微波电路微组装技术课件.ppt

殷晓星东南大学毫米波国家重点实验室2014年5月23日,微波电路微组装技术,主要内容,一、微波微组装技术的发展二、微组装工艺三、微组装工艺与微波性能四、常用微波元器件微组装工艺五、微组装的有害微波现象与工艺,微波微组装技术的发展1、微波电路系统微组装简介-1,微组装技术微组装技术(Microcircuit Packaging Technology: MPT)是综合运用特种微波互连基板技术、多芯片组装技术、系统/子系统组装技术、三维立体组装技术，将MMIC/ASIC等集成电路裸芯片、薄/厚膜混合电路、微小型表面贴装元器件等进行高密度地安装和互连，构成的高密度、高速度/高频率、高可靠性、小型化、多功能模块化电子产品的一种先进电子装联技术。,微波微组装技术的发展1、微波电路系统微组装简介-2,微组装技术主要研究芯片及以上的组装互连技术（不含芯片制造）,微组装技术,芯片间互连,板级电路互连,子系统/系统级互连,整机/系统级互连,微波微组装技术的发展1、微波电路系统微组装简介-3,板级电路互连,模块/组级互连,分机/子系统级互连,整机/系统级互连,微波微组装技术的发展1、微波电路系统微组装简介-4,与芯片工艺比较层次不同：芯片低层微组装上层，前者是后者基础关注点不同：微组装互连（无源）、芯片功能更多（有源）有共性：1）都有互连、阻抗匹配、抑制避免干扰、散热等功能要求；2）分析建模方法软件工具类似，都是基于电磁波和微波理论两者的功能界限：模糊、向上发展（芯片进攻，SOC，但复杂多功能系统，还是微组装，而且对功能的需求也在向更复杂综合方向发展近30年来，随着信息技术的飞速发展，电子装备应用频率越来越高，微电子技术的发展一直遵循摩尔定律和按比例缩小原理，即每隔三年芯片的集成度翻两翻（增加4倍），特征尺寸缩小三分之一。从而推动微组装技术得到飞速发展。,微波微组装技术的发展1、微波电路系统微组装简介-5,微波微组装技术的发展2、微组装技术构成-1,微组装,前道,后道,基板制造,材料制备,芯片安装互连：粘片、引线键合、倒装焊、清洗等,厚膜基板,薄膜基板,低温共烧陶瓷基板（LTCC ）,混合基板,封装：气密性封焊,软基板,微波微组装技术的发展2、微组装技术构成-2,微组装技术,特种互连基板技术,多芯片组装技术,系统/子系统级微组装技术,微组装组件测试技术,微组装设计技术,薄膜基板制造技术,厚膜基板制造技术,LTCC基板制造技术,气密封焊技术,高精度芯片贴装技术,高精度芯片焊接技术,高精度金丝键合技术,倒装芯片焊接技术,三维立体组装技术,基板集成微波功能电路技术,数模混合集成制造技术,钎焊技术,平行缝焊技术,激光焊接技术,KGD芯片测试技术,微组装组件自动测试技术,电磁兼容设计技术,热设计技术,布局布线设计技术,整机级组件立体组装设计技术,微波微组装技术的发展2、微组装技术构成-3,微波微组装技术的发展2、微组装技术构成-4,微波微组装技术的发展2、微组装技术构成-5,微波电路系统微组装技术构成主要包括：a） 芯片、片式元件、SMD的安装技术；b） 金丝球引线键合技术；c） IC裸芯片的金球凸点制作技术；d） IC芯片的倒装焊接/粘接技术；e） 倒装IC芯片的下填充技术；f） LTCC基板与外壳腔壁、PGA引线的一体化封装技术；g） MCM-C气密性金属封装技术；h） MCM-C的组装封装基本工艺流程；i） MCM-C组装封装工艺质量检验和可靠性试验方法。,微波微组装技术的发展3、微组装的技术作用及典型的产品-1,微波微组装技术的发展3、微组装的技术作用及典型的产品-2,微波微组装技术的发展3、微组装的技术作用及典型的产品-3,典型的MCM,微波微组装技术的发展3、微组装的技术作用及典型的产品-4,立体组装实例,微波微组装技术的发展3、微组装的技术作用及典型的产品-5,典型微组装产品,X波段收发（T/R）组件,微波微组装技术的发展3、微组装的技术作用及典型的产品-6,武器装备多功能、高性能、高可靠、高机动性要求,电子装备小型化、轻量化、多功能、高可靠需求,对微组装技术需求迫切,微波微组装技术的发展3、微组装的技术作用及典型的产品-7,美国“铺路爪”战略目标测量与跟踪相控阵雷达 由数万套L波段T/R组件构成的战略目标测量与跟踪相控阵天线可检测数千公里内的各种目标。,微波微组装技术的发展3、微组装的技术作用及典型的产品-8,星载合成孔径成像雷达(SAR) 由数百套L波段T/R组件构成的相控阵天线实现对地目标的成像。