毕业论文之电子封装知识总结

毕业设计报告（论文）

报告（论文）题目： 电子封装知识总结 作者所在系部： 电子工程系 作者所在专业： 电子工艺与管理 作者所在班级： 09252 作 者 姓 名 ： 杨军 作 者 学 号 ： 20083025325 指导教师姓名： 孙燕 完 成 时 间 ： 2011年11月5日

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北华航天工业学院电子工程系

毕业设计（论文）任务书

姓 名： 杨军 专 业： 电子工艺与管理 班 级： 09252 学号： 20083025325 指导教师： 孙燕 职 称： 毕业设计（论文）题目： 电子封装知识总结 设计目标： 通过学习，全面了解电子封装的知识，为日后进入电子行业打下基础 技术要求： 1.了解电子封装知识 2.掌握电子封装在实际中的应用 讲师 完成时间： 2011年11月5日 所需仪器设备： 计算机一台、封装形式具有典型性的PCB板 成果验收形式： 论文 参考文献： 《表面组装（SMT）通用工艺》、《电子产品工艺》、《现代企业工艺技术员现场管理运作实务》、《现代生产管理学》、《SMT组装质量检测与控制》、《使用表面组装技术》、《表面组装技术基础》、《SMT组装系统》 时间 安排 1 9周---10周 收集资料 2 第11周 成果验收 指导教师： 孙燕 教研室主任：孙燕 系主任：陈刚

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摘 要

电子封装技术是微电子工艺中的重要一环，通过封装技术不仅可以在运输与取置过程中保护器件还可以与电容、电阻等无缘器件组合成一个系统发挥特定的功能。按照密封材料区分电子封装技术可以分为塑料和陶瓷两种主要的种类。陶瓷封装热传导性质优良，可靠度佳，塑料的热性质与可靠度虽逊于陶瓷封装，但它具有工艺自动化自动化、低成本、薄型化等优点，而且随着工艺技术与材料的进步，其可靠度已有相当大的改善，塑料封装为目前市场的主流。

电子封装是一个富于挑战、引人入胜的领域。它是集成电路芯片生产完成后不可缺少的一道工序，是器件到系统的桥梁。封装这一生产环节对微电子产品的质量和竞争力都有极大的影响。按目前国际上流行的看法认为，在微电子器件的总体成本中，设计占了三分之一，芯片生产占了三分之一，而封装和测试也占了三分之一，真可谓三分天下有其一。封装研究在全球范围的发展是如此迅猛，而它所面临的挑战和机遇也是自电子产品问世以来所从未遇到过的；封装所涉及的问题之多之广，也是其它许多领域中少见的，它需要从材料到工艺、从无机到聚合物、从大型生产设备到计算力学等等许许多多似乎毫不关连的专家的协同努力，是一门综合性非常强的新型高科技学科。

关键词 电子封装 集成电路芯片 微电子器件 测试

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目 录

第1章 绪论 ............................................................... 1 1.1 封装技术发展八大趋势 ................................................. 1 1.2 在电子产品行业中电子封装工艺技术的重要性 ............................. 1 1.3 电子封装，电子烧结技术在电子产品中的历史演变 ......................... 2 1.4 社会再发展，电子产业再发展，那电子封装行业呢？ ....................... 2 第2章 电子封装技术 ....................................................... 3 2.1 电子封装的定义 ....................................................... 3 2.2 电子封装的类型 ....................................................... 3 2.2.1 金属封装 ......................................................... 3 2.2.2 陶瓷封装 ......................................................... 4 2.2.3 塑料封装 ......................................................... 4 2.2.4 SIP、DIP和SO封装 ................................................ 4 2.2.5 四方扁平封装 ..................................................... 5 2.2.6 BGA封装 .......................................................... 6 2.3 小结 ................................................................. 6 第3章 电子封装汇总 ....................................................... 7 3.1 封装技术的方法与原理 ................................................. 7 3.2 塑料封装技术的发展 ................................................... 7 3.3 其他封装技术 ......................................................... 9 3.3.1 DIP直插式封装 ................................................... 10 3.3.2 QFP塑料方型扁平式封装和PFP塑料扁平组件式封装 ................... 10 3.3.3 PGA插针网格阵列封装 ............................................. 11 3.3.4 BGA球栅阵列封装 ................................................. 11 3.3.5 CSP芯片尺寸封装 ................................................. 12 3.3.6 MCM多芯片模块 ................................................... 13 3.3.7 各封装形式详细图样 .............................................. 13 第4章 总结 .............................................................. 20

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第5章 结论 .............................................................. 29 致 谢 .................................................................. 30 参考文献 .................................................................. 31

