材料连接技术12

1 电子封装的概念
为了实现某一功能，电子元器件之间的必须可靠 连接；同时还要防止水份、尘埃及有害气体对电 子产品零部件及半导体器件的侵入；形成必要的 绝缘和防止电磁干扰；以及减缓震动、便于运输 等。这些必要的处理方法均属于电子封装的范畴。
电子产品种类、数量众多，大致的制造过程基本一样， 通常需要多级电子封装。
2） 元器件及PCB板的无铅化
无铅焊接工艺流程中，元器件及PCB板镀层的无铅 化技术相对要复杂，涉及领域较广，推迟无铅化的 进程。
无铅焊料与Sn-Pb的PCB镀层共存，而带来剥离型焊 接缺陷，需要从钎焊设备上克服这种现象；另外对 PCB板制作工艺的要求也相对提高，PCB板及元器 件的材质要求耐热性更好。
➢ 贴装器件
» 引线间距大幅度减小，组装尺寸是插装的1/3 » 信号通路缩短，顺畅。
（二） 电子封装材料
1 电子封装材料的基本要求
✓ 物理性能：密度、导热、导电、热膨胀、
电磁屏蔽等；
✓ 力学性能：强度、韧性、减震； ✓ 化学性能：稳定性、耐腐蚀、抗潮； ✓ 其他：成型、连接、成本等。
封装材料已由石蜡、玻璃、阳瓷、金属，发展到 采用具有优异性能的一些高分子材料，如不饱和 聚酯树脂、环氧树脂、有机硅橡胶、聚二烯烃橡 胶等材料。
➢ 按封装材料
金属封装、塑料封装、陶瓷封装、玻壳封装、玻璃 实体封装、金属基复合材料封装等．这些封装各具 特点，并受到了广泛的关注。
➢ 按结构形式
边缘封装、面封装、插装封装、贴装封装等。
➢ 插装器件
» 引线尺寸和引线间距大，器件尺寸大； » 组装密度低； » 引线数目受到限制； » 信号电路不顺畅。
而Kovar合金具有很低的热膨胀系数，与芯片材料 GaAs的相近，加工性能也较好，如利用机械加工，制 作方便， 但散热性稍差。
3 塑料封装
塑料封装具有价格低廉、质量较轻、绝缘性能好和抗冲 击性强等优点。 塑封装所使用的材料主要是热固型塑料，包括酚醛类、 聚酯类、环氧类和有机硅类，其中以环氧树脂应用最为 广泛。
中国的改革开放始于2O世纪的80年代初，而这段时间 恰好是全球个人电脑和个人电子产品发展的初期。中 国的崛起加速了全球消费类电子产品的普及。
中国已成为全球最大的电子产品制造基地，各种电子 产品已成为普通百姓的日用必需品。其结果是电子制 造已经超过任何其它的行业，成为当今第一大产业。
电子制造业集原理探索和技术创新于一体，是当今世 界最先进科技成果的综合性交叉式的边缘学科。
难以克服的弊病；
✓ 对微波器件的输出窗来说，可以避免由于内导体金属
针封口处形成焊料角而带来器件电性能的恶化。
一、无铅钎焊
元件引线与电路板的钎焊连接
1 无铅钎焊技术的起因
SnPb钎料用于金属间连接可追溯到2000年以前。
采用SnPb共晶钎料钎焊具有众多优点：低熔点、结晶 温度区间窄、对于Cu及其合金的润湿性良好、易于操 作、钎缝塑性好以及对于所有的电子装置和电路的相互 连接和封装，钎焊技术已经成为一种不可替代的技术。
(SiC)等结构陶瓷，钎焊温度1400℃以上。
陶瓷与被连接金属的热膨胀系数相差悬殊，导致 钎焊后使接头内产生较高的残余应力，而且局部 地方还存在应力集中现象，极易造成陶瓷开裂。
为降低残余应力，必须采用一些特殊的钎焊小应力; ✓ 避免应力集中; ✓ 尽量选用屈服点低,塑性好的钎料; ✓ 合理控制钎焊温度和时间; ✓ 采用中间弹性过渡层。
为适应手机、笔记本电脑等便携式电 子产品小、轻、薄、低成本等需求， 在BGA的基础上又发展了芯片级封装 (CSP)。
多芯片组件(MCM )和系统封装(SiP )也在蓬勃 发展，这可能孕育着电子封装的下一场革命性 变革。
3 封装的分类
➢ 按封装效果
气密封装和实体封装．气密封装是指封装腔体内在 管芯周围有一定气氛的空间并与外界相隔离；实体 封装则指管芯周围与封装腔体形成整个实体．
目前国内外约90％ 的电子器件都已采用塑料封装， 其中包括晶体管、集成电路、大规模集成电路和 超大规模集成电路。
2 金属封装
金属封装材料具有较高的机械强度、散热性能优良等 优点，并且对电磁有一定屏蔽功能，在功率器件中得 到广泛应用。 传统的金属封装材料主要有：Cu，Al，Kovar合金， W，M0合金等。
当前电子产品制造业实施无铅化需面临以下问题： 1)焊料的无铅化；
2)元器件及PCB板的无铅化；
3)焊接设备的无铅化。
2 无铅钎焊技术的工艺特点
1） 焊料的无铅化
已报道的无铅焊料成分有近百种，但真正被行业认可 并被普遍采用是Sn-Ag-Cu三元合金，也有采用多元 合金，添加In、Bi、Zn等成分。
» 熔点较高 ； » 延展性有所下降； » 对助焊剂的热稳定性要求更高； » 成本较高等。
以晶片级封装为例，电了封装的功能有：
(1)提供给晶片电流通路； (2)引入或引出晶片上的信号； (3)导出晶片工作时产生的热量； (4)支撑和保护晶片，防止恶劣环境对它的影响。
