新型封装器件对smt的影响

新型封装器件对SMT的影响电子工业的迅猛发展令人咋舌，随着人们对尺寸更小、性能更高和价格更加便宜的电路的需求不断增长，推动着新型封装器件不断地涌现。在全球范围内的所有设备制造厂商、材料供应厂商和电子产品制造厂商均面临着新的商机和挑战。在此形势下，有关制造设备的更新加快、元器件的贴装愈加准确。在元器件封装尺寸愈来愈小的情况下，SMT(SurfaceMountTechnology表面贴装技术)继续在电子装配领域扮演一个关键的角色，甚至在微电子和半导体封装中也是如此。在80年代，人们对电子电路小型化和I/O引线数提出了更高的要求。虽然SMT使电路组装具有轻、薄、短小的特点，它对于具有大量引线数的精细间距元器件的引线间距以及引线共平面度也提出了更为严格的要求，但是由于受到加工精度、可生产性、成本和组装工艺的制约，一般认为QFP(QuadFlatpack矩型扁平封装)器件间距的极限为0.3mm,这就大大限制了高密度组装的发展。另外，由于精细间距QFP器件对组装工艺要求严格，使其应用受到了限制，为此美国一些公司就把注意力放在开发和应用比QFP器件性能更为优越的BGA(BallGridArray球栅阵列)器件上。目前一些表面阵列封装器件步入元器件主流领域，与传统的表面贴装器件进行着有力的竞争，从而也对以往常规的SMT技术发出了挑战，本文试图就新型封装器件对SMT的影响作一介绍。一、步入元器件主流领域的新型封装器件新型封装器件主要是以表面阵列器件为主，在电子工业中使用阵列技术有着不少的优点。一般而言，采用阵列技术的封装器件在与有引脚表面贴装器件采用相同引脚数量的情况下，脚与脚之间的距离明显减小。同时采用阵列封装的元器件趋于更加耐用，所以它们在装配的过程中，不容易发生损坏现象。使用阵列技术能够显著地降低工艺处理中所产生的缺陷。通过阵列封装器件的内在特点很容易被连接至印刷电路板上去。目前电子工业中所使用的具有高性能和大量引脚数量的器件之中，鸥翼型、QFP器件，将继续占据着主要的地位。但是我们无论是从机械制造PCB实际状况的前景来看，还是从电性能的前景来看，使用BGA和CSP(ChipScalePackages芯片规模封装)器件形式，都有着明显的优势。但现在许多PCB的设计中，继续使用着QFP器件。对于有关电子产品制造厂商而言，向BGA和CSP器件方向的转变，意味着要求学习新的设计和电路布线规则，找寻新的封装器件供应厂商。并且将带来如何满足PCB的装配、测试和工艺控制技术等一系列新问题。现在尚有许多公司不愿意接受这一变化，另外又由于具有大量引脚的、各式各样的鸥翼器件能够从市场上获取，所以鸥翼型和QFP器件仍将在市场上流行。但BGA、CSP等新型封装形式正在步入主流产品世界，NEPCON（NationalElectronicPackagingandProductionConference美国国家电子组装和生产联合会）的TAC(TechnologyAdvancementCenter技术创新中心)在关注最新推出的QFP器件同时，同样也将目光对准最新的BGA器件等封装形式。目前TAC将PBGA(PlasticBallGridArray塑料封装球栅阵列)、TBGA（TapeBallGridArray带载球栅阵列）、MQFP(metricquadflatpacks公制矩型扁平封装)、TQFP（Thinquadflatpack簿形矩型扁平封装）和EDQVADQFP器件作为研究的重点。随着广泛的各式各样的具有大量引脚的新型封装器件被引入电子产品中，对SMT技术提出了挑战。二、常见新型封装器件的贴装考虑1、塑料封装BGA（PBGA）PBGA是现在可以获取的种类最多的一种BGA器件，在设计时考虑能够满足要求使用100~500条互连的应用要求。这种封装可以作为具有大量引脚数量的QFP器件和簿型QFP器件的整体替代品。这种器件具有管芯向上的形状，这里管芯通过引线键合连接至一块多层基片上，以实现从管芯连接焊盘至封装焊料球面的电信号配线。