直插式元器件封装技术演示幻灯片

1,第五章：直插式元器件封装技术,2,5.1插装器件概述及分类特点5.1.1概述5.1.2分类及特点5.2插装技术5.2.1TO型5.2.2SIP单列直插式封装5.2.3DIP双列直插式封装5.2.4PGA针栅阵列插入式封装,3,5.1插装器件概述及分类特点,5.1.1概述随着晶体管的出现及其质量的稳步提高，特别是硅平面晶体管的日趋成熟；20世纪50年代末，晶体管代替电子管已成为席卷全球之势。这时，各类晶体管的封装类型主要有玻璃封装的二极管和金属封装的三极管。普通管封装有3根长引线，高频管或需要外壳接地的晶体管封装有4根长引线；晶体管的金属底座与c极相通，而e、b两极则通过金属底座的开孔，用玻璃绝缘子隔离，金属帽与金属底座的边缘进行密封焊接，这就构成了至今仍沿用的TO型封装圆柱形外壳封装。当时用晶体管组装的典型电子整机首推黑白电视机。,4,电子管封装结构示意图,电子管插装结构示意图,5,晶体管封装结构示意图,6,由于晶体管的体积和重量均为电子管的数十分之一，安装基板可省去笨重的插座，也不需用金属基板支撑各种元器件了，选用单面酚醛环氧纸质覆铜板(有机基板)就可胜任，而且这种基板制作工艺简单，成本低廉，易打孔。由于晶体管体积小、电压低、耗电省，所以在覆铜板上刻蚀成所需的电路图形后，元器件穿过通孔焊接在铜焊区上即可。这样，既提高了生产效率和产量，又提高了焊接的一致性，从而提高了焊点的质量和电子产品的可靠性。,7,从上述可以看出，晶体管和电子管有一个基本的共同点：管脚带有引线，适合进行插装，只是晶体管引脚插装后仍需焊接方能达到可靠连接，而电子管插脚坚硬，只需与插座紧密接触就能达到可靠连接。目前，各类插装元器件封装的引脚间距多为2.54mm。DIP封装已形成4-64个引脚的系列化产品；PGA封装能适应LSI芯片封装的要求，I/O数可达数百个。,8,5.1.2分类及特点,1、引脚插入型：单列直插式封装（SIP）双列直插式封装（DIP）Z型引脚直插式封装（ZIP）收缩双列直插式封装（S-DIP）窄型双列直插式封装（SK-DIP）针栅阵列插入式封装（PGA）,根据封装接线端子的排布方式对其进行分类，可分为引脚插入型和表面贴装型。,9,2、表面贴装型：小外形塑料封装（SOP）微型四方封装（MSP）四边引线扁平封装（塑封）（QFP）玻璃（陶瓷）扁平封装（FPG）无引线陶瓷封装芯片载体（LCCC）塑封无引线芯片载体（PLCC）小外形J引线塑料封（SOJ）球栅阵列封装（BGA）芯片尺寸大小封装（CSP）,10,其中比较典型插入型封装有:(1)圆柱外壳封装（TO）(2)单列直插式封装（SIP）(3)双列直插式封装（DIP）(4)针栅阵列封装（PGA）,11,12,5.2插装技术,TO金属封装是使用最早，应用最为广泛的全密封晶体管封装结构。,TO金属封装工艺：1.将芯片固定在外壳底座的中心，常常采用Au-Sb合金共熔法或导电胶粘接固化法使晶体管的接地极与底座间形成良好的欧姆接触(多引脚的TO型结构还可以封装IC芯片，对于IC芯片，还可以采用环氧树脂粘接固化法)；2.在芯片的焊接区与接线柱间用Au丝或AI丝连接起来；接着将焊好的内引线的底座移至干燥箱中操作，并通以惰性气体或N2保护芯片；3.将管帽套在底座上，利用电阻熔焊法或环形平行缝焊法将管帽与底座边缘焊牢，并达到密封要求。,5.2.1TO型封装,13,14,晶体管封装结构示意图,TO5,TO3,TO8,15,TO塑料封装工艺：1.将I/O引线冲制成引线框架，在芯片焊区将芯片固定，将芯片的各焊区用WB焊到其他引线键合区；2.按塑封件的大小制成一定规格的塑封模具，模具有数十个甚至数百个相同尺寸的空腔，每个空腔体间有细通道相连；3.将焊接好内引线的引线框架放到模具的各个腔体中，塑封时，先将塑封料加热至150180，待其充分软化融融后，再加压将塑封料压到各个腔体中，略待几分钟固化后，就完成了注塑封装工作；4.开模，整修塑封毛刺，再切断各引线框架不必要的连接部分，就成为单独的TO塑封件了；5.最后切筋，打弯，成形和镀锡。,16,17,TO型塑料封装图片,18,工艺中如何控制好模塑时的压力，粘度，并保持塑封时的流道及腔体设计之间的综合平衡，是优化模塑器件的关键。该封装简便易行，适用于大批量生产，因此成本低廉。,19,5.2.2SIP单列直插式封装单列直插式封装（SIP）的基板多为陶瓷基板，由于电路并不复杂，I/O数只有几个或十多个。