釬焊與電子組裝技術(shù)-1

1、 School of Materials Science & Engineering釬焊與電子組裝技術(shù)釬焊與電子組裝技術(shù)Soldering & Electronic Packaging Technology 趙興科趙興科 School of Materials Science & Engineering目錄目錄1 1 電子組裝分級電子組裝分級2 2 電子組裝材料與元器件電子組裝材料與元器件3 3 芯片級互聯(lián)與鍵合技術(shù)芯片級互聯(lián)與鍵合技術(shù)4 4 板卡級互聯(lián)與釬焊技術(shù)板卡級互聯(lián)與釬焊技術(shù)5 5 電子組裝中的非焊接技術(shù)電子組裝中的非焊接技術(shù)6 6 電子組裝的可靠性電子組裝的可

2、靠性 School of Materials Science & Engineering1 電子組裝技術(shù)概述電子組裝技術(shù)概述簡單的電子產(chǎn)品如收音機、計算器、電視機等所含有的元器件不多，組裝在一塊印制電路板上，加上外殼就構(gòu)成一臺整機；復(fù)雜的電子設(shè)備如雷達、程控電話交換機、大型計算機等包含成千上萬個元器件，因此需要分級組裝。 School of Materials Science & Engineering電子組裝一般可分為六個組裝等級或組裝層次： 芯片級組裝 元器級組裝 電路級/組件級組裝 插件/制底板級組裝 分機級組裝 機柜級組裝1.1 電子組裝等級電子組裝等級 School

3、of Materials Science & Engineering School of Materials Science & Engineering層次層次1（第（第0級組裝），級組裝），芯片以及半導(dǎo)體集成電路元件的互聯(lián)與連接。層次層次2（第（第1級組裝），級組裝），單芯片組裝與多芯片組裝。單芯片組裝是對單個芯片進行組裝；多芯片組裝是將多個裸芯片裝載在陶瓷等多層基板之間，再進行氣密性封漿。層次層次3（第（第2級組裝），級組裝），將多層次單芯片或多芯片安裝在印制電路板PCB（PCB，Printed Circuit Board）等多層基板上，基板周邊設(shè)有插接端子，與母板和其它板

4、或卡的電氣互聯(lián)與連接。層次層次4（第（第3級組裝），級組裝），單元組裝。將經(jīng)過層次3裝配的板或卡，通過其上的插接端子構(gòu)成單元組件。層次層次5（第（第4級組裝），級組裝），多個單元搭裝成架，單元之間經(jīng)布線或電纜互聯(lián)與連接。層次層次6（第（第5級組裝），級組裝），總裝。將多個架排列，架與架之間經(jīng)布線或電纜互聯(lián)與連接，構(gòu)成大規(guī)模電子設(shè)備。 School of Materials Science & Engineering電子組裝工程上：層次1為零級組裝，層次2為一級組裝，層次3為二級組裝，層次4、5、6為三級組裝；習(xí)慣上，零級、一級組裝稱為電子封裝；二級和三級組裝稱為電子組裝。 School

5、 of Materials Science & Engineering電子設(shè)備組裝過程及電子組裝分類電子設(shè)備組裝過程及電子組裝分類 School of Materials Science & Engineering隨著倒裝組裝技術(shù)以及板上芯片組裝技術(shù)的大量應(yīng)用，一級和二級封技術(shù)之間的界限逐漸變得模糊起來。如將晶片直接裝在PCB上，通過導(dǎo)線鍵合將晶片與PCB互連的技術(shù)則為零至三級組裝。 School of Materials Science & Engineering1.1.1 零級組裝零級組裝半導(dǎo)體集成電路的制造有前工程和后工程之分。二者以硅圓片（Wafer）切分成晶片

