电子封装材料与工艺.ppt

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1、 电子封装材料与工艺电子封装材料与工艺Electronic Packaging Materials&Technology余琨余琨中南大学中南大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院2011References:1.C.A.哈珀哈珀美美主编主编,贾松良等译贾松良等译,电子组装制造电子组装制造,科科学出版社学出版社,北京北京,20042.宣大荣编著宣大荣编著,无铅焊接无铅焊接 微焊接技术分析与工艺设计微焊接技术分析与工艺设计,电子工业出版社电子工业出版社,北京北京,20083.刘汉诚刘汉诚美美著著,冯士维等译冯士维等译,化学工业出版社化学工业出版社,北京北京,2006第第1章章 集成电路芯片的发展

2、和制造集成电路芯片的发展和制造1.1 真空管（电子管）真空管（电子管）是由一个带有电极引线的玻璃或金属泡组成，电极引是由一个带有电极引线的玻璃或金属泡组成，电极引线通过玻璃引出并与模铸在一个塑料管座内的金属管脚线通过玻璃引出并与模铸在一个塑料管座内的金属管脚相连接。相连接。当电子管含有当电子管含有2个电极（阴极和阳极）时，这种电路称个电极（阴极和阳极）时，这种电路称为二极管。为二极管。在阴极和阳极间加入一个栅极（精细的金属丝网），在阴极和阳极间加入一个栅极（精细的金属丝网），控制电子从阴极到金属板（阳极）的流动方法，对电子控制电子从阴极到金属板（阳极）的流动方法，对电子从阴极向阳极流向产生巨大

3、影响。在三电极的情况下可从阴极向阳极流向产生巨大影响。在三电极的情况下可以使用一个真空管整流和放大微弱的无线信号，称为三以使用一个真空管整流和放大微弱的无线信号，称为三极管。极管。第第1章章 集成电路芯片的发展和制造集成电路芯片的发展和制造1.2 半导体材料半导体材料l 半导体具有完全不同于金属的物理特性。半导体是共半导体具有完全不同于金属的物理特性。半导体是共价的固体。价的固体。l 最重要的半导体材料是周期表最重要的半导体材料是周期表AA族的硅和锗。族的硅和锗。l 两种或两种以上的元素形成共价键可以形成半导体化两种或两种以上的元素形成共价键可以形成半导体化合物，如镓和砷结合成的砷化镓。合物，

4、如镓和砷结合成的砷化镓。l 在在ICIC芯片制造中使用的典型半导体材料：芯片制造中使用的典型半导体材料：硅、锗、硒硅、锗、硒 GaAsGaAs、GaAsPGaAsP、InPInP第第1章章 集成电路芯片的发展和制造集成电路芯片的发展和制造1.2 半导体材料半导体材料l Ge是制造第一个晶体管和固态器件的元素半导体，但是制造第一个晶体管和固态器件的元素半导体，但难加工，目前使用少；难加工，目前使用少；l Si是最常用的半导体材料，是最常用的半导体材料，90的芯片由它制造。硅储的芯片由它制造。硅储量丰富且在高温下仍能保持良好的电性能。量丰富且在高温下仍能保持良好的电性能。SiO2也具有也具有IC制

5、造的理想性能；制造的理想性能；l GaAs可工作在较高工作频率，具有低热耗散、耐辐射、可工作在较高工作频率，具有低热耗散、耐辐射、相邻元件之间漏电少，属于高性能用途半导体，但晶体相邻元件之间漏电少，属于高性能用途半导体，但晶体生长和生长和IC制造困难；制造困难；第第1章章 集成电路芯片的发展和制造集成电路芯片的发展和制造1.3 集成电路（集成电路（IC）l 一个集成电路芯片是把元器件连在一起的集合体，在一个集成电路芯片是把元器件连在一起的集合体，在一个单片半导体材料上制造出一个完整的电子电路；一个单片半导体材料上制造出一个完整的电子电路；l 第一块第一块IC的构思和建造为的构思和建造为1958

6、年年Texas Instruments 公公司的司的Jack Kilby。将晶体管、二极管、电阻、电容等用。将晶体管、二极管、电阻、电容等用“飞线飞线”互连；互连；1959年年Fairchild 公司的公司的Robert Noyce 将将IC半导体元件在芯片内互连，消除了半导体元件在芯片内互连，消除了“飞线飞线”。l IC的复杂程度从的复杂程度从1960年代的小规模集成（年代的小规模集成（SSI）发展到）发展到中规模集成（中规模集成（MSI）、大规模集成（）、大规模集成（LSI）并发展到）并发展到105元元件的超大规模集成（件的超大规模集成（VLSI）。）。第第1章章 集成电路芯片的发展和制造

7、集成电路芯片的发展和制造1.3 集成电路（集成电路（IC）IC的五个主要用途：的五个主要用途：l 汽车汽车l 高性能产品高性能产品l 高性价比产品高性价比产品l 手提式产品手提式产品l 存储器存储器第第1章章 集成电路芯片的发展和制造集成电路芯片的发展和制造1.4 集成电路（集成电路（IC）芯片的制造）芯片的制造 硅是使用最多的硅是使用最多的IC制造材料制造材料第第1章章 集成电路芯片的发展和制造集成电路芯片的发展和制造1.4 集成电路（集成电路（IC）芯片的制造）芯片的制造1.4.1 晶体生长和晶圆片的制备晶体生长和晶圆片的制备晶圆片是构成晶圆片是构成IC的半导体衬底。的半导体衬底。l 精炼

