微电子组装技术

 摘 要

徽电子组装技术是从电路集成到系统集成的关键技术，它的支柱是高性能、高

集成度集成电路和微细高密度多层互连基板。而后者叉可分为优质薄膜层布线板

和优质厚膜多层布线板，其中叉包括若干支撑技术和基础技术。

本文介绍7徽电子组装技术的各个方面和几个发展阶段}建议充分发挥本所在

高性能、高集成度集成电路厦其技术方面，特别是LsL，VI-ISIC、ASIC等十大系

列产品的优势和LSI的工艺优势，加速开发扰质薄膜多层布线技术}重视开发优质

厚膜多层布线技术和相关的系统集成封装技术厦计算机辅助设计技术。在开发系统

集成技术方面应根据我国和我所的实际情况， 狠抓二次集成技术。这应是我所微电

子组装技术的发展方向。

关键词l徽电子组装，高性能集成电路， 多层互连基板， 系统集成

引 言

由于航天技术、军事技术及特殊环境等的要求， 电子设备必须变革， 才能满足各种技术发展的需求。计算机技术、通讯技术等的发展又推动了航天事业等的发展}而电子元器件向“轻薄、短、小 的发展又加速了计算机、通讯机向小型、微型他的发展。众所周知， 电子设备中的电路安装技术迄今已经历了四代。六十年代以前是接线扳焊接方式，框架作电路基板， 子管插装而成为第一代1六十年代以后，在穿孔的印刷电路板上， 晶体管代替电子管， 轴型元件进行插装为第二代，第三代， 以双列直插封装形式的集成电路， 用自动插装方式装配在印刷电路板上， 从八十年代开始， 进八第四代，用片式元器件在(PLCC、SOP、LCCC、发展过程

背景

根据电原理图或逻辑图，运用微电子技术和高密度组装技术，将微电子器件和微小型元件组装成适用的、可生产的电子硬件的技术过程。

微电子组装是新一代电子组装技术。它是一门新型的电路、工艺、结构、元件、器件紧密结合的综合性技术，涉及到集成电路固态技术、厚膜技术、薄膜技术、电路技术、互连技术、微电子焊接技术、高密度组装技术、散热技术、计算机辅助设计、计算机辅助生产、计算机辅助测试技术和可靠性技术等领域。

  微电子组装一方面尽可能减小芯片和元件、器件的安装面积、互连线尺寸和长度，以提高组装密度和互连密度；另一方面则尽可能扩大基板尺寸和布线层数，以容纳尽可能多的电路器件,完成更多、更重要的功能,从而减少组装层次和外连接点数。微电子组装与常规的电子组装的主要区别在于所用的元件、器件、组装结构和互连手段不同。前者以芯片(载体、载带、小型封装器件等)多层细线基板（陶瓷基板、表面安装的细线印制线路板、被釉钢基板等）为基础；后者以常规的元件、器件－印制线路板为基础。微电子组装的组装密度可比常规电子组装高5倍以上,互连密度高6～25倍，乃至100倍（薄膜布线技术），因此能减小电子设备的体积、减轻重量、加快运算速度（信号传输延迟时间减小）、提高可靠性、减少组装级。（信号传输延迟时间减小）、提高可靠性、减少组装级。

微电子组装技术的发展始于20世纪40年代末和50年代初的微模组件和后来发展的薄膜和厚膜混合电路及微波集成电路。70年代以来,微电子组装技术发展更快,又出现了片载体、载带、大面积多芯片多层厚膜电路。70年代末至80年代初，门阵列芯片、密封载体－陶瓷基板、被釉钢基板和表面安装印制线路板组件得到广泛应用，多层薄膜混合电路和有机聚合物厚膜电路也在迅速发展。80年代以来，随着微电子技术的不断发展，以及大规模、超大规模集成电路的出现，使得集成电路的集成度越来越高，电路设计采用了计算机辅助分析的设计技术。此时器件的封装形式也随着电子技术发展，在不同时期，由不同封装形式分别占领主流地位，如80年代由于微处理器和存储器的大规模IC器件的问世，满足高速和高密度要求的周边引线、短引脚的塑料表贴封装占据了主导地位；而90年代由于超大规模和芯片系统IC的发展，推动了周边引脚向面阵列引脚和球栅阵列密集封装发展，并促使其成为主流。无源器件发展到表面贴装元件（SMC），并继续向微型化发展，IC器件的封装有了表面贴装器件（SMD），在这一时期SMD有了很大的发展，产生了球栅阵列封装BGA、芯片尺寸封装CSP、高密度高性能低成本FlipChip、多芯片组件MCM等封装形式，组装技术为SMT表面贴装技术和回流焊、波峰焊，并继续向窄间距和超窄间距SMT发展。所有这些都促使封装技术更先进，芯片面积与封装面积之比越来越趋近于1，适用频率更高，耐温性能更好，引脚数增多，引脚间距减小，可靠性提高，使用更加方便。目前正处于该技术的普及和应用时期。

