⑥焊接材料 dual inline-pin package SOP: small outline package; SOJ: small outline J-lead package Surface Mounted Technology QFP: quad flat package; BGA: ball grid array PGA：pin grid array CSP: chip size package MCM: multi-chip module FCP: flip chip package * super ball grid array * 4J29：kovar， 29Ni-17Co 194 alloy：Leadframe Quantity 铜合金，引线：用于制作与陶瓷封接的.适用于电线℃温度范围内具有与95%Al2O3陶瓷相近的线膨胀系数 * LSI：Large-scale integration 大规模集成电路； VLSI：是超大规模集成电路(Very Large Scale Integration EMC－Epoxy Molding Compound 石英晶体平行于c轴的热导率为0.14W/（cm·K），垂直于c轴的为0.072 W/（cm·K），而石英玻璃的热导率为0.014 W/（cm·K），所以用手触摸，石英玻璃有温感，石英晶体有凉感 * MCM: multi chip module MCM-L:层压介质材料基板；MCM-C：共烧陶瓷基板；MCM-D/C：金属沉积在介质上面形成电路；MCM-Si 以硅Si为基板衬底（Al-SiO2-Si结构） * ①引线键合材料 铝（硅铝）丝键合系统 Pure aluminum is too soft. So alloyed with 1%Si or 1% Mg to provide a solid-solution strengthening mechanism. Al-OFHC Cu Al-Ag plated LF Al-Ni 75um Al can be used for power devices. ①引线键合材料 “白毛” Al(OH)3 + Cl- → Al(OH)2 + OH- Al+ 4Cl- → Al(Cl)4- 2AlCl4- + 6H2O → 2Al(OH)3 + 6H+ + 8Cl- ①引线键合材料 提高键合可靠性 无论何种键合，键合表面特性是至关重要的。 洁净度（等离子体清洗） 表面粗糙度 表面镀层的厚度 阻挡层的应用 TiW 高质量的键合丝 可靠的键合工艺 等离子体清洗 ②引线框架材料 引线框架的功能 电连接 对内依靠键合实现芯片与外界的信号连接； 依靠焊点与电路板连接； 机械支撑和保护 对芯片起到支持 与外壳或模塑料实现保护 散热 散热通道 ②引线框架材料 引线框架材料的要求 热匹配 良好的机械性能 导电、导热性能好 使用过程无相变 材料中杂质少 低价 加工特性和二次性能好 ②引线框架材料 ②引线框架材料 ②引线框架材料 铜合金 导电特性好 引入第二相弥散强化，提高强度 常用有Cu-Fe-P，Cu-Cr，Cu-Zn，Cu-Zr等等 机械加工性能好 热膨胀系数与塑料封装匹配 ②引线框架材料 ②引线框架材料 引线框架的质量标准 引线键合区 几何尺寸、表面涂敷、引线扭曲、平整度、共面性 芯片粘接区 几何尺寸、表面涂敷、粗糙度 ③芯片粘结材料 芯片粘接的基本概念 Chip Attachment/Bonding，通常采用粘接技术实现管芯 （IC Chip）与底座（Chip Carrier）的连接. 机械强度、化学性能稳定、导电、导热、热匹配、 低固化温度、可操作性 ③芯片粘结材料 几种基本的芯片键合类型 银浆粘接技术 低熔点玻璃粘接技术 导电胶粘接技术 环氧树脂粘接技术 共晶焊技术 ③芯片粘结材料 环氧树脂粘接技术 工艺简单、成本低廉 适合于大规模生产，质量上已经接近Au-Si共晶焊水平 分类： 导电、导热胶—“导电胶” 导热、电绝缘胶 ③芯片粘结材料 固化条件 ??一般固化温度在150°C左右，固化时间约1hr ??固化前：“导电胶”不导电 ??固化后：溶剂挥发、银粉相互紧密接触形成导电链 ④模塑料 模塑的基本工艺 热固性：在加热固化后 不会再次受热软化; 热塑性：在加热塑化后 如果再次受热还会再次 软化. 