8、粗硅（制备化学纯多晶硅精炼粗硅（制备化学纯多晶硅加热到加热到14151415熔化熔化生长单晶硅生长单晶硅切割晶圆片）切割晶圆片）l 晶圆片厚度为晶圆片厚度为0.5mm0.5mm到到0.75mm0.75mm，采用，采用0.152mm0.152mm厚的金刚厚的金刚石涂层的不锈钢刀片。石涂层的不锈钢刀片。l 在在410mm410mm的晶锭上用的晶锭上用0.17mm0.17mm的线锯一次切出所有晶圆片，的线锯一次切出所有晶圆片，采用黄铜涂层的不锈钢丝。采用黄铜涂层的不锈钢丝。l 晶圆片进行镜面光洁度研磨。晶圆片进行镜面光洁度研磨。第第1章章 集成电路芯片的发展和制造集成电路芯片的发展和制造1.4 集成

9、电路（集成电路（IC）芯片的制造）芯片的制造1.4.1 晶体生长和晶圆片的制备晶体生长和晶圆片的制备第第1章章 集成电路芯片的发展和制造集成电路芯片的发展和制造1.4 集成电路（集成电路（IC）芯片的制造）芯片的制造1.4.2 氧化氧化在晶圆片上形成在晶圆片上形成SiO2层。层。SiO2是用来构造是用来构造IC 元件电容和元件电容和MOS晶体管的有效介质。晶体管的有效介质。1200 氧气中生长氧气中生长0.2m厚度的厚度的SiO2层需要层需要6min；生长生长0.4 m厚度需要厚度需要220min。影响因素：干燥的氧或氧与水蒸气的混合气体、压力、影响因素：干燥的氧或氧与水蒸气的混合气体、压力、

10、温度、晶体取向、时间温度、晶体取向、时间第第1章章 集成电路芯片的发展和制造集成电路芯片的发展和制造1.4 集成电路（集成电路（IC）芯片）芯片的制造的制造1.4.3 光刻光刻是一种图形化工艺，组成是一种图形化工艺，组成IC电路的元件通过光掩模和刻蚀电路的元件通过光掩模和刻蚀转移到晶圆片上。类似照相过转移到晶圆片上。类似照相过程，在玻璃的制成的光刻版上程，在玻璃的制成的光刻版上形成各种半导体层的图形，然形成各种半导体层的图形，然后转移到硅晶圆片表面的光刻后转移到硅晶圆片表面的光刻胶上。胶上。第第1章章 集成电路芯片的发展和制造集成电路芯片的发展和制造1.4 集成电路（集成电路（IC）芯片的制造

11、）芯片的制造1.4.4 扩散扩散扩散或掺杂是把杂质原子注入纯硅的单晶内，使其转变扩散或掺杂是把杂质原子注入纯硅的单晶内，使其转变成成n-型或型或p-型半导体。型半导体。掺入锑、砷、磷得到掺入锑、砷、磷得到n-型半导体；型半导体；掺入硼得到掺入硼得到p-型半导体；型半导体；第第1章章 集成电路芯片的发展和制造集成电路芯片的发展和制造1.4 集成电路（集成电路（IC）芯片的制造）芯片的制造1.4.5 外延外延把一个薄层的硅（厚度约把一个薄层的硅（厚度约25 m）沉积在原来的硅表面）沉积在原来的硅表面上，并使用扩散工艺中同样的掺杂剂进行掺杂，也属于上，并使用扩散工艺中同样的掺杂剂进行掺杂，也属于p-

12、n结制造技术。主要采用结制造技术。主要采用CVD技术。技术。常压常压CVD（APCVD）；）；低压低压CVD（LPCVD）;等离子体增强等离子体增强CVD（PECVD）.第第1章章 集成电路芯片的发展和制造集成电路芯片的发展和制造1.4 集成电路（集成电路（IC）芯片的制造）芯片的制造1.4.6 金属化金属化l 在芯片表面上电路元器件部件与键合焊盘之间沉积导在芯片表面上电路元器件部件与键合焊盘之间沉积导电材料，形成互连引线，称为金属化工艺。电材料，形成互连引线，称为金属化工艺。l 铝、铝合金、铂、钛、钨、钼、金可用于金属化工艺。铝、铝合金、铂、钛、钨、钼、金可用于金属化工艺。l 铝是最常用的金

13、属化材料，与铝是最常用的金属化材料，与Si和和SiO2可以很好的粘附可以很好的粘附（低接触电阻），容易真空沉积（沸点低），导电率高，（低接触电阻），容易真空沉积（沸点低），导电率高，容易通过光刻工艺布图。容易通过光刻工艺布图。l 真空沉积和溅射是沉积铝金属化层的方法。真空沉积和溅射是沉积铝金属化层的方法。l 问题：问题：Al-Si共晶合金。解决办法：共晶合金。解决办法：TiW阻挡层；将阻挡层；将1的的Si加入加入Al中。中。第第1章章 集成电路芯片的发展和制造集成电路芯片的发展和制造1.4 集成电路（集成电路（IC）芯片的制造）芯片的制造1.4.7 钝化钝化l 在芯片金属化后，为防止铝互连电路

