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微电子连接技术的发展
双击自动滚屏 发布者:chinaweld 发布时间:1/28/2008 阅读:6415

 

 

 

微电子连接技术的发展

 

 

  健,杨立军,徐立城,韩蓬勃

 

 

(天津大学  材料学院 ,天津 300072

 

 

摘要:  微电子连接技术是微电子封装技术中的重要环节。根据微电子封装技术的发展历程,介绍了芯片封装技术中的引线键合技术、载带自动键合技术、倒装芯片键合技术等微电子连接技术以及微电子组装中适合自动化、大批量生产使用的波峰和再流焊技术的应用现状,并对其发展趋势进行了分析。同时,通过对不同体系的无铅钎料的特点进行比较,指出Sn-Ag-Cu系列钎料是目前较好的选择。微电子连接技术将向小型化、高性能并满足环保要求的方向发展。

关键词:微电子封装;微电子连接;无铅钎料

中图分类号:TN305TG454    文献标识码:B

 

1  引言

微电子封装是将数十万乃至数百万个半导体元件(即集成电路芯片)组装成一个紧凑的封装体,由外界提供电源,并与外界进行信息交流。微电子封装所包含的范围应包括单芯片封装(SCP)设计和制造,多芯片封装(MCM)设计和制造,芯片后封装工艺,各种封装基板设计和制造,芯片互连与组装,封装总体电性能、力学性能、热性能和可靠性设计、封装材料等多项内容。微电子封装不但直接影响着集成电路本身的电性能、力学性能、光性能和热性能,影响其可靠性和成本,还在很大程度上决定着电子整机系统的小型化、多功能化、可靠性和成本,微电子封装越来越受到人们的重视。目前,表面贴装技术(SMT)是微电子连接技术发展的主流,而表面贴装器件、设备及生产工艺技术是SMT的三大要素。因而在微电子封装技术发展过程中,微电子连接技术也随之发展,自动化程度越来越高,加工过程也越来越精细。

2  微电子封装的发展历程及其连接技术的应用

2.1  发展历程

回顾集成电路封装的历史,其发展主要划分为以下几个阶段12

第一阶段,在20世纪70年代之前,以插装型封装为主。包括最初的金属圆形(TO型)封装、后来的陶瓷双裂直插封装(CDIP)、陶瓷-玻璃双列直插封装(CerDIP)和塑料双列直插封装(PDIP)。尤其是PDIP,由于性能优良、成本低廉又能批量生产而成为主流产品。插装型器件分别通过波峰焊接和机械接触实现器件的机械和电学连接。由于需要较高的对准精度,因而组装效率较低,器件的封装密度也较低,不能满足高效自动化生产的需求。

第二阶段,在20世纪80年代以后,以表面安装类型的四边引线封装为主的表面安装技术迅速发展。它改变了传统的插装形式,器件通过现流技术进行焊接,由于再流焊接过程中焊锡熔化时的表面张力产生自对准效应,降低了对贴片精度的要求,同时再流焊接代替了波峰焊,也提高了组装良品率。此阶段的封装类型如塑料有引线片式栽体(PLCC)、塑料四边引线扁平封装(PQFP)、塑料小外形封装(PSOP)以及无引线四边扁平封装等。由于采用了四面引脚,引线短,引线细,间距小,因此,在很大程度上提高了封装和组装的密度,封装体的电性能也大大提高,体积减小质量减轻、厚度减小,满足了自动化生产的需求。表面安装技术被称为电子封装技术的一大突破。

第三阶段,在20世纪90年代中前期,集成电路发展到了超大规模阶段,要求集成电路封装向更高密度和更高速度发展,因此集成电路封装从四边引线型向平面阵列型发展,发明了球栅阵列封装(BGA),堪称封装技术领域的第二次重大突破,并很快成为主流产品。到了90年代后期,电子封装进入超发展时期,新的封装形式不断涌现并获得应用,相继又开发出了各种封装体积更小的芯片尺寸封装。也就是在同一时期,多芯片组件(MCM)蓬勃发展起来。MCM将多个集成电路芯片和其他片式元器件组装在一块高密度多层互连基板上,然后封装在外壳内,是电路组件功能实现系统级的基础。可见,由于封装技术的发展越来越趋向于小型化、低功能、高密度方向发展,目前典型的就是BGA技术和CSP技术。