6、（Chip）為界，在此之前為前工程，在此之后為后工程。前工程前工程從整塊硅圓片入手，經(jīng)過多次重復(fù)的制膜、氧化、擴散，包括照相制版，光刻和蝕刻等工序，制成三極管、集成電路等半導(dǎo)體元器件及電極等，開發(fā)材料的電子功能，以實現(xiàn)所要求的元器件特性；后工程后工程從由硅圓片切分好的一個一個的小晶片入手，進行裝片、固定、鍵合連接、塑料灌封、引出接線端子、檢查、打標(biāo)等工序，完成作為元器件、部件的組裝體，以確保元器件的可靠性并便于與外電路連接。 School of Materials Science & Engineering零級電子組裝典型工藝過程零級電子組裝典型工藝過程 School of Mater

7、ials Science & Engineering晶片級的連接方法引線鍵合WB（WB，Wiring Bonding）載帶自動鍵合TAB（TAB，Tape Automated Bonding）倒裝芯片F(xiàn)CP（FCP，F(xiàn)lip Chip Package） School of Materials Science & Engineering1.1.2 一級組裝一級組裝一級組裝就是微電子電路IC（Integrated Circuit ，集成電路）組裝，是電子組裝中最活躍、變化最快的領(lǐng)域。微電子電路在通信、導(dǎo)航、計算機及其控制系統(tǒng)等設(shè)備的電路中已被廣泛應(yīng)用，其功能種類也日益增多。微電子電

8、路技術(shù)的發(fā)展推動集成電路性能的不斷提高。 School of Materials Science & EngineeringIC是將大量的微電子元器件(晶體管、電阻、電容、二極管等)形成的集成電路放在一塊塑基上，做成一塊芯片。目前幾乎所有看到的芯片，都可以叫做IC芯片。 School of Materials Science & Engineering微電子電路比用分支器件制成的電路有許多優(yōu)點芯片把所有的組件作為一個單位印制，材料省和效率高；組件很小且彼此靠近，組件開關(guān)快速，消耗更低能量。目前每平方毫米可以達到一百萬個晶體管。 School of Materials Scien

9、ce & Engineering部分一級組裝元器件的結(jié)構(gòu)與外形部分一級組裝元器件的結(jié)構(gòu)與外形 School of Materials Science & Engineering1.1.3 二級組裝二級組裝二級組裝就是將IC、阻容元器件、接插件及其他元器件安裝在PCB形成板卡的過程。二級電子組裝分為穿孔插入式組裝技術(shù)穿孔插入式組裝技術(shù)THT（Through Hole Technology）表面安裝技術(shù)表面安裝技術(shù)SMT（Surface Mount Technology） School of Materials Science & EngineeringTHT組裝組裝以通孔

10、器件和插件為主，這些元器件通常有長長的引腳，印制電路板上預(yù)制對應(yīng)的安裝孔，元器件的引腳安裝到印制電路板的孔內(nèi)，并通過釬焊(手工烙鐵焊或波峰焊)與印制電路實現(xiàn)互連。 School of Materials Science & EngineeringTHT組裝適用于元器件較少的簡單電路，可以采用手工焊接，元器件和電路板的成本都比較低，至今仍有一定的市場份額。THT組裝 School of Materials Science & EngineeringSMT組裝時將表面貼裝器件SMD（SMD，Surface Mount Device），如電阻、電容、晶體管、集成電路等精確放置到涂了焊

11、膏的印制電路板上，并通過釬焊（再流焊或回流焊），形成電氣聯(lián)結(jié)。SMT組裝組裝 School of Materials Science & EngineeringSMT組裝隨著上世紀80年代自動貼片的需要，各種表面貼片焊接技術(shù)迅猛發(fā)展，已成為電子生產(chǎn)的主流技術(shù)。 School of Materials Science & Engineering1.1.4 三級組裝三級組裝三級組裝包括基板至分機的互連與連接；以及分機至分機、分機至機柜、機柜至機柜桓的互連與連接。對于大型、復(fù)雜設(shè)備，需要多個電路板互聯(lián)形成一個體系，共同完成所承擔(dān)的任務(wù)。 School of Materials Sci