14、受到水汽和污染在芯片金属化后，为防止铝互连电路受到水汽和污染的侵蚀，通过气相沉积在芯片电路上形成二氧化硅或氮的侵蚀，通过气相沉积在芯片电路上形成二氧化硅或氮化硅绝缘层或钝化层。化硅绝缘层或钝化层。第第1章章 集成电路芯片的发展和制造集成电路芯片的发展和制造1.4 集成电路（集成电路（IC）芯片的制造）芯片的制造1.4.8 背面研磨背面研磨l 覆盖钝化层后，芯片需要减薄满足封装高度要求，晶覆盖钝化层后，芯片需要减薄满足封装高度要求，晶圆片进行背面研磨圆片进行背面研磨第第1章章 集成电路芯片的发展和制造集成电路芯片的发展和制造1.4 集成电路（集成电路（IC）芯片的制造）芯片的制造1.4.9 背面

15、金属化背面金属化l 芯片背面要有一层金膜，通过真空蒸发或溅射沉积，芯片背面要有一层金膜，通过真空蒸发或溅射沉积，使芯片背面与芯片粘接区电接触。使芯片背面与芯片粘接区电接触。第第1章章 集成电路芯片的发展和制造集成电路芯片的发展和制造1.4 集成电路（集成电路（IC）芯片的制造）芯片的制造1.4.10 电性能测试电性能测试l 按照预先确定的规范对芯片进行电性能测试。按照预先确定的规范对芯片进行电性能测试。第第1章章 集成电路芯片的发展和制造集成电路芯片的发展和制造1.4 集成电路（集成电路（IC）芯片的制造）芯片的制造1.4.11 管芯分割管芯分割芯片采用两种方法分割芯片采用两种方法分割l 厚度

16、小于厚度小于0.25mm的芯片，采用金刚石刀具在晶圆片的芯片，采用金刚石刀具在晶圆片上划出细的切割线，再用剥离胶带使晶圆片断裂；上划出细的切割线，再用剥离胶带使晶圆片断裂；l 厚度大于厚度大于0.25mm的芯片，采用剥离胶带和金刚石圆的芯片，采用剥离胶带和金刚石圆锯切割。锯切割。第第1章章 集成电路芯片的发展和制造集成电路芯片的发展和制造1.4 集成电路（集成电路（IC）芯）芯片的制造片的制造1.4.12 p-n-p双极晶体管的双极晶体管的典型结构典型结构第第2章章 金属金属2.1 金属和合金的选择金属和合金的选择 选择金属材料时，要针对电子电气工业中的要求进行权选择金属材料时，要针对电子电气

17、工业中的要求进行权衡。衡。判据：判据：l 物理性能；物理性能；l 力学性能；力学性能；l 可制造性；可制造性；l 经济性；经济性；第第2章章 金属金属2.2 金属和合金产品的形式金属和合金产品的形式l 铸造金属产品铸造金属产品l 加工金属产品加工金属产品 铸造金属形式是通过把熔融的金属浇入需要的形状的铸造金属形式是通过把熔融的金属浇入需要的形状的模具内形成，没有金属变形发生。金属的性能取决于：模具内形成，没有金属变形发生。金属的性能取决于：l 铸造工艺（砂模铸造、熔模铸造、压铸）；铸造工艺（砂模铸造、熔模铸造、压铸）；l 铸件致密性；铸件致密性；l 化学成分；化学成分；l 热处理。热处理。第第

18、2章章 金属金属2.2 金属和合金产品的形式金属和合金产品的形式 铸造金属产品的重要性能铸造金属产品的重要性能l 致密度致密度孔隙度和非金属缺陷少；孔隙度和非金属缺陷少；l 力学性能；力学性能；l 晶粒尺寸晶粒尺寸冷却速度快则晶粒尺寸小，强度大；冷却速度快则晶粒尺寸小，强度大；l 金属形状金属形状薄壁小铸件比致密度相同的厚壁大铸件薄壁小铸件比致密度相同的厚壁大铸件强度高；强度高；l 铸型材料；铸型材料；l 铸造技术和工艺铸造技术和工艺特殊铸造工艺的使用，如半固态特殊铸造工艺的使用，如半固态金属加工技术、金属注射成形技术制造金属加工技术、金属注射成形技术制造Al/SiC和和W/Cu第第2章章 金

19、属金属2.2 金属和合金产品的形式金属和合金产品的形式 压力加工金属产品的重要性能压力加工金属产品的重要性能l 加工的形式加工的形式轧制、挤压、拉拔、锻造轧制、挤压、拉拔、锻造l 组织结构组织结构晶粒尺寸、晶体取向、致密度、夹杂物晶粒尺寸、晶体取向、致密度、夹杂物尺寸形状、相尺寸形状、相l 变形条件变形条件温度（冷、热加工）温度（冷、热加工）l 强化强化加工硬化、沉淀强化、相变硬化加工硬化、沉淀强化、相变硬化第第2章章 金属金属2.3 金属和合金产品的性能金属和合金产品的性能2.3.1 力学性能力学性能l 常规力学性能常规力学性能室温屈服强度、抗拉强度和延伸率室温屈服强度、抗拉强度和延伸率l

