微連接技術(shù)

1．微連接技術(shù)中的壓焊方法 

   在微連接技術(shù)中，壓焊方法主要用于微電子器件中固態(tài)電路內(nèi)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(nèi)引線形式，可分為絲材鍵合、梁式引線技術(shù)、倒裝芯片法和載帶自動(dòng)鍵合技術(shù)。 

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(jié)合）與健合的特殊工具及工藝（球-劈刀法、楔-楔法）相結(jié)合，形成了不同的健合方法，從而實(shí)現(xiàn)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(nèi)引線鍵合的方法。熱壓鍵合是通過(guò)壓力與加熱，使接頭區(qū)產(chǎn)生典型的塑性變形。熱量與壓力通過(guò)毛細(xì)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(qū)。該方法要求鍵合金屬表面和鍵合環(huán)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(duì)于Au-Al內(nèi)引線鍵合系統(tǒng)，在焊點(diǎn)處又極易形成導(dǎo)致焊點(diǎn)機(jī)械強(qiáng)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(shí)施加超聲波和壓力，超聲波振動(dòng)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(tǒng)的焊接困難，又降低了生產(chǎn)成本。缺點(diǎn)是尾絲不好處理，不利于提高器件的集成度，而且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的難度較大，生產(chǎn)效率也比較低。 

  （3）絲球焊 絲材通過(guò)空心劈刀的毛細(xì)管穿出，然后經(jīng)過(guò)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(guò)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(lái)，國(guó)際上一直尋求采用Al絲或Cu絲替代Al絲球焊，到80年代，國(guó)外Cu絲球焊已在生產(chǎn)中應(yīng)用。國(guó)內(nèi)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(tǒng)，并用微機(jī)控制形球高壓脈沖的數(shù)、頻率、頻寬比以及低壓維孤時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)形球能量的精確控制和調(diào)節(jié)，在氬氣保護(hù)條件下確保了Cu絲形球質(zhì)量。 

2．梁引線技術(shù)（beam-lead） 
   采用復(fù)式沉積方式在半導(dǎo)體硅片上制備出由多層金屬組成的梁，以這種梁來(lái)代替常規(guī)內(nèi)引線與外電路實(shí)現(xiàn)連接。這種方法主要在軍事、宇航等要求長(zhǎng)壽命和高可靠性的系統(tǒng)中得到應(yīng)用。其優(yōu)點(diǎn)在于提高內(nèi)引線焊接效率和實(shí)現(xiàn)高可靠性連接，缺點(diǎn)是梁的制造工藝復(fù)雜，散熱性能較差，且出現(xiàn)焊點(diǎn)不良時(shí)不能修補(bǔ)。 

3. 倒裝芯片法（flip-chip）和載帶自動(dòng)鍵合技術(shù)（TAB） 
   隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，微電子器件內(nèi)引線的數(shù)目也隨之增加。絲球焊作為一種點(diǎn)焊技術(shù)，不論是焊接質(zhì)量、還是焊接效率都不能適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的要求，群焊技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。 

   倒裝芯片法在60年代由IBM公司開發(fā)，主要用于厚膜電路。這種方法在硅片上電極處預(yù)制釬料凸點(diǎn)，同時(shí)將釬料膏印刷到基板一側(cè)的引線電極上，然后將硅片倒置，使硅片上的釬料凸點(diǎn)與之對(duì)位，經(jīng)加熱后使雙方的針料熔為一體，從而實(shí)現(xiàn)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(diǎn)制作復(fù)雜，焊后外觀檢查困難，并且需要焊前處理和嚴(yán)格控制釬焊規(guī)范，所以應(yīng)用有限。 

   載帶自動(dòng)健合技術(shù)是在類似于135膠片的柔性載帶粘結(jié)金屬薄片，在金屬薄片上經(jīng)腐蝕作出引線框圖形，而后與芯片上的凸點(diǎn)進(jìn)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(diǎn)，進(jìn)行熱壓焊接。其優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，缺點(diǎn)是工藝也很復(fù)雜，成本較高，且芯片的通用性差。 