,微波微组装技术的发展3、微组装的技术作用及典型的产品-9,美国导弹驱逐舰载“宙斯盾”系统中的AN/SPY-1多功能相控阵雷达 由数千套S波段T/R组件构成的四面阵相控阵天线实现对多批次目标的探测、跟踪及引导打击。,微波微组装技术的发展3、微组装的技术作用及典型的产品-10,美国第四代战斗机载火控相控阵雷达 由数千套X波段T/R组件构成的相控阵天线实现对多批次目标的远距离探测、跟踪。,微波微组装技术的发展3、微组装的技术作用及典型的产品-11,美国导弹防御系统大型目标搜索与跟踪相控阵雷达 由数万套X波段T/R组件构成的球形相控阵天线实现对数千公里外多批次目标的探测、跟踪。,微波微组装技术的发展4、微组装的技术未来发展方向-1,美国Raytheon公司机载有源相控阵天线近15年来采用微组装技术实现小型化发展的历程,微波微组装技术的发展4、微组装的技术未来发展方向-2,基板向具有完整微波电路功能的集成互连基板发展特点：高密度 三维结构 工作频率扩展到微波/毫米波 具有完整电路功能（SIW）,带功分器网络的新型高密度互联基板,带波导电路的新型高密度互联基板,微波微组装技术的发展4、微组装的技术未来发展方向-3,从单一功能组装向系统级组装（SIP）发展特点：具有完整的系统/子系统功能 小型化、高密度 工作频带宽、速度快 外互连线较少,美国Raytheon公司用于地球观察和通讯的SIP组件,微波微组装技术的发展4、微组装的技术未来发展方向-4,从二维平面组装向三维立体组装发展特点：三维高密度互联结构 宽频带、多用途 具有完整系统/子系统功能,相同功能二维和三维微波组件比较图,S波段三维T/R组件,微波微组装技术的发展4、微组装的技术未来发展方向-5,从二维平面组装向三维立体组装发展,目前雷达有源电扫阵面 新一代先进有源电扫阵面,微波微组装技术的发展4、微组装的技术未来发展方向-6,从单通道组装向多通道集成组装发展,Active Panel Array (2010),128 ElementTile Subarray,微波微组装技术的发展4、微组装的技术未来发展方向-7,从集成微波组装（IMA）向晶圆级组装（WLP）发展,微波微组装技术的发展4、微组装的技术未来发展方向-8,基于多片MMIC晶圆键合工艺的WLP技术,微波微组装技术的发展4、微组装的技术未来发展方向-9,微组装技术的绿色制造,组装与封装技术融合,组装与基板 技术融合,二维组装向三维立体组装的演变与突进,具体体现,纵观21世纪微组装技术的发展,微波微组装技术的发展4、微组装的技术未来发展方向-10,绿色清洗、绿色封装、无铅组装等绿色制造技术涉及的应用范围较广，凡是具有电子电路组装、封装和电子元器件加工的单位均需要该技术的有效支撑，大到雷达、导弹、卫星，小到数字化单兵装备等信息化装备，其所应用的元器件和电子电路的制造均急需采用绿色制造技术，绿色制造技术已成为发展的主流。,电子绿色清洗工艺技术是在保证电子元器件、电子电路模块的功能、质量、性能，特别是可靠性的前提下，采用无污染的工艺技术完成产品对清洗工艺的要求。,绿色封装工艺技术是在保证军用大规模集成电路、微波大功率器件、红外焦平面及多芯片组件等军用核心元器件的性能和可靠性的基础上，实现剧毒的流延工艺无害化，减少对人员和环境的危害。,绿色清洗,绿色封装,无铅组装,在电子装备的生产过程中，均大量采用了以Sn/Pb和Sn/Pb合金为基的焊料。铅及其化合物属于有毒物质，从环境保护的责任和市场竞争的需要出发，电子电路组装中无铅化是未来发展的必然趋势。,绿色制造是制造技术发展的大趋势。,微组装的绿色制造当前优先发展,微波微组装技术的发展4、微组装的技术未来发展方向-11,微组装技术,系统封装技术System on a package SOP,晶圆级封装技术Wafer Level Packaging WLP,组装与芯片封装的技术融合是一个大的趋势,微波微组装技术的发展4、微组装的技术未来发展方向-12,微波微组装技术的发展4、微组装的技术未来发展方向-13,立体组装技术从三维芯片开始，在硅片上直接制作多层结构，扩展了芯片的功能，是当前半导体技术，特别是硅半导体的重要发展方向。立体组装技术是提高组装密度最好的方法，组装密度可达到二维组装的200%-300%，甚至更多。