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电子工艺学习报告
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2011年6月20日
微组装技术的类型、特点、发展趋势
文摘：随着微电子技术领域的新工艺、新技术的不断实用化，电子产品的组装技术从手工操作阶段迈入了微组装时代，电子产品实现了小型化、便携式、高可靠。

国际半导体技术发展路线图对未来组装技术的走向也做了定位，指出组装和封装技术是影响集成电路( IC)工作频率、功耗、复杂度、可靠性和成本的重要因素。

本文针对微组装技术的背景、类型、特点及发展趋势进行综述介绍。

背景介绍:
微组装技术( Microcircuit Packaging Technology，MPT) 是微电路组装技术的简称，它是电子组装技术的延伸，它是当今微电子技术的组成部分。

电子组装技术与电子元器件发展水平相适应，不同时期的电子元器件与组装技术相结合，就产生该时期的代表产品。

构成组装技术的要素有5个方面：即有源器件、封装形式、电子元件、电路基板、组装方式。

世界上真正形成产业化的电子组装业已有50多年的历史。

20世纪50年代，以电子管为有源器件、金属板为电路基板、长引线元件、安装方式是将连接导线固定接在有端子的电路基板上，代表产品为木头外壳的电子管收音机；60年代以晶体管为有源器件、单面印制电路板( Printed Circuit Board，PCB )为电路基板、短引线元件、安装方式是将引线元件插入到PCB中，再进行附锡焊接，代表产品为塑料外壳的半导体收音机；70年代以半导体集成电路(IC)为有源器件、主流封装形式为双列直插式封装( Double Inline Package，DIP) 和网络插针阵列封装(Pin Grid Array，PGA) 为代表、电路基板为双面PCB 及各种陶瓷板、径向引线元件、安装方式为全自动插装和焊接元器件，代表产品为黑白电视机和彩色电视机；80年代以大规模集成电路(Large Scale Integrated circuit，LSI)为有源器件、主流封装形式为四边扁平封装(Quad Flat Package，QFP)和四边J形引脚扁平封装(Quad Flat J —ledded Package，QFJ) 、电路基板为高密度多层PCB和各种陶瓷板、表面安装元件(Surface Mount Component，SMC) 和表面安装器件(Surface Mount Device，SMD)、安装方式为自动贴装的表面组装技术(Surface Mount Technology，SMT)，代表产品为
电子表和电子照相机。

80年代中后期至今，有源器件为超大规模集成电路(Very —Large Scale Integration，VLSI)、封装形式以球栅阵列(Ball Grid Array，BGA)和芯片尺寸封装(Chip Size Package，CSP)为主、电路基板为高密度多层PCB 和各种陶瓷多层板、电子元件多采用膜式元件及微型表面安装元件等、安装方式有SMT及倒装焊接和导电胶膜粘接等，代表产品为手机和便携式电子产品。

有学者把组装技术的发展过程划分为5代，第5代即微组装技术时代。

微组装技术的基本概念是，在高密度多层互连基板上，用微型焊接和封装工艺把构成电子电路的各种微型元器件(集成电路芯片及片式元件)组装起来，形成高密度、高速度、高可靠、立体结构的微电子产品(组件、部件、子系统、系统)的综合性高技术。

微组装技术作为一种综合性高技术，它涉及到物理学、化学、机械学、光学及材料等诸多学科，集中了半导体IC制造技术、无源元件制造技术、电路基板制造技术、材料加工技术以及自动化控制等技术。

重要的是利用微组装技术手段实现新型电子产品的结构，以及这种产品的应用价值并对未来电子产业发展的影响。

目前微组装的典型产品结构有：多芯片组件（MCM）、系统级封装（S i P）、原片及封装（WLP）、堆叠三维（3D）或三维封装。

1. 多芯片组件
多芯片组件（Multichip Module, MCM）是20世纪90年代发展较快的一种高密度集成的电子模块，它是在混合集成电路基础上发展起来的一种高科技产品。

它是将多个集成电路芯片和其他元器件高密度组装在多层互连基板上，然后封装在同一壳体内已形成高密度、高可靠的专用电子产品，它是一种典型的高级混合集成组件。

其特点如下：
①将多块未封装的IC芯片高密度安装在电路基板上，省去了IC的封装材料和工艺，节约了原材料，减少了制造工艺，缩小了封装尺寸。

②其互连线长度极大缩短，与封装好的SM(表面安装器件)相比，减少了外引线寄生效应对电路高频、高速性能的影响，芯片问的延迟减少了75％。

③多层布线基板导体层数应不小于四层，能把数字电路、模拟电路、功能器件、光电器件等合理地制作在同一部件内，构成多功能、高性能子系统或系统。

④多选用陶瓷材料作为组装基板，因此，与SMT用PCB基板相比，热匹配性能和耐冷热冲击力要强得多，因而使产品的可靠性获得了极大的提高。

⑤集中了先进的半导体IC的精细加工技术，厚、薄膜混合集成材料与工艺技术，陶瓷与PCB的多层基板技术以及电路的仿真、优化设计、散热和可靠性设计、芯片的高密度互连与封装等一系列技术。

