電子封裝材料和工藝講課教案

1、 電子(dinz)封裝材料與工藝Electronic Packaging Materials & Technology余琨余琨中南大學(xué)中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院2011第一頁，共83頁。References:1. C.A. 哈珀哈珀美美主編主編, 賈松良等譯賈松良等譯, 電子組裝制造電子組裝制造, 科學(xué)出版社科學(xué)出版社, 北京北京, 20042. 宣大榮編著宣大榮編著(binzh), 無鉛焊接無鉛焊接微焊接技術(shù)分析與工藝微焊接技術(shù)分析與工藝設(shè)計(jì)設(shè)計(jì), 電子工業(yè)出版社電子工業(yè)出版社, 北京北京, 20083. 劉漢誠劉漢誠美美著著, 馮士維等譯馮士維等譯, 化學(xué)工業(yè)出版

2、社化學(xué)工業(yè)出版社, 北京北京, 2006第二頁，共83頁。第第1章章 集成電路芯片的發(fā)展集成電路芯片的發(fā)展(fzhn)和制造和制造1.1 真空管（電子管） 是由一個(gè)帶有電極引線的玻璃或金屬泡組成，電極引線通過玻璃引出并與模鑄在一個(gè)塑料管座內(nèi)的金屬管腳相連接。 當(dāng)電子管含有2個(gè)電極（陰極和陽極）時(shí)，這種電路稱為二極管。 在陰極和陽極間加入一個(gè)柵極（精細(xì)的金屬絲網(wǎng)），控制電子從陰極到金屬板（陽極）的流動(dòng)方法，對電子從陰極向陽極流向(li xin)產(chǎn)生巨大影響。在三電極的情況下可以使用一個(gè)真空管整流和放大微弱的無線信號，稱為三極管。第三頁，共83頁。第第1章章 集成電路芯片的發(fā)展集成電路芯片的發(fā)展(

3、fzhn)和制和制造造1.2 半導(dǎo)體材料 半導(dǎo)體具有完全不同于金屬的物理特性。半導(dǎo)體是共價(jià)的固體。 最重要的半導(dǎo)體材料是周期表A族的硅和鍺。 兩種或兩種以上(yshng)的元素形成共價(jià)鍵可以形成半導(dǎo)體化合物，如鎵和砷結(jié)合成的砷化鎵。 在IC芯片制造中使用的典型半導(dǎo)體材料： 硅、鍺、硒 GaAs、GaAsP、InP第四頁，共83頁。第第1章章 集成電路芯片集成電路芯片(xn pin)的發(fā)展和的發(fā)展和制造制造1.2 半導(dǎo)體材料 Ge是制造第一個(gè)晶體管和固態(tài)器件的元素半導(dǎo)體，但難加工，目前使用少； Si是最常用的半導(dǎo)體材料，90的芯片(xn pin)由它制造。硅儲(chǔ)量豐富且在高溫下仍能保持良好的電性能

4、。SiO2也具有IC制造的理想性能； GaAs可工作在較高工作頻率，具有低熱耗散、耐輻射、相鄰元件之間漏電少，屬于高性能用途半導(dǎo)體，但晶體生長和IC制造困難；第五頁，共83頁。第第1章章 集成電路芯片集成電路芯片(xn pin)的發(fā)展和制造的發(fā)展和制造1.3 集成(j chn)電路（IC） 一個(gè)集成(j chn)電路芯片是把元器件連在一起的集合體，在一個(gè)單片半導(dǎo)體材料上制造出一個(gè)完整的電子電路； 第一塊IC的構(gòu)思和建造為1958年Texas Instruments 公司的Jack Kilby。將晶體管、二極管、電阻、電容等用“飛線”互連； 1959年Fairchild 公司的Robert No

5、yce 將IC半導(dǎo)體元件在芯片內(nèi)互連，消除了“飛線”。 IC的復(fù)雜程度從1960年代的小規(guī)模集成(j chn)（SSI）發(fā)展到中規(guī)模集成(j chn)（MSI）、大規(guī)模集成(j chn)（LSI）并發(fā)展到105元件的超大規(guī)模集成(j chn)（VLSI）。第六頁，共83頁。第第1章章 集成電路集成電路(jchng-dinl)芯片的發(fā)芯片的發(fā)展和制造展和制造1.3 集成電路（IC）IC的五個(gè)主要用途： 汽車(qch) 高性能產(chǎn)品 高性價(jià)比產(chǎn)品 手提式產(chǎn)品 存儲(chǔ)器第七頁，共83頁。第第1章章 集成電路集成電路(jchng-dinl)芯片的芯片的發(fā)展和制造發(fā)展和制造1.4 集成電路（IC）芯片的制造

