浅谈微组装的关键工艺技术

微组装（micro - assembling）：在高密度多层互连基板上，采用微型焊接和互连工艺将构成电子电路的IC芯片、片式元件及各种微型元器件组装、并封装在同一外壳内，形成高密度、高速度、高可靠性的微电子组件的工艺技术。微组装技术是实现产品小型化、集成化的决定性技术，也逐步成为电子组装的重要及核心技术。微组装的基本工艺流程和关键技术详见图1。从中可以归纳出微组装关键工艺技术包括：（1）多层布线基板工艺；（2）引线键合工艺；（3）芯片贴装技术；（4）密封工艺。每种关键工艺在实际的研制生产中均有多种实现形式，可以根据产品的不同特点和需求予以适当选择。

图1微组装基本工艺流程和关键技术1、多层布线基板工艺目前，微组装过程中应用的多层布线技术主要包括：厚膜技术、薄膜技术、LTCC技术以及混合多层技术。对于多层布线的基板设计、材料、工艺的选择和控制，以及对于多层布线基板的检测技术，是多层布线基板工艺中研究的核心方向。（1）厚、薄膜技术厚膜技术较早应用于电子封装和互连技术中，在军用、航空航天和无线产品中均发挥出显著优势。厚膜材料是将微细金属粉、玻璃粉或陶瓷粉末的混合物掺入到有机介质中，通过丝网印刷工艺印刷到绝缘基板上。图2为典型厚膜电路。

图2典型厚膜电路薄膜电路通过真空蒸发、溅射和电镀等工艺用金属、半导体、金属氧化物、金属混合物、合金或绝缘介质薄膜形成整个电路的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件以及它们之间的互连引线。图3为典型薄膜电路。

图3典型薄膜电路厚膜电路与薄膜电路的区别一是膜厚：厚膜电路的膜厚一般大于10μm，而薄膜电路的膜厚小于10μm，大部分小于1μm；二是工艺不同，厚膜电路一般采用丝网印刷工艺，薄膜电路一般采用真空蒸发、磁控溅射等工艺方法。（2）LTCC技术低温共烧陶瓷（Low Temperature Co - fired Ceramic，LTCC），是当前信息功能材料及应用中最为重要的分支。LTCC技术是1982年休斯公司开发的新型材料技术，是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生瓷带，在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制成所需要的电路图形，将多个被动元件埋入多层陶瓷基板中并叠压，内外电极分别使用银、铜、金等金属，在900℃下烧结制成高密度电路，也可制成内置无源元件的三维电路基板，在表面贴装IC和有源器件，构成集成功能模块。图4为典型LTCC基板。

图4典型LTCC基板2、引线键合工艺引线键合（Wire Bonding）工艺是利用热、压力、超声波能量将细金属丝与基板焊盘紧密焊合，实现芯片与基板之间电气互连和芯片之间的信息互通。引线键合工艺是实现微组装组件电气互连的关键工序。根据键合工艺不同，可以分为超声波键合（Ultrasonic Bonding）、热压键合（Thermocompression Bonding）和热超声波键合（Thermosonic Bonding）。根据键合点形状不同，可以分为球形键合和楔形键合。图5和图6分别展示了典型的球焊和楔焊的外观。（a）X - CT下典型形貌（b）第一键合点典型金相截面图5典型金丝球焊

