钎焊与电子组装技术-1

SchoolofMaterialsScience&Engineering钎焊与电子组装技术Soldering&ElectronicPackagingTechnology赵兴科[e-mail]ce&Engineering目录1电子组装分级2电子组装材料与元器件3芯片级互联与键合技术4板卡级互联与钎焊技术5电子组装中的非焊接技术6电子组装的可靠性SchoolofMaterialsScience&Engineering1电子组装技术概述简单的电子产品如收音机、计算器、电视机等所含有的元器件不多，组装在一块印制电路板上，加上外壳就构成一台整机；复杂的电子设备如雷达、程控电话交换机、大型计算机等包含成千上万个元器件，因此需要分级组装。SchoolofMaterialsScience&Engineering电子组装一般可分为六个组装等级或组装层次：芯片级组装元器级组装电路级/组件级组装插件/制底板级组装分机级组装机柜级组装1.1电子组装等级SchoolofMaterialsScience&EngineeringSchoolofMaterialsScience&Engineering层次1（第0级组装），芯片以及半导体集成电路元件的互联与连接。层次2（第1级组装），单芯片组装与多芯片组装。单芯片组装是对单个芯片进行组装；多芯片组装是将多个裸芯片装载在陶瓷等多层基板之间，再进行气密性封浆。层次3（第2级组装），将多层次单芯片或多芯片安装在印制电路板PCB（PCB，PrintedCircuitBoard）等多层基板上，基板周边设有插接端子，与母板和其它板或卡的电气互联与连接。层次4（第3级组装），单元组装。将经过层次3装配的板或卡，通过其上的插接端子构成单元组件。层次5（第4级组装），多个单元搭装成架，单元之间经布线或电缆互联与连接。层次6（第5级组装），总装。将多个架排列，架与架之间经布线或电缆互联与连接，构成大规模电子设备。SchoolofMaterialsScience&Engineering电子组装工程上：层次1为零级组装，层次2为一级组装，层次3为二级组装，层次4、5、6为三级组装；习惯上，零级、一级组装称为电子封装；二级和三级组装称为电子组装。SchoolofMaterialsScience&Engineering电子设备组装过程及电子组装分类SchoolofMaterialsScience&Engineering随着倒装组装技术以及板上芯片组装技术的大量应用，一级和二级封技术之间的界限逐渐变得模糊起来。如将晶片直接装在PCB上，通过导线键合将晶片与PCB互连的技术则为零至三级组装。SchoolofMaterialsScience&Engineering1.1.1零级组装半导体集成电路的制造有前工程和后工程之分。二者以硅圆片（Wafer）切分成晶片（Chip）为界，在此之前为前工程，在此之后为后工程。前工程从整块硅圆片入手，经过多次重复的制膜、氧化、扩散，包括照相制版，光刻和蚀刻等工序，制成三极管、集成电路等半导体元器件及电极等，开发材料的电子功能，以实现所要求的元器件特性；后工程从由硅圆片切分好的一个一个的小晶片入手，进行装片、固定、键合连接、塑料灌封、引出接线端子、检查、打标等工序，完成作为元器件、部件的组装体，以确保元器件的可靠性并便于与外电路连接。SchoolofMaterialsScience&Engineering零级电子组装典型工艺过程SchoolofMaterialsScience&Engineering晶片级的连接方法引线键合WB（WB，WiringBonding）载带自动键合TAB（TAB，TapeAutomatedBonding）倒装芯片FCP（FCP，FlipChipPackage）SchoolofMaterialsScience&Engineering1.1.2一级组装一级组装就是微电子电路IC（IntegratedCircuit，集成电路）组装，是电子组装中最活跃、变化最快的领域。微电子电路在通信、导航、计算机及其控制系统等设备的电路中已被广泛应用，其功能种类也日益增多。微电子电路技术的发展推动集成电路性能的不断提高。SchoolofMaterialsScience&EngineeringIC是将大量的微电子元器件(晶体管、电阻、电容、二极管等)形成的集成电路放在一块塑基上，做成一块芯片。目前几乎所有看到的芯片，都可以叫做IC芯片。SchoolofMaterialsScience&Engineering微电子电路比用分支器件制成的电路有许多优点芯片把所有的组件作为一个单位印制，材料省和效率高；组件很小且彼此靠近，组件开关快速，消耗更低能量。目前每平方毫米可以达到一百万个晶体管。SchoolofMaterialsScience&Engineering部分一级组装元器件的结构与外形SchoolofMaterialsScience&Engineering1.1.3二级组装二级组装就是将IC、阻容元器件、接插件及其他元器件安装在PCB形成板卡的过程。二级电子组装分为穿孔插入式组装技术THT（ThroughHoleTechnology）表面安装技术SMT（SurfaceMountTechnology）SchoolofMaterialsScience&EngineeringTHT组装以通孔器件和插件为主，这些元器件通常有长长的引脚，印制电路板上预制对应的安装孔，元器件的引脚安装到印制电路板的孔内，并通过钎焊(手工烙铁焊或波峰焊)与印制电路实现互连。SchoolofMaterialsScience&EngineeringTHT组装适用于元器件较少的简单电路，可以采用手工焊接，元器件和电路板的成本都比较低，至今仍有一定的市场份额。