Pb/Sn 焊锡
焊锡焊接 -还原气氛 (4-10%H2 in N2 or Ar) -甲酸蒸汽 (1.5-7% HCOOH in N2) -真空 (10-2-10-5 torr)
玻璃光器件 对中层
液晶
集成晶片
Au/Sn 焊锡
Si底板
线联接
空间光调制器
CONFIDENTIAL SPM
翻转晶片联接是一个演化的方向
SPM
未来的集成晶片之总成
激光缩放： 利用激光以气相沉积互联的金属 光电子总成： -光导纤维 -集成平面波导 -全息光子投射
CONFIDENTIAL
SPM
光电子器件的总成
对中精度约为2-5µm 焊锡 (薄膜或翻转晶片) -3-3.2µm 75Au-25Sn -1-3µm In -2µm Sn -80Au-20Sn -88Au-12Ge-97Au-3Si 10Au-90Sn -95Pb-5Sn -52In-48Sn -60Sn-40Pb
CONFIDENTIAL
SPM
总成互联之尺度
间距
3mm 0.5mm 25µm 1µm 0.1µm
>50%信号延迟或速度损失
电路板总成 晶片总成
晶片本身总成 未来的纳米微电子
CONFIDENTIAL
SPM
集成晶片之总成
组装部件种类:
DIP, PGA, SOIC, SOJ, PLCC, LCCC, QFP, BGA, …
100
0
10
20 时间 (分.)
30
40
CONFIDENTIAL
SPM
在半固体焊锡拉力试验中的粘着特性
焊锡
熔点
(oC)
接点分离
温度 (oC) 时间 (Hr) >18
接点分离
温度. (oC) 200 >330 时间 (Hr) 0 0
63Sn37Pb 半固体 焊锡
183 227450
260
CONFIDENTIAL SPM
类型 CBGA CCGA PBGA TBGA µBGA
CONFIDENTIAL
SPM
微电子总成中的焊锡之三大性能

温度 可浸润性(Wettability) 热疲劳寿命


CONFIDENTIAL
SPM
焊锡在微电子总成中的应用
熔点(oC)
400 350 300 250 200 150 100
97Au-3Si 88Au-12Ge 95Pb-5Sn 80Au-20Sn 晶片总成 95.5Pb-2Sn-2.5Ag 88Pb-10Sn-2Ag 电路板总成
在印刷电路板(PCB)上的 焊锡球格阵列集成晶片(BGA)
CONFIDENTIAL
SPM
Pentium 焊锡球格阵列(BGA)
CONFIDENTIAL
SPM
球格阵列集成晶片所用焊锡球最先进的总成技术
球和金 90Pb/10Sn 90Pb/10Sn 63Sn/37Pb 90Pb/10Sn Au镀的 Ni 球直径 (mm) 0.89 0.50 (1.8H) 0.76 0.64 0.09 求间距 (mm) 1.25 1.25 1.25 1-1.5 0.3-1.5 电路板上的 焊锡 63Sn/37Pb 63Sn/37Pb 63Sn/37Pb 63Sn/37Pb 63Sn/37Pb
SPM
SPM对无铅集成晶片之总成的对策
半固体焊锡，其拥有较宽的熔化温度区达 220-450oC。
CONFIDENTIAL
SPM
新颖的概念：半固体总成
无铅焊锡的电路板总成温度预期为
235-250oC。
在电路板无铅焊锡焊接的总成中，用于晶片焊接的无铅
焊锡将处于半熔化状态。
然而，晶片中处于半熔化状态的无铅焊锡因含有30-
熔点
(oC) 308-312 275-302 267-299 299-304 287-296 309 300-310 183 183-190 179 184-210
10-5 10-6 10-7 0.4 疲劳应变可达 20%
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
正化温度 (T/Tm)
CONFIDENTIAL
SPM
焊锡总成的印刷电路板 (PCB) 焊锡总成的
CONFIDENTIAL
SPM
典型的印刷电路板 (PCB)上的焊锡接点 典型的
CONFIDENTIAL
SPM
CONFIDENTIAL
SPM
用于软焊锡熔化配置(SSD)的高纯度焊锡
SPM供应高纯度的用于软焊锡熔化配置(SSD)的 焊锡如95Pb-2Sn-2.5Ag，其氧化物和夹杂的含量 极微, 可有效地延长熔化焊锡分发配置的时间达八 小时。
CONFIDENTIAL
