考试题型

题型一:名词解释

要求熟记重要术语的中文名称，英文全称和缩写，参考课本附录c

缩写 全称 中文名称
BGA ball grid array 球栅阵列封装
CBGA ceramic ball grid array 陶瓷球栅阵列封装
CSP chip size package 芯片尺寸封装
CTE coefficient of thermal expansion 热膨胀系数
DFR design for reliability 可靠性设计
DIP double ln line package 双列直插式封装
EG electroless gold 化学镀金
ENIG electroless nickel/imnersion gold 化学镀镍浸金
FC flip chip 倒装芯片
FCB flip chip bonding 倒装芯片键合
HASL hot air solder leveling 热风整平
缩写 全称 中文名称
QFP quad flat package 四边扁平封装
RoHS Restriction of Hazardous Substances 关于限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令
SiP system in a package 系统级封装
SLP single in line a package 单列直插封装
SMA surface mount assembly 表面组装组件
SMC surface mount component 表面组装元件
SMD surface mount device 表面组装器件
SMT surface mounted technology 表面组装技术或表面贴装技术
SOP small out line package 小外形封装
SSB single sided print board 单面印制电路板
TAB tape automated bonding 载带自动键合技术

题型二：判断题/选择题

考察基本常识

  • 球形键合的第一个焊点具有各项同性 正确

  • 楔型键合和球形键合使用的劈刀一样 错误

  • 载带自动焊技术的外引线连接是将载带引线与芯片焊区凸点焊接 错误

  • WB、TAB、FC三种芯片焊接技术中，FC的互连电容和互连电感是最小的 正确

  • 倒装芯片焊接的底部填充方法分为流动填充和非流动填充，流动填充是焊接前进行填充 错误

  • 硬针焊和软针焊以450℃作为区分，焊接温度高于450℃为硬钎焊，焊接温度低于450℃为软针焊 错误

  • 钎焊过程，Cu和Sn发生化学反应，只生成Cu6Sn5一种金属间化合物 错误

  • IMC通常又硬又脆，并且熔点高 正确

  • 基板材料发生氧化以后，不仅影响金属的可焊性，而且增加了装联组件上的温度梯度 正确

  • 当液体各个原子之间的相互作用力大于液体与固体之间的相互作用力：针料在基板表面润湿 错误

  • 金属熔点的降低与金属颗粒的半径成反比 正确

  • 过度的界面反应有利于液态钎料在基板上的铺展 错误

  • 液态钎料如果与基板之间的界面产生金属间化合物也有利于二者之间的润湿，但化合物生长过于剧烈，反而对润湿不利 正确

  • 适当增加母材表面粗糙度有利于改善液态钎料对母材表面的润湿性 正确

  • 了解常见的封装形式
  • 会识别典型的润湿平衡曲线，判断润湿的好坏
  • 会看Pb-Sn相图

题型三：简答题

写出几种常用可替代Sn-Pb焊料的无铅焊料，并说明它们分别适用哪几种焊接方法

常用的无铅焊料合金：
Sn-Ag-Cu、Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Zn等

Sn-Pb焊料的固相线温度：183℃

常用可替代Sn-Pb焊料的无铅焊料
Sn-Ag-Cu、Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Zn；

常用的无铅焊料分别适用哪几种焊接方法

  1. Sn-Cu、Sn-Aq系焊料适用于波峰焊
  2. Sn-Ag-Cu系焊料，适用于再流焊。

简述Sn基钎料与Cu的界面反应及焊点的界面结构?(P90)

大体上从Cu侧依次形成Cu3Sn,Cu6Sn5俩层金属间化合物

钎焊理想的焊接界面组织是什么样的?