,从组装角度看，分系统（功能模块）间最直接、方便的立体组装技术是垂直互连技术，垂直互连的方式很多，主要有底面垂直互连和周边垂直互连两类，互连方式有凸点（球）、微簧片、填孔法以及毛纽扣（Fuzz Button）等，作为组装技术中的重要分支，是目前各国热衷研究和推广应用的技术。,微波微组装技术的发展4、微组装的技术未来发展方向-14,随着武器平台的不断扩展，以及星载、机载和弹载等军用电子装备的发展，薄膜天线、共形天线、封装天线和结构功能件等新概念和新结构相继出现，对微组装技术提出了新的、更高的要求，微组装技术也由以二维平面组装为主向三维立体组装为主发展。,如美国正在研制的天基预警固态有源相控阵雷达，具有居高临下、作用距离远、监视范围广等优点，需要大天线阵面才能实现数千公里的作用距离。如洛克希德马丁公司正在研究开发的新型大型星载天线技术（ISAT），目标是演示和制造100300米大口径的星载电子扫描天线。,天基预警雷达所需能量只能来源于太阳能，因此，天线阵面必须轻、薄、可折叠。为此，需要采用新一代电气互联技术研制可将天线振子和馈电网络等多功能集成的可折叠薄膜天线和采用三维立体组装技术的片式T/R组件，才能满足天基预警雷达研制的要求。,微波微组装技术的发展4、微组装的技术未来发展方向-15,充分利用光信号传输具有的高速低损耗和无感应等特征进行电路组装，也就是把以与铜电缆相比大数万倍的信息传输容量的光纤维为中心的光电子技术应用于电子电路组装技术，即为光电路组装技术。把传送电信号的铜导体和传送光信号的光路制作在同一基板上形成的电路板叫做光电OE (OpticElectronic)印刷电路板。在这样的基板上进行的电子器件和光电子表面组装器件(OE-SMD)的混合组装，叫做光表面组装技术，简称光SMT。（目前微波或毫米波可以直接调制光）,微波微组装技术的发展4、微组装的技术未来发展方向-16,微组装工艺1、MCM的定义,微组装常与MCM （多芯片组件：Multi-Chip Module）混用。MCM是20世纪80年代在美国发展起来的高密度微组装技术，是高级HIC（混合集成电路）的典型产品，它是将多个LSI/VLSI的裸芯片，高密度地安装并互连在多层布线PCB、厚膜多层陶瓷基板或薄膜多层（硅、陶瓷或金属基）基板上，最后整体封装起来，构成多功能、高性能的电子部件、整机、子系统乃至系统。不同的角度对MCM的技术本质和内涵有不同的理解：从HIC的角度，可以认为MCM是一种高级的HIC；从封装的角度，可以认为MCM是一种先进的封装形式；从微电子组装的角度，可将MCM看成是一种高密度的电路集成组件。概念方面MCM与传统HIC的主要区别在于，MCM是采用“多块裸芯片”与“多层布线基板”，实现的是“高密度互连”。基于对MCM的共识，可将其定义为：MCM是将多个未封装的或裸露的芯片和其它微型元器件组装在同一块高密多层布线互连基板上，封装在同一外壳内所形成的具有一定部件或系统功能的高密度微电子组件。,微组装工艺2、MCM的分类-1,美IPC（电子电路互连和封装协会）按照基板类型与基板制作工艺将MCM分为如下三种：a） MCM-L（MCM-Laminate，叠层型多芯片组件）：采用高密多层PCB制成的MCM，成本低、工艺较成熟、性价比高，但布线密度不高、封装效率较低，主要应用于消费类电子产品、个人计算机等民品领域。b） MCM-C（MCM-Ceramic，陶瓷型多芯片组件或陶瓷厚膜型多芯片组件）：采用高密度多层布线陶瓷基板制成的MCM，成本适中，布线层数多，具有较高的布线密度、封装效率、电性能和优良的可靠性与热性能，其性能优于MCM-L而差于MCM-D。MCM-C又可分为高密度多层布线厚膜HIC、LTCC（Low Temperature Co-fired Ceramic，低温共烧陶瓷）型MCM-C和HTCC（High Temperature Co-fired Ceramic，高温共烧陶瓷）型MCM-C。c） MCM-D（MCM-Deposited Thin Film，淀积薄膜型多芯片组件）：采用高密度薄膜多层布线基板，具有很高的布线密度、封装效率和优良的电性能，但成本相对较高，特别适于要求高密度、小体积的高速信号传输和数据处理系统。MCM-D按照所用的基体材料又可分为MCM-D/C或MCM-C/D（陶瓷基体薄膜多层布线基板的MCM，即陶瓷/薄膜混合型MCM）、MCM-M（金属基体薄膜多层布线基板的MCM）和MCM-D/Si（硅基薄膜多层布线基板的MCM）三种。