6、(zhzo) 硅是使用最多的IC制造(zhzo)材料第八頁，共83頁。第第1章章 集成電路芯片集成電路芯片(xn pin)的發(fā)展和制的發(fā)展和制造造1.4 集成電路（IC）芯片的制造1.4.1 晶體生長和晶圓片的制備晶圓片是構(gòu)成IC的半導(dǎo)體襯底。 精煉粗硅（制備化學(xué)純多晶硅加熱到1415熔化生長單晶硅切割(qig)晶圓片） 晶圓片厚度為0.5mm到0.75mm，采用0.152mm厚的金剛石涂層的不銹鋼刀片。 在410mm的晶錠上用0.17mm的線鋸一次切出所有晶圓片，采用黃銅涂層的不銹鋼絲。 晶圓片進(jìn)行鏡面光潔度研磨。第九頁，共83頁。第第1章章 集成電路集成電路(jchng-dinl)芯片的發(fā)

7、芯片的發(fā)展和制造展和制造1.4 集成電路(jchng-dinl)（IC）芯片的制造1.4.1 晶體生長和晶圓片的制備第十頁，共83頁。第第1章章 集成電路芯片的發(fā)展集成電路芯片的發(fā)展(fzhn)和制造和制造1.4 集成電路（IC）芯片的制造1.4.2 氧化在晶圓片上形成SiO2層。SiO2是用來構(gòu)造IC 元件電容和MOS晶體管的有效介質(zhì)。1200 氧氣中生長(shngzhng)0.2m厚度的SiO2層需要6min；生長(shngzhng)0.4 m厚度需要220min。影響因素：干燥的氧或氧與水蒸氣的混合氣體、壓力、溫度、晶體取向、時(shí)間第十一頁，共83頁。第第1章章 集成電路集成電路(jchn

8、g-dinl)芯片的發(fā)芯片的發(fā)展和制造展和制造1.4 集成電路（IC）芯片的制造1.4.3 光刻是一種圖形化工藝，組成IC電路的元件通過光掩模和刻蝕轉(zhuǎn)移到晶圓片上。類似照相(zho xing)過程，在玻璃的制成的光刻版上形成各種半導(dǎo)體層的圖形，然后轉(zhuǎn)移到硅晶圓片表面的光刻膠上。第十二頁，共83頁。第第1章章 集成電路集成電路(jchng-dinl)芯片的發(fā)芯片的發(fā)展和制造展和制造1.4 集成電路（IC）芯片(xn pin)的制造1.4.4 擴(kuò)散擴(kuò)散或摻雜是把雜質(zhì)原子注入純硅的單晶內(nèi)，使其轉(zhuǎn)變成n-型或p-型半導(dǎo)體。摻入銻、砷、磷得到n-型半導(dǎo)體；摻入硼得到p-型半導(dǎo)體；第十三頁，共83頁。第第

9、1章章 集成電路芯片的發(fā)展集成電路芯片的發(fā)展(fzhn)和制造和制造1.4 集成電路（IC）芯片的制造1.4.5 外延把一個(gè)薄層的硅（厚度約25 m）沉積在原來的硅表面上，并使用擴(kuò)散工藝中同樣(tngyng)的摻雜劑進(jìn)行摻雜，也屬于p-n結(jié)制造技術(shù)。主要采用CVD技術(shù)。常壓CVD （APCVD）；低壓CVD（LPCVD）;等離子體增強(qiáng)CVD（PECVD）.第十四頁，共83頁。第第1章章 集成電路集成電路(jchng-dinl)芯片的發(fā)芯片的發(fā)展和制造展和制造1.4 集成電路（IC）芯片的制造1.4.6 金屬化 在芯片表面上電路元器件部件與鍵合焊盤之間沉積導(dǎo)電材料，形成互連引線，稱為金屬化工藝。

10、 鋁、鋁合金、鉑、鈦、鎢、鉬、金可用于金屬化工藝。 鋁是最常用的金屬化材料，與Si和SiO2可以很好的粘附（低接觸電阻），容易真空沉積（沸點(diǎn)低），導(dǎo)電率高，容易通過光刻工藝布圖。 真空沉積和濺射是沉積鋁金屬化層的方法。 問題(wnt)：Al-Si共晶合金。解決辦法：TiW阻擋層；將1的Si加入Al中。第十五頁，共83頁。第第1章章 集成電路芯片的發(fā)展集成電路芯片的發(fā)展(fzhn)和制造和制造1.4 集成電路（IC）芯片的制造1.4.7 鈍化 在芯片金屬化后，為防止鋁互連電路受到水汽和污染(wrn)的侵蝕，通過氣相沉積在芯片電路上形成二氧化硅或氮化硅絕緣層或鈍化層。第十六頁，共83頁。第第1章章

11、 集成電路芯片的發(fā)展集成電路芯片的發(fā)展(fzhn)和制和制造造1.4 集成電路（IC）芯片(xn pin)的制造1.4.8 背面研磨 覆蓋鈍化層后，芯片(xn pin)需要減薄滿足封裝高度要求，晶圓片進(jìn)行背面研磨第十七頁，共83頁。第第1章章 集成電路芯片集成電路芯片(xn pin)的發(fā)展和制的發(fā)展和制造造1.4 集成電路（IC）芯片的制造1.4.9 背面(bimin)金屬化 芯片背面(bimin)要有一層金膜，通過真空蒸發(fā)或?yàn)R射沉積，使芯片背面(bimin)與芯片粘接區(qū)電接觸。第十八頁，共83頁。第第1章章 集成電路芯片的發(fā)展集成電路芯片的發(fā)展(fzhn)和制造和制造1.4 集成電路（IC）

