機械製造 Manufacturing Processes and Systems 9E 第19章 電子製造.

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1 機械製造 Manufacturing Processes and Systems 9E 第19章 電子製造

2 目錄 19.1 元件和定義 19.2 從元件到產品 19.3 焊接系統 19.4 焊接點的設計 19.5 熱力學特質 19.6 電磁交互作用和去除靜電荷 19.7 清潔過程 19.8 封裝技術的出現

3 概論 電子封裝技術從原本不連續的積體電路 雙列封裝積體電路至表面安裝積體電路
軟焊材料和軟焊過程、助焊劑、膠帶、 熱量管理、電磁遮蔽、去除靜電保護和 清潔替代品都是一些激烈競爭的產品 499

4 19.1 元件和定義 積體電路 (integrated circuit, IC) 的定義 為一群在基材中製造，彼此連結而無法 分開的電路
19.1 元件和定義 積體電路 (integrated circuit, IC) 的定義 為一群在基材中製造，彼此連結而無法 分開的電路 基材 (substrate) 是一餅片狀的絕緣材料 ，是印刷線路樣模的實體支撐或基層， 為熱能吸收物 499

5 19.1 元件和定義 500

6 19.1 元件和定義 晶圓的製造 導電體有兩種 正 ( P 型 ) 載子 (carriers) 負 ( n 型 ) 載子 晶圓成長 (wafer shaping) 的過程，乃係先 在熔融液中插入一根完美的單晶“ 種子 ” ，然後慢慢將它抽出，一個大的單一晶體 便在熔融液中成長 500

7 19.1 元件和定義 元件種類 主動元件 被動元件 傳導元件 放大、開關或整流電信訊號的半導體裝置
19.1 元件和定義 元件種類 主動元件 放大、開關或整流電信訊號的半導體裝置 被動元件 不用放大、開關或整流就能改變訊號的傳導裝置 傳導元件 僅是一訊號通過的傳導裝置，本身不會改變，遵循既定的路徑從一個功能的電路至另一個 501

8 19.1 元件和定義 印刷電路板 大部分的電路設計工作，都藉助電腦來完 成，在電腦上，只要打入適當的指令或使 用光筆，就可以改變電路的設計
19.1 元件和定義 印刷電路板 大部分的電路設計工作，都藉助電腦來完 成，在電腦上，只要打入適當的指令或使 用光筆，就可以改變電路的設計 感光罩幕是一組主宰製造成品的照相縮版 ，通常比實際電路的尺寸大250至500倍 照相術 (photography) 501

9 19.1 元件和定義 電子製造中的照相平版印刷 照相平板印刷是一種將微小圖案從感光罩 幕轉移到晶圓上實際電路中的材料層的過 桯
19.1 元件和定義 電子製造中的照相平版印刷 照相平板印刷是一種將微小圖案從感光罩 幕轉移到晶圓上實際電路中的材料層的過 桯 光阻劑有二兩種： 負抗感光劑，它會由於暴露在紫外光下，而聚合在一起 正抗感光劑，其聚合作用會因暴露於光源下而減退 502

10 19.1 元件和定義 502

11 19.2 從元件到產品 嵌合技術 插件嵌合接腳技術，就是一般的穿口插件 (THI)，需要準備接腳，插入元件，修剪多 餘的接腳和靠著印刷電路板的底面將接腳 摺疊，夾持住晶片或電子構件 表面嵌合技術 每一個都是藉著它們多重導線焊接，以機 械力使得它們和電路板導通，單面的接黏 使得元件縮小化和SMT製造變得可能且便 利 504

12 19.2 從元件到產品 504

13 19.3 焊接系統 連接作用的可靠度是視焊接接合處的堅 固與否而定的 基本活化焊料的熱傳導方法能藉著熱傳 導介質的選擇而完成
19.3 焊接系統 連接作用的可靠度是視焊接接合處的堅 固與否而定的 基本活化焊料的熱傳導方法能藉著熱傳 導介質的選擇而完成 氣相、紅外線、雷射、傳導帶和感光板 、對流、焊鐵和熱棒都是SMT可能使用 的方法 波焊接是SMT和IMT混合時所用的方法 之一 505

14 19.3 焊接系統 505

15 19.3 焊接系統 506

16 19.3 焊接系統 典型的電路板的加工過程如下： 塗敷助劑使得板面形成一液相層，以除 去表面氧化物，且使填充金屬具有流動 性，完全濕潤接合表面 加熱元件以提高溫度，直至適合軟焊料 黏著為止 利用空氣刀除去多餘助焊劑 在設定的高度下，將電路板通過液態軟 焊料波的波峰 清洗循環 506

17 19.3 焊接系統 汽相 (VP) 是一種非接觸不需介質，使用輻射能的熱傳導系統，汽相焊接則是沒有導線和導線元件混合，元件放置位置不平均和熱容量不平均，且密度超過5 mm時所用的方法 紅外線 (IR) 是一種凝固的焊接技術，使用無氧化學純氣去進行安裝，它可產生很高的溫度快速熔化焊料 506

