厚膜混合电路的组装和封装工作

1、厚膜混合电路的组装和封装工作12用厚膜技术在基板上制成电阻网或阻容网络后，还要把有源器件，集成电路和各种外贴元件组装到基板上，才构成完整的电路。这种将各种芯片和外贴元器件组装到厚膜基片上的各种技术，称为厚膜混合电路的组装技术。为了防止电路受环境条件的影响和机械损伤，还需对组装好的电路进行密封封装。一般说，封装有两个含义，第一、设计或选择外壳；第二、把组装好的厚膜混合电路装到外壳内，然后进行密封封接。 361 厚膜混合电路的互连技术在组装技术中，基片与外引线的连接，基片与封装底座的粘结、半导体芯片与基片焊区的互连等，都需要互连技术。互连质量对电路的可靠性影响很大。因互连引起的电路失效占总失效的6

2、8%左右。 互连方法种类很多，可将它们分为以下几类：合金、固相、共熔键合和导电胶粘合。一、合金键合技术 合金键合是用焊料焊接金属的一种方法，它称钎焊法，就是使焊接金属之间的焊料熔化，成为流动的薄层，并与被焊金属形成合金层，将金属连接起来。焊料的熔点低于被焊金属的熔点，焊料一经熔化，便浸润被焊部分的表面，充填表面上的毛细孔间隙，冷却后形成焊缝。4 焊接时所用焊料的熔点在450C以上的称为硬焊450C以下的称为软焊，软焊也称软钎焊5表6.1.1 常用焊料的组成序号焊料成分（wt%）熔点（结晶化范围C）焊接温度（C）SnPbCdBiInAgAuSb15961余量-0.1-0.818320019025

3、759余量-3-0.119024028035759余量-30.11902402804503218501.0-1301706473617量-0.1-1.50.218323525085.50.5921.0-2.50.3-2953053203509300.1631.550.5-20.3-2252352502601033.433.3-33.3-1301706 从上表可见，前3种为主要的三种焊料，其主要组成均是Sn、Pb为主。Sn熔点 232CPb熔点 327C Sn:Pb= 62:38 (wt%) 熔点183C Pb的作用 降低熔点（183C ） 增

4、加机械强度 Sn 抗拉强度 22 Sn-Pb 45kg/mm2 (含Pb 25%时达最高值)降低表面张力，增加润湿能力（增加焊料的流动性）71过热20C 2过热 60C 3过热 150C（过热系指超过熔点）3002001000流动性(mm2)20 40 60 80 100Sn含量321图6.1.1 Sn-Pb的流动性与Sn含量和过热温度的关系（A）8由（B）图知Sn-Pb合金过热温度2060C下流动性最好。20 40 60 80 100 120 140 （B）5004003002001000流动性(mm2)Sn-PbSn图6.1.1 Sn-Pb的流动性与Sn含量和过热温度的关系（B）9 Sn-

5、Pb焊料中加入Ag（理想为6wt%）可以大大提高其抗张强度，改善流动性（加入6wt%Ag,抗张强度可达8kg/mm2 以上）。但因成本原因，一般加入2.0wt%。另外Ag的加入将增高熔点（加入1.5wt%Ag，熔点为309C）。此外在焊料中加入其他成分的作用这里不一一介绍了。 钎焊具有操作比较简单、设备价格低廉、焊接可靠性较高和修复容易等优点。但应根据被焊材料选用适当焊料。 在厚膜电路中常用的合金键合方式有以下几种：101电烙铁焊优点：电烙铁是常用的简单焊接工具，但使用时应注意选择合适的功率，以免产生“冷焊”或损坏元器件。缺点；电烙铁焊接速度慢、焊点大、容易损伤元器件，因此，除了适用于修复情况

6、外，采用得不太普遍。2电阻焊 它是依靠电流通过被焊接金属时产生的热量进行焊接的。在集成电路中采用双电极的焊头，因而也称平行缝焊。 待焊零件的表面应先涂覆一层焊料，当焊头与被焊零件接触时通电，并向零件加压力，从而使焊区加热，焊料熔化，达到焊接之目的。由于利用瞬间脉冲电流对被焊零件直接通电加热，因而发热效率高，对周围元件的热影响小，且能获得可靠、良好的连接，还可对几十m直径的超细线进行焊接。113再流焊（再次流动） 这是厚膜电路中较普遍采用的焊接方法。用这种方法时，在焊接前将被焊部分预先浸上焊料或放上焊料薄片，或者用注射、自动转印和丝网印刷等方法，在待焊区涂覆上焊接浆料，然后将元器件固定其上，用加

