插裝元器件的封裝技術(shù)

插裝元器件的封裝技術(shù)概述1、電子管：（20世紀(jì)50、60年代）由插腳引線連接內(nèi)部的各個電極，通過每個插腳再連到外部電路基板的插座上。所謂的電路基板，則是固定了各類元器件插座的底座，底座下面是雜散固定著的大型電阻器、電容器、電感器等。各元器件及電路間的走線都是各色又祖又長的塑封導(dǎo)線，然后用束線來將散亂的導(dǎo)線捆扎成束。2、晶體管各類晶體管的封裝類型主要有玻封二極管和金屬封裝的三極管。普通管有3根長引線，高頻管或需要外殼接地的晶體管有4根長引線，晶體管的金屬底座與c極相通，而e、b兩極則通過金屬底座的開孔，用玻璃絕緣子隔離，金屬帽與金屬底座的邊緣進(jìn)行密封焊接。這就構(gòu)成了至今仍沿用的To型金屬--玻璃絕緣子全密封封裝結(jié)構(gòu)。由于晶體管體積小、電壓低、耗電省，所以在覆銅板上刻蝕成所需的電路圖形后，元器件穿過通孔焊接在銅焊區(qū)上即可，少量的連接線也用細(xì)導(dǎo)線連接。這時的裝配方式往往可以進(jìn)行半自動插裝，焊接也采用浸焊形式了。這樣，既提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)量，又提高了焊接的一致性，從而提高了焊點(diǎn)的質(zhì)量和電子產(chǎn)品的可靠性。插裝元器件的封裝技術(shù)3、集成電路1958年發(fā)明了集成電路，它是完成一定功能的多個晶體管的集成。這樣，3-4個I/O引腳就不夠用了，這時的全密封封裝仍然采用TO的形式，只是底座周圍的I/O引線更多了。隨著Ic集成度的提高，對I/O數(shù)要求越來越高，于是開發(fā)出單列直插封裝(SIP)、雙列直插封裝(D1P)、針柵陣列封裝和扁平外形封裝等。插裝元元器件的封裝形式主要有PDIP、PGA和HIC用的金屬插裝外殼封裝。盡管至2002年插裝元器件封裝特別是PDIP的比例只占所有封裝的10％，但絕對數(shù)量仍有91億塊，插裝元器件件與SMD在同一塊PWB上然要延用相當(dāng)長的時間。近幾年，PDIP的減少速度正在變慢，在各類大量民用產(chǎn)品中，插裝元器件仍具有強(qiáng)大的生命入。再就是HIC若干年來一直與IC芯片保持10％的比例，今后一段時間內(nèi)大體仍將保持這一比例。因此，用于HIC的金屬外殼封裝仍將穩(wěn)步地獲得增長。插裝元器件的分類與特點(diǎn)按外形分類:圓柱形外殼封裝(TO)、矩形單列直插式封裝(SIP)、雙列直插式封裝(DIP)和針柵陳列封裝(PGA)按材料分類:金屬封裝、陶瓷封裝、塑料封裝金屬封裝和陶瓷封裝一般為氣密性封裝,多用于軍品和可靠性要求高的電子產(chǎn)品中塑料封裝屬于非氣密性封裝,適用于工藝簡單,成本低廉的大批量生產(chǎn),多用于民用電子產(chǎn)品中.插裝元器件的封裝技術(shù)DIP插裝元器件的封裝技術(shù)插裝型晶體管的封裝技術(shù)TO型金屬封裝技術(shù)TO型金屬封裝是使用最早、應(yīng)用最為廣泛的晶體管封裝結(jié)構(gòu),內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下:插裝型晶體管的封裝技術(shù)封裝工藝:先將芯片固定在外殼底座的中心,常采用Au-Sb合金共熔法或者導(dǎo)電膠粘接固化法使晶體管的接地極與底座間形良好的歐姆接觸對于IC芯片,還可以采用環(huán)氧樹碑粘接固化法然后在芯片的焊區(qū)與接線柱間用熱壓焊機(jī)或超聲焊機(jī)鈄Au絲或Al絲連接起來接著將焊好內(nèi)引線的底座移到干燥箱中操作,并通以惰性氣體或N2,保護(hù)芯片最后將管帽套在底座周圍的凸緣上，利用電阻熔焊法或環(huán)法平行縫焊法將管帽與底座邊緣焊牢，并達(dá)到密封要求．插裝型晶體管的封裝技術(shù)TO型塑料封裝技術(shù)塑料封裝工藝簡便易行，適于大批量生產(chǎn)，成本低廉．工藝過程：先將I/O引線沖制成引線框架，然后在芯片焊區(qū)將芯片固定，再將芯片在的各焊區(qū)用ＷＢ焊到其它引線鍵合區(qū)，即完成了裝架及引線焊接工序．接著完成注塑封裝工作，然后開模，整修塑封毛刺，再切斷各引線框架不必要的連接部分，就成為單獨(dú)的TO型塑料件．然后切筋，打彎，成形和鍍錫．圖為連續(xù)塑封成型略圖：SIP和DIP的封裝技術(shù)SIP的封裝技術(shù)通常用于厚薄HIC及PWB的，基板多為陶瓷基板（如Al２O３）．I/O數(shù)只有幾個或十多個，可將引腳引向一邊，用鍍Ni，鍍Ag或鍍Pb-Sn的“卡式”引線卡在基板一邊的I/O焊區(qū)上，用電烙鐵將焊點(diǎn)焊牢，可將卡式引線浸入熔化的Pb-Sn槽中進(jìn)行浸焊，還可以在卡式引線的I/O焊區(qū)上涂焊膏，然后成批放于再流焊爐中進(jìn)行再流焊．