18 19.3 焊接系統 507

19 19.3 焊接系統 507

20 19.3 焊接系統 循環特質 預熱階段 焊接階段 冷卻階段 升溫，如同一般則，焊接循環一開始是升高組件的溫度到 ，以大約每秒 的速率
19.3 焊接系統 循環特質 預熱階段 升溫，如同一般則，焊接循環一開始是升高組件的溫度到 ，以大約每秒 的速率 均溫，組件溫度以每秒 持續升高，直到 焊接階段 冷卻階段 508

21 19.3 焊接系統 508

22 19.3 焊接系統 助焊劑 助焊劑通常是一種液體，應用於導體的裝 配面焊接時用以除去污物 助焊劑在受熱時具有四種功用： 和氧化物產生化學反應
19.3 焊接系統 助焊劑 助焊劑通常是一種液體，應用於導體的裝 配面焊接時用以除去污物 助焊劑在受熱時具有四種功用： 和氧化物產生化學反應 保護表面不再被氧化 促進熱轉移和傳輸 降低焊料的黏著力使之易潤溼 509

23 19.3 焊接系統 樹脂助焊劑－存在三種型式：非活性的、中等活性的和完全活性的
19.3 焊接系統 樹脂助焊劑－存在三種型式：非活性的、中等活性的和完全活性的 有機水溶性助焊劑：較常運用的助焊劑，這些助焊劑比樹脂助焊劑高約 才會裂解，最常用有三種：合成樹脂 (SR)、有機酸 (OA) 和合成活化助焊劑 (SA) 無機水溶性助焊劑 509

24 19.3 焊接系統 軟焊料 選擇焊料時，許多考量：液化和固化的溫 度、強度、抗腐蝕性、電及熱傳導性和熱 延展性
19.3 焊接系統 軟焊料 選擇焊料時，許多考量：液化和固化的溫 度、強度、抗腐蝕性、電及熱傳導性和熱 延展性 軟焊料皆做成小的、球狀的粒子，使能均 勻地懸於助焊劑和其它榮劑中 軟焊料常考慮金屬和有機物兩部分的混合 ，此二部分的重量和體積比亦對儲存、黏 度、應用的方法及最後迴焊接點的體積有 著相當的影響 510

25 19.3 焊接系統 510

26 19.3 焊接系統 環氧導電黏著劑 環氧黏著劑被用於高溫或低溫
19.3 焊接系統 環氧導電黏著劑 環氧黏著劑被用於高溫或低溫 低溫烘烤將解決熱感應元件的問題但是需 要較長烘烤時間，高溫烘烤可以使用和一 般軟焊一樣的IR焊接機 環氣黏劑對大部分材料皆不用表面調製劑 510

27 19.4 焊接點的設計 通孔接點的分析 彎曲接腳及電鍍貫通孔： Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 區 直接腳及電鍍貫通孔：Ⅴ、、Ⅲ、Ⅳ 區
19.4 焊接點的設計 通孔接點的分析 彎曲接腳及電鍍貫通孔： Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 區 直接腳及電鍍貫通孔：Ⅴ、、Ⅲ、Ⅳ 區 彎曲接腳連單邊面板：Ⅰ、Ⅱ 區 以直接的接腳和單面板：Ⅴ 區 511

28 19.4 焊接點的設計 511

29 例題19.1 垂直元件連接 ( 圖19.10)。 當軸向接腳元件串連時，每一元件體或焊珠 ( 接腳始處 ) 應在從PWB算起0.030至0.090吋之 間，而機械打結應在元件體之0.090吋以外。然 而，元件係串連在一起且平行板面時，每一元 件接腳應糾在一起，並且至少約離元件體0.090 吋。打結後，需離元件體0.060吋以上。為了免 於焊珠沾滑向下使得接近程度小於1個接腳直 徑，打結始於離元件本體0.125吋以外。( 見習 題19.1) 512

30 例題19.1 512

31 例題19.2 包覆的接腳焊接 ( 見圖19.11)。 焊料必須至少離開元件體一接腳直徑。 焊接至少確實填滿75% 於接腳間，並不
可以有空洞。焊料可以過量，但不可以 凸得很多或者是將接腳的本形整個蓋住 看不到。 513

32 例題19.2 513

33 例題19.3 機械栻纏繞的導線連接 ( 圖19.12)。 軟焊接前，線被平緩地、緊密地纏繞 至1.5圈，以避免任何可能的短路，纏繞 必須以相同方向繞圈。 513

34 例題19.4 基準記號 ( 圖19.13)。 基準記號是電路板上銅面的參考點，可以用來 精準排列元件和工具，為了目視系統需要，基 準點被蝕刻在板上以降低量測上累積的公差值 。對每塊板子有三個全尺度性的基準點以對準 間距以放置SMD，另外兩個基準是對準精細裝 置之用。基準的尺寸是直徑0.04吋、間隙0.02 吋。 513

35 例題19.4 514

36 19.5 熱力學特質 封裝引導熱量從元件到環境中，以熱力 阻抗的形式表示其能力，用 表示
19.5 熱力學特質 封裝引導熱量從元件到環境中，以熱力 阻抗的形式表示其能力，用 表示 常分為兩因子：從接點至外殼 (case) 至周圓環境 (ambient) 514

