電子封裝課件：電子組裝技術(shù)

第四講：電子組裝技術(shù)第一部分：電子組裝工藝電子元器件電路板波峰焊回流焊通孔組裝技術(shù)表面貼裝技術(shù)板上芯片技術(shù)BGA技術(shù)返修工藝技術(shù)第二部分：電子工藝材料鉛錫合金焊膏無鉛焊料導(dǎo)電膠技術(shù)清洗劑基板材料第一部分：電子組裝工藝通孔組裝技術(shù)表面貼裝技術(shù)電子元器件與電路板波峰焊與回流焊板上芯片技術(shù)BGA技術(shù)返修工藝技術(shù)SurfaceMountTechnology(SMT)表面貼裝技術(shù)、表面組裝技術(shù)1線路設(shè)計(protel等)2線路板PCB的制造：照相、腐蝕、疊層、打孔、切割、電鍍、油漆等3表面貼裝元件SMD的準(zhǔn)備4焊膏印刷模板Stencil的準(zhǔn)備一種實驗室用的SMT開發(fā)系統(tǒng)5焊膏印刷6表面貼裝元件的放置和定位7再流焊Reflow8清洗9質(zhì)量檢驗（a）刮刀經(jīng)過模板孔（b）移開模板（c）印刷好的焊膏模板印刷焊膏示意圖（a）針頭滴送SMT焊膏（b）手工絲網(wǎng)印刷SMT焊膏

電子組裝分類按組裝方法：

1)通孔組裝技術(shù)THP 2)表面組裝技術(shù)SMT 3)特殊的組裝技術(shù)按材料分類：

1)陶瓷封裝——高可靠性

2)塑料封裝——低成本(與陶瓷封裝相比），更通用

MoldPackageGlassShieldPackages通孔組裝技術(shù)InternalStructureofTO-92DlP---Standard(DualIn-linePackage)Theyaremostwidelyused.Theleadpitchis2.54mm(100mil),andthespacingbetweenterminalrowsis300,400,or600mil.DIP--SkinnystandardDIPswithspacingbetweenterminalrowsof7.62mm(300mil)andwith20ormorepins.DIP--ShrinkstandardDIPswithaleadpitchreducedto1.778mm(70mil).TheyaresmallerinexternalsizethanstandardDIPsandsuitedtocompactelectronicequipmentusinghigh-pin-densityICpackages.ZIP(ZigzagIn-linePackage)featuredbytheleadswhicharedrawnoutfromeachpackagebodyintoasinglerowtoallowverticalmountingwithaleadpitchof1.27mm(50mil).TheleadsofeachpackageareZigzagfolded,withinthepackagesurfacethickness,intotworows.TheZigzagfoldingincreasestheleadpitchineachrowto2.54mm(100mil).陶瓷封裝ICStandardDIPhermeticceramicpackage.Theleadpitchis2.54mm(100mil)andthepackagebodyismadeofceramics.Metalorglassmaybeusedasasealingmaterial.CER-DIP[GlassSealed]called“CER-DIP”package.Theleadpitchis2.54mm(100mil),andthepackagebodyismoldedwithpowderceramics.Thesealingmaterialisglass.PGA(PinGridArray)featuredbytheleadswhicharedrawnoutverticallyfromeachpackagebodyandarrangedonthespecifiedgrid.Thepackagebodyismadeofceramics,andthestandardleadpitchis2.54mm(100mil).PGApackagesaresuitedtomultipinpackaging.表面安裝技術(shù)InternalStructureofMP-2

