材料连接技术

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1、材料连接技术材料连接技术Materials Welding and Joining Techniques 赵兴科赵兴科课程编号：302706第三章第三章 典型行业中的连接技术典型行业中的连接技术3-1 航天航空工业航天航空工业3-2 汽车工业汽车工业3-3 造船业造船业3-4 电子工业电子工业3.4 电子工业电子工业电子封装电子封装无铅钎焊无铅钎焊（一）（一） 电子封装基础知识电子封装基础知识一、电子封装一、电子封装中国的改革开放始于2O世纪的80年代初，而这段时间恰好是全球个人电脑和个人电子产品发展的初期。中国的崛起加速了全球消费类电子产品的普及。中国已成为全球最大的电子产品制造基地，各种电

2、子产品已成为普通百姓的日用必需品。其结果是电子制造已经超过任何其它的行业，成为当今第一大产业。电子制造业集原理探索和技术创新于一体，是当今世界最先进科技成果的综合性交叉式的边缘学科。1 电子封装的概念为了实现某一功能，电子元器件之间的必须可靠连接；同时还要防止水份、尘埃及有害气体对电子产品零部件及半导体器件的侵入；形成必要的绝缘和防止电磁干扰；以及减缓震动、便于运输等。这些必要的处理方法均属于电子封装的范畴。电子产品种类、数量众多，大致的制造过程基本一样，通常需要多级电子封装。晶片级封装(零级封装)；器件封装(一级封装)；板卡组装(二级封装)；整机的组装(三级封装)。通常把零级和一级封装称为电

3、子封装(技术)，而把二级和三级封装称为电子组装(技术)。电子封装电子封装指的是从电路设计完成开始，将裸芯片(Chip)、陶瓷、金属、有机物等物质制造(封装)成芯片、元件、板卡、电路板，最终组装成电子产品的整个过程。(1)提供给晶片电流通路；(2)引入或引出晶片上的信号；(3)导出晶片工作时产生的热量；(4)支撑和保护晶片，防止恶劣环境对它的影响。以晶片级封装为例，电了封装的功能有：以晶片级封装为例，电了封装的功能有：随着集成电路芯片上电路数目的增加，封装已经从附属制造工艺变为主要工艺，封装成本占集成电路总成本的1/22/3，其作用也从加固和支撑上升为器件性能的关键部分。2 电子封装的历程集成电

4、路封装技术的发展历史可划分为集成电路封装技术的发展历史可划分为3 3个阶段。个阶段。第一阶段(2 0世纪7 0年代之前)，以通孔插装型封装为主。典型的封装形式包括最初的金属圆形(TO型)封装，以及后来的陶瓷双列直插封装(CDIP)、陶瓷一玻璃双列直插封装(CPDIP)和塑料双列直插封装(PDIP)等；其中的PDIP，由于其性能优良、成本低廉，同时又适于大批量生产而成为这一阶段的主流产品。第二阶段(2 0世纪8 0年代以后)，从通孔插装型封装向表面贴装型封装的转变表面贴装技术被称为电子封装领域的一场革命，得到迅猛发展。与之相适应，一些适应表面贴装技术的封装形式，如塑料有引线片式载体(PLCC )

5、、塑料四边引线扁平封装(PQFP )、塑料小外形封装(PSOP )以及无引线四边扁平封装(PQFN )等封装形式应运而生，迅速发展。其中的PQFP，由于密度高、引线节距小、成本低并适于表面安装，成为这一时期的主导产品。为适应手机、笔记本电脑等便携式电子产品小、轻、薄、低成本等需求，在BGA的基础上又发展了芯片级封装(CSP)。集成电路发展进入超大规模集成电路时代，特征尺寸达到0.180.25mm ，要求集成电路封装向更高密度和更高速度方向发展。在此背景下，焊球阵列封装(BGA )获得迅猛发展，并成为主流产品。第三阶段(2 0世纪9 0年代以后)，从平面四边引线型向平面球栅阵列型封装发展，引线技

6、术从金属引线向微型焊球方向发展。多芯片组件(MCM )和系统封装(SiP )也在蓬勃发展，这可能孕育着电子封装的下一场革命性变革。3 封装的分类金属封装、塑料封装、陶瓷封装、玻壳封装、玻璃金属封装、塑料封装、陶瓷封装、玻壳封装、玻璃实体封装、金属基复合材料封装等实体封装、金属基复合材料封装等这些封装各具特点，并受到了广泛的关注。按封装效果按封装效果气密封装和实体封装气密封装和实体封装气密封装是指封装腔体内在管芯周围有一定气氛的空间并与外界相隔离；实体封装则指管芯周围与封装腔体形成整个实体按封装材料按封装材料按结构形式按结构形式边缘封装、面封装、插装封装、贴装封装等。边缘封装、面封装、插装封装、