THT组装SchoolofMaterialsScience&EngineeringSMT组装时将表面贴装器件SMD（SMD，SurfaceMountDevice），如电阻、电容、晶体管、集成电路等精确放置到涂了焊膏的印制电路板上，并通过钎焊（再流焊或回流焊），形成电气联结。SMT组装SchoolofMaterialsScience&EngineeringSMT组装随着上世纪80年代自动贴片的需要，各种表面贴片焊接技术迅猛发展，已成为电子生产的主流技术。SchoolofMaterialsScience&Engineering1.1.4三级组装三级组装包括基板至分机的互连与连接；以及分机至分机、分机至机柜、机柜至机柜桓的互连与连接。对于大型、复杂设备，需要多个电路板互联形成一个体系，共同完成所承担的任务。SchoolofMaterialsScience&Engineering三级组装常见电气互连方式有连接器和线缆线缆是除了PCB、厚薄膜互连基板之外的重要互连手段，而且是分机与分机、分机与机柜、机柜与机柜之间互连必不可少的材料。常用的线缆有；电力电线、电话电缆、多芯电缆、屏蔽多芯电缆、同轴电缆、双绞线扁电缆、三绞线扁电缆、扁平电缆、挠性印制电缆、光学纤维电缆（简称光纤或光缆）等。连接器是一种能使电路反复分开与连接的器件，一般包含插头和插座两部分。连接器结构品种较多，详细请查阅连接器手册或产品样本。SchoolofMaterialsScience&EngineeringSchoolofMaterialsScience&EngineeringSchoolofMaterialsScience&Engineering1.2电子组装技术进展1.2.1芯片组装技术自贝尔实验室在1947年发明第一只晶体二极管开始，就进入了芯片组装的时代。特别是杰克于1958年完成的第一个集成电路雏形（包括一个双极性晶体管，三个电阻和一个电容器），标志着以芯片为中心的现代电子制造技术的新纪元。SchoolofMaterialsScience&Engineering集成度小规模集成电路SSI（SmallScaleIntegration），逻辑门10个以下或晶体管100个以下；中规模集成电路MSI（MediumScaleIntegration），逻辑门11~100个或晶体管101~1k个；大规模集成电路LSI（LargeScaleIntegration），逻辑门101~1k个或晶体管1k~10k个；超大规模集成电路VLSI（Verylargescaleintegration），逻辑门1k~10k个或晶体管10k~100k个；甚大规模集成电路ULSI（UltraLargeScaleIntegration），逻辑门10k~1M个或晶体管100k~10M个；极甚大规模集成电路GLSI（GigaScaleIntegration），逻辑门1M个以上或晶体管10M个以上。SchoolofMaterialsScience&Engineering按功能结构分类：集成电路按其功能、结构的不同，可以分为模拟集成电路和数字集成电路两大类。按制作工艺分类：集成电路按制作工艺可分为半导体集成电路和膜集成电路。膜集成电路又分类厚膜集成电路和薄膜集成电路。按导电类型不同分类：集成电路按导电类型可分为双极型集成电路和单极型集成电路。双极型集成电路的制作工艺复杂，功耗较大，代表集成电路有TTL、ECL、HTL、LST-TL、STTL等类型。单极型集成电路的制作工艺简单，功耗也较低，易于制成大规模集成电路，代表集成电路有CMOS、NMOS、PMOS等类型。按用途分类：集成电路按用途可分为电视机用集成电路。音响用集成电路、影碟机用集成电路、录像机用集成电路、电脑(微机)用集成电路、电子琴用集成电路、通信用集成电路、照相机用集成电路、遥控集成电路、语言集成电路、报警器用集成电路及各种专用集成电路。SchoolofMaterialsScience&Engineering半导体前沿技术的发展趋势SchoolofMaterialsScience&Engineering芯片组装技术三个发展阶段第一阶段：最早的集成电路使用陶瓷扁平组装第二阶段：上世纪80年代，贴装器件和贴装组装。第三阶段：上世纪90年代，芯片的引脚越来越多。第四阶段：上世纪90年代末到本世纪初，集成化、微型化。SchoolofMaterialsScience&Engineering最早的集成电路使用陶瓷扁平组装，这种组装很多年来因为可靠性和小尺寸一直没有进入商用领域。最早的商用电路组装是双列直插组装DIP，封装材料开始是陶瓷，之后是塑料。以通孔器件和插件为主，芯片组装的形式主要配合手工锡焊装配，因此通常有长长的引脚。典型的组装为铁壳三极管等分立器件和DIP。第一阶段：SchoolofMaterialsScience&Engineering随着上世纪80年代自动贴片的需要，各种表面贴片焊接技术迅猛发展。为配合SMT自动贴片的需要，出现了各种SMD组装。这类组装是将电子元件，如电阻、电容、晶体管、集成电路等等，精确放置到涂了焊膏的印制电路板上，并通过钎焊（再流焊）形成电气联结。第二阶段：SchoolofMaterialsScience&Engineering在20世纪90年代，芯片组装从周边“线”组装成功发展到“面”组装，球栅阵列封装BGA（BallGridA）是“面”组装的代表。第三阶段：这种组装芯片的接口分布于整个芯片组装体背面，保证了足够的焊点尺寸和节距，工艺难度显著降低，而可靠性却大大增加。BGA组装是目前主流的组装形式。SchoolofMaterialsScience&Engineering提高组装率（组装体和晶片的尺寸比例）的要求变得越来越迫切，出现了各种芯片级组装CSP（ChipSizePackageorChipScalePackage）。第四阶段：CSP封装可以让芯片面积与封装面积之比超过1:1.14，已经相当接近1:1的理想情况，绝对尺寸也仅有32平方毫米，约为普通的BG