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现代电子封装技术都有哪些?

文章出处:网络 人气:发表时间:2019-06-17 21:56

1.1.1电子封装的层次

如图1-1所示, 对大规模集成电路和超大规模集成电路而言, 其封装可以分 四个层次;

(1)零级封装芯片制造。

(2)一级封装将芯片封装成单芯片组件和多芯片组件。

(3)二级封装是指将电子元器件包括己封装的芯片安装到印刷线路板上。其主要钎焊方法包括通孔插装技术、表面贴装技术、芯片直接安装技术。

(4)三级封装子系统的组装, 将二级封装插到母板上。

(5)四级封装整机电子系统如电子计算机等的组装。

IC与封装的关系就像人体大脑与躯体之间的关系, 封装起着骨骼支撑、神经连接、触觉感受器的功能。

1.1.2 电子封装钎焊技术

作为目前现代电子封装中最主要的焊接技术, 钎焊在人类历史上己有 几千年的使用历史, 其确切的定义是钎焊是指熔点较高的两种金属被熔点 相对较低的第三种金属相连接的过程。历史上, 钎焊一直被区分为“硬钎焊”(brazing)和“ 软钎焊”(solodering)。 随着科学技术的发展, “ 硬” 与“ 软” 的界线越来越模糊。 因此, 美国焊接学会(AWS)将450℃作为分界线, 规定钎 焊液相线温度高于450 ℃所进行 的钎焊 为硬 钎焊, 低于450 ℃为软钎焊。

钎焊技术的主要工艺特征是用焊剂将待焊的金属表面清洁去除表面氧化物等并使之对钎料具有良好的润湿性供给熔融焊料润湿金属表面在焊料 与被焊金属间形成一层金属间化合物。

在电子封装焊接技术中钎焊与焊接(welding)和导电胶(conductive adhesive)相比具有以下的优点;

(1)钎焊接头是通过熔化的钎料首先润湿被焊金属表面而实现的即使钎料 没有被精确放置到被焊接的位置, 仍可以实现良好的焊接, 这是因为熔化的钎料与隔离材料不发生润湿反应。 现代电子封装中集成电路芯片(硅片) 倒装芯片压焊技术中的钎焊就是利用这一特点, 即利用熔化钎料的表面张 力来“ 自调整” (self-alignment)实现精确定位, 而导电胶就不具有这一优点;

(2)不需要局部精确加热, 焊接则必须在要焊接的部位精确加热;

(3)钎焊的连接可以被再加热到钎料熔点使钎料与电子元件分离, 这样实际生产中很容易对电子元件安装中的少数钎焊接头进行修补;

(4)钎焊过程与焊接过程相比, 具有可以同时进行易于实现自动化、 低成本等优点.

钎焊技术在现代微电子工业中占有重要的地位。随着电子封装钎焊技术的发展, 钎焊接头的数量和单位密度不断增加。 据统计数据年(1984年)一台彩电中约有2000个钎焊接头;大型计算机和电话交换机中有个钎焊个钎焊接头。

1.13 电子封装钎焊方法

目前, 微电子工业中常规的和正在使用的两种钎焊技术是波峰焊(wave solodering)和再流焊(refolow soldering)技术。

波峰焊是利用熔融钎料循环流动的波峰面与安装有电子元器件PCB的焊接面相接触, 使熔融钎料不断供给PCB和表面安装元器件的焊接面而进行的一种成组焊接工艺。图1-2是波峰焊的示意图。

再流焊是预先在PCB的钎焊部位(焊盘)施放适量和适当形式的焊膏,然后贴放表面安装元器件, 将温度升到钎料熔点以上停留一段时间使其润湿待钎焊 金属表面, 降温后钎料凝固形成焊点, 从而达到钎焊目的的一种成组或逐点焊接工艺。

生产中应用的加热方法通常有

(1)热传导;

(2)汽相:电路板浸入到惰性液体的饱和蒸汽中, 液体的沸点高于钎料合金的熔点;

(3)红外加热:应用红外能(红外源);

(4)激光加热:激光直接辐射。

目前, 波峰焊主要用于插装电子元件和采用混合组装方式的表面安装元器件钎焊工艺中, 没有其他一种钎焊工艺能与波峰焊在成本上相竞争。 但 是对于全表面安装元器件, 再流焊是唯一可行的选择。虽然再流焊技术不适 用于插装元器件的焊接, 但随着PCB组装密度的提高和变面安装技术的推广使用, 再流焊技将成为今后电子封装钎焊技术的主流。

