微组装技术简述及工艺流程及设备

微组装技术简述张经国1404一.微组装技术内涵及其与电子组装技术的关系1.内涵——微组装技术（micropackgingtechnology）是微电子组装技术（microelectronicpackgingtechnology)的简称，是新一代高级的电子组装技术。它是通过微焊互连和微封装工艺技术，将高集成度的IC器件及其他元器件组装在高密度多层基板上，构成高密度、高可靠、高性能、多功能的立体结构微电子产品的综合性高技术，是一种高级的混合微电子技术。2.微组装技术与电子组装技术的关系微电子组装技术是电子组装技术最新发展的产物，是新一代高级（先进）的电子组装技术，属第五代电子组装技术（从80年代至今）。与传统的电子组装技术比较，其特点是在“微”字上。“微”字有两个含义：一是微型化，二是针对微电子领域。二。微组装技术对整机发展的作用微组装技术是充分发挥高集成度、高速单片IC性能，实现小型、轻量、多功能、高可靠电子系统系统集成的重要技术途径。三。微组装技术的层次和关键技术.1.微组装技术的层次——整机系统的微组装层次大致可分为三个层次：1）1级（芯片级）——系指通过陶瓷载体、TAB和倒装焊结构方式对单芯片进行封装。2）2级（组件级）——系指在各种多层基板上组装各种裸芯片、载体IC器件、倒装焊器件以及其他微型元器件，并加以适当的封装和散热器，构成微电子组件（如MCM）。3）3级（印制电路板级）——系指在大面积的多层印制电路板上组装多芯片组件和其他的微电子组件、单芯片封装器件，以及其他功能元器件，构成大型电子部件或整机系统。2.关键技术——以下为不同微组装层次的主要关键技术：1）芯片级的主要关键技术——凸点形成技术和植球技术，KGD技术，TAB技术，细间距丝键合技术，细间距引出封装的工艺技术2）组件级的主要关键技术——多层布线基板设计、工艺、材料及检测技术，倒装芯片焊接、检测和清洗技术，细间距丝键合技术，芯片互连可靠性评估和检测技术，高导热封装的设计、工艺、材料和密封技术，其他片式元器件的集成技术。3）印制板级的主要关键技术——电路分割设计技术，大面积多层印制电路板的设计、工艺、材料、检测技术以及结构设计、工艺技术以及组件与母板的互连技术。四。多芯片组件（MCM）的技术内涵、优点及类型1.技术内涵——MCM是multichipmodule英文的缩写，通常译为多芯片组件（也有译为多芯片模块）。MCM技术属于混合微电子技术的范畴，是混合微电子技术向高级阶段发展的集中体现，是一种典型的高级混合集成电路技术。关于MCM的定义，国际上有多种说法。就本人的观点而言，定性的来说MCM应具备以下三个条件：（1）具有高密度多层布线基板；（2）内装两块以上的裸芯片IC（一般为大规模集成电路）；（3）组装在同一个封装内。也就是说，MCM是一种在高密度多层布线基板上组装有2块以上裸芯片IC（一般为LSI）以及其它微型元器件，并封装在同一外壳内的高密度微电子组件。2.优点——MCM技术有以下主要优点。1）使电路组装更加高密度化，进一步实现整机的小型化和轻量化。与同样功能的SMT组装电路相比，通常MCM的重量可减轻80%~90%，其尺寸减小70~80%。在军事应用领域，MCM的小型化和轻量化效果更为明显，采用MCM技术可使导弹体积缩小90%以上，重量可减轻80%以上。卫星微波通信系统中采用MCM技术制作的T/R组件，其体积仅为原来的1/10~1/20。2)进一步提高性能，实现高速化。与通常SMT组装电路相比，MCM的信号传输速度一般可提高4~6倍。NEC公司在1979~1989年期间研究MCM在大型计算机中的应用，从采用一般的厚膜多层布线到使用高级的多芯片组件—混合多芯片组件，其系统的运算速度提高了37倍，达220亿次/秒。采用MCM技术，有效的减小了高速VLSI之间的互连距离、互连电容、电阻和电感，从而使信号传输延迟大大减少。3)提高可靠性。统计表明，电子整机的失效大约90%是由封装和互连引起的。