简述连接技术在电子封装中的应用(IV).doc

先进材料连接技术课程作业简述连接技术在电子封装中的应用学 号：0601学 院：航空制造工程学院所 在 系：焊接技术与工程学 生 姓 名 ：任 课 教 师 ：邢 丽2009年12月序言: 随着50多年前的三檄管、30多年前的IC等半导体元件的出现，电子工程的历史被它们改写。虽然日新月异的半导体器件(如江崎二极管场效应晶体管、CMOS、太阳能电池、商迁移率品休管、深亚微米器件等等，具有商性能、多功能和多规格的优点，但足这些半导体元器件的最大的缺点足它们细小柔嫩。为了充分发挥其功能，补强、密封、扩大是很必须的，只有这材才能实现与外电路可靠的电气连接并得到有效的机械、绝缘等方面的保护作用。“封装”的概念正是在此基础上出现的。狭义的封装(packaging，PKG)可以定义为：利用膜技术及微细连接技术，将半导体冗器件及其他构成要素在框架或基板上布置、固定及连接。引出接线端子，并通过可塑件绝缘介质灌封固定，构成整体立体结构的工艺。而广义的电子封装工程应该足狭义的封装和实装工程及基板技术的总和。本文主要阐述了电子封装的几种先进连接技术及其应用。正文：1、电子封装的定义：狭义的封装(packaging，PKG)可以定义为：利用膜技术及微细连接技术，将半导体冗器件及其他构成要素在框架或基板上布置、固定及连接。引出接线端子，并通过可塑件绝缘介质灌封固定，构成整体立体结构的工艺。而广义的电子封装工程应该足狭义的封装和实装工程及基板技术的总和。2、电子封装的发展现状：据最新的研究表明，封装已经不仅仅是刚刚出现时的那种“土里土气”的半导体工业的附带产业。今天大多数的封装被认为是“被动的”，原因在于封装仅仅从足提供给元器件一个屏蔽之类的，从而阻止氧气和水汽对无器件性能的损害。在二十一世纪封装已经开始由“被动的”提供元器件保护转变为“主动的”提供元器件保护，仅仪就封装产业截止2008年底将出现一个255亿美的产业巾场。封装市场要求的高性能封装将以每年19的速率增长，我们应该积极的面对这一迅速增长的新兴产业。当今信息时代，随着便携式计算机、移动通信及军事电子技术的迅速发展，对集成电路(IC)的需求量急剧攀升，这就促使微电子封裂技术迎来了“爆炸式”的发展时期。因此有人把封装称为90年代十大重要技术之一。以集成电路为例，随着集成密度的提高，集成晶体管数目不断增加，集成电路的信息处理能力不断增强，集成电路的性能得以提高，体积和重量不断减小，同时成本也大大降低。3、电子封装中的几种先进连接技术：1、激光锡球键合技术集成电路封装中倒扣互连（flip chip）的凸点绝大多数采用蒸镀或者溅射的方法预置钎料合金于焊盘上，然后重熔成凸点。需要掩膜和光刻工艺，成本高，适合于大批量、多凸点、标准化生产，但是仅适合于平面凸点的制作。在BGA封装上有采用钎料印刷和重熔的办法制作凸点的，但不适合在芯片上进行。在MEMS、光电子器件等的封装更需要应性强、面向三维和立体封装、同时适合不同尺寸凸点的凸点制作技术。MEMS和光电子器件对污染十分敏感，要求凸点制作过程应该不加助焊剂、无钎剂钎料重熔。因此传统的钎料球重熔制作凸点已经不能满足MEMS、光电子和三维立体封装的要求。激光锡球键合技术被成功地应用到球栅列阵、芯片级尺寸封装、flip chip、MEMS和立体三维封装中。德国的Pac Tech封装公司开发了一种基于光电子封装中的光纤激光键合技术的钎料球凸点喷射机（SB2-Jet）。