电子制造技术 利用无铅、无卤素和导电胶材料PDF电子书下载

第1章　无公害电子制造技术简介 1

1.1 工业发展趋势 1

1.1.1 汽车工业 1

目录 1

1.1.2 电子工业 2

1.2　全球无公害制造技术的发展趋势 3

1.2.1 政府行为 3

1.2.2 工业行为 3

1.2.3　研究发展行为 4

1.2.4　教育行为 4

1.2.5 全球在无公害电子制造技术方面的努力 5

1.3　无公害电子制造技术的发展趋势 6

1.3.1 集成电路制造 8

1.3.3 印刷电路板 9

1.3.2 集成电路封装 9

1.3.4　无铅焊料 10

1.3.5 不含卤素的阻燃剂 11

1.3.6 导电胶 12

1.3.7 终身管理制 12

致谢 13

参考文献 13

第2章　应用无铅焊料实现芯片（或晶片）级的互连 21

2.1 简介 21

2.2 凸点下金属化 21

2.2.1 不带电镀的镍-磷浸金凸点 22

2.2.2　铝-镍钒-铜凸点 24

2.3.1 微球晶片凸点概述 25

2.3 应用无铅焊料的微球圆片凸点 25

2.3.2　微球的制备 26

2.3.3　微球的控制 28

2.3.4 微球圆片凸点 28

2.4 置于圆片上的锡-银-铜焊料球 31

2.4.1 晶片级芯片尺寸封装（WLCSP） 31

2.4.2 带有应力缓释层的圆片级芯片尺寸封装 32

2.5 在带有Ni-Au金属凸点硅片上掩膜印刷Sn-Ag焊料 34

2.5.1 在不电解镍与焊料间的界面态 34

2.5.2 金属互化物（IMC）和富磷镍层的生长 36

2.5.3 凸点切向断裂面 38

2.6 镍-金作为凸点下金属层的硅片上应用锡-铜、锡-银-铋、锡-银-铜等焊料的掩膜印刷 40

2.6.1 回流化焊料凸点间的界面 40

2.6.2　合金化焊料凸点间的界面 42

2.6.3 焊料凸点的剪切力 43

2.7 在带有钛-铜金属化层的硅片上掩膜印刷锡-铜、锡-银-铋、锡-银-铜焊料 44

2.7.1 回流后焊料凸点间的界面 44

2.7.2 合金化焊料凸点间的界面 45

2.8 在带有铝-镍钒-铜凸点下金属层的硅片上焊料的掩膜印刷 46

致谢 47

参考文献 47

第3章　在印刷电路板／衬底上用无铅焊料实现圆片级芯片尺寸封装（WLCSP） 51

3.1 简介 51

3.2 应用应力缓释层实现锡银铜圆片级芯片尺寸封装时焊料连接的可靠性 51

3.2.1 有限元分析结果 51

3.2.2　热循环分析结果 52

3.2.3 应力缓释层对电容的影响 55

3.3.1 等温条件下疲劳试验结果 57

3.3 应用TiCu和NiAu凸点下金属化层实现SnAg、SnAgCu的WLCSP封装时焊料连接的可靠性 57

3.3.2 热循环疲劳试验结果 59

3.4 应用铝镍钒铜UBM实现WLCSP封装时锡银、锡银铜、锡银铜锑、锡银铟铜等焊料连接的可靠性 62

3.4.1 在陶瓷衬底实现锡银、锡银铜、锡银铜锑、锡银铟铜WLCSP封装的热疲劳试验结果 63

3.4.2 在印刷电路板上实现SnAgCu的WLCSP封装的热疲劳试验结果 63

3.4.3 在印刷电路板上实现SnAgCu的WLCSP封装的高温储存 64

3.4.4 在印刷电路板上SnAgCu的WLCSP封装的剪切力 64

致谢 67

参考文献 67

4.1 简介 74

4.2 适于使用无电镀镍-金、电镀金和电镀铜凸点的硅片 74

第4章　无焊料凸点实现芯片（或圆片）级的互连 74

4.3 不带电的镍-磷浸金凸点 75

4.3.1 材料和工艺流程 75

4.3.2　钝化层断裂 78

4.4 电镀金凸点 78

4.4.1　材料和工艺流程 78

4.4.2 凸点的规格和测量方法 79

4.5 电镀铜凸点 79

4.5.1 材料和工艺流程 79

4.5.2 需特别注意的方面 79

4.6 电镀铜连线 80

4.6.1 结构 80

4.6.2　材料制备及工艺流程 80

4.7.2 需特殊考虑的方面 81

4.7.1　材料及其制备过程 81

4.7　连线压焊的微弹簧 81

4.8　连线压焊的金钮栓凸点 82

4.8.1　材料及其制备过程 82

4.8.2　设备 83