12、芯片的制造1.4.10 電性能測試 按照預(yù)先確定的規(guī)范(gufn)對芯片進(jìn)行電性能測試。第十九頁，共83頁。第第1章章 集成電路集成電路(jchng-dinl)芯片的發(fā)芯片的發(fā)展和制造展和制造1.4 集成電路（IC）芯片的制造1.4.11 管芯分割芯片采用兩種方法分割 厚度小于0.25mm的芯片，采用金剛石刀具在晶圓片上劃出細(xì)的切割線，再用剝離膠帶(jiodi)使晶圓片斷裂； 厚度大于0.25mm的芯片，采用剝離膠帶(jiodi)和金剛石圓鋸切割。第二十頁，共83頁。第第1章章 集成電路芯片集成電路芯片(xn pin)的發(fā)展和制造的發(fā)展和制造1.4 集成電路（IC）芯片的制造1.4.12 p-

13、n-p雙極晶體管的典型(dinxng)結(jié)構(gòu)第二十一頁，共83頁。第第2章章 金屬金屬(jnsh)2.1 金屬和合金的選擇 選擇金屬材料時(shí)，要針對電子電氣工業(yè)中的要求(yoqi)進(jìn)行權(quán)衡。判據(jù)： 物理性能； 力學(xué)性能； 可制造性； 經(jīng)濟(jì)性；第二十二頁，共83頁。第第2章章 金屬金屬(jnsh)2.2 金屬和合金產(chǎn)品的形式 鑄造金屬產(chǎn)品 加工金屬產(chǎn)品 鑄造金屬形式是通過把熔融的金屬澆入需要的形狀的模具內(nèi)形成(xngchng)，沒有金屬變形發(fā)生。金屬的性能取決于： 鑄造工藝（砂模鑄造、熔模鑄造、壓鑄）； 鑄件致密性； 化學(xué)成分； 熱處理。第二十三頁，共83頁。第第2章章 金屬金屬(jnsh)2.2

14、金屬和合金產(chǎn)品的形式 鑄造金屬產(chǎn)品的重要性能 致密度孔隙度和非金屬缺陷少； 力學(xué)性能； 晶粒尺寸冷卻速度快則晶粒尺寸小，強(qiáng)度大； 金屬形狀薄壁小鑄件比致密度相同的厚壁大鑄件強(qiáng)度高； 鑄型材料； 鑄造技術(shù)和工藝特殊鑄造工藝的使用(shyng)，如半固態(tài)金屬加工技術(shù)、金屬注射成形技術(shù)制造Al/SiC和W/Cu第二十四頁，共83頁。第第2章章 金屬金屬(jnsh)2.2 金屬和合金產(chǎn)品的形式 壓力加工金屬產(chǎn)品的重要性能(xngnng) 加工的形式軋制、擠壓、拉拔、鍛造 組織結(jié)構(gòu)晶粒尺寸、晶體取向、致密度、夾雜物尺寸形狀、相 變形條件溫度（冷、熱加工） 強(qiáng)化加工硬化、沉淀強(qiáng)化、相變硬化第二十五頁，共8

15、3頁。第第2章章 金屬金屬(jnsh)2.3 金屬和合金產(chǎn)品的性能2.3.1 力學(xué)性能 常規(guī)力學(xué)性能室溫屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率 交變載荷（疲勞）允許(ynx)的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的抗拉強(qiáng)度，金屬將在低于屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度的應(yīng)力水平下失效。 持續(xù)載荷長時(shí)間持續(xù)載荷導(dǎo)致低于屈服強(qiáng)度的蠕變和斷裂發(fā)生，在高溫下和室溫下都有發(fā)生。 溫度影響強(qiáng)度隨溫度升高而降低。第二十六頁，共83頁。第第2章章 金屬金屬(jnsh)2.3 金屬和合金產(chǎn)品的性能2.3.2 物理性能 冷加工導(dǎo)致電導(dǎo)率降低； 熱處理對合金元素(yun s)和相結(jié)構(gòu)及分布有不同影響 溫度物理性能隨溫度變化逐漸變化。第二十七頁，共83頁。第

16、第2章章 金屬金屬(jnsh)2.3 金屬和合金產(chǎn)品的性能2.3.3 制造可行性 可成形性深拉 可機(jī)械加工性 連接螺栓連接、鉚接、焊接、硬釬焊、軟釬焊 可焊接性焊接開裂、焊縫耐蝕性、焊接接頭脆性(cuxng) 硬釬焊考慮后續(xù)熱處理 軟釬焊第二十八頁，共83頁。第第2章章 金屬金屬(jnsh)2.3 金屬和合金產(chǎn)品的性能2.3.4 性能比較(bjio) 屈服強(qiáng)度 零件可承受的最大應(yīng)力。第二十九頁，共83頁。第第2章章 金屬金屬(jnsh)2.3 金屬和合金產(chǎn)品的性能2.3.4 性能比較 彈性模量表征(bio zhn)了零件的剛度 比剛度Ti/Mg/Al，鈹?shù)谋葎偠仁浅Ｓ媒Y(jié)構(gòu)材料的612倍。第三十