,微组装工艺2、MCM的分类-2,MCM的基板典型结构,微组装工艺3、MCM-C多层基板技术-1,基板是MCM-C的基础和重要支撑，起着给裸芯片和外贴元器件提供安装平台、实现MCM-C内部元器件之间的互连、为MCM-C提供散热通路等关键作用，极大地影响着电路组件的体积、重量、可靠性和电性能。MCM-C采用的是陶瓷多层基板，分为厚膜多层基板和共烧陶瓷多层基板两种，后者又可分为HTCC多层基板和LTCC多层基板。MCM-C陶瓷多层基板一般包括元器件安装层（顶层）、信号层、电源层、接地层和对外连接层（底层）等主要导体层，陶瓷介质位于各导体层之间，起着电绝缘的作用，基板的各层间由垂直通孔实现电学互连。,MCM-C厚膜多层基板采用厚膜HIC基板制作技术（只是互连导体4层、布线密度相对较高而已），是在陶瓷基片的表面交替印刷、烧结厚膜导体浆料和玻璃介质浆料而形成的一种多层布线结构，布线层之间通过介质层的开孔进行互连，其基本结构如右图所示。,MCM-C厚膜多层基板的基本结构,微组装工艺3、MCM-C多层基板技术-2,MCM-C共烧陶瓷多层基板是由印有导体图形和制有互连通孔的多层陶瓷生瓷片相叠后一起烧结而形成的一种多层互连结构，共烧后的陶瓷基板还可以像厚膜HIC基板一样在其表面上再制作厚膜多层互连结构或薄膜多层互连结构（对于MCM-C/D）。下图表示了LTCC多层基板的一般互连状态。,LTCC多层基板的基本结构,微组装工艺3、MCM-C多层基板技术-3,HTCC多层基板和LTCC多层基板生瓷带材料的主要功能相是陶瓷与玻璃，两者的差异在于玻璃含量的不同：HTCC的玻璃含量较低，大约在8%15%之间；LTCC则有较高的玻璃含量，一般50%。生瓷带玻璃含量的差异导致多层陶瓷共烧温度的不同，这又影响着所用互连金属导体的类型不同，进而造成所需烧结气体的不同：HTCC的共烧一般需要15001850的高温，互连导体为W（钨）、Mo（钼）等难熔金属，必须在还原性气体中完成烧结；LTCC的共烧一般则为800950的较低温度，互连导体为Au（金）、Ag（银）、Cu（铜）、PdAg（钯银）等低熔点金属，可以在空气中（Au、PdAg及内层的Ag、Cu）完成烧结。下表比较了三种MCM-C多层基板的一些主要性能。,三种MCM-C多层基板的主要性能比较,微组装工艺3、MCM-C多层基板技术-4,三种MCM-C多层基板的主要性能比较（续）,微组装工艺4、LTCC型MCM-C及其特点-1,典型的LTCC型MCM，是将表面印制有厚膜导体与内埋电阻图形并制作有金属化通孔的多个未烧结的柔性生瓷片，通过加热同时加压而叠压成整体结构，在最高温度约为850的大气环境下同时烧结，形成刚性的高密多层互连LTCC陶瓷基板，在其表面上再制作多层厚膜结构后，安装、互连IC裸芯片及其他微型元器件，并经最终封装而获得的。LTCC基板制作的简要工艺过程如下图所示。,LTCC基板制作简要工艺过程示意,微组装工艺4、LTCC型MCM-C及其特点-2,LTCC作为MCM-C的一种互连基板工艺技术，在成本、性能方面介于MCM-L和MCM-D之间，具有许多优点，非常适合于制作高密度、高速、高可靠的MCM。与HTCC型MCM-C及高密度多层厚膜HIC相比，LTCC的主要优点是LTCC低的烧结温度和可在空气中烧结的特性，不但可以选用导电性好、熔点低的Au、Ag、Cu等金属作为互连导体而使电路性能得到显著改善，而且可以将多层导体布线结构和电阻、电容、电感等基本无源元件内埋集成在基板内，极大地提高了MCM-C的集成密度。厚膜介质无论是由浆料形式生成还是生瓷带形式，主要都是用于MCM-C多层导体的层间绝缘。厚膜介质浆料一般由陶瓷粉料、玻璃料、各种金属氧化物、有机粘接剂和溶剂混合制成；用于共烧陶瓷的生瓷带也主要由同样的混合物组成，只不过玻璃含量较高，同时聚合物粘接剂使生瓷带在加工、干燥后具有橡胶状特性。生瓷带中的金属氧化物以及作为主要功能相而构成电阻、电容、电感等无源元件的金属氧化物，若是在HTCC的高温和还原性气体条件下烧结，将被完全还原成金属而失去应有功效。,微组装工艺4、LTCC型MCM-C及其特点-3,LTCC高的玻璃含量降低了它的介电常数K，使信号传输损耗低、速度快，有利于制作高速电路。LTCC允许使用现有标准的厚膜设备和工艺，投资费用低，只需添置程控冲孔机和层压机。LTCC技术发展的基础是可以按标准厚膜介质配方制备生瓷带以及其最高烧结温度与厚膜HIC相同，使得为标准厚膜HIC开发的厚膜电阻器、厚膜电容器等材料均能适用。