电子装联报告

1、ii目 录电 子 装 联 工 艺学 习 报 告班级：040812学号：姓名：2011年6月14日目 录第一篇 微组装技术一、微组装技术的主要类型 2二、微组装技术的特点 4三、 微组装技术的发展趋势 . 4第二篇 焊接工艺一、焊接类型 6二、焊料合金 7三、回流焊 97微组装技术微 组 装 技 术概念：在高密度多层互联基板上，用微型焊接和封装工艺把构成电子电路的各种微型元器件组装起来，形成高密度、高速度、高可靠、立体结构的微电子产品（组件、部件、子系统、系统）的综合性高技术。一、微组装技术的主要类型1、多芯片组件（Multichip Module ,MCM）MCM是20世纪90年代发展较快的一

2、种高密度集成的电子模块，是将多个集成电路芯片和其他元器件高密度组装在多层互连基板上，然后封装在同一壳体内，以形成高密度、高可靠的专用电子产品，是一种典型的高级混合集成组件。由于其具有组装密度高、体积小、可靠性高等优点，在军事领域有着广泛的应用。目前，根据所使用基板的类型或制造方法，MCM有陶瓷基片多芯片组件（MCMC），介质基片多芯片组件（MCMD），叠层基片多芯片组件（MCML），三维（3D）MCM集成电路器件被垂直叠置而制造出的多芯片组件等4种技术类型。MCML 是使用通常的玻璃环氧树脂多层印刷基板的组件。制造工艺较成熟，成本较低。因芯片的安装方式和基板的结构所限，高密度布线困难，因此电性

3、能较差，主要用于30MHz以下的产品。开发的SLC/FCA（Surface Laminar Circuit/Flip Chip Attach）之类的新型高密度印制电路板和裸芯片安装技术，使MCM-L的性能获得显著提高，可达到MCM-C的水平，甚至能达到MCM-D的水平。MCMC 是用厚膜技术形成多层布线，以陶瓷(氧化铝或玻璃陶瓷)作为基板的组件，与使用多层陶瓷基板的厚膜混合IC 类似。两者无明显差别。布线密度高于MCML。MCMD 是用薄膜技术形成多层布线，以陶瓷(氧化铝或氮化铝)或Si、Al 作为基板的组件。布线密谋在三种组件中是最高的，但成本也高。3DMCM是在2D的基础上，进一步向z方向

4、发展的微电子组装高密度化，实现3D，不但使电子产品的组装密度更高，也使其功能更多，传输速度更高、功耗更低、性能更好，并且有利于降低噪声，改善电子系统的性能，从而使可靠性更高。3DMCM主要有三种类型：埋置型3D、有源基板型3D、叠层型3D。2、系统级封装（System in a package ，SiP）SiP是近年来发展迅速且非常有市场潜力的组装技术，它是实现电子产品小型化和多功能的重要手段。20世纪90年代后期，美国佐治亚理工学院PRC研究开发的单级集成模块就是SiP的典型代表，它是将各类IC芯片和器件、无源器件、布线和介质层都组装在一个封装系统内，即将原来的三个封装层次（一级芯片封装、二

5、级插板/插卡封装、三级基板封装）浓缩在一个封装层次内，极大地提高了封装密度和封装效率，它具有设计灵活、大大缩短互连线、运用灵活、封装体积减小、组装效率提高等性能特点。SiP技术与MCM相比显得更成熟，SiP主要用于手机中闪存和应用处理器的封装，还可用于数码相机、PDA（个人数字助理）等其他便携式电子产品，将来还会用于数字电视及GPS（全球定位系统）等嵌入式领域。SiP技术应包括芯片级的互连技术。换句话说，即它可能采用反转芯片（nip-chip）键合，引线键合，TAB，或其它可直接连接至IC芯片的互连技术。但是很明显它并未将小型SMT线路板的装配技术列入SiP技术的范畴。3、圆片级封装（Wafe