简述倒装芯片焊接工艺的四个基本步骤。(P30)

  1. 凸点底部金属化(UBM)
  2. 芯片凸点
  3. 将已经凸点的晶片组装到基板/板卡上
  4. 使用非导电材料填充芯片底部孔隙

软钎焊的基本原理及特点。(P51)

钎焊是利用熔点比基板(被钎焊材料)熔点低的填充金属(称为钎料)，在低于基板熔点、高于钎料熔点的温度下，利用液态钎料在基板表面润湿、铺展和在基板间隙中填缝，与基板相互溶解与扩散，最终凝固结晶而实现被连接材料之间的原子间接合的连接方法。

钎焊的特点：

  1. 钎料熔化而母材(基板)不熔化
  2. 钎料必须和母材润湿
  3. 在界面处发生原子的溶解与扩散，形成冶金结合

请对Sn-37Pb、Sn-3.5Ag、Sn-3.5Ag-0.6Cu、Sn-5Sb、Sn-0.7Cu、Sn-9Zn六种钎料的抗氧化性进行排序。(P56)

Sn-37Pb Sn-3.5Ag-o.6Cu Sn-3.5Ag Sn-0.7Cu Sn-5Sb Sn-9Zn 逐渐变差

题型四：论述题

  1. 焊接工作温度超过250℃的芯片有哪些方法?
  • 采用高熔点钎料
  • TLP焊接方法
  • 金属浆料烧结法
  1. 烧结纳米银施加压力有什么作用?
  • 钎料与基板之间更好的接触
  • 纳米银颗粒在压力作用下进行重排，形成更紧密的堆积
  • 为银的连续致密化提供驱动力
  1. TLP焊接的基本原理以及该方法有哪些缺点?

采用低熔点的钎料，焊接时出现的液相全部转化为IMC，由于IMC具有高熔点，一旦形成后，就不会再次熔化，因此可以在高温下使用。

缺点:

  • 依靠元素扩散形成完全的IMC，TPL焊接通常需要施加压力和长时间的热处理
  • 大多数IMC是不稳定的，可靠性低
  • 一些IMC还存在柯肯达尔效应
  1. BGA封装有哪些优点?
  • 电性能更好：BGA用焊球代替引线，引出路径短，减少了引脚的寄生效应
  • 封装密度更高：由于焊球是整个平面排列，因此对于同样面积，引脚数更多
  • BGA引脚牢固
  1. 为什么在实际应用过程中，必须严格控制焊盘表面镀Au层的厚度?(P86)

实际微电子焊接过程中，金和锡形成的金属间化合物层是最为常见的，Au-Sn形成的化合物包括AuSn、AuSn2和AuSn4。**AuSn4**相极脆，且极易在与金的焊接中产生缺陷。在周期性热作用或其他机械应力作用下，AuSn4金属间化合物将会脱离基体而失效。因此，实际应用过程中，必须严格控制表面镀Au层的厚度。

  1. 无铅钎料需要满足的条件是什么?
  1. 无毒，无公害，环境友好，可再循环：
  2. 原料来源广泛，资源储量丰富，价格可以接收；
  3. 与Sn-Pb钎料相近的熔化温度；
  4. 熔融钎料应对多种基体材料有较好的润湿性：
  5. 加工性能良好；
  6. 具有较好的导电、导热性能和耐腐蚀性能；
  7. 焊点具有足够的力学性能，包括强度、抗蠕变性能、抗疲劳性能等。
  1. 简述BGA、CSP在热风再流焊接中冷焊率高的原因以及解决这个问题的措施?

在相同峰值温度和再流时间的条件下，与其他在热空气中焊点暴露性好的元件相比，BGA CSP焊球焊点获得的热量明显不足，从而导致一些BGA　CSP底部焊球焊点温度达不到润湿温度而发生冷焊

措施：

  • 采用梯形温度曲线，适当降低再流峰值温度，延长峰值温度时间，改善小热容量器件与大热容量器件之间的温差，避免小元器件的过热
  • 改进再流焊热量的供给方式：强制对流加热 红外线加热 红外＋强制对流
  1. 什么是UBM?UBM包含哪三层结构，每一层结构的作用是什么?(P32)

