先進連接技術在航空航天工業(yè)中的應用

1、連接技術在電子封裝中的應用 06014207（南昌航空大學 航空制造工程學院 南昌 330063）摘 要：介紹了微電子封裝中的微連接技術。結合微電子封裝技術的發(fā)展歷程，概述了微電子芯片封裝中引線鍵合、載帶自動鍵舍、倒裝芯片焊料焊凸鍵合、倒裝芯片微型焊凸鍵合等焊接技術以及微電子元器件組裝中波峰焊和再流焊技術的發(fā)展狀況。連接是電子產(chǎn)品制造中的關鍵技術之一，既是實現(xiàn)芯片設計性能的必由途徑；又是制約電子產(chǎn)品生產(chǎn)效率和可靠性的瓶頸。隨著芯片集成度的不斷增加、隨著對電子設備小型化、輕量化和高性能的不斷追求，連接技術面臨著緊迫的挑戰(zhàn)，但同時也為焊接技術的研究和開發(fā)者提供了巨大的機遇【1】。關鍵詞：微連接技術

2、；微電子封裝；進展；l 序言 近年來，我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛。已成為國家經(jīng)濟發(fā)展的主要驅(qū)動力量之一。在構成集成電路產(chǎn)業(yè)的三大支柱(集成電路設計、集成電路制造和集成電路封裝)之中，集成電路封裝在推進我國集成電路產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展過程中起到了重要的作用；多年來，我國集成電路封裝的銷售額在國家整個集成電路產(chǎn)業(yè)中一直占有70的份額【2】；從某種意義上講，我國集成電路產(chǎn)業(yè)是從集成電路封裝開始起家的，事實證明這是一條符合我國國情的發(fā)展道路。目前，全球集成電路封裝技術已經(jīng)進入第三次革命性的變革時期，對我國集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了一次難得的發(fā)展機遇。2 電子封裝的發(fā)展趨勢2.1芯片引線數(shù)目和芯片面積的發(fā)展趨勢莫爾

3、定律指出：集成電路的集成度幾乎每18個月增加倍，隨之其上的焊盤數(shù)目也在增加，但同時芯片面積的增加幅度要小于面積的增加速度導致單位面積上的引線數(shù)目在不斷增加，以高性能應用為例到2005年引線數(shù)目將增加到3000多個，而到2014年，芯片上引線數(shù)目估計會增加到8000余個。這一趨勢會一直保持下去，近期的情況如表1、2所示，遠期的情況如表3所示【3】。2.2封裝形式的變革過密的引線間距導致組裝時引線間橋連發(fā)生率增加，而且引線的尺寸和焊點的尺寸也過于微小，紿焊點強度、可靠性及承受電載荷的能力帶來問題。因此200個以上引線數(shù)目的芯片，其封裝已由焊點布置在封裝四周的邊緣封裝形式發(fā)展到布置在封裝的整個底面的

4、面封裝(Area package)形式【4】，如圖l所示。面封裝形式的特點是，在同樣的封裝面積下，獲得較大的引線或焊點間距。但是在引線數(shù)在400個以上的芯片其封裝已經(jīng)有各種方案但仍然處于研究之中。而對于2000條以上引線的芯片，采用何種封裝形式，現(xiàn)在還沒有解決方案【5】。表I到2005年各種類型芯片引線數(shù)目的增加趨勢1999200020012002200320042005Lowcost290313338365395426460Handheld368397429464501541584Cost Derfomlance7408219121012112312471384High performanc

5、e1600179220072248251828203158harsh240259280302327353381Memory128128128144144160160表2到2005年各種類型芯片面積的增加趨勢1999200020012001200320042004Lowcost53555759616365Handheld53555759616365Cost Derfomlance170170170191214225235High performance450450450509567595622harsh53555759616365harsh132139145152159167174表3到2014

6、年各種類型芯片引線數(shù)日的增加趨勢200820112014Lowcost160-580201-730254-920Handheld256-736322-927406-1167Cost Derfomlance740-1893932-25891174-3591High performance443762348758harsh40-48040-60440-761harsh48-18248-20048-220圖2顯示了集成電路封裝形式的演變過程，這種演變的動力來自于對器件的小型化和引線的高密度化的需求。2.3互連技術的發(fā)展圖2中，D球是典型的插裝形式的封裝，在組裝到印刷線路板上時，引線插人PCB上的金屬