LTCC的主要不足：是较高的玻璃含量降低了共烧陶瓷基板的机械强度和导热能力。因此，应用中许多LTCC基板常要求粘接到支撑材料上来提高MCM-C的强度，开设热通道以便将元器件产生的热更快地传送到散热片上。,微组装工艺4、LTCC型MCM-C及其特点-4,下图为三种MCM-C技术特点比较，从下图可以看出，LTCC技术兼顾了厚膜HIC技术与HTCC技术二者的优点。,三种MCM-C技术特点比较,微组装工艺4、LTCC型MCM-C及其特点-5,综合起来，LTCC型MCM-C有如下特点：a） 互连层数多，组装密度高，体积小，可进行子系统甚至系统级集成；b） 导电性高的贵金属互连，介电常数低，传输损耗小，频率特性好；c） CTE（热膨胀系数）与Si、GaAs、SiGe匹配，能可靠地进行裸芯片安装；d） 散热性、抗冲击性较好，气密性封装，环境适应性强，长期可靠性高；e） 可混合集成模拟、数字、数/模、RF（射频）等器件及电阻、电容、电感等元件，构成多功能组件；f） 可在基板内埋置元器件；g） 可进行电阻阻值微调和电路功能微调，获得高性能产品；h） 工艺路线短，投资强度低，研产周期快，批生产性好。LTCC不仅布线层数多、组装密度高、电性能优、可靠性好，而且因元器件间互连的大幅缩短而更能充分地发挥高集成度、高速单片IC的性能，使电子装备的子系统级、系统级集成成为可能。另外，难能可贵的是它还可以与厚膜HIC技术兼容很大一部分工艺与设备。LTCC是当前我国军用电子系统的高性能、高可靠集成最为现实且最佳的技术途径之一。,微组装工艺5、MCM-C的基本构成,MCM-C一般由三大部分构成：LTCC多层基板、装连于基板上的IC裸芯片及微型元器件等外贴件、含I/O引出端的密封外壳（有时外壳壳体上附有散热器）。从外表上看，MCM-C就是一个带较多引出脚（外引线）的壳体。,MCM-C的基本组成部分,LTCC多层布线基板的制作、元器件与基板间的互连组装和整个组件的最终封装构成了MCM-C最基础的工艺制造技术。LTCC基板不但形成了层间内部互连结构，而且是裸芯片等元器件的承载平台，是MCM-C的支撑构件；通过组装，实现芯片等与基板的电气与机械连接，形成了具有电学功能的MCM-C产品。,微组装工艺6、MCM-C的组装与封装-1,MCM-C的组装包含有裸芯片等元器件的安装（即与LTCC基板的物理连接）与互连（即与基板的电气连接）两项内容，它们是两种相辅相成、密切难分的组装工艺过程，技术上亦构成相互补充、相互依赖关系。MCM-C的安装技术常见的有环氧粘接和共晶（合金）焊接两种，材料和工艺与HIC基本相同，不同之处仅在于FCB（Flip Chip Bonding，倒装焊）、TAB（Tape Automatic Bonding，载带自动焊）是将芯片安装与互连融合在一起及有时使用下填充料。MCM-C裸芯片与基板的互连主要采用引线键合（WB，Wire Bonding，丝焊）、TAB与FCB三种技术，其他类型元器件与基板的互连实际上已在其安装工序中同时完成。已装连有裸芯片等元器件的多层互连LTCC基板（功能衬底）通过最终封装工艺而成为可供实际使用的MCM，封装提供了MCM的核心功能部分与外界的电学、机械、物理连接渠道，保护MCM免受或少受不良环境影响。封装功能可以简明地归纳为对电子器件进行互连、加电、保护和散热。适用于MCM-C的封装，按材料分主要有陶瓷封装和以柯伐、无氧铜、不锈钢为代表的金属封装。实际上，封装是一个大概念，封装包括了组装，组装可以视为是封装中实现芯片等所有元器件与基板互连的那一部分。MCM实质上就是微电子封装技术经历通孔插装、表面安装后进入面阵封装时代的典型代表。,微组装工艺6、MCM-C的组装与封装-2,MCM芯片安装互连技术是MCM的关键组装制造技术。MCM芯片的高密度安装互连，不仅能大幅度减小MCM的体积和重量，而且更重要的是能最大限度地减小互连线通路上的电阻和各种寄生电容、电感，从而能有效地提高线路的信号传输性能。目前，MCM芯片的安装技术常见的有环氧粘接和共晶（或合金）焊接，互连技术常见的有引线键合、载带自动焊和倒装焊等三种。引线键合技术虽因焊丝较长引起寄生电容与电感较大、芯片的测试与老化困难、生产速度慢、组装效率低，但由于其投资少、见效快、工艺兼容性好、易检查返工、技术成熟而仍被绝大部分厂家使用；载带自动焊技术可通过带盘进行连续作业，自动化程度高，芯片可预先老化和测试，组装密度高，可安装互连器件的引脚多、间距细、引线短，但TAB设备投资高、工艺路线长、不易检查返工、技术难度大，仅一些大公司采用此种技术研产MCM；倒装焊技术虽然有焊料凸点芯片来源的困难、不易检查、几乎不能返工、芯片难测试与老化、生产效率较低等不利因素，但因其信号路径最短、组装密度最高、电性能最好、散热性良好、可靠性很高而成为最理想、最有前途的MCM组装技术，得到广泛的研究与采用。