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微连接技术

2016-03-14 13:39:00
sawchina
原创
2984
摘要:在微连接技术中,压焊方法主要用于微电子器件中固态电路内部互连接线的连接,即芯片(表面电极,金属化层材料主要为Al)与引线框架之间的连接。按照内引线形式,可分为丝材键合、梁式引线技术、倒装芯片法和载带自动键合技术。
1.微连接技术中的压焊方法 

在微连接技术中,压焊方法主要用于微电子器件中固态电路内部互连接线的连接,即芯片(表面电极,金属化层材料主要为Al)与引线框架之间的连接。按照内引线形式,可分为丝材键合、梁式引线技术、倒装芯片法和载带自动键合技术。 

1.丝材健合(wire-bonding) 
这种方法把普通的焊接 能源(热压、超声或两者结合)与健合的特殊工具及工艺(球-劈刀法、楔-楔法)相结合,形成了不同的健合方法,从而实现了直径为10~200μm的金属丝与芯片电极-金属膜之间的连接。 

(1)丝材热压键合 这是最早用于内引线键合的方法。热压键合是通过压力与加热,使接头区产生典型的塑性变形。热量与压力通过毛细管形或楔形加热工具直接或间接地以静载或脉冲方式施加到键合区。该方法要求键合金属表面和键合环境的洁净度十分高。而且只有金丝才能保证键合可靠性,但对于Au-Al内引线键合系统,在焊点处又极易形成导致焊点机械强度减弱的“紫斑”缺陷。 

(2)丝材超声波键合 超声波键合是在材料的键合面上同时施加超声波和压力,超声波振动平行于键合面,压力垂直于键合面。该方法一般采用Al或Al合金丝,既可避免Au丝热压焊的“紫班”缺陷和解决Al-Al系统的焊接困难,又降低了生产成本。缺点是尾丝不好处理,不利于提高器件的集成度,而且实现自动化的难度较大,生产效率也比较低。 

(3)丝球焊 丝材通过空心劈刀的毛细管穿出,然后经过电弧放电使伸出部分熔化,并在表面张力作用下成球形,然后通过劈刀将球压焊到芯片的电极上。该方法一般采用Au丝。近年来,国际上一直寻求采用Al丝或Cu丝替代Al丝球焊,到80年代,国外Cu丝球焊已在生产中应用。国内研制的Cu丝球焊装置,采用受控脉冲放电式双电源形球系统,并用微机控制形球高压脉冲的数、频率、频宽比以及低压维孤时间,从而实现了对形球能量的精确控制和调节,在氩气保护条件下确保了Cu丝形球质量。 

2.梁引线技术(beam-lead) 
采用复式沉积方式在半导体硅片上制备出由多层金属组成的梁,以这种梁来代替常规内引线与外电路实现连接。这种方法主要在军事、宇航等要求长寿命和高可靠性的系统中得到应用。其优点在于提高内引线焊接效率和实现高可靠性连接,缺点是梁的制造工艺复杂,散热性能较差,且出现焊点不良时不能修补。 

3. 倒装芯片法(flip-chip)和载带自动键合技术(TAB) 
随着大规模和超大规模集成电路的发展,微电子器件内引线的数目也随之增加。丝球焊作为一种点焊技术,不论是焊接质量、还是焊接效率都不能适应大规模生产的要求,群焊技术便应运而生。 

倒装芯片法在60年代由IBM公司开发,主要用于厚膜电路。这种方法在硅片上电极处预制钎料凸点,同时将钎料膏印刷到基板一侧的引线电极上,然后将硅片倒置,使硅片上的钎料凸点与之对位,经加热后使双方的针料熔为一体,从而实现连接。这种方法适用于微电子器件小型化、高功能的要求,但钎料凸点制作复杂,焊后外观检查困难,并且需要焊前处理和严格控制钎焊规范,所以应用有限。 