SB2-Jet适合于多种钎料合金，可以实现三维封装，尤其适合于MEMS封装中的敏感薄膜器件和光电子元件等。SB2-Jet能够实现50150um的钎料凸点成型。喷射球速度为10个/秒。SB2-Jet的另一个优点是具有返修功能，能够实现单个钎料凸点的移除和替换。在金焊盘上实现无钎剂的凸点制作。对于昂贵的高端产品来说可以提高产量和生产能力。哈尔滨工业大学采用无钎料锡球键合技术，实现了一种位传感器的封装，并对这种方法的工艺、键合焊点形态、焊点界面微观组织以及焊点可靠性等方面进行了详尽地研究。该微传感器器件的锡球键合采用Nd：YAG激光器。长波为1064nm。键合过程激光首先对准在待焊焊点的中部，然后激光开始沿焊点扫描，其扫描速度为10mm/s，扫描长度为30um，扫描结束后激光停止运动进行定点加热，加热时间为2um。其中预熔整个过程中都以氮气为保护器。这种方法可是实现直径范围为80120um的锡球键合，键合时间仅为10ms。2、光纤激光键合技术评价光电子器件的可靠性的一个重要指标是其服役过程中的传输效率，激光二极管和光纤之间的对准和精确连接是提高耦合效率并保证器件成熟效率的前提。对准需要达到微米甚至亚微米级精度，1um的对准偏差就会带来约60%的耦合损耗。光电子器件无法承受整体热冲击，决定了传统的整体加热法已不再适用，而常规的激光熔焊光纤键合法焊接温度高、街头变形大且残余应力大，难以保证服役过程中光纤位置不发生偏移。典型的蝶形封装由Kover合金外壳、热电制冷器、激光器芯片、光纤以及其他光学组件组成。为了便于固定，还需要一些机械元件如机械平台、光纤套筒及马鞍焊接支架。其光纤键合的工艺过程是：首先热沉焊到金属平台上，然后将激光器芯片钎焊到热沉上，再在金属基板上安放一个马鞍焊接支架，使激光片芯片处于工作状态，用监视激光二极管在光纤末端实时监测出纤光效率，通过微调架不断光纤位置，直至纤光效率到达最大值时，用两束处于同一平面内与竖直方向成45度夹角的能量相同的激光把焊接支架焊接到金属基板上，然后用相同的激光光束将光纤套筒焊到焊接支架上。哈尔滨工业大学提出激光软钎焊的方法实现激光与基板的键合。该方法基于无源自对准的思想，利用熔融钎料对物体的作用力对其位置偏移产生自动校正的原理，通过采用能量密度极高的激光束对器件局部短时间加热，避免了对整个光电子器件封装体的热冲击，有效地减小了接头变形并降低了残余应力。根据最小能量原理，自由液体总是趋向于自由表面最小的形态，即自由液体具有保持一定形态的能力。光纤自对准激光键合就是想利用熔融钎料的这种性质，来达到自对准的目的。在光纤激光键合焊点形成的不同阶段，光纤的运动受到不同因数的影响。键合开始时，决定光纤位置的主要是液体的表面张力。在钎料凝固过程中，钎料体积的收缩则会引起光纤的变形，导致光纤位置的变化。平衡状态下，光纤两侧的钎料分布均匀，光纤轴线在焊盘中轴线上。当光纤偏离焊盘中心时，将引起光纤两侧钎料分布的变化。钎料形态的不平衡使光纤受到力的作用，从而使光纤更加偏离或者回到焊盘中心。从静力学角度分析，光纤实现自对准的回复力由焊点三相线出钎料的表面张力和固液相界面上钎料对光纤的压力构成，且前者占主要地位。对光纤截面积受到的回复力计算公式进行推导得出回复力的大小取决于光纤两侧的相对位置。