2．微連接技術(shù)中的軟釬焊方法 

   在微連接技術(shù)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(hào)引出端（外引線）與印刷電路板（PCB）上相應(yīng)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(guó)RCA公司推出片式電阻、電容，1971年P(guān)hlips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(shù)走向?qū)嵱没�，微電子器件的外引線連接技術(shù)完成了由通孔插裝技術(shù)（THT）到SMT的歷史性飛躍，極大地推動(dòng)了微電子技術(shù)的發(fā)展。 

1．軟針焊工藝 
目前微電子工業(yè)生產(chǎn)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(tài)釬料不斷垂直向上地朝狹長(zhǎng)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(rùn)濕并進(jìn)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(zhì)量。  

   在THT工藝中、主經(jīng)采用單波峰焊。此時(shí)其缺點(diǎn)是釬料波峰垂直向上的力，會(huì)給一些較輕的器件帶來(lái)沖擊，造成浮動(dòng)或虛焊。而在SMT工藝中，由于表面組裝元件（SMD沒(méi)有通孔插裝元件（THD）那樣的安裝插孔，釬劑受熱后揮發(fā)出的氣體無(wú)處散逸，另外SMD具有一定的高度與寬度，且組裝密度較大（一般5～8件/cm2），釬料的表面張力作用將形成屏蔽效應(yīng)，使釬料很難及時(shí)潤(rùn)濕并滲透到每個(gè)引線，此時(shí)采用單波峰焊會(huì)產(chǎn)生大量的漏焊或橋連，為此又開發(fā)出雙波峰焊。雙波峰焊有前后兩個(gè)波峰，前一波峰較窄，波高與波寬之比大于1，峰端有2～3排交錯(cuò)排列的小波峰，在這樣多頭的、上下左右不斷快速流動(dòng)的湍流波作用下，釬劑氣體都被排除掉，表面張力作用也被減弱，從而獲得良好的焊接質(zhì)量。后一波峰為雙向?qū)捚讲�，釬料流動(dòng)平坦而緩慢，可以去除多余釬料，消除毛刺、橋連等焊接缺陷。雙波峰焊已在PCB插貼混裝上廣泛應(yīng)用。其缺點(diǎn)是PCB兩次經(jīng)過(guò)波峰，受熱量較大，一些耐熱性較差的PCB易變形翹曲。 

   為克服雙波峰焊的缺點(diǎn)，近年來(lái)又開發(fā)出噴射空心波峰。它采用特制電磁泵作為釬料噴射動(dòng)力泵，利用外磁場(chǎng)與熔融釬料中流動(dòng)電流的雙重作用，迫使釬料按左手定則確定的方向流動(dòng)，并噴射出空心波。依照流體力學(xué)原理，可使釬料充分潤(rùn)濕PCB組件，實(shí)現(xiàn)牢固焊接�？招牟ㄅcPCB接觸長(zhǎng)度僅10～20mm，接觸時(shí)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(guò)印刷或滴注等方法將釬料膏涂敷在PCB焊盤上，再用專用設(shè)備（貼片機(jī)）在上面放置SMD，然后加熱使釬料熔化，即再次流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)連接。各種再流焊方法的區(qū)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(chǎn)。且設(shè)備成本較低，是目前日本最普遍的再流焊方法。其缺點(diǎn)是SMD因表面顏色的深淺、材料的差異及與熱源距離的遠(yuǎn)近，所吸收的熱量也有所不同；體積大的SMD會(huì)對(duì)小型SMD造成陰影，使之受熱不足而降低焊接質(zhì)量；溫度的設(shè)定難以兼顧周到。 

