微电子封装复习题

电子封装是指将具有一定功能的集成电路芯片，放置在一个与之相适应的外壳容器中，为芯片提供一个稳定可靠的工作环境；同时，封装也是芯片各个输出、输入端的向外过渡的连接手段，以及起将器件工作所产生的热量向外扩散的作用，从而形成一个完整的整体，并通过一系列的性能测试、筛选和各种环境、气候、机械的试验，来确保器件的质量，使之具有稳定、正常的功能。

从整个封装结构讲，电子封装包括一级封装、二级封装和三级封装。

芯片在引线框架上固定并与引线框架上的管脚或引脚的连接为一级封装；管脚或引脚与印刷电路板或卡的连接为二级封装；印刷电路板或卡组装在系统的母板上并保证封装各组件相对位置的固定、密封、以及与外部环境的隔离等为三级封装。

前工程：从整块硅圆片入手，经过多次重复的制膜、氧化、扩散，包括照相制版和光刻等工序，制成三极管、集成电路等半导体组件卫电极等，开发材料的电子功能，以实现所要求的元器件特性。

后工程：从由硅圆片切分好的一个一个的芯片入手，进行装片、固定、键合连接、塑料灌封、引出接线端子、按印检查等工序，完成作为器件、部件的封装体，以确保元器件的可靠性并便于与外电路连接。

•环保和健康的要求•国内外立法的要求•全球无铅化的强制要求1、无铅钎料的熔点较高。

比Sn37Pb提高34~44 oC。

高的钎焊温度使固/液界面反应加剧。

2 、无铅钎料中Sn含量较高。

（SnAg中96.5% Sn ，SnPb中63%Sn），因为Pb不参与固/液和固/固界面反应，高Sn含量使固/液、固/固界面反应均加速。

3 小尺寸钎料在大电流密度的作用下会导致电迁移的问题。

(1) 无毒化，无铅钎料中不含有毒、有害及易挥发性的元素(2) 低熔点，无铅钎料的熔点应尽量接近传统的Sn-Pb 共晶钎料的熔点(183℃)，熔化温度间隔愈小愈好。

(3) 润湿性，无铅钎料的润湿铺展性能应达到Sn-Pb 共晶钎料的润湿性，从而易于形成良好的接头。

(4) 力学性能，无铅钎料应具有良好的力学性能，焊点在微电子连接中一个主要作用是机械连接。

(5) 物理性能，作为微电子器件连接用的无铅钎料，应具有良好的导电性、导热性、延伸率，以免电子组件上的焊点部位因过热而造成损伤，从而提高微电子器件的可靠性。

(6) 成本，从Sn-Pb 钎料向无铅钎料转化，必须把成本的增加控制在最低限度。

因此应尽量减少稀有金属和贵重金属的含量，以降低成本。

电子元器件封装集成度的迅速提高，芯片尺寸的不断减小以及功率密度的持续增加，使得电子封装过程中的散热、冷却问题越来越不容忽视。

而且，芯片功率密度的分布不均会产生所谓的局部热点，采用传统的散热技术已不能满足现有先进电子封装的热设计、管理与控制需求，它不仅限制了芯片功率的增加，还会因过度冷却而带来不必要的能源浪 。

电子封装热管理是指对电子设备的耗热元件以及整机或系统采用合理的冷-~IJl 散热技术和结构设计优化，对其温度进行控制，从而保证电子设备或系统正常、可靠地工作。

热阻由于热导方程与欧姆定律形式上的相似性，可以用类似于电阻的表达式来定义热阻式中，∆T 是温差，q 为芯片产生的热量。

该式适用于各种热传递形式的计算。

1、具有极高耐热性 2、具有极高吸湿性 3、具有低热膨胀性 4、 具有低介电常数特性电解铜箔是覆铜板(CCL)及印制电路板(PCB)制造的重要的材料。

电解铜箔生产工序简单，主要工序有三道：溶液生箔、表面处理和产品分切。

qT R th ∆=性能指标：电解铜箔的抗剥离强度，电解铜箔的抗氧化性能，抗腐蚀性等WB/TAB/FCB三种基本方式BGA的全称是Ball Grid Array，是集成电路采用有机载板的一种封装法。