7、贴装封装等。引线尺寸和引线间距大，器件尺寸大；组装密度低；引线数目受到限制；信号电路不顺畅。引线间距大幅度减小，组装尺寸是插装的1/3信号通路缩短，顺畅。贴装器件贴装器件插装器件插装器件物理性能：密度、导热、导电、热膨胀、电磁屏蔽等；力学性能：强度、韧性、减震；化学性能：稳定性、耐腐蚀、抗潮；其他：成型、连接、成本等。（二）（二） 电子封装材料电子封装材料1 电子封装材料的基本要求封装材料已由石蜡、玻璃、阳瓷、金属，发展到采用具有优异性能的一些高分子材料，如不饱和聚酯树脂、环氧树脂、有机硅橡胶、聚二烯烃橡胶等材料。目前国内外约90 的电子器件都已采用塑料封装，其中包括晶体管、集成电路、大规模集

8、成电路和超大规模集成电路。金属封装材料具有较高的机械强度、散热性能优良等优点，并且对电磁有一定屏蔽功能，在功率器件中得到广泛应用。传统的金属封装材料主要有：Cu，Al，Kovar合金，W，M0合金等。2 金属封装Cu合金都具有良好的热传导率，质量较轻，成本低、强度高，易于形成绝缘抗侵蚀薄膜，易焊接等等优点，应用广泛；由于金属基板与其氧化膜的热膨胀系数相差很大，当金属基板受热时，表面氧化膜容易开裂，影响封装的可靠性。CuMo合金和CuW合金具有较高的热导率及相匹配的热膨胀系数，但Mo，W 的价格较高，加工、焊接性能差，密度大等，不适合对重量有要求的应用领域；而Kovar合金具有很低的热膨胀系数，

9、与芯片材料GaAs的相近，加工性能也较好，如利用机械加工，制作方便， 但散热性稍差。3 塑料封装塑料封装具有价格低廉、质量较轻、绝缘性能好和抗冲击性强等优点。塑封装所使用的材料主要是热固型塑料，包括酚醛类、聚酯类、环氧类和有机硅类，其中以环氧树脂应用最为广泛。环氧塑封材料以其成本低廉、工艺简单和适于大规模生产等优点在集成电路封装材料中独占鳌头，占全球集成电路封装材料的97 。随着集成电路与封装技术的发展，显示出其基础地位和支撑地位。塑料封装材料静电敏感，防静电包装。气密性不好，大多对湿度敏感，在回流焊过程中，吸收的水受热易膨胀，会导致塑封器件爆裂。热力学性能受水气的影响很大，在高温情况下，潮气

10、会降低材料的玻璃化转变温度、弹性模量和强度。水气会造成封装器件内部金属层的腐蚀破坏，改变塑封件的介电常数，严重影响封装的可靠性。塑料封装晶体管多数含有铅，毒性较大，考虑到环保因素，常采用成本较高的陶瓷来充当电子封装材料。气密封装：陶瓷本身是气密的；尺寸非常稳定，具有接近硅的热膨胀系数；化学性能稳定；与盖板、引线之间是冶金连接。多层布线：具有最高的布线密度，可达100层。高导热率：适合于需要散热能力强的器件，如超级计算机的CPU。多种材料选择。制造工艺复杂。4 陶瓷封装目前，已用于实际生产和开发应用的陶瓷基片材料主要包括Al2O3，BeO和AlN等。Al2O3 的导热性较差，BeO受环保、成本等

11、因素制约，AlN基片具有综合性能，逐渐成为功率微电子封装的优良基片。5 金属基复合材料封装金属基复合材料在发挥基体材料优良性能的基础上还具有其它组元材料的特点，特别是它能充分发挥各组成材料的协同作用，从而还使材料设计有了很大的自由度，可以根据材料的要求合理的选择组成材料的组元及其增强方式。电子封装常用的金属基复合材料主要是微观强化型金属基复合材料。连续纤维增强金属基复合材料、非连续增强金属基复合材料、自生增强金属基复合材料、层板金属基复合材料。按增强物类型可分为按增强物类型可分为铝基、铜基、银基、铍基等，其中以A1SiC复合材料最为突出。按基体类型可分为按基体类型可分为（三）（三） 电子封装连

