只要關(guān)注一下如今在各地舉辦的形形色色專業(yè)會議的主題,我們就不難了解電子產(chǎn)品中采用了哪些最新技術(shù)。CSP(芯片尺寸封裝)、0201無源元件、無鉛焊接、MCM(多芯片組件)和AXI(自動X射線檢測)可以說是近來許多公司在PCB上實踐和積極評價的熱門先進(jìn)技術(shù),而隨著這些新技術(shù)的實施,也帶來了一些新的挑戰(zhàn),例如在CSP和0201組裝中常見的超小開孔(250μm)就使得焊膏印刷遇到以前從未有過的基本物理問題。
芯片級封裝技術(shù)
在BGA(球柵陣列)技術(shù)開始推廣的同時,另外一種從BGA發(fā)展來的CSP封裝技術(shù)正在逐漸展現(xiàn)它的生力軍本色,金士頓、勤茂科技等領(lǐng)先內(nèi)存制造商已經(jīng)推出采用CSP封裝技術(shù)的內(nèi)存產(chǎn)品。CSP(Chip Scale Package)即芯片尺寸封裝,作為新一代封裝技術(shù),它在TSOP、BGA的基礎(chǔ)上性能又有了革命性的提升。CSP封裝可以讓芯片面積與封裝面積之比超過1:1.14,已經(jīng)相當(dāng)接近1:1的理想情況,絕對尺寸也僅有32平方毫米,約為普通BGA的1/3,僅僅相當(dāng)于TSOP面積的1/6。這樣在相同封裝尺寸內(nèi)可有更多I/O,使組裝密度進(jìn)一步提高,可以說CSP是縮小了的BGA。
CSP封裝芯片不但體積小,同時也更薄,其金屬基板到散熱體的最有效散熱路徑僅有0.2mm,大大提高了芯片在長時間運(yùn)行后的可靠性,其線路阻抗較小,芯片速度也隨之得到大幅提高,CSP封裝的電氣性能和可靠性也相比BGA、TOSP有相當(dāng)大的提高。在相同芯片面積下CSP所能達(dá)到的引腳數(shù)明顯也要比后兩者多得多(TSOP最多304根,BGA以600根為限,CSP原則上可以制造1,000根),這樣它可支持I/O端口的數(shù)目就增加了很多。此外,CSP封裝芯片的中心引腳形式有效縮短了信號的傳導(dǎo)距離,衰減隨之減少,使芯片的抗干擾、抗噪性能得到大幅提升,這也使CSP的存取時間比BGA改善15%~20%。
在CSP封裝方式中,芯片通過一個個錫球焊接在PCB板上,由于焊點和PCB板的接觸面積較大,所以芯片在運(yùn)行中所產(chǎn)生的熱量可以很容易地傳導(dǎo)到PCB板上并散發(fā)出去;而傳統(tǒng)的TSOP封裝方式中,芯片是通過芯片引腳焊在PCB板上的,焊點和PCB板的接觸面積較小,芯片向PCB板傳熱就要相對困難一些。CSP封裝可以從背面散熱,且熱效率良好,CSP的熱阻為35℃/W,而TSOP熱阻40℃/W。測試結(jié)果顯示,運(yùn)用CSP封裝的芯片可使傳導(dǎo)到PCB板上的熱量高達(dá)88.4%,而TSOP芯片中傳導(dǎo)到PCB板上的熱能為71.3%。另外由于CSP芯片結(jié)構(gòu)緊湊,電路冗余度低,因此它也省去了很多不必要的電功率消耗,致使芯片耗電量和工作溫度相對降低。
目前CSP已經(jīng)開始應(yīng)用于超高密度和超小型化的消費類電子產(chǎn)品領(lǐng)域,如內(nèi)存條、移動電話、便攜式電腦、PDA、超小型錄像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等產(chǎn)品(圖1)。
無源元件的進(jìn)步
另一個新興領(lǐng)域是0201無源元件技術(shù)。由于市場對小型線路板的需要,人們對0201元件十分關(guān)注,主要原因是0201元件大約為相應(yīng)0402尺寸元件的三分之一,但其應(yīng)用比以前的元件要面臨更多挑戰(zhàn)。自從1999年中期0201元件推出,移動電話制造商就把它們與CSP一起組裝到電話中,以減少產(chǎn)品的重量與體積。據(jù)測算在相同面積印制板上0201元件安裝的數(shù)量將是0402的2.5倍,也就是說,增加200個0201電阻電容省下的空間還可再安裝300個元件,當(dāng)然也可節(jié)省100mm2空間用來安裝一個或更多CSP。
但處理這類封裝相當(dāng)麻煩,要減少工藝缺陷(如橋接和直立),焊盤尺寸優(yōu)化和元件間距是關(guān)鍵。只要設(shè)計合理,這些封裝可以緊貼著放置,間距可小至0.1mm。
除此之外,焊膏印刷、元件貼裝也是要面對的問題。但慶幸的是機(jī)器制造商、元件供應(yīng)商、印制板制造商、模板工廠和錫膏制造商正在加強(qiáng)相互之間的聯(lián)系,以形成一個更加無縫的開發(fā)過程,最終的結(jié)果將使廣大印制板組裝廠商受益。
無鉛焊接
無鉛焊接是另一項新技術(shù),許多公司已經(jīng)開始采用。這項技術(shù)始于歐盟和日本,起初是為了在進(jìn)行PCB組裝時從焊料中取消鉛成份。實現(xiàn)這一技術(shù)的日期一直在變化,最初提出在2004年實現(xiàn),最近提出的日期是在2006年。不過,許多公司現(xiàn)正爭取在2004年擁有這項技術(shù),有些公司現(xiàn)在已經(jīng)能提供無鉛產(chǎn)品。
