第3章插裝元器件的封裝技術

第3章插裝元器件的封裝技術3.1概述

插裝元器件的管腳都帶有引線，適合進行插裝。

插裝元器件的封裝形式主要有PDIP、PGA和HIC用的金屬插裝外殼封裝。盡管插裝元器件封裝至2002年只占占封裝的10%左右，但其絕對數量仍有90多億塊。在今后相當一段時間內，插裝元器件與SMD在同一塊PWB上仍然要延用相當長一段時間。

在晶體管發(fā)明以前，有源器件一直采用真空電子管。但無論是電子管，還是晶體管，以及稍后出現的早期的集成電路（IC），因為I/O引腳數較少，都采用插裝式封裝結構。DIP封裝(Packing)

3.2插裝元器件的分類與特點

插裝元器件按外形結構分類：?

圓柱形外殼封裝（TO）；?

矩陣單列直插式封裝（SIP）；?

雙列直插式封裝（DIP）；?

針柵陣列封裝（PGA）。

這些封裝的外形不斷縮小，又形成各種小外形封裝。

插裝元器件按材料分類：?

金屬封裝（TO）；?

陶瓷封裝（SIP）；?

塑料封裝（DIP）；

其中，金屬封裝和陶瓷封裝屬氣密性封裝，多用于軍品和可靠性要求高的電子產品中。

各類插裝元器件的引腳節(jié)距多為2.54mm，DIP已形成4∽64個引腳的系列化產品。PGA能適應LSI芯片封裝的要求，I/O數可達數百個。幾種插裝元器件的外形結構如下圖所示。

雙排

封裝型(dual-in-linepackage)金屬罐

封裝型

(metalcanpackage)針柵陣列封裝型(pingridpackage)

插裝元器件

封裝形式

3.3主要插裝元器件的封裝技術3.3.1插裝型晶體管的封裝技術1.TO型金屬封裝技術

使用最早、應用最為廣泛的全密封TO型晶體管

封裝，內部結構如下圖所示。多引腳的TO型結構還可以封裝IC芯片。金屬封裝工藝：1、固晶：將芯片固定在外殼底座中心，常用Au-Sb合金（對PNP管）共熔或者導電膠粘接固化法使晶體管的接地極與底座間形成良好的歐姆接觸；對IC芯片，還可以采用環(huán)氧樹脂粘接固化法；（引腳與金屬殼的隔離：玻璃）2、焊線：在芯片的焊區(qū)與接線柱間用熱壓焊機或超聲焊機用Au絲或Al絲連接起來；接著將焊好內引線的底座移至干燥箱中操作，并通以惰性氣體或N2保護芯片；3、封裝：最后將管帽套在底座周圍的凸緣上，利用電阻熔焊法或環(huán)形平行縫焊法將管帽與底座邊緣焊牢，達到密封要求。

關鍵工序：粘片、焊線（裝架及引線焊接）工序塑封工序。2.TO型塑料封裝技術

裝架及引線焊接工序：將I/O引線沖制成引線框架，然后在芯片焊區(qū)將芯片固定，再將芯片的各焊區(qū)用WB法焊到其他引線鍵合區(qū)。制造、封裝流程： 劃片－擴晶—粘片－焊線－塑封－測試—上錫－沖筋成型－成品分選

塑封工序：按塑件大小制成一定規(guī)格的上下塑封模具（有數十甚至數百個相同尺寸的空腔），將引線框架放到模具腔體中，將塑料加熱至150∽180℃，加壓將塑封料壓到各個空腔中，開模，修整。

關鍵工藝技術：模塑時的壓力、粘度，及如何保持模塑時流道及腔體設計之間的綜合平衡。下圖為連續(xù)塑封成形略圖。3.3.2SIP和DIP的封裝技術1.SIP的封裝技術

單列直插式封裝(SIP)通常是用于厚、薄膜HIC及PWB。厚、薄膜HIC的基板多為陶瓷基板(如Al2O3)。電路不復雜,I/O引腳數不多,I/O引腳引向一邊。用電烙鐵將焊點焊牢,也可采用浸焊或再流焊。引線的節(jié)距有2.54mm與1.27mm之分。下圖是一種塑封SIP(PSIP)結構示意圖。2.DIP的封裝技術

雙列直插式封裝（DIP）是20世紀60年代開發(fā)出來的最具代表性的IC封裝結構，曾是中、小規(guī)模IC芯片的主導封裝產品，引線為4∽64，產品呈系列化、標準化，至今仍然大量延用。

