21 世纪的先进电路组装技术摘要： 本文概况介绍了先进IC封装技术最近的发展情况和21世纪的展望，简要叙述无源封装的兴起和封装方法，重点介绍了先进SMT中的漏印、贴装和焊接技术的近期发展情况和21世纪的发展方向，并对保护人类生存环境方面，信息产业领域关心的免洗焊接技术和无铅焊进行了简要介绍。关键词：SMT表面组装技术，先进IC封装,BGA、CSP、FBGA、免洗焊接、无铅焊料20世纪90年代是值得人们回忆的，无线通讯的兴旺、多媒体的出现和互连网的发展，使全球范围的信息量急剧增加，要求信息数据交换和输实现大容量化、高速化和数字化，从而促进了电子信息设备向着高性能、高度集成和高可靠性方向迅速发展，使电子信息产业迅速壮大和突飞猛进。支持这种发展进程和关键技术就是先进电路组装技术的发展和推广应用。先进电路组装技术是由先进IC封装和先进SMT相结合组成的电路组装技术。先进IC封装技术近期发展和21世纪展望电子元器件是电子信息设备的细胞，板级电路组装技术是制造电子设备的基础。不同类型的电子元器件的出现总会导致板级电路组装技术的一场革命。60年代与集成电路兴起同时出现的通孔插装技术（THT），随着70年代后半期LSI的蓬勃发展，被80年代登场的第一代SMT所代替，以QFP为代表的周边端子型封装已成为当今主流封装；进入90年代，随着QFP的狭间距化，板级电路组装技术面临挑战，尽管开发了狭间距组装技术（FPT），但间距0.4mm以下的板级电路组装仍然有许多工艺面临解决。作为最理想的解决方案90年代前半期美国提出了第二代表面组装技术的IC封装一面阵列型封装（BGA），其近一步的小型封装是芯片尺寸的封装（CSP）,是在廿世纪90年代未成为人们的关注的焦点，比如，组装实用化困难的400针以上的QFP封由组装容易的端子间距为1.0-1.5mm的PBGA和TBGA代替，实现了这类器件的成组再流。特别是在芯片和封装基板的连接上采用了倒装片连接技术，使数千针的PCBA在超级计算机、工作站中得到应用，叫做FCBGA，正在开始实用化。第三代表面组装技术直接芯片板级组装，但是由于受可靠性、成本和KGD等制约，仅在特殊领域应用，IC封装的进一步发展，99年底初露头角的晶片封装（WLP）面阵列凸起型FC,到2014年期待成为对应半导体器件多针化和高性能化要求的第三代表面组装封装。 IC封装一直落后于IC芯片本身固有的能力。我们希望裸芯片和封装的芯片之间的性能缝隙减小，这就促进了新的设计和新的封装技术的发展。在新的封装设计中，多芯片封装（CSP）包含了一个以上的芯片，相互堆积在彼此的顶部，通过线焊和倒装片设计（在倒装片上线焊，在线焊上倒装片，或在线焊上线焊）实现芯片间的互连，进一步减少了器件重量和所占空间）。 由于尺寸和成本优势，晶片级CSP(Wafer-levelcap)将被进一步开发，这种技术是在晶片切割成小方块（芯片）之前，就在芯片上形成第一级互连和封装I/O端子，这不但缩短了制造周期，其I/O端子分为面阵列型和周边型（依据I/O端子的分布）两种类型；前者，EIAJ的端子间距0.8mm以下，外型尺寸为4mm-21mm的超小型封装作为标准，主要适用于逻辑和存贮器件，后者是SON和QFN等带周边端子的无引线小型化封袋，主要适用于存贮器和低档逻辑器件。自从90年代初CSP问世以来，提出了各种各样的结构形式，现在以面阵列型的FBGA是主流，第一代FBGA是塑料类型的面朝下型，第二代FBGA是载带类型的面朝下型，都采用了引线框架塑模块、封装，而新一代的FBGA是以晶体作载体进行传送，切割（划线）的最终组装工艺，即WLP方式，取代了以前封装采用的连接技术（线焊、TAB和倒装片焊），而是在划线分割前，采用半导体前工序的布线技术，使芯片衬垫与外部端子相连接，其后的焊料球连接和电气测试等都在晶片状态下完成，最后才迫行划线分割。