7、热的方法使焊料再度熔化流动，冷却后再凝固以实现焊接。 使浆料再流的方法主要有基板整体加热和局部加热两种。可以用热板、热气、热枪、加热炉或射频感应加热器等加热，还可采用以下再流焊技术。121）红外加热 它是利用热辐射的加热方法，红外加热可用加热炉或红外线聚光灯加热。2）汽相再流焊 也称蒸汽冷凝焊，它是利用饱和蒸汽转变成同温度（沸点）下的液体时释放出的潜热，使焊料熔化再流，从而将所有焊点一次焊成。 其焊接方法大致如下：用电热器将容器底部的特殊液体加热蒸发，使其充满容器底与上部冷凝管之间，基板置于此蒸汽中，饱和蒸汽便在其表面凝结，利用凝结时放出的潜热而焊接。对于这种特殊液体即蒸汽介质的要求是有比焊料

8、熔点高的沸点，良好的热稳定性，不自燃，无毒性等。如全氟戌胺，称为FC70；其沸点为215C，广泛用于Sn-Pb合金焊料的再流焊。汽相再流焊是一种微焊技术，它具有以下特点：加热快而均匀，且与焊接零件的形状无关；不需要控温仪表即可精确控制焊接温度；热传导效率高；能同时焊接多个零件等。133）激光焊接 它是将激光束照射在被焊零件上进行焊接的，特别适用于高密度组装，是一种微焊接技术，以前使用CO2激光器，波长为m，现又用钇铝石榴石激光器，波长为m。 激光焊接的特点是：能进行微小焊接，最小面积可达2；焊接速度高，因激光输出稳定而使焊接条件恒定，重现性好；成品率和可靠性高等，但设备投资较高。4波峰焊接是在

9、浸焊基础上发展起来的一种焊接方法。它类似于把带引线元件焊到印刷电路板上的波峰焊，其生产效率高，成本低；容易检查和再焊；且焊点有良好的机械强度和电连接，一致性好；基板的局部热冲击小。14二、固相键合技术 固相键合是指被键合的金属未达到宏观的熔融状态，而是在外界能量作用下，通过金属的塑性变形和界面的切向移动，使界面层分散开来，并使金属之间形成具有一定强度的渗透区域而键合在一起。软而具有良好的延展性的金属比硬而脆的金属容易实现固相键合。贵金属由于化学性能稳定，其表面几乎没有氧化物，因而键合性能尤佳。 目前采用最广泛的固相键合技术是热压键合法和超声键合法。151热压键合法 这种方法是把整个元件和基板加

10、热，在键合部位适当加压，使被键合材料之一或两者发生塑性流动，而达到无液相形成的键合。 这是焊接晶体管和集成电路时用得最多的一种固相键合法，它解决了将金属引线直接焊到半导体表面和金属基板上的重要问题。16 采用热压键合时，被连材料之一（通常是引线）应具有较大的塑性。键合温度不得高于被连材料低共熔点的温度。热压键合可以获得可靠的机械和电连接。热压键合时需控制三个参数：压力、温度和持续时间。热压键合一般有下述三种方法：球焊法、楔焊法和缝焊法。1）球焊法图17 球焊法的焊头是用石英或碳化钨（WC）等制成的细管，称为毛细管。焊接时，从细管的尖端小孔引出直径为2030m的金丝，用氢焰加热丝端使之成为球状，

11、然后用毛细管的尖端把球压焊在置于工作台上预热过的硅片或基板焊区上，如图所示。压焊时金球犹如钉头那样键合在焊区上，所以球焊也称钉头焊。第一焊点完成后，再形成第二个焊点，当毛细管提起后，用氢焰将金丝切断，并在端部再次形成小球，以供下次焊接之用。球焊法在三种热压键合法中是键合力强、易于操作和可靠性高的一种方法。182）楔焊法 楔焊法又称楔形焊，是一种较老的热压键合技术，其焊头制成楔形。焊接时，由专门的送料装置（毛细管）从侧面往加热的楔形焊头下送丝，焊头下降并以预定压力将丝热压在预热过的基板焊区上。以同样方法焊完第二个点后，送料装置便将丝夹紧并在焊点后拉断，不留线尾。这种方法不仅可用金丝，也可用铝丝。