12、ence & Engineering三級組裝常見電氣互連方式有連接器和線纜線纜是除了PCB、厚薄膜互連基板之外的重要互連手段，而且是分機與分機、分機與機柜、機柜與機柜之間互連必不可少的材料。常用的線纜有；電力電線、電話電纜、多芯電纜、屏蔽多芯電纜、同軸電纜、雙絞線扁電纜、三絞線扁電纜、扁平電纜、撓性印制電纜、光學(xué)纖維電纜（簡稱光纖或光纜）等。連接器是一種能使電路反復(fù)分開與連接的器件，一般包含插頭和插座兩部分。連接器結(jié)構(gòu)品種較多，詳細請查閱連接器手冊或產(chǎn)品樣本。 School of Materials Science & Engineering School of Materia

13、ls Science & Engineering School of Materials Science & Engineering1.2 電子組裝技術(shù)進展電子組裝技術(shù)進展1.2.1 芯片組裝技術(shù)芯片組裝技術(shù)自貝爾實驗室在1947年發(fā)明第一只晶體二極管開始，就進入了芯片組裝的時代。特別是杰克于1958年完成的第一個集成電路雛形（包括一個雙極性晶體管，三個電阻和一個電容器），標(biāo)志著以芯片為中心的現(xiàn)代電子制造技術(shù)的新紀元。 School of Materials Science & Engineering集成度集成度 小規(guī)模集成電路小規(guī)模集成電路SSI（Small Scal

14、e Integration），邏輯門10個以下或晶體管100個以下； 中規(guī)模集成電路中規(guī)模集成電路MSI（Medium Scale Integration），邏輯門11100個或晶體管1011k個； 大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路LSI（Large Scale Integration），邏輯門1011k個或晶體管1k10k個； 超大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路VLSI（Very large scale integration），邏輯門1k10k個或晶體管10k 100k個； 甚甚大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路ULSI（Ultra Large Scale Integration），邏輯門10k1M個

15、或晶體管100k10M個； 極極甚大規(guī)模集成電路甚大規(guī)模集成電路GLSI（Giga Scale Integration），邏輯門1M個以上或晶體管10M個以上。 School of Materials Science & Engineering 按功能結(jié)構(gòu)分類：按功能結(jié)構(gòu)分類：集成電路按其功能、結(jié)構(gòu)的不同，可以分為模擬集成電路和數(shù)字集成電路兩大類。 按按制作工藝分類制作工藝分類：集成電路按制作工藝可分為半導(dǎo)體集成電路和膜集成電路。膜集成電路又分類厚膜集成電路和薄膜集成電路。 按按導(dǎo)電類型不同分類：導(dǎo)電類型不同分類：集成電路按導(dǎo)電類型可分為雙極型集成電路和單極型集成電路。雙極型集成電路的

16、制作工藝復(fù)雜，功耗較大，代表集成電路有TTL、ECL、HTL、LST-TL、STTL等類型。單極型集成電路的制作工藝簡單，功耗也較低，易于制成大規(guī)模集成電路，代表集成電路有CMOS、NMOS、PMOS等類型。 按按用途分類：用途分類：集成電路按用途可分為電視機用集成電路。音響用集成電路、影碟機用集成電路、錄像機用集成電路、電腦(微機)用集成電路、電子琴用集成電路、通信用集成電路、照相機用集成電路、遙控集成電路、語言集成電路、報警器用集成電路及各種專用集成電路。 School of Materials Science & Engineering半導(dǎo)體前沿技術(shù)的發(fā)展趨勢半導(dǎo)體前沿技術(shù)的發(fā)展