InternalStructureofMinimoldInternalStructureofMP-3Z,MP-25ZSOP(SmallOut-lineL-LeadedPackage)characterizedbygull-wingtypeleadswhicharedrawnoutfromeachpackagebodyintwodirections,andcanbemountedflat.Thestandardleadpitchis1.27mm(50mil).SSOP(ShrinkSmallOut-lineL-LeadedPackage)SOPpackageswithaleadpitchoflessthan1.27mm(50mil)arecalledSSOP.TSOP-TSSOP(ThinSmallSingleOut-lineL-LeadedPackage)ultrathinSOPswithapackageL-Leadedmountingheightoflessthan1.27mm,andaresuitedtoultra-thinelectronicequipmentsuchassmartcards.QFP(QuadFlatL-LeadedPackage)arecharacterizedbygull-wingtypeleadswhicharedrawnoutfromeachpackagebodyinfourdirections,andcanbemountedflat.TherearevariousQFPsavailablebecausetheleadpitchisvariableandthedimensionsofthepackagebodyfixed.TQFP(ThinQuadFlatL-LeadedPackage)ThinQFPpackageshavethepackagebodyheights(moldthickness)of1.0mmandof1.27mm.SOJ(SmallOut-lineJ-LeadedPackage)packagesarecharacterizedbyJ-shapedleadswhicharedrawnoutfromeachpackagebodyintwodirections,andcanbemountedflat.Thestandardleadpitchis1.27mm(50mil).QFJ[PLCC](QuadFlatJ-LeadedPackage)packagesarecharacterizedbyJ-shapedleadswhicharedrawnoutfromeachpackagebodyinfourdirections,andcanbemountedflat.Thestandardleadpitchis1.27mm(50mil).BGA(BallGridArray/FinePitchBGA)packagesaresurfacemountingpackagewithsolderballarraysonbacksidesurfaceofprintedcircuitboard(PCB).W-CSP(WaferLevelChipScalePackage)Apackagedwaferiscutandseparatedintoindividualchips.CSPInternalStructureACSPthatusesgoldbumpsformedforbonding.Thispackagecaneasilybechangedtoafan-outstructureandusedformulti-layeredboardconfigurations,makingitidealforlogicapplications.FCBGA(FlipChipBGA)

Atop-performanceBGAwithpadsrewiredonthechipinanareaarraypatternandbumpintegration,andthatusesaflipchipbondingtechnique.FCBGAInternalStructureExcellentelectricalandheatdissipationcharacteristics.Thispackageenablesproductionofveryhighpincountdevicesmorethan1000pins.特殊的封裝形式MemorymodulesarepackageswhichhaveseveralmemoryICsmountedonaPCboard,Tapecarrierpackages(TCP)usingTapeAutomatedBonding(TAB)techniques,ChipOnBoard(COB)packages,orICcardpackages.TCPandCOBpackagesarecustomdesignsconformingtothecustomer’sspecifications.COB(ChipOnBoard)packagesarecustomer-specifiedpackageswithanICchipmountedandsealedoneachPCboard.TCP(TapeCarrierPackage)packagesareconstructedusingTapeAutomatedBonding(TAB)technique.TCPpackagesaresuitedtomulti-pin,thin,compact,highdensityICpackages.Customdesignsareavailabledependingontheapplication.MemoryModuleModulepackagesaredesignedsothatseveralsurfacemountICpackagesaremountedoneachPCboard.Theseackagesarehigh-densityICpackageswithsophisticatedfunctions,andaremostlyusedformemories.COT(ChipOnTape)packagesarecustomer-specifiedpackageswithanICchipdirectlymountedandsealedoneachtapesubstrate.BGA：球柵陣列封裝

BGA一出現(xiàn)便成為CPU等VLSI芯片的高密度、高性能、多功能及高I/O引腳封裝的最佳選擇。其特點有：

I/O引腳數(shù)雖然增多，但引腳間距遠大于QFP，從而提高了組裝成品率；雖然它的功耗增加，但BGA能用可控塌陷芯片法焊接，簡稱C4焊接，從而可以改善它的電熱性能；

厚度比QFP減少1/2以上，重量減輕3/4以上；寄生參數(shù)減小，信號傳輸延遲小，使用頻率大大提高；組裝可用共面焊接，可靠性高。Motorola1.27mm引腳間距的CBGA1.27mm間距的CBGA器件

CBGA器件

CBGA二級封裝結(jié)構(gòu)的剖面圖

典型的PBGA結(jié)構(gòu)圖具有充填樹脂結(jié)構(gòu)的PBGA不同間距尺寸下可能的管腳數(shù)BGA與PQFP的管腳數(shù)比較不同封裝形式的管腳密度三種封裝形式的電感量PBGA吸濕率變化（85

C/85RH%）爆米花現(xiàn)象的SAM照片

一種

BGA的封裝結(jié)構(gòu)