国外一般都把这种技术放在整机电子设备单位研制。先进国家相继投入了大量人力、物力、财力, 美国CE公司了71年发表了载带技术专利,3M公司72年研制出芯片载体, 法国HONYWELLl公司73年研制出载带自动焊载TAB技术, 77年美国制订载体JEDEC的标淮。78年IBM公司研制成功湿法、多层厚膜基板当时为3层, 至81年达到33层和芯片倒娜焊接组装技术。78-80年美国空军和海军与飞机护国还是HUGHS公司、RCA公司和TEXES公司签目了课题, 专门研究载体生产MANTEK自动线及有关插座、侧试夹具。现在美、日、法、英、西德、瑞典的先进龟子设备都己采用微电子组装技术。83年美国制定了载体封装的数字电路器件标准, 引出脚最多84脚,不仅是军用电子设备和大型计算机而且32位微机己大量应用载体一一基板组件。80年代以来表面安装技术印制板与载体、微小型芯片元器件表面焊接和厚膜聚合物桨料研究发展很快, 打破了混合电路与印制板的界限。新一代电子组装拢术己经形成并得到逐渐完善。

国内开展微电子组装技术研究工作的单位不多, 其中电子工业部南京所对微电子组装技术进行了五年的研究工作, 完成了第一代和第二代组件的研制, 在我国第一次夹用密封载体陶瓷基板组件, 井在国际第35届元件会议上发表“ 密封芯片载体厚膜多层基板微电子组装组件” 的论文, 就是在一块50*80cm的层厚膜基板上组装了40个无引线陶瓷密封载体, 取代了原为140-60的多层印制板插件。相当于国际上70年代末期发表的水平。为卫星接受地面站研制的判别器和其它一些雷达整机上的14位计算器、脉冲形成器、输入输出电路等均采用了微电子组装技术。缩小了体积, 减少了重量,提高了可靠性, 该所在这方面积累了一定的经验和良好的技术基础。

发展现状

半导体集成电路的发展，电子产品的微小型化的需求，促进了微电子组装技术的发展，形成了目前三大支持技术，即SMT、TAB及HIC。这三大技术是逐步发展而后形成完整技术的。最早在混合集成电路中使用无引线元件，在半导体器件的制造中用丝键合(Wire Bonding)来将芯片中内目}线与基座上外引线键合点连接J在二次大战期问，约在1943年，军事上为了寻求引信(Proximlify fuze)部件的小型忆，而在陶瓷基板上印尉银导带与碳电阻形成网络这些分别是表面组装技术，载带自动键合，混台集成电路的雏形。经过了多年的发展，已形成了今天高科技，综合性的三大微组装技术，并在不断完善与发展，成为综合性的基础技术，包括以下四个方面：

1． 元器件与材料

如表面组装技术中必须的表面组装元器件(SMC及SMD)、基扳，焊膏、粘胶等，卷带自动键台(TAB)中的卷带材料，导电和不导电的粘胶；厚薄膜混合电路中的基板，导体、电阻、介质材料等。

2． 设备和工艺

三大技术中各自都有专用的设备和工艺，这些是技术最关键的部份。有些设备工艺虽有相似之处，如SMT与吸膜HIC中用的印刷机，由于所用基板平整度，面积、选用浆科的不同，设备和工艺的要求也不尽相同。

