1、SMT贴片元器件封装知识梳理SMT贴片元器件封装知识梳理1. 板上倒装片和板上芯片板上倒装片（FCOB是20多年前IBM公司为了满足用户对高速 计算机的需求而研制的。 首次研制成功的倒装片工艺是可控坍塌芯片 连接（C4），其设计是采用机电一体化的方法将硅芯片与陶瓷基板相 连接。从某些方面来看，由于液化焊料凸点表面张力的作用，这种技 术可使芯片自身能够对准板上的焊盘， 为此，使这种技术实现了高产 量。然而，由于通孔的方法在通用芯片的封装中成本相对来说比较合 理，而陶瓷基板价格昂贵，使得 C4倒装片不能够得到广泛的应用。 而事实上，倒装片技术远比市场上的传统技术先进得多。对于高速计算机组装来说，其
2、提供了可靠的封装技术。然而，不久前，开发出了一种技术，这样的话，就可应用 FCOB 来降低FR-C4环氧玻璃板的成本。虽然FR-4成本低，但是，它带来 了新的挑战：由于FR-4和芯片使用的热膨胀系数（CTE不同，所以， 就会由于热变形造成移位，使 IC 互连更为牢固。补救的方法是在芯 片和板子之间用环氧树脂进行底层填料，用力要均匀，保护互连点。 底层填料工艺得到延续使用及普及。 由于某些原因， 使得倒装芯片很 可能被广泛地用于 MCM勺互连中。虽然，在1996年只有1%的MCM采 用了倒装片互连，到 2001 年将增加到 18%。随着质量的提高和成本的下降，FCOB的产量也随之增长。由于 芯片
3、是直接贴装到板上的，所以，不需使用引线框架材料和线焊、模 压、边缘修整和成型工艺，使得这种技术能够得到有效的应用。上述 优点还可使互连点的布局更加致密， 提高了密度。 与传统的互连方法 比较，FCOB的芯片和板之间的导电通路更短，这样就减少了电子干 扰和降低了噪音，同时提高了性能。板上芯片（COB类似于FCOB其芯片的互连面朝上，在传统的 工艺中， 都是采用线焊的方法将其与板上焊盘互连。 由于没有了引线 框架，不仅使COB笔低了成本，而且还提高了性能，不过，必须用环 氧树脂“顶部植球”的方法来保护芯片和线焊。2. 凸点互连技术凸点互连技术（BIT）要求使用与半导体工业在背面未端组装中 使用的设
4、备和材料相同。应用这种先进的封装，将 Au 凸点植于晶圆 上，用银环氧填料形成与基板的互连。 为了解决底层填料的慢速流淌 的问题而开发研究了 BIT 工艺，并要求在贴装倒装片之前， 将环氧材 料施加到基板上。金凸点不同于 C4工艺中使用的材料，其不会坍塌 或回流。 Au 凸点会起到整平的作用，而且使用少量的导电胶就可实 施涂覆操作，并脱离底层填料，在芯片和板之间形成电子连接BIT 的缺点是：由于金凸点不能液化，就没有可使芯片与基板对 准的表面张力， 金凸点在其被施加的位置上固化。 由于这个原因， BIT 对贴装的可重复性要求很高。3. 多芯片模块（ MCM）几年前，在推荐使用MCM时，要求使用
5、容纳了两个或更多硅芯片 的小型层压基板、陶瓷基板或硅基板。据说它对提高 IC 密度是一种 有效的方法。然而，MCM!身还存在着一些问题。业已证实，PCB上 的细印迹的设计和制造即耗时，成本又高。此外，随着各种半导体加 工工艺的进步，芯片尺寸的缩小，由于基板对细印迹的更高要求，为 此需要重新进行设计。最后，是否能够提供经济、可靠的“已知合格 芯片” （KGD也是一个重要问题。对于传统的应用来说， 在将芯片组装到电路中之前， 对封装的芯 片进行老化和电子测试是切实可行的。如果 IC 有问题的话，可将封 装与有缺陷的芯片一同丢弃掉，也值不了多少钱。而使用 MCM 个芯片有缺陷将导致整个模块报废。 由
6、于在晶片级封装中芯片不能得到 适当的老化，所以，必须对其进行测试，以便确定其是否为 KGD工艺成本高否及效果是否不佳。（KGD的焊盘并不象传统封装的IC那 样已有了标准）。因此，通常只能从一个渠道获得 KGD这种渠道将 要花费很多的时间和付出很大一笔资金MCM 主要是用于对尺寸和性能有较高要求的高成本军事和航空产 品中。为此，不应将MCMt作一种可行的技术。此外，即使焊盘生产 向着标准化的方向发展，生产厂家仍在开发更新的、更有效的KGD生 产的测试方法。4. 芯片尺寸封装（ CSP）芯片尺寸封装（CSP目前被定义为封装尺寸与芯片尺寸相当的 一种先进 IC 封装形式，封装体与芯片尺寸相比不大于