PWB上的焊接工藝與之相同SIP的插座占的基板面積小，插取自如，工藝簡單，適于多品種，小批量的HIC及PWB基板封裝，還便于引線的更換和返修．SIP和DIP的封裝技術(shù)DIP封裝技術(shù)雙列直插式封裝（DIP）是20世紀(jì)60年代開發(fā)出來的最具代表性的IC芯片封裝結(jié)構(gòu)．在ＳＭＴ元器件出現(xiàn)之前是７０年代大量應(yīng)用于中，小規(guī)模IC芯片的主導(dǎo)封裝產(chǎn)品，引線數(shù)４－６４．產(chǎn)品也呈系列化，標(biāo)準(zhǔn)化，品種規(guī)格齊全類型：陶瓷全密封型DIP(CDIP），塑封型DIP(PDIP），窄節(jié)距DIP(SDIP）等CDIP封裝技術(shù)陶瓷熔封DIP(CerDIP)的封裝技術(shù)DIP封裝技術(shù)引線節(jié)距為2.54mm,封裝結(jié)構(gòu)簡單,只有底座、蓋板和引線框架三個零件低熔點(diǎn)玻璃密封DIP底座和蓋板都是用加壓陶瓷工藝制作，一般是黑色陶瓷，即把氧化鋁粉末潤滑劑和粘接劑的混合物壓制成所需要的形狀，然后在空中燒結(jié)成瓷件,把玻璃漿料印刷到底座和蓋板上然后在空氣中燒成．對陶瓷底座加熱，使玻璃熔化，將引線框架埋入玻璃中，粘接IC芯片，進(jìn)行WB，把涂有低溫玻璃的蓋板與裝好IC芯片的底座組裝在一起，在空氣中使玻璃社會化，達(dá)到密封．然后鍍Ni-Au或Sn．不需要陶瓷上金屬化，燒結(jié)溫度低（低于500℃)因此成本低，由于電性能和可靠性不易提高，體積也大，現(xiàn)逐漸被多層陶瓷封裝和塑料封裝取代DIP封裝技術(shù)低熔點(diǎn)玻璃密封DIP的工藝步驟DIP封裝技術(shù)多層陶瓷DIP(CDIP)和封裝工藝多層陶瓷DIP由多層陶瓷工藝制作分類：黑色陶瓷、白色陶瓷和棕色陶瓷多層陶瓷工藝的生瓷片由流延法制成．流延工藝是多層陶瓷工藝的基礎(chǔ)生瓷片主要由陶瓷粉末、玻璃粉末、粘接劑、溶劑和增塑劑等組成粘接劑在生瓷片制作過程中起粘接陶瓷顆粒的作用，還可以生瓷片以適于金屬化漿料印刷溶劑的作用：使瓷粉均勻，溶劑揮發(fā)后形成大量的微孔增塑劑能使生瓷片呈現(xiàn)：現(xiàn)出“塑性”或柔性，這是由于增塑過程中降低了粘接劑的玻璃化溫度所致．多層陶瓷DIP的封裝工藝DIP封裝技術(shù)CDIP的特點(diǎn)：具有良好的機(jī)械性能和電性能，可靠性較高，引線節(jié)距2.54mm，體積較大多層陶瓷封裝的最大優(yōu)勢在于：封裝設(shè)計者有很大的靈活性，可以充分利用封裝布線來提高封裝的電性能．如在陶瓷封裝體內(nèi)加入電大同和接地面，以減小電感；可以加入接地屏蔽面或線，以減小信號線間的串?dāng)_，可以控制信號線的特性阻抗等等PDIP封裝技術(shù)特點(diǎn)：具有工業(yè)自動化程度高，產(chǎn)量大，工藝簡單，成本低廉等特點(diǎn)非密封性的塑封外殼，不能完成隔斷芯片與周圍的環(huán)境，但大量民用產(chǎn)品的使用環(huán)境中，在一定時期內(nèi)是能夠保證器件可靠工作的塑料有吸潮的弱點(diǎn)PDIP封裝技術(shù)塑料封裝用的樹脂要求應(yīng)具備如下特性：樹脂要盡可能與所包圍的PDIP各種材料相匹配，即熱膨脹系數(shù)CTE相近在65-150℃的使用溫度范圍內(nèi)能正常工作，要求玻璃化溫度大于150℃樹脂的吸水性要小，并與引線的粘接性能良好，防止?jié)駳庋貥渲€界面浸入內(nèi)部要有良好的物理性能和化學(xué)性能固化時間短N(yùn)a含量低輻射性雜質(zhì)含量低PDIP封裝技術(shù)塑封的工藝過程與TO型塑封類似PDIP的引線框架為局部鍍Ag的C194銅合金或42號鐵鎳合金，基材用沖壓成型或刻蝕成形。將IC芯片用粘接劑粘接在引線框架的中心芯片區(qū)，IC芯片的各焊區(qū)與局部電鍍Ag的引線框架各焊區(qū)用WB連接。然后將載有IC芯片的該引線框架置于塑封模具的下模中，再蓋上上模。接著將已預(yù)熱過并經(jīng)計量的環(huán)氧坯料放入樹脂腔中，置于注塑機(jī)上，加熱上下模具達(dá)到150－180℃，這時的環(huán)氧坯料已經(jīng)軟化熔融并具有一定的流動性，注塑機(jī)對各個活塞加壓．熔融的環(huán)氧樹脂就通過注塑流道擠流到各個IC芯片所在的空腔中，保溫加壓約2－3min，即可脫模已成型的塑封件，并及時清除塑料毛刺，還要對引線框架的引線連接處切筋，并打彎成90度，就成為標(biāo)準(zhǔn)的PDI。再對PDIP進(jìn)行高溫老化篩選，并達(dá)到充分固化，再經(jīng)測試、分選打印包裝就可以成品出廠。