  2）汽相再流焊。熱源來(lái)自氟氯烷系溶劑（典型牌號(hào)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(shí)冷凝并放出汽化潛熱使釬料膏熔融再流。汽相再流焊應(yīng)用最廣的是美國(guó)。其優(yōu)點(diǎn)是溶劑蒸汽可到達(dá)每一個(gè)角落，熱傳導(dǎo)均勻，可完成與產(chǎn)品幾何形狀無(wú)關(guān)的高質(zhì)量焊接；焊接溫度精確，（215士3）℃，不會(huì)發(fā)生過(guò)熱現(xiàn)象。缺點(diǎn)是溶劑價(jià)格昂貴，生產(chǎn)成本高；如操作不當(dāng)，溶劑經(jīng)加熱分解會(huì)產(chǎn)生有毒的氟化氫和異丁烯氣體。  

  3）激光再流焊。熱源來(lái)自CO2或YAG激光束,基于激光來(lái)優(yōu)良的方向性和高功率密度，其特點(diǎn)是加熱過(guò)程高度局部化；不產(chǎn)生效應(yīng)力，熱敏感性強(qiáng)的器件不會(huì)受熱沖擊；焊接時(shí)間短，焊點(diǎn)顯微組織得到細(xì)化，抗熱疲勞性能得到提高。缺點(diǎn)是作為再流焊方法唯一的點(diǎn)焊技術(shù)，生產(chǎn)效率根低。目前激光濤流焊主要用于引線節(jié)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(jié)距達(dá)0.2mm也不會(huì)橋接。 

  激光再流焊工藝可實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化且提供過(guò)程控制。國(guó)內(nèi)研制成功的激光再流焊設(shè)備采用微機(jī)對(duì)激光器電源進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)加熱能量的精確輸出，焊點(diǎn)的定位采用人權(quán)示教方式，焊接過(guò)程在微機(jī)的控制下自動(dòng)完成。 

2．軟釬焊材料 

   在微連接技術(shù)中，所用軟釬焊材料多為傳統(tǒng)的軟釬料Sn-Pb合金和有機(jī)軟釬劑，焊后一般須清洗。近年來(lái)，隨著國(guó)際社會(huì)對(duì)環(huán)保問(wèn)題的日益重視和激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，國(guó)外相繼開發(fā)出免清洗釬劑和無(wú)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(guò)程中清洗釬劑殘?jiān)�的主要溶劑，�?guó)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(chǎn)設(shè)備和空間；節(jié)省與清洗工序相連的材料、能源、廢物處理等方面的費(fèi)用；與現(xiàn)有清洗溶劑不相容的微電子器件可得到廣泛應(yīng)用。 

   典型的免清洗釬劑包含2％～5％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的固體成分，通過(guò)增加溶劑的量和減少松香及活性劑的量來(lái)減少固體成分�；钚詣┫到y(tǒng)特別選擇為相對(duì)情性的，以最大程度降低其長(zhǎng)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(rèn)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(fā)泡劑來(lái)促進(jìn)發(fā)泡，以保證釬劑能夠施加于印刷電路板上。但是，過(guò)量的發(fā)泡劑將嚴(yán)重影響釬劑的腐蝕性。 

免清洗釬劑的技術(shù)難點(diǎn)如下： 
  1）釬劑濃度的優(yōu)化，能產(chǎn)生足夠潤(rùn)濕，并最大限度減少殘?jiān)��?nbsp;

  2）為確定一給定工序的釬劑量，需明確其密度。但因?yàn)槠浣M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(guò)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(fā)泡（波峰焊中施加釬劑的重要方法）； 

  5）為完成高質(zhì)量的軟釬焊組裝，免清洗釬劑要求的工藝參數(shù)窗口更為狹窄。 

 （2）無(wú)Pb釬料 傳統(tǒng)的軟釬料為Sn-Pb合金，Pb具有毒性。開發(fā)無(wú)Pb釬料的技術(shù)關(guān)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(diǎn)，從而不必改變現(xiàn)有工藝條件而實(shí)現(xiàn)即時(shí)替代，同時(shí)其潤(rùn)濕性能應(yīng)與Sn-Pb合金相當(dāng)。國(guó)外各主要公司相繼推出自己的無(wú)Pb釬料專利配方，但目前實(shí)際生產(chǎn)中尚未大量應(yīng)用。