下面重点介绍实用性强、可行性好的导电环氧粘接、焊料再流焊接、金丝球引线键合、芯片倒装焊、芯片倒装粘接等MCM-C组装工艺技术以及相配套的金球凸点制作技术、倒装芯片下填充技术。,微组装工艺7、元器件安装用材料的功能与类别-1,（1） 元器件安装材料的功能MCM-C元器件安装材料有三种功能：机械的、电的和热的功能。对所有安装材料，都要求具有足够的粘接强度。不仅在电路寿命期内，而且在工艺过程和筛选过程中可能会遇到加速的机械、热和化学应力作用时，使元器件能保持在它的位置上不会掉下来。更进一步地，当经受老炼和寿命试验的温度循环、高温暴露等环境时，元器件也必须不能脱落。安装材料要有高效导热媒质的功能，才能将热从芯片导出到基板，再从基板传导到金属或陶瓷的封装外壳。虽然焊锡或金属合金导热很好，但有时不能使用它们，原因是熔融焊锡或合金所需的高温会使键合线和器件降级或使返修困难甚至成为不可能。在这种情况下，可使用充填有金属或导热陶瓷（氧化铝、氧化铍、氮化铝）颗粒的环氧作为折衷的解决办法。,微组装工艺7、元器件安装用材料的功能与类别-2,（2） 元器件安装材料的分类MCM-C芯片及片式电容器等元器件在LTCC基板上的安装，采用的粘接材料主要有环氧树脂（导电型、绝缘型）、聚酰亚胺等有机粘接剂和AuSi共晶焊料、AuSn共晶焊料、Ag-玻璃焊料和软合金（如SnPb）焊料等无机粘接剂，配制成浆料或膜片的型式。芯片粘接材料分类如下表所示。,无机材料粘接原理靠的是元件粘接面之间的金属合金化而形成电气连接或固定。有机材料粘接原理则是依靠粘接材料的强大粘接力使元件粘接面之间形成物理连接。,MCM芯片粘接用材料分类,微组装工艺7、元器件安装用材料的功能与类别-3,无机粘接剂优点在于能引起污染的副产物较少（潮气和腐蚀物少），缺点是要面临粘接器件的选择。有机粘接剂适用性广，使用方便，可用于大面积芯片的粘接。由于有机材料固化时材料自身的化学特性易受环境条件的影响，在大应力环境下容易造成粘接失效。另外，有机材料在使用过程中化学成分释放，会起到腐蚀器件、使密封不合格等不良作用。热固性材料固化后，加热直至分解温度时仍能保持固态；相反，热塑性材料可反复加热熔融和重新固化，当加热温度超出其沸点时发生分解；UV（紫外）光敏固化材料最大的优势在于可室温固化。下表是各类粘接剂的固化工艺参数要求,粘接剂固化参数可控性比较,微组装工艺7、元器件安装用材料的功能与类别-4,目前，大多数MCM-C芯片安装主要使用低成本、易返工、可获得性好的环氧树脂粘接剂，共晶和软合金焊料则重点用于大功率芯片等器件与LTCC基板间的安装。一般情况下，共晶、合金焊料和含金属颗粒的环氧树脂比非填充型环氧树脂的导热率和导电率要高，其较小的粘接层热阻易于散去芯片上的热量而保持较低的芯片结温。,微组装工艺8、元器件安装实用工艺技术-1,（1） 基本工艺方法与步骤芯片等元器件在LTCC基板上的安装最常用的三种工艺技术为环氧树脂粘接、共晶焊、软合金焊，其中共晶焊和软合金焊同属于冶金贴装法。常采用点涂、印刷、挤填、压着等方式将粘接剂/焊料涂布在基板上或基板与元器件之间，一般有以下五个基本工艺步骤： 粘接剂/焊料调制。对于浆料型粘接剂或焊料，多组分材料应按规定比例配制，无论是单组分材料还是多组分材料，都应充分搅拌使之均匀；对于膜片型粘接剂或焊料，裁剪成与被安装芯片平面尺寸相当（相同或略小于）的大小。 粘接剂/焊料涂布。在LTCC基板上元器件待安装的相应位置，涂布适量的连接材料：对于浆料型材料，通常采用滴注点涂、丝网印刷、模板印刷等方法；对于膜片型材料，则可用手工或机器排布。 贴片。按正确的位置与方向要求，借助于贴片机将待安装的各元器件准确放置在LTCC基板相应的粘接剂或焊料上。 粘接剂固化/焊料熔焊。按连接材料的特性和工艺状态要求，在大气或氮气保护环境中，通过适当的“时间-温度曲线”使导电粘接剂固化、共晶焊料熔焊或软合金焊料再流焊，实现元器件在基板上的安装连接。 清洗。芯片粘接、共晶焊后通常不需要进行清洗；对于软合金再流焊，焊后一般应采用等离子蒸汽浴洗、溶剂喷淋、溶剂浸泡（或煮洗）、超声清洗等方法洗除焊料残渣。