6、rLevelPackaging，WLP）WLP是一种近年来迅速发展的先进封装技术，它采用的封装过程与传统封装过程完全不同，WLP是直接由圆片切割分离而成的单个封装，WLP有两种基本工艺即焊点（引出端）再分布技术和凸点（焊点）制作技术。前者用来把沿芯片周围分布的方形铝焊区（焊盘）转换为在芯片表面上按平面阵列形式分布的圆形铜焊盘，以适应SMT的要求及凸点制作，后者是在焊盘上制作凸点，材料有Au、AuSn、In等，工艺有电镀Au和电镀PbSn法、模板焊膏印刷法等。WLP唯一的局限性是电路引出端只能分布在管芯的有源面一侧的面内，所以引出端数量有限。圆片级封装主要应用于移动通信、一些便携式消费类电子产品

7、以及光固态探测器中。薄膜再分布技术:是指在IC圆片上，将各个芯片按周边分布的IO铝焊区，通过薄膜工艺的再布线，变换成整个芯片上的阵列分布焊区并形成焊料凸点的技术。它不仅生产成本低，而且能完全满足批量生产便携式电子装置板级可靠性标准的要求，是目前应用最广泛的一种技术。K&S公司、Apack公司、UnitiveElectronics公司、Fraunhoferlnstitute公司和Amkor公司是应用薄膜再分布技术的代表性公司。 薄膜再分布技术的具体工艺过程比较复杂（典型的WLP工艺流程见图1），而且随着IC芯片的不同而有所变化，但一般都包含以下几个基本的工艺步骤：在IC圆片上涂复金属布线层间介质

8、材料；沉积金属薄膜并用光刻方法制备金属导线和所连接的凸点焊区。这时，IC芯片周边分布、小至几十微米的铝焊区就转成阵列分布的几百微米大的凸点焊区，而且铝焊区和凸点焊区之间有金属导线相连接；在凸点焊区沉积UBM(凸点下金属层)；在UBM上制作焊料凸点凸点技术:焊料凸点通常为球形。制备焊球阵列的方法有三种：应用预制焊球；丝网印刷；电化学沉积(电镀)。当焊球节距大于7001m时，一般采用预制焊球的方法。丝网印刷法常用于焊球节距约为200m的场合。电化学沉积法可以在光刻技术能分辨的任何焊球节距下沉积凸点。故电化学沉积法比其它方法能获得更小的凸点和更高的凸点密度。采用上述三种方法制备的焊料凸点，往往都须经

9、回流焊形成要求的焊球。4、堆叠三维封装通常的三维封装是把两个或多个芯片（或芯片封装）在单个封装中进行堆叠，是一种强调在芯片正上方的多芯片堆叠，实际上它也是一种堆叠封装，三维结构能够集成许多别的方法无法兼容的技术，这样就可以显著提升器件的性能、功能性和应用领域。三维封装技术包括层压或柔性基板、内引线键合、倒装芯片、导电粘接或组合互连等技术，三维封装大致分为3种形式：芯片堆叠、封装堆叠、硅圆片堆叠的三维封装。二、微组装技术的特点1、产品应用对象：微组装密封针对面向电子整机的多功能和高频组件，结构较为复杂（如异形等），体积较大。2、对产品可靠性要求：采用密封的微组装组件通用性差，数量不大，可靠性要求

10、比器件低。采用的元器件种类：微组装技术中应用的元器件种类既有采用GaAs材料的MIMIC芯片，又有采用Si材料的ASIC芯片和采用银钯等材料作为焊盘的片式元件，应用的元件种类较多。3、采用的工艺技术：微组装采用的多层基板通常不但包括电路互联线，而且包括功分器和电桥等微波功率器件；采用的元器件和材料种类较多，需应用适合多品种、多材料的焊接方法；由于微组装组件结构复杂，外形有异形，因此常采用激光密封焊接。4、技术层次：微组装密封只是微组装模块制造中的一个重要的工序。三、微组装技术的发展趋势1、低温共烧陶瓷（Low-Temperature Co-fired Ceram ic ,LTCC）多层基板技术