37 19.5 熱力學特質 表從晶片至周圍環境的熱流的總阻抗， 以下式表示 傳導熱傳 之熱阻，可表示如下，其平板維 持於溫度T1和T2 其中
19.5 熱力學特質 表從晶片至周圍環境的熱流的總阻抗， 以下式表示 傳導熱傳 之熱阻，可表示如下，其平板維 持於溫度T1和T 其中 (19.1) (19.1) 514

38 19.5 熱力學特質 接面溫度是IC在基材二極體所測出的溫度，當 元件被導通、熱量產生使溫度 升至周圍溫 度 以上，接合溫度是以能量分散 和熱阻 抗 相乘且加上環境溫度 (19.3) 515

39 例題19.5 從組件到印模板上的限制阻抗是 。從 晶片頂面到槳的頂面的阻抗則需要去計算。假 設晶片是20 mils厚且0.15吋 (0.381cm) 寬，環 氧層附上矽至金屬支橕板是5miks厚，矽的熱 導係數是 ，而環氣物是 問題全部轉公制長度單位，然後使用 (19.2) 方 程式，所以晶片阻抗是 515

40 例題19.5 同樣地，環氧樹脂阻抗可算出是 根據方程式 (19.1) 組件，環氧物和限制阻抗總 和是 515

41 19.5 熱力學特質 516

42 19.6 電磁交互作用和去除靜電荷 電子製造中有另外兩重要因素需要考慮 ，一個是電磁交互干擾 (EMI)，另一個 是靜電消除 (ESD)
19.6 電磁交互作用和去除靜電荷 電子製造中有另外兩重要因素需要考慮 ，一個是電磁交互干擾 (EMI)，另一個 是靜電消除 (ESD) 516

43 19.6 電磁交互作用和去除靜電荷 電磁作用 任何一個隨時間改變電壓或電流的裝置， 會產生電磁能，也因此產生EMI，低頻磁 場的高標準衰減能使用高磁導性材料而達 成 EMI填塞物的主要功能是用來降低接點間 的交互作用力，阻抗愈低EMI封閉愈好， 阻抗愈高，封閉性愈差 516

44 19.6 電磁交互作用和去除靜電荷 516

45 19.6 電磁交互作用和去除靜電荷 接點阻抗是數個因素的函數：凸緣的阻抗 、凸緣與填塞物的適配性、填塞物的壓力 和填塞物的傳導性，倘若填塞物的傳導性 會在特定環境條件下退化，EMI的性能也 會降級；此為EMI填塞物失效之主因 517

46 19.6 電磁交互作用和去除靜電荷 靜電去除 靜電可出現在人身體，若未去除則不要以 手去處理另件，ESD會傷害通道及晶片
19.6 電磁交互作用和去除靜電荷 靜電去除 靜電可出現在人身體，若未去除則不要以 手去處理另件，ESD會傷害通道及晶片 最常用的除靜電的方法是“ 接地或腳環” 517

47 19.7 清潔過程 水溶液清潔 半水溶液清潔 易混於水的清潔 溶劑 - 溶劑清潔 過氟化水洗 新發展方法 517

48 19.7 清潔過程 519

49 例題19.6 決定水溶性糊團省略清潔步驟的影響的測試是 基於SIR測量，這測試是在相對濕度90% 濕室 內和 進行。如圖19.17中的圖案，在烘箱中以 48 VDC輸入和100 V放24小時。假設SIR量測 最小值是 歐姆，清潔是可接受的，且 PWB的SIR沒受影響，測試使用4種不同的焊糊 ，其結果如圖19.18清潔前，所有焊糊皆在較低 限內，清潔後，焊糊D.A和C ( 依除去遞減的順 序 ) 通過測試，而焊糊B未能有效除去。 519

50 例題19.6 519

51 例題19.6 520

52 19.8 封裝技術的出現 較早之前的說法，IC或“ chips”是指 含有數百或數千的電晶體的矽晶結合而 形成各種的電路功能，它們又小又精巧 ，以致於他們在被和另一個封裝組合前 必須先封閉封裝，第二個封裝是現行被 組於電子裝置和產品的電路板 520

53 19.8 封裝技術的出現 520

54 19.8 封裝技術的出現 521

55 19.8 封裝技術的出現 521

56 19.8 封裝技術的出現 假設每邊的平均零件尺寸是0.25吋影響未 來封裝的因素包括：
19.8 封裝技術的出現 假設每邊的平均零件尺寸是0.25吋影響未 來封裝的因素包括： 三維封裝：Flip-chip 技術和所有平面交互連 接將允許零件或交互平面導通進行三度空間 堆疊。 軟焊代替品：熔融焊接將被低溫有機導電黏 劑取代，精確的雷射將成為細縫接點組合， 再加工和修理，組裝線量測及自動疊層對準 工具。 光電：光纖將取代許多導線，即使是放在局 部系統和組件內，光學接收器和轉接換器將 是電路板上傑出的元件。 521