6.12.3 电子封装软钎焊及贴片技术
电子封装是指将电子器件和小型元件组装到印制电路板上，实现元器件与电路板的机械和电气连接的过程。在微电子器件制造与电子设备组装中，焊接技术是决定产品最终质量的关键因素。在电子封装中，通常采用软钎焊作为主要的焊接技术。旺材锡加工有限公司于2017年对电子封装软钎焊技术简介与展望，电子封装软钎焊，是指采用熔点低于450℃的填充金属（钎料）在加热温度低于被连接金属（母材）熔化温度的条件下实现金属间冶金连接的一类方法。在钎焊过程中，钎料被加热熔化成液态，通过毛细作用填充钎焊接头的间隙，并在固态母材基板上铺展、润湿、相互溶解与扩散形成界面化合物、结晶凝固形成冶金结合牢固的钎焊接头，从而实现电子元器件与母材两者的电气连接与机械连接。在实际生产中，软钎焊技术根据熔融钎料的供给方式，主要分为浸焊、波峰焊、再流焊、真空钎焊等方法。电子封装主要是采用微细互联技术将芯片装配于管壳内，而电子组装主要是基于较为成熟的电路原理图的基础上，连接各种电子元器件的引线端以及印刷电路板的焊盘，从而将其制成可以为人们使用并且可以在市面上进行销售的电子产品。因此，电子封装与电子组装中将材料与器件进行互联一般采用的是软钎焊技术，主要原因在于采用软钎焊技术不仅能在一定程度上确保电子元器件能够固定安装在基板上，也能在另一方面起到电信号的传输作用。但由于随着软钎焊技术的无铅化要求，无铅软钎焊技术在其钎焊材料以及软钎焊工艺上均有了不同的要求及发展，与此同时无铅软钎焊技术在电子封装以及电子组装中带来了一系列可靠性问题。信息时代使得电子产品朝着小型、多功能以及低成本方向发展，电子封装钎料也朝着无铅及高性能发展。电子产品的高效率发展，使得软钎焊技术自动化程度越来越高，这就需要我们不断地对软钎焊技术的方法、工艺、设备进行更新和完善，推动电子制造技术更好地进步和发展。
图6.26为钎焊失效现象：图6.26（a）为某功率管外壳，该外壳采用CMC材料为热沉（热沉厚度为1.5 mm，1：4：1的铜-钼-铜结构，热沉供应商镀镍厚度为2～4μm），经镀镍镀金后热沉表面镍层厚度为3.5～8.9μm，金层厚度为1.3～3μm。芯片焊接以Au80Sn20为焊料，在320℃±20℃、氮气保护的条件下进行。焊接后按GJB548B方法2012.1规定进行X射线照相，发现芯片焊接空洞率过高，如图6.26（b），按芯片焊接相关规定“润湿面积不得小于粘接面积的75%，并且不得存在不润湿、弱润湿或焊料流淌不均匀现象”为合格判据，图示情况为不合格。
图6.26 钎焊失效现象
（a）某功率管外壳；（b）X射线照片图
根据GJB1420B—2011附录B中实验条件A对镀层质量进行450℃、空气气氛、2 min的镀层质量考核，考核后检验发现，正常批次外观检验并无异常，失效批次产品热沉出现了轻微红斑。为进一步确认，将镀层质量考核时间延长至10 min。从图6.27（a）可以看出，正常批次产品热沉外观仍为颜色均一，并未见异常（放大3倍的局部图片）；从图6.27（b）可以看出，失效批次产品热沉表面红色斑点非常明显。初步可以推断失效批次产品耐高温性比正常批次产品耐高温性差。
图6.27 正常及失效批次产品镀层烘烤后图片
（a）正常批次；（b）失效批次
在铜复合材料功率外壳钎焊失效分析与改进方面，针对低频、小功率产品的芯片粘接一般采用导电胶粘接、银玻璃烧结和合金焊接等形式，但存在聚合物材料在高温下容易分解、释放气体，造成内部气氛含量过高等缺点，而铟焊料和锡铅焊料等合金焊料都是软焊料，焊层有形成晶须和热疲劳等可靠性问题，不适用于高频、大功率及航天应用的器件。采用共晶焊接的金锡、金硅、金锗等焊料焊接具有导热和导电性能好、无须助焊剂、工作寿命长、浸润性优良、抗腐蚀及抗蠕变等优点，不仅为芯片提供良好的机械连接和电连接，更为芯片提供了较好的散热通道，同时为大功率器件的可靠性提供了保障，广泛应用于光电子和微电子器件封装中。