11、LTCC是美国休士顿公司于1982年开发的新型材料，它是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生瓷带，在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制出所需的电路图形，并将多个被动组件（如低容值电容、电阻、滤波器等）埋入多层陶瓷基板中，然后叠压在一起，内外电极可分别使用银、铜、金等金属，在9000C下烧结，制成三维空间互不干扰的高密度电路。另外，LTCC可以制成内埋无源元件的三维电路基板，在其表面贴装IC和无源器件，制成无源/有源集成的功能模块，进一步实现了器件的微型化。由于LTCC优异的材料性能。现已成功用于集成电路组装，多芯片模块、MEMS各种片式元件（如电感、电容、变压器）等。

12、应用领域涉及移动通信、汽车电子、航空航天和军事电子。最重要应用领域是射频和微波，从通信微波低端频率的GSM（全球移动通信系统）、CDMA（码分多路存取）等到毫米波波段的30GHz的本地多点分配业务（LMDS），有的应用达到40GHz甚至更高。非通信微波应用包括机载和地面的相控阵雷达的T/R模块等。LTCC技术以其优异的电子、机械、热力学特性已成为未来电子元件集成化、模组化的首选方式。2、微组装用无源元件随着高性能，小型化电子产品市场的日益扩大，电子产品中的无源元件用量越来越大，在一些移动终端（手机、笔记本电脑、数码相机等）产品中，无源元件和有源器件（芯片为主）之比约为50:1.甚至可达100:

13、1，无源元件以电阻器和电容器为主，一部典型的GSM手机内含500多个无源元件，大部分为片式、小尺寸，占电路板面积的50%。在这个发展趋势下，0201（0.02英寸0.01英寸即0.508mm0.254mm）微小尺寸的无源元件正在替代过去占主要地位的0603和0402。与此同时，组装0201无源元件的技术也成为微组装中的重要环节。无源元件与有源元件（集成电路等半导体产品）是微组装产品结构中的核心部分。在新型电子产品中，集成电路和无源元件占全部电子元器件及零部件的生产总成本的46.1%和9.1%，而在总安装成本中却分别占12.7%和55.1%。由此可见，无源器件在整机进一步向小型化、集成化发展中的

14、重要性。而且无源元件的微型化、片式化、复合化、高精度化和多功能化的发展趋势仍将持续下去，无源元件升级换代的步伐随着整机发展的特点越走越快。3、无铅化的挑战电子工业中大量使用的Sn/Pb合金焊料是造成铅污染的重要来源之一，所以寻求Sn/Pb焊料的替代品是发展无铅化封装技术的任务。无铅焊料合金成分目前尚无标准，国际上多数行业组织以及协会建议无铅焊料中铅含量应0.1%0.2%，并且不含其它有毒元素。与传统的Sn/Pb共晶焊料相比，无铅焊料熔点高，表面张力大、润湿性差、工艺窗口小、质量难控制、返修难度大、成本高。虽然，无铅焊料与锡铅焊料在工艺性能和可靠性性能方面还有一定的差异，如焊料熔点温度、润湿性、

15、成本、导电性、导热性、疲劳性能等等，无铅焊料还需要不断改善和提高。无铅工艺的研究正方兴未艾，这项技术的推广应用是一个长期的过程，“绿色环保”电子产品的普及还有很长路要走。随着微电子技术、多层互连基板技术、SMT组装技术和MCM技术的飞速发展，微组装技术也得到了迅速发展。主要表现在：小型轻量化、高密度三维互连结构、宽工作频带、高工作频率、具有较完整的分机/子系统功能、高可靠性等。微组装密封技术未来发展将呈现以下特点：1、组装技术与芯片封装技术（甚至涉及芯片技术）的融合是发展方向。2、二维平面组装向三维立体组装的演变是微组装技术当前发展的主要倾向。3、发展MEMS领域中的微组装技术是势在必行。另外