图6典型金丝楔焊随着半导体制造技术的不断发展，新型封装技术不断涌现，封装密度越来越高，引线键合互连向着高密度、细间距、低弧度方向发展。键合材料选择、键合工艺参数设置是实现密间距键合的重要工艺研究方向。3、芯片贴装工艺实现芯片与基板安装的主要工艺有两种：共晶焊接工艺以及粘结工艺。（1）共晶焊接工艺共晶焊是讲两种不同的金属按照一定的重量比例在低于各自熔点温度下发生共晶物熔合现象。影响共晶焊接质量的主要因素包括：被焊面的表面状态、焊接工艺参数设置、共晶焊料、焊接设备及夹具等。通过物料控制与优选、优化共晶焊接工艺曲线、增加工作气氛的控制等手段，可以有效提高共晶焊接工艺质量。共晶焊接需要高温操作，按照微组装温度梯度工艺实施要求应安排在前道工序完成，但是实际工作中芯片的贴装工艺通常是在基板安装后进行，这与温度梯度的设计要求发生矛盾。因此，通常在接地和散热要求较高的芯片与基地之间增加过度载体，利用共晶焊接工艺将芯片与载体互连成为芯片部件，再用低温焊料将芯片部件与基板互连，以满足微组装可制造性要求和热设计原则。（2）粘接工艺对于低功率芯片及无需接地的芯片，使用粘接工艺实现互连，不仅利于安装和返修，成本也较低。粘接材料可以分为导电粘接和绝缘粘接，若从粘接剂的结构形式分，可分为胶体状和膜状。对于粘接工艺来说，粘接材料及配比（双组份）、工艺参数（固化温度及时间、升温 / 降温速率、贴装压力等）设置、点胶方式等均会影响到最终的粘接工艺质量。例如，采用双组份粘接剂时，混胶过程中容易产生气泡导致粘接空洞，在一定程度上影响粘接工艺质量。建议采用有效的脱泡方式（如离心脱泡等），减少粘接空洞，保障粘接工艺的稳定性。4、密封工艺良好的密封工艺可以保护器件和封装金属内层不受环境腐蚀和机械损伤。目前常见的密封工艺包括：平行缝焊密封工艺、储能焊接密封工艺、激光焊接密封工艺等。（1）平行缝焊密封工艺平行缝焊密封工艺原理详见图7。通过电极轮（钨、铜）送出大电流脉冲，流过金属外壳与封装外壳底座界面产生的焦耳热使界面升温（瞬时温度可达1500℃）并致界面接触点熔化完成焊接。

图7平行缝焊密封工艺原理示意图平行缝焊密封工艺较为成熟，其优点是生产效率高，可实现阵列封装；其缺点在于对组件结构要求高，壳体及盖板材料单一、可维修性差。影响平行缝焊密封气密性的主要因素包括：壳体因素（外壳结构及尺寸、规整性、表面状态等）、电极轮因素（材料、角度、表面状态及性能等）、工艺参数设置（电极压力、速度、输出功率等）。（2）储能焊接密封工艺储能焊密封工艺原理示意图详见图8。储能焊密封工艺是利用电容充放电的原理，产生大电流，使其封接面处形成很高的焦耳热，从而达到密封目的。

图8储能焊密封工艺原理示意图储能焊密封工艺适用于批量的小型帽盖形外壳密封。对于不同的外壳尺寸必须配备相应尺寸的电极。当其外壳玻璃绝缘子与密封部位距离很小时，不宜采用储能焊密封工艺。（3）激光焊接密封工艺激光焊接密封工艺是利用激光束的高能使得焊接面熔化而达到密封效果。与平行缝焊工艺相比，激光焊接对于组件的结构限制较小，密封接头性能优越，热影响区域小。影响激光焊接密封工艺质量的因素主要是工艺参数的设置。其中，激光功率和脉冲波形决定了激光能量的大小；脉冲频率保证焊点气密性；激光移动速度决定焊点的重叠率和焊封效果。【小结】微组装工艺技术向着高密度、高集成、立体化的方向不断发展，传统的工艺技术与新材料、新工艺在不断碰撞中相互结合并产生新的技术和应用。在这个不断推陈出新的过程中，对于关键工艺技术的理解和应用尤为关键，这些关键工艺技术的实现对于保证整个微组装件以及装备的质量和可靠性息息相关。各位亲爱的读者们，我们将持续开展微组装关键工艺技术的探讨，对其工艺特点、材料、影响因素以及失效案例逐一解析，