焊料释放量，避免桥接等缺陷产生；●元器件贴放位置有一定偏离时，由于熔融焊料表面张力的作用，位置可以自对准。第四章

封

装

工

艺

11图4-3单面贴装回流焊第四章

封

装

工

艺

121.

单面贴装1)锡膏预涂将焊膏涂敷到PCB焊盘图形上的方法，广泛采用的是印刷涂敷技术。印刷涂敷技术的大致过程为：印刷前将PCB放在工作支架上，由真空或机械方法固定，将已加工好的印刷图像窗口的丝网/漏模板在金属框架上绷紧，并与

PCB对准；丝网印刷时，

PCB顶部与丝网/漏模板底部之间有一定距离；印刷开始时，预先将焊膏放在丝网/漏模板上，使其与PCB板表面接触，同时压刮焊膏，通过丝网/漏模板

上的印刷图像窗口，将焊膏印制(沉积)在PCB的焊盘上。第四章

封

装

工

艺

132)

贴装贴装分为手工贴装和机器自动贴装两种。

SMT生产中的贴装技术通常是指用一定的方式，将片式元器件准确地贴放到PCB指定的位置上。这个过程称之为“PickandPlace”，是指吸取/拾取与放置两个动作。贴片机的总体结构大致可分为：机架、

PCB传送机构及支撑台、

XY与Z/θ定位系统、光学识别系统、贴片头、供料器、传感器和计算机操作软件。第四章

封

装

工

艺

14图4-4JUKIFX-3高速贴片机第四章

封

装

工

艺

153)

回流焊回流焊工艺是表面安装技术的主要工艺技术，它是使焊料合金和结合的金属表面之间形成合金层的一种连接技术。这种焊接技术的主要工艺特征是：用焊剂将要焊接的金属表面洗净(去除氧化物等)，使之对焊料具有良好的润湿

性；供给熔融焊料润湿金属表面，在焊料和被焊金属间形成金属间化合物。第四章

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16图4-5HELLER

1809MKⅢ9温区回焊炉第四章

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174)

清洗通常在焊接后，总是存在不同程度的助焊剂的残留物及其它类型的污染物，如孔胶、高温胶带的残留胶、手迹和飞尘等，因此清洗对保证电子产品的可靠性有着极其重要的作用。根据清洗介质的不同，清洗技术有溶剂清洗和水清洗。根据清洗工艺和设备不同，清洗技术又可分为间歇式清洗和连续式清洗。根据清洗方法不同，清洗技术还可以分为高压喷洗和超声波清洗。第四章

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182.

双面贴装双面贴装工艺类似于单面贴装工艺，主要工艺过程如下：●A面预涂锡膏；●

贴片，分为手工贴装和机器自动贴装；●

回流焊；●B面预涂锡膏；●

贴片，分为手工贴装和机器自动贴装；●

回流焊；●

清洗检查；●电测试。第四章

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193.

回流焊的温度曲线回流焊技术的核心环节是利用外部热源加热，使焊料熔化后再次流动浸润，完成电路板的焊接过程。影响回流焊工艺的因素很多，也很复杂。在SMT生产流程中，回流炉参数设置的好坏是影响焊接质量的关键，

而温度曲线又是回流炉的关键参数。第四章

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20图4-6

回流焊温度曲线第四章

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211)

预热段预热段的目的是把室温的PCB尽快加热，以达到特定目标。升温速率要控制在适当范围以内。升温过快，会产生热冲击，电路板和元件都可能受损；升温过慢，则溶剂挥发不充分，影响焊接质量。由于加热速度较快，因此在温区的后段温差较大。为防止热冲击对元器件的损伤，规定最大速度为4℃/s。通常上升速率设定为1℃~3℃/s，典型的升温速率为2℃/s。第四章

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222)

保温段保温段是指温度从120℃~150℃升至焊膏熔点的区域，其主要目的是使PCB上各元器件的温度趋于稳定，尽量减少温差。应保证足够的时间，使较大元器件的上升温度同较小元器件上升温度同步，保证焊膏中的助焊剂得到充分挥发。第四章

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233)

回流段在回流区域里，加热温度最高，元器件的温度快速上升至峰值温度。在回流阶段，不同的焊膏，焊接峰值温度不同，一般为焊膏的熔点温度加20℃~40℃。对于熔点为

183℃的Sn63Pb37焊膏和熔点为179℃的Sn62Pb36Ag2焊膏，

峰值温度一般为210℃~230℃。回流时间不要过长，以防对PCB及元器件造成不良影响。理想的温度曲线是超过焊锡熔点“尖端区”覆盖的面积最小。第四章

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244)

冷却段在冷却区域里，焊膏内的铅锡粉末已经熔化，并充分润湿，被连接于表面。用尽可能快的速度进行冷却，有助于得到明亮的焊点，并有好的外形和低的接触角度。缓慢冷却，会导致电路板的更多分解，从而进入锡中，进而产生灰暗毛糙的焊点，在极端的情形下，引起焊接不良或焊

