微电子封装技术的发展现状

２电子装联技术 表面组装技术采用软钎焊技术，把表面组装元器
焊接技术
第３８卷第１ １期２００９年１１月
件钎焊到印制板的焊盘上，使它与印制板之间建立可 靠的电器和机械连接．从而实现具有一定可靠性的电 路功能。这种焊接技术的主要特点是：用钎剂将要钎 焊的金属表面净化（去除氧化物），使之对钎料具有 良好的润湿性；供给熔融钎料润湿金属表面；在钎料 和钎焊金属间形成金属间化合物。在表面组装技术 中，根据熔融钎料的供给方式主要采用波峰焊和再流 焊这２种软钎焊技术。 ２．１ 波峰焊
现代电子产品高性能的普遍要求、计算机技术的 高速发展和ＬＳＩ，Ｖ１５Ｉ，ＵＬｓＩ的普及应用，对ＰＣＢ 的依赖性越来越大，要求越来越高。ＰＣＢ制作工艺 中的高密度、多层化、细线路等技术的应用越来越广
收稿日期：２００９＊０４
泛。微电子封装越来越受到人们的重视。目前，表面 贴装技术（ＳＭＴ）是微电子连接技术发展的主流，而 表面贴装器件、设备及生产工艺技术是ＳＭＴ的三大 要素。ＳＭＴ元器件及其装配技术也正快速进入各种 电子产品。并将替代现行的ＰＣＢ通孔基板插装方法． 成为新的ＰＣＢ制作支柱工艺而推广到整个电子行业。
与ＤＩＰ相比，ＱＦＰ的封装尺寸大大减小，且 ＱＦＰ具有操作方便、可靠性高、适合用ＳＭＴ表面安 装技术在ＰＣＢ上安装布线，封装外形尺寸小，寄生 参数减小．适合高频应用。Ｉｎｔｅｌ公司的ＣＰＵ，如 Ｉｎｔｅｌ８０３８６就采用的ＰＱＦＰ Ｅ ３１。
第３阶段，上世纪９０年代。随着集成技术的进 步、设备的改进和深亚微米技术的使用，ＬｓＩ，ＶＬＳＩ， ＵＬＳＩ相继出现，对集成电路封装要求更加严格，Ｉ／Ｏ 引脚数急剧增加，功耗也随之增大，因此，集成电路 封装从四边引线型向平面阵列型发展。出现了球栅阵 列封装（ＢＧＡ），并很快成为主流产品。９０年代后 期，新的封装形式不断涌现并获得应用，相继又开发 出了各种封装体积更小的芯片尺寸封装（ＣＳＰ）。与 此同时，多芯片组件（ＭＣＭ）发展迅速。ＭＣＭ是将 多个半导体集成电路元件以裸芯片的状态搭载在不同 类型的布线基板上。经过整体封装而构成的具有多芯 片的电子组件。封装技术的发展越来越趋向于小型 化、低功耗、高密度，典型的主流技术就是ＢＧＡ技 术和ＣＳＰ技术。
１微电子封装的发展历程 ＩＣ封装的引线和安装类型有很多种．按封装安
装到电路板上的方式可分为通孔插入式（ｒＩＨ）和表 面安装式（ＳＭ），或按引线在封装上的具体排列分为 成列、四边引出或面阵排列。微电子封装的发展历程 可分为３个阶段：
第１阶段，上世纪７０年代以插装型封装为主， ７０年代末期发展起来的双列直插封装技术（ＤＩＰ）可 应用于模塑料、模压陶瓷和层压陶瓷３种封装技术 中，可以用于Ｉ／Ｏ数从８～６４的器件，这类封装所使 用的印刷线路板ＰＷＢ成本很高。与ＤＩＰ相比，面阵 列封装（如针栅阵列ＰＧＡ）可以增加ＴＨ类封装的 引线数．同时显著减小ＰＷＢ的面积。ＰＧＡ系列可以 应用于层压的塑料和陶瓷两类技术，其引线可超过１ ０００。值得注意的是，ＤＩＰ和ＰＧＡ等ＴＨ封装由于引 线节距的限制无法实现高密度封装。
