4电子制造中的微连接技术

2019/8/41微连接在电子工业中的应用连接是电子设备制造中的关键工艺技术，印制电路板上许多集成电路器件、阻容器件以及接插件等按照原理电路要求通过软钎焊(Soldering)等方法连接构成完整的电路；在集成电路器件制造中，芯片上大量的元件之间通过薄膜互连工艺连接成电路，通过丝球键合(Wire/BallBonding)、倒扣焊(FlipChip)等方式将信号端与引线框架或芯片载体上的引出线端相互连接，实现封装。连接同时起到电气互连和机械固定连接的作用，绝大多数采用钎焊、固相焊、精密熔化焊等冶金连接方法，也有导电胶粘接、记忆合金机械连接等方法。2019/8/422019/8/43A015WaferTaping上膠膜A016WaferBackGrinding晶背研磨A017WaferDe-taping去膠膜A030WaferSaw晶片切割A402ndOpticalInspection二光總檢A060DieAttach黏晶粒A070EpoxyCure銀膠烘烤A075PlasmaCleaning電漿清洗A080WireBond銲線A0903rdOpticalInspection三光總檢2019/8/44ASEF/EFlowUVTapeWaferMountBGTapeWaferTapingWaferde-tapingBGTapeWaferGrindinggrindwheelFrame2019/8/45WaferSawingDieAttachUVIrradiatorEpoxyCureWireBond2019/8/46封装是在器件周围形成一个确定形状的物体，提供电源、信号分配及调速、散热、保护等功能2019/8/47（1）零级封装（2）一级封装一级封装就是IC的封装。它是电子封装中最活跃、变化最快的领域。一级封装的种类繁多、结构多样。2019/8/482019/8/49（3）二级和三级封装2019/8/4102.3电子制造中的微连接技术2019/8/4112.3.1内引线连接微电子器件中固态电路内部互连线的连接，即芯片表面电极(金属化层材料，主要为Al)与引线框架(leadframe)之间的连接。按照内引线形式，可分为丝材键合、梁式引线技术、倒装芯片法和载带自动键合技术。2.3.1.1丝材键合(wirebonding)把普通的焊接能源（热压、超声或两者结合）与健合的特殊工具及工艺（球-劈刀法、楔-楔法）相结合，形成了不同的健合方法，从而实现了直径为10～200μm的金属丝与芯片电极－金属膜之间的连接。该技术通常采用热压、超声和热超声方法进行。2019/8/412（1）热压键合通过压力与加热，使接头区产生典型的塑性变形。热量与压力通过毛细管形或楔形加热工具直接或间接地以静载或脉冲方式施加到键合区。只有金丝才能保证键合可靠性，但对于Au-Al内引线键合系统，在焊点处又极易形成导致焊点机械强度减弱的“紫斑”(purpleplague)缺陷。2019/8/413（2）超声波键合利用超声波的能量，使金属丝与铝电极在常温下直接键合。由于键合工具头呈楔形，故又称楔压焊。超声波振动平行于键合面，压力垂直于键合面。超声波能量被金属丝吸收，使金属丝发生流变，并破坏工件表面氧化层，暴露出洁净的表面，在压力作用下很容易相互粘合而完成冷焊。该方法一般采用Al或Al合金丝，既可避免Au丝热压焊的“紫班”缺陷，又降低了生产成本。缺点是尾丝不好处理，不利于提高器件的集成度，而且实现自动化的难度较大，生产效率也比较低。2019/8/414(3)丝材热超声波键合(wirethermocompressionbonding)利用热压与超声波两者的优点，超声波与热共同作用，一方面可振动去膜，另一方面利用了热扩散作用，因此，温度可以低于热压法。特别适用于难于连接的厚膜混合基板的金属化层。2019/8/415（4）丝球焊丝材通过空心劈刀的毛细管穿出，然后经过电弧放电使伸出部分熔化，并在表面张力作用下成球形，然后通过劈刀将球压焊到芯片的电极上。