釬焊與電子組裝技術(shù)-3

1、釬焊與電子組裝技術(shù)Soldering & Electronic Packaging Technology,趙興科13601020623xkzhao@ustb.edu.cn,目錄,1 電子組裝分級(jí)2 電子組裝材料與元器件3 芯片級(jí)互聯(lián)與鍵合技術(shù)4 板卡級(jí)互聯(lián)與釬焊技術(shù)5 電子組裝中的非焊接技術(shù)6 電子組裝的可靠性,2 電子組裝材料與電子元器件,2.1電子組裝材料的基本要求,2.2 典型電子組裝材料,2.3 表面安裝

2、電子元器件,2.2典型電子組裝材料,2.2.2陶瓷組裝材料,（1）陶瓷材料的—般特性,陶瓷材料的優(yōu)點(diǎn)：,電性能好，介電常數(shù)??；熱性能好，線脹系數(shù)與硅相近、導(dǎo)熱系數(shù)大；機(jī)械性能好；尺寸穩(wěn)定性好，其收縮率在±0.1％；組裝密度和可靠性高；陶瓷表面可以金屬化。,陶瓷材料的不足：,制造工藝復(fù)雜；二次加工性差；品種有限；成本高等。,由于陶瓷材料的優(yōu)點(diǎn)是其它材料不具備的，陶瓷材料在表面安裝技術(shù)發(fā)展中引起重視并得到發(fā)展。,常

3、見(jiàn)的陶瓷組裝材料主要有A12O3、A1N、BeO、SiC等。,幾種電子組裝用陶瓷的特性,（2）典型陶瓷材料,A12O3陶瓷,A12O3陶瓷是傳統(tǒng)的基板材料，也是目前應(yīng)用最成熟的陶瓷組裝材料。,A12O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為85％-99.9％，熱導(dǎo)率隨著A12O3含量的增加而增加。,為滿足力學(xué)性能和電性能要求，可摻雜其他物質(zhì)。,優(yōu)勢(shì),絕緣性高化學(xué)穩(wěn)定性高力學(xué)性能高價(jià)格低,劣勢(shì),熱導(dǎo)率不高與硅片的線脹系數(shù)匹配不好燒結(jié)溫度高。,A12O

4、3陶瓷的燒結(jié)溫度在1400℃以上，金屬粉的熔點(diǎn)應(yīng)高于陶瓷燒結(jié)溫度，否則印制的金屬布線圖經(jīng)燒結(jié)后，布線圖將被破壞。,要在A12O3陶瓷基板印制布線圖案，要選用鎢、鉬等高熔點(diǎn)金屬，但這類金屬的電阻大，傳輸損耗大。,Au、Ag、Cu的電阻為鎢、鉬的1/6-1/7，用這些低電阻的元素作為金屬導(dǎo)體漿料的原料，燒結(jié)溫度需降到1000℃以下。,A12O3陶瓷難以作為高密度組裝基板材料。,A1N陶瓷,導(dǎo)熱系數(shù)是A12O3陶瓷的5-7倍；線脹系數(shù)比A1

5、2O3陶瓷約低一半，與硅的線脹系數(shù)非常接近；A1N絕緣性好，介電常數(shù)和介電損耗小；良好的溫度穩(wěn)定性。,A1N陶瓷其綜合性能遠(yuǎn)優(yōu)于A12O3，是基板和組裝的理想材料，可用于大功率晶體管、開(kāi)關(guān)電源基板以及電力器件。,A1N陶瓷的性能對(duì)制備工藝條件、原料純度敏感，大規(guī)模生產(chǎn)的重復(fù)性差；A1N粉易水解，粉末儲(chǔ)存困難；A1N粉末目前的售價(jià)較高。,BeO陶瓷,BeO陶瓷具有較高的導(dǎo)熱率，是A12O3陶瓷的7倍。但BeO具有毒性，且生產(chǎn)成

6、本較高，限制了它的應(yīng)用。,SiC陶瓷,SiC陶瓷的線脹系數(shù)與硅最相近；熱導(dǎo)率也很高，是A12O3陶瓷的13倍。SiC陶瓷的絕緣性較低，僅適用于密度較低的組裝。,低溫共燒陶瓷,低溫共燒陶瓷LTCC（LTCC，Low Temperature Co-fire Ceramic）是一類復(fù)合型組裝材料。主要由一些玻璃陶瓷GC（GC，Glass-Ceramic）組成，燒結(jié)溫度低（900℃左右），可與堿金屬共燒。絕緣性好、介電損耗因子小，

7、其高頻性能優(yōu)良。適用于無(wú)源集成、尤其是高頻器件。,低溫共燒技術(shù)誕生于上世紀(jì)80年代中期，經(jīng)過(guò)二十多年的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用已經(jīng)逐漸成熟和完善，并在許多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，特別是在軍事、航天航空、電子、計(jì)算機(jī)、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域，低溫共燒技術(shù)均獲得了極大的成功。低溫共燒組裝代表著未來(lái)陶瓷組裝的發(fā)展方向。為了減少傳輸損耗，低溫陶瓷的研制和開(kāi)發(fā)得到重視。,幾種低溫共燒陶瓷及其特性,結(jié)晶玻璃系陶瓷，其保持玻璃原有的線膨脹系數(shù)小、介電常數(shù)低和機(jī)械強(qiáng)

