哈尔滨理工大学微电子封装考试复习题.docx

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哈尔滨理工大学微电子封装考试复习题

1、微电子封装定义及封装的作用？

1）为基本的电子电路处理和存储信息建立互连和合适的操作环境的科学和技术，是一个涉及多学科并且超越学科的制造和研究领域。

2）作用---为芯片及部件提供保护、能源、冷却、与外部环境的电气连接+机械连接

2、什么是电迁移？

电迁移是指在高电流密度（105－106A/cm2）下金属中的质量迁移的现象。

3、什么是芯片尺寸封装？

芯片尺寸封装（CSP）是指封装外壳尺寸比芯片本身尺寸仅大一点（最大为芯片尺寸的1.2倍）的一类新型封装技术。

5、可作为倒装芯片凸点的材料有哪些？

高可靠性的焊凸点应该在那个工艺阶段制作？

凸点的典型制作方法有哪些？

其中什么方法也常用于BGA器件焊球的植球？

1）凸点材料：

a）钎料：

单一钎料连接：

高Pb（3Sn97Pb、5Sn95Pb）－陶瓷芯片载体；低Pb（60Sn40Pb）－有机芯片载体

双钎料连接：

高熔点凸点用低熔点钎料连接到芯片载体C4-ControledCollapseChipConnection）

b）金属：

Au、Cu

c）导电环氧树脂:

低成本、低可靠性

2）高可靠性的焊凸点制作，是在IC还处于圆片阶段时制作焊凸点。

3）蒸发沉积法；模板印刷法；电镀法；钉头凸点法；钎料传送法；微球法；钎料液滴喷射（印刷）法

4）微球法

6、扩散焊在什么情况下会采用中间层？

中间层材料应具有哪些性能？

1）结晶化学性能差别较大的两种材料连接时，极易在接触界面生成脆性金属间化合物。

措施：

选择中间层，使中间层金属与两侧材料都能较好的结合，生成固溶体，则实现良好的连接。

2）两种材料的热膨胀系数差别大，在接头区域极易产生很大的内应力。

措施：

用软的中间层（甚至几个中间层）过渡,缓和接头的内应力

3）扩散连接时，中间层材料非常主要，除了能够无限互溶的材料以外，异种材料、陶瓷、金属间化合物等材料多采用中间夹层的扩散连接。

4）中间层可采用多种方式添加，如薄金属垫片、非晶态箔片、粉末（对难以制成薄片的脆性材料）和表面镀膜（如蒸镀、PVD、电镀、离子镀、化学镀、喷镀、离子注入等）。

中间层选择原则

1）容易塑性变形，熔点比母材低。

2）物理化学性能与母材的差异比被连接材料之间的差异小。

3）不与母材产生不良的冶金反应，如不产生脆性相或不希望出现的共晶相。

4）不引起接头的电化学腐蚀。

7、影响扩散焊接头质量的参数有哪些？

如何影响？

怎样确定这些焊接参数？

影响因素-工艺参数：

1）适当压力：

压力增大，塑性变形增大，接触面增加，扩散焊工件一般无宏观塑性变形

2）时间较长：

由扩散速度决定，一般为几十到几百分钟

3）温度：

温度升高有利于连接材料间进行原子扩散和材料软化变形，一般0.6至0.8倍熔点[K]

影响因素－表面氧化膜

1）完全分解型：

Ti、Ti合金、无氧铜在连接的初期阶段，界面氧化物分解并扩散到母材中，对连接过程和质量无影响；

2）完全不分解型：

Al氧化物非常稳定，扩散连接条件下不能分解消失，依靠塑性变形露出清洁面，得到局部连接；

3）部分分解型：

Cu、Fe氧化膜在界面和空隙中聚集并以夹杂物的形态残存下来---氧化膜部分分解及氧向母材中扩散使夹杂减少

4）Au

影响因素－表面粗糙度

1）不仅影响结合面的接触，也影响扩散过程

2）表面凹凸越微细而且规则，空隙的消失越迅速，此时扩散机制起重要作用（而不是空隙总体积小的原因）；

3）当表面凹凸的宽度大时（粗糙度较大时），扩散的作用被减弱.