模塑料通常为热固性塑 料. ④模塑料 ④模塑料 模塑料的基本构成 基体（10-30%）（高分子化合物树脂） 环氧树脂 硅酮树脂 1,2-聚丁二烯酯树脂 添加剂（60-90%） 固化剂 催化剂 填充剂（SiO2） 阻燃剂 脱模剂 染色剂 主要生产厂家 日本：住友；日东；日立化成； 美国：Plaskon Hysol(Cookson) 中国：中科院化学所 ④模塑料 模塑料的类型 普通型 快速固化型 无后固化型 高热导型 低应力型 低辐射型 低膨胀型 低翘曲型 普通型模塑料 结晶二氧化硅型填料 热导率高、线膨胀系数大、成本低 分立器件、LSI 熔融二氧化硅型填料 线膨胀系数小、热导率低、成本较高 VLSI、大尺寸分立器件 ④模塑料 低应力型模塑料 固化过程产生的收缩应力 温度变化时的热应力 热应力导致失效:开裂 温度变化时的热应力 弹性模量↓ 线膨胀系数↓ 玻璃化转变温度↓ ⑤封装基板与外壳材料 基板材料的性能 电 介电常数、功耗、电阻、…… 热 热导率、热膨胀系数、热稳定性、…… 物理 表面平整度、表面光洁度 化学 化学稳定、低孔隙率、高纯度 ⑤封装基板与外壳材料 氧化铝（Al2O3）陶瓷 良好的介电性能、高的机械强度、高热稳定性、高 化学稳定性 应用最广 90-99% Al2O3 性能与Al2O3含量相关 添加剂 （黑色、紫色、棕色）瓷 ⑤封装基板与外壳材料 其它陶瓷基板材料 氧化铍（BeO） 热导率8倍于氧化铝，用于功率器件; 贵 毒 氮化铝（AlN） 高热导率，用于替代氧化铍; 与Si相近的热膨胀系数; 低价（与氧化铍比较）; ⑤封装基板与外壳材料 其它陶瓷基板材料 滑石和镁橄榄石 用于厚膜电路 低介电常数 低强度 低价 玻璃、石英、蓝宝石 ⑤封装基板与外壳材料 ⑤封装基板与外壳材料 多层陶瓷基板材料 HTCC—High Temperature Co-fired Ceramic 1500°C Mo-Mn or W as the metallization LTCC—Low Temperature Co-fired Ceramic 850-900°C Ag-Pd, Au, Ag or Cu Higher wiring density ⑤封装基板与外壳材料 ⑤封装基板与外壳材料 金属底座与外壳材料 金属封装的特点是：散热好、气密性好、机械强度 高。 Cu Mo CuW W Steel and Stainless Steel Kovar and 4J50 ⑤封装基板与外壳材料 ⑥焊接材料 软钎焊（450°C） ?? Sn-Pb ?? 低温焊料 硬钎焊 ⑥焊接材料 ⑥焊接材料 ⑥焊接材料 0 引言 电子封装材料 电子封装的定义 分为狭义封装和广义封装: 狭义的封装（packaging，PKG）利用膜技术及微细连接技术，将半导体元器件及其他构成要素在框架或基板上布置、固定及连接，引出连接端子，并通过可塑性绝缘介质灌封固定，构成整体主体结构的工艺。 广义的电子封装应该是狭义的封装与实装工程及基板技术的总和。将半导体、电子器件所具有的电子的、物理的功能转变为适用于机器或系统的形式，并使之为人类社会服务的科学与技术，统称为电子封装工程。 封装技术发展 直插式DIP 三次重大变革 表面贴装式SMT 芯片尺寸封装CSP ● SOP小型平面引线式封装 ●SOJ小型平面J 形引线式封装 ●QFP四周平面引线式封装 ●BGA球状栅阵电极封装 ▲ 导电丝焊接组装 ▲ FCP倒扣芯片组装 △ MCM多芯片组装 △三维组装 芯片 芯片 芯片 封装外壳 各种封装类型 示意图 历史的发展过程：最早是金属封装，然后是陶瓷封装， 最后是塑料封装。 性能分：金属和陶瓷封装是气密封装， 塑料封装是非气密或准气密封装； ●金属或陶瓷封装可用于“严酷的环境条件”，如军用、宇航等，而塑封只能用于“不太严酷”的环境； ●金属、陶瓷封装是“空封”，封装不与芯片表面接触，塑封是“实封”； ●金属封装目前主要用于大功率的混合集成电路（HIC），部分军品及需空封器件。 封装及材料 塑料封装 金属封装 陶瓷封装 玻璃封装 集成电路基片材料 裸芯片 金属封装 陶瓷封装 1 ~ 2 % 塑料封装 92 % （6 ~ 7）% 不同的封装使用的封装工艺是不同的： 金属封装 陶瓷封装 塑料封装： 引线框架式封装 PCB基板 PBGA： WB （引线键合） FC （倒装芯片） 载带： TAB（载带自动焊） 圆片级封装 WLP DIP、SOP、QFP、PLCC等主要都是塑料封装。 20世纪70年代前后，按封装材料、封装器件和封装结构分类 半导体元件的封装方法及封装材料 金属盖板 键合金属丝 金属底座（金属基板） 引线端子 陶瓷盖板 玻璃封接 陶瓷底座（陶瓷基板） 玻璃 包封树脂 元件底座（树脂基板） (a) （可控坍塌芯片连接技术 ） 盖板材料，导热脂，芯片材料，陶瓷基板，焊球 各类BGA的横截面结构示意图 (b) 包封树脂，芯片，金属引线，芯片粘接材料，树脂基板材料，焊球 各类BGA的横截面结构示意图 IC芯片 引线架 导线丝 内引线 封装树脂 焊料微球凸点 BGA 基板 各类BGA的横截面结构示意图 (c) （载带球栅阵列） 各类BGA的横截面结构示意图 (d) 各类BGA的横截面结构示意图 MBGA是指微型球栅阵列封装，英文全称为Micro Ball Grid Array Package (e) SBGA的横截面结构示意图（局部） 各类BGA的横截面结构示意图 结构形式：在封装的顶部是一倒扣的铜质腔体，以增强向周围环境的散热。