2.2  球栅阵列封装

20世纪90年代,随着集成技术的进步、设备的改进和深亚微米技术的使用,硅单芯片集成度不断提高,对集成电路封装要求更加严格,I/O引脚数急剧增加,功耗也随之增大。为满足发展的需要,在原有封装品种基础上,又增添了新的品种──球栅阵列封装,简称BGA。其采用小的焊球作为元件和基板之间的引线连接。这种BGA突出的优点包括3①电性能更好:BGA用焊球代替引线,引出路径短,减少了引脚寄生效应;②封装密度更高:由于焊球是整个平面排列,因此对于同样面积,引脚数更高;③BGA的节距与现有的表面安装工艺和设备完全相容,安装更可靠;④由于钎料熔化时的表面张力具有“自对准”效应,避免了传统封装引线变形的损失,大大提高了组装成品率;⑤BGA引脚牢固;⑥焊球引出形式同样适用于多芯片组件和系统封装。

2.3  芯片尺寸封装

19949月,日本三菱电气公司研究出一种芯片面积/封装面积=1:1.1的封装结构,其封装外形尺寸只比裸芯片大一点点。也就是说,单个IC芯片有多大,封装尺寸就有多大,从而诞生了一种新的封装形式,命名为芯片尺寸封装,简称CSPCSP是整机小型化、便携化的结果。它定义为封装后尺寸不超过原芯片的1.2倍或封装后面积不超过裸片面积的1.5倍。倒装焊和引线键合技术都可以用来对CSP封装器件进行引线。它具有更突出的优点:①近似芯片尺寸的超小型封装;②保护裸芯片;③便于焊接、安装和修整更换;④便于测试和老化;⑤电、热性能优良。

3  微电子焊接及微连接技术

3.1  微电子焊接研究的重要性

在微电子元器件制造和电子设备组装中,焊接(或称连接)技术是决定产品最终质量的关键一环。在一个大规模集成电路中,少则有几十个焊点,多则达到几百个焊点,而在巨型计算机的印刷线路板上焊点数目达到上万。这些焊点中只要有一个焊点失效就有可能导致整个元器件或整机停止工作。有统计数字表明4,在电子元器件或电子整机的所有故障原因中,60%以上为焊点失效所造成的。可见焊接(连接)技术是电子工业生产技术中较为薄弱的环节。

3.2  芯片焊接技术

3.2.1  引线键合技术

引线键合(WB)技术是将芯片I/O焊盘和对应的封装体上的焊盘用细金属丝一一连接起来,一次连接一根。引线键合时,采用超声波焊将一根细引线──一般是直径25μm的金属丝的两端分别键合到IC键合区和对应的封装或基板键合区上5。这种点到点工艺的一大优点是具有很强的灵活性。该技术通常采用热压、热超声和超声方法进行。热压键合和热超声键合都是先用高压电火花使金属丝端都形成球形,然后在IC芯片上球焊,再在管壳基板上楔焊,故又称球楔键合。其原理是:对金属丝和压焊点同时加热加超声波,接触面便产生塑性变形,并破坏了界面的氧化膜,使其活性化,通过接触面两金属之间的相互扩散而完成连接。球焊条件一般为:毛细管键合力小于0.98N,温度150200,毛细管和引线上施加的超声波频率在60120kHz。球楔键合在IC封装中是应用最广泛的键合方法。