（a）CSP封裝結(jié)構(gòu)（b）CSP內(nèi)部結(jié)構(gòu)一種CSP封裝結(jié)構(gòu)第二部分：電子工藝材料鉛錫合金與焊膏技術(shù)無鉛焊料導(dǎo)電膠技術(shù)清洗劑基板材料SolderPasteTechnology

錫膏（焊膏）技術(shù)焊膏及其作用焊膏是由焊劑載體、合金焊粉等組成的膏狀穩(wěn)定混合物。在微電子封裝焊接中，起到機械支撐、熱傳導(dǎo)、電連接等作用。固定元件，促進焊料潤濕，清除被焊表面的氧化物、硫化物、塵埃雜質(zhì)和吸附層，保護表面防止再次氧化，形成牢固的冶金結(jié)合等作用。

焊膏物理化學(xué)性能焊膏有很多性能參數(shù)，按狀態(tài)分有：

膏糊狀態(tài)l

物理外觀l

穩(wěn)定性和存貯壽命l

粘性l

常溫塌落l

細針滴注性

l

絲網(wǎng)印刷性l

模板印刷性l

粘性時間l

粘著力l

工作壽命再流焊狀態(tài)l

與被焊金屬表面的相容性l

在熔融前的流動特性l

熔融中和熔融后的流動特性l

潤濕性l

非潤濕現(xiàn)象l

焊料球現(xiàn)象l

橋接現(xiàn)象l

“抽芯”現(xiàn)象l

浸析現(xiàn)象焊后狀態(tài)l

殘留物可清洗性l

殘留物腐蝕性l

電子遷移l

焊點外觀l

焊點空位l

焊點強度:

l

焊點微觀結(jié)構(gòu)l

焊點完整性與機械疲勞關(guān)系l

焊點完整性與熱疲勞關(guān)系l

焊點完整性與熱膨脹系數(shù)失配關(guān)系l

焊點完整性與內(nèi)部熱膨脹的各向異性關(guān)系l

焊點完整性與腐蝕增強疲勞關(guān)系為了獲得適合的性能參數(shù)，除了要考慮后面將要討論討論的焊料外，還要正確設(shè)計焊劑載體系統(tǒng)，主要方面包括：l