3． 检测技术

随着元器件组装密度的提高，元器件间、引线间的间距愈来愈小，产生了与之相应的检测技术。如由小型计算机、控制器和床式夹具组成的在线测试仪等各程自动检测设备。

4． 电脑整体作业CIM (ComputerIntergrated Manufaeture)它由电脑控制整个生产过程。在这三大技术中，SMT的使用最为广泛，技术也更臻完善，并已进入精细间距(FinePitch)阶段，即间距小于0.63mm，0.5mm, 0.3mm间距的元器件已能大量贴装。随着大规模集成电路复杂程度，集成度的提高I／O(输入／输出)脚数的增加，间距亦愈来愈窄，以四方扁平封装QPF已嫌太大。卷带式自动键台(TAB)技术，将芯片装在卷绕的袭带上，用TAB封装的IC再装到电路板上，它可轻易提供500到1000根引脚，间距可达0.2mm-0.1mm，而且价格也极具竞争力，是新一代的微细间距组装技术。厚、薄膜混合电路主要用于实现单元功能电路，或分系统的集成，使电子产品整体体积缩小，调试制造更会方便。

电子产品的微小型化需要能运用上述技术的专门设计和制造加工的公司，需要花费大量人力、财力的投资。这对某些大公司来说可能没有问题，对中小型企业来说就比较困难。由于市场的需要，社会化大生产分工结果，一些中小型高科技企业，承担了“设计中”心和“制造加工中心的职能。出现了所谓原始设计局ODM(Original Design Manufacturer)和委托制造商0EM(Orignal Equipment Manufacturer)或兼有这两方面能力的厂商，并得到了很的发展。

在电子产品小型化组装技术中，SMT仍然是使用面最广、发展得最快相对更为完善的技术。TAB和HIC分别在精细间距组装和局部集成组装发挥着很大作用并且得到了持续的发展，本节中将探讨这些技术的发展趋势。

1．    表面组装技术(SMT)

国际上SMT发展迅速，并日臻完善，国内SMT的应用虽尚处于起步阶段，但极具发展潜力，已愈益引起业内人士的重视，其发展有以下趋势。

① SMD和SMC日趋微型化。QFP间距已选0.3mm，引出脚200根以上，片状元件微型化1005(1mm长0．5mm宽)型已投入大批量使用。并出现0804型片状电阻。各类异形表面组元件品种也愈来愈多，元器件的微型化进一步促进了设备和工艺的更新与发展。

② 设备更新换代加快，在使用中厂商更重视设备与工艺的整体配置。

a、柔性制造系统(FMS)被更多的厂商采用，中型贴片在SMT市场中渐趋重要。如由二台常规型和一台高精度型的中型机组成的贴装流水线，其贴片速度可达到一台大型贴片机的速度，同时能贴不同形状，不同精度的元器件，成本低，便于调试。贴片机的品种发展很快，各类贴片机的性能及其特点见表1。

b、丝网印刷机，再流焊炉等设备不断更新，在SMT发展初期，人们对贴片机重视程度远大于丝网印刷机，再流焊炉等设备，面现隹则更重视设备，工艺的整体配台。丝阿印刷工艺中，焊膏的选择(焊膏粒子大小，粘度控制)，基板表面平整度对印刷质量的影响，丝网厦金属模板的使用以及不同间距，不同类剐元器件对厚膏印刷质量的要求，促使设备制造商不断更新，改进设备，使印刷机在焊膏印刷中的对位精度、分辨率、重复性、焊膏厚度控制方面得到满意的结果，出现了型号众多的印刷机产品，目前以半自动和全自动的印刷机使用最多．在各类再流焊设备中，远红外(IR)曾大置使用，自从使用者发现它们对不同颜色吸收热量不同以后(如IC封装是黑色的，管脚是银白色的，焊膏会向温度高处流动)，逐步由远红外加热风再流焊炉替代了原有再流焊炉，将由辐射加热改为辐射加对流的方式加热，使温度更为均匀，在炉膛对角线上两端和中间三点温度差可在3℃以内。近来由于精细间距焊接的需要，及免清冼技术的出现，充氮(NZ)远红外炉特别受到重视，新一代的再流焊炉大多是充N 的，其价格也要贵得多。