PGA的封裝技術(shù)針柵陣列封裝(PGA)是為解決LSI芯片的高I/O引腳數(shù)和減少封裝面積而設(shè)計的針柵陣列多層陶瓷封裝結(jié)構(gòu)，其制作技術(shù)與CDIP的多層陶瓷封裝基本相同(參見上一小節(jié))。陶瓷一般為90％－96％的Al2O3、生瓷材料，每層用厚膜W或Mo漿料印制成布線圖形，并通金屬化，按設(shè)計要求進(jìn)行生瓷疊片并層壓，然后整體放入燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，使層間達(dá)到氣密封裝，然后鍍Ni，而后再釬焊針引腳，最后鍍Au．在信號線的印制圖形中，每個金屬化焊區(qū)均勺相應(yīng)的針引腳相連，外殼內(nèi)腔是IC芯片粘接位置，用粘接劑固定好IC芯片后，用WB連接芯片焊區(qū)與陶瓷金屬化焊區(qū)，再進(jìn)行封蓋，就成為IC芯片PGA氣密封裝結(jié)構(gòu)PGA的封裝技術(shù)PGA特點(diǎn)：I/O數(shù)可高達(dá)數(shù)百個及至上千個氣密封的，所以可靠性高制作工藝復(fù)雜，成本高，適于可靠性要求高的軍品使用PGA的面陳引腳結(jié)構(gòu)為開發(fā)BGA提供了經(jīng)驗(yàn)，也為解決QFP窄節(jié)距四邊引腳提供幫助金屬外殼制造和封裝技術(shù)金屬外殼封裝的特點(diǎn)：