显然用WLP方式制作的是实际芯片尺寸的FBGA，外形上与FC无区别。总之，PBGA、TBGA、FBGA、（CSP）和FC是当今IC封装的发展潮流。表1和表2分别示出了这些封装的发展动向。在21世纪的前15年，第三代表面组装封装将会迅速发展，围绕高密度组装，封装结构的多样化将是21世纪初IC封装最显著的特点。LSI芯片的叠层封装、环形封装：还有，将出现新的3D封装，光一电子学互连，光表面组装技术也会蓬勃发展。系统级芯片（SOC）和MCM的系统级封装（MCM/SIP）,随着设计工具的改善，布线密度的提高，新基板材料的采用，以及经济的KGD供给的普及，将进一步得到开发和进入实用阶段。表1BGA和CSP(FBGA)发展动向年200020052008 / （2010）2014BGA球间距 低档产品1.271.001.000.80便携产品1.271.00 0.800.65中等性能产品1.271.000.800.65高等性能产品0.800.650.650.50BGA端子数低档产品312512684968便携产品420684 800 1200中等性能产品840165821123612高等性能产品1860 328036128448CSP间距，mm0.500.400.300.30列数 / 端子数4 / 5925 / 9205 / 1280 5 / 1840表2 FC连接间距动向年200020052008 / （2010）2014芯片连接间距（外部端子间距） u m便携产品1651007035中等性能产品200 150150150无源封装随着工业和消费类电子产品市场对电子设备小型化、高性能、高可靠性、安全性和电磁兼容性的需求，对电子电路性能不断提出新的要求，从20世纪90年代以来，冶式元件进一步向小型化、多层化、大容量化、耐高压和高性能方向发展，同时随着SMT在所有电子设备中的推广应用，世界范围片式元件的使用量迅速增加，现在年消耗片式元件达到1兆只，无源元件对IC的比率一般大于20.由于需要如此大量的分立元件，所以分立元件支配最终PCB组件的尺寸；另外，片式无源元件用量的剧增使贴装工艺中的瓶颈经片式元件的贴装更难解决，导致生产线失去平衡，设备利用率下降，成本提高，同时片式元件供给时间占用生产线时间的30，严重影响生产量的提高。解决这些问题的有效办法就是。实现无源元件的集成。 集成无源元件有以下几种封装形式： 阵列：将许多一种类型的无源元件集成在一起，以面阵列端子形式封装；网络：将许多混合电阻和电容集成在一起，以周边端子形式封装；混合：将一些无源元件和有源器件混合集成进行封装；嵌入：将无源元件嵌入集成在PCB或其它基板中；集成混合：所集成的无源元件封装在QFP或TSOP格式中。这些无源封装的推广应用，可以有效地解决贴装：瓶颈，改善SMT生产线平衡，降低成本，提高产量，提高组装密度。 先进板级电路组装工艺技术的发展电路组装技术的发展在很大程度上受组装工艺的制约同，如果没有先进组装工艺，先进封装难以推广应用，所以先进封装的出现，必然会对组装工艺提出新的要求。一般来说，BGA、CSP和MCM完全能采用标准的表面组装设备工艺进行组装，只是由于封袋端子面阵列小型化而对组装工艺提出了更严格的要求，从而促进了SMT组装设备和工艺的发展。 1. 漏板设计和印刷 在先进组装技术中，焊膏是广泛采用的主要焊接材料，焊膏沉积采用漏板印刷技术。