8、热压焊与扩散焊的区别？

a）大塑性变形VS无宏观塑性变形：

b）蠕变不起作用VS蠕变起作用；

c）加热温度较低，时间短，扩散不充分VS0.6-0.8Tm，时间长，扩散充分；

d）扩散+变形+机械嵌合+位错机制VS扩散+变形+再结晶机制

9、控制母材过度溶解（除镀层选择之外的）的措施有哪些？

A：

改善钎料合金成分；B：

钎料中加入母材元素—降低浓度梯度；C:

温度控制；D：

加入惰性元素；（一定直径的金属丝全部溶解所需要时间）

10、锡基钎料与铜焊盘钎焊时产生的界面结合层是？

钎焊温度过高或钎焊时间过长还会产生的结合层是？

如果采用Au/Ni/Cu焊盘时接合层是？

原因是？

1）Cu3SnCu6Sn5

2）先Cu6Sn5后来温度升高变成Cu3Sn

3）Ni3Sn4金镀层比较薄，在焊接过程中进入到钎料中

11、“立碑”现象的产生原理？

什么情况下易发生？

墓碑现象：

再流焊中片式元件经常出现立起的现象，称之为立碑，又称之为吊桥。

产生原理：

1）元件两端出现非同步润湿。

先润湿的一端在焊料界面张力的作用下克服元件自身重力而将元件牵引抬起。

2）元件两端焊接面的物理状态出现差异，如受热不均或两端锡膏不均等导致一端的锡膏先熔化、元件两端焊盘的可焊性差异等------非同步润湿

3）无铅钎料更易立碑----因为其有更高的界面张力；氮气保护将增大焊料/元件焊接端的界面张力元件两端润湿力不平衡：

两端锡膏不均等

发生情况：

主要出现于重量较轻的片式无源元件

7、紫斑发生机理？

金—铝键合在器件的高温贮存后，在焊点处金和铝迅速形成一种使导电性能不良的脆性层状化合物，键合强度也下降，化合物呈紫黑色斑点状，故称“紫斑”。

8、Sn晶须的产生条件？

产生条件

1）镀层内部压应力；

2）为了产生局部生长，镀层表面要覆盖着氧化物，即整个表面不能都是自由的表面；而且表面氧化膜保护层不能太厚，晶须能够穿透某些局部的薄弱部位而得到长大以释放应力

产生原因与机理：

镀Sn层的压应力驱动晶须的形核和长大;

镀层内的压应力能够沿着晶粒边界撕裂镀层外表面的氧化锡层，Sn晶须被认为是被压力从底部推出并生长，从而导致锡须形成。

晶须的生长有利于基体中的压应力的释放。

1、BGA相对周边引脚封装的优点？

PBGA、CBGA相比的优缺点？

PBGA优点：

a）高互连密度；

优良的热学电学性能（芯片下镀通孔将热量直接通过焊球流向母板的导热通道;电感小）

c）消除了窄节距焊膏印刷困难、降低桥连缺陷

d）焊料回流过程中的自对准功能；

e）较低共面性要求，0.15－0.2mm

f）外形更低；

PBGA：

塑料外壳，非气密性封装，易吸潮，加热易引起内部裂纹膨胀等现象，界面分层与基板性质相似，焊点不容易失效，可靠性高；

PBGA：

陶瓷外壳，气密性好，焊点与基板性质不相似，焊点容易失效，可靠性低。

2、什么是逆压电效应？

指出电子产品制造过程中2种应用逆压电效应的工艺或设备，描述其工艺过程及原理。

当某些晶体材料（如石英晶体）做成的晶体薄片施加交变电场时，晶体内部的质点就会产生机械振动，此现象称为逆压电效应。

发射——在压电晶片制成的探头中，对压电晶片施以超声频率的交变电压，由于逆压电效应，晶片中就会产生超声频率的机械振动——产生超声波；若此机械振动与被检测的工件较好地耦合，超声波就会传入工件——这就是超声波的发射。

制作凸点方法之钎料液滴喷射（印刷）法，在压电传感器驱动及机械振动触发下,金属流断开形成非常均匀一致的熔化金属液滴偏转电场---控制液滴运动轨迹；部分液滴喷射到焊盘上----其余进入回收器重复使用；连续喷射液滴直径是喷嘴直径的两倍；喷嘴周围同惰性气体---一方面促进液滴的断开喷射,同时防钎料液滴氧化；