有陶瓷全密封型DIP（CDIP）和塑封型DIP（PDIP），還有窄節(jié)距DIP（SDIP）等，其I/O引腳節(jié)距有2.54mm和1.27mm兩種。(1)CDIP(陶瓷熔封)的封裝技術(2)PDIP(塑料封裝)的封裝技術(1)CDIP的封裝技術

①陶瓷熔封DIP（CerDIP）的封裝技術

結構：底座、蓋板和引線框架三部分組成。底座和蓋板都是用加壓陶瓷工藝制作的。

基本工藝：A、準備底座和蓋板：玻璃漿料印刷到底座和蓋板上，再在空氣中燒成。B、裝框架：對陶瓷底座加熱使玻璃熔化，將引線框架埋入玻璃中。C、粘片：粘接IC芯片D、焊線：進行WBE、裝蓋板：把涂有低溫玻璃的蓋板與裝好IC芯片的底座組裝在一起，在空氣中使玻璃熔化，達到密封。F、電鍍：然后鍍Ni-Au或搪Sn。

②多層陶瓷DIP（CDIP）和封裝工藝

典型的多層陶瓷DIP（CDIP）的制作和封裝工藝流程如下圖所示。

生瓷料制備

流延制膜

沖片、沖腔

沖孔，并填充金屬化

電鍍Ni—Au

引線鍵合

外殼檢漏、電測試IC芯片安裝

金屬化印制

疊片、層壓

熱切

側面金屬化印制IC芯片檢測

封蓋

檢漏

成品測試

排膠、燒結

電鍍或化學鍍Ni

釬焊封口環(huán)和外引線

打印、包裝

CDIP的制作中,流延工藝十分重要,是多層陶瓷工藝的基礎。

還有一種要提及的工藝是沖孔工藝。這些層間通孔的作用是連接各層金屬化布線，因此在每層生瓷片精密沖孔后要填充金屬漿料。沖孔方法有機械沖孔法、激光沖孔法和光成形法。陶瓷基板的制作工藝流程流延機結構示意圖

塑料封裝用的樹脂（環(huán)氧模塑料）應具備如下條件：①熱膨脹系數:要盡可能與所包圍的PDIP各種材料相匹配。②在-65∽150℃的環(huán)境使用溫度范圍內能正常工作。③吸水性要?、芤辛己玫奈锢硇阅芎突瘜W性能。

塑料封裝優(yōu)點:產量大，工藝簡單，成本低,民品使用缺點:非密封性封裝，塑料有吸潮的缺點。(2)PDIP的封裝技術⑤要有良好的絕緣性能。⑥固化時間短。

為改善塑料封裝環(huán)氧樹脂的性能，還要添加一定的填料；為使PDIP具有一定的顏色，可添加一些調色素；為了塑封后易于脫模，要加入適量的脫模劑。2.PDIP封裝工藝（與TO塑封相同）制造、封裝流程： 劃片－擴晶—粘片－焊線－塑封－測試—上錫－沖筋成型－成品分選1.瓷片制備（生瓷料制備、流延制膜、沖片沖孔、金屬化、疊片層壓、排膠燒結、鍍Ni）2、釬焊引腳、鍍Au3、粘片4、焊線5、封蓋3.3.3PGA的封裝技術

針柵陣列封裝(PGA)是為解決LSI芯片的高I/O引腳數和減少封裝面積而設計的針柵陣列多層陶瓷封裝結構，其制作技術與CDIP的多層陶瓷封裝基本相同。下圖分別為PGA的一個層面的布線圖和外形圖。PGA257布線圖PGA的外形圖

PGA的針腳節(jié)距:2.54mm

排列:柵陣,腳多

氣密性，可靠性高 但制作工藝復雜、成本高，適于軍品使用。

PGA為BGA的前身從PGA(THT)到BGA(SMT)的演變3.3.4金屬外殼制造和封裝技術

金屬外殼封裝常是針對軍用電子產品的高可靠性而專門制作的，一般具有如下特點：1.金屬外殼封裝的特點

(1)封裝具有良好的熱性能、電性能和機械性能，能夠保護各類芯片、無源器件和布線免受大氣環(huán)境的侵蝕。

(2)使用溫度范圍廣，一般可達-65∽125℃。

(3)氣密性優(yōu)良，漏速小于1X10-3Pa?cm3/s(He)。

(4)封裝多為金屬外殼配合陶瓷基板封裝,封裝殼體常較大。

(5)封裝單芯片和厚、薄膜HIC。2.金屬外殼封裝的主要類型

按結構、功能和應用等分類：

淺腔式、平板式、扁平式、功率和AlN陶瓷基板外殼系列等。

這類外殼腔體及引腳材料：4J29可伐合金、鋼、銅、鉬及鎢銅合金等。引腳數可高達102個，殼體和引腳采用局部或全部電鍍Ni—Au，Ni鍍層厚5umm左右，Au鍍層為1∽2um厚。淺腔式雙列引腳外殼淺腔式四邊引腳外殼平板式四邊引腳外殼功率封裝外殼3.金屬外殼封裝技術