7、120%。其尺寸 大约为传统的多引脚 QFP勺1/3，CSP在成本、密度、组装量和性能 上都占优势。CSP还可以解决与FCOBCO环口 MCMI芯片组装工艺相 关的IC测试问题，也就是说，在使用标准的IC时，所有的CSP实际 上都能够贴放到管座中，并滞留。某些CSP的布局看上去及操作上很象倒装片， 不过，不需要底层 填料。CSP的片式引线和热塑胶粘剂是柔性的，这样的话，基板就会 由于不均衡的CTE应力和材料而膨胀，因此，就不需要底层填料了。 微型BGA就是一个例子。它是用弹性胶粘剂将芯片以机械方法与柔性 电路连接和以热感应的方法与柔性电路上的“ S”形带形成连接。柔 性电路可将 IC 焊盘上的
8、 I/O 重新分配到共晶焊料球的标准阵列上。 焊料球被支撑在弹性材料隔离片上， 可随意移动， 而不会使焊点上或 芯片面上产生应力。CSP允许使用这种标准化的管脚出线，这样，对 于降低了芯片尺寸和可使不同厂家生产的芯片能够在使用中保持稳 定性。CSP 主要用于存储器元件，但是，最终将被用于芯片的 I/O 大于2000引线的高性能应用中。由于CSP是以现有的SMT技术作为基础， 预计CSP将向着大规模生产过渡，以满足裸芯片 MC啲需求。5.Z 轴材料的互连先进封装技术之一是 Z 轴材料互连， 为一种倒装片工艺。 这种技 术使用液体或薄膜类型的专用导电胶。Z轴材料是由包裹在导电材料 的非导电物质中的
9、悬浮焊料珠组成的。 当对植有焊料球的芯片施加压 力时，Z轴材料压缩，焊料珠分裂，使其凝固，并在焊料球与基板间 形成导电通路，为此，也就不需要引线来连接芯片与基板了。虽然，该技术具有很大的潜力，但是，其毕竟是一种新技术，存 在着许多需要克服的不足之处：Z轴互连不能与C4倒装片和共晶焊 料BGA共享自对准特性。此外，粘合力必须具有足以分裂非导电焊料 珠的能力。6.更先进的封装技术芯片上引线（LOC和引线上芯片（COL是目前SMT生产中涌现 出的先进封装技术。 这两种技术是使用传统的线焊方法使芯片与小型 引线框架形成电子连接。因此，使用 LOCK术，有引线框架的引线可连接到芯片的面上， 而不是连接于
10、底部 （沿着芯片的中心轴进行线焊， 而不是在四边进行线焊，这样就可使引线更短）。而使用 COL技术，通过较短的线焊可将引线框架上的引线连接到芯片的底部， 这种技术 可获得极好的电子性能。LOC和COL勺尺寸基本上与芯片相等。塑料球栅阵列（PBGA使封装实现了极小化，其使针脚分布于底 部。多数PBGA使用不同的COB技术将单芯片连接到有引线框架类型 带的BT层压板。芯片和线焊用环氧树脂包封，为了与板子形成互连， 添加外部焊料球阵列。提高了间距和共晶焊料球明显地简化了 PBGA 与板子组装的工艺。PBGA矩阵实现了在单带基板组装几个芯片，可 使总成本大幅度下降。PBGA 技术在芯片上的应用，延长了
11、传统的芯片连接和线焊背面 未端组装设施的使用寿命这是在老工厂的一种新的应用！ 当倒装 片工艺远远满足了可靠性的要求及线焊达到较经济的情况时， 可获得 其他的性能和有可能节约成本。 最终，当制造厂家很少依赖线焊技术 时，倒装芯片和PBGAi术将组合起来。7.组装先进封装使用的设备先进封装使得整个电子工业处于一个过渡时期。 当你参与工业竞 争时，在过去的 35 年中，封装的发展状况类似于半导体的发展状况。在过去的68年中，封装获得推广应用，特别是随着BGA和面阵列技 术的问世。据预测新型封装的数量将每 5 年翻一番。实际上，先进封装重点是放在半导体和 SMT组装技术产品。半导 体工业传统上注重精度