2. 系统级封装
系统级封装( S i P )是近年来发展迅速且非常有市场潜力的组装技术，它是实现电子产品小型化和多功能化的重要手段。

S i P定义是：“系统级封装是采用任何组合，将多个具有不同功能的有源电子器件与可选择性的无源元件以及诸如ME MS或者光学器件等其他器件首先组装成为可以提供多种功能的单个标准封装件，形成一个系统或者子系统”。

它具有以下性能特点：
①设计灵活。

根据不同使用要求，及时地对个别芯片或器件进行升级换代，大大缩短IC的设计周期，降低设计费用。

②互连线大大缩短。

S i P封装内裸芯片之间互连线更短，减小了互连线延迟和串扰、降低了容抗，使器件能够工作在更高的频率下，有效提高了带宽。

③运用灵活。

S i P可以作为一块标准单元用于P C B组装，也可以是最终电子产品，如可移动快闪存储卡。

S i P不仅可以应用数字系统，还可以应用于光通信、传感器以及微机电系统等领域。

④可实现不同工艺制作的芯片封装形成一个系统，可实现嵌入无源元件的组合，封装体积减小。

⑤组装效率提高。

同一封装中叠加两个或更多芯片，采用三维方向组装且不必增加封装引脚，两芯片叠装在同一个封装的效率可提高到170％，三芯片叠装可提高到250％。

3. 圆片级封装
圆片级封装( WLP ) 是一种近年来迅速发展的先进封装技术，它采用的封装过程与传统封装过程完全不同，传统方法是完成管芯制作，进行中测后的硅圆片进行划片形成单个管芯，再进行后部工序，即粘片、键合、模塑包封等形成单独器件。

WLP具有以下特点：
①封装加工效率高。

WLP是在整个圆片上完成封装，可以一个或多个圆片同时加
工。

在保证成品率情况下，圆片直径越大，加工效率越高，单个器件的封装成本就越低。

②具有倒装芯片封装和芯片尺寸封装的优点：重量轻、封装厚度薄、互连短、体积小。

③可利用原有圆片制造设备，只需进行相应改进，适应其特殊工艺无须投资另建封装线。

④同时进行芯片设计和封装设计，减少设计费用。

⑤符合目前表面安装技术的潮流，可使用标准的SMT进行封装。

4. 堆叠三维封装
通常的3维封装是把两个或多个芯片( 或芯片封装) 在单个封装中进行堆叠，是一种强调在芯片正方向上的多芯片堆叠，实际上它也是一种堆叠封装。

3维结构能够集成许多别的方法无法兼容的技术，这样就可以显著提升器件的性能，功能性和应用领域。

3维封装技术包括层压或柔性基板、内引线键合、倒装芯片、导电粘接或组合互连等技术。

3维封装大致分为3种形式：芯片堆叠、封装堆叠、硅圆片堆叠的3维封装。

微组装技术组成：
1. 组装设计和检测技术群
A 多层厚膜集成电路组件
B 多层薄膜混合集成电路组件
C 印制电路板表面安装技术5! ∀
D 芯片直接安装技术
E 散热与可靠性设计
F CAD/CAM/CAT技术
2. 基板技术群
A 大面积、细线、多层厚膜基板
B 铜浆料与铜膜基板技术
C 多层薄膜基板
D 多层印制电路板
E 热配与高导热印制电路板
F 激光修调技术
3. 组装与微焊接技术群
A 再流焊技术
B 封装焊接与检测
C 功率器件焊接技术
D 溅金属线焊技术
E 微焊接力学与可靠性
F 可焊性与可健全性
4.微型元器件技术群
A 陶瓷与塑封载体技术
B 小封装晶体管与集成电路
C 片式电阻
D 片式电容
发展趋势：
1. 低温共烧陶瓷( Low - Temperature Co- fired Ceramic ,LTCC )多层基板技术。