4.9 连线压焊的铜钮栓凸点 88

4.9.1　材料及其制备过程 88

4.9.2 剪切力 89

致谢 90

参考文献 91

第5章　在印刷电路板／衬底上应用无焊料凸点的圆片级芯片尺寸封装（WLCSP） 92

5.1 简介 92

5.2 带有各向异性导电薄膜的印刷电路板上应用金、铜、镍-金凸点的WLCSP封装的设计、材料、工艺过程和可靠性 92

5.2.2 各向异性导电薄膜（ACF） 93

5.2.1 印刷电路板（PCB） 93

5.2.3 采用各向异性导电薄膜（ACF）的板上倒装片装配（FCOB） 94

5.2.4 采用各向异性导电薄膜（ACF）的板上倒装片装配系统（FCOB）的温度循环测试 97

5.2.5 采用各向异性导电薄膜（ACF）的板上倒装片装配系统（FCOB）表面绝缘电阻（SIR）的测试 97

5.2.6 小结 98

5.3 在衬底上使用焊料或黏结剂的铜连线圆片级芯片尺寸封装（WLCSP） 99

5.4 在PCB板／衬底上使用焊料或黏结剂的微弹簧WLCSP 99

5.5 在带有茚并羧酸（ICA）印刷电路板的金钮栓凸点WLCSP 100

5.5.1 材料及其制备流程 101

5.5.2 适用于SBB技术的设备 101

5.6 在翘曲基板上使用茚并羧酸（ICA）的金钮栓凸点圆片级芯片尺寸封装（WLCSP） 103

5.6.1　材料及其制备过程 104

5.7 在PCB板上使用ACP/ACF进行金钮栓凸点WLCSP封装 107

5.7.1 带有不导电填料的ACF/ACP 107

5.6.2 量化测试和结果 107

5.7.2　DSC测试结果 108

5.7.3　DMA测试结果 109

5.7.4　TMA测试结果 109

5.7.5　TGA测试结果 111

5.7.6 85℃/85％相对湿度测试及结果 111

5.7.7 热循环测试及结果 112

5.8 被扩散到带NCA的金焊盘PCB板的金钮栓凸点WLCSP封装 112

5.8.1　材料及其制备过程 113

5.8.2 可靠性 114

5.9 使用NCA在焊盘镀金柔性衬底上进行金钮栓凸点WLCSP封装 115

5.9.1 材料及其制备过程 115

5.9.2 可靠性 118

5.10 在PCB板上使用无铅焊料的铜钮栓凸点WLCSP封装 119

5.10.1　材料及其制备过程 119

5.10.2 可靠性 120

致谢 121

参考文献 122

第6章　适用于集成电路封装的无公害铸模化合物 125

6.1 简介 125

6.2 适于塑料方形扁平封装（PQFP）的无公害铸模化合物 126

6.2.1 阻燃系统——添加型阻燃剂 126

6.2.2 耐火系统——新型树脂系统 127

6.2.3 回流温度的升高对铸模化合物的影响 128

6.2.4 配合无铅焊接的不含卤素的铸模化合物 132

6.3.1 不含卤素的阻燃剂机制 135

6.3　适于塑封焊球阵列封装（PBGA）的无公害铸模化合物 135

6.3.2 由于Tg值的离差引起的PBGA封装翘曲 137

6.3.3 由于应力吸收机制引起PBGA封装的翘曲 140

6.4 适于制造自动化的PBGA封装的无公害铸模化合物 141

6.4.1 不含卤素的阻燃树脂 142

6.4.2　样品的制备 143

6.4.3 Tg、收缩、黏性等对封装共面的影响 144

6.4.4　湿度灵敏度的测试 145

致谢 147

参考文献 147

7.2　无公害衬底贴装薄膜 149

7.2.1 铅模PQFP封装中使用的充银薄膜DF-335-7 149

7.1 简介 149

第7章 集成电路封装中无公害衬底贴装薄膜 149

7.2.2　BT衬底PBGA封装和芯片尺寸封装（CSP）使用的绝缘膜DF-400 152

7.3 无公害铟-锡衬底贴装键合工艺 155

7.3.1　铟-锡相图 156

7.3.2 铟-锡焊料连接的设计和工艺流程 157

7.3.3　铟-锡（In-Sn）焊料结点的特性 158

致谢 160

参考文献 160

第8章 常规PCB板在环保方面的问题 162

8.1　简介 162

8.2 电子产品对环境的影响 163

8.2.1 环保方面需要主要考虑的问题 164

