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1、 School of Materials Science & Engineering 钎焊与电子组装技术 Soldering & Electronic Packaging Technology 赵兴科 13601020623 xkzhao School of Materials Science & 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 School of Materials Science & Engineering 1 电子组装技术概述 简单的电子产品如收
2、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。 School of Materials Science & 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 School of Materials Science & Engineering School of Materials Science & Engineering 层
3、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,Printed Circuit Board)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
4、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。 School of Materials Science & 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。 School of Materials Science & Engineering 电子设备组装过程及电子组装分类 School of Materials Science & 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
5、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。 School of Materials Science & Engineering 1.1.1 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
6、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。 School of Materials Science & Engineering 零级电子组装典型工艺过程 School of Materials Science & Engineering 晶片级的连接方法 引线键合WB(WB,Wiring Bonding) 载带自动键合TAB(TAB,Tape Automated Bonding) 倒装芯片FCP(FCP,Flip Chip Package) School of Materials Science
7、 & Engineering 1.1.2 一级组装 一级组装就是微电子电路IC(Integrated Circuit ,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。 School of Materials Science & Engineering IC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。 School of Materials S
8、cience & 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。 School of Materials Science & Engineering 部分一级组装元器件的结构与外形 School of Materials Science & Engineering 1.1.3 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(Through Hol
9、e Technology ) 表面安装技术SMT(Surface Mount Technology) School of Materials Science & Engineering THT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。 School of Materials Science & Engineering THT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 School
10、of Materials Science & Engineering SMT组装时将表面贴装器件SMD(SMD,Surface Mount Device),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 School of Materials Science & Engineering SMT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。 School of Materials Science & Engineering 1.1.4 三级组装 三级组装包括基板至分
11、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。 School of Materials Science & 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,
12、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。 School of Materials Science & Engineering School of Materials Science & Engineering School of Materials Science & Engineering 1.2 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
13、新 纪元。 School of Materials Science & Engineering 集成度 小规模集成电路SSI(Small Scale Integration),逻辑门10 个以下或晶体管100个以下; 中规模集成电路MSI(Medium Scale Integration),逻辑 门11100个或晶体管1011k个; 大规模集成电路LSI(Large Scale Integration),逻辑门 1011k个或晶体管1k10k个; 超大规模集成电路VLSI(Very large scale integration), 逻辑门1k10k个或晶体管10k 100k个; 甚大规模集成
14、电路ULSI(Ultra Large Scale Integration), 逻辑门10k1M个或晶体管100k10M个; 极甚大规模集成电路GLSI(Giga Scale Integration),逻 辑门1M个以上或晶体管10M个以上。 School of Materials Science & 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
15、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。 School of Materials Science & Engineering 半导体前沿技术的发展
16、趋势 School of Materials Science & 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。 School of Materials Science & 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: School of Materials Science & Engineering 随着