电子封装和组装中的微连接技术
Microjoining Technology in Electronics Packaging and Assembly
王春青田艳红孔令超
哈尔滨工业大学材料科学与工程学院微连接研究室，150001
李明雨
哈尔滨工业大学深圳研究生院，518055
摘要
材料的连接在微电子器件封装和组装制造中是关键工艺之一，由于材料尺寸非常微细，连接过程要求很高的能量控制精度、尺寸位置控制精度，在连接过程上体现出许多的特殊性，其研究已经成为一门较为独立的方向：微连接。

本文介绍了在微电子封装和组装的连接技术上近年来的研究结果。

0 前言
连接是电子设备制造中的关键工艺技术，印制电路板上许多集成电路器件、阻容器件以及接插件等按照原理电路要求通过软钎焊(Soldering)等方法连接构成完整的电路；在集成电路器件制造中，芯片上大量的元件之间通过薄膜互连工艺连接成电路，通过丝球键合(Wire/Ball Bonding)、倒扣焊(Flip Chip)等方式将信号端与引线框架或芯片载体上的引出线端相互连接，实现封装。

连接同时起到电气互连和机械固定连接的作用，绝大多数采用钎焊、固相焊、精密熔化焊等冶金连接方法，也有导电胶粘接、记忆合金机械连接等方法。

如图0-1是一个集成电路中可能的互连焊点的示意图。

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图0-1 电子封装和组装中的连接技术
连接又是决定电子产品质量的关键一环。

在一个大规模集成电路中少则有几十个焊点、多则有上千个焊点，而在印制电路板上则可能有上万个焊点。

这些焊点虽然只起到简单的电气连接作用和机械固定作用，但其影响却非常重要，甚至只要有一个焊点失效就有可能导致整个元器件或者整机停止工作。

而另一方面，焊接又是电子生产工艺中研究最为薄弱之处，在电子器件或电子整机的所有故障原因中，约70%以上为焊点失效所造成。

因此，随着电子工业的大规模发展和对电子产品可靠性的更高要求，电子产品焊接技术引起了人们的极大重视，已经在开展系统的研究：从事微电子生产工艺的科技工作者称之为
微电子焊接，而在焊接领域被称为微连接。

微电子器件封装和组装时要连接的材料的尺寸极其微小，在微米数量级；要求的精度很高，已达到纳米的数量级。

连接的过程时间非常短、对加热能量等的控制要求非常精确。

连
接接头的界面在服役过程中受到力、热等的作用会发生随时间的变化，逐步影响连接的力学、电气性能以及产品的可靠性。

与常规的焊接方法相比，微连接或微电子焊接的特点可以归纳如下：
(1)、连接材料的尺寸变得极其微小，在常规焊接中被忽略或不起作用的一些影响因素此时却成为决定连接质量和可焊性的关键因素。

例如在结构件的钎焊中，钎料量远小于母材的尺寸，母材的适量溶解(数微米)被认为对钎焊过程有利，对溶蚀的控制却相对容易。

而在倒装芯片连接或者厚薄膜集成电路引线连接时，由于导体膜的厚度在微米数量级，焊盘金属(母材)的溶解除了对钎焊过程有利的一面外，更重要的是微米数量级的溶解量就有可能使焊盘发生溶蚀从基板上脱落下来而失效。

溶解的控制成为微电子软钎焊中重要的课题。

(2)、微电子材料和结构的特殊性、性能要求的特殊性需要采用特殊的连接方法。

微电子材料的尺寸上在微米甚至纳米数量级，在形态上为薄膜、厚膜、箔、丝等，绝大多数为异种材料之间的连接，且箔、膜不是单独存在而是附着在基板材料上。

连接时除了强度以外，更重要的是电气连接性、可靠性，连接过程不应对器件的功能产生任何影响。

为了实现这些要求，需要开发新的连接方法，有时甚至要采用在常规焊接研究看来是不合理的方法、采用从力学角度看可能不合理的结构。

往往连接过程的是在较低的温度、极短的时间内完成，产生的连接接头从金属学和冶金的角度也许是不完整的。

本文介绍了哈尔滨工业大学微连接研究室在电子封装和组装中的微连接研究已经完成的一些结果，内容包括激光软钎焊的原理和设备、激光软钎焊在电子封装中的应用、超声激光无钎剂软钎焊技术、钎焊接头的形态预测、钎焊接头的桥连分析、微电子封装的可靠性分析、插装件再流焊的可靠性、钎料合金设计的分子轨道理论方法、钎料熔滴与焊盘的界面反应、微连接界面的温度实时测量方法、微连接质量的实时检测与控制方法、无铅钎料在激光处理铜焊盘上的润湿性等内容。

目前微连接研究室正在进行的项目有：锡基钎料合金裂纹的物理过程、光电子器件封装自对准互连新技术、微型件和功能结构件的精密焊接技术、Flip chip无铅钎料凸点的可靠性和细观力学性质、铜丝球键合技术、无铅钎料应用中的问题、超环境下电子器件封装的寿命和可靠性等、复杂结构的焊接应力与变形预测。

研究结果将陆续提供。