8.2.2　能源问题 166

8.2.3　化学问题 167

8.2.4　废弃物和可循环使用物 174

8.2.5 无公害电子产品的设计 175

8.3　针对印刷电路板行业环保方面的研究和探索 177

8.3.1 减小能源和溶剂的使用量 178

8.3.2 在印刷电路板中可更新的树脂 179

8.3.3 拆卸时可重复使用的密封剂 180

8.4 无卤素替代物方面研究的源动力 181

8.4.1 背景和难点 182

8.4.2　源动力 182

8.4.3　可供选择的材料 183

8.4.4 设计的测量和性能 183

参考文献 184

第9章　起阻燃作用的含卤素和不含卤素的材料 186

9.1 简介 186

9.2.1　产品方面 187

9.2　溴化阻燃剂 187

9.2.2　分类 188

9.2.3　风险评估 190

9.3 无卤素阻燃剂毒物学方面的研究 192

9.3.1　基础知识 192

9.3.2　脱氮作用 194

9.3.3 生物测定流程 194

9.4 阻燃塑料在环保方面的作用 196

9.4.1 阻燃聚碳酸酯 196

9.4.2 自熄灭的环氧树脂化合物 199

参考文献 201

10.2 PCB板的环保型设计 203

10.2.1　流程模拟 203

10.1　简介 203

第10章　环保型印刷电路板的制造 203

10.2.2　健康指数评估 205

10.2.3 电路板的优化设计 207

10.2.4 寿命周期分析（LCA） 209

10.3 绿色印刷电路板的生产 210

10.3.1 基本流程 211

10.3.2　工艺流程的调整 211

10.3.3　环境方面的影响 214

10.4　环保的保形涂料 215

10.4.1 基础知识 215

10.4.2　涂料的选择 216

10.4.3　加工方法 216

10.4.4　分配方法 217

10.4.5 工艺流程问题 219

参考文献 220

第11章　无铅焊料方面国际研究状况 221

11.1　简介 221

11.2 较早时期无铅焊料的研究状况 222

11.3 近期无铅焊料的研究状况 222

11.4 日本在这方面若干措施产生的影响 225

11.5 美国在这些方面的反应 225

11.6　什么叫无铅连接？ 227

11.7 无铅焊料的关键问题 228

11.8 目前可用的无铅焊料 228

11.8.1　锡96.5/银3.5（Sn96.5/Ag3.5） 228

11.8.2　锡99.3/铜0.7（Sn99.3/Cu0.7） 228

11.8.3　锡银铜（SnAgCu） 228

11.8.5　锡银铋＋其他（SnAgBiX） 229

11.8.4　锡银铜＋其他（SnAgCuX） 229

11.8.7　锡锌＋其他（SnZnX） 230

11.8.8　锡铋（SnBi） 230

11.8.6　锡锑（SnSb） 230

11.9　成本方面的考虑 231

11.10 印刷电路板的终端处理 231

11.11　元器件 231

11.12　热破坏实验 232

11.13 其他需要考虑的问题 232

11.14　协会活动 233

11.15 协会的观点 233

11.16 先行者的选择是什么呢？ 233

11.17 可能的解决方法 234

11.20　相关信息来源 235

11.20.1 相关法律的制定 235

11.18 无铅的材料安全吗？ 235

11.19　小结 235

11.20.2 参与此项工作的独立的公司和电子工业机构 236

11.20.3 目前被考虑的合金 237

参考文献 237

第12章　无铅焊料合金的发展 238

12.1　相关标准 238

12.2 毒性 239

12.3 成本和可利用性 241

12.4　无铅合金的发展状况 241

12.4.1 目前正在使用的合金 241

12.4.2　合金的调整和发展 241

12.5 无铅合金的研究状况 248

12.6 不同国家对各种无铅合金使用的倾向性 264

12.6.1 日本的情况 264

12.6.2 欧洲的情况 266

12.6.3 北美洲的情况 266

12.6.4 区域性选择情况的对比 266