20、交变载荷（疲劳）交变载荷（疲劳）允许的应力远远低于材料的抗允许的应力远远低于材料的抗拉强度，金属将在低于屈服强度和极限抗拉强度的应力拉强度，金属将在低于屈服强度和极限抗拉强度的应力水平下失效。水平下失效。l 持续载荷持续载荷长时间持续载荷导致低于屈服强度的蠕长时间持续载荷导致低于屈服强度的蠕变和断裂发生，在高温下和室温下都有发生。变和断裂发生，在高温下和室温下都有发生。l 温度影响温度影响强度随温度升高而降低。强度随温度升高而降低。第第2章章 金属金属2.3 金属和合金产品的性能金属和合金产品的性能2.3.2 物理性能物理性能l 冷加工冷加工导致电导率降低；导致电导率降低；l 热处理热处理对合

21、金元素和相结构及分布有不同影响对合金元素和相结构及分布有不同影响l 温度温度物理性能随温度变化逐渐变化。物理性能随温度变化逐渐变化。第第2章章 金属金属2.3 金属和合金产品的性能金属和合金产品的性能2.3.3 制造可行性制造可行性l 可成形性可成形性深拉深拉l 可机械加工性可机械加工性 l 连接连接螺栓连接、铆接、焊接、硬钎焊、软钎焊螺栓连接、铆接、焊接、硬钎焊、软钎焊l 可焊接性可焊接性焊接开裂、焊缝耐蚀性、焊接接头脆性焊接开裂、焊缝耐蚀性、焊接接头脆性l 硬钎焊硬钎焊考虑后续热处理考虑后续热处理l 软钎焊软钎焊第第2章章 金属金属2.3 金属和合金产品的性能金属和合金产品的性能2.3.4

22、 性能比较性能比较l 屈服强度屈服强度 零件可承受的零件可承受的最大应力。最大应力。第第2章章 金属金属2.3 金属和合金产品的性金属和合金产品的性能能2.3.4 性能比较性能比较l 弹性模量弹性模量表征了零件的刚度表征了零件的刚度 比刚度比刚度Ti/Mg/Al，铍的，铍的比刚度是常用结构材料的比刚度是常用结构材料的612倍。倍。第第2章章 金属金属2.3 金属和合金产品的性能金属和合金产品的性能2.3.4 性能比较性能比较l 比强度比强度第第2章章 金属金属2.3 金属和合金产品的性能金属和合金产品的性能2.3.4 性能比较性能比较l 热导率：热导率：Ag/Cu/Au/Al具有具有高热导率，

23、合金化会降低热导率。高热导率，合金化会降低热导率。第第2章章 金属金属2.4 铁基合金铁基合金2.4.1 铁基合金概述铁基合金概述l 铁元素含量大于或等于铁元素含量大于或等于50的合金被称为铁基合金。的合金被称为铁基合金。也包含铁含量低于也包含铁含量低于50但其性能要求和铁系合金很相似但其性能要求和铁系合金很相似的合金。的合金。l 分类：分类：结构用钢结构用钢碳素钢碳素钢合金钢合金钢高强度高强度低合金钢低合金钢超高强钢超高强钢轧制轧制热处理钢热处理钢特殊用钢特殊用钢第第2章章 金属金属2.4 铁基合金铁基合金2.4.2 常用铁基合金常用铁基合金l 碳素钢和合金钢碳素钢和合金钢 1xxx属于属于

24、C为主要合金元素的钢；为主要合金元素的钢；2xxx属于属于Ni为主要合金元素的钢；为主要合金元素的钢；l 不锈钢和特殊钢不锈钢和特殊钢 含有至少含有至少11左右左右Cr的铁基合金；的铁基合金；l 磁钢磁钢 高磁导率合金、永磁合金、不锈钢、温度补偿合金高磁导率合金、永磁合金、不锈钢、温度补偿合金第第2章章 金属金属2.4 铁基合金铁基合金2.4.3 铁基合金磁学性能铁基合金磁学性能l 高磁导率合金（软磁合金）在合金内磁流密度变化引起的高磁导率合金（软磁合金）在合金内磁流密度变化引起的磁滞损失小，在强磁场作用后剩磁低，在高度磁化后并不保磁滞损失小，在强磁场作用后剩磁低，在高度磁化后并不保留明显的永

25、久性磁性。留明显的永久性磁性。l Ni-Fe合金（合金（3080Ni,其余其余Fe）l 80Ni-4Mo-Fe合金、合金、77Ni-1.5Cr-5Cu-Fe合金、合金、49Ni-Fe合合金金l 硅铁合金（硅钢片）硅铁合金（硅钢片）钴铁合金钴铁合金l 永磁合金（硬磁材料）永磁合金（硬磁材料）l 温度补偿合金温度补偿合金第第2章章 金属金属2.4 铁基合金铁基合金2.4.4 铁基合金热膨胀性能铁基合金热膨胀性能l 合金的热膨胀性能一般用材料的温度变化引起单位长度的合金的热膨胀性能一般用材料的温度变化引起单位长度的变化来表示；变化来表示；l Invar合金（合金（36Ni-Fe）是所有金属（合金）中