2. 微组装用无源元件。

3. 无铅化的挑战。

钎焊机理与回流焊的控制特点
钎焊
从微观角度来分析钎焊过程的物理、化学变化，钎焊是通过“润湿”“扩散”、“冶金结合”三个过程来完成的。

1.润湿
润湿过程的描述：润湿过程是指已经熔化了的焊料借助毛细管力沿着母材金属表面细微的凹凸及结晶的间隙向四周漫流，从而在被焊母材表面形成一个附着层，使焊料与母材金属的原子相互接近，达到原子引力起作用的距离，我们称这个过程为熔融焊料对母材表面的润湿。

如何判别润湿? 一般是用附着在母材表面的焊料与母材的接触角θ来判别。

接触角θ：指沿焊料附着层边缘所作的切线与焊料附着于母材的界面的夹角。

θ< 90︒表示已润湿；θ≥ 90︒表示未润湿。

图1
2.扩散
是指熔化的焊料与母材中的原子互相越过接触界面进入对方的晶格点阵。

伴随着润湿的进行，焊料与母材金属原子间的互相扩散现象开始发生，通常金属原子在晶格点阵中处于热振动状态，一旦温度升高，原子的活动加剧，原子移动的速度和数量决定加热的温度和时间
3.冶金结合
由于焊料与母材互相扩散，在两种金属之间形成一个中间层---金属间化合物，从而使母材与焊料之间达到牢固的冶金结合状态
焊接的过程是：焊料先对金属表面产生润湿，伴随着润湿现象发生，焊料逐渐向铜金属扩散，在焊料与铜金属的接触界面上生成合金层，使两者牢固结合起来。

回流焊
回流焊接是预先在PCB焊接部位（焊盘）施放适量和适当形式的焊料，然后贴放表面贴装元器件，利用外部热源使焊料回流达到焊接要求而进行的成组或逐点焊接工艺。

回流焊接与波峰焊接相比具有以下一些特点：
1.回流焊不需要象波峰焊那样需把元器件直接浸渍在熔融焊料中，故元器件所受到的热冲击小；
2.回流焊仅在需要的部位上施放焊料，大大节约了焊料的使用；
3.回流焊能控制焊料的施放量，避免桥接等缺陷的产生；
4.当元器件贴放位置有一定偏离时，由于熔融焊料表面张力的作用，只要焊料施放位置正确，回流焊能在焊接时将此微小偏差自动纠正，使元器件固定在正确位置上；
5.可采用局部加热热源，从而可在同一基本上用不同的回流焊接工艺进行焊接；
6.焊料中一般不会混入不纯物，在使用焊锡膏进行回流焊接时可以正确保持焊料的组成。

回流焊接技术按照加热方式进行分类有：气相回流焊，红外回流焊，红外热风回流焊，激光回流焊，热风回流焊和工具加热回流焊等。

回流焊原理与温度曲线：
从温度曲线（见图3）分析回流焊的原理：当PCB进入升温区（干燥区）时，焊锡膏中的溶剂、气体蒸发掉，同时焊锡膏中的助焊剂润湿焊盘、元器件端头和引脚，焊锡膏软化、塌落、覆盖了焊盘，将焊盘、元器件引脚与氧气隔离；PCB 进入保温区时，使PCB和元器件得到充分的预热，以防PCB突然进入焊接区升温过快而损坏PCB和元器件；当PCB进入焊接区时，温度迅速上升使焊锡膏达到熔化状态，液态焊锡对PCB的焊盘、元器件端头和引脚润湿、扩散、漫流或回流混合形成焊锡接点；PCB进入冷却区，使焊点凝固，完成整个回流焊。

图3
温度曲线是保证焊接质量的关键，实际温度曲线和焊锡膏温度曲线的升温斜率和峰值温度应基本一致。

160℃前的升温速度控制在1℃/s～2℃/s，如果升温斜率速度太快，一方面使元器件及PCB受热太快，易损坏元器件，易造成PCB 变形；另一方面，焊锡膏中的溶剂挥发速度太快，容易溅出金属成分，产生焊锡球。

峰值温度一般设定在比焊锡膏熔化温度高20℃～40℃左右（例如Sn63/Pb37焊锡膏的熔点为183℃，峰值温度应设置在205℃～230℃左右），回（再）流时间为10s～60s，峰值温度低或回（再）流时间短，会使焊接不充分，严重时会造成焊锡膏不熔；峰值温度过高或回（再）流时间长，造成金属粉末氧化，影响焊接质量，甚至损坏元器件和PCB。