17、頁，共83頁。第第2章章 金屬金屬(jnsh)2.3 金屬和合金(hjn)產(chǎn)品的性能2.3.4 性能比較 比強(qiáng)度第三十一頁，共83頁。第第2章章 金屬金屬(jnsh)2.3 金屬和合金產(chǎn)品的性能2.3.4 性能比較(bjio) 熱導(dǎo)率：Ag/Cu/Au/Al具有高熱導(dǎo)率，合金化會(huì)降低熱導(dǎo)率。第三十二頁，共83頁。第第2章章 金屬金屬(jnsh)2.4 鐵基合金2.4.1 鐵基合金概述 鐵元素含量大于或等于50的合金被稱為鐵基合金。也包含鐵含量低于50但其性能要求和鐵系合金很相似(xin s)的合金。 分類：結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)(jigu)用用鋼鋼碳素鋼碳素鋼合金鋼合金鋼高強(qiáng)度高強(qiáng)度低合金鋼低合金鋼超高強(qiáng)鋼

18、超高強(qiáng)鋼軋制軋制熱處理鋼熱處理鋼特殊用鋼特殊用鋼第三十三頁，共83頁。第第2章章 金屬金屬(jnsh)2.4 鐵基合金2.4.2 常用鐵基合金 碳素鋼和合金鋼 1xxx屬于(shy)C為主要合金元素的鋼； 2xxx屬于(shy)Ni為主要合金元素的鋼； 不銹鋼和特殊鋼 含有至少11左右Cr的鐵基合金； 磁鋼 高磁導(dǎo)率合金、永磁合金、不銹鋼、溫度補(bǔ)償合金第三十四頁，共83頁。第第2章章 金屬金屬(jnsh)2.4 鐵基合金2.4.3 鐵基合金磁學(xué)性能 高磁導(dǎo)率合金（軟磁合金）在合金內(nèi)磁流密度變化引起的磁滯損失小，在強(qiáng)磁場作用后剩磁低，在高度磁化后并不保留(boli)明顯的永久性磁性。 Ni-Fe

19、合金（3080Ni,其余Fe） 80Ni-4Mo-Fe合金、77Ni-1.5Cr-5Cu-Fe合金、49Ni-Fe合金 硅鐵合金（硅鋼片） 鈷鐵合金 永磁合金（硬磁材料） 溫度補(bǔ)償合金第三十五頁，共83頁。第第2章章 金屬金屬(jnsh)2.4 鐵基合金2.4.4 鐵基合金熱膨脹性能 合金的熱膨脹性能一般用材料的溫度變化引起單位(dnwi)長度的變化來表示； Invar合金（36Ni-Fe）是所有金屬（合金）中熱膨脹系數(shù)最小的。 玻璃金屬封接合金：金屬和玻璃之間的真空氣密結(jié)合。第三十六頁，共83頁。第第2章章 金屬金屬(jnsh)2.4 鐵基合金2.4.5 鐵基合金加工性能 深拉 焊接(hnj

20、i) 光化學(xué)加工 陶瓷金屬封接合金 彈性合金的不變模量第三十七頁，共83頁。第第2章章 金屬金屬(jnsh)2.4 鐵基合金(hjn)2.4.6 鐵基合金(hjn)電阻性能 大多數(shù)合金(hjn)的電阻率是隨溫度的升高而增大的。第三十八頁，共83頁。第第2章章 金屬金屬(jnsh)2.5 鋁和鋁合金2.5.1 鋁合金的一般性能 鋁的電學(xué)性能（純銅的62）； 鋁的熱導(dǎo)率高； 鋁的密度?。?鋁的比強(qiáng)度(qingd)高； 鋁的耐蝕性高； 鋁的可獲得性； 鋁的機(jī)加工； 鋁的連接。第三十九頁，共83頁。第第2章章 金屬金屬(jnsh)2.5 鋁和鋁合金2.5.2 鋁合金砂模鑄造(zhzo)、壓鑄、熔模鑄造

21、(zhzo)、金屬型鑄造(zhzo)、石膏模鑄造(zhzo)電子封裝中使用的鑄造(zhzo)鋁合金 通用鋁合金 A356； 可釬焊鋁合金 A612； 低熱膨脹鋁合金 高Si（1820）； 高強(qiáng)度鋁合金A220。第四十頁，共83頁。第第2章章 金屬金屬(jnsh)2.6 鈹和鈹合金2.6.1 鈹合金的一般性能 鈹具有綜合的物理和力學(xué)性能，可作為滿足熱性能和電性能要求的電子封裝材料。 鈹具有高的熱導(dǎo)率，高的熱容，是天然的輕質(zhì)熱沉材料。 Be, BeO ； AlBeMet鈹鋁合金（62Be） 鈹易被氯化物腐蝕，可采用陽極氧化涂層提高耐蝕性。 毒性BeO粉塵對身體(shnt)有害 Be的耐磨性好，工具