载带自动健合技术是在类似于135胶片的柔性载带粘结金属薄片,在金属薄片上经腐蚀作出引线框图形,而后与芯片上的凸点进行连接。目前的TAB中,广泛采用的是电镀Au的Cu引线框和芯片上的Au凸点,进行热压焊接。其优点是生产效率高,缺点是工艺也很复杂,成本较高,且芯片的通用性差。 

2.微连接技术中的软钎焊方法 

在微连接技术中,软钎焊主要用于微电子器件外引线的连接。外引线连接是指微电子器件信号引出端(外引线)与印刷电路板(PCB)上相应焊盘之间的连接。自1962年日本推出陶瓷基板球栅阵列(CBGA),1966年美国RCA公司推出片式电阻、电容,1971年Phlips公司正式提出表面组装(SMT)概念,到1991年Motorola公司推出树脂基板球栅阵列(PBGA),使BGA技术走向实用化,微电子器件的外引线连接技术完成了由通孔插装技术(THT)到SMT的历史性飞跃,极大地推动了微电子技术的发展。 

1.软针焊工艺 
目前微电子工业生产中常见部PCB为插贴混装方式,常用的软钎焊工艺为波峰焊和再流焊。 

(1)波峰焊 波峰焊是借助钎料泵把熔融态钎料不断垂直向上地朝狭长出口涌出,形成20~40mm高的波峰。这样可使钎料以一定的速度和压力作用于PCB上,充分渗入到待焊接的器件引线与电路板之间,使之完全润湿并进行焊接。由于钎料波峰的柔性,即使PCB不够平整,只要翘曲度在3%以下,仍可得到良好的焊接质量。 

在THT工艺中、主经采用单波峰焊。此时其缺点是钎料波峰垂直向上的力,会给一些较轻的器件带来冲击,造成浮动或虚焊。而在SMT工艺中,由于表面组装元件(SMD没有通孔插装元件(THD)那样的安装插孔,钎剂受热后挥发出的气体无处散逸,另外SMD具有一定的高度与宽度,且组装密度较大(一般5~8件/cm2),钎料的表面张力作用将形成屏蔽效应,使钎料很难及时润湿并渗透到每个引线,此时采用单波峰焊会产生大量的漏焊或桥连,为此又开发出双波峰焊(见图1)。双波峰焊有前后两个波峰,前一波峰较窄,波高与波宽之比大于1,峰端有2~3排交错排列的小波峰,在这样多头的、上下左右不断快速流动的湍流波作用下,钎剂气体都被排除掉,表面张力作用也被减弱,从而获得良好的焊接质量。后一波峰为双向宽平波,钎料流动平坦而缓慢,可以去除多余钎料,消除毛刺、桥连等焊接缺陷。双波峰焊已在PCB插贴混装上广泛应用。其缺点是PCB两次经过波峰,受热量较大,一些耐热性较差的PCB易变形翘曲。 

为克服双波峰焊的缺点,近年来又开发出喷射空心波峰。它采用特制电磁泵作为钎料喷射动力泵,利用外磁场与熔融钎料中流动电流的双重作用,迫使钎料按左手定则确定的方向流动,并喷射出空心波。依照流体力学原理,可使钎料充分润湿PCB组件,实现牢固焊接。空心波与PCB接触长度仅10~20mm,接触时间仅1~2s,因而可以减少热冲击。 

(2)再流焊 再流焊使用的连接材料是钎料膏,通过印刷或滴注等方法将钎料膏涂敷在PCB焊盘上,再用专用设备(贴片机)在上面放置SMD,然后加热使钎料熔化,即再次流动,从而实现连接。各种再流焊方法的区别在于热源和加热方法不同。 

1)红外再流焊。红外线辐射加热法一般采用隧道加热炉,热源以红外线辐射为主,适用于流水线大批量生产。且设备成本较低,是目前日本最普遍的再流焊方法。其缺点是SMD因表面颜色的深浅、材料的差异及与热源距离的远近,所吸收的热量也有所不同;体积大的SMD会对小型SMD造成阴影,使之受热不足而降低焊接质量;温度的设定难以兼顾周到。 