针对现有贴片封装技术中的不足，Jeffrey ChangBing Lee于2008年对IC封装中晶须抑制的Ni衬底效率进行研究，将PLCC、PDIP及LQFP中的镍底层加亚光镀锡封装，分别在OSP表面抛光的PCB上进行SnAgCu及SnPb表面贴装及波峰焊，然后进行TCT（-55～85）1000次循环、THT（60/90%RH）3000 h以探讨晶须生长倾向。通过对实际晶须性能的验证，得出了除回流焊模拟和元件水平外的PCB晶须性能验证的结论，以了解锡晶须在镍衬底效率方面的潜力。此外，还研究了封装层不同Sn层厚度对TCT晶须生长的影响。廖勇波2019年发明了一种新型无引线贴片封装结构及其制造方法与流程，采用表面开设通孔的引脚框架，通过向通孔中填充导电材料的方式，使芯片与引脚框架形成电气连接，从而摒弃了现有技术中需要通过引线将芯片与引脚进行连接的方式，增加了新型无引线贴片封装结构的可靠性，使得其寄生参数较小，性能得到优化；并且与引线相比，引脚框架更容易导热，使得该封装结构工作时，芯片温度更低，有利于提高芯片的使用寿命。并且，该结构通过在芯片框架两侧分别装置芯片，可实现芯片的双层封装，使得新型无引线贴片封装结构集成度更高，本发明还提供了一种新型无引线贴片封装结构的制造方法。Meng Zhao 2019年对电子封装用Sn-Cu无铅焊料的结构与性能开展研究，从微观组织和界面结构两方面分析了钎料合金/焊点内部结构的演变规律，介绍了描述界面IMC形成/生长机理的模型和理论。此外，还介绍了合金化、颗粒强化和工艺方法对Sn-Cu无铅钎料润湿性、熔化性能和力学性能的影响，提出了未来研究中需要解决的问题。Chang-Chun Lee 2020年实现了叠层芯片封装应变诱导可靠性估算的等效材料方法论证。Matthias Fettke 2020年叙述了激光辅助键合（LAB）和解键合（LAdB）是一种先进的三维和多模芯片封装选择性修复工艺方案，介绍了一种先进的修复3D和多模芯片封装的方法，该方法采用了一种独特的LAB和LAdB工艺，即“Laplace”。使用激光作为介质，将热负荷引入芯片组件的焊接界面，在工艺、热应力和机械应力以及寿命方面产生了许多技术进步，通过研究，揭示了LAdB的基本机理和工艺流程，包括脱键过程中不同相的表征，以及可行性研究的结果。在可行性研究中，使用了4种不同的测试基板，一种三维芯片对芯片封装，一种芯片对晶圆，以及2种不同的芯片对板配置。分析了用LAdB进行单芯片顺序拆卸和用LAB进行芯片更换的影响。所使用的底层测试材料是具有40μm镀锡铜柱的Si芯片，以及在5μm焊盘上放置200μm的SAC305（Sn96.5%，Au3.0%，Cu0.5%）焊点的Si芯片，该焊盘经过5μm化学镀镍浸金（ENIG）处理。芯片被堆叠成6层。在使用130μm SAC305焊料凸点界面的工作中，主要问题是，在焊料键合界面之前使用给定数量的激光辅助修复循环是否会减弱。在印刷电路板和印刷电路板之间形成了一个镀膜电路板。使用非接触/非侵入式热光传感器元件测量了在移除和放置过程中封装中的热负荷/热分布。采用横截面分析、扫描电镜（SEM）、X射线能谱（EDX）和光学显微镜等方法分析了多次脱键和再键合后对金属力学性能和相邻界面对应的针状金属间化合物（IMC）层的影响。在芯片更换前后，通过光学表面平整度测量工具确定机械应力。在焊接界面达到稳定性和可靠性的临界极限之前，进行了与热循环、冶金分析和机械剪切相关的测试，最终使用实验室和LAdB工艺生成可能的芯片更换数量。最后概述了预期可靠性和稳定性的潜在应用和未来前景。
未来数十年内，微电子封装产业将更加迅猛发展，将成为一个高技术、高效益、具有重要地位的工业领域，发展前景十分广阔。在未来相当长时间内，电子封装材料仍以塑料基为主，发展方向为：