一薄而软的基片焊在铜片的底面，作为沿周边几行焊球附着之焊盘（即中央无焊球分布，参照JEDEC）。内导线将基板与芯片相连接，芯片从底部塑封。 模塑压力机 基板制备 点胶 粘片 固化 引线键合 模塑 引线键合机 管芯粘片机银浆固化炉 引线键合BGA封装 花时太长！ 目前3‵～5‵达90%固化 下填料固化 涂布下填料 倒装芯片 安装及回流 吸起及反转 上载 打标记 及分离 图16 倒装芯片BGA封装工艺 三种类型封装之一： ■塑料封装 塑料封装主要有三种类型： (1)保角包封或浸封 装配好的电路基片浸入塑料中，干燥，固化 (2)灌封 将基片插入薄壁塑料壳(或使用可剥下的铸模)，倒入塑料流体，最后固化 (3)模铸 将装配好的电路基片牢牢固定在金属模内，在压力下注入 熔融的热塑料，接着固化 ■金属封装 先把微电路基片安装在可伐管座上，然后用金属丝把基片焊点与可伐管座的引出线连接起来，可伐金属的热胀系数接近玻璃，热胀冷缩时，玻璃封接不会发生破坏。最后利用冷焊、电阻焊或铜焊把镍壳焊在管座四周形成全密封结构，金属封装的成本高于塑料封装，但它有良好的密封性，还能起电磁屏蔽的作用。 全密闭金属封装 ■ 陶瓷封装 陶瓷封装由氧化铝瓷座、瓷壁和瓷盖所组成，外引线穿过两个瓷体间的玻璃封接层。与金属封装相反，绝缘陶瓷可进行电绝缘，非常坚固，且成本较低。 ■ 玻璃封装 玻璃封装类似于陶瓷封装，玻璃比陶瓷更脆，一般不用于大型 电路，多用于小型电路的扁平封装，其封装的微电路往往是单片集 成电路。混合电路中，玻璃的使用也很普遍，通常在膜、电 阻、电容或半导体芯片表面涂覆一层玻璃。这层全密封玻璃保护有 时单独使用，有时与外部塑料封装配合使用。 封装中的材料 封装中涉及到的材料 芯片粘结材料； 引线材料； 引线框架材料； 封装基板与外壳材料； 模塑料； 焊接材料； 封装中的材料 封装中的材料 电子封装材料的性能 电特性 绝缘性质、击穿、表面电阻，…… 热特性 玻璃化转化温度、热导率、热膨胀系数，…… 机械特性 扬氏模量、泊松比、刚度、强度，…… 化学特性 吸潮、抗腐蚀，…… 其j6国际它 密度、可焊性、毒性，…… ①引线键合材料 引线键合常用于芯片与载体（或基板）或引线框架 之间的互连. 常用的引线材料 Au、Al、Cu（包括用于TAB）、AlSi(1%)丝.（需要退火处理） 键合的模式 球焊（金丝）和楔形焊（铝丝） 金丝用于塑料封装，铝丝用于陶瓷和金属封装 ①引线键合材料 ①引线键合材料 金丝键合系统 消费类电子产品中最常用的键合方式 金丝：软 掺杂的金丝 Be，5-10ppm；Cu，30-100ppm 金丝-铝键合区 ①引线键合材料 Au-Al金属间化合物 300°C以上的使用环境，容易发现“紫斑”； 125°C，可能产生一系列的金属间化合物。 ①引线键合材料 Kirkendall效应 异种金属之间的互扩散 不同的扩散速度 温度、结构、…… ①引线键合材料 ①引线键合材料 金丝与其他介面的键合 Au-Cu Cu3Au，AuCu，Au3Cu：200-350°C Au-Ag 无金属间化合物产生 Au-Au 最好的键合 高温应用 dual inline-pin package SOP: small outline package; SOJ: small outline J-lead package Surface Mounted Technology QFP: quad flat package; BGA: ball grid array PGA：pin grid array CSP: chip size package MCM: multi-chip module FCP: flip chip package * super ball grid array * 4J29：kovar， 29Ni-17Co 194 alloy：Leadframe Quantity 铜合金，引线：用于制作与陶瓷封接的.适用于电线℃温度范围内具有与95%Al2O3陶瓷相近的线膨胀系数 * LSI：Large-scale integration 大规模集成电路； VLSI：是超大规模集成电路(Very Large Scale Integration EMC－Epoxy Molding Compound 石英晶体平行于c轴的热导率为0.14W/（cm·K），垂直于c轴的为0.072 W/（cm·K），而石英玻璃的热导率为0.014 W/（cm·K），所以用手触摸，石英玻璃有温感，石英晶体有凉感 * MCM: multi chip module MCM-L:层压介质材料基板；MCM-C：共烧陶瓷基板；MCM-D/C：金属沉积在介质上面形成电路；MCM-Si 以硅Si为基板衬底（Al-SiO2-Si结构） *

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