8、超声波焊接机的换能器通常是利用什么效应来获得超声振动的？

逆压电效应；磁致伸缩效应

3、指出并描述电子产品封装过程中2种应用毛细作用的工艺。

波峰焊；倒装芯片组装

2、芯片表面金属化的作用是？

，芯片表面金属化层的常用材料有哪些？

常用的沉积方法有？

金属化：

沉积一层或多层导电材料形成芯片表面键合区--以便形成芯片与外电路之间的互连。

铝、Cu、铂、钛、钨、钼和金可用于金属化工艺。

铝使用最广泛:

与硅以及二氧化硅的接触电阻小，沸点低、容易实现沉积。

a）化学气相沉积（CVD）：

W

b）溅射沉积（物理气相沉积PVD）：

Al

4、电子产品基板镀层常用材料有哪些？

1）Sn或Sn/Pb合金：

底层材料合适时---非常好的可焊性

镀层熔化后，立即与熔融的钎料融合---转变为熔焊

2）银

良好导电率和润湿性，--但易电迁移

表面硫化时--润湿性会降低---密封包装并充N2

3）金

极优良的电接触性和软钎焊性，--价格昂贵

极易溶解于Sn/Pb钎料中，凝固时析出IMC

常采用Ni中间层，以减小金层厚度

5、Cu基底焊盘采用Au为外层镀层时通常中间加入中间层的原因是？

选择Ni作中间层的原因是？

铜金直接接触加热时，铜与金相互扩散，而金的扩散快，形成铜与金间的化合物，致密性不好，疏松多孔，已形成弱润湿，所以采用中间层，以改善这种情况。

镍使其扩散慢，形成金属间化合物层薄，可靠性好。

6．一级封装中的IC封装工艺有哪些？

哪些能够实现气密性封装？

模塑封装技术；层压塑料技术；模压陶瓷封装（难熔玻璃密封）技术；共烧层压陶瓷封装技术

共烧层压陶瓷封装技术能够实现气密性封装

1．芯片粘接的方法有哪些？

优缺点？

芯片粘接:

将芯片背面机械地粘接到层压陶瓷或层压基板腔室内的芯片粘接区

方式1－金属合金键合：

材料：

AuSi共晶、AuSn共晶或软钎料；用于陶瓷封装；

优点：

良好的剪切强度、界面导热性和防潮性；

缺点：

工艺温度较高，会对芯片引入较大的热应力。

方式2－有机粘接：

材料：

环氧树脂、聚酰亚胺浆料；用于陶瓷和塑料封装；

优点：

环氧树脂固化温度低，可用于粘接大芯片。

方式3－无机粘接：

材料：

填银玻璃，即片状填银环氧粘接剂；

特点：

既可导电、降低芯片背面和基板间的电阻，又可导热，在芯片和封装的支撑物之间提供一条导热通路

2、对比电子器件的鸥翼型引脚、J型引脚的特点？

鸥翼型引脚：

1）吸收应力，与PCB匹配性好；

2）组装面积大，共面性差，引脚易损坏；

3）焊后质量检查容易；

J型引脚：

1）较鸥翼型引脚减小了封装面积；

2）刚性好，引脚不易损坏，共面性好；

3）焊后质量检查困难；

3、扩散焊金属表面氧化膜分哪几种类型？

1）完全分解型：

Ti、Ti合金、无氧铜在连接的初期阶段，界面氧化物分解并扩散到母材中，对连接过程和质量无影响；

2）完全不分解型：

Al氧化物非常稳定，扩散连接条件下不能分解消失，依靠塑性变形露出清洁面，得到局部连接；

3）部分分解型：

Cu、Fe氧化膜在界面和空隙中聚集并以夹杂物的形态残存下来---氧化膜部分分解及氧向母材中扩散使夹杂减少

4）Au

4．对比热压焊、超声波焊与超声－热压焊的特点和优势？

1）超声波焊：

超声机械去膜，有效连接面积大、温度低，对芯片的热影响小---但金属之间的扩散不足；加大超声功率可能损坏芯片；---楔焊过程有方向性，降低效率

2）热压焊：

温度高，有利于金属扩散去膜不充分，连接强度低球焊无方向性，提高生产效率

3）超声－热压焊：

超声焊基础上，衬底加热（一般150℃），CouCoulas1970年发现加热可使焊点处的金属流动性增强—防止超声焊时的应变硬化---利于接触界面增大和焊点的快速键合---提高键合强度。