26、热膨胀系数）是所有金属（合金）中热膨胀系数最小的。最小的。l 玻璃玻璃金属封接合金：金属和玻璃之间的真空气密结合。金属封接合金：金属和玻璃之间的真空气密结合。第第2章章 金属金属2.4 铁基合金铁基合金2.4.5 铁基合金加工性能铁基合金加工性能l 深拉深拉l 焊接焊接l 光化学加工光化学加工l 陶瓷陶瓷金属封接合金金属封接合金l 弹性合金的不变模量弹性合金的不变模量第第2章章 金属金属2.4 铁基合金铁基合金2.4.6 铁基合金电阻性能铁基合金电阻性能l 大多数合金的电阻率是随温度的升高而增大的。大多数合金的电阻率是随温度的升高而增大的。第第2章章 金属金属2.5 铝和铝合金铝和铝合金2.5

27、.1 铝合金的一般性能铝合金的一般性能l 铝的电学性能（纯铜的铝的电学性能（纯铜的62）；）；l 铝的热导率高；铝的热导率高；l 铝的密度小；铝的密度小；l 铝的比强度高；铝的比强度高；l 铝的耐蚀性高；铝的耐蚀性高；l 铝的可获得性；铝的可获得性；l 铝的机加工；铝的机加工；l 铝的连接。铝的连接。第第2章章 金属金属2.5 铝和铝合金铝和铝合金2.5.2 铝合金铝合金砂模铸造、压铸、熔模铸造、金属型铸造、石膏模铸造砂模铸造、压铸、熔模铸造、金属型铸造、石膏模铸造电子封装中使用的铸造铝合金电子封装中使用的铸造铝合金l 通用铝合金通用铝合金 A356；l 可钎焊铝合金可钎焊铝合金 A612；l

28、 低热膨胀铝合金低热膨胀铝合金 高高Si（1820）；）；l 高强度铝合金高强度铝合金A220。第第2章章 金属金属2.6 铍和铍合金铍和铍合金2.6.1 铍合金的一般性能铍合金的一般性能 铍具有综合的物理和力学性能，可作为满足热性能和电性铍具有综合的物理和力学性能，可作为满足热性能和电性能要求的电子封装材料。能要求的电子封装材料。铍具有高的热导率，高的热容，是天然的轻质热沉材料。铍具有高的热导率，高的热容，是天然的轻质热沉材料。l Be,BeO；l AlBeMet铍铝合金（铍铝合金（62Be）铍易被氯化物腐蚀，可采用阳极氧化涂层提高耐蚀性。铍易被氯化物腐蚀，可采用阳极氧化涂层提高耐蚀性。l

29、毒性毒性BeO粉尘对身体有害粉尘对身体有害l Be的耐磨性好，工具磨损厉害。的耐磨性好，工具磨损厉害。第第2章章 金属金属2.7 铜和铜合金铜和铜合金2.7.1 铜合金的一般性能铜合金的一般性能l 除银之外，铜具有最高的电导率；除银之外，铜具有最高的电导率；l 铜的成形性非常好，制造性好；铜的成形性非常好，制造性好；l 铜的可焊性好；铜的可焊性好；l 铜的表面可进行电镀精饰；铜的表面可进行电镀精饰；l 铜可以加工成各种大小和形状的产品；铜可以加工成各种大小和形状的产品；l 铜的热导率高，可以作为热沉材料使用；铜的热导率高，可以作为热沉材料使用；l 铜和铜合金成本相对较低；铜和铜合金成本相对较低

30、；第第2章章 金属金属2.7 铜和铜合金铜和铜合金2.7.2 高导电率铜合金高导电率铜合金l 工业纯铜工业纯铜退火状态下，退火状态下，100IACS(国际退火铜标准国际退火铜标准)370产生氢脆，金属内的氧与氢气结合，不适合于钎焊场合，产生氢脆，金属内的氧与氢气结合，不适合于钎焊场合，P P脱氧脱氧CuCu可制备无氧铜。可制备无氧铜。l 含银铜含银铜铜中加入少量银的高导铜。铜中加入少量银的高导铜。100100电导率，具有电导率，具有耐蠕变能力和高温抗软化能力，可在耐蠕变能力和高温抗软化能力，可在343343进行充分退火。进行充分退火。l 铜锆合金铜锆合金0.15%Zr0.15%Zr，改善高温性

31、能，稍微降低电导率；，改善高温性能，稍微降低电导率；l 铜碲合金铜碲合金9090IACSIACS，力学性能大幅度提高；，力学性能大幅度提高；l 铜硫合金铜硫合金9696IACSIACS，力学性能大幅度提高。，力学性能大幅度提高。第第2章章 金属金属2.7 铜和铜合金铜和铜合金2.7.3 黄铜黄铜（Cu-ZnCu-Zn合金）合金）l 随锌含量增加（随锌含量增加（3030），抗拉强度增加；），抗拉强度增加；l 随锌含量增加，电导率增加，热导率降低；随锌含量增加，电导率增加，热导率降低；l 随锌含量增加，韧性增加；随锌含量增加，韧性增加；l 加入铅改善机加工性能，加入铅改善机加工性能，0.5%4.5