SPM
焊锡联接的Pentium 翻转集成晶片（Flip-Chip）
CONFIDENTIAL
SPM
Intel集成晶片尺度的 带型自动联接（TAB）总成
CONFIDENTIAL
SPM
AT&T 多重集成晶片模板(MCM)-
系统总成-一个演进方向
Courtesy of AT&T
CONFIDENTIAL
SPM
最新进展
多重晶片垂直重叠，其既可以线联接或翻转 晶片联接或两种技术的混合联接。目前的重 叠水平可达三到五层。
CONFIDENTIAL
SPM
在约 235-250oC的印刷电路板 (PCB)之总成
晶片 半固体焊锡 陶瓷底板 低熔点焊锡 印刷电路板
炉子加热
CONFIDENTIAL
SPM
该概念的实验证据
温度
oC
载荷 200 µm
铜镀的氧化铝
半固体焊锡接点 300 200 100 0 电加热平板炉
4
8
12
16
20
CONFIDENTIAL
SPM
典型的焊锡焊接熔化温度图
温度 (oC) 200 100
5-10 秒 预热温度 120-150oC 峰值温度 210-220oC 63Sn/37Pb
0
1
3 2 时间 (分)
4
CONFIDENTIAL
SPM
典型的焊锡接点的服役失效模型
温度循环 (Hz) 10-3
10-4
SPM
微电子总成之概念
晶片本身总成 集成晶片 分立原件
晶片总成
多重晶片模板 (MCM)
组装器件
电路板总成
电子屋架(Housing)
印刷电路板(PCB)
系统总成
系统
CONFIDENTIAL
SPM
高频，高速及高功率
现行的对策： -缩小特征和互联尺寸 未来的SiC和金刚石半导体 -更宽的能带间隙(3-5倍) -更高的击穿电压(3-33倍) -更高的饱和速度(2-3倍)
唯有的三大总成原理：
技术 晶片粘贴 晶片联接
1. 2.
线联接 (85-90%) 环氧树脂 焊锡 金线 (90%) 铝线 铜线
翻转晶片 (FC) 不适用
1. 2.
带型自动联接 (TAB) 胶包
1. 2.
1. 2. 3.
焊锡焊接 热压或热和 超声波联接
热压或热和 超声波联接 焊锡焊接
CONFIDENTIAL
超越的电服役性能
线联接 电阻 (mOhm) 电感 (nH) 电容 (pF) 30 0.65 0.006 QFP 1 1 1
TAB 带型自动联接
翻转晶片(FC) 2 < 0.05 .001
翻转晶片(FC)
20 2.1 .04 线联接 0.3 0.24 0.48
最高的密度
面积比 重量比 厚度比
0.4 0.06 0.32
Courtesy of ASME Handbook
- 在约425oC，硅晶片与底板的镀金直接反应生成，亦可采用 预先成型的硅金共晶薄片； - 氮气(N2)气氛保护。
CONFIDENTIAL
SPM
集成晶片之常规焊锡粘贴
应用: 焊锡： 工艺： 功率晶片，各种产热晶片。 95Pb/5Sn, 88Pb/10Sn/2Ag, 80Au-20Sn, 88Au-12Ge, 等。 - 焊锡薄片熔化 - 软焊锡熔化配置(SSD) - 真空或氮气保护或焊剂
0.1 0.05 0.25
CONFIDENTIAL
SPM
集成晶片之焊锡粘贴
CONFIDENTIAL
SPM
集成晶片之金硅共晶焊锡粘贴
应用: -密封的军用组装器件 -早期的塑料组装器件 Au-Si
共晶形成：
oC oC.
- Au: 1064 - Si : 1414
- 共晶: Au-3wt.% Si at 363oC Au-Si共晶焊锡粘贴工艺：
Sn
最佳
3% Bi 8% In
超越的服役性能
CONFIDENTIAL
SPM
在印刷电路板(PCB)总成中的 最广泛定向的无铅焊锡
熔点 (oC) 217 227 138
焊锡 94.7Sn-3.3Ag-2Cu 99.3Sn-0.7Cu 58Bi-42Sn
应用 表面联接焊接 波形焊锡焊接 低成本的微电子
CONFIDENTIAL
在过去的十年里，世界范围内已颁布多 达七十余部关于无铅焊锡的专利。 现在 人们已从科学上知道自然界终极所能提 供的。
CONFIDENTIAL
SPM
无铅焊锡系统
M. T.(oC) 300 275 250 225 200 175 150 0.5-2% Cu 3-5% Ag
此温区仍未发现 可广泛采纳的无铅焊锡
24
时间 (分)
CONFIDENTIAL
SPM
压力试验的结果