金屬外殼封裝針對軍用電子產(chǎn)品要求的高可靠性而專業(yè)制作的：一般具有如下特點(diǎn)：封裝具有良好的熱性能、電性能和機(jī)械性能，能夠保護(hù)各類芯片、無源器件和布線免受大氣環(huán)境的侵蝕使用溫度范圍廣，一般可達(dá)-65-125℃氣密性優(yōu)良，漏速小于１X10-3Ｐa.cm3/s(He)封裝多為金屬外殼配合陶瓷基板封裝，封裝殼體通常較大封裝單芯片和厚薄膜HIC金屬外殼制造和封裝技術(shù)金屬外殼封裝的主要類型：按結(jié)構(gòu)、功能和應(yīng)用等分類，主要有淺腔式外殼系列、平板式外殼系列、扁平式外殼系列、功率外殼系列和AIN陶瓷基板外殼系列等，如圖3-10、圖3-11、圖3-12和圖3-13等所示。

圖３-10淺腔式雙列引腳外殼金屬外殼制造圖３-11淺胯式四邊引腳外殼金屬外殼制造圖3-12平板式四邊引腳外殼金屬外殼制造圖3-14金屬外殼典型工藝流程

金屬外殼封裝技術(shù)SMC／SMD與各類IC芯片的混合組裝技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

金屬外殼內(nèi)使用的多層基板主要包括各類陶瓷基板和Si基板．它們的組裝技術(shù)多是用寸要求高的高檔電子產(chǎn)品，是典型的厚、薄膜HIC產(chǎn)品，當(dāng)今的HIC產(chǎn)品也采用SMT。陶瓷或Si基板與PWB多層基板相比，有如下明顯的優(yōu)點(diǎn)：陶瓷基板的導(dǎo)熱系數(shù)比PWB基板要高一個數(shù)量級以上，因此再流焊接時對元器件的熱沖擊很小。由于傳熱快，基板受熱均勾，焊接時的溫度低，且焊料熔化一致性好，焊接缺陷就大為減少。由大功耗元器件產(chǎn)生的失效也大為減少。陶瓷基板的CTE更接近SMC／SMD，而Si基板與IC芯片完全一致。它們的熱匹配好,界面應(yīng)力自然會大大降低，從而由于熱循環(huán)造成的疲勞失效也大為降低。