32、%。第第2章章 金属金属2.7 铜和铜合金铜和铜合金2.7.4 磷青铜磷青铜（Cu-111Sn0.04%0.35%P合金合金）l 弹簧用弹簧用2.7.5 铍铜铍铜l 综合高强度和高电导率综合高强度和高电导率（1380MPa）第第2章章 金属金属2.8 镁和镁合金镁和镁合金l 是目前可用的金属结构材料中密度最小的。是目前可用的金属结构材料中密度最小的。l 可获得铸件、片材、板材、棒材、锻件、型材。可获得铸件、片材、板材、棒材、锻件、型材。l 镁合金铸件镁合金铸件l 镁合金成形镁合金成形难成形著称难成形著称l 连接连接铆接、熔焊、硬钎焊铆接、熔焊、硬钎焊第第2章章 金属金属2.9 镍和镍合金镍和镍

33、合金l 高强度、高耐蚀性和高韧性高强度、高耐蚀性和高韧性l 电导率高电导率高l 磁致伸缩性能磁致伸缩性能l Ni-Cu(Monel合金合金)弹簧材料使用弹簧材料使用l 各种形式（薄片到细丝）各种形式（薄片到细丝）l 加工性好加工性好加工、连接、硬钎焊加工、连接、硬钎焊l 合金化具备不同磁性能和电性能合金化具备不同磁性能和电性能l 不同力学性能不同力学性能 第第2章章 金属金属2.10 钛和钛合金钛和钛合金l 极好的耐蚀性，适中的密度和良好的强度；极好的耐蚀性，适中的密度和良好的强度；l 可在可在315下使用，超过其它金属；下使用，超过其它金属；l 电导率和热导率低；电导率和热导率低；l TiT

34、i（HCP)HCP)、Ti(BCC)Ti(BCC)、TiTi型钛合金。型钛合金。l 高的力学性能（室温高的力学性能（室温1034MPa)1034MPa)l 耐蚀性使用在化工领域耐蚀性使用在化工领域l 加工形式加工形式片材、板材、棒材、锻件、型材片材、板材、棒材、锻件、型材l 连接连接钨基惰性气体保护电弧焊钨基惰性气体保护电弧焊第第2章章 金属金属2.11 高密度金属高密度金属l 铅、钨、贫化铀铅、钨、贫化铀l 铅和铅合金（铅和铅合金（11.35）配重首选材料配重首选材料l 烧结钨（烧结钨（17）l 贫化铀（贫化铀（18.5）第第2章章 金属金属2.12 难熔金属难熔金属l 钨、钼、钽、铌钨、钼

35、、钽、铌l 极好的耐酸性极好的耐酸性l 1000高温下使用高温下使用l 钨、钼热膨胀率低，可以与玻璃和陶瓷一起使用钨、钼热膨胀率低，可以与玻璃和陶瓷一起使用第第2章章 金属金属2.13 贵金属贵金属l 相当普遍的使用的电子设备上，用作表面材料相当普遍的使用的电子设备上，用作表面材料l 抗干扰电学性能和光学性能，使用金、铑、铂抗干扰电学性能和光学性能，使用金、铑、铂l 银是金属中电导率和热导率最高的金属，作为各种引线和电银是金属中电导率和热导率最高的金属，作为各种引线和电触电上的镀层；触电上的镀层；l 金用来防止腐蚀，并提供低的电接触表面；金用来防止腐蚀，并提供低的电接触表面；l 铑具有很高的反

36、射率，低的表面电阻、高的硬度和耐腐蚀性，铑具有很高的反射率，低的表面电阻、高的硬度和耐腐蚀性，适合作为电接触表面和反射镜面。适合作为电接触表面和反射镜面。第第3章章 软钎焊材料和技术软钎焊材料和技术3.1 电子封装和组装简介电子封装和组装简介l 钎料是所有三极连接（芯片、封装和板级组装）和互连材料。钎料是所有三极连接（芯片、封装和板级组装）和互连材料。l 锡锡/铅钎料作为表面涂层用于元器件引线和表面镀层。铅钎料作为表面涂层用于元器件引线和表面镀层。l 实现金属表面的电、热和机械连接实现金属表面的电、热和机械连接l 表面组装技术可开发更高级的电路板组件，在金属化的基板表面组装技术可开发更高级的电

37、路板组件，在金属化的基板上将片式电阻、电容和半导体裸芯片互连，所有的元件和器件上将片式电阻、电容和半导体裸芯片互连，所有的元件和器件放置在印刷电路板表面上进行板级组装而不是插入电路板。放置在印刷电路板表面上进行板级组装而不是插入电路板。第第3章章 软钎焊材料和技术软钎焊材料和技术3.1 电子封装和组装简介电子封装和组装简介表面组装的优点：表面组装的优点：l 提高了电路密度；提高了电路密度；l 缩小了元器件的尺寸；缩小了元器件的尺寸；l 缩小了电路板的尺寸；缩小了电路板的尺寸；l 减轻了质量；减轻了质量；l 缩短了引线；缩短了引线；l 改善了电性能；改善了电性能；l 适应自动化生产；适应自动化生

38、产；l 降低了大规模生产的成本降低了大规模生产的成本第第3章章 软钎焊材料和技术软钎焊材料和技术3.2 软钎料合金软钎料合金l 液相线温度低于液相线温度低于400的可熔融合金。的可熔融合金。l 软钎料合金常用的元素：锡、铅、银、铋、铟、锑、镉软钎料合金常用的元素：锡、铅、银、铋、铟、锑、镉 Sn Pb Ag Bi In Sb CdSn Pb Ag Bi In Sb Cd 232 328 961 271.5 156.6 630.5 321.2 232 328 961 271.5 156.6 630.5 321.2 l 软钎料合金可提供的形式：软钎料合金可提供的形式：棒、锭、丝、粉末、成形片、焊球