7、化孔，通過釬焊方法將引線和焊盤、金屬化孔連接成一體，這稱為插孔式組裝,對于QFP、SOT類的封裝，器件引線與PCB表面的焊盤相貼，廂釬焊相連接，稱為表面組裝,而BGA類的封裝，器件上的焊盤與PCB上的焊盤相對，之間用釬料相連接【6】。三種連接接頭形式如圖3所示圖l元器件的邊緣封裝和面封裝形式圖2各種元器件封裝形式。(a)rHT連接接頭 (b)sMT連接接頭 (c)BGA連接接頭圖3三種典型的組裝互連接頭形式在元器件的封裝中，一直以絲焊為主，其接頭形式有兩種：楔焊和球焊，如圖4所示。但隨著芯片上焊點數(shù)目的不斷增加和為進一步縮小封裝面積逐漸在采用類似BGA焊點形式的倒裝芯片(Flip chip)方

8、法。圖4器件封裝互連絲焊焊點3 微電子互連焊點的特點31結構特點在電子產(chǎn)品中，互連焊點的作用是實現(xiàn)電氣連接和機械固定，在設計時主要以電氣連接性能為主，接頭形式服從電氣設計原則，如信號傳輸特性、頻率特性等。而從力學角度，普通PCB上的接頭的設計與制造幾乎違背了所有的結構設計原則。32材料特點在封裝中，涉及的材料主要為Au、Pt、Pa、AI、Cu、Ni等具備良好導電性的有色金屬材料，以薄膜、細絲的形式存在，其尺寸在微米數(shù)量級。在微組裝和組裝中，以厚膜、箔、條片狀存在。這些薄膜、厚膜及箔都不是獨立存在的而是附著在硅片或基扳表面【7】。4 電子互連中的微連接方法CO24.1絲焊方法 絲焊是電子封裝制造

9、中連接芯片上焊盤和芯片載體或引線框架的主要連接技術，從焊接的角度分類屬于熱壓焊。從施加的能量形式有熟壓焊、超聲壓焊、超聲熱壓焊方法。從接頭形式有楔焊和球焊方法。 圖5描述了絲球焊過程，絲的直徑一般在20微米左右，材料為一般Au【8】。用氫氧焰或電弧熔化絲的端部，自然形成一個小球。芯片被加熱到250-350，用一定的壓力，劈刀將小球壓下與硅片上的鋁膜接觸，通過塑性變形破碎氧化膜，Au與A1之間相互擴散形成連接。過程的時間很短，一般在幾十毫秒之內(nèi)。由于溫度低和過程的時間很短，因此在界面上不會象常規(guī)的擴散焊接頭有明顯的互結晶，而且接頭內(nèi)還殘存著氧化膜，因此接頭的完整性從傳統(tǒng)焊接學的角度看是很差的。圖

10、6是關于球焊連接機理的一種解釋的模式圖。圖5絲球焊過程圖6球焊連接機理 在加壓的同時旅加超聲，可以通過機械摩擦加速氧化膜的破碎，提高連接強度，摩擦產(chǎn)生的熱量可以把芯片加熱到連接所需的溫度。如果超聲和加熱同時作用，則可以提高接頭強度，縮短連接時間，降低加熱溫度【9】。4,2 軟釬焊方法 Sn基軟釬料在室溫下通常是塑性優(yōu)良的自退火合金，具有優(yōu)良的吸收應力性能，而且沒有加工硬化等問題。囡其獨特的性能，軟釬料能將不同膨脹系數(shù)、不同剛度和不同強度等級的材料連接到一起。如果不是由于軟釬料所具有的這種力學匹配能力，那么印刷電路板可能就不會存在了。在微電子組裝中，軟釬焊占絕對主導地位，而在封裝中，隨著面封裝技