1.1.4 微电子封装技术的发展

以集成电路(IC)技术为核心的微电子飞速发展, 是近三十年社会不断进步的重要因素之一。高密度、高可靠性是微电子技术发展的方向。 表面 贴装技术的应用使电子组装业的发展出现了第一次飞跃, 和传统的通孔插 装技术相比, 表面安装技术的成本、 效率和封装密度都大大提高, 因而逐渐 成为电子封装业应用最为广 泛的技术。 随着电子产品进一步向微、 薄、 轻方向发展, 电子器件的端口数不断增多, 通用的表面安装技术不断为球阵列(BGA)封装技术、 倒装焊(Flip-Chip) 技术、板上芯片(COB)技术、芯片级封装等新型封装形式所代替。和通常的SMT技术相比, 在这些新型技术中单个器件中的焊点数目更多, 同时焊点的几何尺寸更小。 例如, 目前倒 装焊芯片焊接中的焊点最小尺寸约为50μm, 电子元器件外引线间距 己发展到的水平。

1.1.4.1 倒装焊技术(Flip Chip Bomdimg, 简称FCB)

倒装焊技术(FCB)主要是用于芯片层次的封装。 最早研制开发出在 芯片上制作凸点的倒装焊工艺技术是美国IBM公司, 该技术己在使用了超过

30年。 FCB技术是芯片结构和端锡球方向朝下, 芯片上的焊区直接与基板 上的焊区互连, 见图1-3 。由于I/O引出端分布于整个芯片表面, 故在封装 密度和处理速度上倒装片(Flip Chip)已达到顶峰, 特别是它可以采用类似SMT技术的手段来加工, 故是芯片封装技术及高密度安装的最终方向。

倒装焊技术中一种常用的结构为复合钎料焊点结构。 它通过再流焊工 艺用低熔点的钎料将制作有高熔点钎料凸点的芯片(C4)连接起来, 焊点起着导电、导热及机械连接的作用。高熔点钎料一般为Pb97Sn3或Pb95Sn5, 低熔点钎料通常选用共晶PbSn钎料中。 在焊接过程中, 高铅钎 料凸点保持固态(会部分溶入熔融的共晶PbSn钎料中)从而保证芯片与基板之间 存在一 定的间隙, 避免了短路的发生并改善焊点的应力分布。 这种 结构的缺点是焊点在后续表面组装中会再次融化而带来可靠性问题。

 

最有发展潜力的钎料凸点制作FCB及其技术就属C-4(再流倒装焊法)技术。图1-4为C-4钎焊接头的横截面图。图中Si片与钎料之间的连接是靠多层金属薄层BLM(on-chip Ball-limiting-metallization)或UBM(Under Bump Metallization)来实现的。一般与芯片表面接触的BLM 层多是Cr/Cu/Au层,而与陶瓷芯片载体表面接触的典型UBM是Ni/Au层。其中这个层中的每一层都有它特定的意义。首先, 由于IC芯片焊区金属 是Al, 钎料在钎焊过程中不能润湿Al表面, 所以Cu层的作用是与Sn反应形成 金属化合物。其次,Cu与绝缘体的表面不能很好的结合在一起, 所以 Cr层的作用相当于粘附层将Cu和结合起来。 最后, Au层作为钝化层 来抑制Cu的氧化和腐蚀,它还有利于提高钎料的润湿性。

1.1.4.2 球阵列封装(Ball Grid Array,简称BGA)

BGA技术主要应用在芯片载体一陶瓷模块到电路板的二级封装中。从90年代引入电子封装后在封装表面安装技术中得到了广泛使用。具有高连 接密度、高I/O容量、高生产效率的特点。BGA技术的发展, 使电子元器件外引线成阵列分布于陶瓷芯片载体的底部, 而不是仅仅分布在封装器件的四周, 既疏散了引脚间距, 又能增加引脚数目, 但这使焊点在服役期间的检修更 加困难,因而确保服役期间焊点的工作可靠性非常重要。

图1-5是应用BGA技术的二级封装示意图。印制电路板焊区上使用的钎料是低熔点的锡基钎料, 再流焊温度大约为 220℃~260℃, 所以在钎焊时不

会熔化一级封装中的富Pb焊点。虽然这样的二级封装体系在IBM大型计算机上能很好的运行, 但是相对于低成本、大规模生产的电子产品来说, 成本 还是较高。 为了降低成本, 须除掉陶瓷载体或一级封装使芯片能直接与印刷电路板连接。因为电路板的玻璃态转化温度低, 使得芯片的再流焊温度也 随之降低,所以可以选用低熔点的钎料进行钎焊。

随着先进封装技术的发展, 对封装材料以及工艺的要求也越来越高, 这必然推动着相关研究的深入开展。