12、和速度。 由于贴装的元件只是一种类型， 所以 柔性并不是主要问题。 另一方面， 由于不同类型的元件贴装在同一块 板子上，批尺寸趋于更小，为此，SMT必须将重点放在柔性和可编程 性上。为了利用新封装的优点，制造厂家要求组装厂家将速度、精度 和柔性相结合。在种类繁多的先进封装技术中， 目前还不清楚哪种封装技术将成 为主导技术。 不过，首要的一点要求是在贴装半导体晶片时必须达到 精确性，由于产量的提高，必须直接从晶圆上拾取切片。在将晶片连 接到基板上时使用的附加工艺有：加热、施加胶粘剂或涂覆焊剂。 为了提高其竞争力， 制造厂家必须做好准备面对和接受所有的先进封 装技术。 在选择组装设备时， 必须观注
13、设备和供应厂商的各方面特性 和能力。组装设备特别应满足下面几点要求：1） 完全符合倒装片贴装的容差；2） 为支持目前机器所加工的品种繁多的元件，应提供柔性和模块；3） 应具有能够随时可“插入”的硬件和软件模块式机械和电子控制 系统结构，以便在新的技术问世时，能够得到及时的应用。据预测，便携式消费类产品，以 2006 年系统的制造将占 60%以上的 市场份额，而且很有可能被用于某些类型的先进封装技术中。然而，传统的SMD在半导体封装市场仍将占有 60%以上的份额 单位。因此，组装设备必须是不仅能够用于各种不同的传统元件的加工， 而 且还能够满足更多的先进封装新的需求的应用。8. 0201 无源元
14、件的发展趋势在过去的几年中， 随着人们使用的便携式电话、 寻呼机和个人辅 助用品数量的急剧上升，使得消费类电子工业火爆发展。在更小、更 快、成本更低需求的推动下， 对小型化技术研究的必要性也成为无止 境的需求。多数移动式电话制造厂家现在已将 0201 无源元件用于其 所有的最新设计中， 而且在不远的将来， 其它工业领域也将采用这种 技术。汽车制造工业的无线通讯产品也在将 0201技术应用于GPS系 统、传感器和通讯设备中。医疗行业也利用 0201 尺寸小的优点，将 其应用于医疗器械中， 如象；助听器和心脏起博器。 许多公司将 0201 技术用于多芯片模块（MCM中，以降低总的封装尺寸。使用这种
15、MCM 器件，通过直接用裸芯片进行封装， 用于 2级板组装上的封装体模压， 使得 0201 技术距半导体工业更近了。还需要做更多的研究来认证焊 盘设计、印刷、贴装和再流工艺窗口，以便使 0201 无源元件在全面 的推广应用之前，能够实现较高的一次合格率及高产量。9. SMT 中应用的光电技术 光电子技术， 顾名思义是光子学和电子学的组合技术。 光子在电路中 可取代电子以形成元件之间的连接。 其显著特点是由于光子以光的速 度运行，所以其速度要比电子快得多。光学系统的成本很高，所以只 有一些尖端技术和主要用户才用得起或必须使用。 电信使用的激光占 有二极管激光市场的 65%，51 亿美元的市场份额
16、。 激光用于不同的应 用领域，不过在每种应用中用途都是一致的：作为光源。用于SMT中的光电器件是以高频率的光波作为载波，因此，不仅具有功能强、体积小、重量轻、功耗小、工作稳定可靠、便于大 规模生产等 IC 的一般特点外，还具有响应速度快、频带宽和光并行 性等光波器件的特点。 预计在今后的五年中， 这种技术将逐渐推广应 用，被组装生产厂家所接受。在人们不断地追求更薄、 更小、更轻的产品的推动下， 最近两、三年， 德国和其它几个国家先后开发研制出了光电器件， 并将这种元件用于 表面组装技术中。 这种器件的主要优点是其提高了数据传送速度。 光 电电路板是一种可使光电表面组装元件之间完全兼容的混合载体
17、。 这 种载体的关键元件被称为光电电路板（EOCB。这种电路板（EOCB 是一种带有波导结构的附加光层。将波导用于电路板。用标准的 PCB 制造技术可产生光层在光学元件领域，有无数的产品类型。一般，光学元件可以分为 无源或有源元件。在这些分类之下，还可将各种元件类型进行细分： 诸如多路转换器、隔离器、循环器、波长锁与发射器、放大器、路由 器和开关等。加上那些参与竞争的元件制造商使用的各种结构与技术， 元件仍将朝着多品种的方向发展。 由于技术的快速发展， 使得标准化 工作滞后，跟不上发展，致目前为止，还没有可供参照的标准文件。虽然电子工业的许多领域已进入萧条，但是光电子学 (optoelectr
