电子封装材料教学ppt课件.pptVIP

0引言 电子封装材料 电子封装的定义 分为狭义封装和广义封装 狭义的封装 packaging PKG 利用膜技术及微细连接技术 将半导体元器件及其他构成要素在框架或基板上布置 固定及连接 引出连接端子 并通过可塑性绝缘介质灌封固定 构成整体主体结构的工艺 广义的电子封装应该是狭义的封装与实装工程及基板技术的总和 将半导体 电子器件所具有的电子的 物理的功能转变为适用于机器或系统的形式 并使之为人类社会服务的科学与技术 统称为电子封装工程 封装技术发展 直插式DIP 三次重大变革 表面贴装式SMT 芯片尺寸封装CSP SOP小型平面引线式封装 SOJ小型平面J形引线式封装 QFP四周平面引线式封装 BGA球状栅阵电极封装 导电丝焊接组装 FCP倒扣芯片组装 MCM多芯片组装 三维组装 各种封装类型示意图 历史的发展过程 最早是金属封装 然后是陶瓷封装 最后是塑料封装 性能分 金属和陶瓷封装是气密封装 塑料封装是非气密或准气密封装 金属或陶瓷封装可用于 严酷的环境条件 如军用 宇航等 而塑封只能用于 不太严酷 的环境 金属 陶瓷封装是 空封 封装不与芯片表面接触 塑封是 实封 金属封装目前主要用于大功率的混合集成电路 HIC 部分军品及需空封器件 封装及材料塑料封装金属封装陶瓷封装玻璃封装集成电路基片材料 裸芯片金属封装陶瓷封装1 2 塑料封装 92 不同的封装使用的封装工艺是不同的 金属封装陶瓷封装塑料封装 引线框架式封装PCB基板PBGA WB 引线键合 FC 倒装芯片 载带 TAB 载带自动焊 圆片级封装WLPDIP SOP QFP PLCC等主要都是塑料封装 20世纪70年代前后 按封装材料 封装器件和封装结构分类 半导体元件的封装方法及封装材料金属盖板键合金属丝金属底座 金属基板 引线端子陶瓷盖板玻璃封接陶瓷底座 陶瓷基板 玻璃包封树脂元件底座 树脂基板 a 可控坍塌芯片连接技术 盖板材料 导热脂 芯片材料 陶瓷基板 焊球 各类BGA的横截面结构示意图 b 包封树脂 芯片 金属引线 芯片粘接材料 树脂基板材料 焊球 各类BGA的横截面结构示意图 IC芯片 引线架 导线丝 内引线 封装树脂 焊料微球凸点 BGA 基板 各类BGA的横截面结构示意图 c 载带球栅阵列 各类BGA的横截面结构示意图 d 各类BGA的横截面结构示意图 MBGA是指微型球栅阵列封装 英文全称为MicroBallGridArrayPackage e SBGA的横截面结构示意图 局部 各类BGA的横截面结构示意图 结构形式 在封装的顶部是一倒扣的铜质腔体 以增强向周围环境的散热 一薄而软的基片焊在铜片的底面 作为沿周边几行焊球附着之焊盘 即中央无焊球分布 参照JEDEC 内导线将基板与芯片相连接 芯片从底部塑封 模塑压力机 三种类型封装之一 塑料封装塑料封装主要有三种类型 1 保角包封或浸封装配好的电路基片浸入塑料中 干燥 固化 2 灌封将基片插入薄壁塑料壳 或使用可剥下的铸模 倒入塑料流体 最后固化 3 模铸将装配好的电路基片牢牢固定在金属模内 在压力下注入熔融的热塑料 接着固化 金属封装先把微电路基片安装在可伐管座上 然后用金属丝把基片焊点与可伐管座的引出线连接起来 可伐金属的热胀系数接近玻璃 热胀冷缩时 玻璃封接不会发生破坏 最后利用冷焊 电阻焊或铜焊把镍壳焊在管座四周形成全密封结构 金属封装的成本高于塑料封装 但它有良好的密封性 还能起电磁屏蔽的作用 全密闭金属封装 陶瓷封装陶瓷封装由氧化铝瓷座 瓷壁和瓷盖所组成 外引线穿过两个瓷体间的玻璃封接层 与金属封装相反 绝缘陶瓷可进行电绝缘 非常坚固 且成本较低 玻璃封装玻璃封装类似于陶瓷封装 玻璃比陶瓷更脆 一般不用于大型电路 多用于小型电路的扁平封装 其封装的微电路往往是单片集成电路 混合电路中 玻璃的使用也很普遍 通常在膜 电阻 电容或半导体芯片表面涂覆一层玻璃 这层全密封玻璃保护有时单独使用 有时与外部塑料封装配合使用 封装中的材料 封装中涉及到的材料芯片粘结材料 引线材料 引线框架材料 封装基板与外壳材料 模塑料 焊接材料 封装中的材料 封装中的材料 电子封装材料的性能电特性绝缘性质 击穿 表面电阻 热特性玻璃化转化温度 热导率 热膨胀系数 机械特性扬氏模量 泊松比 刚度 强度 化学特性吸潮 抗腐蚀 其它密度 可焊性 毒性 引线键合材料 引线键合常用于芯片与载体 或基板 或引线框架之间的互连 常用的引线材料Au Al Cu 包括用于TAB AlSi 1 丝 需要退火处理 键合的模式球焊 金丝 和楔形焊 铝丝 金丝用于塑料封装 铝丝用于陶瓷和金属封装 引线键合材料 引线键合材料 金丝键合系统消费类电子产品中最常用的键合方式金丝 软掺杂的金丝Be 5 