第六章 厚膜混合电路的组装与封装.doc

第六章 厚膜混合电路的组装与封装 用厚膜技术在基板上制成电阻网或阻容网络后，还要把有源器件，集成电路和各种外贴元件组装到基板上，才构成完整的电路。这种将各种芯片和外贴元器件组装到厚膜基片上的各种技术，称为厚膜混合电路的组装技术。 为了防止电路受环境条件的影响和机械损伤，还需对组装好的电路进行密封封装。一般说，封装有两个含义，第一、设计或选择外壳；第二、把组装好的厚膜混合电路装到外壳内，然后进行密封封接。 1 61 厚膜混合电路的互连技术在组装技术中，基片与外引线的连接，基片与封装底座的粘结、半导体芯片与基片焊区的互连等，都需要互连技术。互连质量对电路的可靠性影响很大。因互连引起的电路失效占总失效的68左右。 互连方法种类很多，可将它们分为以下几类：合金、固相、共熔键合和导电胶粘合。一、合金键合技术 合金键合是用焊料焊接金属的一种方法，它称钎焊法，就是使焊接金属之间的焊料熔化，成为流动的薄层，并与被焊金属形成合金层，将金属连接起来。焊料的熔点低于被焊金属的熔点，焊料一经熔化，便浸润被焊部分的表面，充填表面上的毛细孔间隙，冷却后形成焊缝。 2焊接时所用焊料的熔点在450C以上的称为硬焊450C以下的称为软焊，软焊也称软钎焊 3 表6.1.1 常用焊料的组成 焊料成分（wt） 熔点（ 焊接温序 结晶化 范围C 度（C号 Sn Pb Cd Bi In Ag Au Sb ） ）1 5961 余量 - 0.1 - - - 0.8 183 2001902 5759 余量 - - - 3 - 0.1 190 2402803 5759 余量 - - - - 3 0.1 190 2402804 50 32 18 - - - - - 145 1805 30 19 - - 50 1.0 - - 130 1706 47 36 17 - - - - - 142 1807 3940 余量 - 0.1 - - - 1.50.2 183235 2508 5.50.5 921.0 - - - 2.50.3 - - 295305 3203509 300.1 631.5 50.5 - - 20.3 - - 225235 25026010 33.4 33.3 - 33.3 - - - - 130 170 4 从上表可见，前3种为主要的三种焊料，其主要组成均是Sn、Pb为主。Sn熔点 232CPb熔点 327C Sn:Pb 62:38 wt 熔点183CPb的作用降低熔点（183C ）增加机械强度 Sn 抗拉强度 1.5kg/mm2 Pb 1.4kg/mm2 Sn-Pb 45kg/mm2 含Pb 25时达5.5kg最高值降低表面张力，增加润湿能力（增加焊料的流动性） 5 3 1过热20C流 300动 2过热 60C性 200 2mm2 100 3过热 150C（过 1 热系指超过熔点） 0 20 40 60 80 100 Sn含量 图6.1.1 Sn-Pb的流动性与Sn含量和 过热温度的关系（A） 6 500 400流 Sn-Pb 由（B）图知动 300 Sn-Pb合金过性 200 热温度mm2 2060C下流 100 Sn 动性最好。 0 20 40 60 80 100 120 140 （B） 图6.1.1 Sn-Pb的流动性与Sn含量和过 热温度的关系（B） 7 Sn-Pb焊料中加入Ag（理想为6wt）可以大大提高其抗张强度，改善流动性（加入6wtAg抗张强度可达8kg/mm2 以上）。但因成本原因，一般加入0.52.0wt。另外Ag的加入将增高熔点（加入1.5wtAg，熔点为309C）。此外在焊料中加入其他成分的作用这里不一一介绍了。 钎焊具有操作比较简单、设备价格低廉、焊接可靠性较高和修复容易等优点。但应根据被焊材料选用适当焊料。 在厚膜电路中常用的合金键合方式有以下几种： 81电烙铁焊优点：电烙铁是常用的简单焊接工具，但使用时应注意选择合适的功率，以免产生“冷焊”或损坏元器件。缺点；电烙铁焊接速度慢、焊点大、容易损伤元器件，因此，除了适用于修复情况外，采用得不太普遍。2电阻焊 它是依靠电流通过被焊接金属时产生的热量进行焊接的。在集成电路中采用双电极的焊头，因而也称平行缝焊。 待焊零件的表面应先涂覆一层焊料，当焊头与被焊零件接触时通电，并向零件加压力，从而使焊区加热，焊料熔化，达到焊接之目的。 由于利用瞬间脉冲电流对被焊零件直接通电加热，因而发热效率高，对周围元件的热影响小，且能获得可靠、良好的连接，还可对几十m直径的超细线进行焊接。 