現(xiàn)在市場上已有許多無鉛焊料合金,美國和歐洲最通用的合金成份是95.6Sn/3.7Ag/0.7Cu。處理這些焊料合金與處理標(biāo)準(zhǔn)Sn/Pb焊料相比較并無多大差別,其中的印刷和貼裝工藝是相同的,主要差別在于再流焊工藝,也即大多數(shù)無鉛焊料必須采用較高的液相溫度。Sn/Ag/Cu合金一般要求的峰值溫度比Sn/Pb焊料高大約30℃。另外,初步研究表明,其再流焊工藝窗口比標(biāo)準(zhǔn)Sn/Pb合金要嚴(yán)格得多。但從無鉛組裝的可靠性可以看出,它完全比得上Sn/Pb焊料。
MCM技術(shù)
盡管CSP封裝的裸芯片尺寸與封裝尺寸基本相近,可使電路組裝密度大幅度提高,但人們在應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn),無論采用何種封裝技術(shù)封裝后裸芯片的性能總是比未封裝的要差一些。于是人們對傳統(tǒng)的混合集成電路(HIC)進(jìn)行徹底的改變,提出了多芯片組件(MCM)封裝模式。
MCM是上世紀(jì)90年代以來發(fā)展較快的一種先進(jìn)混合集成電路,它把幾塊IC芯片或CSP組裝在一塊電路板上,構(gòu)成功能電路板(圖2),它是用電路組件功能實現(xiàn)系統(tǒng)級的基礎(chǔ)。隨著MCM的興起,封裝概念發(fā)生了本質(zhì)的變化,在20世紀(jì)80年代以前,所有的封裝是面向器件的,而MCM可以說是面向部件或者說是面向系統(tǒng)或整機(jī)的。MCM技術(shù)集先進(jìn)印刷電路板技術(shù)、混合集成電路技術(shù)、表面安裝技術(shù)、半導(dǎo)體集成電路技術(shù)于一體,是典型的垂直集成技術(shù),對半導(dǎo)體器件來說,它是典型的柔型封裝技術(shù),是一種電路的集成。MCM的出現(xiàn)為電子系統(tǒng)實現(xiàn)小型化、模塊化、低功耗、高可靠性提供了更有效的技術(shù)保障。
對MCM發(fā)展影響最大的莫過于IC芯片。因為MCM高成品率要求各類IC芯片都是良品(KGD),而裸芯片無論是生產(chǎn)廠家還是使用者都難以全面測試?yán)匣Y選,給組裝帶來了不確定因素。CSP的出現(xiàn)解決了KGD問題,CSP不但具有裸芯片的優(yōu)點,還可像普通芯片一樣進(jìn)行測試?yán)匣Y選,使MCM的成品率得到保證,大大促進(jìn)MCM的發(fā)展和推廣應(yīng)用。目前MCM已經(jīng)成功地用于大型通用計算機(jī)和超級巨型機(jī)中,今后將用于工作站、個人計算機(jī)、醫(yī)用電子設(shè)備和汽車電子設(shè)備等領(lǐng)域,2004年產(chǎn)值有望突破110億美元,進(jìn)入全面實用化階段。
AXI檢測技術(shù)
在BGA、CSP等新型元件應(yīng)用中,由于焊點隱藏在封裝體下面,傳統(tǒng)的檢測技術(shù)已無能為力。為應(yīng)對新挑戰(zhàn),自動X射線檢測(AXI)技術(shù)開始興起。組裝好的線路板沿導(dǎo)軌進(jìn)入機(jī)器內(nèi)部后,其上方有一個X射線發(fā)射管發(fā)射X射線,穿過線路板后被置于下方的探測器(一般為攝像機(jī))接收,由于焊點中含有可以大量吸收X射線的鉛,因此與穿過玻璃纖維、銅、硅等其它材料的X射線相比照射在焊點上的X射線被大量吸收,而呈黑點產(chǎn)生良好圖像(圖3),使得對焊點的分析變得直觀,用簡單的圖像分析算法便可自動且可靠地檢驗焊點缺陷。
AXI檢測技術(shù)已從以往的2D檢驗發(fā)展到目前的3D檢驗。前者為透射X射線檢驗,對于單面板上的元件焊點可產(chǎn)生清晰的視像,但對于目前廣泛使用的雙面貼裝線路板,效果就會很差,因為兩面焊點的視像會重疊而難于分辨。3D檢驗法采用分層技術(shù),將光束聚焦到不同的層上并將相應(yīng)圖像投射到一高速旋轉(zhuǎn)接受面,由于接受面高速旋轉(zhuǎn)使位于焦點處的圖像非常清晰,而其它層上的圖像則被消除,故3D檢驗法可對線路板兩面的焊點獨立成像。
3D X射線技術(shù)除了可以檢驗雙面貼裝線路板外,還可對那些不可見焊點如BGA等進(jìn)行多層圖像“切片”檢測,即對BGA焊接連接處的頂部、中部和底部進(jìn)行徹底檢驗。同時利用此方法還可測通孔(PTH)焊點,檢查通孔中焊料是否充實,從而極大地提高焊點連接質(zhì)量。
AXI檢測技術(shù)為SMT生產(chǎn)檢測手段帶來了新的變革,可以說它是目前那些渴望進(jìn)一步提高生產(chǎn)工藝水平、提高生產(chǎn)質(zhì)量、并將及時發(fā)現(xiàn)裝聯(lián)故障作為解決突破口的生產(chǎn)廠家的最佳選擇。按照目前SMT器件的發(fā)展趨勢,其它裝配故障檢測手段由于其局限性而寸步難行,X射線自動檢測設(shè)備將成為SMT生產(chǎn)設(shè)備的新焦點并在SMT生產(chǎn)領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用 |