10ppm Cu 30 100ppm金丝 铝键合区 引线键合材料 Au Al金属间化合物300 C以上的使用环境 容易发现 紫斑 125 C 可能产生一系列的金属间化合物 引线键合材料 Kirkendall效应异种金属之间的互扩散不同的扩散速度温度 结构 引线键合材料 引线键合材料 金丝与其他介面的键合Au CuCu3Au AuCu Au3Cu 200 350 CAu Ag无金属间化合物产生Au Au最好的键合高温应用 引线键合材料 铝 硅铝 丝键合系统Purealuminumistoosoft Soalloyedwith1 Sior1 Mgtoprovideasolid solutionstrengtheningmechanism Al OFHCCuAl AgplatedLFAl Ni 75umAlcanbeusedforpowerdevices 引线键合材料 白毛 Al OH 3 Cl Al OH 2 OH Al 4Cl Al Cl 4 2AlCl4 6H2O 2Al OH 3 6H 8Cl 引线键合材料 提高键合可靠性无论何种键合 键合表面特性是至关重要的 洁净度 等离子体清洗 表面粗糙度表面镀层的厚度阻挡层的应用TiW高质量的键合丝可靠的键合工艺等离子体清洗 引线框架材料 引线框架的功能电连接对内依靠键合实现芯片与外界的信号连接 依靠焊点与电路板连接 机械支撑和保护对芯片起到支持与外壳或模塑料实现保护散热散热通道 引线框架材料 引线框架材料的要求热匹配良好的机械性能导电 导热性能好使用过程无相变材料中杂质少低价加工特性和二次性能好 引线框架材料 引线框架材料 引线框架材料 铜合金导电特性好引入第二相弥散强化 提高强度常用有Cu Fe P Cu Cr Cu Zn Cu Zr等等机械加工性能好热膨胀系数与塑料封装匹配 引线框架材料 引线框架材料 引线框架的质量标准引线键合区几何尺寸 表面涂敷 引线扭曲 平整度 共面性芯片粘接区几何尺寸 表面涂敷 粗糙度 芯片粘结材料 芯片粘接的基本概念ChipAttachment Bonding 通常采用粘接技术实现管芯 ICChip 与底座 ChipCarrier 的连接 机械强度 化学性能稳定 导电 导热 热匹配 低固化温度 可操作性 芯片粘结材料 几种基本的芯片键合类型银浆粘接技术低熔点玻璃粘接技术导电胶粘接技术环氧树脂粘接技术共晶焊技术 芯片粘结材料 环氧树脂粘接技术工艺简单 成本低廉适合于大规模生产 质量上已经接近Au Si共晶焊水平分类 导电 导热胶 导电胶 导热 电绝缘胶 芯片粘结材料 固化条件 一般固化温度在150 C左右 固化时间约1hr 固化前 导电胶 不导电 固化后 溶剂挥发 银粉相互紧密接触形成导电链 模塑料 模塑的基本工艺热固性 在加热固化后不会再次受热软化 热塑性 在加热塑化后如果再次受热还会再次软化 模塑料通常为热固性塑料 模塑料 模塑料 模塑料的基本构成基体 10 30 高分子化合物树脂 环氧树脂硅酮树脂1 2 聚丁二烯酯树脂添加剂 60 90 固化剂催化剂填充剂 SiO2 阻燃剂脱模剂染色剂 主要生产厂家日本 住友 日东 日立化成 美国 PlaskonHysol Cookson 中国 中科院化学所 模塑料 模塑料的类型普通型快速固化型无后固化型高热导型低应力型低辐射型低膨胀型低翘曲型 普通型模塑料结晶二氧化硅型填料热导率高 线膨胀系数大 成本低分立器件 LSI熔融二氧化硅型填料线膨胀系数小 热导率低 成本较高VLSI 大尺寸分立器件 模塑料 低应力型模塑料固化过程产生的收缩应力温度变化时的热应力热应力导致失效 开裂温度变化时的热应力弹性模量 线膨胀系数 玻璃化转变温度 封装基板与外壳材料 基板材料的性能电介电常数 功耗 电阻 热热导率 热膨胀系数 热稳定性 物理表面平整度 表面光洁度化学化学稳定 低孔隙率 高纯度 封装基板与外壳材料 氧化铝 Al2O3 陶瓷良好的介电性能 高的机械强度 高热稳定性 高化学稳定性应用最广90 99 Al2O3性能与Al2O3含量相关添加剂 黑色 紫色 棕色 瓷 封装基板与外壳材料 其它陶瓷基板材料氧化铍 BeO 热导率8倍于氧化铝 用于功率器件 贵毒氮化铝 AlN 高热导率 用于替代氧化铍 与Si相近的热膨胀系数 低价 与氧化铍比较 封装基板与外壳材料 其它陶瓷基板材料滑石和镁橄榄石用于厚膜电路低介电常数低强度低价玻璃 石英 蓝宝石 封装基板与外壳材料 封装基板与外壳材料 多层陶瓷基板材料HTCC HighTemperatureCo firedCeramic1500 CMo MnorWasthemetallizationLTCC LowTemperatureCo firedCeramic850 900 CAg Pd Au Agor