它具有：①封装面积减少②功能加大，引脚数目增多③PCB板溶焊时能自我居中，易上锡④可靠性高⑤电性能好，整体成本低等特点。

BGA可分为CBGA(陶瓷BGA)、PBGA(塑料BGA)、TBGA(载带BGA)和Micro BGA(微型BGA)。

其中PBGA是最常见的BGA 封装类型，也是目前应用最广泛的BGA器件，主要应用于通信类以及消费类电子产品，具有良好的热综合性能及电性能、较高的互联密度、较低的焊接工面性要求等优点。

影响装配质量的重要因素有：2．1 装配前预处理。

BGA 多为国外进口器件，如果采用铝箔密封干燥包装，包装袋里除了干燥剂之外还有湿度指示卡，指示卡上的色环标记会清晰地表示不同潮湿敏感等级的器件是否需要烘烤。

2．2 贴片精度的保证。

贴片的主要目的是使BGA 上的每个焊球与PCB 上的每个对应的焊盘对正[3]，BGA 的贴片无法用肉眼直观地看出其位置是否准确，针对贴片机自动贴片以及返修工作站贴片，只能凭借一定的工艺经验来确定贴片的正确性。

2．3 再流焊温度曲线的设定。

再流焊是形成焊点，实现器件和印制板机械电气互联的最终工序，也是整个装配过程最难控制的环节，获得合适的温度曲线对于BGA 的良好焊接非常重要。

信息系统核心的芯片集成,是将系统关键部件集成在一块芯片上;从广义角度讲, SoC 是一个微小型系统。

一个SoC 芯片内嵌有基本软件模块或可载入的用户软件等。

系统级芯片形成或产生过程包含以下三个方面:1) 基于单片集成系统的软硬件协同设计和验证;2) 再利用逻辑面积技术使用和产能占有比例有效提高即开发和研究IP 核生成及复用技术,特别是大容量的存储模块嵌入的重复应用等;3) 超深亚微米(VDSM) 、纳米集成电路的设计理论和技术。

SoC 设计的关键技术主要包括总线架构技术、IP 核可复用技术等,此外还要做嵌入式软件移植、开发研究,SOC 是集成电路发展的必然趋势，1. 技术发展的必然2. IC 产业未来的发展。

系統級封裝. 與在電路板上採用多個晶片的系統設計相比，使用SIP 實現的方案更小、更輕、更薄，另一個好處是這樣可以減少或消除客戶對高速電路設計的需求。

另一項與此相關的優勢是SIP 產生的EMI 噪音更小。

SIP 節省了電路板空間，因此也附帶降低了電路板成本。

甚至與SoC 相比，SIP 的開發周期更短而開發成本更低.隨著元件、製程和製造方法的發展和改進，SIP 技術有望為眾多電子產品提供更大的容量以及更加多樣化的系統解決方案。