制作凸点时，首先要在芯片I/O金属焊盘上淀积一层底部金属层(UBM)，通常由以下三层组成：

  • 黏附层。需要选择与铝、硅薄膜层和钝化层的黏附性好，确保和铝、硅薄膜层之间形成欧姆接触，且线胀系数相近，热应力小。一般选用Cr、Ti、V、Ti、W等。
  • 阻挡层。能阻止焊料与金（或铝）和Si材料之间相互扩散，常选用Ni、Cu、Pd、Pt等。
  • 焊点浸润层。能和焊点材料相浸润，可焊性好，并且不形成有害于焊接的金属间化合物，能保护Ni、Cu等不被氧化、沾污，常选用很薄的Au或Ag膜或Au的合金膜。
  1. 沉积法制备UBM的方法有哪些?(P33)
  • 溅射：用溅射的方法一层一层地在硅片上沉积薄膜，然后通过照相平版技术形成UBM图样，然后刻蚀掉不是图样的部分。
  • 蒸镀：利用掩模，通过蒸镀的方法在硅片上一层一层地沉积。这种选择性的沉积用的掩模可用于对应的凸点的形成之中。
  • 化学镀：采用化学镀的方法在A1焊盘上选择性地镀Ni。常常用锌酸盐工艺对A1表面进行处理。无需真空及图样刻蚀设备，低成本。
  1. 倒装芯片的凸点制作方法有哪些?选择其中一种方法进行简述(P34~P48)

蒸镀焊料凸点
电镀焊料凸点
印刷焊料凸点
钉头焊料凸点
放球凸点
焊料转移凸

  1. 论述钎焊主要过程的三个阶段。(P52~P54)
  • 第一阶段：钎剂的熔化及填缝过程。钎焊时，钎剂受热熔化流入基板与引线间的间隙，同时熔化的钎剂与基板表面发生相互作用，净化基板表面，为液态钎料在母材上铺展填缝创造必要的条件
  • 第二阶段：钎料的熔化及填缝过程。随着加热温度的升高，钎料开始熔化铺展，填充焊缝，同时排除了钎剂的残渣
  • 第三阶段：钎料与基板相互作用的过程。
  1. 焊接时候为什么要去除钎料表面的氧化层?有哪些手段可以去氧化?(P57)

液态针料表面的氧化直接影响钎料的可焊性能以及接头的可靠性，钎焊过程中，必须采用适合的去氧化手段对其氧化层进行去除。

  • 采用惰性气体氛围去氧化；
  • 采用化学活性手段去氧化；
  • 采用过热手段去氧化；
  • 添加微量元素；
  • 从物理手段上考虑

归纳总结

第一章

  • 常见的缩略语

SMT QSP TAB DIP IC

QFP SOP PCB FC IMC

  • 焊接

焊接是指通过适当的物理化学过程使两个分离的固态物体产生原子(分子)间结合力而连成一体的连接方法。被连接的两个物体(构件，零件)可以是各种同类或不同类的金属、非金属(石墨、陶瓷、玻璃、塑料等)，也可以是一种金属与一种非金属。

  • 钎焊

采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点但低于母材熔点的温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接的方法。
根据使用钎料的不同，可分为硬钎焊(焊接温度高于450°℃)和软钎焊(焊接温度<450°℃)。

  • 微电子封装的分级和特点

目前微电子封装一般可以分为三级封装：

一级封装是将一个或多个IC芯片用适宜的材料(金属、陶瓷、塑料或它们的组合)封装起来，同时，在芯片的焊区与封装的外引脚间用引线键合、载带自动键合和倒装芯片键合的互连方法连接起来，使之成为有实用功能的电子元器件或组件。

二级封装是将上一级各种微电子封装产品、各种类型的元器件及板上芯片一同安装到PCB或其它基板上。这一级组装技术包括通孔安装技术、表面安装技术和芯片直接安装技术三个部分。