,微组装工艺8、元器件安装实用工艺技术-2,（2） 主要工艺参数控制要求 环氧粘接要求电接触的器件如晶体管、电容器、二极管、电阻器，必须采用掺银或金（大多数是掺银）的导电环氧进行安装；不要求欧姆接触的集成电路，一般可用绝缘环氧安装；绝缘环氧也用来将基板贴装到封装外壳中。为了利用掺金属导电环氧的导热性优于绝缘环氧这一特性，所以只要小心涂布，保证不致因工艺因素造成不必要的电学短路或产品失效，导电环氧完全可用于全部元器件的贴装。浆料型环氧粘接剂具有较好的流动性，使它们能用自动或手动的环氧分配机滴注或可用丝网印刷涂布。但是，滴涂粘接剂浆料应合理控制工艺参数使浆料量合适：量少了也许不能得到完全连续的覆盖，会降低粘接强度；过量的粘接剂在芯片或基板的周边流出过多，则会玷污顶面上的电路；填银的粘接剂过多的流出，能立刻短接电路或随时间推移因银的迁移而造成短路。双组份浆料型环氧粘接剂在滴涂之前应按规定比例配制、混料，充分搅拌使之均匀并静置一段时间除去粘接剂中的空气，否则陷入的空气将在粘接层中产生空洞，明显降低粘接强度；单组份浆料型环氧粘接剂一般需贮存在-40的冷冻环境中，使用前应在室温下充分解冻。,微组装工艺8、元器件安装实用工艺技术-3,采用膜片型环氧粘接剂，可以很好地控制施加量、粘接均匀性并确保完全覆盖，适于贴装基板和大尺寸的芯片，但操作较复杂，效率低，应将环氧膜片逐个切割成较准确的尺寸放置在两个相应的粘接表面之间，保持压力的同时加热固化。环氧粘接剂只有通过加热固化才能最终获得应有的机械、电学、热学功能，因此固化是安装的关键工序，一定要遵照材料厂家提供的固化工艺参数执行。,粘接用环氧树脂的主要性能与工艺参数,微组装工艺8、元器件安装实用工艺技术-4,粘接用环氧树脂的主要性能与工艺参数（续）,微组装工艺8、元器件安装实用工艺技术-5, 冶金贴装冶金贴装方法有两种：在二元或三元合金预制片的熔融温度下的合金贴装，或直接将两种金属的界面加热到等于或高于它们的共熔温度进行共熔贴装。市场上可以买到金（Au）、硅（Si）、铟（In）、锡（Sn）、铅（Pb）、银（Ag）的多种二元或三元合金，大部分只提供膜片型的预制片，有些既可提供预制片又可提供浆料型的焊膏。下表列出了较常用的共熔/共晶合金。,共熔焊/共晶焊组装也可以不用预制片或焊膏而直接实现，如在共熔温度以上的某温度（400500）下将硅芯片的背面（表面一般应淀积Au层）对着基板上的金属化（一般为Au或PdAg导体）焊盘高频（超声）摩擦，使芯片通过金硅表面共晶熔合而贴装在基板上。,微组装工艺2、元器件安装实用工艺技术-6,采用共熔/共晶焊工艺实现MCM或HIC中芯片的冶金贴装时，应重点注意以下问题：a） 若冶金贴装与环氧粘接用于同一电路中，冶金贴装因操作温度较高必须先完成，否则环氧将易在高温下分解失效；b） 冶金贴装一般应在惰性气体（N2）、还原性气体（H2）或氮氢混合气体中进行，以避免一种或两种金属在熔化温度时在空气中很快发生的氧化，表面氧化物的存在将会降低表面活能、降低焊料的湿润性而使焊料在表面上的附着变差；c） 采用含Au合金（Au含量一般都大于70%，如与Si、Sn或锗（Ge）的合金）时，芯片背面应淀积Au层；采用以Sn、In为主要成分（含量大于50%）低共熔温度软合金时，芯片背面一般应淀积镍（Ni）或Ag或Au；d） 合金焊料中如含有助焊剂，特别是浆料型焊料膏，焊装后的产品应及时进行清洗，去除焊料、焊剂的残渣。,微组装工艺8、元器件安装实用工艺技术-7,目前最常使用的冶金贴装方法有：a） Au80Sn20合金焊料片、280300局部加热、N2保护、共晶焊机超声焊接IC裸芯片；b） Sn62Pb36Ag2合金焊料片、180200局部加热、N2保护或空气中、共晶焊机超声焊接IC裸芯片；c） Sn62Pb36Ag2合金焊料膏、峰温179持续30秒、空气中、热盘或红外炉再流焊接片式电容器、片式电阻器、SMD（Surface Mounting Device，表面贴装器件）及IC裸芯片。,微组装工艺8、元器件安装实用工艺技术-8,（3）环氧粘接与冶金贴装两种安装方法的性能、特点比较,微组装工艺9、三种基本互连技术-1,引线键合、载带自动焊、倒装焊是目前MCM中IC芯片与基板电学互连的三种基本方法，互连方式如下图所示，按IC芯片功能面（电极面）的朝向不同又可将TAB分为正装（面朝上）TAB和倒装（面朝下）TAB。