芯片貼裝到PCB上的作用

較小的 PCB，包括剛撓結(jié)合電路，需要使用三種方法之一進(jìn)行芯片貼裝，具體取決于應(yīng)用。多年來一直是半導(dǎo)體制造唯一領(lǐng)域的技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)遷移到當(dāng)今的印刷電路板 (PCB) 制造工藝和流程中。

這些不是我們長大的舊的、傳統(tǒng)的 PCB；相反，它們是一種新型的電路板，主要是小型剛性電路和柔性電路，或兩者的組合，稱為剛?cè)峤Y(jié)合。越來越多的小型電子產(chǎn)品，如可穿戴設(shè)備、便攜式設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，都基于這些更新的微型電路板。

在 2019 年及未來，由于當(dāng)今先進(jìn)的電子產(chǎn)品正在縮小 PCB 空間，微電子將發(fā)揮至關(guān)重要的作用。電路板尺寸縮小的一個(gè)原因是組件也在縮小尺寸并變得越來越精致，并且組裝、檢查和測試產(chǎn)品變得越來越困難。

例如，許多這些較小的 PCB 無法通過傳統(tǒng)的 PCB 組裝和制造線。越來越多的此類電路板必須經(jīng)過專門的微電子封裝，包括引線鍵合和芯片連接。

芯片連接是小型 PCB 制造的一個(gè)相對較新的領(lǐng)域。簡而言之，它是將芯片或管芯連接到其封裝、基板或剛性、柔性或剛性-柔性電路的過程。事實(shí)上，它甚至可能涉及將一個(gè)芯片連接到另一個(gè)芯片。

精細(xì)加工

要使用的芯片貼裝方法取決于導(dǎo)熱性和散熱性。因此，在芯片連接過程之前，每個(gè)芯片都要經(jīng)過仔細(xì)的熱導(dǎo)率檢查和分析，以確定它將散發(fā)的熱量。

芯片通常存在于膠帶上、晶片中或華夫格托盤中。華夫格托盤或芯片組有許多已經(jīng)切好的芯片（圖 1）。

圖 1：帶芯片的 Waffle Pack（來源：NexLogic Technologies）

當(dāng)通過小型真空抽吸工具從華夫格托盤或晶圓包中拾取目標(biāo)芯片時(shí)，芯片連接過程開始（圖 2）。

圖 2：用于拾取芯片的真空抽吸工具（來源：NexLogic Technologies）

在真空釋放管芯后，它會(huì)與基板或 PCB 精確對齊，然后使用三種方法之一進(jìn)行永久連接。用于貼片的環(huán)氧樹脂和焊料可以是不導(dǎo)電的或?qū)щ姷?。進(jìn)行芯片貼裝時(shí)，芯片/芯片與基板/PCB之間應(yīng)有完美的接觸；此外，不應(yīng)有空隙。

此外，將芯片連接到基板的粘合劑必須非常精確。這個(gè)過程非常敏感；除了拾取芯片外，它還必須放置在基板上，而不會(huì)損壞或破壞它。所創(chuàng)建的芯片粘接應(yīng)該能夠承受極高的溫度范圍，而不會(huì)有任何生產(chǎn)力損失、任何性能損失和任何顯著退化。

環(huán)氧樹脂芯片連接

典型的芯片連接方法是環(huán)氧樹脂鍵合、共晶和焊料連接。環(huán)氧樹脂粘合工藝可能涉及銀環(huán)氧樹脂玻璃或基于聚酰亞胺材料。這種環(huán)氧樹脂使用非常精細(xì)的分配器進(jìn)行分配，該分配器非常精確地分配數(shù)量，公差以微米為單位。在這種情況下，基板需要加熱到從室溫到 200°C 的溫度，具體取決于所用環(huán)氧樹脂的類型。該溫度允許環(huán)氧樹脂正確固化，使其粘附在基板上，從而精確地在基板和芯片之間形成接合處。

當(dāng)環(huán)氧樹脂被分配時(shí)，它覆蓋了需要進(jìn)行芯片連接的區(qū)域，并在鍵合邊緣創(chuàng)建了一個(gè)圓角。如果分配的環(huán)氧樹脂過多，則會(huì)造成污染和錯(cuò)位。共面性也將成為一個(gè)問題，在這種情況下，芯片將無法正常運(yùn)行。相比之下，如果沒有分配足夠的環(huán)氧樹脂，則會(huì)導(dǎo)致開裂、產(chǎn)生空隙，并且隨后的接頭將是次優(yōu)的。

