电子封装技术

1、电子封装技术现代电子信息技术的E遠堆展极枝地推动着电于产品向多功能r烏性能r高可眾、小型化S便星化堆丈处化普故所要求的低成本方向笈屐.血斶足这昨要求的基础和檢心妳呈集成电路tlntegmtcdCircuitt简称IC)*特别#人规榄集成电路(LargeScabIn忙即址3,筒称LSI)和題大规模集成电路(VbryLargeScaleItnegratkin,简称VLSI。filCS片要经过合适的封装,才能达到所要求的抓H扎、机减尊性能.満足使用要求电了封装可以看作芯片到元器件以及蔓机系统此骨知它卜仅起若固忌安放、盘芒片和壇强热电性社的低用riJli若片上的接点通过导线连接到封装外壳的引脚上.引脚

2、乂通过印制枫上的导线勺tt它器件姥立连接，从血实现内部芯片与外部电賂的连接.*外逋过封装.芯片叫评实现跟外界的隔肉.防上空气中的余质腐蚀若片*总之.封装提供給兀聽件一个安全叮辂的作坏境、便产品能确隐世.件叫集战电路的连接杵能和战車在抿大榻度匕受电子封装技术的羽响0此外*封装技术对电子产品的微型化也有一定西献.随着徽电子封装技术的快速发展和电了产品啟型化、高可拿性*高性能的需求,具有趙微尺寸的芯片和超高性能的集成电路应走而生，市场上各类新型封装结构也层出不穷.从五+年代的晶休管外充対装(TO)到六十年代的双列宜插式引脚封製(DIP)；八十年代表面贴装技术SMT!的傩以FV用平时装(QFP】为代俎

3、止-I代逹渐受展为球业PI列封装(BGA)和芯片级対装CEPh価后笈脱到务芯片组件(MEMh随着LSI工艺"设计以及芯片尺寸微细化技术的进步，逖渐发展为系统级芯片封装技术SOC).图USiCPU甸同时期所使用的不同电子封装结护叽电子封装技术的提高.进一步促进了电子黠件和卑成电路的览展.因此.高杵能电子封装对系统的感响己变得和苕片一样重姿W191.1不同时期的CPU封装形式:(a)DIP(b；QFP>(c>PGA和(d)BGA<Fig1.1CPUpackagesindifferentperiods,(a)DIP.(b)QIRic)PGAand(d)BGA.如下图12所

4、示，微电子封装i般分成二级：一级封装（ICM装）.二级封装（芯片在印刷电路板上的封装和组装）和三级封装（各组件之间、组件跟主板之间的相互连接以及系统布线和主板之间的连接）11.2三级时铁示总国.Fig1.2schcmuticdiagramofthreekvcl'spockuging.长期以来，SnPb共晶焊料介金因性能优良、价格低廉、储最丰富等优点而被广泛使用，被喻为印刷电路板中电和机械的“胶水近年來，大昴废弃物及旧家川电器造成的铅污染，已经对人类生存和地球环境造成了禎大的伤害。铅是噸金属，具有毒性，如果在人休内过度积累，会对身体产生严重危害。虽然铅在电子产甜中的消耗很小，但圧铅的外満

5、是不能忽视的。研究表明，在手工焊和镀揚操作过程中，钳的外漏对人体有害，因为铅在正常的焊接濫哎下容易挥发，人股容易吸入铅蒸汽;或含铅的灰尘冈。近年来，关園环境保护协会要求电子产业向环境禅放铅的含眞比过去要低1,0,u.因此,焊料的无铅化己成为人类的个共同耍求。1999年关国电子制适业联舍仝(NationalElectronicsManufacturingInitiative,NEMI)成立了无铅化汁划小組.该小组在2000年推荐：回流焊时，用SnAgCu系焊料合金代替SnPb共晶焊料：波峰焊时.用SnCu焊料合金代替SnPb合金四。同时，欧盟任无铅的立法方面也做出了枳极的响应，狈伤了电子电气没备

6、唆弁(TheWasteElectricalandElectronicEquipment.WEEE)法案和有害物质限制法案(RestrictionofHazardousMaterials.RoHS)»规定自2006年7月1日起，欧盟市场上销售的所有电子产品中不得含铅l,3|.a木从199年开始无铅焊料的研究活动,在起始阶段有两所大学和十家若名公司参与了研发，II询计划的成员已超过50名家。1998年卄始对适应回流焊接、波峰焊接方式的SnCu系无铅焊科合金进行评价，井公術了一些应用参数2004年2月，中国国家倍息产业部通过了电子信息产品污染防治管理办法，规定自2006年7月1日起，列入电