16、，微组装技术的应用已不能局限于传统的电子组件中，给微组装密封提出了新的要求。例如微组装电路互连基板的概念已拓展，已非传统意义上的多层板，与此同时在此基板上进行的微组装技术上也需拓展。如多功能基板（MFS，Multifunctional Structures）,作为特种互联基板考虑了散热、机械连接的同时还考虑到与系统的底盘、电缆的连接，它甚至成为构件的“壁”，微组装本身的组件（包括MCM）已成为构件的一个部分；采用DBC（Direct Bonded Copper）覆铜陶瓷基板技术制作的高效散热基板（甚至可做成风冷、水冷通道板）改善了散热性能，提高了可焊接性，覆铜板上直接进行微组装，拓展了微组装技

17、术的应用和发展。15焊接工艺焊 接 工 艺焊接概念：通过加热、加压，或两者并用，使同性或异性两工件产生原子间结合的加工工艺和联接方式。焊接是电子装联技术的核心。焊接的目的是用焊接材料将元器件引脚与印制电路板的焊盘结合起来，形成电路的电气连接与机械连接，从而实现电路功能。一、焊接类型熔化焊：由一定热源将被焊金属结合面局部加热熔化，并待其冷却凝固实现金属互连的工艺方法。压力焊：利用压力等手段（加热或不加热条件下），客服被连接金属表面不平度而实现原子结合的工艺方法。钎焊 ：以熔融焊料合金填充被焊金属的连接焊缝，并待其凝固实现金属互连的工艺方法。（下文重点介绍钎焊）1、 钎焊概念：钎焊是指用比母材熔点

18、低的金属材料作为钎料，用液态钎料润湿母材和填充工件接口间隙并使其与母材相互扩散的钎焊方法。2、钎焊机理：由焊接中的原子互扩散与再结晶形成的一种金属冶金结合。3、钎焊过程：液态合金润湿被焊金属表面，进而与之发生界面冶金反应原子互扩散与再结晶，从而形成界面冶金层（润湿是前提，界面反应是基础）。 （1）钎料的填缝过程保证钎料与母材完全接触钎料预置、加热 钎料熔化、铺展 凝固、形成接头 （2）钎料的溶解与扩散过程钎料与母材发生冶金反应母材向钎料中的溶解 钎料向母材中的扩散 （3）去除氧化膜保证钎料与母材完全实际接触氧化膜阻碍钎料铺展 保证钎料与母材良好接触 4、润湿 概念：一种液体取代固体表面其它与之

19、不相混溶的流体的现象。 润湿条件：表面张力：表面张力是一项重要的焊接指标,在焊接过程中通常希望液态焊料合金具有较低的表面张力 ,以使液态焊料具有比被焊金属表面更低的能量 ,促使焊料在被焊金属表面上的润湿、铺展以形成饱满的焊点。 接触角：液体对固体表面润湿状况的直观指标。 900 不润湿 =1800 完全不润湿 900 润湿 =00完全润湿（铺展） 润湿的定量描述 Young氏方程杨氏方程： =+cos 影响钎料润湿性的主要因素（1） 钎接体系的内部属性（杨氏方程） 合理构建钎接体系（焊料合金、焊接气氛）是提高钎料润湿性的基本途径。（2） 金属的氧化和焊剂（助焊剂）氧化层影响了润湿性，阻碍了原子

20、互扩散，导致冷焊助焊剂除去氧化层，液态覆盖（3） 界面反应：界面反应改变了液固两相界面附近液态的成分甚至固相层的变化，从而导致钎接体系的微观体系，进而影响润湿性。（4） 温度：温度升高，液体钎料中的原子与基体表面原子间的扩散运动变得剧烈，即原子扩散速度加快，从而缩短了润湿时间，故钎焊过程中，温度升高，钎料的表面张力降低，润湿角减小，从而提高钎料的润湿性。但钎焊温度不能过高，否则会造成钎料流失，晶粒长大等缺陷。（5） 时间（6） 固体表面粗糙度：当钎料与母材之间作用较弱时，母材表面粗糙的沟槽起到了特殊的毛细作用，可以改善钎料在母材上的润湿与铺展。5、界面反应晶体原子扩散：自扩散和互扩散。钎焊中互