超声键合是利用超声波的能量,使金属丝与铝电极在常温下直接键合。由于键合工具头呈楔形,故又称楔压焊。其原理是:当劈刀加超声功率时,劈刀产生机械运动,在负载的作用下,超声波能量被金属丝吸收,使金属丝发生流变,并破坏工件表面氧化层,暴露出洁净的表面,在压力作用下很容易相互粘合而完成冷焊。楔压焊常用的材料是掺硅铝丝。在高密度封装中,焊盘的中心间距缩小,当中心间距小于120μm时,球焊难以实现,需要采用超声波楔焊。目前,ф25μm金属丝、ф90μm焊盘中心间距的超声波楔焊机已成功地进入应用领域。

3.2.2  载带自动键合技术

载带自动焊(TAB)是一种将IC安装和互连到柔性金属化聚合物载带上的IC组装技术。载带内引线键合到IC上,外引线键合到常规封装或PWB上,整个过程均自动完成。为适应超窄引线间距、多引脚和薄外形封装要求,载带自动键合(TAB)技术应用越来越普遍。虽然载带价格较贵,但引线间距最小可达到150μm,而且TAB技术比较成熟,自动化程度相对较高,是一种高生产效率的内引线键合技术。

3.2.3  倒装芯片键合技术

倒装芯片键合技术是目前半导体封装的主流技术,是将芯片的有源区面对基板键合。在芯片和基板上分别制备了焊盘,然后面对面键合,键合材料可以是金属引线或载带,也可以是合金钎料或有机导电聚合物制作的凸焊点。倒装芯片键合引线短,焊凸点直接与印刷线路或其它基板焊接,引线电感小,信号间窜扰小,信号传输延时短,电性能好,是互连中延时最短、寄生效应最小的一种互连方法。

倒装芯片技术一般有2个较为关键的工艺。一是芯片的凸焊点的制作,另一个是凸焊点UBM的制作。凸焊点的制作方法有多种,较为常用的有:电镀江、模板印刷法、蒸发不地、化学镀法和钉头法。其中化学镀法的成本最低,蒸发法成本最高。但是,化学镀法制作的凸焊点存在一个很大的问题:镀层的均匀性比较差。特别是对于Au凸焊点,化学镀镀层均匀性有可能不能满足凸焊点高度容差的要求。而钉头法制作Au凸焊点时,凸焊点下不需要有一多层金属薄膜──焊点下金属,即UBM,因而可以大大降低成本,但是,由于钉头法是逐个制作凸点,而且凸点尺寸较大,它仅适用于较少I/O端数的IC的封装(目前只占市场的0.3%)。因此,目前凸焊点的大批量作用普遍采用电镀法,占70%以上,其次是蒸发法和模板印刷法,除了部分钉头法和化学镀法制作的凸焊点外,凸焊点下都需要有UBMUBM处于凸焊点与铝压焊块之间,主要起粘附和扩散阻挡的作用。它通常由粘附层、扩散阻挡层和漫润层等多层金属膜组成。UBM的制作是凸焊点制作的一个关键工艺,其质量的好坏将直接影响到凸焊点质量、倒装焊接的成功率和封装后凸焊点的可靠性。UBM通常采用电子束蒸发或溅射工艺,布满整个圆片。需要制作厚金属膜时,则采用电镀或化学镀工艺。

与引线键合和自动载带焊相比,由于倒装芯片技术所具有的优点适合于轻、薄、短、小型和多I/O端数IC的封装,倒装芯片技术将会成为微电子封装技术发展的主流。

3.3  微电子封装与组装中的焊接技术

微电子焊接一般用锡基钎料的钎焊技术,锡钎焊方法有多种,但适合自动化、大批量生产的主要是波峰焊和再流焊技术。

3.3.1  波峰焊

波峰焊是通孔插装最常用的焊接方法6。组装板一般被放在一夹具上,该夹具夹着组装板通过波峰焊接机,要经历助焊剂的供给、预热区域、焊峰焊接以及与助焊剂类型有关的清洗工艺。在进行波峰焊接时,板的底部刚好碰到钎料,所有元件的引脚同时被焊接。波峰焊有时采用氮气等惰性气体来提高钎料的润湿性能。钎料和板的整个底面接触,但只是没有阻焊剂的板上金属表面才被钎料润湿。