22、磨損厲害。第四十一頁，共83頁。第第2章章 金屬金屬(jnsh)2.7 銅和銅合金2.7.1 銅合金的一般性能(xngnng) 除銀之外，銅具有最高的電導(dǎo)率； 銅的成形性非常好，制造性好； 銅的可焊性好； 銅的表面可進(jìn)行電鍍精飾； 銅可以加工成各種大小和形狀的產(chǎn)品； 銅的熱導(dǎo)率高，可以作為熱沉材料使用； 銅和銅合金成本相對較低；第四十二頁，共83頁。第第2章章 金屬金屬(jnsh)2.7 銅和銅合金2.7.2 高導(dǎo)電率銅合金 工業(yè)純銅退火狀態(tài)下，100IACS(國際退火銅標(biāo)準(zhǔn)) 370產(chǎn)生氫脆，金屬內(nèi)的氧與氫氣(qn q)結(jié)合，不適合于釬焊場合，P脫氧Cu可制備無氧銅。 含銀銅銅中加入少量銀的

23、高導(dǎo)銅。100電導(dǎo)率，具有耐蠕變能力和高溫抗軟化能力，可在343進(jìn)行充分退火。 銅鋯合金0.15%Zr，改善高溫性能，稍微降低電導(dǎo)率； 銅碲合金90IACS，力學(xué)性能大幅度提高； 銅硫合金96IACS，力學(xué)性能大幅度提高。第四十三頁，共83頁。第第2章章 金屬金屬(jnsh)2.7 銅和銅合金2.7.3 黃銅（Cu-Zn合金） 隨鋅含量增加（30），抗拉強(qiáng)度增加； 隨鋅含量增加，電導(dǎo)率增加，熱導(dǎo)率降低； 隨鋅含量增加，韌性(rn xn)增加； 加入鉛改善機(jī)加工性能，0.5%4.5%。第四十四頁，共83頁。第第2章章 金屬金屬(jnsh)2.7 銅和銅合金(hjn)2.7.4 磷青銅（Cu-11

24、1Sn0.04%0.35%P合金(hjn)） 彈簧用2.7.5 鈹銅 綜合高強(qiáng)度和高電導(dǎo)率（1380MPa）第四十五頁，共83頁。第第2章章 金屬金屬(jnsh)2.8 鎂和鎂合金 是目前可用的金屬結(jié)構(gòu)材料中密度最小的。 可獲得鑄件、片材、板材、棒材、鍛件、型材。 鎂合金鑄件 鎂合金成形難成形著稱 連接(linji)鉚接、熔焊、硬釬焊第四十六頁，共83頁。第第2章章 金屬金屬(jnsh)2.9 鎳和鎳合金 高強(qiáng)度、高耐蝕性和高韌性 電導(dǎo)率高 磁致伸縮性能 Ni-Cu (Monel合金)彈簧材料使用 各種形式（薄片到細(xì)絲） 加工性好加工、連接、硬釬焊 合金化具備不同(b tn)磁性能和電性能 不

25、同(b tn)力學(xué)性能 第四十七頁，共83頁。第第2章章 金屬金屬(jnsh)2.10 鈦和鈦合金 極好的耐蝕性，適中的密度和良好的強(qiáng)度； 可在315下使用，超過(chogu)其它金屬； 電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率低； Ti（HCP)、Ti(BCC)、Ti型鈦合金。 高的力學(xué)性能（室溫1034MPa) 耐蝕性使用在化工領(lǐng)域 加工形式片材、板材、棒材、鍛件、型材 連接鎢基惰性氣體保護(hù)電弧焊第四十八頁，共83頁。第第2章章 金屬金屬(jnsh)2.11 高密度金屬(jnsh) 鉛、鎢、貧化鈾 鉛和鉛合金（11.35）配重首選材料 燒結(jié)鎢（17） 貧化鈾（18.5）第四十九頁，共83頁。第第2章章 金屬金屬(j

26、nsh)2.12 難熔金屬 鎢、鉬、鉭、鈮 極好的耐酸性 1000高溫下使用 鎢、鉬熱膨脹率低，可以(ky)與玻璃和陶瓷一起使用第五十頁，共83頁。第第2章章 金屬金屬(jnsh)2.13 貴金屬 相當(dāng)普遍的使用的電子設(shè)備上，用作表面材料 抗干擾電學(xué)性能和光學(xué)性能，使用金、銠、鉑 銀是金屬中電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率最高的金屬，作為各種引線和電觸電上的鍍層； 金用來(yn li)防止腐蝕，并提供低的電接觸表面； 銠具有很高的反射率，低的表面電阻、高的硬度和耐腐蝕性，適合作為電接觸表面和反射鏡面。第五十一頁，共83頁。第第3章章 軟釬焊軟釬焊(qin hn)材料和技術(shù)材料和技術(shù)3.1 電子封裝和組裝簡介 釬

