微组装技术简述及工艺流程及设备

微组装技术概要张经国1404，一.微组装技术的内涵与电子组装技术的关系1 .内涵微组装技术(micropackgingtechnology )是微电子组装技术(microelectronicspackgtechnology )的简称，是下一代高级电子组装技术通过微焊锡布线和微封装技术，在高密度多层基板上组装高集成度的IC器件和其他部件，是构成高密度、高可靠性、高性能、多功能立体结构微电子产品的综合高新技术，是高级的混合微电子技术。 2、微组装技术与电子组装技术的关系微电子组装技术是电子组装技术最新发展的产物，是下一代高级(先进)电子组装技术，是第五代电子组装技术(80年代到现在)。 与以往的电子组装技术相比，“微”字有特征。 “微”字有两个意思。 一是微细化，二是微电子领域。 二。 微组件技术作用于整个单元的发展的微组件技术，是充分发挥高集成度、高速单芯片IC性能，实现小型、轻量、多功能、高可靠的电子系统集成的重要技术途径。 三。 微组装技术的层次和关键技术.1.微组装技术的层次整体系统的微组装层次大致分为三个层次：1)1级(芯片级) 指的是用陶瓷载体、TAB和倒装芯片结构方式封装单芯片。 2 )二级(模块级) 指的是，在各种多层基板上组装各种裸芯片、载体IC器件、倒装芯片等微部件，并添加适当的封装件和散热器来构成微电子部件(MCM等)。 3)3级(印刷基板级) 是指在大面积的多层印刷基板上组装多芯片部件和其他微电子部件、单芯片封装部件、其他功能部件，构成大型电子部件和单元系统。 2 .关键技术以下是不同微组装级的主要技术：1)芯片级的主要技术凸点形成技术和压印技术、KGD技术、TAB技术、细间距引线接合技术、细间距引出封装技术，2 ) 模块级主要技术多层布线基板设计，工艺，材料和检测技术，倒装焊接，检测和清洗技术精细间距引线接合技术，芯片互连的可靠性评价和检测技术，高热传导封装的设计，技术，材料和密封技术，其他芯片部件的集成技术3 )印刷电路板级的主要技术电路分割设计技术、大面积多层印刷电路板的设计、技术、材料、检测技术及结构设计、技术及部件与主板的互连技术。 四。 多芯片模块(MCM )的技术内容、优点和类型1 .技术内容MCM是多芯片模块英语的缩写，通常被解释为多芯片模块。 MCM技术属于混合微电子技术范畴，是混合微电子技术向高级阶段发展的集中表现，是典型的高级混合集成电路技术。 关于PS的定义，国际上有很多说法。 从本人的观点来看，定性地MCM应该具备以下三个条件： (1)具有高密度多层布线基板(2)内置2片以上的裸芯片IC (一般为大规模集成电路) (3)组装到同一封装中。 即，MCM是在高密度多层布线基板上安装2个以上裸芯片IC (一般为LSI )和其他微器件，并封装在同一框体内的高密度微电子部件。 2 .优点MCM技术具有以下主要优点： 1 )使电路组装更高密度化，进一步实现装置整体的小型化和轻量化。 与相同功能的SMT安装电路相比，通常MCM的重量减轻了80%90%，其尺寸缩小了7080%。 在军事应用领域，MCM的小型化和轻量化效果更显着，采用MCM技术可以使导弹体积缩小90%以上，重量减轻80%以上。 在卫星微波通信系统中使用MCM技术建立的T/R模块的体积仅是常规的1/101/20。 2 )进一步提高性能，实现高速化。与通常的SMT安装电路相比，MCM的信号传输速度通常提高46倍。 NEC公司在19791989年研究了MCM在大型计算机上的应用，采用一般的厚膜多层布线后使用高级多芯片模块混合多芯片模块，该系统的运算速度达到37倍，220亿次/秒。 采用MCM技术，有效减少了高速VLSI之间的布线距离、布线电容、电阻和电感，大幅度减少了信号传输延迟。 3 )提高可靠性。 据统计，电子设备整体故障的约90%是由封装和互连引起的。 MCM与SMT组装电路相比，单位面积内的熔核减少了95%以上，单位面积内的I/O数减少了84%以上，单位面积的接口减少了75%以上，散热大幅度改善，结温降低，热应力和过载应力大幅度降低，可靠性提高了5倍以上。 4 )容易实现多功能。 MCM可以将具有多种功能的器件(诸如，模拟电路、数字电路、光电设备、微波设备、传感器和其芯片器件)进行组合，以构成具有高密度互连的多种功能的微电子器件、子系统或系统。 