（1）超大规模集成化、微型化、高性能化和低成本化。
（2）满足BGA、CSP、MCM等先进新型封装形式的新型环氧模塑料。
（3）无卤、锑元素，绿色环保，适用于无铅焊料工艺的高温260℃回流焊要求。
（4）开发高纯度、低黏度、多官能团、低吸水率，低应力、耐热性好的环氧树脂。新型环氧模塑料将走俏市场，有机硅类或聚酰亚胺类很有发展前景。
（5）超高导热陶瓷材料的研究。随着电子芯片向高性能、高速、高集成度的不断发展，电子元件的发热量和相对热量流量越来越高。散热逐渐成为电子元件需要解决的关键技术之一。为了实现系统的多种功能，SIP还必须与高导热材料密切相关。为了解决电子元件的散热问题，除了采用更高效的冷却技术外，热导率在300～400 W/（m·K）之间的高导热材料和热导率大于400 W/（m·K）的超高导热材料，以及热膨胀系数与半导体材料相匹配的新型封装材料，已经成为越来越多的研究热点。含碳材料具有极高的导热性、低密度，有些材料具有高强度。它们是未来包装材料中必不可少的材料，也将在SIP中发挥重要作用。特别是第四代芯片材料石墨烯也是一种碳质材料，用类似的材料封装它在热膨胀匹配方面肯定会有其他材料无法比拟的优势。然而，由于技术限制，各种含碳材料主要用作第二添加剂来提高复合材料的导热性。未来的主要研究方向是三维碳质材料，如金刚石成型与烧结技术、碳纤维三维编织技术、碳/碳复合材料制备技术等。
（6）新型纳米陶瓷的发展。通过溶胶-凝胶法和共沉淀法等纳米粉体合成工艺制备的新型纳米陶瓷粉体具有传统陶瓷材料所不具备的许多性能。例如，硅铝氧氮材料不仅具有氮化铝材料的高热导率，还具有氮化硅的高强度和氧化硅的良好介电性能。由于原子级复合，铝硼氮复合材料比传统的氮化铝/氮化硼复合材料具有更好的热导率和更低的烧结温度。因此，新型纳米陶瓷的发展将推动封装技术的发展。
（7）低维材料的发展。为了满足高密度、高频率和高集成度的要求，封装正在向一维方向发展，并且将薄而轻的低维结构引入到特定的内部结构单元中。薄膜材料已经广泛应用于高密度包装领域。未来，随着对电子元件小型化的要求越来越高，传统的三维材料甚至二维材料可能无法满足要求，封装材料单元有可能发展为一维材料（纤维或晶须）。例如，可以用低K值的陶瓷纤维布代替陶瓷基底进行绝缘。陶瓷纤维布的表面或内部可以用亚微米金属纤维布线，起到导电的作用；采用高导热碳纤维代替散热基板进行散热。最后，使用具有一定强度和良好密封性能的材料进行密封和承载。这不仅可以保证系统功能的实现，而且可以利用纤维材料的柔性，使封装部分靠近芯片，减小封装面积，并且较细的金属纤维具有良好的导电性。一种晶须状材料植入在硅中作为一种成分。制备晶须或纤维复合陶瓷基板，通过定向排列的一维材料达到良好的散热效果，而基体材料可以采用具有良好力学性能的材料起到良好的支撑作用。所有这些都为SIP的小型化和功能集成发挥了革命性的作用。集成微系统技术已逐渐成为电子器件小型化的主要发展方向。其内部集成了各种类型的芯片，对外部封装结构提出了更多样化的要求。SIP技术能够很好地满足集成微系统包的多样性要求。然而，首先，为了满足包装系统的多样化需求，有必要从基础基材材料进行相关研究，实现材料性能的系列化和多样化。
（8）在军事、航空航天和高端民用电子器件等领域，陶瓷基封装材料将向多层化方向发展，低温共烧陶瓷具有广阔的前景。多层陶瓷封装的发展重点是可靠性好，柔性大、成本低。高导热、高密封的AlN发展潜力巨大，应在添加物的选择与加入量、烧结温度、粉料粒度、氧含量控制等关键技术上重点突破。未来的金属基封装材料将朝着高性能、低成本、低密度和集成化的方向发展。轻质、高导热和CTE匹配的Si/Al、SiC/Al合金将有很好的前景。随着微电子封装技术朝多芯片组件（MCM）和表面贴装技术（SET）发展，传统封装材料已不能满足高密度封装要求，必须发展新型复合材料，电子封装材料将向多相复合化方向发展。