8、度低等特性。玻璃復(fù)合系陶瓷，在玻璃系中加入添加材料，如A12O3等，以克服玻璃系的缺點(diǎn)，增加其機(jī)械強(qiáng)度，降低陶瓷的燒結(jié)溫度。PbO-SiO2-B2O-CaO系燒結(jié)陶瓷的抗彎強(qiáng)度可以與氧化鋁相當(dāng)。非玻璃系陶瓷，燒結(jié)時(shí)尺寸變化小，可用來(lái)制造微細(xì)引線的生陶瓷基板。,2.2.3金屬材料,電子組裝用金屬材料主要有鍵合線（包括鍵合金絲、鍵合鋁合金絲和鍵合銅絲）、框架材料、熱沉、釬料等。,框架,,,熱沉,金屬材料中，鋁的熱導(dǎo)率很高、重量輕、價(jià)

9、格低、加工容易，是最常用的組裝材料。純鋁的線脹系數(shù)與硅的相差較大，器件工作時(shí)的熱循環(huán)常會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，導(dǎo)致器件性能失效。,鋁,W、Mo具有與Si相近的線脹系數(shù)，且導(dǎo)熱性比鎳鐵合金好得多，故常用于半導(dǎo)體芯片的支撐材料。W、Mo與硅的浸潤(rùn)性不好，可焊性差，常需要在表面鍍或涂以特殊的Ag基合金或Ni，這使得工藝變得復(fù)雜且可靠性降低，提高了成本，增加了污染。,W、Mo,W、Mo、Cu密度較大，不適合作航空、航天材料。W、Mo的價(jià)格昂貴

10、，生產(chǎn)成本高，影響了推廣使用。,鎳鐵合金（Invar）和鐵鎳鈷合金（Kovar）具有非常低的線脹系數(shù)和良好的焊接性，但是電阻卻很大，只能作為小功率整流器的散熱和連接材料。,電子組裝用釬料合金基本上都是錫基合金，添加的合金元素常見(jiàn)的有Pb、Ag、Bi等。二元合金常見(jiàn)的有錫鉛、錫銀、錫銻、錫銦等，三元合金常見(jiàn)有錫銀銅、錫鉛銀、錫鉛鉍、錫鉛銦等。隨著無(wú)鉛釬料的不斷推進(jìn)，新的三元、四元和五元及以上合金也在不斷地開(kāi)發(fā)。合金釬料的供貨方式包括

11、棒、錠、絲、箔片、粉末、焊球、焊柱、焊膏等。,電子組裝用釬料的合金元素及其熔點(diǎn),2.2.4 復(fù)合材料,金屬材料能滿足導(dǎo)熱性要求，但導(dǎo)電性限制了其使用范圍；陶瓷材料同時(shí)具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性和絕緣性，是理想的導(dǎo)熱性電子材料，但制備困難、成本高；高分子材料成型方便，易于生產(chǎn)，介電性好，但導(dǎo)熱性差。,復(fù)合材料是由兩種或兩種以上的物理或化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而得到的一種熱固性材料。因?yàn)閺?fù)合效應(yīng)，復(fù)合材料的性能會(huì)比它的組成物質(zhì)更好，或者具有原組成物質(zhì)所

12、沒(méi)有的性能。,金屬基復(fù)合材料恰恰可以將基體金屬優(yōu)良的導(dǎo)熱性能和增強(qiáng)體材料低線脹系數(shù)的特性結(jié)合起來(lái)，既具有良好的導(dǎo)熱性，又可在相當(dāng)廣的范圍內(nèi)與多種不同材料的線脹系數(shù)相匹配。,組裝材料采用金屬基復(fù)合材料是未來(lái)發(fā)展的重要方向。,金屬基復(fù)合材料由基體金屬和增強(qiáng)體兩部分組成。目前電子組裝用的金屬基復(fù)合材料的基體仍以鋁、銅、鎂為主，這主要是由它們良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能及優(yōu)良的綜合力學(xué)性能所決定的。,用做復(fù)合材料增強(qiáng)體的種類很多，其形貌有長(zhǎng)纖維、短

13、纖維、晶須和顆粒四大類。,作為電子工藝材料使用時(shí)，增強(qiáng)體的選擇應(yīng)從以下幾個(gè)方面衡量：,低的線脹系數(shù)高的熱導(dǎo)率與基體材料具有良好的相容性密度小成本低。,電子組裝用鋁基復(fù)合材料,在電子組裝中目前應(yīng)用最廣泛的就是A1/SiC復(fù)合材料，主要用于微波管的載體、密封式微波組裝材料、多芯片組件的熱沉、PCB的熱沉等。特別地，鋁基復(fù)合材料密度比較小，所以它可以用于對(duì)密度有一定要求的場(chǎng)合，如航天航空電子儀表組裝用材料、地面通信或者手機(jī)、便攜式電腦

14、等。,A1/SiC的特性取決于SiC含量、粒度分布及鋁合金基材。實(shí)際使用過(guò)程中，組裝用A1/SiC將與半導(dǎo)體芯片或陶瓷基板直接接觸，這就要求兩者的線脹系數(shù)盡可能匹配。為滿足這一性能要求，SiC的體積分?jǐn)?shù)范圍為55~75％。,銅基復(fù)合材料,銅的熱導(dǎo)率很高，達(dá)到400W/（m﹒K），但其線脹系數(shù)也很高。為了降低其線脹系數(shù)，可以將銅與線脹系數(shù)較小的材料，如鉑、鎢、Invar合金等復(fù)合，得到高電導(dǎo)率、高熱導(dǎo)率，低線脹系數(shù)，高硬度特性的復(fù)合材料。