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微电子封装与组装中的微连接技术的进展

发布时间:2018-09-08 07:42

  摘要:介绍了微电子封装和组装中的微连接技术。结合微电子封装技术的发展历程,概述了微电子芯片封装中引线键合、载带自动键合、倒装芯片焊料焊凸键合、倒装芯片微型焊凸键合等焊接技术以及微电子元器件组装中波峰焊和再流焊技术的发展状况。并介绍了无铅焊料的应用情况,对不同体系的微连接用无铅钎料合金的优缺点进行比较。最后对微连接技术在微电子封装与组装以及微连接用焊料进行了展望。


  关键词:微连接技术;微电子封装与组装;进展;无铅钎料;


  作者:张金勇等


  0前言


  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。微电子封装包括单芯片封装(SCP)设计和制造,多芯片封装(MCM)设种封装基板设计和制造,芯片互连与组装设计和制造,芯片后封装工艺,各封装总体电性能、力学性能、热性能和可靠性设计、封装材料等多项内容。


  微电子封装目前已经历了三个发展阶段[1-2]:第一阶段为20世纪80年代以前,封装的主体技术是针脚插装(PTH);第二阶段从20世纪80年代中期开始,表面贴装技术(SMT)成为最热门的组装技术,改变了传统的PTH插装形式,通过微细的引线将集成电路芯片贴装到印刷线路板(PCB)上,大大提高了集成电路的特性,而且自动化程度也得到了很大提高;第三阶段为20世纪90年代,随着器件封装尺寸的进一步小型化,出现了许多新的封装技术和封装形式,其中最具代表性的技术有球栅阵列(BGA)、倒装芯片(FC)和多芯片组件(MCM)等,这些新技术多采用了面阵引脚,封装密度大为提高,在此基础上,还出现了芯片规模封装(CSP)和芯片直接倒装贴装技术(DCA)。


  本研究在微电子封装发展历程的基础上,概述芯片封装所采用的引线键合、载带自动健合和倒装芯片键合等焊接技术,以及微电子其他元器件封装所采用的波峰焊和再流焊技术。通过综合比较每种焊接技术的优缺点,指出各自的发展方向。同时,也将介绍微连接用焊料发展状况,展望微连接技术以及微连接用焊料的发展前景。


  1微电子封装和组装中微连接的特点


  微电子工业中的封装和组装技术包括芯片的封装和其他微电子元器件的组装。在集成电路中少则有几十个焊点、多则有上千个焊点,甚至上万个焊点。这些焊点具有电气连接作用和机械固定作用,但有时一个焊点失效就有可能导致整个元器件或者整机停止工作,其影响效果非常显著。据文献[4]报导,在电子器件或电子整机的所有故障原因中,约70%以上为焊点失效所造成。因此,随着集成电路的大规模发展,对焊点的可靠性的提出更高要求,微电子产品焊接技术也引起了人们的极大重视,目前已开展系统的研究。人们习惯地将从事微电子生产工艺的科技工作称之为微电子焊接,而在焊接领域被称为微连接。


  在微电子工业生产中,由于微电子器件连接尺寸非常微小,已达微米级甚至纳米级。与常规焊接方法相比,微电子连接的特点如下[4]:


  (1)连接材料的尺寸变得极其微小,在常规焊接中被忽略或不起作用的一些影响因素此时却成为决定连接质量和可焊性的关键因素。如溶解、扩散、表面张力、应变量等。


  (2)微电子材料在形态上一般为薄膜、厚膜、箔等,且多为附着在基板材料上的金属复合层。由于微电子材料结构、性能的特殊性,需要采用特殊的连接方法,且不能对器件的功能产生任何影响。


  (3)由于连接接头的界面在服役过程中所受到的力、热等作用会随时间而发生变化,将影响连接的力学、电气性能及可靠性。因此要求连接精度很高,键合时间很短,对加热、加压等能量的控制要求非常精确。


  2微电子封装和组装中的微连接技术


  2.1芯片焊接技术


  在微电子封装第三阶段,出现了许多新的封装技术和封装形式,其中最具代表性的技术有球栅阵列(BGA)、倒装芯片(FC)和多芯片组件(MCM)等,这些新技术多采用了面阵引脚,封装密度大为提高,在此基础上,还出现了芯片规模封装(CSP)和芯片直接倒装贴装技术(DCA)。这些新型封装都可以通过引线键合、载带自动健合和倒装芯片键合等焊接技术来实现高密度、高可靠性封装[5]。


  2.1.1引线键合技术


  引线键合技术(WB)技术又称线焊,即将裸芯片电极焊区与电子封装外壳的输入/输出引线或基板上的金属布线焊区用金属细丝连接起来。通过加热、加压、超声波等能量方式去除表面氧化膜,借助于球-劈(Ball-Wedge)或楔-楔(Wedge-Wedge)等键合工具实现连接。按外加能量形式的不同可分为热压键合、超声波键合、热超声波键合。根据键合工具的不同,又可分为球键合和楔键合。


  热压键合和热超声键合都是先用高压电火花使金属丝端部形成球形,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。两种方法的区别在于热压键合采用加热加压,而热超声键合采用加热加压加超声。热超声键合通过加超声可降低热压温度,提高键合强度,提高了器件的成品率,将逐步取代了热压键合。


  球楔键合在芯片封装中是应用最广泛的一种键合方法。其原理是:对金属丝和压焊点同时加热加超声,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实现连接。