三级封装是一级密度更高、功能更全、也更加庞大复杂的组装技术，是由二级组装的各个插板或插卡再共同插装在一个更大的母板上构成的，这实际上是一种立体组装技术。

  • 无铅钎料

目前国际上公认的无铅钎料定义是：以Sn为基体，添加了Ag、Cu、Sb、In其它合金元素，而Pb的质量分数在0.10%以下的主要用于电子组装的软钎料合金。

第二章

芯片焊接的主要键合方法

  1. 引线键合技术，是将半导体芯片焊区与电子封装外壳的I/O引线或基板上技术布线焊区用金属细丝连接起来的工艺技术。

  2. 载带自动键合技术，适用于大规模集成电路多引脚的应用，TAB技术是在框式引线焊接技术的基础上发展起来的。与引线键合技术相同，载带自动键合技术也是将裸片贴到基片上进行连接的方法。

  3. 倒装芯片键合技术，倒装焊(FCB)是芯片面朝下芯片焊区与基板焊区直接互连的一种方法。不同于WB和TAB的互连技术，倒装芯片键合技术省略互连线，因而具有更优的性能。

第三章

  • 钎焊的概念与基本过程

钎焊是焊接方法的一种。它是采用比母材料(如基板材料)熔点低的钎(焊)料作为连接材料，在母材料不熔化的情况下，钎料熔化，润湿并填满连接处的间隙，冷却后即形成钎缝。主要包括以下三个过程：

  1. 是钎剂的熔化及填缝过程；
  1. 是钎料的熔化及填缝过程；
  1. 是钎料同母材相互作用的过程。
  • 杨氏方程
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  • 钎料和钎剂在钎焊过程中的作用

钎焊过程中，液态钎料在毛细填缝的同时就与母材发生相互作用，这种相互作用的推动力则来源于钎料与母材间的浓度梯度所造成的扩散。一种作用为母材向液态钎料中的溶解；二是钎料组分向母材中的扩散。

液态钎剂在钎焊过程中起着下列作用：清除母材和钎料表面的氧化物，为液态钎料在母材上铺展填缝创造必要的条件；以液体薄层覆盖母材和钎料表面，隔绝空气而起保护作用；起界面活性作用，改善液态钎料对母材的润湿。

  • 影响钎料润湿性的因素
  1. 钎料和母材的成分：
  2. 温度：随着温度的升高，液体的表面张力不断减小。温度升高，钎料的表面张力降低，有助于提高钎料的润湿性。
  3. 金属表面氧化物
  4. 钎剂：钎焊时使用钎剂可以清除钎料与母材表面的氧化膜，改善润湿。
  5. 母材表面状态：母材的表面粗糙度对与它相互作用弱的钎料的润湿性有明显的影响。
  6. 表面活性物质：凡是能使溶液表面张力显著减小，因而发生正吸附的物质，称为表面活性物质。
  • 钎焊过程中，钎料和基板的去氧化手段

钎焊过程中，必须采用适合的去氧化手段对其氧化层进行去除，氧化层的去除方法主要有一下五类：

  1. 采用惰性气体氛围去氧化；
  2. 采用化学活性手段去氧化；
  3. 采用过热手段去氧化；
  4. 添加微量元素；
  5. 从物理手段上考虑。

第四章

常用的无铅焊料合金：
Sn-Ag-Cu、Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Zn等

Sn-Pb焊料的固相线温度：183℃

常用可替代Sn-Pb焊料的无铅焊料
Sn-Ag-Cu、Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Zn；