液相沸點l

固相熔點l

松香軟化點l

焊劑活化溫度l

焊劑活化時間l

與焊料合金粉末的相容性l

與基片表面的相容性l

粘度和粘結(jié)力l

環(huán)境穩(wěn)定性l

熱分解和衰變l

流變性l

可接受金屬含量l

與傳熱機制的相容性l

與清洗溶劑與設(shè)備相容性焊劑載體的組成

焊劑載體在焊膏中的比重一般為10％～20％，體積百分比為50～60％。作為焊粉載體，它起到結(jié)合劑、助熔劑、流變控制劑和懸浮劑等作用。 它由成膜物質(zhì)、活化劑（表面活性劑、催化劑）、觸變劑、溶劑、其它添加劑（緩蝕劑、穩(wěn)定劑、抗氧化劑）等組成。常用的焊劑載體物質(zhì)——成膜物質(zhì)主要防止合金焊料粉進一步氧化。使焊膏具備一定的粘性以固定元器件。它對焊膏的粘度和流變性有較大的影響，含量低使得潤濕性變低并產(chǎn)生塌落。含量高使得殘留物較多，不利于清洗。例如松香就是一種成膜物質(zhì)，在焊接條件下，它可與焊劑中的其它物質(zhì)例如甘油起反應(yīng)生成松香甘油酯。成膜物質(zhì)——松香及樹脂等 WWW特級松香、氫化松香、歧化松香、苯改性松香、酯改性松香等。 環(huán)氧樹脂、聚丙烯酸樹脂、酚醛樹脂、丙烯酸樹脂、改性環(huán)氧樹脂、氯乙烯樹脂、聚氨酯、纖維素、聚乙二醇和硬脂酸酯等。 羥乙基纖維素、聚酰亞胺硅氧烷、多聚甲醛。常用的焊劑載體物質(zhì)——活性劑化學(xué)反應(yīng)去除被焊表面的氧化層。減小熔融焊料表面張力以增加潤濕性。和其它雜質(zhì)反應(yīng)提高助焊性能。主要物質(zhì)有：有機酸及其鹵化物、有機胺及其鹵酸鹽、肼類及其鹵化物、酰胺類尿素等焊劑載體用活性劑有機酸甲酸、丁酸、草酸、丙二酸、戊二酸、酸、乳酸、苯乙酸、對羥基苯甲酸、水楊酸、酒石酸、蘋果酸、桂皮酸、植酸、谷氨酸、鄰苯二甲酸、油酸、硬脂酸、有機胺及酰胺單乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、乙二胺、二乙胺、十二烷基胺、甲酰胺、肼、尿素有機胺的氫鹵酸鹽及有機鹵化物十六烷基三甲基氯化銨、十六烷基溴化吡啶、十六烷基三甲基溴化胺、乙基二甲基十六烷基溴化胺、溴化肼其它苯胺磷酸鹽、氟碳季銨鹽常用的焊劑載體物質(zhì)——觸變劑觸變性是指粘度隨時間、溫度、剪切率等因素變化而變化的特性。蓖麻辣、蓖麻蠟、脂肪酸酰胺、羥基脂肪酸、硬脂酸鹽類等，具備破壞氫鍵的作用從而使焊膏有觸變性能。同時還可改善流掛性能，使其均勻一致。常用的焊劑載體物質(zhì)——溶劑溶解活性劑、成膜劑、觸變劑以及其它添加劑，使之成為均勻的膏狀以便于印刷。含高沸點和低沸點的物質(zhì)混合使用。具有一定的粘度又具有一定的揮發(fā)性能而提供適當(dāng)?shù)挠∷⑿院凸ぷ鲏勖?。溶劑一元醇：乙醇、異丙醇、苯甲醇、十二醇、松油醇、環(huán)己醇山梨醇等。多元醇：乙二醇、聚乙二醇（400）、1,2丙二醇、丙三醇、1,4丁二醇、乙二醇醚、丁二醇等。酯類及其它：鄰苯二甲酸二丁酯、亞磷酸二丁酯、磷酸三丁酯、二甲苯等。其它添加劑潤濕劑：一般采用非離子型表面活性劑。也可采用陽離子或者陰離子表面活性劑。光亮劑：提高焊點光亮性，例如甘油、三乙醇胺、氨等。?？寡鮿簽榱朔乐购竸┑难趸冑|(zhì)，可加入少量的苯酚、對苯酚等強還原劑。緩蝕劑：保護電路板和元器件引線，使之具有防潮、防鹽霧、防腐蝕性能，又能保持良好的可焊性。SMT中主要是針對銅的緩蝕。通常采用供電子的含氮化合物，如苯并三唑、咪唑等。一般加入量在1％以下。焊劑載體的物理性能

要考慮的物理性能包括熔點、沸點、軟化點、玻璃轉(zhuǎn)變溫度、氣壓、表面張力、粘性和混溶性。所有這些都取決于分子間作用力（或內(nèi)聚能）。盡管在穩(wěn)定化學(xué)鍵的形成中不是很關(guān)鍵，它仍然是一個重要的次級結(jié)合力。

例如分子從液體揮發(fā)的傾向是總的轉(zhuǎn)變能的函數(shù)，從而依賴于溫度。沸點取決于這種轉(zhuǎn)變能與分子間相互作用內(nèi)聚能之間的關(guān)系。對于聚合物，這種關(guān)系是分子量的函數(shù)，決定著隨溫度升高的分解和氣化的發(fā)生。除內(nèi)聚能外，熔點也受分子有序度（熵）的影響。盡管熔點和幅度與結(jié)構(gòu)的關(guān)系復(fù)雜，一般地，沸點高，其熔點也高；而且在其它因素相同條件下，對稱分子由于熵較低而熔點較高，其熱力學(xué)方程為：

⊿G＝⊿H－T⊿S

除了聚合物和溶劑的特性外，溶劑中聚合物的粘性還取決于一定溫度下的分子量以及分子量的分布。粘性與分子量之間的關(guān)系為：

＝KMa

K與a為經(jīng)驗常數(shù)，M為分子量

軟化點也隨著分子量和結(jié)晶度的增加而增加。對于非結(jié)晶聚合物，軟化溫度接近于玻璃轉(zhuǎn)變溫度，而高度結(jié)晶的聚合物的則接近于熔點。玻璃轉(zhuǎn)變溫度與熔點的關(guān)系一般為：非對稱聚合物：