17、趨勢 School of Materials Science & Engineering芯片組裝技術(shù)三個發(fā)展階段芯片組裝技術(shù)三個發(fā)展階段第一階段：第一階段：最早的集成電路使用陶瓷扁平組裝第二階段：第二階段：上世紀80年代，貼裝器件和貼裝組裝。第三階段：第三階段：上世紀90年代，芯片的引腳越來越多。第四階段：第四階段：上世紀90年代末到本世紀初，集成化、微型化。 School of Materials Science & Engineering最早的集成電路使用陶瓷扁平組裝，這種組裝很多年來因為可靠性和小尺寸一直沒有進入商用領(lǐng)域。最早的商用電路組裝是雙列直插組裝DIP，封裝材料開

18、始是陶瓷，之后是塑料。以通孔器件和插件為主，芯片組裝的形式主要配合手工錫焊裝配，因此通常有長長的引腳。典型的組裝為鐵殼三極管等分立器件和DIP。第一階段：第一階段： School of Materials Science & Engineering隨著上世紀80年代自動貼片的需要，各種表面貼片焊接技術(shù)迅猛發(fā)展。為配合SMT自動貼片的需要，出現(xiàn)了各種SMD組裝。這類組裝是將電子元件，如電阻、電容、晶體管、集成電路等等，精確放置到涂了焊膏的印制電路板上，并通過釬焊（再流焊）形成電氣聯(lián)結(jié)。第二階段：第二階段： School of Materials Science & Enginee

19、ring在20世紀90年代，芯片組裝從周邊“線”組裝成功發(fā)展到“面”組裝，球柵陣列封裝BGA（Ball Grid A）是“面”組裝的代表。第三階段：第三階段：這種組裝芯片的接口分布于整個芯片組裝體背面，保證了足夠的焊點尺寸和節(jié)距，工藝難度顯著降低，而可靠性卻大大增加。BGA組裝是目前主流的組裝形式。 School of Materials Science & Engineering提高組裝率（組裝體和晶片的尺寸比例）的要求變得越來越迫切，出現(xiàn)了各種芯片級組裝CSP（Chip Size Package or Chip Scale Package）。第四階段：第四階段：CSP封裝可以讓芯片

20、面積與封裝面積之比超過1:1.14，已經(jīng)相當(dāng)接近1:1的理想情況，絕對尺寸也僅有32平方毫米，約為普通的BGA的1/3，僅僅相當(dāng)于TSOP內(nèi)存芯片面積的1/6。與BGA封裝相比，同等空間下CSP封裝可以將存儲容量提高三倍。 School of Materials Science & Engineering隨著IC的飛速發(fā)展，器件引腳數(shù)越來越多，電路板互連線越來越多，對電子組裝的要求也越來越高。IC的發(fā)展與輸入/輸出端子I/O（Input/out）數(shù)量和引線線寬關(guān)系。 School of Materials Science & Engineering新一代電子組裝的特色可概括為多

21、引腳、窄間距、高組裝互連密度、高速度、高可靠、低成本、體積小、重量輕。無引線而使其天生具有寄生電容小、組裝密度高和可靠性高等一系列優(yōu)異的性能，特別是高頻性能大大提高。底層填充技術(shù)、導(dǎo)電膠技術(shù)、凸點技術(shù)、凸點下金屬化技術(shù)以及無鉛工藝技術(shù)的出現(xiàn)，大大促進了以BGA技術(shù)和倒裝技術(shù)FC為代表的組裝技術(shù)的應(yīng)用與普及，同時也給在電子組裝領(lǐng)域的研究人員提出了很多亟待研究的課題。 School of Materials Science & Engineering1.2.2 現(xiàn)代電子組裝方式及其工藝流程現(xiàn)代電子組裝方式及其工藝流程元器件和組裝設(shè)備是決定電子組裝方式及其工藝流程的兩大要素。最簡單最基本的組裝工藝就是單純的THT工藝或SMT工藝。 School of Materials Science & Engineering前者采用通孔組裝元器件和波峰焊，價格低廉，其基本工藝流程為：插裝-波峰焊-清洗-檢測-返修。采用貼裝元器件和再流焊RS（Reflow Soldering），特點是簡單、快捷，有利于產(chǎn)品體積的減小，其基本工藝流程為：印制-貼