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第1章 绪论

1.1 封装技术发展八大趋势

1．IC封装正从引线封装向球栅阵列封装发展。

2．BGA封装正向增强型BGA、倒装片积层多层基板BGA、带载BGA等方向进展，以适应多端子、大芯片、薄型封装及高频信号的要求。

3．CSP的球栅节距正由1.0mm向0.8mm、0.5mm，封装厚度正向0.5mm以下的方向发展，以适应超小型封装的要求。

4．晶圆级的封装工艺(wafer level package，WLP)则采用将半导体技术与高密度封装技术有机结合在一起，其工艺特点是：在硅圆片状态下，在芯片表面再布线，并由树脂作绝缘保护，构成球形凸点后再切片。由此可以获得真正与芯片尺寸大小一致的CSP封装，以降低单位芯片的生产成本。

5．为适应市场快速增长的以手机、笔记本电脑、平板显示等为代表的便携式电子产品的需求，IC封装正在向着微型化、薄型化、不对称化、低成本化方向发展。

6．为了适应绿色环保的需要，IC封装正向无铅化、无溴阻燃化、无毒低毒化方向快速发展。

7．为了适应多功能化需要，多芯片封装成为发展潮流，采用两芯片重叠，三芯片重叠或多芯片叠装构成存储器模块等方式，以满足系统功能的需要。

8．三维封装可实现超大容量存储，有利于高速信号传播，最大限度地提高封装密度，并有可能降低价格，因此，它将成为发展高密度封装的一大亮点。

1.2 在电子产品行业中电子封装工艺技术的重要性

电子产品行业成长最快的三大版块，囊括“测试与测量”、“电子部件 ”和“电子封装工艺”.近十年来，无限元仿真已被推行到微电子封装（含板级与微系统拼装）方案与靠得住性分析的范围。无限元仿真岂但能够正在多种规范作机器应力及形变分析，还能够作热传分析，甚至是热传与工具啮合分析.电子封装产品的检测也非常主要，要有罕用元机件的检测要领和经历。电子烧结工艺正常材料有非金属，金属烧结，玻璃烧结陶瓷，玻璃等，是由重型电子烧结炉烧结的产品，其比热，材料的用量，温度，气体的供给都密没有可分，假如内中哪个环节出现了问题，那烧结出的产品将会抛弃。所以电子封装这个行业必须要掌握着一定的技能手段，同时电子封装事业的利润也是硕大的，成本不到几块的产品将会卖几十甚至几百等。这个新起的事业将会给电子事业带来巨大的发展。

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1.3 电子封装，电子烧结技术在电子产品中的历史演变

电子封装界广泛展望21百年的头十年将迎来微电子封装技能的第四个前进阶段3D 叠层封装时期--其专人性的货物将是零碎级封装，它正在封装观点上发作了反动 性的变迁，从本来的封装部件概念演化成封装零碎它是将多个芯片和能够的无源部件集成正在同一封装内， 构成存正在零碎性能的模块，因此能够完成较高的功能密度、更高的集成度、更 小的利润和更大的灵敏性。随着信息时期的到来，电子轻工业失去了快速前进，电脑、挪动电话等货物的疾 速提高，使得电子财物变化最有目共睹和最具前进后劲的财物之一，电子产物的 前进也牵动了与之亲密有关的电子封装业的前进，其主要性越来越一般。电子封装已从晚期的为芯片需要机器支持、掩护和电热联接性能，逐步融人到芯片打造 技能和零碎集成技能之中。电子产品行业的前进离不了电子封装的前进，20百年最 初二十年，随着微电子、光电子轻工业的剧变，为封装技能的前进创举了许多时 机和应战，各族保守的封装技能一直出现，电子烧结技术曾经变化20年前进 最快、使用最广的技能之一。

1.4 社会再发展，电子产业再发展，那电子封装行业呢？

随着微电子机械系统器件和微电子集成电路的不断发展，电子封装起到了很多的作用，满足化学和大气环境的要求。为此人们密切关注并积极投身于电子封装的研究，以满足这一重要领域不断发展的要求。。随着我国四大支柱产业之微电子产业的飞速发展，电子封装，电子烧结工艺在此领域中的应用必将会有大幅度的增长。电子烧结出的微电子产品要达到介电性能好、粘接性能好、耐腐蚀性能好，尺寸稳定性好，工艺性好，在各种环境的适应能力强，综合性能佳的要求。近年，随电子产业迅猛发展，我国已拥有一支优秀的电子产品开发队伍蚌埠钟钲电子厂，规模壮大，产品商品化程度高，已形成了无论技术还是素质都是终合性最强的队伍。