③ 水清洗和免清洗技术

为保证组装后电路板的可靠性，清洗是很重要的，清洗一般包括清洗(击除杂质，助焊剂残留物)、漂洗，干燥(热风或真空抽千)等三个阶段，由于国际上对环保的要求比较高，溶剂型(如氟里昂、丙酮等)清洗液已逐步被水所替代，而改用水清流技术。清冼液体有碳化水，水，酒精、植物液体等 一种水清冼机可使用多种液体，水清洗机的价格也很高目前免清洗技术正受到重视，使用鬼清洗一是要减少焊接过程中导体的氧化。二是使用免清冼焊膏RMA(Rosin、Mildy 、Activated)。免清洗焊膏中，松香含量约在9 一10 其余为活性剂、树脂，助焊剂及增粘剂等。

④ 采用电脑整体作业(CIM )

使得在生产过程中各台贴片机所贴元件品种，数置分配合理，操作方便，整个工艺过程包括检测由电脑控制。

2． TAB和HIC

TAB是来来精细间距组装的方向，其成本、电性能、体积等方面都撅具竞争力，三层式TAB卷带包括一金属化外层(通常为铜)，利用粘合剂压在涂有聚酸亚胺的绝缘带上。卷带上的导电图形用光刻技术处理，形成互连部份通过内引线键合(ILB)工艺，卷带精确地附在硅芯片上，芯片的有源部份以胶囊密封保护。

TAB封装有四列引出式和双列引出线，由专用安装机安装在电路板上。

混合电路在电子产品微小型化中，主要用于实现单元电路和分系统的集成组装，并以它独特的功能面得到迅速的发展，在使整个产品体积减小的同时，还具有：

① 组成独特功能电路，减少整块电路板的调试工作量。

② 易于制造特殊需求的元件，如非标准规格电阻，匹配精度高的电阻等。

④ 容易实现技术保密。厚、薄膜混合电路材料，设备等也不断改进。用共烧法技术制造多层布线的陶瓷基板，实现多芯片的键合组装，粘结材，功率电路，热设计及材料研究等也都取得更大进展。设备也不断改进，如采用先进的充NZ烧法系统等。厚、薄膜HIC在设计已更多采用CAD，电路的品种不断更新，在通讯、汽车 机床自动方面应用日益广泛。

三、ODM和OEM产业

ODM和OEM的共同特点是不以单一产品为依托，而是为众多厂商和品种规格繁多的产品服务，承担其中设计的工作。以其设计制造技术和装备作为生存和发展的基础。

从这一基点出发提出了它的产业特点：

① 必须不断地更新设备和技术，以适应产品不断发展，利润增加的需要。作为设计制造的专业厂，必须有高技术。

② 与最终产品的生产厂，保持密切的合作关系，求得相对稳定的，例如香港的OEM厂商，在过去的1O年来已成为许多名牌货的主要OEM厂家其中包括Aiwa、Akai、AT ＆ T、Panasonic、Philips、Rockwell等。并以广泛的接触吸取新技术使其适应高档产品的需要。

③ 与原材料，元器件的厂商保持密切的合作关系，成为这些厂商的大用户取得廉价的原料，零件。电子产品不断向微小型化发展，组装技术及设计更新的需要， 为在从事微组装技术的OEM，ODM提供了良好市场条件，由于这些厂商的特点，所以其适应性强、吸收新技术快，不会因单一产品的陈旧而在市场竞争中处于劣势而被淘汰。不少这类的厂商经过多年努力同时兼有自己的最终产品。在功能电路板的设计、制造厂中，一些典型的功能电路板已成为典型、通用产品使这些厂更具有生命力。OEM-ODM并非近1O年来才有的,由于社会化大生产日趋成熟，形成了一批这类厂所，才有了明确划分的。例如在薄膜电路市场需求很大的情况，出现了专业从事蒸发、镀膜的厂，有专业从事电介电路铝箔生产加工的厂。厚膜、薄膜混合电路的生产本质上也属这一类，其产品为其它电子产品、设备服务，随着市场的变动，不断更新自己设计，制造水平，产品不断更新，而始终保持着强劲的生命力和较好的经济效益皇80年代初期开始， 国外劳动力成本猛涨，各大公司被迫将生产设施外移，在中国和东南亚寻求发展，因而近年来在国内OEM，ODM逐步增多。拥有先进的微组装设备、完整的SMT生产线和计算机工程工作站设计软件OEM和ODM厂，由于不受单一产品的限制，技术得以精益求精不断发展，对推动微组装技术的发展，实现电子产品微小型化有着良好的推动作用。