超声热压接的优势：

要达到规定强度，超声热压接的时间和温度都比热压接小得多，

超声压接一般需要3μm以上的振幅和约1s的时间，

超声热压接只需要其1/10的振幅和1/20的时间。

1、分析电子封装中应用的微连接（包括固-固、固-相态连接）与传统宏观焊接的不同特点？

1）工艺限制

时间在毫秒数量级--材料间不能发生充分的扩散；时间很短--蠕变变形几乎没有贡献；为防止对硅片及电路的破坏，温度要尽量低

2）尺寸和表面状态

膜的厚度在微米数量级，硅片的光洁度极高；塑性变形所起的作用很小；

3）表面氧化膜

铝、铜材料表面氧化膜难以去除

4）措施

大的变形：

增加接触，破碎氧化膜

机械去膜：

动态摩擦去膜不需很大的机械强度，可以不要求过程完整

膜厚度只有1微米到十几个微米---需保证溶解控制在一个非常严格的范围，才能既达到结合强度又不损坏膜与基板的附着。

6、元器件引线的钎焊性试验方法有？

接触角法；焊球试验法

2．典型的可焊性试验方法有哪些？

描述润湿平衡法的测量原理，画出润湿曲线，并根据润湿曲线描述润湿过程。

元件引线的可焊性试验（接触角法）；焊球试验法；铺展试验；润湿平衡法

润湿曲线如图所示，横轴为时间（单位为s），纵轴为合力（单位为mN）。

润湿曲线与横轴相交时合力为零，对应的时间为零交时间。

A点：

试件开始放入熔融钎料之前；

B点：

试件同熔融钎料接触的时刻，也是测试开始点；

C点：

试件浸渍到规定的深度，如果试件可焊性好、热容量小则在C点发生润湿；

B点到C点：

钎料液面呈凹形，试件受到合力阻止试件浸渍，若试件的可焊性好、热容量小，该过程可能发生润湿；

D点；如果试件需要的热容量大或试件涂的焊剂过多，在D点才开始湿润；

C点到D点：

试件达到焊接温度或焊剂“激活”需要的时间；

D点到E点：

在这一时间段钎料处于润湿和凹面回升过程中，表面张力有向上的分量，并且越来越小；

F点：

熔融焊料凹下去的液面这时回到水平，表面张力的方向是水平的，垂直方向的主要作用力是浮力。

F点的时间定义为零交时间，作为衡量可焊性的一个指标。

G点：

在指定的时间所测的合力值。

通常标准选择2秒；

H点：

最大合力点，这时焊料“爬升”高度最高，润湿力最大；

D点到H点：

“爬升”的过程。

D点到H点的斜率越大，表明可焊性越好。

K点；测试结束前一瞬间的合力值，通常x点的值同H点的值比较接近，表明润湿的稳定性好。

如果K点比H点低很多，表明钎料沿着焊端“回落”，凸面有所下降，即失润现象。

失涧也是衡量可焊性的一个指标。

8.什么是加速寿命试验？

加速寿命试验的设计原则是？

，加速寿命试验设计的关键是？

加速寿命试验的基本理论有哪些，例举分别以热力学温度和应力为加速因子的加速寿命试验。

加速寿命试验（观察失效和预计实际工作状态下的失效率）：

在可靠性术语中，加速寿命试验定义为“为缩短试验时间，用比标准条件更为严格的条件进行的试验；但做加速寿命试验时，为了能有效地进行可靠性评价，

原则：

要求失效模式和失效机理不会因加速而发生变化。

关键：

加速因子的确定

基本理论

a）阿列尼乌斯模型：

最适合以热力学温度加速因子的试验lnL=A+E/（RT）

应用：

试验—T1、T2对应寿命L1、L2—反应的激活能—高温下的反应加速性的大致量值

b）爱伦模型：

最适合以应力为加速因子的试验lnL=A－αlnS

应用：

试验材料疲劳时，S1、S2为交变应力，对应循环次数（寿命）为N1、N2，则ln（N1/N2）=αln（S2/S1）求出表示反应加速性的大致量值α，可求任意应力下的寿命