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第2章 电子封装技术

2.1 电子封装的定义

什么是电子封装 (electronic packaging)? 封装最初的定义是：保护电路芯片免受周围环境的影响（包括物理、化学的影响）。所以，在最初的微电子封装中，是用金属罐 (metal can) 作为外壳，用与外界完全隔离的、气密的方法，来保护脆弱的电子元件。但是，随着集成电路技术的发展，尤其是芯片钝化层技术的不断改进，封装的功能也在慢慢异化。通常认为，封装主要有四大功能，即功率分配、信号分配、散热及包装保护，它的作用是从集成电路器件到系统之间的连接，包括电学连接和物理连接。目前，集成电路芯片的I/O线越来越多，它们的电源供应和信号传送都是要通过封装来实现与系统的连接；芯片的速度越来越快，功率也越来越大，使得芯片的散热问题日趋严重；由于芯片钝化层质量的提高，封装用以保护电路功能的作用其重要性正在下降。

2.2 电子封装的类型

电子封装的类型也很复杂。从使用的包装材料来分，我们可以将封装划分为金属封装、陶瓷封装和塑料封装；从成型工艺来分，我们又可以将封装划分为预成型封装(pre-mold)和后成型封装（post-mold）；至于从封装外型来讲，则有SIP(single in-line package)、DIP(dual in-line package)、PLCC(plastic-leaded chip carrier)、PQFP(plastic quad flat pack)、SOP(small-outline package)、TSOP(thin small-outline package)、PPGA(plastic pin grid array)、PBGA(plastic ball grid array)、CSP (chip scale package)等等；若按第一级连接到第二级连接的方式来分，则可以划分为PTH(pin-through-hole)和SMT（surface-mount-technology）二大类，即通常所称的插孔式（或通孔式）和表面贴装式。

2.2.1 金属封装

金属封装是半导体器件封装的最原始的形式，它将分立器件或集成电路置于一个金属容器中，用镍作封盖并镀上金。金属圆形外壳采用由可伐合金材料冲制成的金属底座，借助封接玻璃，在氮气保护气氛下将可伐合金引线按照规定的布线方式熔装在金属底座上，经过引线端头的切平和磨光后，再镀镍、金等惰性金属给与保护。在底座中心进行芯片安装和在引线端头用铝硅丝进行键合。组装完成后，用10号钢带所冲制成的镀镍封帽进行封装，构成气密的、坚固的封装结构。金属封装的优点是气密性好，不受外界环境因素的影响。它的缺点是价格昂贵，外型灵活性小，不能满足半导体器件日益快速发展的需要。现在，金属封装所占的市场份额已越来越小，几乎已没有商品化的产品。少量产品用于特

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殊性能要求的军事或航空航天技术中。

2.2.2 陶瓷封装

陶瓷封装是继金属封装后发展起来的一种封装形式，它象金属封装一样，也是气密性的，但价格低于金属封装，而且，经过几十年的不断改进，陶瓷封装的性能越来越好，尤其是陶瓷流延技术的发展，使得陶瓷封装在外型、功能方面的灵活性有了较大的发展。目前，IBM的陶瓷基板技术已经达到100多层布线，可以将无源器件如电阻、电容、电感等都集成在陶瓷基板上，实现高密度封装。陶瓷封装由于它的卓越性能，在航空航天、军事及许多大型计算机方面都有广泛的应用，占据了约10％左右的封装市场（从器件数量来计）。陶瓷封装除了有气密性好的优点之外，还可实现多信号、地和电源层结构，并具有对复杂的器件进行一体化封装的能力。它的散热性也很好。缺点是烧结装配时尺寸精度差、介电系数高（不适用于高频电路），价格昂贵，一般主要应用于一些高端产品中。

2.2.3 塑料封装

塑料封装自七十年代以来发展更为迅猛，已占据了90％（封装数量）以上的封装市场份额，而且，由于塑料封装在材料和工艺方面的进一步改进，这个份额还在不断上升。塑料封装最大的优点是价格便宜，其性能价格比十分优越。随着芯片钝化层技术和塑料封装技术的不断进步，尤其是在八十年代以来，半导体技术有了革命性的改进，芯片钝化层质量有了根本的提高，使得塑料封装尽管仍是非气密性的，但其抵抗潮气侵入而引起电子器件失效的能力已大大提高了，因此，一些以前使用金属或陶瓷封装的应用，也已渐渐被塑料封装所替代。