波峰焊技术适合于插装型电子线路的规模化生产,在当前的电子工业中仍具有重要地位,但随着IC电路高密度、小型化的发展,体积更小的表面贴装型电路占的比例越来越大。在焊接形状变化多样、管脚间距极小的元件时,波峰焊技术有一定局限性。与此相应的再流焊技术越来越显示出其重要性。目前波峰焊技术的主要发展方向是适应无铅焊接的耐高温波峰焊。

3.3.2  再流焊

所谓的再流焊(reflow soldering)就是通过加热使预置的钎料膏或钎料凸点重新熔化即再次流动,润湿金属焊盘表面形成牢固连接的过程7。常用的再流焊热源有红外辐射、热风、热板传导和激光等。

再流焊温度曲线的建立是再流焊技术中一个非常关键的环节。按照焊接过程各区段的作用,一般将其分为预热区、区、再流区和冷却区等4段。预热过程的目的是为了用一个可控制的速度来提高温度,以减少元件和板的任何热损坏。保温主要是为了平衡所有焊接表面温度,使SMA上所有元件在这一段结束时具有相同的温度。再流区域里加热器的温度设置得最高,使组件的温度快速上升至峰值温度,一般推荐为焊膏的熔点温度加2040。而冷却过程使得钎料在退出加热炉前固化,从而得到明亮的焊点并有好的外形和低的接触角度。

目前再流焊工艺中比较成熟的是热风再流和红外再流焊。随着免清洗和无铅焊接的要求,出现了氮气焊接技术。适应无铅焊接的耐高温再流焊成为该技术重要的发展方向。

4  无铅钎料的发展

长期以来,锡铅(Sn37Pb)钎料以其较低的熔点、良好的性价比以及易获得得而成为低温钎料中最主要的钎料系列,研究结果表明,铅在Sn-Pb钎料中起着重要作用:①有效降低合金的表面张力,进而促进润湿和铺展;②能阻止“锡瘟”发生;③促进钎料与被焊件之间快速形成键合。但是铅是一种具有毒性的金属元素,长期与含铅物质接触将对人体健康造成危害随着人类环保意识的日益增强,大范围禁止使用含铅物质的呼声越来越高。

目前,国际上公认的无铅钎料定义为:以Sn为基体,添加了AgCuSbIn其它合金元素,而Pb的质量分数在0.2%以下的主要用于电子组装的软钎料合金。

选择Sn-Pb钎料的替代合金应满足以下要求8-10:①其全球储量足够满足市场需求;②无毒性;③能被加工成需要的所有形式;④相变温度(固/液相线温度)与Sn-Pb钎料相近;⑤合适的物理性能,特别是电导率、热导率、热膨胀系数;⑥与现有元件基板/引线及PCB材料在金属学性能上兼容;⑦足够的力学性能:抗剪强度、蠕变抗力、等温疲劳抗力、热机疲劳抗力、金属学组织的稳定性;⑧良好的润温性;⑨可接受的成本价格。

不同体系无铅钎料具有不同的特点:

1Sn-Bi系钎料:Sn-58Bi共晶熔点为138℃,比Sn-Pb钎料的熔点低,具具有更好的抗疲劳性能,适合于低温场合的焊接。通过添加Ag可以提高其抗拉强度和蠕变性能。添加Sn-Ag合金可减少焊点中空洞的出现,改善钎料的焊接性能。因Bi需要从Sb的副产品中提取,若限制铅的使用,则Bi的来源受到影响,且Bi的再生利用很困难,故Sn-Bi-CuSn-Bi钎料的发展存在一定的局限。

2Sn-Zn系钎料:Sn-9Zn共晶温度为199,与Sn-Pb共晶钎料的熔点非常接近,力学性能优良,价格便宜。缺点是耐氧化腐蚀性能差,由于Zn的活性好,容易形成氧化膜而降低润湿性,焊膏保存时间短。可以通过调整助焊剂成分和采用氮气保护等手段来尽量弥补其耐腐蚀性差的不足。