hughesreserrchirchirchircory利用三维多芯片组件技术开发的计算机系统是MCM实现系统级组件的典型例子。 3 .类型和特征通常可以根据MCM所使用的高密度多层布线基板的结构和处理，来将MCM分成以下类型。 1 )层叠型MCM(MCM-L，其中l为“层叠”这个英语词“Laminate”的第一个字符)也称为l型多芯片模块，是由高密度多层印刷基板构成的多芯片模块，其特征在于生产成本低，制造工艺成熟组装效率和性能低，主要应用于30MHz和100个焊盘/英寸2以下的产品和应用环境不苛刻的消费类电子产品和电脑等民间领域。 2 )厚膜陶瓷型MCM(MCM-C，其中，c为“陶瓷”这一英语名Ceramic的首字母)是由高密度厚膜多层布线基板或高密度共烧陶瓷多层基板构成的多芯片模块。 其主要特征是布线密度高，制造成本适度，能承受严酷的使用环境，可靠性高，特别是由低温共烧陶瓷多层基板构成的MCM-C，也容易在多层基板中埋入部件，进一步缩小体积，构成多功能微电子部件。 MCM-C主要应用于3050MHz的高可靠性中高级产品。 包括汽车电子、中高级计算机和数字通信领域。 3 )堆积型MCM(MCM-D，其中，d是“堆积”的英文名Deposition的第一个文字)是由高密度薄膜多层布线基板构成的多芯片模块。 其主要特征是布线密度和组装效率高，具有良好的传输特性、频率特性和稳定性。 4 )混合型MCM-H(MCM-C/D和MCM-L/D，其中字母c、d、l的意思与上述相同)是由高密度混合型多层基板构成的多芯片模块。 它是高级多芯片模块，具有最佳性能/价格比、组装密度高、噪声和布线延迟比其他类型的MCM小等特征。 这是因为混合多层基板，结合不同的多层基板工艺技术，发挥了各自的优点。 特别适用于巨大、高速计算机系统、高速数字通信系统、高速信号处理系统和笔记本型计算机子系统。 五。 组件和主板(PCB )的电连接1 .要求1 )电要求信号相互连接电源/接地相互连接2 )散热能力3 )机械能力4)I/O要求，2 .连接的主要类型1)ZIF引脚连接(参照下图a )2)弹簧连接(参照下图b )3)引脚固定ZIF插拔销连接，图b。 弹簧连接，图c。 柱塞紧紧连接在一起，6 . 三维多芯片模块(3D-MCM )的技术定义、优点和类型1 .定义是半导体芯片在x、y、z三个方向上高密度地组装的多芯片模块技术(也称为MCM-V )。 2 .优点能够实现更高的组装密度(组装密度为200%，2D-MCM的最高组装效率为90% )，体积更小，重量更轻，功能更多，性能更好。也可以实现一个组件是整体的系统。 3 .类型主要有两种：1)2D-MCM层叠组件2 )芯片层叠组件(根据引线接合、凸起、TAB等)，7 )。 厚膜混合电路的定义及其应用特征厚膜混合集成电路(简称厚膜混合电路或厚膜电路)的定义是，利用厚膜膏丝网印刷和烧结技术，在陶瓷基板或其他高热传导基板上形成厚膜布线、焊盘和厚膜电阻来制作厚膜电路成膜基板， 采用表面安装技术(SMT )和接合技术组装半导体芯片和其他芯片部件，构成具有一定功能的微电路。 2、应用特征厚膜电路具有功率密度高、负载电流大、电压高、高频特性好、体积小、可靠性和稳定性高、设计灵活、容易实现多功能微电路等特点，特别是小型、可靠性高的电力电路(DC/DC转换器、DC/AC转换器、AC 驱动器、功率放大器、稳压器等)和高密度可靠的多功能微电路，适用于宇宙、航空、船舶、兵器、雷达、电子对抗、通信、汽车、计算机等领域的感应、遥测、动力、感应、控制、惯导和信号处理等电子系统NASA利用厚膜混合集成技术开发了导弹制导计算机的计算组件。 其中采用2.88in角的厚膜多层布线基板，组装了5个大规模半导体集成电路芯片、12个中规模半导体集成电路芯片(TTL )、6个芯片电容器和6个芯片电阻、629条接合布线。 利用厚膜集成技术制造厚膜混合集成DCDC变换器是厚膜混合电路的一大类产品。 其产品功率范围为1W120W，电流最大20A，输出路数从1个方向到3个方向，开关频率为300kHz550kHz，国内120WDCDC转换器产品的功率密度为78Win3，输出电压为15V，输出电流为8A，效率为8 电源性能与INTERPOINT级产品相同，电源密度比INTERPOINT级产品高(后者为66.3Win3 )。 