3、微电子互连技术DIP是典型的插装形式的封装，在组装到印刷线路板（PCB-printed Circuit Board)上时，引线插人PCB上的金属化孔，通过钎焊方法将引线和焊盘、金属化孔连接成一体，这称为插孔式组装（THT-Through hole technology)；对于QFP、SOT类的封装，器件引线与PCB表面的焊盘相贴，用钎焊相连接，称为表面组装(SMT-Surface mount technology)：而BGA类的封装，器件上的焊盘与PCB上的焊盘相对，之间用钎料相连接。在电子产品中，互连焊点的作用是实现电气连接和机械固定，在设计时主要以电气连接性能为主，接头形式服从电气设计原则，如信号传输特性、频率特性等。而从力学角度，普通PCB上的接头的设计与制造几乎违背了所有的结构设计原则。在封装中，涉及的材料主要为Au、Pt、Pa、A1、cu、Ni等具备良好导电性的有色金属材料，以薄膜、细丝的形式存在，其尺寸在微米数量级。在微组装和组装中，以厚膜、箔、条片状存在。这些薄膜、厚膜及箔都不是独立存在的，而是附着在硅片或基板表面。电子互连中的微连接方法：（1）丝焊方法：丝焊是电子封装制造中连接芯片上焊盘和芯片载体或引线框架的主要连接技术，从焊接的角度分类属于热压焊。从施加的能量形式有热压焊、超声压焊、超声热压焊方法，从接头形式有楔焊和球焊方法。丝的直径般在20微米左右，材料为一般Au。用氢氧焰或电弧熔化丝的端部，自然形成一个小球。芯片被加热到250350，用一定的压力，劈刀将小球压下与硅片上的铅膜接触，通过塑性变形破碎氧化膜，Au与Al之间相互扩散形成连接。过程的时间很短，一般在几十毫秒之内。由于温度低和过程的时问很短，因此在界面上不会象常规的扩散焊接头有明显的互结晶，而且接头内还残存着氧化膜，因此接头的完整性从传统焊接学的角度看是很差的。在加压的同时施加超声，可以通过机械摩擦加速氧化膜的破碎，提高连接强度，摩擦产生的热量可以把芯片加热到连接所需的温度。如果超声和加热同时作用+则可以提高接头强度，缩短连接时间，降低加热温度。（2）软钎焊方法：Sn基软钎料在室温下通常是塑性优良的自遇火合金，具有优良的吸收应力性能，而且没有加工硬化等问题。因其独特的性能，软钎料能将不同膨胀系数、不同刚度和不同强度等级的材料连接到一起。如果不是由于软钎料所具有的这种力学匹配能力，那么印刷电路板可能就不会存在了。在徽电子组装中，软钎焊占绝对主导地位，而在封装中，随着面封装技术的发展，软钎焊也在逐步广泛采用。1)波峰焊是插装式印刷线路板组装的常用方法，其特点是生产效率高，但对于表面组装形式的印刷线路板，容易产生元件阴影部位钎料不能进入、引线桥连、元件受热损坏等问题。对前两个问题，解决的方法有采用双波峰、Q波峰等改进的波峰焊方法。而采用在流焊技术可以有效地解决上述问题。2）在流焊 所谓在流焊是指在欲钎焊部位通过滴涂或印刷的方法预置一定量的钎料，然后加热使之熔化并形成接头的方法。根据加热热源的不同又有以下种类：红外在流焊 加热热源为红外加热板或红外灯，通过辐射加热。单纯通过红外辐射加热，加热效率低而且加热不均匀。红外热风在流焊方法可以获得均匀和高效率的加热，已经成为表面组装生产中的主流方法。红外在流焊或热风在流焊是主题整体式的加热方式元件也受到了焊接加热的影响，也存在元件损坏的可能性。同时，对于不同的元件都采用同样的焊接规范，为了照顾最难连接的元件，有可能造成较小元件的加热过度。激光在流焊 利用激光加热钎焊，可以实现只对待焊部位局部加热，因此可以有效避免元器件的损坏。