對稱聚合物：

在焊膏中，每種組分的氣壓對焊膏工作性能影響不止一個方面，包括再流焊方法的選擇以及焊點空洞的形成。液相的整體沸點或者單個液相成分的沸點會改變焊劑的活性和殘留物特性，以及與再流焊方法的相容性。固相的整體熔點或者單個固相成分的熔點也能改變焊劑的活性。

焊劑載體化學(xué)性能—焊劑載體分類R（rosin）型：焊劑活性最弱，它只含有松香而沒有活性劑。RMA（middleactivatedrosin）型：既含松香又含活性劑的系統(tǒng)。RA型：是完全活化型的松香或者樹脂系統(tǒng)，比RMA型的活性高。OA型：指有機酸焊劑，具有很高的助焊活性。一般認(rèn)為OA型焊劑具有腐蝕性。SA（syntheticactivator）型是杜邦公司1980年代透露的非松香型焊劑。

焊劑載體化學(xué)性能從化學(xué)的角度來看，強酸、強堿、某些鹽等無機化學(xué)物質(zhì)具有很高的活性，不適合于電子領(lǐng)域的應(yīng)用。含有活性官能團（如羧基-COOH和胺基-NH2、-NHR、-NR2）的有機物是很好的助熔活性劑。一般使用的包括脂肪酸、芳香酸、脂肪胺及其衍生物，胺的氫氯酸鹽、胺的氫溴酸鹽。助熔活性強度取決于化學(xué)分子結(jié)構(gòu)、物理性能和周圍的介質(zhì)。結(jié)構(gòu)和介質(zhì)對酸和堿強度的影響可分為：誘導(dǎo)、共振、氫鍵合、溶解、混雜和位阻效應(yīng)。

對于普遍采用的誘導(dǎo)效應(yīng)，分子結(jié)構(gòu)中和羧基官能團相鄰的電子獲取基由于陰離子的穩(wěn)定性而增強了羧基的酸性。反過來，電子釋放基團降低其酸性。示意圖如下：電子俘獲基團：增加強度電子釋放基團：減小強度有機羧酸的酸度常數(shù)化學(xué)物質(zhì)K

CH3COOH1.75×10-5ClCH2COOH136×10-5Cl2CHCOOH5530×10-5Cl3CCOOH23200×10-5CH3CH2CH2COOH1.52×10-5FCH2COOH260×10-5BrCH2COOH125×10-5

上一張表和本張圖表示的是這種反應(yīng)結(jié)構(gòu)效應(yīng)的一些羧基酸的酸值常數(shù)。表明，隨著

氫被電子獲取基如-F、-Cl、-Br等的替代，酸值加強。對于芳香酸，電子獲取基如NO2對芳香環(huán)上的氫替換會增加酸性，而電子釋放基如-CH3則會減小其酸性。松香是從松樹獲取的天然樹脂。可分為橡膠松香、木質(zhì)松香、和高焦油松香。橡膠松香是活松樹的樹脂油分離出構(gòu)節(jié)油后的產(chǎn)物。木質(zhì)松香是樹干蒸餾的殘留物。高焦油松香是在磨漿過程中高焦油的分餾產(chǎn)物分離脂肪酸后而得的物質(zhì)。松香由多種松香酸、松香酸酯、松香酐、和脂肪酸組成。沒有調(diào)整的松香的主要組分有：松香酸、海松酸、異構(gòu)海松酸、新松香酸、氫化松香酸和脫氫松香酸。通用分子式為C19H29COOH、C19H27COOH或者C19H31COOH。結(jié)構(gòu)共同特點是具有三環(huán)、羧基和雙鍵，其活性部分為羧基和雙鍵。關(guān)于松香松香結(jié)構(gòu)式溫度（℃）松香的變化74軟化74－144溶解，封閉在內(nèi)的松酸（C20H30O2）呈現(xiàn)活性144－148轉(zhuǎn)化為

松香酸150－190轉(zhuǎn)化為松香酸150－151轉(zhuǎn)化為左旋海松酸173－174轉(zhuǎn)化為脫氫松香酸211－212轉(zhuǎn)化為右旋海松酸230－250轉(zhuǎn)化為焦松香酸300－350碳化松香隨溫度的變化氫化松香