MCM与SMT组装电路相比，其单位面积内的焊点减少了95%以上，单位面积内的I/O数减少84%以上，单位面积的接口减少75%以上，且大大改善了散热，降低了结温，使热应力和过载应力大大降低，从而提高可靠性可达5倍以上。4)易于实现多功能。MCM可将模拟电路、数字电路、光电器件、微波器件、传感器以及其片式元器件等多种功能的元器件组装在一起，通过高密度互连构成具有多种功能微电子部件、子系统或系统。HughesReserchlaboratory采用三维多芯片组件技术开发的计算机系统就是MCM实现系统级组件的典型实例。3.类型和特点——通常可按MCM所用高密度多层布线基板的结构和工艺，将MCM分为以下几个类型。1)叠层型MCM（MCM-L，其中L为“叠层”的英文词“Laminate”的第一个字母）也称为L型多芯片组件，系采用高密度多层印制电路板构成的多芯片组件，其特点是生产成本低，制造工艺较为成熟，但布线密度不够高，其组装效率和性能较低，主要应用于30MHz和100个焊点/英寸2以下的产品以及应用环境不太严酷的消费类电子产品和个人计算机等民用领域。2)厚膜陶瓷型MCM（MCM-C，其中C是“陶瓷”的英文名Ceramic的第一个字母），系采用高密度厚膜多层布线基板或高密度共烧陶瓷多层基板构成的多芯片组件。其主要特点是布线密度较高，制造成本适中，能耐受较恶劣的使用环境，其可靠性较高，特别是采用低温共烧陶瓷多层基板构成的MCM-C，还易于在多层基板中埋置元器件，进一步缩小体积，构成多功能微电子组件。MCM-C主要应用于30~50MHz的高可靠中高档产品。包括汽车电子及中高档计算机和数字通信领域。3)淀积型MCM（MCM-D，其中D是“淀积”的英文名Deposition的第一个字母），系采用高密度薄膜多层布线基板构成的多芯片组件。其主要特点是布线密度和组装效率高，具有良好的传输特性、频率特性和稳定性.4)混合型MCM-H（MCM-C/D和MCM-L/D，其中英文字母C、D、L的含义与上述相同），系采用高密度混合型多层基板构成的多芯片组件。这是一种高级类型的多芯片组件，具有最佳的性能/价格比、组装密度高、噪声和布线延迟均比其它类型MCM小等特点。这是由于混合多层基板结合了不同的多层基板工艺技术，发挥了各自长处的缘故。特别适用于巨型、高速计算机系统、高速数字通信系统、高速信号处理系统以及笔记本型计算机子系统。五。组件与母板（PCB）的电连接1.要求1）电气要求◆信号互连◆电源／接地互连2）散热能力3）机械能力4）I／O要求2.连接的主要类型1）ZIF插拔针连接（见下图A）2）弹簧连接（见下图B）3）插杆固紧连接（见下图C）4）柔性电路ZIP互连图A。ZIF插拔针连接图B。弹簧连接图C。插杆固紧连接六。三维多芯片组件（3D-MCM)技术定义、优点和类型1.定义——系指半导体芯片在X、Y、Z三个方向都实现了高密度组装的多芯片组件技术（也称MCM-V)。2.优点——可实现更高组装密度（组装密度可达200%，而2D-MCM的最高组装效率为90%）、体积更小、重量更轻、功能更多、性能更优。甚至可实现一个组件即是一个整机系统。3.类型——主要有以下两种类型：1）2D-MCM叠片组装2）芯片叠层组装（通过丝键合或凸点、TAB等）七。厚膜混合电路定义及其应用特点1.定义——厚膜混合集成电路(简称厚膜混合电路或厚膜电路),是通过厚膜浆料(pasteorink)丝网印刷和烧结技术,在陶瓷基板或其它高导热基板上形成厚膜布线、焊区和厚膜电阻,从而制成厚膜电路成膜基板,再采用表面组装技术(SMT)和键合技术,组装半导体芯片和其它片式元件,构成具有一定功能的微电路.2.应用特点厚膜电路具有功率密度高、承载电流大、电压高、高频特性好、体积小、可靠性和稳定性高、设计灵活、易于实现多功能微电路等特点,特别适宜制作小型高可靠的功率电路(包括DC/DC变换器、DC/AC变换器、AC/DC变换器、交流电源、驱动器、功率放大器、电压调节器等)以及高密度高可靠的多功能微电路,广泛用于航天、航空、船舶、兵器、雷达、电子对抗、通信、汽车、计算机等领域的制导、遥测、动力、引信、控制、惯导和信号处理等电子系统。