2.2.4 SIP、DIP和SO封装

SIP是从封装体的一边引出管脚。通常，它们是通孔式的，管脚插入印刷电路板的金属孔内。这种形式的一种变化是锯齿型单列式封装(ZIP)，它的管脚仍是从封装体的一边伸出，但排列成锯齿型。这样，在一个给定的长度范围内，提高了管脚密度。SIP的吸引人之处在于它们占据最少的电路板空间，但在许多体系中，封闭式的电路板限制了SIP的高度和应用。

DIP封装的管脚从封装体的两端直线式引出。DIP的外形通常是长方形的，管脚从长的一边伸出。绝大部分的DIP是通孔式，但亦可是表面贴装式。对DIP来说，其管脚数通常在8至64（8、14、16、18、20、22、24、28、40、48、52和64）之间，其中，24至40管脚数的器件最常用于逻辑器件和处理器，而14至20管脚的多用于记忆器件，主

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要取决于记忆体的尺寸和外形。当器件的管脚数超过48时，DIP结构变得不实用并且浪费电路板空间。

称为芯片载体(chip carrier)或quad的封装，四边都有管脚，对高引脚数器件来说，是较好的选择。之所以称之为芯片载体，可能是由于早期为保护多引脚封装的四边引脚，绝大多数模块是封装在预成型载体中。而后成型技术的进步及塑料封装可靠性的提高，已使高引脚数四边封装成为常规封装技术。其它一些缩写字可以区分是否有引脚或焊盘的互连，或是塑料封装还是陶瓷封装体。诸如LLC(lead chip carrier)，LLCC(leadless chip carrier)用于区分管脚类型。PLCC(plastic leaded chip carrier)是最常见的四边封装。PLCC的管脚间距是0.050英寸，与DIP相比，其优势是显而易见的。PLCC的引脚数通常在20至84之间（20、28、32、44、52、68和84）。

还有一种划分封装类型的参数是封装体的紧凑程度。小外形封装通常称为SO，SOP或SOIC。它封装的器件相对于它的芯片尺寸和所包含的引脚数来说，在电路板上的印迹(footprint)是出乎寻常的小。它们能达到如此的紧凑程度是由于其引脚间距非常小，框架特殊设计，以及模块厚度极薄。在SO封装结构中，两边或四边引脚设计都有。这些封装的特征是在芯片周围的模封料及其薄，因而，SO封装发展和可靠性的关键是模封料在防止开裂方面的性能。SOP的引脚数一般为8、14和16。

2.2.5 四方扁平封装

四方扁平封装（QFP）其实是微细间距、薄体LCC，在正方或长方形封装的四周都有引脚。其管脚间距比PLCC的0.050英寸还要细，引脚呈欧翅型与PLCC的J型不同。QFP可以是塑料封装，可以是陶瓷封装，塑料QFP通常称为PQFP。PQFP有二种主要的工业标准，电子工业协会(EIA)的连接电子器件委员会(Joint Electronic Device Committee, JEDEC)注册的PQFP是角上有凸缘的封装，以便在运输和处理过程中保护引脚。在所有的引脚数和各种封装体尺寸中，其引脚间距是相同的，都为0.025英寸。日本电子工业协会(EIAJ)注册的PQFP没有凸缘，其引脚间距用米制单位，并有三种不同的间距：1.0mm，0.8mm和0.65mm，八种不同的封装体尺寸，从10mm*10mm到40mm*40mm，不规则地分布到三种不同的引脚间距上，提供十五种不同的封装形式，其引脚数可达232个。随着引脚数的增加，还可以增加封装的类型?同一模块尺寸可以有不同的引脚数目，是封装技术的一个重要进展，这意味着同一模具、同一切筋打弯工具可用于一系列引脚数的封装。但是，EIAJ的PQFP没有凸缘，这可能会引起麻烦，因为在运输过程中，必须把这些已封装好的器件放在一个特别设计的运输盒中，而JEDEC的PQFP只要置于普通的管子里就可以运输，因为凸缘可以使它们避免互相碰撞。EIAJ的PQFP的长方形结构还为将来高引脚数封装的互连密度带来好处。当引脚数大于256时，在0.100英寸间距的电路板上，长方形外形可达到较高的互连密度，这是因为周边的一些引脚可以通过模块下的通孔转换

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成平面引脚，达到PGA的互连密度。在正方形结构中，并非所有模块下的通孔均可以插入，必须有一些芯片的连接要转换到模块外形的外面，提高其有效互连面积。长方形结构可以使短边引脚数少于64个、引脚间距不大于0.025英寸(1mm)的所有引脚都插入模块底下的通孔中。PQFP最常见的引脚数是84、100、132、164和196。