先将基板上的I/O引脚引向一边，用镀Ni、Ag或Pb-Sn的“卡式”引线卡在基板一边的I/O焊区上；接着在卡式引线的I/O焊区上涂上焊膏；然后成批在再流焊炉中进行再流焊。通常，它的引线的间距有2.54mm与2.27mm之分。,20,SIP的插座占的基板面积小，插取自如，SIP的工艺简便易行，很适于多品种、小批量的HIC及PWB基板封装，还便于逐个引线的更换和返修。下图为塑料SIP的结构示意图：,21,塑料SIP(PSIP)封装实物图,22,5.2.3DIP双列直插式封装上世纪70年代，芯片封装基本都采用DIP(Dualln-linePackage)封装，此封装形式在当时具有适合PCB穿孔安装，布线和操作较为方便等特点。DIP是指采用双列直插形式封装的集成电路芯片。目前，绝大多数中小规模集成电路均采用这种封装形式，其引脚数一般为4-64个,多的也不超过100个；产品呈系列化,标准化,品种规格齐全,至今仍然大量沿用。采用DIP封装的CPU芯片有两排引脚，引脚间距有2.54mm和1.78mm两种，一般需要插入到具有DIP结构的芯片插座上使用。当然，也可以直接插在有相同焊孔数和几何排列的电路板上进行焊接。,23,PDIP,PSDIP,PCDIP,DIP-tab,DIP,部分DIP封装芯片照片,24,DIP封装结构具有以下特点:1.适合PCB的穿孔安装;2.与TO型封装相比，易于PCB布线;3.操作方便。,因此，Intel系列CPU中8088就采用这种封装形式；缓存(Cache)和早期的内存芯片也是采用DIP封装；Intel公司的CPU如8086、80286都采用PDIP封装。,25,DIP封装的工艺流程,引线框贴装,芯片贴装,引线键合,密封,标记,引脚电镀,检漏,引脚成形,26,当粘贴压焊的芯片通过了目检测试后，接下来就进行保护性封装结构；主要的封装方法有：陶瓷DIP封装技术、多层CDIP封装技术和塑料DIP封装技术。,密封型焊接焊接盖玻璃封装盖或顶部陶瓷DIP封装技术和多层CDIP封装技术,封装方法,非密封型树脂压模顶部滴胶封装塑料DIP封装技术,27,CDIP封装工艺全过程,(1)底座和盖板的制作：粉末压制法工艺制作是用氧化铝粉末、润滑剂和粘接剂的混合物压制成所需要的形状，然后在空气中烧结成陶瓷件。(2)具体封装工艺：a.芯片用Au浆料固定在陶瓷底座上；b.Al金属引线（Fe/Ni线）一端与芯片焊区键合连接，另一端键合在引脚上；c.在陶瓷盖板和底座上刷玻璃浆料，盖板盖在装好IC芯片的底座组装件上；在空气中使玻璃溶化，使芯片密封在陶瓷之中与外界隔离，玻璃即起到密封作用，还起到应力缓和作用。d.经过玻璃过渡，使陶瓷与金属引线的热膨胀系数相匹配。,28,陶瓷DIP封装的芯片示意图,29,多层CDIP封装工艺全过程,(1)先由流延法制成一定厚度的生瓷片；(2)将一定厚度的生瓷片生成成一定的尺寸生片(如5英寸5英寸或8英寸8英寸)，冲腔体、层间通孔和填充通孔；(3)每层生瓷片丝网印刷W或Mo金属化；(4)把多层印刷有金属化的生瓷片叠层，在一定温度和压力下层压；(5)热切成每个单元的多层CDIP生瓷体，若需要，进行侧面金属化印刷；(6)进行排胶，并在湿氢或氮氧混合气体中在15501650温度下烧成，形成了多层CDIP的熟瓷体；(7)外壳成品再用常规的后道封装工艺，即安装IC芯片引线键合检测封盖检漏成品测试，即成为电路产品。,30,在工艺的过程中有一种工艺要提及，这就是冲孔工艺；这些层间通孔的作用是连接每层金属化布线，因此在每层生瓷片精密冲孔后要填充金属化浆料。如有一个通孔导通失效，整个外壳就报废。通孔直径一般在100400m之间。冲孔方法有机械冲孔法、激光冲孔法和钻孔法等。,31,生瓷片主要由陶瓷粉末、玻璃粉末、粘接剂、溶剂和增塑剂等组成，它们的作用分别如下：粘接剂的作用：在生瓷片制作过程中起粘接陶瓷颗粒的作用；溶剂的作用：一是在球磨过程中能使瓷粉均匀分布；二是使生瓷片中的溶剂挥发后形成大量的微孔，这种微孔能在以后的生瓷叠片层压过程中致使金属线条的周围瓷片压缩而不损伤金属布线；增塑剂的作用：能使生瓷片曾现“塑性”或柔性。,32,塑料DIP封装技术,因封装材质为塑料，所以用PDIP表示；在PDIP封装中，因为IC芯片的I/O引脚数多，再加上芯片也相对较大，这使得芯片与塑封料的应力匹配更显重要。,33,PDIP常用各种材料的热膨胀系数,34,塑料封装用的树脂要求应具备如下特性：1.树脂要尽可能与PDIP所用各种材料的热膨胀系数(CTE)相匹配或相接近。