再流焊过程中ＰＣＢ过大的热变形，一方面可能 造成元器件偏移或虚钎等组装故障，另一方面，可能 使钎焊界面产生较大的工艺应力和微裂缝，严重影响 焊点的组装质量和长期可靠性。文献［９］对无铅 ＰＣＢ组件再流焊焊接工艺的热变形进行了仿真分析。 采用ＡＮＳＹＳ软件建立了ＦＲ一４ ＰＣＢ高密度组装组件 的三维有限元模型，设计了３种不同的ＰＣＢ边界条 件．分别进行了无铅再流焊热变形仿真分析，计算得
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为１．２ ｍ／ｍｉｎ。 ２．２再流焊
再流焊是通过重新熔化预先分配到印制板焊盘上 的焊膏，实现表面组装元器件焊端或引脚与印刷板焊 盘之间机械与电气连接的软钎焊。与波峰焊相比，再 流焊具有明显的优点，钎料中不会混入不纯物，钎焊 时能正确保持组成；可采用局部加热技术，在同一基 板上用不同的再流焊焊接工艺：受熔融钎料表面张力 的作用．元器件贴放位置有一定偏离时可以自动纠正 偏离；不需要把元器件直接浸渍在熔融钎料中，元器 件受到的热冲击小；仅在需要位置施放钎料，可控制 钎料施加量，避免桥接等缺陷。再流焊包括气相、红 外、热风循环、热板、光束、激光、工具加热等再流 焊技术。其中红外再流应用最普遍。工具加热再流是 最实用的局部再流技术，气相再流最有效，热风循环 再流正在推广，光束和激光再流适用于军事电路组件 的焊接。随着免清洗和无铅钎焊的要求，出现了氮气 气氛钎焊技术。适应无铅钎焊的耐高温再流焊成为该 技术重要的发展方向［７］。
激光以其可局部加热、快速升温和冷却、不需直 接接触元器件、易于实现自动化等优点。特别适合钎 焊封装密度高、需要高可靠性的电子元器件。薛松柏 等人［ｓ１研究了激光再流焊焊接速度对ＳＯＰ器件焊点力 学性能的影响，分别采用Ｓｎ—Ｐｂ钎料及Ｓｎ—Ａｇ—Ｃｕ无 铅钎料对器件进行了激光再流焊．并与红外再流焊焊 接质量进行了对比。研究表明，无铅钎料焊点的最大 值高于Ｓｎ—Ｐｂ钎料焊点的最大值。激光再流焊时， Ｓｎ—Ｐｂ钎料焊点强度最大值比红外再流焊的焊点强度 高出了２８．８％：Ｓｎ—Ａｇ—Ｃｕ无铅钎料激光再流焊时， 焊点抗拉强度的最大值比红外再流焊的焊点强度高出 了２０．２％。
第２阶段，上世纪８０年代早期引入了表面安装
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２ ．专题综述·
（ＳＭ）封装。比较成熟的类型有模握封装的小外形 （ＳＯ）和ＰＬＣＣ型封装、模压陶瓷中的ＣＥＲＱＵＡＤ、 层压陶瓷中的无引线式载体（ＬＬＣＣ）和有引线片式 载体（ＬＤＣＣ）。ＰＬＣＣ，ＣＥＲＱＵＡＤ，ＬＬＣＣ和ＬＤＣＣ 都是四周排列类封装．其引线排列在封装的所有四 边。由于保持所有引线共面性难度的限制，ＰＬＣＣ的 最大等效引脚数为１２４。为满足更多引出端数和更高 密度的需求，出现了一种新的封装系列，即封装四边 都带翼型引线的四边引线扁平封装（ＱＦＰ）。