12、接电子封装连接通常将陶瓷与金属的连接称为封接。陶瓷与金属的连接方法比较多，如钎焊、扩散焊、熔焊及氧化物玻璃焊料连接法等。使用粘合剂胶接具有固化速度快、使用温度范围宽、操作简便等优点。陶瓷与金属采用胶接连接，界面作用力为物理附着或极性化学键，采用有机胶的接头强度可以超过150MPa。1 胶接钎焊法是获得高强度陶瓷/金属接头的主要方法之一。钎焊法又分为金属化工艺法和活性钎料法。2 金属焊料钎焊金属化工艺法指预先将陶瓷表面金属化改性，然后利用常规钎料实现与金属的钎焊；活性钎料法是指利用活性钎料对陶瓷与金属实现一次性连接。活性钎料钎焊活性钎料钎焊SiN与金属与金属活性钎料中的活性组元与陶瓷发生界面反应

13、(如含Ti活性钎料与Si3N4陶瓷之间形成一层过渡层TiN，降低体系自由能而润湿陶瓷。低温活性钎料：主要成分为SnPb，另添加少量Zn、Sb及微量Al、Si、Ti、Cu等，熔化温度170300，钎焊时不需要对陶瓷或金属表面作特殊处理,也不需要钎剂或保护气体。中温活性钎料：主要为含Ag，如AgCuTi系、AgTi系等,，钎焊温度8001000 ，通常真空钎焊。高温活性钎料：非氧化物陶瓷如氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)等结构陶瓷，钎焊温度1400以上。活性钎料根据不同的熔化温度可分为低温、中温、高温活性钎料。陶瓷与被连接金属的热膨胀系数相差悬殊，导致钎焊后使接头内产生较高的残余应力，而且局

14、部地方还存在应力集中现象，极易造成陶瓷开裂。为降低残余应力，必须采用一些特殊的钎焊工艺路线：合理选择连接匹配材料;利用金属件的弹性变形减小应力;避免应力集中;尽量选用屈服点低,塑性好的钎料;合理控制钎焊温度和时间;采用中间弹性过渡层。3 玻璃焊料封接玻璃焊料封接法实际即是氧化物焊料法。玻璃焊料适合于陶瓷与各种金属合金的封接，特别是强度和气密性要求较高的场所，目前多用于高压钠灯管(针)与A1203透明瓷管的封接。玻璃焊料法也有其特点和独到之处：简单、易行、便宜；对高纯A1203瓷封接比活性化MoMn法有利；对小孔结构的封接，可以避免小孔涂膏厚度不均匀等难以克服的弊病；对微波器件的输出窗来说，可以

15、避免由于内导体金属针封口处形成焊料角而带来器件电性能的恶化。元件引线与电路板的钎焊连接一、无铅钎焊一、无铅钎焊SnPb钎料用于金属间连接可追溯到2000年以前。采用SnPb共晶钎料钎焊具有众多优点：低熔点、结晶温度区间窄、对于Cu及其合金的润湿性良好、易于操作、钎缝塑性好以及对于所有的电子装置和电路的相互连接和封装，钎焊技术已经成为一种不可替代的技术。SnPb钎料，已经被广泛的应用于当代的电路组装。然而，由于铅的毒性而带来的环保以及对人类健康方面的忧虑，限制铅基钎料的应用的立法都加速了对此工作的研究和发展以寻找一种无铅钎料作为替代品而用于电子产品制造中。1 无铅钎焊技术的起因日本及欧美市场上推

16、出“绿色环保”家电产品，自2000年起至今已基本实施无铅化制造；中国政府已于2003年3月由信息产业部拟定电子信息产品生产污染防治管理法自2006年7月1日禁止电子产品含铅（Pb）。当前电子产品制造业实施无铅化需面临以下问题：1)焊料的无铅化；2)元器件及PCB板的无铅化；3)焊接设备的无铅化。2 无铅钎焊技术的工艺特点 已报道的无铅焊料成分有近百种，但真正被行业认可并被普遍采用是Sn-Ag-Cu三元合金，也有采用多元合金，添加In、Bi、Zn等成分。熔点较高 ；延展性有所下降；对助焊剂的热稳定性要求更高；成本较高等。1） 焊料的无铅化无铅焊接工艺流程中，元器件及PCB板镀层的无铅化技术相对要复杂，涉及领域较广，推迟无铅化的进程。无铅焊料与Sn-Pb的PCB镀层共存，而带来剥离型焊接缺陷，需要从钎焊设备上克服这种现象；另外对PCB板制作工艺的要求也相对提高，PCB板及元器件的材质要求耐热性更好。 2） 元器件及PCB板的无铅化无铅焊接工艺进行要求无铅焊接设备必须解决无铅焊料带来的焊接缺陷及焊料对设备的影响，预热锡炉温度升高，喷口结构，氧化物，腐蚀性，焊后急冷，助焊剂涂敷，氮气保护等。）焊接设备的无铅化