12.7　有关专利方面的情况 267

12.8　结论 268

参考文献 268

第13章　主要的无铅合金 273

13.1　共熔锡-银合金（Sn-Ag） 273

13.1.1 物理特性 273

13.1.2 力学性能 274

13.1.3　浸润特性 278

13.1.4　可靠性 281

13.2　共熔锡-铜合金（Sn-Cu） 286

13.2.1 物理特性 286

13.2.2　机械特性 287

13.2.3 浸润特性 287

13.2.4　可靠性 288

13.3　锡-银-铋合金（Sn-Ag-Bi）和锡-银-铋-铟合金（Sn-Ag-Bi-In） 292

13.3.1 物理和机械特性 292

13.3.2　浸润特性 295

13.3.3 可靠性 296

13.4　锡-银-铜合金（Sn-Ag-Cu）和锡-银-铜＋其他（Sn-Ag-Cu-X） 299

13.4.1　物理特性 299

13.4.2　机械特性 302

13.4.3　浸润特性 308

13.4.4　可靠性 312

13.5　锡-锌合金（Sn-Zn）和锡-锌-铋合金（Sn-Zn-Bi） 321

13.5.1 物理特性 321

13.5.2　机械特性 321

13.5.3 浸润特性 322

13.5.4　可靠性 323

13.6 小结 325

参考文献 326

第14章　无铅表面处理 330

14.1　简介 330

14.2 印刷电路板无铅表面磨光处理方案 331

14.3 有机焊料性能保护剂（OSP） 332

14.3.1　苯并三唑（BTA） 332

14.3.2　咪唑 335

14.3.3　苯甲亚胺 336

14.3.4　预焊剂 340

14.4　镍-金（Ni/Au） 341

14.4.1 电解Ni/Au 342

14.4.2 非电镀镍／浸金 344

14.4.3 非电镀镍／非电镀（自动催化）金 349

14.5　浸银 350

14.6　浸铋 357

14.7　钯（Pd） 359

14.7.1 浸金或非浸金电解钯 359

14.7.2 浸金或非浸金非电镀（自动催化）钯 362

14.8 非电镀镍／钯／（闪金） 363

14.9.2　无电镍／钯镍／闪金（Ni/PdNi/Au flash） 365

14.9.1 电解镍／钯钴／闪金（Ni/PdCo/Au flash） 365

14.9 镍-钯（其他）（Ni/Pd（X）） 365

14.10　锡 367

14.10.1　电解锡 367

14.10.2　浸锡 369

14.11 电解镍-锡 374

14.12　锡-铋（Sn-Bi） 376

14.12.1 浸锡-铋合金 376

14.12.2 电解锡-铋合金 377

14.13 锡-铜（热气焊料） 377

14.14　电解锡-镍 378

14.15 固体焊料沉淀（SSD） 379

14.15.1　热气焊料（HASL） 379

14.15.2　Optipad 380

14.15.3　Sipad 381

14.15.4　PPT 382

14.15.5 焊料覆层 383

14.15.6 焊接喷射 383

14.15.7　高级焊料 384

14.16 印刷电路板表面处理小结 384

14.17 元件表面处理选择方案 386

14.18　镍-金（ENIG） 387

14.19 电解钯 387

14.20　非电镀镍-钯 387

14.21 电解钯-镍 388

14.22 锡 388

14.23 电解锡-银 389

14.25 锡-铜 390

14.24 电解锡-铋 390

14.26　元件表面处理小结 392

参考文献 392

第15章　无铅焊接的实现 398

15.1 与带有表面贴装技术回流工艺无铅焊接的兼容性 398

15.1.1 兼容性评估的试验方案 398

15.1.2　兼容性研究结果 402

15.1.3 需考虑的额外因素 409

15.1.4　兼容性评估 411

15.2　无铅波焊的实现 411

15.3 回流条件对无铅焊接的影响 413

15.4 无铅黏胶焊接的焊剂要求 417

15.6 无铅焊料黏胶的清洁性能 419

15.5 无铅黏胶操作的焊剂要求 419

15.7　无铅残渣清理的焊剂要求 422