同时还具有加热时间短、冷却速度快、接头组织细密，以及加热能量可以根据元器件状态实时调整等特点。已经在封装和组装中获得了广泛的应用。其缺点是生产效率要低于波峰焊和红外热风在流焊方法，般用于对连接质量或连接过程有较高要求的场合。利用这一技术还实现了BGA封装上的钎料小球高质量重熔。图8比较了激光重熔和热风重熔的小球表面质量，可以看到采用激光重熔的钎料小球其表面质量要好于热风重熔，而且没有出现偏移的缺陷。在激光软钎焊技术的基础上进行改进，还发展了激光/控制气氛无钎剂软钎焊技术、激村超声无钎剂软钎焊技术。4、微电子封装技术（1）纳芯片的封装纳芯片集成了数以百万计的晶体管，在不久的将来这类芯片可能需要10000个以上的IO引脚，芯片的工作功率将超过200w，可提供M2Hz的处理速度。就纳芯片的封装工艺而言，新的发展方向应该是去尽快适应纳芯片在高速、高频、及大容量化等性能方面的快速提高。美国乔治亚封装研究中心的Tummala教授明确提出微系统封装已经从毫米级、微米级走到了纳米级， Rao RTummala教授认为：封装对象的变化会导致封装方法的变化；新型纳米材料可满足纳互连的要求(比如纳米Cu，) 纳米材料将在纳米级封装中扮演重要角色；纳米制造工艺和工具将会对纳米级封装产生深远影响。Tummala教授认为，纳芯片需要纳封装，纳芯片时代的来临必然会慢慢影响现有的微电子封装技术而逐步走向纳封装的道路。乔治亚封装研究中心很早就提出了纳米圆片级封装(NWLP)的概念，他们预测的NWLP的互连方式的演进过程，实现最终的纳互连是大势所趋。纳米圆片级封装的互连节距的演进20um节距，50nm互连是发展方向。集成度超过10s的超大规模集成电路的发热功率可能达到400w，纳芯片的冷却问题也是封装必须重点考虑的问题。Zhimin Mo等人研制了集成碳纳米管的微通道冷却器，他们通过化学气相沉积的方法在热交换表面上大规模的生长出与表面垂直的碳纳米管，因为碳纳米管超高的热传导率使纳米管的温度非常接近热源的温度，所以流过碳纳米管的液体不需要很大的速度就可以带走极大的热量。对于纳封装来讲，碳纳米管是一种极具前途的封装材料。纳芯片封装中的互连技术更加苛刻：为保证电气信号衰减和延迟减小，互连引线要短；为了便于测试，互连共面性的要求也很高；尺度的减小也要保证互连的机械强度等问题。Aggarwal等人研究了薄膜绑定技术，这是一种无凸点的纳互连技术，这种互连方法把芯片引线的长度从凸点(bump)的高度降低到了薄膜的厚度。Aggarwal等人还通过等离子蚀刻法得到一定形状和尺寸的聚酰亚胺(PI)作为柔性凸点的芯子，然后在聚酰亚胺的表面化学镀铜。这种金属一聚合物凸点具有很强的韧性和较低的应力，在一定的温度和机械负载下，能够发生变形，增强了电气连接的可靠性。而传统方法制作超细节距金属凸点基本上依赖于减小凸点的三维尺寸，这样做的结果是降低了机械强度和耐热性。利用这种方式制作的柱状凸点的节距可为20um，直径为10um，高度为25um，满足了纳芯片超高密度IO的要求。Kripesh等人研究了焊膏印刷法制作超细节距凸点的技术，通过实验讨论了不同尺寸的焊料金属粒子所构成的焊膏的特性，检测了回流后凸点的切变强度，分析了影响凸点体积和高度的参数。利用这种低成本的凸点印刷制作法，成功地得到了节距为100um的无铅SnAgCu凸点和PbSn共晶凸点，并且凸点的高度误差在2um(共面性良好)，实验是在一个拥有4356个IO端口的圆片上做的。