21、扩散结果：改变界面两侧原子的浓度或成分。再结晶：形成界面冶金层。二、焊料合金焊料合金是焊接材料的主体 ,焊料合金是由两种或两种以上金属元素组成的具有一般金属特征的合金材料。传统的焊料合金以锡 (Sn)、铅 (Pb)为主要成分 ,即锡铅合金。随着环境保护的要求促使电子装联技术向无铅化的方向发展 ,即焊料合金已不再含有铅的成分 ,这类材料称为无铅焊料合金。无铅合金与锡铅合金的性能对比分析锡铅合金(Sn- 37Pb)无铅合金（Sn - 3. 5Ag- 0. 9Cu）性能对比分析焊料合金物理性能熔点183 217 221 两种材料熔点相差近 30 ,焊接材料熔点的升高 ,导致对元器件、印制板、加工设备

22、中其他材料的耐温等级相应提高,而某些材料随温度升高后其机械性能会急剧下降。电阻率与导热率热导率高热导率低热导率低的合金不易传热或散热，而且热导率一般会随温度的升高而下降 ,因此锡铅合金更适于较高温度下工作。热膨胀系数(CTE)CET(Sn - 37Pb)=25CET(Sn - 3. 5Ag)=30CET(Cu)=17无铅焊料 Sn - 3. 5Ag与 Cu的热膨胀系数的差要比锡铅合金 (Sn - 37Pb)与 Cu之间的大 ,而电子装联工艺中焊料合金应与被焊基材、镀层、元器件等整个被焊组件各部分的热膨胀系数应尽量匹配 ,如果 CTE相差太大 ,就有可能在焊接过程或产品服役的过程中 ,在焊接界面

23、产生较大的热应力 ,从而降低焊点的可靠性和服役寿命。表面张力（空气中250）Sn - 37Pb ：417 mN /mSn - 3.5Ag：431mN/mSn - 0. 7Cu：491mN/m无铅合金的润湿性都不如锡铅合金 ,其可焊性还有待提高。焊料合金机械性能（室温环境）拉伸强度：50MPa剪切强度：35MPa延伸率：50%杨氏模量：39GPa硬度：17HB0.2%屈服强度：27.2MPa拉伸强度：60MPa剪切强度：30MPa延伸率：70%杨氏模量：50GPa硬度：40HB0.2%屈服强度：22.5MPa无铅焊点的硬度比Sn/Pb高 ,无铅焊点的拉伸强度也比 Sn/Pb高 ,无铅焊点的变形比

24、 Sn/Pb焊点小 ,但是这些并不等于无铅的可靠性好。由于无铅焊料的润湿性差 ,因此焊接缺陷比较多 ,另外由于熔点高 ,如果助焊剂的活化温度不能配合高熔点 ,由于助焊剂浸润区的温度高、时间长 ,会使焊接面在高温下重新氧化而不能发生浸润和扩散 ,不能形成良好的界面合金层 ,其结果导致焊点界面结合强度 (抗拉强度 )差而降低可靠性。温度对材料性能的影响随着工作温度的升高 ,材料普遍呈软化的趋势 ,这与热激发的晶体位错运动以及高温环境下的晶粒生长和材料的组织状态的改变有关。由于无铅焊料熔点高于锡铅焊料合金 ,因此在高温时其拉伸强度优于锡铅焊料合金。但温度对合金性能的另一个影响是蠕变 ,蠕变是材料在恒