层压板使用标准的、微细引线的制作方式，以及钻孔技术。在保持低阻抗的同时，提供电信号的线路布线。层压板和整个模塑塑料结构具有与PCB基片，尤其是多层FR-4板非常接近的CTE(coefficientofthermalexpansion热膨胀系数)。焊料球提供了在元器件封装和PCB之间的物理和电气连接。目前采用低共熔点合金的焊料球，其间距包括1.0mm、1.27mm和1.50mm。在1999年TAC推出的生产线上所呈现的PBGA器件有着多种的尺寸，包括在一个35mm2大小的PBGA器件上有着388个组件；在一个27mm2大小的PBGA器件上有256个组件；在一个23mm2大小的PBGA上有着208个组件。使用标准的SMT工艺方式，PBGA很容易被固定连接。但是像所有的BGA器件一样，可能需要增加一个灰度摄像机至贴装设备上，从而使得在装配操作期间所有的在封装底部的焊球都能够被检测到。这些封装器件比起“传统”的精细间距元器件来说，所产生的工艺操作困难较小。这是因为它们对I/O间距的要求不严格，在再流焊接期间具有克服贴装歪扭的能力。PBGA器件可能对潮湿相当敏感，所以必须实施严格的过程控制。PBGA器件比起QFP器件来说不易产生碎裂，这是因为焊料球与薄薄引脚的易碎性相比，具有较好的强度的缘故。PBGA器件目前来看是能够替换具有大量引脚数量的QFP封装器件的，它是在市场上可以获取的价格最低且具有大量引脚数量的BGA封装器件。2、带载球珊阵列封装（TBGA）TBGA或者SuperBGA器件常常被应用在要求使用较低的外轮廓形状，同时又要求具有优异的热传导性能的场合之中。对于TBGA器件来说，较为理想的可以满足应用要求的互连点要求为60~600个，这里通常使用一个可以容纳一个散热器的QFP。在具有高热应用的场合中，TBGA器件就热性能、电性能和可靠性来说，显然要优于另一个选择方案中的PBGA器件、常规的QFP器件和热增强型QFP器件。TBGA器件拥有一个向下凹坑结构形式的管芯，该管芯被安置在一个完整的铜散热器上。该散热器对封装器件而言，起到了加强肋和载体的作用。管芯通过引线被键合至一个簿簿的（0.075mm厚）柔性化聚酰亚胺绝缘基片上，通过粘接剂粘接至铜散热器上，从而提供良好的封装器件刚性和热量散发的能力。尽管铜散热器和PCB之间的热膨胀系数，比起PBGA器件来说有相当大的差异，但柔性化绝缘基片和低共熔点焊点的组合，相当于在金属部件和电路板之间建立了一个CTE的缓冲层。焊料球在封装器件和电路板之间形成了物理和电气连接。现在对于SuperBGA器件来说，采用低共熔点63Sn/37Pb焊料球；而对于TBGA器件来说，采用62Sn/36Pb/2Ag的焊料球，球的间距可分别为1.0mm、1.27mm和1.50mm。近期在美国NEPCONWest'99展览会上，TAC推出的生产线上所展示的TBGA为35×35mm的器件，它具有352个焊料球，它们以1.27mm的间距呈现出周边阵列形式排列。这种器件很容易使用标准的SMT工艺处理方式进行安置。一般情况下要求使用元器件灰度识别摄像机，以进行焊料球实际形态和损坏情况的检验。与PBGA封装器件相比较，TBGA器件可以提供更加良好的热耗散性能，这主要是归于它采用了金属结构的缘故，但是这样一来引发了显著的价格上升。3、采用公制尺寸的矩型扁平封装（MQFP）MQFP封装器件是当今最普遍采用的、且性能价格比较好的具有大量引脚数量的元器件。MQFP器件的尺寸范围从10×10mm，一直到40×40mm；引脚数量的范围从44至304条引脚。无论是尺寸还是引脚数量均符合在JEDEC（JointElectronicDeviceEngineering电子器件工程联合会）规范中，对矩型扁平封装器件的有关规定。许多MQFP封装器件能够将管芯紧靠一金属散热器进行安置，以增强其热传导性能。在MQFP器件家族中的EDQUAD器件，可以允许将管芯直接安置在一个完整的铜散热器上。