12、3）缝焊法 这是球焊和楔焊的组合方法，也称针脚焊。它与球焊法的原理相似，不同处在于丝的端部不形成小球，而是将丝弯曲并与焊头大致成90的钩状，然后压焊。19 以上几种键合法的优点是能够将柔软的引线不用焊料、焊接剂直接焊接到芯片或基板的金属化区上，从而防止零件的污染。 但被焊芯片或基板要加热到300C以上，被焊材料的组合种类和零件的几何尺寸受到限制；焊接需逐点进行，很费时间。2超声键合法 在被焊金属的焊接部位适当加压，同时施加超声机械振动，使两种金属的界面互相磨擦、生热（利用超声振动提供能量），从而达到焊接目的。超声焊时必须使用熔点低、易于互相扩散和发生塑生变形的金属，主要用铝，也可用金等。超声键

13、合系统原理如下图(6.1.2)所示。20图21 超声键合法的优点在于不必从外部加热零件，可以在常温下操作，因而不但操作简便，而且可以用来连接不宜加热的材料，对被焊零件和其他元件的热影响小。 缺点是可焊接的金属有限；焊点的强度不太高；一致性也较差。 为了提高微型元器件超声键合的质量，发展了一种新的兼有热压和超声键合优点的热脉冲超声键合法。22三、共熔键合技术 共熔键合即熔焊，是两种被焊金属的界面加热到熔点，然后再凝固起来，从而完成连接的一种键合方法。 熔焊时，快速凝固会产生微裂纹，而焊接中的强应力将成为其隐患。因此，共熔键合在微电子学中适用范围要比热压键合小得多。 熔焊有以下三种方法：对焊、电子

14、束焊和激光焊。1对焊 这种方法又称电阻熔焊，是用强电流短时间通过被焊金属的接触面，并同时加压，利用电流在接触面电阻上产生的焦耳热而使金属局部熔化，然后连接在一起的。对焊法主要用来焊接外壳，引线和印刷电路板的导体。232电子束熔焊 这是在真空中用高压加速的高密度电子束轰击被焊接的金属，使其局部熔化而进行焊接的一种方法。通过精密聚焦，加热点的有效面积可小到10-7cm2，电子束的能量密度可达5108W/cm2，仅次于激光，此法可用于微区焊接。 但焊接需在真空中进行，设备复杂，操作不太方便。243. 激光熔焊25 激光熔焊利用高密度的相干单色光束作为加热源进行熔焊。当激光束照射到金属表面时，能把被焊

15、金属瞬时地加热到熔点以上。 激光焊主要用于装配，它可以焊接多种难熔而活泼的金属或合金，也能焊接绝缘材料，所以焊接材料的范围较广；焊接时不需要真空或保护性气氛；焊接速度快。26表6.1.2 各种键合方法比较键合方法要否焊剂焊接时的压力焊接时所需的热量焊接面的清洁度焊接金属的范围合金键合要不要一般在200C左右必须清洗有限制热压键合不要要加高压力300400C必须非常清洁非常有限超声键合不要要加中、低压力不需供热一般清洁度范围相当有限即使有一些氧化膜也可以对焊不要要加高压力有高温必须很清洁范围非常有限激光焊不要不要有极高温度一般清洁度无限制在微区短时间内有极高的能量电子束焊不要不要有高温一般清洁度

16、无限制在微区短时间内有极高的能量27四、导电胶粘接 导电胶粘接是用含有导电材料的树脂涂覆到基板的连接区后，再将芯片等元器件紧贴在导电胶的表面，在室温或较低温度下加热使树脂固化而实现连接。 在导电胶能够承受的环境条件下，可以用来代替合金键合。导电胶通常是用导电性良好的金属粉、树脂和少量添加剂制成。 其中用环氧树脂配制的导电胶其胶粘性好，对陶瓷、硅片和金属等的粘结强度大，适于粘接发热量不太大的中小功率器件，无引线倒装器件和芯片状电容器等；而硅酮树脂导电胶的耐热性好，可粘接发热量较大的器件。28 一般的导电胶其体积电阻率约在10-510-1cm范围。 采用导电胶粘接的优点是：在室温或较低的温度（10