隨著不斷提供能更好滿足客戶需求的產 品，SIP 產品將在PC 周邊、光碟、硬碟、娛樂系統和工業設備以及導航系統等？ ？許多領域得到廣泛應用。

为确保封装的可靠性，在产品出厂之前要经过大量的试验来验证。

理想的做法是在与实际应用完全相同的环境下进行实验。

但通常电子产品的设计寿命都很长，这样不切实际。

即使时间不是问题，在实验室里模拟实际环境也是不可能的。

•加速实验为在适当的环境下、合理的时间内进行可靠性试验，这就需要进行加速实验。

热、力、电与环境湿度等因素构成了加速实验的基本要素。

•加速因子加速因子（AF）定义为正常使用环境寿命与加速实验寿命之比。

加速因子是非常重要的一个参数。

目前，这是一个非常热门的研究领域。

•β和λ为威布尔分布参数。

参数β 称为形状因子，它决定了平均失效时间附近的失效频率；λ称为寿命参数，在t=λ时，63. 2%的器件失效。

•有了威布尔分布，只需要少量的实验数据就可以得到关于器件可靠性的解析模型，从而可以估计在任何时间内的失效概率。

•更重要的是，一旦知道威布尔分布中的参数值，就可以通过数据来比较器件的性能。

比如，一组器件的λ值比另一组大，这说明λ值大的一组器件的平均寿命要长。

•化学失效：如腐蚀和超强应力腐蚀；•物理失效：如扩散和分层；如电迁移。

•热形变失效：如疲劳和蠕变。

沉淀析出（弥散）强化相蠕变抗力的大小次序：Sn-37Pb<Sn-0.7Cu<Sn-3.5Ag<Sn3.8Ag-0.7Cu蠕变温度相同，表观应力指数n a随着合金中第二相体积分数的增加而增大电迁移现象的物理本质是在电流流经焊点的过程中，大量的自由电子与焊点中的离子或原子发生非弹性碰撞，在碰撞过程中，电子会将一部分动量传递给原子。

在大量电子的连续作用下．焊点中的原子发生宏观迁移，原子迁移的方向通常与电子流动的方向一致。

当大量原子在电子流的作用下由阴极涌向阳极并且在阳极积累时，会导致阳极原子产生晶格压应力，而随着空位浓度的不断增大．阴极原子产生晶格拉应力。

阳极在不断增大的压应力作用下，会产生凸起(hillocks)、挤出、晶须(whiskers)，甚至出现塑性变形等现象。

阴极由于原不断减少，原子之间的间距增大，在晶格拉应力的持续作用下就会诱发空洞(viods)，形成裂纹。

而整个品格为了保持系统原有的平衡状态会随之产生反向背应(back stress)，但反向背应力通常要小于电迁移作用力。

（孙敏写的，应该是下面几个式子）=（）（）1无铅钎料的熔点较高。

比Sn37Pb提高34~44 o C。

高的钎焊温度使固/液界面反应加剧。

2 无铅钎料中Sn含量较高。

（SnAg中96.5% Sn ，SnPb中63%Sn），因为Pb不参与固/液和固/固界面反应，高Sn含量使固/液、固/固界面反应均加速。

3 小尺寸钎料在大电流密度的作用下会导致电迁移的问题。

尺寸效应使接头承受更大的应力和电流密度；尺寸效应使界面IMC所占焊点的体积百分数增加；尺寸效应影响到界面反应，以及可靠性。

在50微米范围内,材料的模量,CTE,强度和塑性差异较大；基体金属的溶解导致焊点的成分、组织和性能变化；较高的钎焊工艺温度，使界面反应加速，热应力更严重。

在400-600um直径SAC/Cu焊点中，Ag3Sn化合物形态基本呈树枝网状，而在300um以下直径SAC/Cu焊点，Ag3Sn相则基本呈颗粒分布，可见随着焊点体积的减小，Ag3Sn化合物有逐渐细化的趋势。

第二相质点呈树枝网状分布将使材料的脆性增强，而弥散分布的颗粒状第第二相质点不仅具有第二相强化作用，而且能使材料保持良好的塑性，材料的力学性能较好。

因此，Ag3Sn化合物形态在不同体积焊点中的差异必将引起不同体积焊点力学行为的显著变化。

别外，界面处的Cu6Sn5化合物层也有细微差别，小体积焊点的Cu6Sn5比大体积焊点更加细密，这将大大增加金属间化合物层与钎料基体的接触面积，也会提高焊点的剪切强度。

因此，小体积焊点的剪切强度要高于大体积焊点。

在焊点内部发现的六棱柱状的C化合物，也将对焊点裂纹扩展产生一定的阻碍作用。

（无解）焊接是通过加热或加压，或两者并用，也可能用填充材料，使工件达到结合的方法。

通常有熔焊、压焊和钎焊三种。

钎焊是用比母材熔点低的钎料和焊件一同加热，使钎料熔化(焊件不熔化)后润湿并填满母材连接的间隙，钎料与母材相互扩散形成牢固连接的方法。

较之熔焊，钎焊时母材不熔，仅钎料熔化；较之压焊，钎焊时不对焊件施加压力。