点结合力减弱。冷却阶段降温速率一般为3℃~10℃/s，冷却至75℃即可。第四章

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254.5薄膜覆盖封装技术图4-7所示为通用电气公司采用薄膜覆盖封装技术(Thin-filmPowerOverlayTechnology)构成的功率模块。芯片的背面焊接在DBC陶瓷基板上，芯片正面粘贴聚酰亚胺绝缘薄膜。粘贴前，薄膜已按要求形成一定距离和大小的过孔，过孔的位置与下面芯片电极的位置对应，用溅射法使过孔金属化，过孔提供了芯片到顶层的互连。之后沉积金属层，

并光刻出图形。第四章

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26图4-7采用薄膜覆盖封装技术构成的功率模块第四章

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27薄膜覆盖技术具有以下优点：●芯片产生的热量主要经过铜垫片传送到DBC陶瓷基板，然后通过导热或辐射向大气散发。同时，

一部分热量通过金属化过孔传送至顶层金属，再通过对流或辐射向大

气散发，实现了三维散热。●

外形尺寸小，寄生参数小。●

多层结构便于实现更复杂的电路结构。第四章

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284.6金属柱互连技术图4-8所示为金属柱互连平行板结构(MetalPostsInterconnectedParallelPlate

Structure

，MPIPPS)的封装示意图。第四章

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29图4-8金属柱互联技术封装模块第四章

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304.7通孔互连技术通孔互连技术(TSV)是一种新颖的互连方式。如图4-9所示，与传统的互连(如引线键合)不同，它是通过在硅片或玻璃上刻蚀通孔实现的。这种互连技术因为是垂直连接电路的两端，所以电连接距离短、密度高，寄生、串扰等效应也较小。第四章

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31图4-9引线键合和通孔互连技术比较第四章

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321.通孔刻蚀1)

湿法腐蚀如图4-10所示，湿法腐蚀是一种利用KOH溶液对硅片进行腐蚀的方法，

一般使用<100>晶向的硅片，以热氧化

形成的二氧化硅层做掩膜，腐蚀过程中腐蚀速率与溶液温度有关。第四章

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33图4-10KOH湿法腐蚀第四章

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342)干法刻蚀如图4-11所示，干法刻蚀是一种采用SF6作为刻蚀气体，CF4作为保护气体，以二氧化硅层或光刻胶作掩膜的各向异性的反应离子刻蚀技术。第四章

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35图4-11干法刻蚀第四章

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362.绝缘层淀积硅片本身具有导电性，为了保证硅片上通孔间的绝缘，防止短路，在通孔制作完毕后，必须在通孔的侧壁淀积一层绝缘介质层。通常采用化学气相淀积的方法，在通孔的侧壁沉积Si3N4或SiO2介质层。第四章

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373.孔内电连通斜孔深度一般有几百微米，要在其侧壁上形成电通路，通常可采用溅射、蒸发、电镀等方法。直孔电连通的常用方法有低温化学淀积、熔融金属淀积、电镀等。第四章

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384.

重布线通孔内金属层制作完毕后，可以采用类似于集成电路的再分布技术对键合好的圆片表面进行重新布线。第四章

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395.寄生电容的形成在玻璃片上制作通孔，

一般不考虑通孔寄生电容问题。因为玻璃片本身可认为是绝缘的，所以玻璃上的通孔可以运用于超高频的电路中。如图4-12所示，因为硅片本身的导电性，所以在通孔内淀积金属或多晶硅之前，会先在通孔的侧壁上淀积一层绝缘层，这样就会在硅片和金属层之间形成一个MOS寄生电容。第四章

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40图4-12

寄生电容第四章

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414.8倒装芯片技术倒装芯片技术(FlipChipTechnology

，FCT)是1960年首先由IBM公司设计并开发研制出来的，但一直到近几年才开始应用于高速、单芯片微处理器或微电子集成芯片。倒装芯片技术应用于少数功率器件，则是在最近的时间内。第四章

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42倒装芯片技术可实现芯片和基板的互连距离最短。根据芯片与基板的互连媒介种类，芯片倒装互连主要可分为三种类型：●

焊料凸点倒装互连技术；●

聚合物倒装互连技术；●

热压共晶焊技术。第四章

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43图4-13焊料凸点倒装互连技术第四章

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44通过对芯片上施加的压力来控制焊点的塌陷程度，弥补因芯片与基板的缺陷(如芯片凸点的高度不同，板的凹凸、

扭曲等)而产生的焊接不均匀性，使所有凸点都能可靠互连。

由于焊料表面张力的存在，按照基板焊盘尺寸的百分比，即使芯片的焊料凸点与焊盘的中心误差达到25%，也能在回流焊接时使凸点回复到焊盘的中心位置，使凸点和衬底焊盘“自对中”

，如图4-14所示。第四章

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45图4-14倒装焊“自对中”

效应第四章

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464.9压接封装技术压接封装技术(PressurePackTechnology)是富士公司、东芝公司和ABB公司最早开发研制出来的一种封装技术。图4-15所示为铜块压接封装技术示意图。这种技术采用压力装配，多个芯片的连接通过过渡钼片扣合完成，取消了焊接和焊接面。第四章

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47图4-15铜块压接封装技术第四章

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484.10

引线键合技术1.