3Sn-Sb系钎料:Sn-5Sb的共晶温度为245℃,比Sn-Pb合金的共晶点高出60℃,而且由于Sb稍具毒性,限制了它的开发和应用。

4Sn-In系钎料:Sn-In系合金共晶成分为Sn-51In,熔点为120℃。Sn-In基钎料可提供较好的热疲劳性能和抗碱性腐蚀性能,高强度,在Cu基体上的润湿性能好,且蒸汽压低,能用于高真空密封焊。但因In的活性很大且储量不多,价格昂贵,只能被用于特殊的场合。

5Sn-Ag系钎料:共晶成分Sn-3.5Ag的液相线温度为221℃,力学性能和抗氧化性能优越,很早就已经在许多产品中使用。缺点是熔点较高,润湿性较差,并有Cu的熔解和扩散。在Sn-3.5Ag中加入BiCuIn等元素可降低合金熔点,改善其润湿性,其中添加Cu可以大大改善合金的综合性能。

目前,最吸引人的是Sn-Ag-Cu系钎料,在该事金成分中,质量分数约为0.5%左右的Cu的作用是改善强度,质量分数3%~6%的Ag用于改善导电性。Sn-Ag-Cu合金的优点主要在于合金成分简单,合金中弥散分布有微细的Ag3Sn相,因此可实现优良的力学性能和高温稳定性。而且SnAgCu都是电子封装行业中使用最为普遍的元素,因此,Sn-Ag-Cu合金具有极大的发展潜力。

5  结语

在微电子封装技术方面经历了又列直插、四方扁平等阶段。目前球栅阵列封装已经成为主流产品,现在芯片尺寸封装和多芯片组件也在蓬勃发展。今后微电子封装将继续向高性能、高可靠性、多功能、小型化、薄型化、便携式及低成本方向发展,相关的连接技术也必须符合这种发展趋势。在所使用的封装材料方面有金属、陶瓷、塑料,而低成本的塑料是应用的主要方向。

对钎料而言,锡铅共晶钎料虽有许多优点,但鉴于Sb及其化合物的剧毒性对人类健康和生活环境的危害,要求生产各种无铅钎料。目前最吸引人的是Sn-Ag-Cu系列,另外还有Sn-0.7CuSn-3.5AgSn-ZnSn-Ag-Bi等无铅钎料。从世界发展趋势看,新型无铅钎料的成分设计趋向于合金的多元化,因多种合金元素的加入可提高其力学性能和可靠性。随着现代工业的发展,人们也更注重免清洗无铅钎料的开发和应用,这是降低生产成本和能耗、提高产品性能的有效途径。

参考文献:

1〕范  琳,袁  桐,杨士勇。微电子封装技术与聚合物封装材料的发展趋势〔J〕,新材料产业,20057(8)88-97

2〕李  枚。微电子封装技术的发展与展望〔J〕。半导体杂志,200025(5)32-36

3〕刘劲松,郭  俭。BGA/CSP封装技术的研究〔J〕。哈尔滨工业大学学报,200350(5)602604

4〕王春青。微电子焊接及微连接〔J〕。电子科技导报,19952(4)30-31

5〕王春青,李明雨,田艳红。电子封装中的微连接技术〔A〕。第十次全国焊接会议论文集〔C〕。黑龙江 哈尔滨:黑龙江人民出版社,2001107-118

6〕贾永平。波峰焊接技术的应用〔J〕。航天制造技术,200322(3)6-8

7〕吴含租,蔡均达。锡焊技术与可靠性〔M〕。北京:人民邮电出版社,1993,69-89

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9Jennie S, Wang H.Overview of lead-free solders for electronics & microelectronics[J]. Proceedings of Surface Mount International,1994405-521.

10〕马  鑫,董本霞。无铅钎料发展现状〔J〕。电子工艺技术,200223(2)47-52

 
 
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