也可以制作高压输出(160V900V )的厚膜混合集成DCDC变换器，通过厚膜混合电路工艺制作DCDC电源的优点1 )产品的体积和重量与以往的PCB基板组装电源相比，提高了重量30%60%，体积25%70%，2 )电力密度提高微组装密度，扩大3040个零件平方cm4 )工作温度范围(-55125)5)提高可靠性和频率。 例如，100 w DC-DC电源的功率密度和重量比较：功率密度(Win3 )重量(g)PCB基板电路37160厚膜HIC6278，厚膜混合集成滤波器有电源滤波器(无源)和信号滤波器(有源)两种。 前者也被称为EMI滤波器，并与DC/DC电源结合使用，输入16V40V、输出电流最大值15A、插入损耗40db (在500 khz的情况下)后者使有用的频率信号通过，并且抑制或衰减不需要的频率信号，根据其功能要求而各种各样。 由综合运算放大器RC构成的厚膜混合集成可编程滤波器是信号滤波器的一种。 厚膜混合集成交流电源有单相400HZ和16kHZ交流电源、500HZ交流电源、500HZ电机交流电源、8kHZ交流电源等。 厚膜混合ic驱动器包括直流电机伺服电路、步进电机驱动电路、功率电机驱动器、永磁电机驱动电路、脉冲宽度调制放大器电路、放大放大器等各种电机伺服电路。 八。 薄膜混合电路的定义及其应用特征1 .定义采用物理蒸镀(PVD、蒸镀、溅射、离子镀等)或化学蒸镀(CVD )工艺和湿蚀刻(光刻)或干蚀刻(等离子体蚀刻等)图案形成技术区分“薄膜”还是“厚膜”，主要分为技术上而不是膜厚(虽然厚度不同，但在GJB548中，膜厚通常小于5m )，2 .应用特征薄膜电路具有精度高、稳定性高、高频特性好、组装密度高、信号传输速度快等特征，其应用主要是3 例如高位数(1218位)数字/模拟/数字转换电路、轴角数字转换电路、f/V和V/f转换器等(利用精度高、稳定性高)。 2 )高频和微波电路(利用高频特性的好特点，薄膜集合总参数微波混合集成电路的应用频率高达1530GC，与分布参数电路结合使用可用于60GC。 3 )信号和数据处理电路(利用线路细、布线密度高、信号传输速度快的特征)。 在通信领域使用的微波电路中，薄膜混合电路约占80%。 F-111型歼击机的攻击雷达，由于高频部分采用薄膜混合电路，中频采用厚膜电路，整个机组比原来的个别元件电路减少了75%，重量减少了63%，可靠性提高了3.5倍。 F-22战斗机的机载雷达数据处理系统采用胶片技术制成的MCM-D (保险丝公司)，机载雷达重量减少96%，体积减少93%。 20世纪80年代美国微波网络公司首次采用薄膜混频电路技术研制出18位混合集成D/A转换器，线性精度达到0.008%，是当时世界上精度最高的D/A转换器。 九。 共烧陶瓷多层基板的类型和应用特征1 .类型1 )高温共烧陶瓷多层基板(HTCC)2)低温共烧陶瓷多层基板(LTCC )的国际上的该共烧陶瓷多层基板类型的区分原则，根据该陶瓷多层基板的共烧温度是1000以上还是以下来区分共烧温度在1000以上的称为高温共烧陶瓷多层基板，共烧温度在1000以下的称为低温共烧陶瓷多层基板。 共烧温度是指陶瓷基板材料和布线导体膏同时烧结完成的温度。 *厚膜混合电路和LTCC的主要差异前者是层叠印刷，后者是共同印刷。 LTCC的主要优点1 )容易实现更多的布线层数，容易实现高密度安装2 )容易实现嵌入元件，容易实现多功能化。 3 )高频特性和高速传输特性好4 )可以在烧结前进行品质检查5 )可以实现空洞结构，容易实现多功能和微波mcm)与薄膜多层布线兼容，可以实现混合多层。 7 )可以与封装一体化。 2 .应用特征LTCC主要用于高频和微波电路以及信号和数据处理电路，HTCC应用于功率MCM。 美国IBM和NEC采用共烧陶瓷多层技术，在19791990年开发出了4代超级计算机，其MCM类型是从MCM-C到MCM-C/DIBM的超级计算机MCM-C/D采用23层布线LTCC、2层薄膜布线、 NEC公司的超级计算机MCM-C/D采用了45层HTCC、8层薄膜布线、基板尺寸225mm225mm、功耗4000W。 由美国MartinMarietta使用10层LTCC陶瓷多层基板制作的MCM-C用于军用飞机和导弹目标的搜索和识别系统的图像处理电子装置，该MCM为子系统、重量748g、总功耗40W、基板尺寸