27、料是所有三極連接（芯片、封裝和板級組裝）和互連材料。 錫/鉛釬料作為表面涂層用于元器件引線和表面鍍層。 實(shí)現(xiàn)金屬表面的電、熱和機(jī)械連接 表面組裝技術(shù)(jsh)可開發(fā)更高級的電路板組件，在金屬化的基板上將片式電阻、電容和半導(dǎo)體裸芯片互連，所有的元件和器件放置在印刷電路板表面上進(jìn)行板級組裝而不是插入電路板。第五十二頁，共83頁。第第3章章 軟釬焊軟釬焊(qin hn)材料和技術(shù)材料和技術(shù)3.1 電子封裝和組裝簡介表面組裝的優(yōu)點(diǎn)： 提高了電路密度； 縮小了元器件的尺寸； 縮小了電路板的尺寸； 減輕了質(zhì)量； 縮短了引線； 改善了電性能； 適應(yīng)自動(dòng)化生產(chǎn)(shngchn)； 降低了大規(guī)模生產(chǎn)(shngc

28、hn)的成本第五十三頁，共83頁。第第3章章 軟釬焊軟釬焊(qin hn)材料和技術(shù)材料和技術(shù)3.2 軟釬料合金 液相線溫度(wnd)低于400的可熔融合金。 軟釬料合金常用的元素：錫、鉛、銀、鉍、銦、銻、鎘 Sn Pb Ag Bi In Sb Cd 232 328 961 271.5 156.6 630.5 321.2 軟釬料合金可提供的形式： 棒、錠、絲、粉末、成形片、焊球、焊柱、焊膏 選擇原則 合金熔化溫度(wnd)、合金力學(xué)性能、冶金相容性、環(huán)境相容性、特定基板上潤濕能力、成分共晶還是非共晶 第五十四頁，共83頁。第第3章章 軟釬焊軟釬焊(qin hn)材料和技術(shù)材料和技術(shù)3.2 軟釬

29、料合金 Sn-Pb釬料合金成分和熔化范圍 70Sn/30Pb 183-193 63Sn/37Pb 183-183等共28種 軟釬料粉化學(xué)還原法、電解(dinji)沉積法、固體顆粒機(jī)械加工法、液相合金霧化法 力學(xué)性能應(yīng)力/應(yīng)變行為、抗蠕變性能、抗疲勞性能 軟釬料在電子封裝中經(jīng)歷低周疲勞（低于10000次） 第五十五頁，共83頁。第第3章章 軟釬焊材料軟釬焊材料(cilio)和技術(shù)和技術(shù)3.3 焊膏由釬料合金粉末、釬劑和載體的均勻、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的混合物，在一系列軟釬焊條件下形成冶金結(jié)合并適應(yīng)自動(dòng)化生產(chǎn)得到可靠和一致性的焊點(diǎn)。 釬劑用來清潔合金粉末和待焊基底(j d)，來得到高可靠的金屬連續(xù)性和形成良好

30、的潤濕性； 載體是承載合金粉末，獲得需要的流變性 物理形貌、穩(wěn)定性和保存期、黏度、冷塌度、通過細(xì)針頭的可滴涂性、粘附時(shí)間、曝露壽命、質(zhì)量和一致性、與待焊表面相容性、熔融前的流動(dòng)性、潤濕性、焊珠、毛細(xì)現(xiàn)象、殘留物的可清潔性、焊點(diǎn)外觀、焊點(diǎn)孔洞第五十六頁，共83頁。第第3章章 軟釬焊材料軟釬焊材料(cilio)和技術(shù)和技術(shù)3.4 釬劑和助焊確保待焊表面的“清潔”必須在軟釬焊過程中一直保持(boch)，這種清潔過程稱為助焊，使用的材料稱為釬劑或助焊劑。 松香基釬劑、水溶性釬劑和免清洗釬劑 釬劑可以配入焊膏或焊絲中，也可以作為獨(dú)立的化學(xué)物質(zhì)直接施加在元件和焊膏上。第五十七頁，共83頁。第第3章章 軟釬

31、焊軟釬焊(qin hn)材料和技術(shù)材料和技術(shù)3.5 軟釬焊方法工業(yè)使用的方法：傳導(dǎo)、紅外、汽相、熱氣體、對流、感應(yīng)(gnyng)、電阻、激光等。局部加熱：激光；溫度均勻：汽相；品種、產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)性：對流、紅外混合電路組件：傳導(dǎo)第五十八頁，共83頁。第第3章章 軟釬焊材料軟釬焊材料(cilio)和技術(shù)和技術(shù)3.6 無鉛釬料美國立法對鉛釬料進(jìn)行限制，低于0.1%；日本2003年完全停止使用無鉛釬料；歐洲RoHS指令禁止使用鉛、汞、鎘、六價(jià)鉻設(shè)計(jì)(shj)原則： 以Sn為基礎(chǔ)，合金元素有與Sn形成合金的能力； 與Sn合金化時(shí)，降低合金熔點(diǎn)第五十九頁，共83頁。第第3章章 軟釬焊軟釬焊(qin hn)材