NASA采用厚膜混合集成技术研制了导弹制导计算机的运算组件。其中采用了2.88in见方的厚膜多层布线基板，组装了5个大规模半导体集成电路芯片，12个中规模半导体集成电路芯片（TTL），6个片式电容和6个片式电阻，629根键合互连丝。采用厚膜集成技术制作厚膜混合集成DC∕DC变换器是厚膜混合电路的一大类产品。其产品功率范围达1W~120W，电流最大20A，输出路数从单路到三路，开关频率300kHz~550kHz,国内120WDC∕DC变换器产品的功率密度达78W∕in3，输出电压15V，输出电流8A，效率85%，纹波＜100mV。电性能与INTERPOINT同类产品相同，功率密度高于INTERPOINT同类产品(后者为66.3W∕in3）。还可制作高压输出（160V~900V）的厚膜混合集成DC∕DC变换器.采用厚膜混合电路工艺制作DC∕DC电源的优点——1）减小产品体积和重量与常规PCB板组装电源同比，重量可减少30%~60%，体积可减小25%~70%，2）提高功率密度（25%~70%）3）提高微组装密度达30~40个元器件∕平方厘米4）扩展工作温度范围（-55℃~125℃）5）提高可靠性和频率。例如,100W的DC∕DC电源功率密度和重量比较：功率密度（W∕in3)重量(g)PCB板电路37160厚膜HIC6278厚膜混合集成滤波器包括两类：电源滤波器（无源）和信号滤波器（有源）。前者也称EMI滤波器，与DC/DC电源配套使用，输入16V~40V，输出电流最大15A，插入损耗40db（500kHz时）；后者是使有用频率信号通过，抑制或衰减无用频率信号，按其功能要求不同有多种。采用集成运放+RC组成的厚膜混合集成可编程滤波器即是信号滤波器的一种。厚膜混合集成交流电源包括：单相400HZ和16kHZ交流电源，500HZ交流电源，500HZ马达交流电源，8kHZ交流电源等。厚膜混合集成驱动器包括各种马达伺服电路，其中有：直流电机伺服电路，步进马达驱动电路，大功率马达驱动器，永磁马达驱动电路，脉宽调制功放电路，调宽功率放大器等。八。薄膜混合电路定义及其应用特点1.定义——采用物理汽相淀积（PVD，蒸发、溅射和离子镀等）或化学汽相淀积（CVD）工艺以及湿刻（光刻）或干刻（等离子刻蚀等）图形形成技术，在基板上形成薄膜元件和布线，然后组装微型元器件（多为芯片和片式元器件）构成具有一定功能的微电路。区分是“薄膜”还是“厚膜”，主要按工艺技术分，而非主要按其膜厚度（虽然厚度有区别，GJB548中提到，薄膜厚度通常小于5微米）2.应用特点薄膜电路具有：精度高、稳定性好、高频特性好、组装密度高、信号传输速度快等特点，其应用主要在三个方面：1）高精度转换电路，如高位数（12~18位）数／模、模／数转换电路，轴角数字转换电路，f／V和V／f转换器等（利用精度高，稳定性好的特点）。2)高频和微波电路（利用高频特性好的特点），薄膜集总参数微波混合集成电路应用频率可高达15~30GC，若与分布参数电路结合，可用于60GC。3）信号和数据处理电路（利用线条细、布线密度高、信号传输速度快的特点）。通信领域应用的微波电路中，薄膜混合电路约占80%。F-111型歼击机的攻击雷达中，高频部分采用了薄膜混合电路，中频采用了厚膜电路，使得整机与原分立元件电路相比，体积减小了75%，重量减轻了63%，可靠性提高了3.5倍。F-22战斗机的机载雷达数据处理系统采用了薄膜技术制成的MCM-D（休斯公司），使机载雷达重量减轻了96%，体积减小了93%。八十年代美国微波网络公司采用薄膜混合电路技术首次研制成功18位混合集成D／A转换器，线性精度达0.008%，是当时世界上精度最高的D／A转换器。九。共烧陶瓷多层基板的类型及应用特点1.类型——1）高温共烧陶瓷多层基板（HTC