2.在-65150的环境使用温度范围内能正常工作，要求玻璃化温度大于150。3.树脂的吸水性要小，并与引线的粘接性能良好，防止湿气沿树脂引线界面侵入内部。4.要有良好的物理性能和化学性能。5.要有良好的绝缘性能。6.固化时间短。7.Na含量低。8.辐射性杂质含量低。,35,能连续注塑的热固性环氧系材料正具备这些良好的特性，已成为国际上通用的材料。近年来，在提高耐湿性、热导率、降低应力等方面有了明显的进步。为改善塑料封装环氧树脂的性能，还要添加一定的填料。主要填料有:石英粉（二氧化硅）、二氧化钛、氧化铝、氧化锌、无机盐或有机纤维等。为使PDIP具有一定的颜色，还要添加一些调色素，如黑色（碳黑）、红色（三氧化二铁）、白色（二氧化钛）等。为了塑封后易于脱膜，还要加入适量的脱膜剂。,36,塑料DIP封装全工艺过程：1.塑料封装的引线框架需局部镀Ag的C194铜合金或42号铁镍合金；2.将IC芯片用粘接剂粘接在引线框架的中心芯片区，用WB连接IC芯片的各焊区与局部电镀Ag的引线框架各焊区；3.将载有IC芯片的引线框架置于塑封模具的下模中，再盖上上模；4.将预热过环氧坯料放入树脂腔中，置于注塑机上，加热上下模具达到150180，这时环氧坯料已经软化熔融并具有一定的流动性，注塑机对各个活塞加压，熔融的环氧树脂就通过注塑流道挤流到各个IC芯片所在的空腔中，保温加压约23min即可脱模已成形的塑封件；5.清除塑料毛刺，还要对引线框架的引线连接处切筋，并打弯成90度，就成为标准的PDIP；6.对PDIP进行高温老化筛选，并达到充分固化，再经测试，分选打印包装就可以成品出厂。,37,封装体印字封装体加工完毕后，必须对其加注重要的识别信息，封装体上典型的信息码有产品类别、器件规格、生产日期、生产批号和产地。目前，主要的印字手段有墨印法和激光印字法。墨印法适用于所有的封装材料且附着性好，其工艺是先用平版印字机印字，然后将字烘干。激光印字特别适用于塑料封装体的印字方法，信息被永久地刻入到封装体的表面，对深色材料的封装体又能提供较好的对比度。另外，激光印字的速度快且无污染，因为封装体表面不需要外来材料加工也不需要烘干工序。缺点是一旦印错字或器件状况改变了就很难改正。,38,外部打磨塑料封装器件会经过一道额外的工序，称为外部打磨。通常外部打磨用两种方法实现：一种是将封装体浸入到化学品池中腐蚀，然后再用清水冲洗；另一种是类似于打沙机的机器，不同的是用来打磨的沙粒是塑料打磨粒。,电镀工艺流程金属罐型和旁侧黄铜的DIP器件在进入封装工艺之前需将引脚电镀；CDIP和塑料封装体在封装工序完成后进行电镀。,39,引脚切筋成型DIP器件的引脚和扁平器件的引脚在制造过程中有一结条，保护引脚在封装工序中不致弯曲变形；封装工序结尾时，封装体的结条被切除，并且引脚也被切成同样的长度。塑料封装体的引脚框架上有一个额外部分，它的作用是作为坝，阻止液态的塑封胶流入引脚区域；这个坝最后会被从引脚框架上切除掉，如果此封装体是表面安装型，引脚会被弯曲成所需的形状。,40,衡量一个芯片封装技术先进与否的重要指标是芯片面积与封装面积之比，这个比值越接近1越好。比如一个采用40根I/O引脚塑料双列直插式封装(PDIP)的内存条芯片为例，其芯片面积/封装面积=(3x3)/(15.24x50)=1:86，离1相差很远。因此，这样的DIP封装形式封装效率是很低的，封装产品的面积较大，而内存条PCB板的面积是固定的，封装面积越大在PCB上安装芯片的数量就越少，内存条容量也就越小。同时较大的封装面积对内存频率、传输速率、电器性能的提升都有影响。理想状态下芯片面积和封装面积之比为1:1将是最好的，但这在DIP封装中无法实现的，除非不进行封装。,41,5.2.4PGA针栅阵列插入式封装20世纪90年代随着技术的进步，芯片集成度不断提高，I/O引脚数急剧增加，功耗也随之增大，对集成电路封装的要求也更加严格。PGA(PinGridArrayPackage)芯片封装形式在芯片的内外有多个方阵形的插针，每个方阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列，根据引脚数目的多少，可以围成25圈。,42,安装时，将芯片插入专门的PGA插座；为使CPU能够更方便地安装和拆卸，从486芯片开始，出现一种名为ZIF的CPU插座，专门用来满足PGA封装的CPU在安装和拆卸上的要求。ZIF(ZeroInsertionF