如所示圖3中，要執(zhí)行的極其精確的分配的需求。此外，需要使用高度復(fù)雜的檢測工具來實(shí)現(xiàn)完美的芯片貼裝。所使用的粘合劑通常不是導(dǎo)體——它們是電絕緣體，并且沒有良好的導(dǎo)熱性。為了使它們更具導(dǎo)熱性，使用銀或金材料，從而將熱阻降低到較低的值。

添加金、銀、碳化硅、氧化鈹或不同元素的化合物有助于在較低溫度下固化這些粘合劑。也可以使用環(huán)氧樹脂鍵合來連接多種不同材料的芯片尺寸。

共晶芯片連接

此技術(shù)使用共晶合金將芯片連接到型腔或基板。此應(yīng)用中的基板可以是陶瓷，也可以是鋁或銅等金屬，它們通常用于高功率應(yīng)用，例如微波和射頻組件。使用共晶貼片工藝（與使用粘合貼片工藝相反）的原因是共晶方法可以處理 300°C 或更高的溫度范圍。需要更高的溫度，因?yàn)樘沾珊徒饘俚然木哂懈叩娜埸c(diǎn)。

共晶芯片連接——也可以稱為“無助焊劑焊接連接工藝”——一種稱為預(yù)制件的薄金屬層（圖 4）。這種預(yù)制件是兩種或多種不同元素（金-銀或金-錫或類似元素）的合金（混合物），可用于在惰性氣氛下創(chuàng)建接頭。由于它們是允許的，與基材相比，這些預(yù)制件在較低的溫度下熔化。

圖 4：也稱為“無助焊劑焊接”，共晶芯片連接使用稱為預(yù)制件的薄金屬層。（來源：NexLogic Technologies）

例如，純金的熔點(diǎn)溫度非常高，超過 1,000°C，而硅的熔化溫度超過 1,400°C。另一方面，使用錫銀制成的預(yù)制件允許在 231°C、金錫在 295°C、金鍺在 350°C 和金硅在 400°C 下熔化，從而使其變得更加容易在可控的溫度范圍內(nèi)創(chuàng)建堅(jiān)固的接頭。

使用基于金的預(yù)制件的其他原因是因?yàn)樵撛哂懈邔?dǎo)電性 - 電和熱 - 從而提供了一種極好的散熱方式。

焊接芯片連接

焊接連接類似于表面貼裝技術(shù) (SMT) 接頭創(chuàng)建。由于焊料材料本身的高導(dǎo)熱性，焊料連接是一種常見的芯片鍵合類型。

正如我們所見，當(dāng)我們還考慮上面討論的各種方法時(shí)，芯片貼裝工藝可能會(huì)出現(xiàn)極端的溫度變化。例如，對于錫鉛 SAC 305 或一些類似焊料，軟焊料連接工藝的溫度范圍為 180°C 至 250°C。對于由金-錫、金-硅或類似合金制成的焊料，高溫焊料連接方法可能會(huì)超過 250°C 甚至更高。當(dāng)涉及到 LED 等設(shè)備的散熱時(shí)，焊接連接也很重要。

焊料附著的一個(gè)重要方面是芯片需要助焊劑。在此之前，需要將初始焊料合金預(yù)鍍在芯片金屬化和基板金屬化上。如果需要某個(gè)層，則需要稍微不同的芯片和基板組成。一旦執(zhí)行完畢，就使用芯片放置器將芯片放置在基板上。

當(dāng)使用焊料連接方法時(shí)，將一根導(dǎo)線送入系統(tǒng)，在那里預(yù)熱，然后熔化焊料并形成接頭（之后，在封裝之前必須清除芯片上的助焊劑）。

焊錫附著技術(shù)的優(yōu)良特性包括其堅(jiān)固、機(jī)械強(qiáng)度、良好的散熱和高導(dǎo)熱性。

引線鍵合

一旦管芯連接工藝完成（使用上述任何技術(shù)），就會(huì)使用附加工藝來執(zhí)行引線鍵合，該工藝將管芯/芯片上的焊盤連接到基板/PCB 上的相應(yīng)焊盤。這些引線鍵合可以使用金線、鋁線、銅線或（在某些情況下）銀線來實(shí)現(xiàn)。

總之，對于剛性、柔性和剛?cè)峤Y(jié)合電路等小型 PCB 而言，芯片貼裝正成為一項(xiàng)更為突出的技術(shù)。因此，對于 OEM 設(shè)計(jì)人員來說，很好地掌握三種類型的芯片貼裝方法以選擇最適合其應(yīng)用的方法非常重要。

文章來源：eeweb 祖爾基汗

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