39、、焊柱、焊膏棒、锭、丝、粉末、成形片、焊球、焊柱、焊膏l 选择原则选择原则 合金熔化温度、合金力学性能、冶金相容性、环境相容性、合金熔化温度、合金力学性能、冶金相容性、环境相容性、特定基板上润湿能力、成分共晶还是非共晶特定基板上润湿能力、成分共晶还是非共晶 第第3章章 软钎焊材料和技术软钎焊材料和技术3.2 软钎料合金软钎料合金l Sn-Pb钎料合金成分和熔化范围钎料合金成分和熔化范围 70Sn/30Pb 18370Sn/30Pb 183-193-193 63Sn/37Pb 183 63Sn/37Pb 183-183-183等共等共2828种种l 软钎料粉软钎料粉化学还原法、电解沉积法、固体颗

40、粒机械加工化学还原法、电解沉积法、固体颗粒机械加工法、液相合金雾化法法、液相合金雾化法l 力学性能力学性能应力应力/应变行为、抗蠕变性能、抗疲劳性能应变行为、抗蠕变性能、抗疲劳性能l 软钎料在电子封装中经历低周疲劳（低于软钎料在电子封装中经历低周疲劳（低于1000010000次）次）第第3章章 软钎焊材料和技术软钎焊材料和技术3.3 焊膏焊膏由钎料合金粉末、钎剂和载体的均匀、动态稳定的混合物，在由钎料合金粉末、钎剂和载体的均匀、动态稳定的混合物，在一系列软钎焊条件下形成冶金结合并适应自动化生产得到可靠一系列软钎焊条件下形成冶金结合并适应自动化生产得到可靠和一致性的焊点。和一致性的焊点。l 钎剂

41、用来清洁合金粉末和待焊基底，来得到高可靠的金属连钎剂用来清洁合金粉末和待焊基底，来得到高可靠的金属连续性和形成良好的润湿性；续性和形成良好的润湿性；l 载体是承载合金粉末，获得需要的流变性载体是承载合金粉末，获得需要的流变性l 物理形貌、稳定性和保存期、黏度、冷塌度、通过细针头的物理形貌、稳定性和保存期、黏度、冷塌度、通过细针头的可滴涂性、粘附时间、曝露寿命、质量和一致性、与待焊表面可滴涂性、粘附时间、曝露寿命、质量和一致性、与待焊表面相容性、熔融前的流动性、润湿性、焊珠、毛细现象、残留物相容性、熔融前的流动性、润湿性、焊珠、毛细现象、残留物的可清洁性、焊点外观、焊点孔洞的可清洁性、焊点外观、

42、焊点孔洞第第3章章 软钎焊材料和技术软钎焊材料和技术3.4 钎剂和助焊钎剂和助焊确保待焊表面的确保待焊表面的“清洁清洁”必须在软钎焊过程中一直保持，这种必须在软钎焊过程中一直保持，这种清洁过程称为助焊，使用的材料称为钎剂或助焊剂。清洁过程称为助焊，使用的材料称为钎剂或助焊剂。l 松香基钎剂、水溶性钎剂和免清洗钎剂松香基钎剂、水溶性钎剂和免清洗钎剂l 钎剂可以配入焊膏或焊丝中，也可以作为独立的化学物质直钎剂可以配入焊膏或焊丝中，也可以作为独立的化学物质直接施加在元件和焊膏上。接施加在元件和焊膏上。第第3章章 软钎焊材料和技术软钎焊材料和技术3.5 软钎焊方法软钎焊方法工业使用的方法：工业使用的方

43、法：传导、红外、汽相、热气体、对流、感应、电阻、激光等。传导、红外、汽相、热气体、对流、感应、电阻、激光等。局部加热：激光；局部加热：激光；温度均匀：汽相；温度均匀：汽相；品种、产量和经济性：对流、红外品种、产量和经济性：对流、红外混合电路组件：传导混合电路组件：传导第第3章章 软钎焊材料和技术软钎焊材料和技术3.6 无铅钎料无铅钎料美国立法对铅钎料进行限制，低于美国立法对铅钎料进行限制，低于0.1%0.1%；日本日本20032003年完全停止使用无铅钎料；年完全停止使用无铅钎料；欧洲欧洲RoHSRoHS指令禁止使用铅、汞、镉、六价铬指令禁止使用铅、汞、镉、六价铬设计原则：设计原则：l 以以S

44、nSn为基础，合金元素有与为基础，合金元素有与SnSn形成合金的能力；形成合金的能力；l 与与SnSn合金化时，降低合金熔点合金化时，降低合金熔点第第3章章 软钎焊材料和技术软钎焊材料和技术3.6 无铅钎料无铅钎料合金体系的选择：合金体系的选择：l Sn/Ag/BiSn/Ag/Bil Sn/Ag/Cu Sn/Ag/Cul Sn/Ag/Cu/Bi Sn/Ag/Cu/Bil Sn/Ag/Bi/In Sn/Ag/Bi/Inl Sn/Ag/Cu/In Sn/Ag/Cu/Inl Sn/Cu/In/Ga Sn/Cu/In/Ga第第3章章 软钎焊材料和技术软钎焊材料和技术3.6 无铅钎料无铅钎料合金成分的选

