钎焊及电子组装技术-3

1、 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering钎焊与电子组装技术钎焊与电子组装技术Soldering & Electronic Packaging Technology 赵兴科赵兴科 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering目录目录1 1 电子组装分级电子组装分级2 2 电子组装材料与元器件电子组装材料与元器件

2、3 3 芯片级互联与键合技术芯片级互联与键合技术4 4 板卡级互联与钎焊技术板卡级互联与钎焊技术5 5 电子组装中的非焊接技术电子组装中的非焊接技术6 6 电子组装的可靠性电子组装的可靠性 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering2 电子组装材料与电子元器件电子组装材料与电子元器件2.1电子组装材料的基本要求电子组装材料的基本要求2.2 典型电子组装材料典型电子组装材料2.3 表面安装电子元器件表面安装电子元器件 School of Materials

3、School of Materials Science & Science & Engineering Engineering2.2典型电子组装材料典型电子组装材料2.2.2陶瓷组装材料陶瓷组装材料（1）陶瓷材料的般特性陶瓷材料的优点： 电性能好，介电常数小； 热性能好，线胀系数与硅相近、导热系数大； 机械性能好； 尺寸稳定性好，其收缩率在0.1； 组装密度和可靠性高； 陶瓷表面可以金属化。 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering陶瓷材

4、料的不足：陶瓷材料的不足： 制造工艺复杂； 二次加工性差； 品种有限； 成本高等。 由于陶瓷材料的优点是其它材料不具备的，陶瓷材料在表由于陶瓷材料的优点是其它材料不具备的，陶瓷材料在表面安装技术发展中引起重视并得到发展。面安装技术发展中引起重视并得到发展。 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering常见的陶瓷组装材料主要有A12O3、A1N、BeO、SiC等。几种电子组装用陶瓷的特性几种电子组装用陶瓷的特性 School of Materials Scho

5、ol of Materials Science & Science & Engineering Engineering（2）典型陶瓷材料A12O3陶瓷陶瓷A12O3陶瓷是传统的基板材料，也是目前应用最成熟的陶瓷组装材料。A12O3的质量分数一般为85-99.9，热导率随着A12O3含量的增加而增加。为满足力学性能和电性能要求，可掺杂其他物质。 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering优势优势 绝缘性高 化学稳定性高 力学性能高 价格低劣势

6、劣势 热导率不高 与硅片的线胀系数匹配不好 烧结温度高。 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Enginee

7、ring School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering EngineeringA12O3陶瓷的烧结温度在1400以上，金属粉的熔点应高于陶瓷烧结温度，否则印制的金属布线图经烧结后，布线图将被破坏。要在A12O3陶瓷基板印制布线图案，要选用钨、钼等高熔点金属，但这类金属的电阻大，传输损耗大。Au、Ag、Cu的电阻为钨、钼的1/6-1/7，用这些低电阻的元素作为金属导体浆料的原料，烧结温度需降到1000以下。 A12O3陶瓷难以陶瓷难以作为高密度组装基板材料。作为高密度组装基板材料。

8、School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering EngineeringA1N陶瓷陶瓷 导热系数是A12O3陶瓷的5-7倍； 线胀系数比A12O3陶瓷约低一半，与硅的线胀系数非常接近； A1N绝缘性好，介电常数和介电损耗小； 良好的温度稳定性。A1N陶瓷其综合性能远优于A12O3，是基板和组装的理想材料，可用于大功率晶体管、开关电源基板以及电力器件。 School of Materials School of Materials Science & Science &

9、Engineering Engineering School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering A1N陶瓷的性能对制备工艺条件、原料纯度敏感，大规模生产的重复性差； A1N粉易水解，粉末储存困难； A1N粉末目前的售价较高。 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering EngineeringBeO陶瓷陶瓷BeO陶瓷具有较高的导热率，是A12O3陶

10、瓷的7倍。但BeO具有毒性，且生产成本较高，限制了它的应用。 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering EngineeringSiC陶瓷陶瓷SiC陶瓷的线胀系数与硅最相近；热导率也很高，是A12O3陶瓷的13倍。SiC陶瓷的绝缘性较低，仅适用于密度较低的组装。 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering低温共烧陶瓷低温共烧陶瓷低温共烧陶瓷L

11、TCC（LTCC，Low Temperature Co-fire Ceramic）是一类复合型组装材料。主要由一些玻璃陶瓷GC（GC，Glass-Ceramic）组成，烧结温度低（900左右），可与碱金属共烧。绝缘性好、介电损耗因子小，其高频性能优良。适用于无源集成、尤其是高频器件。 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering低温共烧技术诞生于上世纪80年代中期，经过二十多年的开发和应用已经逐渐成熟和完善，并在许多领域获得了广泛的应用，特别是在军事、航天航