在漏板印刷工艺中，刮板叶片将焊膏推入漏板开孔转移到电路板上，影响焊膏印刷性能的四个因素是：（1）漏板开孔尺寸，决定了印刷膏的量；（2）焊膏脱模，在特定焊膏情况下，开孔壁和几何形状和光洁度影响焊膏脱模；（3）开孔的纵横比和面积比，开孔的宽度和长度之比，开口面积和开孔壁面积之比；通常设计规则是纵横31.5，面积0.66；但是对于光滑的锥形开孔壁，这两个比分别为1和0.44就能获得良好的焊膏脱模。在设计漏板厚度时，这个两个比率就是重要的设计规则。当开孔长度大于其宽度的5倍时，纵横比是主要设计规则（QFP时），当开孔长度等于宽度时，面积比是更精确的设计规则（采用球栅阵列焊盘时）。（4）焊膏印刷精度，当在电路板上印刷焊膏时，电路板上的焊盘图形和漏板上的开孔在尺寸和位置上必须完全相符，漏印的焊膏立方块必须无变形。 BGA、CSP和FCOB的板级组装极用共晶焊料合金，BGA采用普通SMT用焊膏就可以满足要求，但对于CSP和FCOB, I/O端子比通SMT封装提供的焊接面积小，所以要求漏板开口更小，必须采用小于40um，颗粒尺寸的精细焊膏。它们的漏板设计和制造要求与窄间距器件一样严格.BGA、CSP和倒装片组装的漏板一般要求采用激光或电铸成型工艺，而后进行电抛光，虽然制造成本高，但一致性超过化学蚀刻漏板；有时还要求渡镍，并采用锥形开孔，以便提高孔壁光洁度，有利于焊膏脱模，漏板开口尺寸，一般比电路板上的焊盘尺寸略小为宜，开口以略微增加印刷的焊膏量。 漏板厚度是漏板设计的主要指标，对于BGA要求采用的漏板厚度为0.13-0.15mm，CSP用的漏板厚度是0.10-0.13mm。由于漏板较薄，印刷时要防止从开孔中掏出焊膏。组装BGA和CSP时，通常都按1对1的比例印刷；但对于CSP，实际印刷要比凸起尺寸大0.05-0.076mm，使再流焊后器件支撑高度略高些，以提高热适应性，并可继续选用三类焊料粉末。对于采用0.3mm直径凸起的CSP,推荐采用0.3-0.6mmr 矩形开孔。0.36mm的开口是采用三类焊料粉末最小可能的开口尺寸，以便进行一致性和重复性好的印刷。如果印刷0.25mm的矩形或圆形开孔将要求采用IV 类焊料粉末。 为了适应电子产品的轻薄小型化、高密度、多功能和高可靠性的要求，混合组装技术仍然是21世纪初电路组装发展的趋势之一。不仅通孔器件和SMD混合组装，而且随着以倒装片为核心的直接能组装技术的推广应用，将会出现通孔元器件、SMD或倒装片在同一电路板上的组装，这就是对漏板设计和印刷提出了新的挑战。有不同的组装工艺完成混合电路组件的组装，其中采用再流焊接技术是比较理想的工艺方法，以便充分发挥SMT生产线的作用，降低成本，提高生产率，有几种漏板设计和印刷方法可供选择，其中比较理想的是双漏板印刷。 先进的封装对焊膏的印刷精度要求比普通SMT更加严格，所以应该采用视觉系统的高精度印刷机完成焊膏的印刷作业。这类印刷也有高档和中档之别，要根据用户的需要和可能选购。印刷作业开始，首先要完成漏板和电路板的对准，借助视觉系统可以很方便地实现漏板开孔和电路板上焊盘图形的精确对准。高级对准系统具有全集成图像识别处理功能，可以实现快速而准确的图像对准，确保高质量的焊膏印刷和高和生产效率。印刷和第二个问题是根据电路板类型、刮板类型和所用焊膏设定印刷高度、刮板压力和角度、印刷还度等印刷参数；另外环境温度和相对湿度也是重要的印刷参数；先进封装对印刷参数偏差要求严格，必须借助印刷机的计算机控制系统进行准确而严格控制。更高档的印刷机上还装有2D和3D激光检测系统，检查印刷质量，满足了先进封装对印刷精度的要求。 2. 贴装技术 尽管阵列封装显著地使用贴装位置规范限制加宽，但是由于这类封装的I/O端子在封装体下面呈阵列分布，所以精确贴装这类器件最先决条件是检查焊料球的存在与否和间距，检查焊料球形状态。这就要求贴片机的视觉系统能根据球的形状质量因数和建立焊料球畸变认可等级实现这种功