11、術的發(fā)展，軟釬焊也在逐步廣泛采用。4.2.1波峰焊 波峰焊是插裝式印刷線路板組裝的常用方法，其特點是生產(chǎn)效率高，但對于表面組裝形式的印刷線路板，容易產(chǎn)生元件陰影部位釬料不能進入、引線橋連、元件受熱損壞等闖題。對前兩個問題，解決的方法有采用雙波峰、波峰等改進的波峰焊方法。而采用再流焊技術可以有效地解決上述問題。 圖7波峰焊示意 圖8再流焊一紅外輻射再流焊示意4.2.2再流焊 再流焊(reflow soldering)就是通過加熱使預置的釬料膏或釬料凸點重新熔化即再次流動，潤濕金屬焊盤表面形成牢同連接的過程。常用的再流焊方法有激光釬焊、紅外輻射再流焊、熱風再流焊和汽相再流焊等【10】 紅外再流焊

12、加熱熱源為紅外加熱板或紅外燈，通過輻射加熱。單純通過紅外輻射加熱，加熱效率低而且加熱不均勻。紅外熱風在流焊方法可以獲得均勻和高效率的加熱，已經(jīng)成為表面組裝生產(chǎn)中的主流方法。紅外在流焊或熱風在流焊是主題整體式的加熱方式，元件也受到了焊接加熱的影響，也存在元件損壞的可能性。同時，對于不同的元件都采用同樣的焊接規(guī)范，為了照顧最難連接的元件，有可能造成較小元件的加熱過度。 激光再流焊 利用激光加熱釬焊，可以實現(xiàn)只對待焊部位局部加熱，因此可以有效避免元器件的損壞。同時還具有加熱時間短、冷卻速度快、接頭組織細密，以及加熱能量可以根據(jù)元器件狀態(tài)實時調(diào)整等特點。已經(jīng)在封裝和組裝中獲得了廣泛的應用。其缺點是生產(chǎn)

13、效率要低于波峰焊和紅外熱風在流焊方法，一般用于對連接質(zhì)量或連接過程有較高要求的場合【11】。圖9再流焊一激光釬焊示意5 結束語 隨著集成電路的發(fā)展，未來微電子器件內(nèi)連接的對象將日趨復雜，尺寸更加微細，焊點間距更加密集，連接工藝將趨于多樣化，設備趨于精密化，熱源將逐漸由電能向超聲能、激光能擴展。芯片封裝內(nèi)部連接方式呈現(xiàn)出引線向焊球和硅片無焊球連接等非引線以縮短電氣連接路徑并縮小封裝尺寸的總趨勢。在傳統(tǒng)的引線鍵合之外發(fā)展了倒裝芯片連接和硅片鍵合工藝。引線鍵合在可預見的未來仍將是半導體封裝內(nèi)部連接的主流方式。倒裝芯片將作為高性能、高成本的內(nèi)部連接方式迅速發(fā)展并和引線鍵合長期共存，共同和硅片鍵合應用在

14、SiP、MCM、3D等新型封裝中【12】。微連接用材料將向高性能、低成本高可靠性、微細化、綠色化方向發(fā)展。參考文獻1 況延香，束頌春現(xiàn)代微電子封裝技術【M】成都：四川省電子協(xié)會SMT專委會1999 2 李志遠錢乙余，張九海先進連接方法【M】北京；機城工業(yè)出版社 2004.2383 葛勱沖微電子封裝中芯片焊接技術及其設備的發(fā)展【J】電子丁業(yè)專用設備，2000，29(4)：5-84 CHANG TC，HON MH，WANG MCIntermetallie compound formation and interfacial adhesion strength of Sn-9Zn-05Ag solder alloy hot-dipped on Cu substrateJJ Alloy Comp，2003，352(1-2)：1681745 王青春電子封裝和組裝中的微連接技術陰現(xiàn)代表面貼裝資訊，2004，3(6)：16 李枚微電子封裝技術的發(fā)展與展望【J】半導體雜志，2000，25(2)：32367 微電子封裝及微連接技術EBOLhttp：cob.Corn8 謝曉明.倒裝芯片技術簡介【J】.環(huán)球SM