,MCM的三种基本芯片互连方法,微组装工艺9、三种基本互连技术-2,（1） 引线键合（WB）技术作为最通用、最成熟、最传统的一种芯片互连方法，WB技术是利用热能、超声能、压力等将芯片与基板上的键合区（焊盘）用金（Au）、铝（Al）、铝硅（AlSi）等金属或合金丝线一一对应键合互连起来，形成适宜的电学通路。组装互连的导体系统通常构成一个多金属系统。例如，由于IC芯片的键合区基本上是金属薄膜铝而基板上的键合区金属层为Au、PdAg（钯银）或Cu（铜），当引线键合互连时，或在芯片上（用Au丝时）、或在基板上（对Au键合区用Al丝或AlSi丝时，对PdAg或Cu键合区用Au丝、Al丝或AlSi丝时）都会形成双金属或多金属的接点系统；对某些具体的高可靠应用，可以采用间接法，在基板的键合区上先淀积一层阻挡层金属再淀积薄膜铝层，然后采用Al丝键合，从而获得单金属（Al）的互连系统。然而，对于绝大多数应用，只要避免长时间的高温暴露、湿气、玷污，严格控制工艺加工参数和产品应用环境，在微电子组装中的双金属或多金属结合系统也是可靠的。根据所利用的能量方式不同，WB可主要划分为热压（T/C，Thermocompression）键合、超声（U/S，Ultrasonic）键合和热超声（T/S，Thermosonic）键合三种方法。,微组装工艺9、三种基本互连技术-3,常用键合工具劈刀有两种不同的基本外形从针尖斜下方背面送丝的楔形和中空垂直向下送丝的针形（针形劈刀又俗称作焊针、毛细管），如下图所示。,两种常用劈刀的基本外形,微组装工艺9、三种基本互连技术-4,劈刀针尖形状、键合丝材料及断丝方式等的不同，所得到的键合点（焊点）形状不同，三种常见焊点的外形如图,微组装工艺9、三种基本互连技术-5,下表比较了常用的三种引线键合方法。40m超细间距键合、焊线形状可控键合、叠层芯片键合、面阵焊线键合、高速高精度高密度高可靠键合是WB技术的主要发展方向。,三种常用引线键合方法比较,微组装工艺9、三种基本互连技术-6,（2） 倒装焊（FCB）技术FCB技术是从最早由IBM公司在上世纪60年代开发的C4（Controlled Collapse Chip Connection，可控塌陷芯片连接）技术的基础上发展起来的。C4技术作为最原始和最基础的芯片倒装焊技术采用倒装芯片焊料凸点工艺，将电极上有焊料凸点的芯片翻转后电极面朝下放置并使各焊料凸点电极与基板上可焊料浸润的各相应焊区一一对准，再在炉子中再流焊料，同时完成芯片全部电极与基板间的焊接。,一般认为，FCB是将芯片的I/O电极面朝下放置，使芯片的电极对准基板上的对应焊区，并通过加热、加压、超声的方法使芯片电极或基板焊区上预先制作的凸点变形（或熔融塌陷）后，将芯片电极与基板对应焊区牢固地互连焊接在一起，如图示。,微组装工艺9、三种基本互连技术-7,FCB技术主要有以下几种方法： 再流倒装焊（C4技术）。先将芯片的焊料凸点与基板上相应焊区对准，再用粘结剂（如硅胶）使芯片临时固定到基板上，最后将芯片与基板的共同体置入再流焊炉，使凸点焊料再流而互连芯片电极和基板焊区。 超声热压倒装焊。用倒装焊机完成，如下图所示，焊头吸附倒装芯片，在焊头与基板间有一面450倾斜的半透镜，通过光学反射系统可在放大投影仪上同时看到半透镜上下的两种图形，移动工作台使芯片凸点与基板焊区对准后，移开半透镜，焊头携带芯片与基板焊区相触同时加压、加热和施加超声，完成焊接。, 导电环氧粘接倒装。在芯片电极上制作凸点后，将Ag导电环氧点涂在基板的焊区上或涂布（浸涂、点涂）在凸点上，使芯片凸点对准基板焊区后将芯片放置（预粘接）在基板上，再通过加热固化导电环氧而实现芯片与基板间的电学互连。在芯片与基板的间隙处填充绝缘树脂（下填充料）并加热使之固化，进一步加强芯片与基板的物理连接。,微组装工艺9、三种基本互连技术-8, ACA粘接倒装。先在芯片上制作电极凸点，再在基板上芯片安装区域布置ACA（各向异性导电粘接剂），然后将芯片I/O凸点对准基板焊区并加压加热使树脂材料软化后再硬化，ACA中的导电粒子便将芯片电极与基板焊区电学互连起来。 机械接触互连（树脂光固化）倒装。先在芯片的I/O电极上制作出微型凸点（Au），再在基板上芯片安装区域涂布可紫外光（UV）固化的丙稀基树脂或环氧树脂，然后将芯片I/O凸点对准基板焊区，最后加压，在将凸点与焊区间的树脂挤开的同时用紫外光照射，通过树脂硬化时产生的收缩应力实现芯片电极与基板焊区间的物理与电学互连。对透明基板（石英玻璃