该方法一般采用Au丝。近年来，国际上一直寻求采用Al丝或Cu丝替代Al丝球焊，到80年代，国外Cu丝球焊已在生产中应用。国内研制的Cu丝球焊装置，采用受控脉冲放电式双电源形球系统，并用微机控制形球高压脉冲的数、频率、频宽比以及低压维孤时间，从而实现了对形球能量的精确控制和调节，在氩气保护条件下确保了Cu丝形球质量。2019/8/416打线结合(WireBonding)芯片焊盘框架焊盘银胶/胶带金线芯片TieBar芯片俯视图正视图引脚CAP_BONDING_CYCLE.swf2019/8/4172.3.1.2梁引线技术（beam-leadbonding）采用复式沉积方式在半导体硅片上制备出由多层金属组成的梁，以这种梁来代替常规内引线与外电路实现连接。这种方法主要在军事、宇航等要求长寿命和高可靠性的系统中得到应用。其优点在于提高内引线焊接效率和实现高可靠性连接，缺点是梁的制造工艺复杂，散热性能较差，且出现焊点不良时不能修补。2019/8/4182.3.1.4倒装芯片法（flip-chip）随着大规模和超大规模集成电路的发展，微电子器件内引线的数目也随之增加。丝球焊作为一种连接技术，不论是焊接质量、还是焊接效率都不能适应大规模生产的要求，群焊技术便应运而生。倒装芯片法在60年代由IBM公司开发，主要用于厚膜电路。2019/8/419Flip-ChipTechnologyRedistributionInterposerorPWBSiliconChipUnderfillSolderMaskElectricalConductivePadsSolderBumpPlanarLandsPostsorPinsBallsorBumpsGenericStructuresofFlip-ChipPackages首先在硅片上电极处预制钎料凸点，同时将钎料膏印刷到基板一侧的引线电极上，然后将硅片倒置，使硅片上的钎料凸点与之对位，经加热后使双方的钎料熔为一体，从而实现连接并同时固定基板。这种方法适用于微电子器件小型化、高功能的要求。2019/8/420金属凸台可分为重熔的和不可重熔的两类。前者用于再流软钎焊，后者用于热压焊。FC特点：(1)较小封装外形尺寸；(2)提高电性能(3)高I/O密度；(4)改善疲劳性能，提高可靠性；(5)可对裸芯片进行测试，可至少拆装10次。(6)但钎料凸点制作复杂，焊后外观检查困难。2019/8/4212.3.1.5载带自动键合技术（TAB）载带自动健合技术于1964年由美国通用电气公司推出，是在类似于胶片的柔性载带上粘结金属薄片，在金属薄片上经腐蚀作出引线框图形，而后与芯片上的凸点进行连接。目前的TAB中，广泛采用的是电镀Au的Cu引线框和芯片上的Au凸点，进行热压焊接。其优点是生产效率高，缺点是工艺也很复杂，成本较高，且芯片的通用性差。2019/8/422TAB的载带是由一系列的复制的内引线图案所组成。或者说,在长而窄的薄铜带上将内引线图案一一腐蚀出来。其周围有铜的框架或由贴附其上的聚酰亚胺薄膜所支持。这样铜带上腐蚀出的细而扁平的指式引线排便可替代一般引线技术的导电丝,将器件芯片上的I/O搭接片电连接到外部世界。载带的边缘还被腐蚀出与电影胶卷类似的齿孔,于是随带卷的转动,引线的键合便一步一步自动进行。TAB2019/8/423单层载带：由蚀刻金属制成。引线长度受到限制。双层载带：在聚合物上镀金属图案。三层载带：Cu箔与预先打好孔的聚合物薄膜用胶粘在一起，然后刻蚀出引线图案。传送孔用模具打出。TAB特点：(1)引线间距更小；(2)能保证器件的质量和可靠性；(3)自动化程度高；(4)键合强度是丝材键合的3-10倍；(5)良好的高频特性和散热特性；(6)工艺复杂，成本高，芯片通用性差。2019/8/4242.3.2印刷电路板组装中的微连接技术印刷电路板组装是指微电子器件信号引出端（外引线）与印刷电路板（PCB）上相应焊盘之间的连接。