93再流焊（再次流动） 这是厚膜电路中较普遍采用的焊接方法。用这种方法时，在焊接前将被焊部分预先浸上焊料或放上焊料薄片，或者用注射、自动转印和丝网印刷等方法，在待焊区涂覆上焊接浆料，然后将元器件固定其上，用加热的方法使焊料再度熔化流动，冷却后再凝固以实现焊接。 使浆料再流的方法主要有基板整体加热和局部加热两种。可以用热板、热气、热枪、加热炉或射频感应加热器等加热，还可采用以下再流焊技术。 101）红外加热 它是利用热辐射的加热方法，红外加热可用加热炉或红外线聚光灯加热。2）汽相再流焊 也称蒸汽冷凝焊，它是利用饱和蒸汽转变成同温度（沸点）下的液体时释放出的潜热，使焊料熔化再流，从而将所有焊点一次焊成。 其焊接方法大致如下：用电热器将容器底部的特殊液体加热蒸发，使其充满容器底与上部冷凝管之间，基板置于此蒸汽中，饱和蒸汽便在其表面凝结，利用凝结时放出的潜热而焊接。对于这种特殊液体即蒸汽介质的要求是有比焊料熔点高的沸点，良好的热稳定性，不自燃，无毒性等。如全氟戌胺，称为FC70；其沸点为215C，广泛用于Sn-Pb合金焊料的再流焊。 汽相再流焊是一种微焊技术，它具有以下特点：加热快而均匀，且与焊接零件的形状无关；不需要控温仪表即可精确控制焊接温度；热传导效率高；能同时焊接多个零件等。 113）激光焊接 它是将激光束照射在被焊零件上进行焊接的，特别适用于高密度组装，是一种微焊接技术，以前使用CO2激光器，波长为10.6m，现又用钇铝石榴石激光器，波长为1.06m。 激光焊接的特点是：能进行微小焊接，最小面积可达0.10.1mm2；焊接速度高，因激光输出稳定而使焊接条件恒定，重现性好；成品率和可靠性高等，但设备投资较高。4波峰焊接 是在浸焊基础上发展起来的一种焊接方法。它类似于把带引线元件焊到印刷电路板上的波峰焊，其生产效率高，成本低；容易检查和再焊；且焊点有良好的机械强度和电连接，一致性好；基板的局部热冲击小。 12二、固相键合技术 固相键合是指被键合的金属未达到宏观的熔融状态，而是在外界能量作用下，通过金属的塑性变形和界面的切向移动，使界面层分散开来，并使金属之间形成具有一定强度的渗透区域而键合在一起。 软而具有良好的延展性的金属比硬而脆的金属容易实现固相键合。贵金属由于化学性能稳定，其表面几乎没有氧化物，因而键合性能尤佳。 目前采用最广泛的固相键合技术是热压键合法和超声键合法。 131热压键合法 这种方法是把整个元件和基板加热，在键合部位适当加压，使被键合材料之一或两者发生塑性流动，而达到无液相形成的键合。 这是焊接晶体管和集成电路时用得最多的一种固相键合法，它解决了将金属引线直接焊到半导体表面和金属基板上的重要问题。 14 采用热压键合时，被连材料之一（通常是引线）应具有较大的塑性。键合温度不得高于被连材料低共熔点的温度。热压键合可以获得可靠的机械和电连接。热压键合时需控制三个参数：压力、温度和持续时间。热压键合一般有下述三种方法：球焊法、楔焊法和缝焊法。1）球焊法 图6.1.1 15 球焊法的焊头是用石英或碳化钨（WC）等制成的细管，称为毛细管。焊接时，从细管的尖端小孔引出直径为2030m的金丝，用氢焰加热丝端使之成为球状，然后用毛细管的尖端把球压焊在置于工作台上预热过的硅片或基板焊区上，如图6.1.1所示。压焊时金球犹如钉头那样键合在焊区上，所以球焊也称钉头焊。第一焊点完成后，再形成第二个焊点，当毛细管提起后，用氢焰将金丝切断，并在端部再次形成小球，以供下次焊接之用。球焊法在三种热压键合法中是键合力强、易于操作和可靠性高的一种方法。 162）楔焊法 楔焊法又称楔形焊，是一种较老的热压键合技术，其焊头制成楔形。焊接时，由专门的送料装置（毛细管）从侧面往加热的楔形焊头下送丝，焊头下降并以预定压力将丝热压在预热过的基板焊区上。以同样方法焊完第二个点后，送料装置便将丝夹紧并在焊点后拉断，不留线尾。这种方法不仅可用金丝，也可用铝丝。3）缝焊法 这是球焊和楔焊的组合方法，也称针脚焊。它与球焊法的原理相似，不同处在于丝的端部不形成小球，而是将丝弯曲并与焊头大致成90的钩状，然后压焊。 17 以上几种键合法的优点是能够将柔软的引线不用焊料、焊接剂直接焊接到芯片或基板的金属化区上，从而防止零件的污染。 但被焊芯片或基板要加热到300C以上，被焊材料的组合种类和零件的几何尺寸受到限制；焊接需逐点进行，很费时间。2超声键合法 在被焊金属的焊接部位适当加压，同时施加超声机械振动，使两种金属的界面互相磨擦、生热（利用超声振动提供能量），从而达到焊接目的。超声焊时必须使用熔点低、易于互相扩散和发