研究方法

由于航天技术、军事技术及特殊环境等的要求，电子设备必须变革，才能满足各种技术发展的需求。计算机技术、通讯技术等的发展又推动了航天事业等的发展。而电子元器件向“轻、薄、短、小的发展又加速了计算机、通讯机向小型、微型他的发展。众所周知，电子设备中的电路安装技术迄今已经历了四代。六十年代以前是接线板焊接方式，框架作电路基板，子管插装而成为第一代。六十年代以后，在穿孔的印刷电路板上，晶体管代替电子管，轴型元件进行插装为第二代，第三代，以双列直插封装形式的集成电路，用自动插装方式装配在印刷电路板上，从八十年代开始，进八第四代，用片式元器件在(PLCC、SOP、LCCC、QFP)印制板上进行表面贴装，在电子产品的制造过程中已取得了突破性的进展(所谓表面贴装技术，简称SMT)。八十年代中期，电子系统的复杂程度不断增加。为适应高密度、高速度， 高可靠、高性能和小型化的迫切要求，必须使用高性能、高集成度IC(LSI、VHSIC、VLSI)和微细高密度的多层线路板，通过互连和特殊封装手段来完成。这些技术导致微电子组装技术向高阶级段发展，为实现电子系统的小型化创造了有利条件，微组装技术也就应运而生了。

微电子组装技术(Microelectronic Packaging Technology)是微电子装贴、互连和封装技术的总称(简称微组装技术)。一旦组件、部件、分系统和系统的总体设计通过论证，那么，微组装技术的实施方案就成为关键。现将微组装技术的有关技术归纳于表I。

由表可以看出，微组装技术是建立在高性能、高集成度IC及其技术和微细、高密度多层布线板以及相关技术的基础上它针对的是一个组件、部件、分系统或系统，所以，它主要用于高可靠军事电子系统和要求高速信号传输的计算机、数据处理及信号处理等方面。微组装技术综台了半导体IC的高性能、高集成度和高可靠性以及优质厚薄膜多层布线板的高密度、高可靠性，辅以现代化的计算机辅助设计(CAD)和分析技术。而微细、高密度的多层布线技术在半导体IC工艺技术中，已有成熟的工艺可以直接借鉴。

下面主要对微组装技术一览表中的两根支柱—— 高性能、高集成度IC及其技术(另有文章介绍)和微细、高密度多屡布线板的支撑技术和基础技术作简要介绍。

二 微细、高密度多层布线板的支撑技术它包括优质薄膜多层布线和优质厚膜多层布线技术。

(一)优质薄膜多层布钱支撑技术和基础技术

1· 支撑技术

(1)CAD技术

采用计算机辅助多层布线设计和计算机辅助制版技术，可提高效率、缩短研制周期，使失误减到最小。

(2)薄膜技术

薄膜制备方法是将经过清洁处理的绝缘基板，通过真空蒸发、电子束蒸发或溅射等，在上面淀积薄膜导体、薄膜介质和薄膜电阻等，再对它进行光刻，从而获得优质薄膜光刻图形。

(3)介质隔离技术

目前薄膜多层布线的隔离介质，主要是高分子有机物，呈肢体状，透过甩胶，获得均匀平坦的膜，有负性光刻胶性能，可用湿法光刻腐蚀或等离子干法腐蚀刻出所需要的层间互连窗口。

(4)表面贴装技术(SMT)

被誉为“组装革命”的表面贴装技术将代传统的印刷电路板钻孔插装方法，其特点有：

① 采用无引线片状元器件进行贴装，能达到更高的安装密度，使电子产品实现“轻、薄、短、小”成为可能。

②传统插装方法可在印刷电路板两面进行安装，而SMT同样可在印刷电路板两面贴装。

③用无引线片状元器件贴装，其分布电容、电感很小，减少了互连线的数目和长度，从而提高电路的高频性能，并减少了线路的时间延迟。

④用无引线片状元器件，不需要安装插孔，便于自动供给和自动安装，工艺简单易行。

⑥用无引线片状元器件的封装形式，可减小电子产品的体积和重量，从而达到高密度组装目的。由于SMT具有接触面积大、组装密度高、重量轻、体积小、可靠性高、性能好等优点，把它引人微电子组装技术将会产生深远的影响。