2.2.6 BGA封装

当引脚数目更高时，采用PQFP的封装形式就不太合适了，这时，BGA封装应该是比较好的选择，其中PBGA也是近年来发展最快的封装形式之一。BGA封装技术是在模块底部或上表面焊有许多球状凸点，通过这些焊料凸点实现封装体与基板之间互连的一种先进封装技术。广义的BGA封装还包括矩栅阵列(LGA)和柱栅阵列(CGA)。矩栅阵列封装是一种没有焊球的重要封装形式，它可直接安装到印制线路板(PCB)上，比其它BGA封装在与基板或衬底的互连形式要方便得多，被广泛应用于微处理器和其他高端芯片封装上。BGA技术在二十世纪九十年代中期开始应用，现在已成为高端器件的主要封装技术，同时，它仍处于上升期，发展空间还相当大。目前用于BGA封装的基板有BT树脂、柔性带、陶瓷、FR-5等等。在BGA封装中，基板成本要占总成本的80％左右。BT树脂是BGA封装中应用最广的基板，同时，随着BGA封装在整个IC封装市场地位的不断提高，也导致对基板材料数量和种类的需求不断增长。

2.3 小结

综上所述，电子封装技术所涉及的范围相当广泛，本培训课程不可能一一详述。在本节中，将介绍最普遍的塑料封装技术及相关的一些材料。一般所说的塑料封装，如无特别的说明，都是指转移成型封装(transfer molding)，封装工序一般可分成二部分：在用塑封料包封起来以前的工艺步骤称为装配(assembly)或前道操作(front end operation)，在成型之后的工艺步骤称为后道操作(back end operation)。在前道工序中，净化室级别为100到1,000级。有些成型工序也在净化室中进行，但是，机械水压机和预成型品中的粉尘，很难使净化室达到10,000级以上。

一般来讲，随着硅芯片越来越复杂和日益趋向微型化，将使更多的装配和成型工序在粉尘得到控制的环境下进行。转移成型工艺一般包括晶圆减薄(wafer ground)、晶圆切割(wafer dicing or wafer saw)、芯片贴装(die attach or chip bonding)、引线键合(wire bonding)、转移成型(transfer molding)、后固化(post cure)、去飞边毛刺(deflash)、上焊锡(solder plating)、切筋打弯(trim and form)、打码(marking)等多道工序。

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第3章 电子封装汇总

3.1 封装技术的方法与原理

塑料封装的流程图如图所示，现将IC芯片粘接于用脚架的芯片承载座上，然后将其移入铸模机中灌入树脂原料将整个IC芯片密封，经烘烤硬化与引脚截断后即可得到所需的成品。

塑料封装的化学原理可以通过了解他的主要材料的性能与结构了解。常用塑料封装材料有环氧树脂、硅氧型高聚物、聚酰亚胺等

环氧树脂是在其分子结构中两个活两个以上环氧乙烷换的化合物。它是稳定的线性聚合物，储存较长时间不会固化变质，在加入固化剂后才能交联固化成热固性塑料。硅氧型高聚物的基本结构是硅氧交替的共价键和谅解在硅原子上的羟基。因此硅氧型高聚物既具有一般有机高聚物的可塑性、弹性及可溶性等性质，又具有类似于无极高聚物——石英的耐热性与绝缘性等优点。聚酰亚胺又被称为高温下的“万能”塑料。它具有耐高温、低温，耐高剂量的辐射，且强度高的特点。

3.2 塑料封装技术的发展

塑封料作为IC封装业主要支撑材料，它的发展，是紧跟整机与封装技术的发展而发展。 整机的发展趋势：轻、小（可携带性）；高速化；增加功能；提高可靠性；降低成

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本；对环境污染少。封装技术的发展趋势：封装外形上向小、薄、轻、高密度方向发展；规模上由单芯片向多芯片发展；结构上由两维向三维组装发展；封装材料由陶封向塑封发展；价格上成本呈下降趋势。 随着高新技术日新月异不断发展对半导体应用技术不断促进，所以对其环氧封装材料提出了更加苛刻的要求，今后环氧塑封料主要向以下五个方面发展：

1 向适宜表面封装的高性化和低价格化方向发展。为了满足塑封料高性化和低价格，适宜这种要求的新型环氧树脂不断出现，结晶性树脂，因分子量低，熔融粘度低，但熔点高具有优良的操作性，适用于高流动性的封装材料。目前已经有的结晶性环氧树脂，为了得到适用于封装材料的熔点范围，多数接枝了柔软的分子链段，但是成型性和耐热性难以满足封装材料的要求，所以必须开发新的结晶性的环氧树脂。