18、onics) 却作为新的亮点闪现出来。光学电子是连接光子 元件与电气电路的元素。 光子是有源元件和无源元件以及产生光学通 路的互联元件。光电封装是光子、光学电子和电子元件的系统集成， 它遵循许多物理限制，如 (dB) 插入损失、温度、材料、可靠性、成型 因素、可制造性和成本。封装和装配包括元件、模块、板与子系统等 级别。9.1 光电子技术存在的问题在0E中，一个关键问题是自动化。0E元件装配工艺，特别是光纤对位与连接，速度慢，而且还是一种劳动密集型技术。精度和速度 是自动化的两个应考虑的因素。例如，多路转换器和放大器要求 12 卩m的精度。在现有的机器上每小时 200300个元件的速度可以用来
19、仿真这些元件。激光器和光敏二极管要求 5卩m的精度。为了自动放 置这些元件，每小时 50100 个元件的速度是可以达到的。还有一些情况是透镜、激光器和放大器需要小于 1卩m的精度。这些元件只能 以每天 3040 的速度放置。对于那些可以准确和迅速地贴放元件的设 备供应商将是一个巨大的市场。 在某些情况下， 只是精确地放置是不 足以满足技术的需求的 通过相同的机器在放置之后立刻安装。这意味着我们需要集成化的装配系统，而不只是贴放的机器。10. 绿色制造无铅焊料由于含铅焊料，尤其是锡-铅（Sn/Pb）合金集成本低、优良的焊 接特性、抗疲劳性、充分的熔融温度范围及理想的物理、机械和冶金 特性等优点于
20、一体，所以，被广泛地用于电子制造业中。然而，由于 铅的毒性， 使得铅在电子制造中的应用受到控制及立法的约束， 这也 是人们越来越关心的问题。 虽然，在电子组装中将铅用于焊料中至今 并没有完全禁止， 但是随着人们环保意识的提高和越来越重视工人的 健康推动着电子组装工业开发无铅焊料替代物。 目前已开发出的常用 锡铅合金替代物已面市， 这些无铅产品各有利弊， 不能满足所有的要 求，只能满足某种应用要求，为此，在今后的几年中有关人员将花费 大力气来开发研制可与锡铅焊料蓖美的替代产品。适用于电子组装的无铅焊料替代物必须满足下列标准：熔融温度类似于锡铅焊料。塑性范围小。充分的润湿性能。等同于锡铅焊料的物理
21、性能。优良的抗疲劳特性。具有与现有的液体助焊剂系统的兼容性。具有象焊膏那样的充分的贮存寿命和性能。能够形成现有焊料具有的物理特性的焊点。无毒性。当用于波峰焊接工艺中时，产生的浮渣少。成本低。10.1替代物成分 实际上，所有的无铅焊料替代物都将锡作为每种替代物中的主要成分 之一。为了满足熔融温度的技术要求， 而往焊料合金中掺入的其它成 分有（Bi）、镉（Cd ）、铟（In）、锌（Zn）、金（Au）、钛（Ti ）、 镓（Ga）、水银（Hg）、铜（8）、锑（Sb）和银（Ag）但是，可使 用的元素远不止这些。本文仅列出了几种常用的成分。10.2合金焊料的评估到目前为止， 已对某些共晶合金体系， 如象；
22、铋-锡；铟- 锡；锡- 银； 锡-铜和锡-锌进行了广泛深入的研究，其它的焊料合金，如象；锡 铋- 银；锡-铟- 银；锡-锑；锡-锌- 铟及上述的共晶合金与其它元素的 混合物，由于这些合金的机械强度和抗蠕变性显示出其具有广阔的发 展前景。在今后的几年中，无铅替代产品的成本成为竞争的焦点，有 关制造厂家正在围绕多功能和价格低廉方面努力创新。 因此，在未来 的二、三年中将会有不少新型的无铅焊料问世。11. 未来需求自动化的制造实际上是不存在的， 封装和组装标准有待制定。 由于元 件的数量，效率低；而潜在的产量是大的，今天的市场小，缺乏规模 经济。为了使市场达到全部的潜力， 要求在光电产品的设计者与那些 将制造这些元件、模块和系统的公司之间进一步的沟通。 虽然，先进的封装仍处于初期的应用阶段， 但是，通过提高 IC 密度， 降低互连的总长度和数量，可满足用户的“更小、价廉、更快”的产 品需求，从而实现提高设备的可靠性的目的。因此，制造厂家应充分 利用先进封装技术的这些优势，参与市场的激烈竞争和挑战。