32、料和技術(shù)材料和技術(shù)3.6 無鉛釬料合金體系(tx)的選擇： Sn/Ag/Bi Sn/Ag/Cu Sn/Ag/Cu/Bi Sn/Ag/Bi/In Sn/Ag/Cu/In Sn/Cu/In/Ga第六十頁，共83頁。第第3章章 軟釬焊材料軟釬焊材料(cilio)和技術(shù)和技術(shù)3.6 無鉛釬料合金(hjn)成分的選擇 Sn-3.03.5Ag/0.51.5Cu/4.08.0In Sn-3.03.5Ag/1.03.0Bi/0.50.7Cu Sn-3.33.5Ag/1.03.0Bi/1.74.0In Sn-0.50.7Cu/5.06.0In/0.40.6Ga Sn-3.03.5Ag/0.51.5Cu Sn-3

33、.03.5Ag/1.04.8Bi 99.3Sn/0.7Cu 96.5Sn/3.5Ag第六十一頁，共83頁。第第4章章 微電路與多芯片模塊微電路與多芯片模塊(m kui)的材料的材料與工藝與工藝l 混合微電子電路的基礎(chǔ)混合微電子電路的基礎(chǔ)(jch)(jch)是由某種耐熔陶瓷制造的基板。是由某種耐熔陶瓷制造的基板。l 在基板上，通過膜技術(shù)制作金屬化圖形形成安裝焊盤和電路布線，并用在基板上，通過膜技術(shù)制作金屬化圖形形成安裝焊盤和電路布線，并用來鍵合和互連必要的有源器件和無源器件。來鍵合和互連必要的有源器件和無源器件。l 多芯片模塊采用了更廣泛的基板材料和金屬化工藝，從而得到更高的封多芯片模塊采用了更

34、廣泛的基板材料和金屬化工藝，從而得到更高的封裝密度。裝密度。聚合物聚合物金屬陶瓷金屬陶瓷(jn sh to c)濺射濺射蒸發(fā)蒸發(fā)釬焊釬焊電鍍銅電鍍銅膜淀積技術(shù)膜淀積技術(shù)厚膜厚膜薄膜薄膜純銅純銅多芯片模塊多芯片模塊厚膜厚膜薄膜薄膜PC板板第六十二頁，共83頁。第第4章章 微電路與多芯片模塊的材料微電路與多芯片模塊的材料(cilio)與工藝與工藝4.1混合電路用陶瓷基板混合電路用陶瓷基板基板是一個(gè)基板是一個(gè)(y )電路的基礎(chǔ)，起著元器件安裝平臺電路的基礎(chǔ)，起著元器件安裝平臺的作用，必須與基板金屬化工藝以及元器件與金屬化的作用，必須與基板金屬化工藝以及元器件與金屬化布線附接工藝兼容。布線附接工藝兼容

35、。基板的性能要求：基板的性能要求： 高電阻率?；灞仨毦哂泻芨叩碾娮杪矢綦x相鄰的電高電阻率?；灞仨毦哂泻芨叩碾娮杪矢綦x相鄰的電路；路； 高熱導(dǎo)率。使正常工作的電子元器件產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)出高熱導(dǎo)率。使正常工作的電子元器件產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)出去；去； 耐高溫?；褰饘倩驮骷M裝在高溫下進(jìn)行；耐高溫。基板金屬化和元器件組裝在高溫下進(jìn)行； 耐化學(xué)腐蝕。抵抗熔劑、焊劑的侵蝕；耐化學(xué)腐蝕。抵抗熔劑、焊劑的侵蝕； 成本。成本與最終產(chǎn)品成本相適應(yīng)。成本。成本與最終產(chǎn)品成本相適應(yīng)。 第六十三頁，共83頁。第第4章章 微電路與多芯片微電路與多芯片(xn pin)模塊的材料模塊的材料與工藝與工藝 4.1混合電路(din

36、l)用陶瓷基板 陶瓷本質(zhì)是帶有非常少自由電子的晶體，具有很高的電阻，熱學(xué)和化學(xué)性能穩(wěn)定，并具有很高的熔點(diǎn)，非常適用很多微電子系統(tǒng)。 陶瓷常與金屬結(jié)合在一起形成復(fù)合材料用于熱管理。金屬陶瓷（cermet）復(fù)合材料具有低的熱膨脹系數(shù)和比陶瓷更高的熱導(dǎo)率，韌性更好，更抗應(yīng)力。第六十四頁，共83頁。第第4章章 微電路與多芯片模塊的材料微電路與多芯片模塊的材料(cilio)與工藝與工藝 4.2 陶瓷(toc)的熱性能 熔點(diǎn) SiC: 2700; BeO:2570 ; BN:2732 ; Al2O3:2000; AlN:2232 第六十五頁，共83頁。第第4章章 微電路與多芯片模塊微電路與多芯片模塊(m