  球楔键合要求产生的金属丝端球圆正。目前能满足此条件的材料为金丝和铜丝。金丝具有电导率大、耐腐蚀等优点,适用于高速键合和封装工艺。其不足是在高温条件下,金丝与芯片铝电极之间容易产生金属间化合物AuAl2和Au2Al,最终导致器件失效。铜丝产生的球形圆正度好,价格低,目前已进入应用领域,预计可成为理想的键合材料。


  超声键合利用超声波的能量,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,φ25μm金丝、90μm焊盘中心间距的超声波楔焊机已成功地进入应用领域[5]。


  2.1.2载带自动键合技术


  引线键合技术方便灵活、工艺简单、成本低、散热性好,但焊点面积较大而不利于组装密度的提高。载带自动键合技术(TAB)为了弥补引线键合技术之不足而发展起来的,但直至20世纪80年代后期才获得了较快发展。TAB技术是在类似于胶片的聚合物柔性载带上粘接金属薄片,在金属薄片上腐蚀出引线图形,然后与芯片上的凸台进行热压焊或热压再流焊而实现连接。聚合物柔性载带一般为聚酞亚胺;金属薄片通常采用Cu箔,少数为AI箔;芯片凸点材料一般为Au、Ni-Au、Cu-Au。采用TAB可提高生产效率和连接质量,其键合强度是引线键合的3~10倍,缺点是工艺复杂,成本高,芯片通用性差,芯片上凸台的制作和返修比较困难。


  由于TAB技术能适应超窄引线间距、多引脚和薄外形封装要求,虽载带价格较贵,但引线间距最小可达到150μm,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,应用越来越普遍。


  2.1.3倒装芯片键合技术


  倒装芯片键合技术(FCB)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,也可以是合金焊料或有机导电聚合物制作的焊凸。倒装芯片键合引线短,焊凸直接与印刷线路板或其他基板焊接,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。


  2.2微电子组装中的焊接技术


  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。微电子元器件焊接过程中,通孔元件一般采用波峰焊接方法,而表面贴装件则主要采用再流焊方法,如红外再流焊、热风对流再流焊、热板传导再流焊和激光再流焊等进行互连。在此将介绍波峰焊和再流焊的工艺及应用。


  2.2.1波峰焊


  波峰焊是通孔插装最常用的焊接方法。波峰焊示意如图2所示。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。波峰焊的特点为:大量焊点同时进行,效率高;适合于焊接点与元件分处电路板两面的插装式组装;相对于再流焊,设备较为便宜。


  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。但随着集成电路向高密度、小型化方向发展,体积更小的表面贴装型电路在集成电路中占的比例越来越大。波峰焊技术在焊接形状变化多样、管脚间距极小的元件时,显现出一定局限性。而与此相应的再流焊技术却表现出极大的优越性。


  2.2.2再流焊


  再流焊(reflowsoldering)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。常用的再流焊方法有激光钎焊、红外辐射再流焊、热风再流焊和汽相再流焊等[7](其示意图如图3~图6所示),但目前再流焊工艺中比较成熟的是热风再流焊法和红外辐射再流焊法。表2比较了这四种再流焊优缺点。从表2可知,红外再流焊和热风再流焊由于适合大批量生产仍然在电子封装与组装中占有重要地位;而激光再流焊因其可局部加热,对热敏感元件没有热冲击的优点而逐渐被人们所瞩目。


  3微连接用无铅钎料合金的研究进展


  随着环境、健康问题成为全球的关注焦点,电子封装材料和工艺面临着向“绿色”转变的挑战。此外,随着微细间距器件的发展,组装密度愈来愈高,焊点愈来愈小,而其所承载的力学、电学和热学负荷则愈来愈重,对可靠性要求日益提高。因此,无铅焊料的开发和应用,不仅对环保有利,而且还担负着提高电子产品质量的重要任务。表3比较了不同体系无铅钎料合金的优缺点[8-11]。根据表3可知,在几个候选合金系统中,Sn-Ag-Cu系是新一代代表性焊料,这种合金焊料具有优良的物理性能和高温稳定性,正在世界范围内推广使用,并成为各种无铅焊接工艺中的首选候补焊料。


  4展望


  随着集成电路的发展,未来微电子器件内连接的对象将日趋复杂,尺寸更加微细,焊点间距更加密集,连接工艺将趋于多样化,设备趋于精密化,热源将逐渐由电能向超声能、激光能扩展。芯片封装内部连接方式呈现出引线向焊球和硅片无焊球连接等非引线方式以缩短电气连接路径并缩小封装尺寸的总趋势。在传统的引线键合之外发展了倒装芯片连接和硅片键合工艺。引线键合在可预见的未来仍将是半导体封装内部连接的主流方式。倒装芯片将作为高性能、高成本的内部连接方式迅速发展并和引线键合长期共存,共同和硅片键合应用在SiP、MCM、3D等新型封装中[12]。


  微连接用材料将向高性能、低成本高可靠性、微细化、绿色化方向发展。目前微连接所采用的无铅焊料与传统Sn-Pb焊料相比,仍然存在浸润性差、熔点高、金属溶解速度快这三个不可忽视的弱点。而国际上推荐使用的几种无铅焊料在价格、浸润性、稳定性等方面虽然各有优势,却很难形成统一,至今仍未找到一种可以在各方面超越并替代Sn-Pb焊料的合金系统。因此各类新型无铅焊料的设计与研制,可焊性与可靠性研究,相关焊接工艺的研究均是当前无铅焊料研究工作中的几大前沿课题。

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