45、择合金成分的选择l Sn-3.03.5Ag/0.51.5Cu/4.08.0Inl Sn-3.03.5Ag/1.03.0Bi/0.50.7Cul Sn-3.33.5Ag/1.03.0Bi/1.74.0Inl Sn-0.50.7Cu/5.06.0In/0.40.6Gal Sn-3.03.5Ag/0.51.5Cul Sn-3.03.5Ag/1.04.8Bil 99.3Sn/0.7Cul 96.5Sn/3.5Ag第第4章章 微电路与多芯片模块的材料与工艺微电路与多芯片模块的材料与工艺l 混合微电子电路的基础是由某种耐熔陶瓷制造的基板。混合微电子电路的基础是由某种耐熔陶瓷制造的基板。l 在基板上，通过膜

46、技术制作金属化图形形成安装焊盘和电路在基板上，通过膜技术制作金属化图形形成安装焊盘和电路布线，并用来键合和互连必要的有源器件和无源器件。布线，并用来键合和互连必要的有源器件和无源器件。l 多芯片模块采用了更广泛的基板材料和金属化工艺，从而得多芯片模块采用了更广泛的基板材料和金属化工艺，从而得到更高的封装密度。到更高的封装密度。聚合物聚合物金属陶瓷金属陶瓷溅射溅射蒸发蒸发钎焊钎焊电镀铜电镀铜膜淀积技术膜淀积技术厚膜厚膜薄膜薄膜纯铜纯铜多芯片模块多芯片模块厚膜厚膜薄膜薄膜PC板板第第4章章 微电路与多芯片模块的材料与工艺微电路与多芯片模块的材料与工艺4.1混合电路用陶瓷基板混合电路用陶瓷基板基板是

47、一个电路的基础，起着元器件安装平台的作用，必基板是一个电路的基础，起着元器件安装平台的作用，必须与基板金属化工艺以及元器件与金属化布线附接工艺兼须与基板金属化工艺以及元器件与金属化布线附接工艺兼容。容。基板的性能要求：基板的性能要求：l 高电阻率。基板必须具有很高的电阻率隔离相邻的电路；高电阻率。基板必须具有很高的电阻率隔离相邻的电路；l 高热导率。使正常工作的电子元器件产生的热传导出去；高热导率。使正常工作的电子元器件产生的热传导出去；l 耐高温。基板金属化和元器件组装在高温下进行；耐高温。基板金属化和元器件组装在高温下进行；l 耐化学腐蚀。抵抗熔剂、焊剂的侵蚀；耐化学腐蚀。抵抗熔剂、焊剂的

48、侵蚀；l 成本。成本与最终产品成本相适应。成本。成本与最终产品成本相适应。第第4章章 微电路与多芯片模块的材料与工艺微电路与多芯片模块的材料与工艺 4.1混合电路用陶瓷基板混合电路用陶瓷基板l 陶瓷本质是带有非常少自由电子的晶体，具有很高的电阻，陶瓷本质是带有非常少自由电子的晶体，具有很高的电阻，热学和化学性能稳定，并具有很高的熔点，非常适用很多微电热学和化学性能稳定，并具有很高的熔点，非常适用很多微电子系统。子系统。l 陶瓷常与金属结合在一起形成复合材料用于热管理。金属陶陶瓷常与金属结合在一起形成复合材料用于热管理。金属陶瓷（瓷（cermetcermet）复合材料具有低的热膨胀系数和比陶瓷更

49、高的热）复合材料具有低的热膨胀系数和比陶瓷更高的热导率，韧性更好，更抗应力。导率，韧性更好，更抗应力。第第4章章 微电路与多芯片模块的材料与工艺微电路与多芯片模块的材料与工艺 4.2 陶瓷的热性能陶瓷的热性能l 熔点熔点 SiC:2700;BeO:2570;BN:2732;Al2O3:2000;AlN:2232 第第4章章 微电路与多芯片模块的材料与工艺微电路与多芯片模块的材料与工艺 4.2陶瓷的热性能陶瓷的热性能l 热导率热导率材料载热能力的度量材料载热能力的度量q=-kq=-kdT/dxdT/dxk k热导率热导率 W/(mK);q热流量热流量 W/m2;dT/dx稳态温度梯度稳态温度梯度

50、；l比热容比热容每克物质每升高每克物质每升高1K所需要的热量所需要的热量 c=dQ/dT第第4章章 微电路与多芯片模块的材料与工艺微电路与多芯片模块的材料与工艺 4.2陶瓷的热性能陶瓷的热性能l热膨胀系数（热膨胀系数（TCE)温度增加原子间距部对称引起的。金温度增加原子间距部对称引起的。金属和陶瓷在有意义的范围内显示一种线性的各向同性关系。属和陶瓷在有意义的范围内显示一种线性的各向同性关系。=L(T2)-L(T1)/L(T1)(T2-T1)ppm/K-1第第4章章 微电路与多芯片模块的材料与工艺微电路与多芯片模块的材料与工艺 4.3 陶瓷基板的力学性能陶瓷基板的力学性能第第4章章 微电路与多芯