15.8 无铅残渣清理的化学试剂／工艺流程 422

15.9 无铅焊料黏胶的选择 423

参考文献 424

第16章　无铅焊接的难点 426

16.1　表面处理的难点 426

16.1.1 黑焊盘 426

16.1.2 外部裂化／漏掉电镀 428

16.1.3　锡须 428

16.1.4　表面处理清洁阻抗 433

16.2　焊接的难点 433

16.2.1　金属互化物 433

16.2.2　金属渣滓 434

16.2.3 波峰焊接组分 435

16.2.4　铅掺杂 436

16.2.5　填料上浮 440

16.2.6　吸湿性能差 444

16.2.7 空洞 444

16.2.8　粗糙连接形貌 446

16.3 可靠性的难点 446

16.3.1 锡制的有害物 446

16.3.2　金属互化物小盘 447

16.3.3　硬节点 448

16.3.4　热损伤 448

16.3.5 焊剂残留物的清理 449

16.3.6 导电阳极电阻丝 450

16.4 没能解决的难点 451

参考文献 453

第17章　导电胶的介绍 458

17.1 电子封装：简单的回顾 458

17.2 导电胶技术综述 460

17.2.1 各向异性导电胶（ACA） 461

17.2.2　各向异性导电胶（ICA） 464

17.3 导电胶相关技术的基本知识和替代焊料的发展趋势 470

17.4　研究目标 471

17.4.1 银膜上的有机润滑剂的化学组分和特征 471

17.4.2 导电胶的导电机理研究 472

17.4.3 在常规金属上导电胶接触电阻不稳定的主要原因和接触电阻稳定性研究 472

17.4.4 具有良好导电性、稳定的接触电阻和抗冲击的导电胶的研究进展 472

致谢 473

17.5　研究概况 473

参考文献 474

第18章　导电胶电导率的建立 477

18.1 简介 477

18.2　实验 477

18.2.1　材料 477

18.2.2 导电胶透射电镜方法（TEM）研究 478

18.2.3 处理过程中传导性的建立 478

18.2.4 卷曲收缩量的测量 478

18.2.8 导电胶的处理 479

18.2.7 处理时模量变化的测量 479

18.2.6 具有导电黏附和润滑特征的薄银片电导率的建立 479

18.2.5 在外部压力下银颗粒和导电胶电导率的变化 479

18.2.9 交联密度测试 480

18.3　结果与讨论 480

18.3.1 银薄片间颗粒内连接的观察 480

18.3.2 处理时导电胶导电性的建立 480

18.3.3 银片润滑层与导电胶传导性之间关系的研究 482

18.3.4 翘曲收缩与电导率关系的研究 484

18.4 结论 490

参考文献 490

第19章　导电胶接触电阻不稳定的机理研究 491

19.1 简介 491

19.2.2 体电阻漂移的研究 493

19.2.3 接触电阻漂移的研究 493

19.2 实验 493

19.2.1 材料概述 493

19.2.4 氧化物形成的研究 494

19.3　结果和讨论 494

19.3.1 接触电阻漂移现象 494

19.3.2 接触电阻潜在不稳定性现象的机理研究 496

19.3.3　金属氧化物形成的观测 500

19.4　结论 501

参考文献 502

第20章　导电胶接触电阻的稳定性 503

20.1　简介 503

20.1.1 影响电化腐蚀的因素 503

20.1.2 防电化腐蚀的添加剂（氧气清道夫） 503

20.2.3 导电胶翘曲行为的研究 505

20.2.4 导电胶动态特性的研究 505

20.2.1　材料 505

20.2.2 接触电阻测试装置 505

20.2 实验 505

20.2.5 湿度吸收的测试 506

20.2.6　黏结强度的测试 506

20.3　结果与讨论 506

20.3.1 电解对接触电阻漂移的影响 506

20.3.2 湿度吸收对接触电阻漂移的影响 507

20.3.3 应用添加剂提高接触电阻的稳定性 507

20.4 结论 512

20.5 小结 513

参考文献 513

英汉术语对照 516

作者简介 546