微連接技術
- 2016-03-14 13:39:00
- sawchina 原創
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在微連接技術中，壓焊方法主要用于微電子器件中固態電路內部互連接線的連接，即芯片(表面電極，金屬化層材料主要為Al)與引線框架之間的連接。按照內引線形式，可分為絲材鍵合、梁式引線技術、倒裝芯片法和載帶自動鍵合技術。
1．絲材健合（wire-bonding）
這種方法把普通的焊接能源（熱壓、超聲或兩者結合）與健合的特殊工具及工藝（球-劈刀法、楔-楔法）相結合，形成了不同的健合方法，從而實現了直徑為10～200μm的金屬絲與芯片電極－金屬膜之間的連接。
（1）絲材熱壓鍵合 這是最早用于內引線鍵合的方法。熱壓鍵合是通過壓力與加熱，使接頭區產生典型的塑性變形。熱量與壓力通過毛細管形或楔形加熱工具直接或間接地以靜載或脈沖方式施加到鍵合區。該方法要求鍵合金屬表面和鍵合環境的潔凈度十分高。而且只有金絲才能保證鍵合可靠性，但對于Au-Al內引線鍵合系統，在焊點處又極易形成導致焊點機械強度減弱的“紫斑”缺陷。
（2）絲材超聲波鍵合 超聲波鍵合是在材料的鍵合面上同時施加超聲波和壓力，超聲波振動平行于鍵合面，壓力垂直于鍵合面。該方法一般采用Al或Al合金絲，既可避免Au絲熱壓焊的“紫班”缺陷和解決Al-Al系統的焊接困難，又降低了生產成本。缺點是尾絲不好處理，不利于提高器件的集成度，而且實現自動化的難度較大，生產效率也比較低。
（3）絲球焊 絲材通過空心劈刀的毛細管穿出，然后經過電弧放電使伸出部分熔化，并在表面張力作用下成球形，然后通過劈刀將球壓焊到芯片的電極上。該方法一般采用Au絲。近年來，國際上一直尋求采用Al絲或Cu絲替代Al絲球焊，到80年代，國外Cu絲球焊已在生產中應用。國內研制的Cu絲球焊裝置，采用受控脈沖放電式雙電源形球系統，并用微機控制形球高壓脈沖的數、頻率、頻寬比以及低壓維孤時間，從而實現了對形球能量的精確控制和調節，在氬氣保護條件下確保了Cu絲形球質量。
2．梁引線技術（beam-lead）
采用復式沉積方式在半導體硅片上制備出由多層金屬組成的梁，以這種梁來代替常規內引線與外電路實現連接。這種方法主要在軍事、宇航等要求長壽命和高可靠性的系統中得到應用。其優點在于提高內引線焊接效率和實現高可靠性連接，缺點是梁的制造工藝復雜，散熱性能較差，且出現焊點不良時不能修補。
3. 倒裝芯片法（flip-chip）和載帶自動鍵合技術（TAB）
隨著大規模和超大規模集成電路的發展，微電子器件內引線的數目也隨之增加。絲球焊作為一種點焊技術，不論是焊接質量、還是焊接效率都不能適應大規模生產的要求，群焊技術便應運而生。
倒裝芯片法在60年代由IBM公司開發，主要用于厚膜電路。這種方法在硅片上電極處預制釬料凸點，同時將釬料膏印刷到基板一側的引線電極上，然后將硅片倒置，使硅片上的釬料凸點與之對位，經加熱后使雙方的針料熔為一體，從而實現連接。這種方法適用于微電子器件小型化、高功能的要求，但釬料凸點制作復雜，焊后外觀檢查困難，并且需要焊前處理和嚴格控制釬焊規范，所以應用有限。
載帶自動健合技術是在類似于135膠片的柔性載帶粘結金屬薄片，在金屬薄片上經腐蝕作出引線框圖形，而后與芯片上的凸點進行連接。目前的TAB中，廣泛采用的是電鍍Au的Cu引線框和芯片上的Au凸點，進行熱壓焊接。其優點是生產效率高，缺點是工藝也很復雜，成本較高，且芯片的通用性差。
2．微連接技術中的軟釬焊方法
在微連接技術中，軟釬焊主要用于微電子器件外引線的連接。外引線連接是指微電子器件信號引出端（外引線）與印刷電路板（PCB）上相應焊盤之間的連接。自1962年日本推出陶瓷基板球柵陣列（CBGA），1966年美國RCA公司推出片式電阻、電容，1971年Phlips公司正式提出表面組裝（SMT）概念，到1991年Motorola公司推出樹脂基板球柵陣列（PBGA），使BGA技術走向實用化，微電子器件的外引線連接技術完成了由通孔插裝技術（THT）到SMT的歷史性飛躍，極大地推動了微電子技術的發展。
1．軟針焊工藝
目前微電子工業生產中常見部PCB為插貼混裝方式，常用的軟釬焊工藝為波峰焊和再流焊。
（1）波峰焊 波峰焊是借助釬料泵把熔融態釬料不斷垂直向上地朝狹長出口涌出，形成20～40mm高的波峰。這樣可使釬料以一定的速度和壓力作用于PCB上，充分滲入到待焊接的器件引線與電路板之間，使之完全潤濕并進行焊接。由于釬料波峰的柔性，即使PCB不夠平整，只要翹曲度在3％以下，仍可得到良好的焊接質量。