金屬外殼不能直接用來安裝元器件，大多通過陶瓷基板完成元器件的安裝和互連。這實際上是一種典型的HIC組裝/封裝工藝。下面以厚膜HIC的Al2O3陶瓷基板上組裝SMC/SMD及各類IC芯片為例，說明用金屬外殼封裝的工藝技術。(1)SMC/SMD與各類IC芯片的混合組裝技術特點(2)SMC/SMD與芯片的混合組裝工藝

基本工藝:制基板貼SMD,回流固定裸芯片點膠固晶焊線封帽金屬外殼內使用的多層基板主要包括各類陶瓷基板和Si基板，與PWB相比具有很多優(yōu)點,多是用于要求高的場合.①陶瓷基板的導熱系數比PWB基板要高一個數量級以上，再流焊時對元器件的熱沖擊很小。由于傳熱快，基板受熱均勻，焊接時溫度低，焊料熔化一致性好，焊接缺陷大為減少。由大功耗元器件產生的失效也大為減少。②陶瓷基板的CTE（熱膨脹系數）更接近SMC/SMD，而Si基板與IC芯片完全一致。它們的熱匹配好，界面應力大大降低，從而由熱循環(huán)造成的疲勞失效也大為降低。③可容許更高的功率密度，加上HIC能制作遠小于PWB基板的線寬和間距，因此，SMC/SMD和IC芯片的混合組裝密度高，而且多層布線內層還可以埋置R、C和IC芯片，使電子產品更易于實現小型化和微型化，且功率更大，功能更強。④化學穩(wěn)定性好，更抗外界環(huán)境的腐蝕等。

陶瓷基板或Si基板與PWB多層基板相比,有如下明顯的優(yōu)點：(1)SMC/SMD與各類IC芯片的混合組裝技術特點

金屬外殼內使用的多層基板主要包括各類陶瓷基板和Si基板，它們的組裝技術多是用于要求高的高檔電子產品，是典型的厚、薄膜HIC產品，當今的HIC產品也采用SMT。(2)SMC/SMD與芯片的混合組裝工藝

SMC/SMD與芯片的混合組裝工藝流程如下圖所示。

基板制備

組裝前清洗

貼裝SMC/SMD

再流焊

再流焊后清洗

封帽前檢驗

芯片貼裝、固化及清洗

芯片引線鍵合①成膜基板制備

成膜基板制備與常規(guī)制作厚膜HIC的工藝方法相同。②組裝前清洗

包括成膜基板和外殼的清洗。前者在干凈器皿中用丙酮和乙醇反復超聲清洗兩遍,后者因油污重,要徹底進行去油污處理。③貼裝SMC/SMD

由于HIC的成膜基板比通常PWB基板的尺寸小、裝配密度高，且基板往往要裝入外殼，所以對貼裝的要求也高。貼裝SMC/SMD的工藝流程如下。

各工藝其簡要實施要點介紹如下：SMC/SMD的固定與固化（膠+熱固）

基板與外殼底座裝配

基板背面無金屬化層裝配（粘膠，小功率、小尺寸場合）

基板背面有金屬化層裝配（焊膏，大功率、大尺寸場合）

完成SMC/SMD貼裝貼裝SMC/SMD的工藝流程：④再流焊

對陶瓷基板上SMC/SMD的再流焊一般采用三種方法：熱板再流焊、汽相再流焊和紅外再流焊。再流焊后的諸焊點要進行鏡檢,對不合格焊點要進行補焊。⑤再流焊后的清洗

再流焊后，焊劑除殘留在焊接的電極處外，由于焊劑的揮發(fā)，還沾污了整個基板表面。下一道工序要安裝許多芯片，這就必須進行清洗，以去除基板芯片粘接區(qū)和鍵合區(qū)的焊劑。⑥芯片的粘接、固化和清洗⑦芯片引線鍵合。⑧封帽前檢驗

設計人員先測試電性能，合格后專檢人員進行全面的“封帽前檢驗