12、空、电子、计算机、汽车、医疗等领域，低温共烧技术均获得了极大的成功。低温共烧组装代表着未来陶瓷组装的发展方向。为了减少传输损耗，低温陶瓷的研制和开发得到重视。 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering几种低温共烧陶瓷及其特性几种低温共烧陶瓷及其特性 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering结晶玻璃系陶瓷结晶玻璃系陶

13、瓷，其保持玻璃原有的线膨胀系数小、介电常数低和机械强度低等特性。玻璃复合系陶瓷玻璃复合系陶瓷，在玻璃系中加入添加材料，如A12O3等，以克服玻璃系的缺点，增加其机械强度，降低陶瓷的烧结温度。PbO-SiO2-B2O-CaO系烧结陶瓷的抗弯强度可以与氧化铝相当。非玻璃系陶瓷非玻璃系陶瓷，烧结时尺寸变化小，可用来制造微细引线的生陶瓷基板。 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering2.2.3金属材料金属材料电子组装用金属材料主要有键合线（包括键合金丝、键合铝合

14、金丝和键合铜丝）、框架材料、热沉、钎料等。 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering框架框架 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering热沉热沉 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engine

15、ering金属材料中，铝的热导率很高、重量轻、价格低、加工容易，是最常用的组装材料。纯铝的线胀系数与硅的相差较大，器件工作时的热循环常会产生较大的应力，导致器件性能失效。铝铝 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering EngineeringW、Mo具有与Si相近的线胀系数，且导热性比镍铁合金好得多，故常用于半导体芯片的支撑材料。W、Mo与硅的浸润性不好，可焊性差，常需要在表面镀或涂以特殊的Ag基合金或Ni，这使得工艺变得复杂且可靠性降低，提高了成本，增加了污染。W、MoW、Mo

16、、Cu密度较大，不适合作航空、航天材料。W、Mo的价格昂贵，生产成本高，影响了推广使用。 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering镍铁合金（Invar）和铁镍钴合金（Kovar）具有非常低的线胀系数和良好的焊接性，但是电阻却很大，只能作为小功率整流器的散热和连接材料。 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering电子组

17、装用钎料合金基本上都是锡基合金，添加的合金元素常见的有Pb、Ag、Bi等。二元合金常见的有锡铅、锡银、锡锑、锡铟等，三元合金常见有锡银铜、锡铅银、锡铅铋、锡铅铟等。随着无铅钎料的不断推进，新的三元、四元和五元及以上合金也在不断地开发。合金钎料的供货方式包括棒、锭、丝、箔片、粉末、焊球、焊柱、焊膏等。 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering电子组装用钎料的合金元素及其熔点电子组装用钎料的合金元素及其熔点温度温度SnPbAgBiInSbCd/2323289

18、61272157630321/ 45062017635203131167610 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering2.2.4 复合材料复合材料金属材料能满足导热性要求，但导电性限制了其使用范围；陶瓷材料同时具有优良的导热性和绝缘性，是理想的导热性电子材料，但制备困难、成本高；高分子材料成型方便，易于生产，介电性好，但导热性差。复合材料是由两种或两种以上的物理或化学性质不同的物质组合而得到的一种热固性材料。因为复合效应，复合材料的性能会比它的组成物质

19、更好，或者具有原组成物质所没有的性能。 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering金属基复合材料恰恰可以将基体金属优良的导热性能和增强体材料低线胀系数的特性结合起来，既具有良好的导热性，又可在相当广的范围内与多种不同材料的线胀系数相匹配。 组装材料采用金属基复合材料是未来发展的重要方向。组装材料采用金属基复合材料是未来发展的重要方向。 School of Materials School of Materials Science & Science

20、 & Engineering Engineering金属基复合材料由基体金属和增强体两部分组成。目前电子组装用的金属基复合材料的基体仍以铝、铜、镁为主，这主要是由它们良好的导热、导电性能及优良的综合力学性能所决定的。用做复合材料增强体的种类很多，其形貌有长纤维、短纤维、晶须和颗粒四大类。 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering作为电子工艺材料使用时，增强体的选择应从以下几个方面衡量：低的线胀系数高的热导率与基体材料具有良好的相容性密度小成本低。 School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering School of Materials School of Materials Science & Science & Engineering Engineering电子组装用铝基复合材料电子组装用铝基复合材料在电子组装中目前应用最广泛的就是A1/SiC复合材料，主要用于微波管的载体、密封式微波组装材料、多芯片组件的热沉、PCB的