17、0250C ）下完成连接，工艺简单、更换方便，成本较低，而且具有良好的连接强度。 但其使用还受到一定的限制，使粘结后的组装和封装只能在较低的温度下短时间进行，只能用超声键合而不能用热压键合；粘接后的功率器件其热阻要比共熔焊的大些等等。2962 外贴元器件与芯片的组装 厚膜电路的组装技术是以有源器件的组装为中心，一方面从过去的导线连接方式向无导线连接方式的组装技术发展；另一方面从分立元件各自组装的方式向各种元器件同时组装、自动化高密度和整体组装方式发展。一、引线与膜层互连 在厚膜电路中，用引线把分立元器件与膜层可靠地连接起来，是一个较重要的工艺问题。由于引线的直径与膜层厚度相差较大，以及互连材料

18、性质上的差异等原因，使这种连接产生一定困难，因而是厚膜电路中主要失效方式之一。30在厚膜电路，对焊点和互连方法有如下要求：焊点强度不应低于膜层和基板的附着强度；焊点的电阻必须很小； 焊点不宜过大； 焊接工艺的重现性好等。 对于较粗的引线（直径150750m）与基板上膜层间的互连，采用合金键合法较为适宜；细线与膜层的连接采用固相键合法，其中超声和热超声键合法特别适用。31二、芯片组装技术在高密度组装中，半导体芯片的装入是最重要的工序之一。因此，将小型、多功能的芯片迅速、正确和高效地组装到高集成度的厚膜混合电路中是生产中的关键问题之一。组装半导体器件的方法很多，采用何种方法须视器件的结构和种类而定

19、。选择时主要考虑如下因素：键合的可靠性； 进行测试、检验的容易程度；利于散热；更换方便； 键合方法的经济性以及所占面积的利用率等。321芯片、引线键合法 这是传统方法，广泛应用于一般的半导体器件封装中，它包括芯片键合与引线键合两道工序。1）芯片键合 其目的是将芯片固定在基板的规定位置上，以供下一工序连接引线之用。其键合方法有共熔合金法、焊接法、树脂和玻璃粘结法。（1）共熔合金法 这是一种将芯片直接粘结在基板上的涂金区，并使之形成Au-Si低共熔点晶体的方法。这种方法获得的连接，在导电性、导热性和键合强度等方面都具有优良的性能。33（2）焊接法 在芯片的背面先形成金、镍等可焊接的膜层，再用Pb-

20、Sn焊料焊接到基板上，该方法焊接温度低，容易操作，成本低。（3）树脂粘接法（4）玻璃连接法 此法用于陶瓷包封的扁平封装和双列式封装器件中，它是将低熔点玻璃预先涂在陶瓷基板上，加热到400500C，再将芯片埋入其中。342）引线键合 这是将粘结在基板上芯片，用金属细丝使其焊点与电路互相连接起来的键合方法；在组装中，这道工序要求的精度最高，对可靠性的影响很大。引线键合的方法有热压键合，超声键合和热超声键合法。 芯片、引线键合法是一种成熟的芯片组装技术，当同一基片上安装的芯片不太多时，它是一种有效的组装手段，而且组装密度也非常高。35 2. 梁式引线键合图 梁式引线结构的芯片是在芯片与外部电路相连的

21、电极部位，用溅射和电镀技术形成多层金属结构的桥梁状引线，从芯片四周伸展出去，再通过它与外部电路相连。 优点：梁式引线键合法不需要细丝，可短时间连接，键合时间与引线数无关，引线可见，容易对准位置；键合时压力不直接加在芯片上，因而对器件的影响小。 缺点：但梁式引线的制作工序复杂、成本高、在基板上所占的面积较大；引线和芯片间容易产生机械变形等。363. 倒装键合 这种键合就是在芯片的电极位置，用金属导体材料或焊料制作相应数量的凸点，将这种具有凸点的芯片面朝下，使凸点与基板上的焊点对准，然后用热压，超声键合法或再流焊等方法使焊料熔化而连接起来。图 优点：倒装键合法能将芯片上所有的凸点与电路焊点一次键合

