电子工业中钎焊连接的特点与发展历程

电子工业中的软钎焊技术与传统的焊接有着明显的区别。从材料来看，与传统焊接技术大量涉及以铁为主的黑色金属的情况形成鲜明的对比。电子工业中的被连接材料主要是有色金属，并且种类繁多，经常涉及贵金属、稀有金属以及多元合金多层金属组合体系。此外，还常常涉及到非金属材料的连接问题。由于被连接对象的多样性，因而完成连接所使用的材料（钎料等）也表现出种类繁多和组成复杂的特点。从被连接对象的尺寸特征来看，小、细、薄、精构成了这类被连接对象最为鲜明的标志。例如：许多焊点的尺寸已远小于1mm²；连接对象可能是直径小于0.1mm的凸点与厚度仅为几微米的金属镀层；焊点与焊点的间距从1mm到十几微米等。并且，随着电子产品小型化、轻量化、高精度及高可靠性的要求，使得连接对象的尺寸还在不断减小，亚微米与纳米尺度的封装技术也正在兴起。

1947年，第一只晶体管诞生，引发了一场彻底的革命，也开创了电子封装的历史。之后，人们一直在研究它的微型化、集成、封装等问题，以适应电子产品与系统大规模化、高可靠性的要求。起初，是尽量把元件做得很小，然后封包在一个外壳里，但是这种微型组装不符合现代各种各样设备的要求，更不用说需要容纳几十万、几百万的晶体管等元器件的复杂电子系统。

图4-3 几种IC封装的形式 a）TO晶体管示意图 b）DIP外观和内部结构示意图 c）PGA外观和内部结构示意图 d）贴装晶体管的内部结构示意图 e）SOP的外观和内部结构示意图 f）SOJ外观与内部结构示意图 g）QFP封装外观与内部结构示意图 h）BGA封装外观和内部结构示意图 Fig.4-3 Some types of IC packaging

1958年，美国得克萨斯仪器公司用锗和硅做出了世界上第一块集成电路，导致了多引线封装外壳的出现。但是受当时工艺设备的限制，引线宽度为100μm左右，集成度较低，仍然以玻璃封装外壳为主——TOP型（Transistor Outline Package）封装；其互连主要是靠手工进行软钎焊接。

20世纪60年代后期出现的适应波峰焊接的双列直插封装（Double Inline Package，DIP），其引脚数目在4～64根之间，而到20世纪70年代就成了中小规模IC封装的系列主导产品。

20世纪70年代是IC飞速发展的时期，一个硅片已经可以集成成千上万个晶体管或者门电路，称作大规模集成电路（Large Scale Integration，LSI）。它不单纯使元器件集成数量大大增加（10⁷～10⁸ MOS/cm² ），其集成对象也发生了根本变化。它可以是一个具有复杂功能的部件（如电子计算器），也可以是一台电子整机（如单片电子计算机）。一方面集成度迅猛增加，另一方面芯片尺寸不断扩大。由此出现了针栅阵列封装（Pin Grid Array，PGA）。

以DIP和PGA为代表的插入式器件，需要分别通过波峰焊接和机械接触实现器件的机械和电学连接。由于需要较高的对准精度，因而组装效率较低，同时器件的封装密度也较低。(www.xing528.com)

20世纪80年代，出现了表面组装技术（Sur_- face Mounting Technology，SMT），这是电子制造技术的一场划时代的革命。使得与此相适应的各类表面贴装元器件（SMC、SMD）等的出现与快速发展，如无引线陶瓷芯片载体（Leadless Ceramic Chip Carrier，LCCC）、塑料短引线芯片载体（Plas-tic Leaded Chip Carrier，PLCC）以及四边引线扁平封装（Quad Flat Package，QFP）等。表面组装器件通过“印钎料膏→表面贴片→整体回流”技术完成软钎焊的互连焊接，使得产量提高、可靠性提高、成本降低。器件封装类型以PLCC（QFJ）和QFP为主，由于采用了四面引脚结构，因而在很大程度提高了封装的强度和组装的密度。