热压键合热压键合是最早用于芯片互连的方法，目前已很少采用。热压键合是指通过压力与加热，使键合区产生塑性变形，实现引线与焊盘的连接。热量与压力通过毛细管形或楔形工具，以静载或脉冲方式施加到键合区。第四章

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492.热超声引线键合热超声引线键合是指在热压键合基础上引入超声波，在超声波作用下将引线软化，可降低键合温度和压力，提高键合强度。第四章

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50图4-16热超声引线键合过程第四章

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51图4-17正向金球热超声焊主要步骤第四章

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52图4-18球焊键合过程第四章

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53图4-19金丝键合第四章

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54图4-20

劈刀第四章

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55图4-21键合点第四章

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56鉴于封装形式的变化，如图4-22所示，有时引线键合需要在两块芯片上(如3D封装等)。因此，此类引线键合需要采用引线反打技术。图4-23所示为引线反打键合的主要步骤。第四章

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57图4-22双芯片引线键合第四章

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58图4-23

引线反打键合主要步骤第四章

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59图4-24铝丝键合第四章

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603.超声引线键合超生引线键合是指在常温下，施加超声和键合力(超声波振动平行于键合面，键合力垂直于键合面)，将引线键合到焊盘上的方法。由于采用如图4-25所示的楔形劈刀，故又称楔键合(WedgeBanding)。第四章

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61图4-25超声引线键合第四章

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62图4-26超声引线键合过程第四章

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634.11载带自动焊(TAB)技术随着超大规模集成电路的发展，微电子器件I/O数目亦随之增加。超声键合作为一种点焊技术，其键合质量和键合效率已经不能适应大规模生产的要求，群焊技术便应运而生。载带自动焊技术是群焊技术的一种。第四章

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64图4-27载带自动焊内键合技术第四章

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654.12倒装芯片键合(FCB)技术倒装芯片键合(Flip-ChipBonding

，FCB)是一种面阵列芯片互连技术，具有高的互连密度和互连强度。第四章

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661)

回流焊接技术回流焊接技术即倒装键合技术最初的原型，它有可靠性好，可焊接的I/O点多等优点，但其焊盘和倒装凸点的制作技术复杂、成本高，因此主要针对大批量生产的应用。第四章

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672)

导电胶粘接技术导电胶粘接是指在基板上涂覆带有纳米导电粒子的环氧树脂，芯片凸点和基板焊盘通过纳米导电粒子连通。第四章

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683)热压键合技术热压键合技术是指芯片焊盘通过引线键合的方式植入金凸点，将芯片倒置，凸点向下反扣在基板焊盘上，然后采用热压键合的方式，将芯片凸点键合到基板焊盘上。热压键合技术没有铅污染问题，效率也较高，但存在可靠性差、可键合窗口小等缺点，且高温高压的键合条件对芯片不利。第四章

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694)热超声倒装键合技术热超声倒装键合技术借鉴热超声引线键合技术，在超声、键合力和热的作用下，将金凸点键合到基板焊盘上。具体步骤为：首先在芯片焊盘上用超声引线键合的方式植入金凸点；然后将芯片倒置，凸点向下反扣在基板焊盘上；

通过超声、键合力和温度的共同作用，将芯片凸点键合到基板焊盘阴。第四章

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70图4-28连接技术和I/O数关系第四章

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714.13

电

连

接

技

术电子封装电连接的主要功能是：●信号的输入、输出端向外界的过渡；●

功率的输入、输出端向外界的过渡。第四章

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724.14焊接中的常见问题1.

桥联焊接加热过程中，会产生焊料塌边，主要出现在预热和主加热两种场合。当预热温度在几十至一百度范围内时，

溶剂黏度会降低，并流出。如果溶剂流量大，会将焊料颗粒挤出焊区外。熔融时溶剂如不能及时返回到焊区内，其内部的含金颗粒将滞留形成焊料球。图4-29所示即为桥联。第四章

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73图4-29

桥联第四章

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742.立碑(曼哈顿现象)立碑指片式元器件在遭受急速加热情况下发生翘立的现象。导致立碑的原因主要为急热。急热使元器件两端存在温差，电极端一边的焊料完全熔融后获得良好的湿润，

而另一边的焊料未完全熔融而引起湿润不良，元件翘立。第四章

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