5．什么是蠕变？

为什么蠕变损伤是钎料焊点失效的重要机制？

蠕变现象：

蠕变由热效应引起，在一定应力作用下，应变随温度和时间的增加而显著增加

高温或者相对温度值大于0.5时，蠕变效应非常显著相对温度（homologoustemperature，也有译作约比温度）为工作温度与材料熔点的绝对温度的比值）

蠕变可以发生在任何应力范围，可以高于或低于屈服应力值；

钎料焊点的服役特点（与钢材不同）：

SnPb钎料的熔点Tm＝456K，服役条件的工作温度按－50℃至70℃（223K至343K）计算，工作温度约为0.5－0.75Tm；

Sn0.7Cu钎料的熔点Tm＝500K，服役条件的工作温度按－50℃至

70℃（223K至343K）计算，工作温度约为0.45－0.7Tm；

在这样相对较高的温度范围内，钎料的蠕变和应力松弛现象显著，与时间（速率）有关的蠕变损伤是焊点失效的重要机制

7、鉴于元器件形状及引脚形式不同，分别采用哪些机械性能试验方法？

钎料接头拉伸及剪切试验方法（JISZ3198标准）

QFP引线软钎焊接头45°拉引试验方法（JISZ3198标准）

片式元器件软钎焊接头剪切试验方法

8、通过数值模拟方法对封装焊点进行寿命预测的步骤？

通过有限元模拟方法对封装进行寿命预测，主要包含三大步骤:

1）试验获得材料热物理性能参数及力学性能参数，包括应力应变关系方程；

2）采用ANSYS或MARC有限元软件模拟求解特定结构和载荷（如热循环载荷）条件下的主控力学参量（应力、应变、累积的蠕变应累积的应变能密度等等；其中步骤1）的结果作为材料特性导入有限元计算中）

3）选择寿命预测模型，代入主控力学参量进行寿命预分析过程

9.焊点可靠性影响因素主要有哪些？

1）材料因素：

钎料的微观结构即钎料的组织结构、晶粒尺寸决定着钎料的变形机制、疲劳裂纹扩展机制，从而对焊点的可靠性有决定性影响。

2）内部缺陷对焊点的可靠性有致命的影响：

外观缺陷：

如接头外型不良、引线间的桥接、芯吸等；

内部缺陷，如气孔、有害金属间化合物、虚焊等。

目前焊点缺陷检测方法，很难检测尺寸本来就十分微小的微互连焊点内部的微小的缺陷

3）服役条件

环境温度：

随着温度的增加，焊点应变范围增加，失效周期数降低。

加载频率：

随着加载频率增加，焊点疲劳寿命降低。

焊点高温保温时间：

焊点高温保温时间短，焊点内的应变恢复的多，将延长焊点疲劳寿命；保持时间长，由于蠕变的作用，可恢复应变少，增加了焊点内部应变，寿命降低。

4）焊点形态钎料受热熔化以后，沿金属表面润湿铺展冷凝后形成的具有一定几何形状的外观形态；狭义上，即钎料圆角的凹凸形态。

7.典型的描述焊料合金蠕变行为的Norton方程表达式？

Norton方程

Dorn方程

其中：

Q为激活能，T为温度，k为Boltzmann常数，

A、n分别为蠕变系数和蠕变指数，σ为应力

3、分析功率循环条件下CBGA器件那些位置焊点为危险焊点？

介绍CCGA器件的互连结构形式及其较CBGA的优势？

热应变：

a）假设芯片与基板焊在一起时无热应变；

b）一个温度循环焊点切应变：

γ＝△/h＝L（αb－αC）×

（TMAX－TMIN）/h

h－为焊点高度；L－焊点到中性点间距

结论：

最大热应变发生在芯片周边的焊点上

铸型柱（CastColumn）；焊线柱（WireColumn）；CLASP柱（ColumnLastAttachSolderProcess）