芯片的工作频率将会越来越高，对于封装在高频段工作的纳芯片来讲，开发出高频性能卓越的基板材料、并分析影响基板材料介电常数的主要因素也很有现实意义。（2） 系统（MEMS)的封装随着器件特征尺寸降低到100nm以下时，微机电系统(MEMS)就顺理成章地成为了纳机电系统。但是NEMS的应用远离商业化水平，所以对NEMS封装的研究成果还很少。YCLee等人提出的两步法对NEMs的封装很有现实意义。两步法的第一步是把纳米级的对象转化为微观对象，纳米级的器件实在是太小了，并且对外界环境很敏感，所以就要通过一定的方式把纳米级器件安置在微制造平台上。第二步就对微观对象进行直接封装，这一步可以应用MEMs的封装方法。从纳观到微观的转变过程也要需要进一步探讨，尽管扫描探针方法已经应用在操纵纳米级对象上了，但是对于连续的操纵和移置纳米级对象，这种方法不仅太慢，而且成本也很高，纳对象相互之问的附着力也会影响效率。自组装方法是一种很有前景的替代方法，它广泛地应用在制造和组装纳器件等领域，从超分子结构到整齐的纳晶体阵列，自组装方法都能够胜任。自组装是一种由小到大的制造途径，借助原子、分子内的作用力，把具有特定的物理化学性质的功能分子、功能原子精细地组成纳米尺度的分子线、膜和其他结构，再由纳米结构和功能单元进而集成为系统。许多纳器件都是靠化学合成方法制造的，如：利用有机化学方法制作的分子电子器件都是分散的形式，自组装可以移置这些器件到微平台上。同时，自组装还是一种高度并行处理的方法，它不需要一个一个的操纵元器件，大大提高了工作效率。3、电子封装陶瓷基片的相关技术电子陶瓷封装基片的性能与其制备工艺是息息相关的，任何工序都会影响最终产品的质量。多层陶瓷基片制备工艺技术比单层陶瓷要求更高，其典型工艺包括：流延成型、印刷图案、叠片和共烧。任何工艺都应严格控制，否则有可能引起不希望的缺陷，如分层、破裂、翘曲，尺寸的偏离会对电子元件的集成和电气性能都会产生影响。下面主要介绍多层陶瓷基片共烧技术和流延成型法。（1） 共烧技术 烧多层陶瓷基板是由单片陶瓷基板经过叠层、热压、排胶、烧结等工艺制成。由于共烧陶瓷多层基板的层数可以做得比较多，因此布线密度较高，互连线长度也能得到尽可能地缩短，从而组装密度和信号传输速度均得以提高。共烧陶瓷多层基板能适应电子系统小型化、高可靠、高速度、大功率的要求，所以获得了广泛应用。多层陶瓷共烧技术分为高温共烧和低温共烧。高温共烧主要适用予A1203、AlN等高温烧结材料，温度在16501850C之间；采用钨、钼、钼锰高熔点金属等为导电金属材料， 高温共烧的优点有：机械强度较高、热导率较高、材料成本较低、化学性能稳定、布线密度高z1。高温共烧陶瓷(HTCC)适用于制造陶瓷封装，而对于电路互连基板，由于所用难熔金属导体料钨、钼的电阻率较高，会引起较大的电路损耗。随着超大规模集成电路的出现，应用频率和电路速度越来越高，电子设备的小型化等趋势对高密度封装产生强烈的需求，这种需求导致了低温共烧陶瓷(LTCC)术的出现。低温共烧多层基板材料主要可分为3类：微晶玻璃系、玻璃一陶瓷系、非玻璃系。介电常数低、机械强度足够高、便于高频信号传输的LTCC多层基板的应用越来越多。计算机用封装基板、汽车控制电路用基板及其它高密度封装基板也更多采用这种多层布线陶瓷基板。