22、，效率大大提高； 缺点：但倒装芯片不易测试，连接点也难以进行目测检验。374载带键合 它是用图所示的带状树脂膜作为芯片的载体来进行键合。 载带键合法的优点是载带有传动齿孔，可以制得很长，能反复卷绕，适于自动化操作；可以进行动态参数测试和筛选等一系列优点，缺点是芯片种类较多，需要多种载带；成本较高等。但在复杂芯片电路的大规模自动化生产中，载带键合是一种很有希望的组装技术。图385芯片载体组装 这是把半导体芯片载入称为芯片载体的超小型封装中，再直接组装到基板上。它适于在同一基板上高密度组装许多半导体器件，如LSI、VLSI等。 芯片载体法的优点是组装密度高，体积小、空间利用率高等。其缺点是使用的半

23、导体芯片品种较多时，需配多种的芯片载体等。 目前芯片载体正向着更高密度、小型化，适合于VLSI芯片的需要而不断地发展。396整体组装法 上述的各种组装都是把半导体芯片装在基片上，再进行电路图形与芯片电极、凸点等连接。而整体组装（即直接组装）是采用更整体化的形式、更具有功能性的直接组装方法。它是在制作导体图案的同时，将半导体芯片的电极连接起来，也可把其他各种元器件组装和连接到电路中。 半导体热塑料介质法（称STD法）就是这种方法之一。 40图41 还有一种方法称FOF法（Film on Frame），是在m厚的聚酰亚胺的一面涂一层氯化乙丙烯作粘接材料。 随着电路功能的高度复杂化和组装密度的进一步

24、提高，各种新的微焊、组装技术还会不断地得到开发和应用。63 厚膜电路的封装4243厚膜电路在完成组装工序后，通常还需给予某种保护封装，以免受各种机械损伤和外界环境的影响，并提供良好的散热条件，保证电路可靠地工作，电路可以采用金属、陶瓷、玻璃和树脂等封装。 厚膜电路的一个优点就是它能在封装保护较差的条件下正常地工作。这一点使厚膜电路具有强大的生命力和竞争力。一、厚膜电路的封装技术 厚膜电路的封装有全密封和半密封两种。全密封采用金属、陶瓷或玻璃作封装材料；半密封是用有机材料封装，也称树脂封装。 44表6.3.1 厚膜电路的主要封装技术类型 项目密封方法密封材料全密封电阻熔焊(对焊)镍、金属软焊法金

25、-锡、金-硅焊料金-锗焊料低熔点玻璃法硼硅酸铅玻璃硼硅酸锌玻璃半密封树脂粘结法双酚系环氧树脂局部封装法热固性（液态、固态）环氧树脂、硅酮树脂凝胶状硅酮树脂灌注法热固性（液态、固态）环氧树脂、硅酮树脂浸渍法热固性（液态、固态）环氧树脂、硅酮树脂模压法热固性（液态、固态）环氧树脂、硅酮树脂主要封装技术见下表：451全密封技术 全密封封装适合于高可靠性应用。通常，全密封的漏气率应不大于10-8cm3/s 。 为了保证密封的高质量，首先必须可靠地气密密封全部外引线，待电路板装入外壳后，再要求对壳底和壳盖进行优质焊接。 在全密封中，典型的密封组合主要有金属之间、金属和陶瓷之间、金属和玻璃之间及陶瓷之间的

26、密封。1）金属金属封接 如金属外壳，目前最常用的方法是电阻熔焊法，此外还可用锡焊、冷压焊和电子束、激光熔焊等。462）金属陶瓷间封接 要求陶瓷上密封部分进行金属化，可采用Mo-Mn导体浆料在陶瓷表面涂敷金属化层，然后选择适当的焊料，使金属与陶瓷的金属化部位相封接。3）金属玻璃的封接 主要应用在以金属为主体的封装结构中。作为封接材料的金属与玻璃，其热膨胀系数必须匹配。4）陶瓷陶瓷封接 陶瓷间的密封主要采用低熔点玻璃封接或用锡焊法焊接已金属化的陶瓷。472半密封技术 半密封封装是以树脂材料为主的封装结构，其防潮性差，气密性不及金属、陶瓷和玻璃材料，但由于其封装所用设备简单，材料价廉，加工方便，易于实现自动化生产等，因而已广泛应用