7、子涪息产品污染垂点防治LI录的电了信息产品中不得含冇铅、汞、六价餡等冇毒冇害物质W这些立法推动了无铅焊料的发展.同时也对传统的电子封装行业产生了収大冲击。訂前，无铅焊料的发展已成为材科和电子行业的一个热点。回顾电子产品的发展历史，电子元器件己经历了以电子管为代表的经典电子元器件时代、以半导体分立器件(包括低频低速集成电路)为代农的小型化电子元器件时代，现时乂进入以高频和高速处理集成电路为代表的微电子元器件时代。电了器件高度集成化的发展趙势堆动二级封装技术的不断革新：从通孔安装PTH(PinThroughHole)、表面贴装SMT(SurfaceMountTechnology)>球栅阵列式

8、封装BGA(BallGridArrn)、例装焊接FC(FlipChip).芯片尺寸封装CSPCChipScalePackage)到纳米尺度封装(Nano-Packaging),，1*图1.3为半导体元器件封装中焊点放置类型的示意图。WS=10一pur?112-£.OL=/KMnIO二or=SPXIuulusd一OOJpir?uzx9OLp?pedSu広Gdcx一LeuduiAreaflipchip图13T导体元罄件対装中坤点放置类塑演变的小总好叫Fig1.3Aschematicoflhe已volutionofthesolderjointinrelationtopackagingfor

9、semiconductorcomponents1n,.在焊料无铅化和电了芯片微型化的进程中，焊点可靠性在很大程度上会受焊料成分、封装结构以及焊按工艺参数的影响。首先,由于无铅焊料的润程性能比SnPb共晶焊科斧，因此在针焊过梧中叫能会出现焊料的润湯件能木满足寒求、焊点的自校理能力差以及焊点可靠性不达标等间题.其次II询市场上常用的5'gCu焊料熔点（大约为400K）薦于传统的SPb焊料合金（456K）.这将导致回流或波峰焊过程中焊接温度的升高，进而引起焊料氧化以及形成过"的金属间化合物，影响焊点的可靠连按。鼓后，以倒装芯片为代衣的新型封装结构的人规模使用，缩小了焊点间业，这对电

10、子封装技术以及电子产品的叮慕性都提出了新的挑战.展于实际应用过程中很多企业在焊料无劭化以及电子产品徹型化和可鼎性方而仍存在很多问題，因此有必要对此进行深入研究.从工艺角度來分析：从冇铅向无铅转变的过程中，山于焊料的变化会引起工艺的大幅度调整来满足无铅化的需耍。无铅焊料的机械性能、电学性能以及抗疲劳强度基本上都能达到捷至超越仃铅焊料的水平，但最大的问题是无铅焊料的印刷件能付丰，它绘制约无铅化进稈的最大障碍，印刷性能不好的原因秆于无铅焊料的润湿性差"就I诞常用的Sn3AgO.5Cu焊料合金而言，它的泪湿角比SnPb共品焊料大50%,更严1E的足在回流焊或波峰焊过程中可能适成虚焊尊?*多隐

11、性缺陷.为电/器件的可幕性埋下了隐恿。因此提拓无铅焊料的润湿性对于高可徐性电子产品来说至关审要，从产品使用的角哎來分析，常观的失效模式为热疲劳和电迁移欠效.电子产品在I作时并不会一自处在恒定温度卜.而是经彷岛温热循坏作用.山于封装材料之间的热膨胀系数不同.导致焊点结构产生周期性的应力应变（如图14所乍）。研究发现:在高低温热循环作用下,随着时效时间延长,焊点界面处金属间化合物层增厚，晶粒不断粗化,焊点剪切强度下降冃焊料与基板界面处伴随着裂纹的荫生和扩展，最终导致焊点失效。图1.4芯片和朕板Z间的热膨胀系数養导致岸点在妁循坏卜瑕到映咸力戎間“比Fig1.4Thermalstressinsolderjointscausedbythermalexpansioncoefficientdifferencebetweendieandsubstrate1I另外.fioeiH子封装密麼不析提高以汝倒装芯片技术的广泛应用.焊点间距己经从高密度器件中的10（加山向50pm的尺哎范用发展.导致互连焊点中的电流密度持续増长，并达到了10'川5己其至更肩超过这个临界电流密度，互连焊点内部就会发牛电迁移现象.即金属原子胡电子由阴极向阳极移动,从而阴极处金属间化合物层逐渐溶解.在电迁移