ＢＧＡ技术有很多种形式。如陶瓷封装ＢＧＡ （ＣＢＧＡ）、塑料封装ＢＧＡ（ＰＢＧＡ）以及Ｍｉｃｒｏ ＢＧＡ （斗ＢＧＡ）。与ＰＱＦＰ相比，ＢＧＡ引线短，因此热噪声 和热阻抗很小，散热好，耦合的电噪声小。同时， ＢＧＡ封装面积更小、引脚数量更多，且ＢＧＡ封装更 适于大规模组装生产，组装生产合格率大大提高。随 着对高Ｉ／Ｏ引出端数和高性能封装需求的增长，工业 上已经转向用ＢＧＡ（球栅阵列封装）代替ＱＦＰ：４｜。
片级互联技术包括引线键舍技术、栽带自动焊技术、倒装芯片技术。倒装芯片技术是目前半导体封装的主流技术。微电子装联技术包括波
峰焊和再流焊。再流焊技术有可能取代波峰焯技术，成为板级电路组裳焊接技术的主流。从微电子封装技术的发展历程可以看出．ＩＣ芯片
与微电子封装技术是相互促进、协调发展、密不可分的，徼电子封装技术将向小型化、高性能并满足环保要求的方向发展。
在超声键合过程中，超声振动是决定键合强度的 重要因素之一，超声功率的大小直接决定键合强度及 其可靠性ｆ１２］。文献［１３］报道了超声键合中超声功率 对引线键合强度的影响。研究表明，在键合力、温度 和时间分别设置为４．７ Ｎ、室温和１００ ｉｎｓ的典型工艺 参数下，当超声功率＞３．５ Ｗ时，键合强度受超声功 率的影响规律不明显；超声功率＜３．５ Ｗ时，键合强 度受超声功率的影响显著；当超声功率＞１．６ Ｗ时， 增强超声功率则键合强度降低；当超声功率＜１．Ｏ Ｗ 时，增加超声功率则键合强度提高，而当超声功率在
波峰焊是将熔化的钎料。经电动泵或电磁泵喷流 成设计要求的钎料波峰．使预先装有电子元器件的印 制板通过钎料波峰．实现元器件焊端或引脚与印制板 焊盘之间机械与电气连接的软钎焊。波峰焊主要用于 通孔插装组件和采用混合组装方式的表面组装组件的 焊接。在采用波峰焊焊接ＳＭＣ／ＳＭＤ时，由于引线对 钎料的遮蔽作用、钎料尾流的“钎料遮蔽”效应以及 元器件对截流的钎剂气泡的遮蔽效应等因素．容易产 生漏焊、桥接和钎缝不充实等缺陷．难以保证钎接的 可靠性。为了克服这些缺陷，双波峰焊应运而生。双 波峰焊有２个波峰．第１个波峰是窄喷嘴流速快的 “湍流”波峰，钎料具有较高的垂直压力，提高了对 表面组装元器件焊端的渗透性．增大了钎料的润湿 性，同时克服了钎料“遮蔽”效应．大大减少了漏 焊、桥接和钎缝不充实等缺陷，提高了钎焊可靠性。 第２个波峰是流速慢的“平滑”波峰，有利于形成充 实的钎缝，可有效去除过量的钎料修正钎焊面。最终 保证了钎焊可靠性。双波峰焊在ＳＭＴ中应用广泛。
关键词：微电子封装；倒装芯片；再流焊；发展现状
中图分类号：ＴＮ６：ＴＧ４５４
文献标志码：Ａ
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０前言 上世纪９０年代以来，以“３Ｃ”。即计算机
（ｃｏｍｐｕｔｅｒ）、通信（ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）和家用电器等消 费类电子产品（ｃｏｎｓｕｍｅｒｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）为代表的ＩＴ产 业得到迅猛发展［１］。微电子产业已经成为当今世界第一 大产业，也是我国国民经济的支柱产业。现代微电子 产业逐渐演变为设计、制造和封装三个独立产业［２１。 