随着集成电路芯片上电路数目的增加，封装已经
从附属制造工艺变为主要工艺，封装成本占集成 电路总成本的1/2~2/3，其作用也从加固和支撑上 升为器件性能的关键部分。
３）焊接设备的无铅化
无铅焊接工艺进行要求无铅焊接设备必须解决无铅 焊料带来的焊接缺陷及焊料对设备的影响，预热／ 锡炉温度升高，喷口结构，氧化物，腐蚀性，焊后 急冷，助焊剂涂敷，氮气保护等。
电子封装常用的金属基复合材料主要是微观强化型 金属基复合材料。
➢ 按增强物类型可分为
连续纤维增强金属基复合材料、非连续增强金属基复合 材料、自生增强金属基复合材料、层板金属基复合材料。
➢ 按基体类型可分为
铝基、铜基、银基、铍基等，其中以A1／SiC复合材料 最为突出。
（三） 电子封装连接
通常将陶瓷与金属的连接称为封接。
➢ 第二阶段(2 0世纪8 0年代以后)，从通孔插装型封装向表
面贴装型封装的转变
表面贴装技术被称为电子封装领域 的一场革命，得到迅猛发展。与之 相适应，一些适应表面贴装技术的 封装形式，如塑料有引线片式载体 (PLCC )、塑料四边引线扁平封装 (PQFP )、塑料小外形封装(PSOP ) 以及无引线四边扁平封装(PQFN ) 等封装形式应运而生，迅速发展。 其中的PQFP，由于密度高、引线 节距小、成本低并适于表面安装， 成为这一时期的主导产品。
晶片级封装(零级封装)； 器件封装(一级封装)； 板卡组装(二级封装)； 整机的组装(三级封装)。
通常把零级和一级封装称为电子封装(技术)， 而把二级和三级封装称为电子组装(技术)。
电子封装指的是从电路设计完成开始，将裸芯片 (Chip)、陶瓷、金属、有机物等物质制造(封装)成 芯片、元件、板卡、电路板，最终组装成电子产品 的整个过程。
3 玻璃焊料封接
玻璃焊料封接法实际即是氧化物焊料法。
玻璃焊料适合于陶瓷与各种金属合金的封接，特别 是强度和气密性要求较高的场所，目前多用于高压 钠灯管(针)与A1203透明瓷管的封接。
玻璃焊料法也有其特点和独到之处：
✓ 简单、易行、便宜； ✓ 对高纯A1203瓷封接比活性化Mo—Mn法有利； ✓ 对小孔结构的封接，可以避免小孔涂膏厚度不均匀等
2 电子封装的历程
集成电路封装技术的发展历史可划分为3个阶段。
➢ 第一阶段(2 0世纪7 0年代之前)，以通孔插装型封装为主。
典型的封装形式包括最初的金属 圆形(TO型)封装，以及后来的陶 瓷双列直插封装(CDIP)、陶瓷一玻 璃双列直插封装(CPDIP)和塑料双 列直插封装(PDIP)等；其中的 PDIP，由于其性能优良、成本低 廉，同时又适于大批量生产而成 为这一阶段的主流产品。
✓ 低温活性钎料：主要成分为SnPb，另添加少量Zn、Sb
及微量Al、Si、Ti、Cu等，熔化温度170~300℃，钎焊 时不需要对陶瓷或金属表面作特殊处理,也不需要钎剂 或保护气体。
✓ 中温活性钎料：主要为含Ag，如AgCuTi系、AgTi系等,，
钎焊温度800~1000 ℃，通常真空钎焊。
✓ 高温活性钎料：非氧化物陶瓷如氮化硅(Si3N4)、碳化硅
陶瓷与金属的连接方法比较多，如钎焊、扩散焊、 熔焊及氧化物玻璃焊料连接法等。
1 胶接
使用粘合剂胶接具有固化速度快、使用温度范围宽、 操作简便等优点。 陶瓷与金属采用胶接连接，界面作用力为物理附着 或极性化学键，采用有机胶的接头强度可以超过 150MPa。
2 金属焊料钎焊
钎焊法是获得高强度陶瓷/金属接头的主要方法之一。 钎焊法又分为金属化工艺法和活性钎料法。
➢ 第三阶段(2 0世纪9 0年代以后)，从平面四边引线型向
平面球栅阵列型封装发展，引线技术从金属引线向微型 焊球方向发展。
集成电路发展进入超大规模集成电路 时代，特征尺寸达到0.18～0.25mm ， 要求集成电路封装向更高密度和更高 速度方向发展。在此背景下，焊球阵 列封装(BGA )获得迅猛发展，并成为主 流产品。
目前，已用于实际生产和开发应用的陶瓷基片材料主要 包括Al2O3，BeO和AlN等。
Al2O3 的导热性较差，BeO受环保、成本等因素制约， AlN基片具有综合性能，逐渐成为功率微电子封装的 优良基片。
5 金属基复合材料封装
金属基复合材料在发挥基体材料优良性能的基础 上还具有其它组元材料的特点，特别是它能充分 发挥各组成材料的协同作用，从而还使材料设计 有了很大的自由度，可以根据材料的要求合理的 选择组成材料的组元及其增强方式。
环氧塑封材料以其成本低廉、工艺简单和适于大规模 生产等优点在集成电路封装材料中独占鳌头，占全球 集成电路封装材料的97％ 。
随着集成电路与封装技术的发展，显示出其基础地位 和支撑地位。
塑料封装材料静电敏感，防静电包装。
气密性不好，大多对湿度敏感，在回流焊过程中，吸收 的水受热易膨胀，会导致塑封器件爆裂。