由松香加氫而制得。主要成分為二氫（少量四氫）松香酸。它比松香的共軛雙鍵含量低，穩(wěn)定性好，抗氧化和抗退色能力增強，殘渣色淡、無氣味、無結(jié)晶、脆性小。但是軟化點較低，熱熔流動性好，粘性大，用它配制的焊劑焊接之后殘留物有粘性。于是可以制備氫化松香酯類，滿足不同軟化點和不同酸值的要求。例如：聚合松香

在濃硫酸催化下，松香中的雙鍵相互聚合（而保持－COOH基不變），生成聚合松香，熔點為120℃。它的酸值比松香要低。因此，有些配方中將它作為活性物質(zhì)添加在焊劑中是不妥的；它只能作為高分子成膜物質(zhì)使用或者替代松香。歧化松香

在鈀、碘、硫、硒等的催化下，使松香的雙鍵發(fā)生歧化。歧化反應(yīng)實質(zhì)上是一種氧化還原反應(yīng)，一部分松香酸上的共軛鍵上失去二個氫原子，形成穩(wěn)定的苯環(huán)結(jié)構(gòu)即脫氫松香酸，另一部分吸收二到四個氫原子而生成二氫松香酸或者四氫松香酸。歧化松香其實是脫氫松香酸、二氫松香酸和四氫松香酸的混合物。歧化松香不易被空氣氧化，熱穩(wěn)定性能良好。合金焊粉合金焊粉占焊膏重量的80～90％適合SMT的最常見合金是63Sn37Pb，62Sn36Pb2Ag其它SnPb、SnPbBi、SnAgCu、SnAg等也有。合金焊粉的關(guān)鍵參數(shù)形狀尺寸分布含氧量熔化溫度流量率基本雜質(zhì)這些參數(shù)的水平都取決于制粉技術(shù)的發(fā)展焊粉顆粒形狀

焊粉形狀最好是球形或者類球形，而且球的表面光滑而沒有“小衛(wèi)星球”球粘連。球形比表面小，能量低，在制造、存儲和印刷中不易氧化，而且印刷時不會堵塞網(wǎng)孔。形狀極其不規(guī)則焊粉不規(guī)則焊粉較規(guī)則焊粉右圖中：黑色的為富錫相，而亮區(qū)為富鉛相

規(guī)則焊粉尺寸分布（PSD）由Stokes公式F=6

a

v（F是半徑為a的球形顆粒以速度v在黏性為

的介質(zhì)中運動所受的力）可知，尺寸分布的變化直接影響著焊膏的粘性、流變性能，繼而影響到印刷質(zhì)量。常用焊膏中粉末的尺寸是－200

/+325目和－325

/+500目，分別對應(yīng)著75～45，和45～20微米。尺寸分布的測量有懸浮法和過篩法焊粉根據(jù)尺寸分類尺寸分布與焊膏其它參數(shù)的關(guān)系金屬含量粘度（Pa.s）尺寸（

m）主施用方法90％600～100040-75模板印刷90％400～60020-36細間距網(wǎng)印刷85％400～60020-45絲網(wǎng)印刷80％300～40020-45定量分配器注射含氧量

焊料粉末的含氧量直接影響著焊膏的可焊性，特別是錫珠和飛濺的發(fā)生。還會降低回流焊的焊膏最終厚度，帶來焊料不足以及其它焊點質(zhì)量問題。一般認(rèn)為高于0.05％就不合格。氧含量的測定

確定氧含量時，采用濕化學(xué)法來測量焊粉在松香溶劑中擴散前后的重量差。這種方法的固有特點使得結(jié)果常常估計過高。然而，在適當(dāng)?shù)姆椒ㄏ?，它反?yīng)了粉末的清潔度和雜質(zhì)，而且是氧化物和其他外部污染生成的指標(biāo)。也可使用氧探測儀器直接測量氧含量。熔化溫度 Fish—Johns熔點儀器是常用的液相溫度測量工具。對于非共晶合金液相和固相溫度差別及其相變，可用熱分析儀來測量。由于相圖是從平衡條件推導(dǎo)而來，而絕大多數(shù)過程是在非平衡條件下發(fā)生，則可根據(jù)溫譜圖與相圖對照，確定相應(yīng)的相變。 下面三張圖是63Sn37Pb、96.5Sn3.5Ag和10Sn88Pb2A