微电子封装技术是支持ＩＴ产业发展的关键技术．作 为微电子产业的一部分，近年来发展迅速。微电子封 装是将数十万乃至数百万个半导体元件（即集成电路 芯片）组装成一个紧凑的封装体，由外界提供电源， 并与外界进行信息交流。微电子封装可以保证ＩＣ在 处理过程中芯片免受机械应力、环境应力（例如潮气 和污染）以及静电破坏。封装必须满足器件的各种性 能要求，例如在电学（电感、电容、串扰）、热学 （功率耗散、结温）、质量、可靠性以及成本控制方面 的各项性能指标要求。
针对波峰焊产生的缺陷问题，Ｍ Ｌｉｕｋｋｏｎｅｎ等人［５］ 利用自组织映射神经元网络研究了波峰焊过程中焊接 工艺参数与焊点缺陷之间的关系。研究表明。自组织 映射神经元网络适用于波峰焊接过程，能够有效地发 现钎焊工艺参数与钎焊点缺陷之间一些有意义的联系。
由于铅及其化合物属剧毒物质，无铅钎料在波峰 焊中的使用势在必行。文献［６］利用正交试验法研 究了无铅波峰焊焊接工艺与焊接质量的关系．研究表 明，影响钎焊质量的因素按主次顺序排列为：钎剂类 型、锡炉温度、预热温度、传送带速度。采用Ｓｎ—Ｃｕ 钎料时的最佳工艺参数是：钎剂类型选用ＩＦ２００５Ｃ， 预热温度为１２０℃，锡炉温度为２６０℃．传送带速度
Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖ０１．３８ Ｎｏ．１ １ Ｎｏｖ．２００９ 文章编号：１００２—０２５Ｘ（２００９）１１－０００１－－０５
．专题综述· １
微电子封装技术的发展现状
张满 （淮阴工学院机械系，江苏淮安２２３００１）
摘要：论述了微电子封装技术的发展历程、发展现状及发展趋势，主要介绍了微电子封装技术中的芯片级互联技术与徽电子装联技术。芯
出ＰＣＢ在不同边界条件下的翘曲度。研究表明，在 无铅钎焊条件下．对ＰＣＢ边缘沿厚度方向的夹持极 大地减小了ＰＣＢ的热变形，实现了应力最小化和变 形最小化的双重目标。
随着表面组装密度的继续提高和表面组装技术的 深入发展，再流焊技术有可能取代波峰焊技术，成为 板级电路组装焊接技术的主流，１ ０１。
３芯片级互联技术 电子封装有４种基础技术，即成膜技术、微互联
技术、基板技术、封装与密封技术。微互联技术起着 承上启下的作用，无论是芯片装连在载体上还是封装 在基板上，都要用到微互联技术，微互联技术可以说 是电子制造的基础技术和专有技术。微互联技术包括 引线键合技术（ＷＢ）、载带自动焊技术（ＴＡＢ）、倒 装芯片技术（ＦＣ）等。 ３．１ 引线键合技术
引线键合互连是芯片和载体间常用的互连方法。 引线键合是将半导体芯片焊区与电子封装外壳的Ｉ／Ｏ 引线或基板上技术布线用金属细丝连接起来的工艺技 术。焊接方式主要有热压焊、超声键合焊和金丝球 焊。热压键合焊过程中，由于受热容易使焊丝和焊区 形成氧化层，同时芯片容易形成特殊的金属氧化物， 从而影响焊点可靠性。因此，热压键合使用得越来越 少。与热压键合相比，超声键合能充分去除焊接界面 的金属氧化膜，焊接质量较高，不需加热，对芯片的 损伤较小。热声键合具有可在较低温度下连接而不易 氧化、对接触表面洁净度不敏感等很多优点．广泛用 于各类集成电路中＿１１］。