设置回（再）流焊温度曲线的依据：
1、根据使用焊锡膏的温度曲线进行设置。

不同金属含量的焊锡膏有不同的温度曲线，应按照焊锡膏生产厂商提供的温度曲线进行设置具体产品的回（再）流焊温度曲线；
2、根据PCB的材料、厚度、是否多层板、尺寸大小等；
3、根据表面组装板搭载元器件的密度、元器件的大小以及有无BGA、CSP等特殊元器件进行设置。

4、根据设备的具体情况，例如：加热区的长度、加热源的材料、回（再）流焊炉的构造和热传导方式等因素进行设置。

焊料合金
锡铅焊料
1．锡铅系焊料的特性
(1)锡铅比：一般采用锡含量为60～63%、铅含量为40-37%的共晶焊料。

图2为Sn－Pb二元合金相图
(2)熔点：锡含量为61.9 时(共晶点),熔点183℃，随着锡—铅比例的变化，熔点逐渐升高。

(3)机械性能：处在共晶点附近的焊料的抗拉强度及剪切强度为最高，分别为5.36kg/mm2及3.47 kg/mm2 左右。

(4)表面张力及粘度：共晶焊料能较好的兼顾这两个特性。

锡铅焊料熔点低、耐腐蚀性好，对铜、铜合金和钢润湿性好，广泛应用于电气零部件、元件及引线连接以及普通端子和印刷电路板的连接等方面。

虽然无铅封装和组装已经是大势所趋，但在一些特定领域尚没有开发出合适的无铅焊料，如服务器、存储器、微处理器以及针型压接连接器等方面使用的高熔点、高铅含量的锡铅焊料无法用无铅焊料进行替代，仍然在欧盟指令和我国指令的豁免条款之内。

因而，锡铅焊料的使用量虽然在逐年递减，但目前仍有较大的应用价值和使用范围。

锡铅合金共晶成分中铅的质量份数为38.1%，共晶温度为183℃，图2为Sn －Pb二元合金相图。

根据接头或焊点的电气性能、力学性能要求，工作温度在
150℃以下的选用高锡的锡铅焊料，工作温度在200℃以上的选用高铅焊料。

钎焊通信电缆用铅被覆护套时，为使作业时间充裕，应使用35％-40%Sn的锡铅焊料；电器接线用的软焊料，要求焊点隆起，应选用50%Sn左右的焊料。

铅含量增加，锡铅焊料的密度增大，而热导率和电导率却迅速降低。

强度和延伸率均出现峰值，强度的峰值出现在铅含量为20％左右时，延伸率峰值出现在铅含量为67％和80％左右。

锡铅焊料中加入锑，可提高焊料的抗氧化性，并提高接头热稳定性能；加入银可细化晶粒并提高耐蚀性。

铅及其化合物是有毒物质，损害人类健康，污染环境。

随着人类环保意识的增强，世界各国已相继出台一系列法令和法规来防治电子产品所带来的生态问题，限制铅在电子产品中的使用，最有影响力的是欧盟于2003年颁布的WEEE指令（《报废电子电器设备指令》）和ROHS指令（《电器和电子设备中限制使用某些有害物质指令》），执行日期是2006年7月1日。

我国于2006年2月也颁布了相应的《电子信息产品污染控制管理办法》，规定2007年3月1日起开始实施。

欧盟和我国的指令都明确规定在指定日期前停止在监管电子产品中使用含铅材料。

在无铅绿色制造这一大趋势下，许多国家的科研机构和企业已开始加大投入来研发无铅焊料，并积极推广其应用。

无铅焊料合金
１.无铅焊料合金
无铅化的核心和首要任务是无铅焊料。

据统计全球范围内共研制出焊膏、焊丝、波峰焊棒材100多种无铅焊料，但真正公认能用的只有几种。

1.1 目前最有可能替代Ｓn／Ｐb焊料的合金材料最有可能替代Ｓn／Ｐb焊料的无毒合金是Ｓn基合金。

以Ｓn为主，添加Ａg、Ｃu、Ｚn、Ｂi、Ｉn、Ｓb等金属元素，构成二元、三元或多元合金，通过添加金属元素来改善合金性能，提高可焊性、可靠性。

主要有：Ｓn－Ｂi系焊料合金，Ｓn－Ａg共晶合金，Ｓn －Ａg－Ｃu三元合金，Ｓn－Ｃu系焊料合金，Ｓn－Ｚn系焊料合金（仅日本开发应用），Ｓn－Ｂi系焊料合金，Ｓn－Ｉn和Ｓn－Ｐb 系合金。