37、kui)的的材料與工藝材料與工藝 4.2陶瓷的熱性能(xngnng) 熱導(dǎo)率材料載熱能力的度量q=-kdT/dxk熱導(dǎo)率 W/(mK); q熱流量 W/m2;dT/dx穩(wěn)態(tài)溫度梯度；比熱容每克物質(zhì)每升高1K所需要的熱量 c=dQ/dT第六十六頁，共83頁。第第4章章 微電路與多芯片模塊的材料微電路與多芯片模塊的材料(cilio)與工藝與工藝 4.2陶瓷(toc)的熱性能熱膨脹系數(shù)（TCE)溫度增加原子間距部對稱引起的。金屬和陶瓷(toc)在有意義的范圍內(nèi)顯示一種線性的各向同性關(guān)系。=L(T2)-L(T1) / L(T1)(T2-T1) ppm/K-1第六十七頁，共83頁。第第4章章 微電路與多

38、芯片微電路與多芯片(xn pin)模塊的材模塊的材料與工藝料與工藝 4.3 陶瓷(toc)基板的力學(xué)性能第六十八頁，共83頁。第第4章章 微電路與多芯片微電路與多芯片(xn pin)模塊的模塊的材料與工藝材料與工藝 4.3 陶瓷(toc)基板的力學(xué)性能 硬度努氏（Knoop）硬度金剛石：HK7000; BeO:HK1200; Al2O3:HK2100;BN:HK5000; AlN:HK1200; SiC:HK2500第六十九頁，共83頁。第第4章章 微電路與多芯片模塊微電路與多芯片模塊(m kui)的材料的材料與工藝與工藝 4.3 陶瓷基板的電學(xué)性能 電阻率（倒數(shù)電導(dǎo)率）陶瓷基板電導(dǎo)率很低，由

39、于存在雜質(zhì)和晶體缺陷不同(b tn)，電導(dǎo)率的變化很大； 擊穿電壓陶瓷在正常情況下是好的絕緣體，但是在施加高的電位時(shí)，可產(chǎn)生足夠的能量將電子從軌道中激發(fā)出去，同時(shí)又把其他電子從軌道中激發(fā)，產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，陶瓷的絕緣性被破壞，電流可以流動(dòng)。 局部功率耗散或環(huán)境溫度高，陶瓷表面潤濕的高濕度條件下，伴有表面污染時(shí)，擊穿電壓比本征值低很多。第七十頁，共83頁。第第4章章 微電路與多芯片模塊微電路與多芯片模塊(m kui)的材料的材料與工藝與工藝 4.4 典型陶瓷基板材料 氧化鋁 目前電子工業(yè)最常用的基板材料，在力、熱、電性能上具有綜合性能好的特點(diǎn)(tdin)。原料豐富，價(jià)格低，適合用于不同形狀。 密排六

40、方剛玉結(jié)構(gòu)，在1925還原氣氛中穩(wěn)定。 高溫共燒陶瓷用W,Mo/Mn作為導(dǎo)體在1600 燒結(jié)層壓； 低溫共燒陶瓷用Au,Pa/Ag作為導(dǎo)體在850 燒結(jié)層壓；第七十一頁，共83頁。第第4章章 微電路與多芯片微電路與多芯片(xn pin)模塊的材模塊的材料與工藝料與工藝 4.4 典型陶瓷基板材料 氧化鈹 具有極高的熱導(dǎo)率，比金屬鋁還高，熱導(dǎo)率在300 以上迅速降低，適用較低溫度熱沉； 密排立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)，在干燥氣氛2050穩(wěn)定。在1100 水解，在高溫下和石墨反應(yīng)生成碳化鈹； BeO通過鍵合銅的工藝實(shí)現(xiàn)金屬化。 可以(ky)加工成任何形狀，但粉塵有毒。第七十二頁，共83頁。第第4章章 微電路與多

41、芯片微電路與多芯片(xn pin)模塊的材料模塊的材料與工藝與工藝 4.4 典型陶瓷基板材料 氮化鋁 把AlN粉末合助燒劑CaO，Y2O3以及(yj)有機(jī)粘接劑混合，流延成需要的形狀，然后致密化燒結(jié)，必須在干燥的還原氣氛下燒結(jié)。 高的熱導(dǎo)率，并且與硅的TCE匹配 采用銅金屬化工藝。第七十三頁，共83頁。第第4章章 微電路與多芯片微電路與多芯片(xn pin)模塊的材模塊的材料與工藝料與工藝 4.4 典型陶瓷基板材料 金剛石 采用化學(xué)氣相沉積（CVD）生長。直接作為涂層沉積在難熔金屬、氧化物、氮化物上，具有非常高的熱導(dǎo)率，主要用于功率器件的封裝。但其比熱容較低，作為散熱片與熱沉材料一起(yq)工作效果較好。第七十四頁，共83頁。第第4章章 微電路與多芯片模塊的材料微電路與多芯片模塊的材料(cilio)與工藝與工藝 4.4 典型陶瓷基