它可以采用管芯向上的形式，也可以采用管芯向下的形式。采用管芯向下的形式时，可以将散热器安置在MQFP器件的顶部，使其暴露在周围的空气环境中，以增加热耗散性能。在这种结构形式之中，可以采用外置的翅片型散热器，以进一步增强热耗散性能。采用管芯向上的形式时，铜制散热器可以被隐藏在元器件体的下方，通过导热粘接剂或者焊料与母板实现互连，以实现将元器件上的热量传递至PCB上面。但是当对MQFP器件增强热设计能力的同时，却意味着费用的增加。虽然因为在增加热设计性能的同时，增加了费用的支出，但当我们从整个产品的整体性能上来考虑时，可以认为在封装器件上增加这些费用是合算的。在美国NEPCONWest'99展览会中TAC推出的生产线上，一些MQFP封装器件被安置在不同的电路板上面。在TAC推出的波峰焊接生产线上所显示的EDQUADMQFP封装器件是一种具有240条引脚，引脚中心线至中心线的间距为0.5mm，元器件的尺寸为32×32mm。该封装器件采用了管芯向下的形式，所以整个铜散热器被暴露在空气之中。其供料形式采用了标准的JEDEC塑料模压托架。4、直接芯片连接（DCA）直接芯片连接（directchipattach简称DCA）技术，顾名思义就是将硅集成电路（管芯）直接安置在电路板上面。它又可以分为两种非常普遍的连接形式：倒装芯片（flipchip简称FP）和板上芯片(chip-on-board简称COB)。而每一项技术都有着不同的变化形式，下面分别介绍。(1)倒装芯片倒装芯片的基本思路是使用一个硅管芯，通过类似凸缘连接的方式连接至相当标准的引线键合焊盘上，这种具有凸缘的器件直接与PCB实现互连。这种倒装芯片所具有的优点包括能够降低阻抗和增强电性能，这是由于降低了管芯至基片的互连距离，这样也就能够增加频率。极小的尺寸是一项很重要的优点，它能够有效地降低板的空间要求，最终形成产品的小型化、微型化。对倒装芯片而言，同样也存在着不少的缺点。其中包括：需要采用特殊的工艺处理方式和特殊的材料，以可靠地固定倒装芯片；硅管芯与绝大多数普遍采用的有机物基片之间存在着很大的热膨胀系数失谐现象；以及在实施对倒装芯片的测试工作时是相当困难的。对于那些必须使用倒装芯片的公司来说，有关凸缘冶金技术（bumpmetallurgies）能够从管芯凸缘制造公司处获得。凸缘冶金技术包括：低共熔点焊料、高温焊料、镍/金和导电粘接剂。一般情况下，绝大多数凸缘冶金技术采用低共熔点焊料，然而由于导电粘接剂可以很方便地通过筛网印刷印刷至管芯连接焊盘上，所以使用粘接倒装芯片的作法增加了。使用高铅焊料凸缘的传统C4倒装芯片占领了高端、高可靠性产品的市场份额，很大的容量证明采用高温焊料的管芯凸缘的费用是可以被接受的。在TAC中，使用了两种不同类形的倒装芯片：低共熔点焊料凸缘芯片和高温焊料凸缘芯片。倒装芯片的使用包括装配工艺处理，它比起在SMT组装中所使用的来说显得更加复杂。为了能够有效地实现低共熔点倒装芯片的工艺处理，一般焊剂涂覆装置和管芯粘接装置，应用在管芯凸缘或者安装焊盘上的局部焊剂涂覆中，以精确地贴装管芯。在TAC中，管芯的低共熔点焊料熔化采用表面贴装器件的支座进行物质的再流处理，有时需要采用局部的粘接工艺。一旦倒装芯片连接至了板上，涂布装置将围绕倒装芯片的一侧或者两侧进行底部填充材料的涂布，以实现管芯凸缘与PCB的物理连接。高温管芯凸缘要求采用下面数种连接媒介中的一种：导电粘接剂、再流密封胶或者导电粘接薄膜。当采用这些工艺方式中的任何一种时，除了要求满足对表面贴装器件连接的一般要求以外，还要求增添一些关键的设备。（2）板上芯片对板上芯片的工艺处理中的基本方式包括将IC直接连接至PCB上，这种形式非常类似于在一般情况下被连接至元器件封装的引脚框架上。对于板上芯片而言，既有优点也有缺点。其优点包括通过标准的组装有效地降低了对不动产的投资；通过缩短导线的通道，获得了高性能的效果；以及实现板上芯片的工艺处理方式已经被半导体工业使用了25年