常用的无铅焊料分别适用哪几种焊接方法

  1. Sn-Cu、Sn-Aq系焊料适用于波峰焊
  2. Sn-Ag-Cu系焊料，适用于再流焊。

Sn-Ag、Sn-Cu和Sn-Ag-Cu钎料

  1. Sn-Ag钎料共晶成分是Sn-3.5Ag，Sn-Ag共晶点为221℃，其共晶组织是由β-Sn和微细的AgSn相组成。

  2. Sn-Cu的共晶成分是Sn-0.7Cu，共晶点为227℃，共晶组织主要由β-Sn和Cu6Sn5相组成。

  3. Sn-Ag-Cu钎料共晶成分为95.6Sn-3.5Ag-0.9Cu，其熔点为217℃，共晶组织主要由β-Sn、Cu6Sn5相以及Ag3Sn相组成。

第五章

  • 表面组装工艺技术的主要内容

表面组装工艺技术的主要内容可分为组装材料选择，组装工艺设计，组装技术和组装设备应用四大部分。

  • SMT常用焊接工艺及相关设备

SMT常用的焊接工艺为波峰焊和再流焊两种技术。

波峰焊接的相关设备为：单波峰和双波峰焊接仪。

再流焊接设备包括：热板传导再流焊接仪、红外热风辐射加热再流焊接仪、热风对流再流焊接仪、气相加热再流焊接仪， 激光加热再流焊接仪。

  • SMT焊接的主要特点
  1. 元器件本身受热冲击大；
  2. 要求形成微细化的焊接连接；
  3. 由于表面组装元器件的电极或引线的形状、结构和材料种类繁多，因此要求能对各种类型的电极或引线都能进行焊接；要求表面组装元器件与PCB上焊盘图形的接合强度和可靠性高。
  • 波峰焊基本原理

波峰焊是利用波峰焊机内的机械泵或电磁泵，将熔融钎料压向波峰喷嘴，形成一股平稳的钎料波峰，并源源不断地从喷嘴中送出。装有元器件的印刷电路板以直线平面运动的方式通过钎料波峰面而完成焊接的一种成组焊接工艺技术。

  • 再流焊加热方法

再流焊技术主要按照加热方法进行分类，主要包括：气相再流焊、红外再流焊、热风炉再流焊、热板加热再流焊、红外光束再流焊、激光再流焊和工具加热再流焊等类型。

  • 激光再流焊

激光再流焊是利用激光束优良的方向性和高功率密度的特点，通过光学系统将激光束聚集在很小的区域和很短的时间内，使被焊处形成一个能量高度集中的局部加热区，具有快速局部加热、快速冷却的特点。常用的激光器有CO2激光器、Nd：YAG激光器和半导体激光器。

  • SMT焊后清洗作用
  1. 防止电气缺陷的产生。最突出的电气缺陷就是漏电，造成这种缺陷的主要原因是PCB上存在离子污染物，有机残料和其它粘附物。
  1. 清除腐蚀物的危害。腐蚀会损坏电路，造成器件脆化；腐蚀物本身在潮湿的环境中能导电，会引起SMA短路故障。以上这两种作用主要是排除影响主长期可靠性的因素。
  1. 使SMA外观清晰。清洗后的SMA外观清晰，能使热损伤、层裂等一些缺陷显露出来，以便于进行检测和排除故障。

第六章

  • SMT检测方法主要有哪几种

SMT检测技术基本内容包括：

可测试性设计；原材料来料检测；工艺过程检测和组装后的组件检测。

对于微电子焊接来讲，重要的是关注组装后的组件检测，即焊点质量检测，一般为：

激光/红外检测；
X射线检测；
超声波检测和基于图像比较的AOI检测。

  • 微电子焊接的凝固特点
  1. 焊点的尺寸很小，在结晶过程中焊点内部的温度梯度大，成分过冷也大；
  2. 在钎焊过程中，焊点中的液态金属过热度较低，冷却速度很大，熔池的形核主要是非自发形核；
  3. 电子钎焊大生产一般采用自动机械化流水作业，由于流水线的运动，焊点仍然是处于运动态下结晶；
  4. 焊点中的钎料从液态到凝固在极短的时间内完成。
  5. 电子钎焊焊点，由于焊点极小，冷却速度很快，其结晶形态与熔焊有显著的区别。
  • 微电子焊接的常见缺陷和克服方法

微电子焊接常见缺陷有引线桥连、墓碑现象(墓石现象或曼哈顿现象)、钎料球残渣等。

克服桥连现象采取的对策：

  1. 控制焊膏的印刷量，
  2. 改善焊膏印刷质量及位置精度；

克服墓碑现象采取的对策：

  1. 选择合适的预热升温条件，
  2. 改善焊膏的保管状态，
  3. 改善贴装机的贴装精度；

克服钎料球残渣现象采取的对策：

  1. 设定适当的预热温度，
  2. 对焊膏的选择合保管应符合规定，
  3. 采用N2保护气氛再流焊技术。