LTCC主要采用低温(800900)烧结瓷料与有机粘合剂增塑剂按一定比例混合，通过流延生成生瓷带或生坯片，在生瓷带上冲孔或激光打孔，通孔金属化形成层与层之间的电连接、印刷导体图案，然后进行叠片、热压、排胶，最后于980以下低温烧结制成多层布线基板。LTCC基板与高温共烧陶瓷HTCC基板的区别是陶瓷粉体配料和金属化材料不同，在烧结上控制更容易，结构尺寸精度较高，烧结温度更低，工艺成本较低，可与Cu、Ag、船Pd和Au等共烧，介电常数低(6572，1MHz)、介电损耗小、热膨胀系数小(5356)10-6c)、抗弯强度大(250MPa)、可以无源集成等，尤其是其特别优良的高频性能，使其成为许多高频应用的理想材料。经过二三十年的开发和应用，LTCC已经日渐成熟和完善，在军事、航天航空、电子、计算机、汽车、医疗等许多领域获得了广泛应用。在电子陶瓷封装领域，LTCC代表着未来的技术发展方向。（2）流延成型 延成型(Tape-casting或Doctor-blading或Knife-coating)是电子陶瓷基片材料的一种重要的成型工艺。流延成型已经成为生产多层电容器(MLC)和多层陶瓷基片(MLCP)的主要技术。目前得到广泛应用的流延成形工艺为非水基流延成型工艺，即传统的流延工艺，其工艺包括浆料制备，球磨、脱泡、成型、干燥、剥离基带等工序。先将配好的粉料加上溶剂，必要时再加上抗聚凝剂、除泡剂、烧结促进剂等，在球磨罐中进行湿式混磨，使活性粉粒在溶剂中充分分散、悬浮、均匀化，然后再加入粘合剂、增塑剂、润滑剂等再次混磨，形成稳定、流动性好的浆料。经过真空除泡，进行流延机进行成型，坯片厚度由刮刀调整，最后经过合适温度、湿度等环境再将坯带脱模备用。该工艺的特点是设备简单、工艺稳定、可连续操作、生产效率高、可实现高度自动化。粉料、溶剂、分散剂、粘结剂以及塑性剂的选择对流延成型工艺非常重要，能直接影响流延浆料的性能，从而对素坯性能产生影响，最终影响烧结制品的性能。传统的非水基流延成型已经较为成熟，在陶瓷领域有广泛的应用。传统流延成型能够获得高质量的陶瓷基片，但由于所使用的有机溶剂，如甲苯、二甲苯等具有挥发性、毒性以及价格偏高等因素，造成生产条件恶化和污染环境、生产成本高，且有机物含量高，生坯密度低，容易产生开裂，影响产品质量。所以，人们已开始致力于水基流延法的研究。水基流延法降低了有机物的使用量且价格低廉、无毒性、不易燃，但此法有具有一些缺点：蒸发速度慢、所需粘结剂浓度高、坏体结合不充分等。为弥补上述两种流延工艺的不足，人们提出了一些新的流延工艺，如凝胶流延成型工艺、紫外引发聚合物成型工艺、流延等静压复合成型工艺等。4、电子封装的发展趋势随着微电子技术的发展，集成电路复杂度的增加，一个电子系统的大部分功能都可集成于一个单芯片封装内，这就要求微电子封装具有很高的性能：更多的引线、更密的内连线、更小的尺寸、更大的热耗散能力、更好的电性能、更高的可靠性、更低的单个引线成本等。随着对高密度、高导热、高性能、高可靠封装需求，一批新型陶瓷材料将实用于微电子封装，如热导率很高的SiC和A1N陶瓷，可在其基板上制作高电导率引线的低温烧威玻璃瓷等。随着集成电路集成度和复杂性的增加，封装的引线数也在不断增加，门阵列和MPU对封装引线数的要求较多，而存储器之类虽然器件的集成密度很高，但所需引线数并不多，一般不会超过50，其封装形式多数也是较便宜的TSOP或CSP等。5、结束语总之，随着技术的发展和新材料的不断发现，电子封装技术也在飞速发展着。各种先进性