1.2 ＰＣＢ焊盘表面镀层材料
无铅焊接要求ＰＣＢ焊盘表面镀层材料也要无铅化，ＰＣＢ焊盘表面镀层的
无铅化相对于元器件焊端表面的无铅化容易一些。

目前主要有用非铅金属或无铅焊料合金取代Ｐb－Ｓn热风整平（ＨＡＳＬ）、化学镀Ｎi和浸镀金（ＥＮＩＣ）、Ｃu表面涂覆ＯＳＰ、浸银（Ｉ－Ａg）和浸锡（Ｉ－Ｓn）。

2.无铅焊接和焊点的主要特点
2.1 无铅焊接的主要特点
（Ａ）高温、熔点比传统有铅共晶焊料高３４℃左右。

（Ｂ）表面张力大、润湿性差。

（Ｃ）工艺窗口小，质量控制难度大。

（２）无铅焊点的特点
（Ａ）浸润性差，扩展性差。

（Ｂ）无铅焊点外观粗糙。

传统的检验标准与ＡＯＩ需要升级。

（Ｃ）无铅焊点中气孔较多，尤其有铅焊端与无铅焊料混用时，焊端（球）上的有铅焊料先熔，覆盖焊盘，助焊剂排不出去，造成气孔。

但气孔不影响机械强度。

（Ｄ）缺陷多－由于浸润性差，使自定位效应减弱。

2.2 从再流焊温度曲线分析无铅焊接的特点与对策，通过对有铅和无铅温度曲线的比较分析无铅焊接的特点及对策：
（１）在升温区，有铅焊接从25℃升到100℃sec只需要60-90sec；而无铅焊接从25℃升到110℃需要100-200 sec，其升温时间比有铅要延长一倍，当多层板、大板以及有大热容量元器件的复杂印制电路板时，为了使整个PCB温度均匀，减小PCB及大小元器件的温差Δt，无铅焊接需要缓慢升温。

由此可以看出无铅焊接要求焊接设备升温、预热区长度要加长。

（２）在快速升温区，（浸润区），有铅焊接从150℃升到183℃，升温33℃，可允许在30-60sec之间完成，其升温速率为0.55-1℃/sec；而无铅焊接从150℃升到217℃，升温67℃，只允许在50-70sec之间完成，其升温速率为0.96-1.34℃/sec,要求升温速率比有铅高30%左右,温度越高升温越困难，如果升温速率提不上去，长时间处在高温下会使焊膏中提前结束活化反应，严重时会PCB焊盘，元件引脚和焊膏中的焊料合金在高温下重新氧化而造成焊接不良。

为了提高浸润区的升温斜率，应增加回流区的数目或提高加热功率。

由于高温和浸润性差，要求提高焊膏中助焊剂的活动化温度和活性。

3. 无铅焊膏印刷和贴装工艺对策
3.1 无铅焊膏和有铅焊膏在物理特性上的区别 （A）铅焊膏的浸润性和铺展性远远低于有铅焊膏，在焊盘上没有印刷焊膏的地方，熔融的焊料是铺展不到那些地方的，那么，焊后就会使没有被焊料覆盖的裸铜焊盘长期暴露在空气中，在潮气、高温、腐蚀气体等恶劣环境下，造成焊点被腐蚀而失效。

影响产品的寿命和可靠性。

（B）为了改善浸润性，无铅焊膏的含量通常要高于有铅焊膏；
（C）由于缺少铅的润滑作用，焊膏印刷时填充性和脱膜性较差。

3.2无铅模板开口设计
针对无铅焊膏的浸润性和铺展性差等特点，无铅模板开口设计应比有铅大一些，使焊膏尽可以完全覆盖焊盘。

具体可以采取以下措施。

（A）对于Pitch＞0.5mm的器件，一般采取1：1.02-1:1.1的开口。

（B）对于Pitch≤0.5mm的器件，通常采用1：1开口，原则上至少不用缩小。

（C）对于0402的Chip元件，通常采用1：1开口，为防止竖碑、回流时元件移位等现象，可将焊盘开口内侧修改成尖角形或弓形。

（D）原则上模板厚度与有铅模板相同，由于无铅焊膏中的含量高一些，也就是说合金含量少一些，因此也可以适当增加模板厚度。

结束语：如今电子产品正在向微型化，轻型化方向发展，这就要求电子技术的发展。

微组装技术在这方面无疑是必不可少的技术，相信在不久的将来在这方面的研究将会有很大的突破。

当然伴随着微组装的发展，焊接工业的发展也是必不可少的，了解一些基本的焊接工艺方法以及焊料合金对我们以后的工作是有很大的帮助
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