25、定载荷作用下持续发生塑性变形的现象。大多数民用、通信等领域 ,由于使用环境没有太大的应力 ,无铅焊点的机械强度甚至比有铅的还要高 ,但在使用应力高的地方 ,例如军事、高低温、低气压等恶劣环境下 ,由于无铅蠕变大 ,因此无铅比有铅的可靠性差很多。抗疲劳特性疲劳破坏是材料在变动应力或应变的长期作用下 ,因累积损伤而发生断裂或力学性能变差的现象，试验资料表明 ,对于装联在 FR - 4印制电路板上的SMT器件 ,在多数情况下无铅焊料合金优于锡铅焊料合金 ,但是当工作温度超过 150 时 ,低熔点的锡铅合金的抗疲劳特性表现较好 ,而无铅合金因其组织中的粗大富锡相对抵抗疲劳失去作用。润湿特性焊料合金的润

26、湿性对液态焊料在被焊金属表面上的润湿、铺展性 ,以及对形成牢固可靠的焊接界面具有重要意义 ,由于合金的润湿性除了与合金的表面张力有关外 ,还与焊接的温度与气氛、被焊金属或其镀层的材料、界面的冶金反应过程以及所采用的助焊剂特点等直接相关。在多数场合中,无铅焊料合金的润湿性与铺展性都不如锡铅合金。三、回流焊1、回流焊的特点：组件整体式加热焊接，目的是实现每个焊点的加热焊接。2、回流焊控制难点：整体式加热焊接使得回流工艺需要考虑的工艺结构问题难度增大，如：对于单个焊点，要达到焊料合金液相温度之上；焊剂作用的最优化；防止组件各单元（电子元器件、PCB板）热损伤。3、工艺控制参数：各温区的温度设置和传送

27、带的速度设置4、典型回流曲线以Sn-Pb共晶焊料为例23520018315020020514016016060s120s预热区保温区回流区冷却区30s90s14/s14/s30smax10+1s230 t/sT/图2 Sn-Pb 共晶焊料回流温度曲线预热区：通常指温度由常温升至150左右的区域，该区域的目的是把室温的PCB尽快加热，以达到第二个特定目标，但升温速率要控制在适当范围以内（14/s），过快则会产生热冲击，组件受到热损伤；过慢则溶剂挥发不充分，影响焊接质量；温升速率适 当同时也有利于活化助焊剂，因为大部分助焊剂的活化温度在150以上。保温区：指温度从140160升至焊膏熔点的区域。该

28、区的主要目的是使组件各单元温度均匀化，为后续再加热做准备，并保证焊膏中的助焊剂得到充分挥发，去除氧化层。回流区：这一区域加热器的温度设置得很高，使元件的温度快速上升至峰值温度（235左右），目的是使各焊点熔化形成焊接；回流时间不能过长（30s90s），以防对各单元组件造成不良影响。理想的温度曲线是超过焊锡熔点（180）的“尖端区”覆盖的面积最小。冷却区：该区段各焊点焊料合金凝固，生成结晶点，同时注意：降温斜率要小，如果太大，很容易出现因瞬间剧烈降温而导致的元器件开裂，破损等不良。5、温度曲线的设定（1）测试工具：在开始测定温度曲线之前，需要有温度测试仪，以及与之相配合的热电偶，高温焊锡丝、高温

29、胶带以及待测的SMA，当然有的回流炉自身带有温度测试仪，（设在炉体内），但因附带的热电偶较长，使用不方便，不如专用温度测试记录仪方便。特别这类测试仪所用的小直径热电偶，热量小、响应快、得到的结果精确。（2）热电偶的位置与固定热电偶的焊接位置也是一个应认真考虑的问题，其原则是对热容量大的组件焊盘处别忘了放置热电偶，如图3，此外对热敏感组件的外壳，PCB上空档处也应放置热电偶，以观察板面温度分布状况。将热电偶固定在PCB上最好的方法是采用高温焊料（Sn96Ag4）焊接在所需测量温度的地方，此外还可用高温胶带固定，但效果没有直接焊接的效果好。总之根据SMA大小以及复杂减度设有3个或更多的电偶。电偶数量越多，其对了解SMA板面的受热情况越全面。（3）锡膏性能 对于所使用锡膏的性能参数也是必须考虑的因素之一，首