為克服雙波峰焊的缺點，近年來又開發出噴射空心波峰。它采用特制電磁泵作為釬料噴射動力泵，利用外磁場與熔融釬料中流動電流的雙重作用，迫使釬料按左手定則確定的方向流動，并噴射出空心波。依照流體力學原理，可使釬料充分潤濕PCB組件，實現牢固焊接。空心波與PCB接觸長度僅10～20mm，接觸時間僅1～2s，因而可以減少熱沖擊。
（2）再流焊 再流焊使用的連接材料是釬料膏，通過印刷或滴注等方法將釬料膏涂敷在PCB焊盤上，再用專用設備（貼片機）在上面放置SMD，然后加熱使釬料熔化，即再次流動，從而實現連接。各種再流焊方法的區別在于熱源和加熱方法不同。
1）紅外再流焊。紅外線輻射加熱法一般采用隧道加熱爐，熱源以紅外線輻射為主，適用于流水線大批量生產。且設備成本較低，是目前日本最普遍的再流焊方法。其缺點是SMD因表面顏色的深淺、材料的差異及與熱源距離的遠近，所吸收的熱量也有所不同；體積大的SMD會對小型SMD造成陰影，使之受熱不足而降低焊接質量；溫度的設定難以兼顧周到。
2）汽相再流焊。熱源來自氟氯烷系溶劑（典型牌號為FC-70）飽和蒸汽的汽化潛熱。PCB放置在充滿飽和蒸汽的氛圍中，蒸汽與SMD接觸時冷凝并放出汽化潛熱使釬料膏熔融再流。汽相再流焊應用最廣的是美國。其優點是溶劑蒸汽可到達每一個角落，熱傳導均勻，可完成與產品幾何形狀無關的高質量焊接；焊接溫度精確，（215士3）℃，不會發生過熱現象。缺點是溶劑價格昂貴，生產成本高；如操作不當，溶劑經加熱分解會產生有毒的氟化氫和異丁烯氣體。
3）激光再流焊。熱源來自CO2或YAG激光束,基于激光來優良的方向性和高功率密度，其特點是加熱過程高度局部化；不產生效應力，熱敏感性強的器件不會受熱沖擊；焊接時間短，焊點顯微組織得到細化，抗熱疲勞性能得到提高。缺點是作為再流焊方法唯一的點焊技術，生產效率根低。目前激光濤流焊主要用于引線節距在0.65～0.5m以下的高密度組裝。如Philips公司研制的“Laser Number PLM1”在波峰焊或再流焊之后組裝專用IC，引線節距達0.2mm也不會橋接。
激光再流焊工藝可實現高度自動化且提供過程控制。國內研制成功的激光再流焊設備采用微機對激光器電源進行控制，實現加熱能量的精確輸出，焊點的定位采用人權示教方式，焊接過程在微機的控制下自動完成。
2．軟釬焊材料
在微連接技術中，所用軟釬焊材料多為傳統的軟釬料Sn-Pb合金和有機軟釬劑，焊后一般須清洗。近年來，隨著國際社會對環保問題的日益重視和激烈的市場競爭，國外相繼開發出免清洗釬劑和無Pb釬料，并已商品化。
（1）免清洗釬劑 氟利昂（CFC）溶劑是軟釬焊過程中清洗釬劑殘渣的主要溶劑，國際上已簽署了2000年全面禁用CFC的公約。使用免清洗釬劑可去除清洗步驟，減少所得的生產設備和空間；節省與清洗工序相連的材料、能源、廢物處理等方面的費用；與現有清洗溶劑不相容的微電子器件可得到廣泛應用。
典型的免清洗釬劑包含2％～5％（質量分數）的固體成分，通過增加溶劑的量和減少松香及活性劑的量來減少固體成分。活性劑系統特別選擇為相對情性的，以最大程度降低其長期腐蝕性。載體一般為人造松香、樹脂或改性松香，由于含有樹脂的低渣釬劑依然含有鹵化物，因此人造松香被認為是最佳選擇。由于針劑中含有大量乙醇，因此必須加入其他溶劑或發泡劑來促進發泡，以保證釬劑能夠施加于印刷電路板上。但是，過量的發泡劑將嚴重影響釬劑的腐蝕性。
免清洗釬劑的技術難點如下：
1）釬劑濃度的優化，能產生足夠潤濕，并最大限度減少殘渣；
2）為確定一給定工序的釬劑量，需明確其密度。但因為其組成中的乙醇具有很高的蒸氣壓，密度難以控制；
3）由于乙醇具吸水性，免清洗釬劑吸水性明顯。而釬劑中過量的水分將抑制釬劑活性，引起金屬化層氧化；
4）由于含有大量乙醇，低渣釬劑很難發泡（波峰焊中施加釬劑的重要方法）；
5）為完成高質量的軟釬焊組裝，免清洗釬劑要求的工藝參數窗口更為狹窄。
（2）無Pb釬料 傳統的軟釬料為Sn-Pb合金，Pb具有毒性。開發無Pb釬料的技術關鍵在于找到一種或幾種合金元素，使其與Sn形成的合金具有近似的熔點，從而不必改變現有工藝條件而實現即時替代，同時其潤濕性能應與Sn-Pb合金相當。國外各主要公司相繼推出自己的無Pb釬料專利配方，但目前實際生產中尚未大量應用。
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