2)汽相再流焊。热源来自氟氯烷系溶剂(典型牌号为FC-70)饱和蒸汽的汽化潜热。PCB放置在充满饱和蒸汽的氛围中,蒸汽与SMD接触时冷凝并放出汽化潜热使钎料膏熔融再流。汽相再流焊应用最广的是美国。其优点是溶剂蒸汽可到达每一个角落,热传导均匀,可完成与产品几何形状无关的高质量焊接;焊接温度精确,(215士3)℃,不会发生过热现象。缺点是溶剂价格昂贵,生产成本高;如操作不当,溶剂经加热分解会产生有毒的氟化氢和异丁烯气体。 

3)激光 再流焊。热源来自CO2或YAG激光束,基于激光来优良的方向性和高功率密度,其特点是加热过程高度局部化;不产生效应力,热敏感性强的器件不会受热冲击;焊接时间短,焊点显微组织得到细化,抗热疲劳性能得到提高。缺点是作为再流焊方法唯一的点焊技术,生产效率根低。目前激光涛流焊主要用于引线节距在0.65~0.5m以下的高密度组装。如Philips公司研制的“Laser Number PLM1”在波峰焊或再流焊之后组装专用IC,引线节距达0.2mm也不会桥接。 

激光再流焊工艺可实现高度自动化且提供过程控制。国内研制成功的激光再流焊设备采用微机对激光器电源进行控制,实现加热能量的精确输出,焊点的定位采用人权示教方式,焊接过程在微机的控制下自动完成。 

2.软钎焊材料 

在微连接技术中,所用软钎焊材料多为传统的软钎料Sn-Pb合金和有机软钎剂,焊后一般须清洗。近年来,随着国际社会对环保问题的日益重视和激烈的市场竞争,国外相继开发出免清洗钎剂和无Pb钎料,并已商品化。 

(1)免清洗钎剂 氟利昂(CFC)溶剂是软钎焊过程中清洗钎剂残渣的主要溶剂,国际上已签署了2000年全面禁用CFC的公约。使用免清洗钎剂可去除清洗步骤,减少所得的生产设备和空间;节省与清洗工序相连的材料、能源、废物处理等方面的费用;与现有清洗溶剂不相容的微电子器件可得到广泛应用。 

典型的免清洗钎剂包含2%~5%(质量分数)的固体成分,通过增加溶剂的量和减少松香及活性剂的量来减少固体成分。活性剂系统特别选择为相对情性的,以最大程度降低其长期腐蚀性。载体一般为人造松香、树脂或改性松香,由于含有树脂的低渣钎剂依然含有卤化物,因此人造松香被认为是最佳选择。由于针剂中含有大量乙醇,因此必须加入其他溶剂或发泡剂来促进发泡,以保证钎剂能够施加于印刷电路板上。但是,过量的发泡剂将严重影响钎剂的腐蚀性。 

免清洗钎剂的技术难点如下: 
1)钎剂浓度的优化,能产生足够润湿,并最大限度减少残渣; 

2)为确定一给定工序的钎剂量,需明确其密度。但因为其组成中的乙醇具有很高的蒸气压,密度难以控制; 

3)由于乙醇具吸水性,免清洗钎剂吸水性明显。而钎剂中过量的水分将抑制钎剂活性,引起金属化层氧化; 

4)由于含有大量乙醇,低渣钎剂很难发泡(波峰焊中施加钎剂的重要方法); 

5)为完成高质量的软钎焊组装,免清洗钎剂要求的工艺参数窗口更为狭窄。 

(2)无Pb钎料 传统的软钎料为Sn-Pb合金,Pb具有毒性。开发无Pb钎料的技术关键在于找到一种或几种合金元素,使其与Sn形成的合金具有近似的熔点,从而不必改变现有工艺条件而实现即时替代,同时其润湿性能应与Sn-Pb合金相当。国外各主要公司相继推出自己的无Pb钎料专利配方,但目前实际生产中尚未大量应用。 
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