2 向适宜倒装型的封装材料方向发展 。最近随着电子工业的发展，作为提高高密度安装方法，即所谓裸管芯安装引起人们的高度重视。在裸管芯倒装法安装中，为了保护芯片防止外界环境的污染，利用液体封装材料。在液体封装料中，要求对芯片和基板间隙的浸润和充填，因这种浸润和充填最终是通过毛细管原理进行的，因此要求树脂具有非常高的流动性，同时无机填充率要降低。但液体封装料与芯片之间的应力会增大，因此要求塑封料必须具有低的线膨胀系数，现在国外采用具有萘环结构的新型环氧树脂制备塑封料。

3 BGA、CSP等新型封装方式要求开发新型材料。裸管芯安装方法，虽然是实现高密度化封装的理想方法，但目前仍有一些问题，如安装装置和芯片质量保证等，出现了一种新的封装方式即 BGA或CSP，这是一种格子接头方式的封装，不仅可以实现小型化、轻量化而且可达到高速传递化，目前这种封装形式正处于快速增长期。但这种工艺成型后在冷却工艺出现翘曲现象，这是因为基板与封装材料收缩率不同引起的。克服方法是尽量使封装料与基板线膨胀系数接近，从封装材料和基板粘合剂两方面均需开发新型塑封料的同时提高保护膜与材料的密着性。

4 高散热性的塑封料。随着电子仪器的发展，封装材料散热性的课题已提出，因为塑封料基体材料—— 环氧树脂属于有机高分子材料，基于分子结构的不同，热传导性的改善受到局限，因此从引线框架的金属材料着手，采用42#铜合金，因为有比较高的热传导率，铜合金引线框架表面有一层氧化膜，因此要求塑封料与之有良好的粘接密着性。国外有些厂家正在研究开发，通过引入链段，提高范德瓦尔引力，以提高塑封料与铜框架的引力。

5 绿色环保型塑封料：随着全球环保呼声日益高涨，绿色环保封装是市场发展的要求，上海常祥实业 采用不含阻燃剂的环氧树脂体系或更高填充量不含阻燃剂的绿色环保塑封料已经全面上市。也有一些国外公司正在试用含磷化合物,包括红磷和瞵。

总之，随着集成电路向高超大规模、超高速、高密度、大功率、高精度、多功能方向的迅速发展及电子封装技术由通孔插装（PHT）向表面贴装技术发展，封装形式由双列直插（DIP）向（薄型）四边引线扁平封装（TQFP/QFP）和球栅阵列塑装（PBGA）以及芯片

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尺寸封装（CSP）方向发展，塑封料专家刘志认为：塑封料的发展方向正在朝着无后固化、高纯度、高可靠性、高导热、高耐焊性、高耐湿性、高粘接强度、低应力、低膨胀、低粘度、易加工、低环境污染等方向发展。

3.3 其他封装技术

1．多芯片（MCP）封装。多芯片封装（MCP，Multichip Package），许多FLASH就是采用这种封装，通常把ROM和RAM封装在一块儿。多芯封装（MCP）技术是在高密度多层互连基板上，采用微焊接、封装工艺将构成电子电路的各种微型元器件(裸芯片及片式元器件)组装起来，形成高密度、高性能、高可靠性的微电子产品(包括组件、部件、子系统、系统)。它是为适应现代电子系统短、小、轻、薄和高速、高性能、高可靠、低成本的发展方向而在PCB和SMT的基础上发展起来的新一代微电子封装与组装技术，是实现系统集成的有力手段。

2．PGA（Pin Grid Array）与PAC（Pad Array Carrier）。图1-8（a）描述了LCC（Leadless Chip Carrier）与PAC的差别。显然，随着有源器件I/O管脚的增加，对于I/O管脚分布在四周的封装形式，其整个尺寸也以惊人的速度庞大起来，这与封装尺寸最小化趋势背道而驰。从图1-8（b）可以看出不同封装形式的管脚数与芯片表面积的变化关系。很明显，对于大规模和超大规模集成电路，当半导体元器件的I/O管脚数超过100时，PGA和PAC封装具有不可替代的优势。

3球形阵列封装BGA是封装形式的一大进步，封装材料有塑料或陶瓷等。PBGA的焊球一般为可回流的共晶合金Sn62Pb36Ag2或Sn63Pb37，在焊接时自对中能力很好；CBGA和TBGA的焊球为Sn10Pb60，熔点温度很高（304度左右），在回流焊时不会融化，其自对中能力较差。随着无铅化的逐步实施，大部分BGA器件开始采用SnAgCu作为引脚材料。