(5)微型焊接技术

微组装成一个组件、部件、分系统或系统，不管甚么样的元器件都存在与线路的连接问题。由于元器件小，它的焊接也就特殊，如丝焊、载带焊、回流焊等。

①    超声焊    不用焊料和焊剂，针刘丝焊，用于裸芯片、COB和倒焊(face downbonding)。

②    热超声金丝球焊    不用焊料和焊剂，针对丝焊，用于裸芯片、COB，用焊片还可进行硅芯片焊接。

③    机械热脉冲焊    可用，也可不用焊料和焊剂，用于TAB、梁式引线器件

④回流焊    分汽相、红外和热板焊，可用焊料，用于SMT、倒焊等。

(6)封装技术

在这里，封装的概念是广义的，不单是对某个元器件而言，而是对一个组件、部件、分系统和系统而言。当然，由于半导体器件表面钝化技术不断提高，封装作用也不一样。封装除密封作用外，还有屏蔽、机械保护、装璜等作用封装形式多种多样，适台薄膜多层布线板组装的主要有TAB、COB和粱式引线等。

2． 基础技术 ’

(1)优质薄膜多层布线板

可用作薄膜多层布线的板料较多，这里主要介绍下面四种。

① 陶瓷基扳

微波领域，要求微波损耗很小，用99．5%三氧化二铝基板，将它研磨抛光，清洗干燥后即可使用。

② 微晶玻璃基板

一般高频、甚高频、低频都可采用。由于其性格比好，加工方使，可以直接在磨抛好的基板上制作薄膜电阻、电客、进行薄膜多层布线等，所以，它的应用已很普遍。

③ 硅基板

硅基板的组装密度 做得很高，互连接点可大大减少，内在可靠性高，与硅芯片的热膨胀系数一致，热导率比氧化铝瓷高5～1O倍， 可直接将LSI做在里面， 也可外赔LSI、VLSI、VHSIC、ASIC以及其它元器件，性能／价格比合理，可以直接借鉴成熟的半导体工艺，线宽比VLSL大lO倍。这些优点使得电路成品率大幅度提高，并能在表面进行薄膜多层布线。硅基板结构已在3GHz的超高频GaAS IC中得到满意结果。

④ 绝缘金属基板

在铝金属板表面生长适当厚度的致密氧化层，在其表面涂复有柔性的绝缘物，并粘贴金属箔，这样可以在箔上采用常规的工艺，光刻出精细的互连图形，在其表面进行薄膜多层布线。在它上面还可进行SMT、COB和各种功能器件的组装。被用作电路布线板、散热板、屏蔽板和封装外壳；并已用于高压、大电流和高速电路中。

(2)片式元器件

有裸芯片、带凸点芯片、梁式引线芯片、载带芯片，是优质薄膜多层布线板组装首批选取的片状元器件。片状电容、电感等无源元件在特殊电路中也常被采用。

(3)隔离介质材料

作为薄膜多层布线的介质材料常用聚酰亚胺和光敏性聚酰亚胺，国外还用派拉伦(paralene)。其中又以光敏性聚酰亚胺最好。由于它介电常数小，绝缘性好，高温稳定，理想的平坦性，有负性光刻胶性能，与金属铝的粘附性好，热应力小，有一定抗潮性，对高能电子、热中子和粒子均有阻挡作用等，因此已被广泛采用。

(4)金属材料

供薄膜多层布线的材料很多，用于基板粘附的有铬、镍铬、钛和钼}用作导体的有金、铜，铝J用于电阻的台金有NiCr、CrSi、TaN等；用作介质的非金属化台物有SiO和SiO2等。

(5)封装材料

用薄膜多层布线板组装的电子产品， 所用的封装材料有金属和非金属，视使用环境而定。金属主要是柯伐、铜、镍、铝、铣等；非金埔主要是陶瓷、玻璃、塑料等。

(二)优质厚膜多层布线支撑技术和基础技术

1． 支撑技术

(1)CAD技术

其作用与薄膜相同。

(2) 厚薄