自1962年日本推出陶瓷基板球栅阵列（CBGA），1966年美国RCA公司推出片式电阻、电容，1971年Phlips公司正式提出表面组装概念，到1991年Motorola公司推出树脂基板球栅阵列（PBGA），使BGA技术走向实用化，微电子器件的外引线连接技术完成了由通孔插装技术（THT,through-holetechnology）到SMT的历史性飞跃，极大地推动了微电子技术的发展。2019/8/4252.3.2.1波峰焊(wavesoldering;flowsoldering)借助于钎料泵把熔融态钎料不断垂直向上地朝狭长出口涌出，形成20～40mm高的波峰。钎料波以一定的速度和压力作用于PCB上，充分渗入到待焊接的器件引线与电路板之间，使之完全润湿并进行焊接。由于钎料波峰的柔性，即使PCB不够平整，只要翘曲度在3％以下，仍可得到良好的焊接质量。2019/8/426在THT工艺中，主要采用单波峰焊。引线末端接触到钎料波，毛细管作用使钎料沿引线上升，钎料填满通孔，冷却后形成钎料圆角。但钎料波峰垂直向上的力会给一些较轻的器件带来冲击，造成浮动或虚焊。而在SMT中由于有诸多难点很难应用。2019/8/427SMD元件并不具有THD元件那样的安装插孔，钎剂受热后挥发出的气体无处散逸，另外SMD元件具有一定的高度和宽度，且组装密度大，钎料的表面张力作用将形成屏蔽效应，使钎料很难及时润湿并渗透到每个引线，此时采用单峰焊会产生大量的漏焊和桥连，为此，开发出了双波峰焊。前峰较窄而多头，形成湍流排出气体减弱表面张力，后峰为双向宽平波，去处多余钎料，消除缺陷。其缺点是印制电路板经过两次波峰，受热量较大，一般耐热性差的电路板易变形翘曲。2019/8/428波峰焊技术适合于插装型电子线路的规模化生产，在当前的电子工业中仍具有重要地位，但随着IC电路高密度、小型化的发展，体积更小的表面贴装型电路占的比例越来越大。在焊接形状变化多样、管脚间距极小的元件时，波峰焊技术有一定局限性。与此相应的再流焊技术越来越显示出其重要性。为了克服双波峰焊的缺点，近年来又开发出了喷射空心波峰。空心波喷射速度高达100cm/s，接触时间短。2019/8/4292.3.2.2再流焊（reflowsoldering）通过印制或滴注等方法将钎料膏涂敷在印制电路板的焊盘上，再用专用设备--贴片机在上面放置表面贴装元件，然后加热使预置的钎料膏或钎料凸点重新熔化即再次流动，润湿金属焊盘表面形成牢固连接的过程。根据热源和加热方法的不同，再流焊主要可分为红外再流焊、气相再流焊和激光再流焊。贴片过程贴片机拾取2019/8/430(1)红外再流焊(infraredreflowsoldering)。红外再流焊波长范围：1-7微米2019/8/431再流焊温度曲线的建立是再流焊技术中一个非常关键的环节。按照焊接过程各区段的作用，一般将其分为预热区、保温区、再流区和冷却区等4段。预热过程的目的是为了用一个可控制的速度来提高温度，以减少元件和板的任何热损坏。保温主要是为了平衡所有焊接表面温度，使SMA上所有元件在这一段结束时具有相同的温度。再流区域里加热器的温度设置得最高，使组件的温度快速上升至峰值温度，一般推荐为焊膏的熔点温度加20～40℃。而冷却过程使得钎料在退出加热炉前固化，从而得到明亮的焊点并有好的外形和低的接触角度。2019/8/432利用红外线辐射加热实现表面贴装元件与印制电路板之间连接的软钎焊方法。一般采用隧道加热炉，热源以红外线辐射为主，适用于流水线大批量生产。且设备成本较低，是目前日本最普遍的再流焊方法。缺点是SMD因表面颜色的深浅、材料的差异及与热源距离的远近，所吸收的热量也有所不同；体积大的SMD会对小型SMD造成阴影，使之受热不足而降低焊接质量；温度的设定难以兼顾周到。2019/8/433(2)气相再流焊(vaporrefolwsoldering)利用饱和蒸汽的汽化潜热加热实现表面贴装元件与印制电路板之间焊接的软钎焊方法。热源来自氟氯烷系溶剂（典型牌号为FC-70