4倒装芯片 (Flip-Chip)。倒装芯片是一种IC芯片与下一级封装连接的技术。IC的

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活化面对着基板，在封装效率方面，倒装芯片技术达到了减少芯片尺寸的终点。倒装芯片的图电技术包括镀金属凸点、金柱、金属柱加聚合物、铜柱、焊料凸点和聚合物凸点等。倒装芯片的键合工艺包括热压、各向异性导电胶（ACA）、各向同性导电胶（ICA）、非导电胶和焊接等。

3.3.1 DIP直插式封装

DIP(DualIn－line Package)是指采用双列直插形式封装的集成电路芯片，绝大多数中小规模集成电路(IC)均采用这种封装形式，其引脚数一般不超过100个。采用DI P封装的CPU芯片有两排引脚，需要插入到具有DIP结构的芯片插座上。当然，也可以直接插在有相同焊孔数和几何排列的电路板上进行焊接。DIP封装的芯片在从芯片插座上插拔时应特别小心，以免损坏引脚。 DIP封装具有以下特点： 1.适合在PCB (印刷电路板)上穿孔焊接，操作方便。 2.芯片面积与封装面积之间的比值较大，故体积也较大。

Intel系列CPU中8088就采用这种封装形式，缓存(Cache )和早期的内存芯片也是这种封装形式。

3.3.2 QFP塑料方型扁平式封装和PFP塑料扁平组件式封装

QFP（Plastic Quad Flat Package）封装的芯片引脚之间距离很小，管脚很细，一般大规模或超大型集成电路都采用这种封装形式， 其引脚数一般在100个以上。用这种形式封装的芯片必须采用SMD（表面安装设备技术）将芯片与主板焊接起来。采用S MD安装的芯片不必在主板上打孔， 一般在主板表面上有设计好的相应管脚的焊点。将芯片各脚对准相应的焊点，即可实现与主板的焊接。用这种方法焊上去的芯片，如果不用专用工具是很难拆卸下来的。

PFP（Plastic Flat Package）方式封装的芯片与QFP方式基本相同。唯一的区别是QFP一般为正方形，而PFP既可以是正方形，也可以是长方形。

QFP/PFP封装具有以下特点：

1.适用于SMD表面安装技术在P CB电路板上安装布线。 2.适合高频使用。 3.操作方便，可靠性高。

4.芯片面积与封装面积之间的比值较小。

Intel系列CPU中80286 、80386和某些486主板采用这种封装形式。

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3.3.3 PGA插针网格阵列封装

PGA(Pin Grid Array Package)芯片封装形式在芯片的内外有多个方阵形的插针，每个方阵形插针沿芯片的四周间隔一定距离排列。根据引脚数目的多少，可以围成2-5圈。安装时，将芯片插入专门的PGA插座。为使CPU能够更方便地安装和拆卸，从 486芯片开始，出现一种名为ZIF的CPU插座，专门用来满足PGA封装的CPU在安装和拆卸上的要求。

ZIF(Zero Inser tion Force Socket)是指零插拔力的插座。把这种插座上的扳手轻轻抬起，CPU就可很容易、轻松地插入插座中。然后将扳手压回原处，利用插座本身的特殊结构生成的挤压力，将CPU的引脚与插座牢牢地接触，绝对不存在接触不良的问题。而拆卸 CPU芯片只需将插座的扳手轻轻抬起，则压力解除，CPU芯片即可轻松取出。

PGA封装具有以下特点： 1.插拔操作更方便，可靠性高。 2.可适应更高的频率。

I ntel系列C PU中，80486和Pentium、Pentium Pro均采用这种封装形式。

3.3.4 BGA球栅阵列封装

随着集成电路技术的发展，对集成电路的封装要求更加严格。这是因为封装技术关系到产品的功能性，当IC的频率超过100MHz时，传统封装方式可能会产生所谓的“CrossTalk”现象，而且当IC的管脚数大于208 Pin时，传统的封装方式有其困难度。因此，除使用QFP封装方式外，现今大多数的高脚数芯片（如图形芯片与芯片组等）皆转而使用BGA(Ball Grid Array P ackage)封装技术。BGA一出现便成为CPU、主板上南/北桥芯片等高密度、高性能、多引脚封装的最佳选择。

BGA封装技术又可详分为五大类：

1.PBGA（Plasric BG A）基板：一般为2-4层有机材料构成的多层板。Intel系列CPU中，Pentium II、I II、IV处理器均采用这种封装形式。

2.CBGA（CeramicBGA）基板：即陶瓷基板，芯片与基板间的电气连接通常采用倒装芯片（FlipChip，简称FC）的安装方式。Intel系列CPU中，Pentium I、II、Pentium Pro处理器均采用过这种封装形式。