随着改性环氧树脂材料性能的不断提高，使得器件的封装密度提高、引线间距（pitch）减小、成本降低，非常适合于大批量生产，广泛用于规模化的SMT生产线。于是塑料四边引线扁平封装（Plastic Quad Flat Package，PQFP）成为20世纪80年代电子封装的主导，其I/O高达240个。

20世纪80年代到90年代，随着IC特征尺寸不断减小以及集成度的不断提高，芯片尺寸也不断增大，IC发展到了超大规模电路（Very Large Scale In-tegration，VLSI）阶段，集成的门电路数高达数百万乃至千万，其I/O数达到1000个。由于四边引线扁平封装的引脚间距已经达到极限（0.3mm），于是出现了球栅阵列封装（Ball Grid Array，BGA）。

20世纪90年代，出现了微型球栅阵列（μBGA）和芯片尺寸封装（Chip Scale Package，CSP）。这两种封装的实质是一样的，其封装面积/芯片面积≤1.2，于是CSP解决了芯片小而封装大的根本矛盾，使得微电子封装技术更快地发展。与此同时，倒装芯片（Flip Chip）技术也出现了。BGA、CSP、Flip Chip均为面阵列封装结构，可以沿用回流焊和SMT生产技术，加上计算机和个人移动产品的普及，使得市场与技术互动向前推进，完成了继SMT之后的电子制造技术的又一次新的技术革命。

为了充分发挥芯片自身的功能和性能，不需要每个IC芯片都要求封装好后再组装到一起，而是将多个未加封装的大规模集成电路和专用的IC芯片先按照电子系统功能贴装在多层布线基板上，再将所有芯片互连后整体封装起来，这就是所谓的多芯片组件。它使现代电子封装技术达到了新的高峰，最终使得各类IC芯片彻底摆脱种种束缚它的封装外壳，直接以一级封装的形式进行芯片直接贴装（Direct Chip Attach，DCA）。

BGA技术的出现，加快了个人电子产品的技术进步和普及。典型的BGA以有机衬底（如BT）代替了传统封装内的引线框架，且通过多层板布线技术实现焊点在器件下面的阵列平面分布。既减轻了引脚间距不断下降在贴装上所遇到的阻力，同时又实现了封装、组装密度的大大增加，因而很快获得了大面积的推广，且在产业中的应用急剧增长。倒装芯片技术和芯片尺寸封装（Chip Scale Pack-age，CSP）开始使用的是非焊料凸点（铜、镍或金凸），后发展为在芯片上制备钎料凸点再将芯片正面朝下直接贴在衬底上，使用回流焊接实现批量的组装，大大提高了生产效率；同时，由于无引线而使其天生具有电阻小、寄生电容小、封装密度高和可靠性高等一系列优异的性能，特别是高频性能大大提高。随着底层填充技术、导电胶技术、凸点技术、凸点下金属化技术以及无铅工艺技术的出现，大大地增加了以BGA技术和倒装芯片技术为代表的面阵列封装技术的应用与普及，同时也给在电子封装领域的研究人员提出了很多有待研究和急需解决的课题。

进入21世纪，电子封装也进入了超高速发展时期，新的封装形式不断涌现并获得应用。除倒装焊接和芯片尺寸封装以外，又出现了多种发展趋势。封装标准化工作已经严重滞后，甚至连封装领域名词的统一都出现困难，例如：多芯片封装（Multi Chip Package），三维叠层封装（Stack Packages），系统封装SIP（System In a Package），多芯片组件MCM（Multi Chip Module），微 机 电 系 统MEMS（Micro Electronic Mechanical System），微光机电系统MEOMS（Micro Electronic Optical Mechanical System）以及将整个系统集成于单芯片技术SOC（System On a Chip）等。随着封装、组装的发展，晶片级（wa-fer level）、芯片级（chip level）、组装级（board lev-el）和系统级（system level）的界线已经逐渐模糊。原来一些仅仅用于晶片级的技术已经开始用于封装和组装级。由此导致了软钎焊工艺全面应用于从晶片到电子产品的各级封装与互连中。