金屬外殼封裝技術(shù)可容許更高的功率密度，加上HIC能制作遠(yuǎn)小于PWB基板的線寬和間距，因此，SMC/SMD和IC芯片的混合組裝密度高，而多層布線內(nèi)層還可以埋置R、C和IC芯片，使電子產(chǎn)品更易于實(shí)現(xiàn)小型化和微型化，而且功率更大，功能更強(qiáng)．化學(xué)穩(wěn)定性好，更抗外界環(huán)境的腐蝕等．不足之處：制作工藝復(fù)雜，并難以制作平整的大基板，要使用現(xiàn)代化的貼裝設(shè)備，必須將小基板拼接成大基板后才行．此外，陶瓷或Si基板的成本比PWB基板高.金屬外殼封裝技術(shù)SMC/SMD與芯片的混合組裝工藝金屬外殼封裝技術(shù)混裝工藝流程：成膜基板制備成膜基板制備與常規(guī)制作厚膜HIC的工藝方法相同，這里不再贅述。組裝前的清洗分成膜基板的清洗和封裝外殼的清洗。前者只需在干凈的器皿中用丙酮和乙醇反復(fù)超聲兩遍．而后者因油污重，要徹底進(jìn)行去油污處理。貼裝SMC／SMD由于HIC的成膜基板比通常PWB基板的尺寸小、裝配密度高，再者基板往往要裝入外殼，所以對貼裝的要求也高。貼裝SMC／SMD的工藝流程如下頁圖3-16所示：金屬外殼封裝技術(shù)金屬外殼封裝技術(shù)再流焊對陶瓷基板SMC／SMD的再流焊一股采用＝種方法：熱板再流焊、汽相再流炸和紅外再流焊．熱板再流焊成本低，使用靈活、方便．適于小批量的試制；汽相再流焊因使用固定沸點(diǎn)的氟油蒸氣汽相焊接，焊件各處受熱均勻．又處在保護(hù)氣氛中．所以焊接質(zhì)量好；但是由于它不能連續(xù)再流焊操作，氟油昂貴，焊接成個高，再加上氟能破壞臭氧層等，所以只適于小批量、高價值產(chǎn)品的應(yīng)用；紅外再流焊采用自動溫控，帶式傳送焊件，且可通保護(hù)性氣體進(jìn)行再流焊，因此，特別適合大批量生產(chǎn)，焊接質(zhì)量良好．再流焊后的清洗再流焊后．焊劑除殘留在焊接的電極處之外，由于焊劑的揮發(fā)，還沾污了整個基極表面，下一道工序要安裝許多芯片，就必須清洗，除基板上芯片粘接區(qū)和鍵合區(qū)上的焊劑．芯片粘接、固化和清洗金屬外殼封裝技術(shù)芯片引線鍵合

芯片引線鍵合是電子部件獲得電性能的關(guān)鍵工藝，也是產(chǎn)品可靠性的保障．目前，引線鍵合仍采用金絲焊和超聲鍵合的方法，也可使用載帶自動焊（TAB)和倒裝芯片焊(FCB)．封帽前檢驗(yàn)

芯片引線鍵合完畢，使SMC／SMD與芯片混合組裝的電子部件具有了電性能，為了全面檢查混合組裝的工藝質(zhì)量并測試電性能，設(shè)計人員先測試電性能，合格后專檢人員進(jìn)行全面的“封帽前檢驗(yàn)”.不符合標(biāo)準(zhǔn)的要予以剔除，并由相關(guān)人員負(fù)責(zé)返修．

到此，整個混裝工序才算完成！金屬外殼封裝技術(shù)工藝流程的設(shè)計和工藝兼容性問題為了使各種工藝都能相互兼容，以達(dá)到組裝和部件性能的最佳效果，一般設(shè)計混合組裝工藝流程應(yīng)遵循如下原則：前道工序不能對后道工序造成不良影響；各類焊接、粘接、固化應(yīng)先高溫、后低溫；容易受污染的元器件(如芯片類)應(yīng)盡可能靠后安排組裝等。經(jīng)過完整的混合組裝工序，并進(jìn)行了嚴(yán)格的封帽前檢驗(yàn)后．即可進(jìn)行最后的封帽工藝．

金屬外殼封裝技術(shù)封帽工藝金屬外殼HIC的封帽具有特殊的重要性，要求高可靠性，封裝必須要求氣密性，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的水汽