3. FCBGA（FilpChipBGA）基板：硬质多层基板。

4.TBGA（TapeBGA）基板：基板为带状软质的1-2层PCB电路板。

5.CDPBGA（Carity Do wn PBGA）基板：指封装中央有方型低陷的芯片区（又称空腔区）。

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BGA封装具有以下特点：

1.I/O引脚数虽然增多，但引脚之间的距离远大于QFP封装方式，提高了成品率。 2.虽然BGA的功耗增加，但由于采用的是可控塌陷芯片法焊接，从而可以改善电热性能。

3.信号传输延迟小，适应频率大大提高。 4.组装可用共面焊接，可靠性大大提高。

BGA封装方式经过十多年的发展已经进入实用化阶段。1987年，日本西铁城（Citizen）公司开始着手研制塑封球栅面阵列封装的芯片（即BGA）。而后，摩托罗拉、康柏等公司也随即加入到开发BGA的行列。1993年，摩托罗拉率先将BGA应用于移动电话。同年，康柏公司也在工作站、PC电脑上加以应用。直到五六年前，Intel公司在电脑CPU 中（即奔腾II、奔腾III、奔腾IV等），以及芯片组（如i850）中开始使用BGA，这对B GA应用领域扩展发挥了推波助澜的作用。目前，BGA已成为极其热门的IC封装技术，其全球市场规模在200 0年为12亿块，预计2005年市场需求将比2000年有70%以上幅度的增长。

3.3.5 CSP芯片尺寸封装

随着全球电子产品个性化、轻巧化的需求蔚为风潮，封装技术已进步到CSP(Chip Size P ackage)。它减小了芯片封装外形的尺寸，做到裸芯片尺寸有多大，封装尺寸就有多大。即封装后的IC尺寸边长不大于芯片的1.2倍，IC面积只比晶粒（Die）大不超过1.4倍。

CSP封装又可分为四类：

1.Lead Frame Type(传统导线架形式)，代表厂商有富士通、日立、Rohm、高士达（Goldstar）等等。

2.Rigid Interposer Type( 硬质内插板型)，代表厂商有摩托罗拉、索尼、东芝、松下等等。

3. Flexible Interposer Type(软质内插板型)，其中最有名的是Tessera公司的microBGA，CTS的sim-BGA也采用相同的原理。其他代表厂商包括通用电气（GE）和NEC。

4.Wafer Level Package(晶圆尺寸封装)：有别于传统的单一芯片封装方式，WLCSP是将整片晶圆切割为一颗颗的单一芯片，它号称是封装技术的未来主流，已投入研发的厂商包括FCT、Aptos、卡西欧、EPIC、富士通、三菱电子等。

CSP封装具有以下特点：

1.满足了芯片I/O引脚不断增加的需要。 2.芯片面积与封装面积之间的比值很小。 3.极大地缩短延迟时间。

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CSP封装适用于脚数少的IC ，如内存条和便携电子产品。未来则将大量应用在信息家电（IA）、数字电视（DTV）、电子书（E-Book）、无线网络WLAN／GigabitEthemet、ADSL／手机芯片、蓝芽（Bluetooth）等新兴产品中。

3.3.6 MCM多芯片模块

为解决单一芯片集成度低和功能不够完善的问题，把多个高集成度、高性能、高可靠性的芯片，在高密度多层互联基板上用SMD技术组成多种多样的电子模块系统，从而出现MCM(Mult i Chip Model)多芯片模块系统。

MCM具有以下特点：

1.封装延迟时间缩小，易于实现模块DIM 单列直插式。 QUIP 蜘蛛脚状四排直插式。 DBGA BGA系列中陶瓷芯片。 CBGA BGA系列中金属封装芯片。 MODULE 方形状金属壳双列直插式。 RQFP QFP封装系列中，表面带金属散装体。

DIMM 电路正面或背面镶有LCC封装小芯片，陶瓷，双列直插式。 DIP-BATTERY 电池与微型芯片内封SRAM芯片，塑料双列直插。

3.3.7 各封装形式详细图样

BGA Ball Array EBGA 680L LBGA 160L PBGA 217L Plastic Ball Grid Array SBGA 192L TSBGA 680L CLCC CNR Grid 13

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Communication and Networking Riser Specification Revision 1.2 CPGA Ceramic Pin Grid Array DIP Dual Inline Package DIP-tab Dual Inline Package with Metal Heatsink FBGA FDIP FTO220 Flat Pack HSOP28 ITO220 ITO3p JLCC LCC LDCC LGA LQFP PCDIP PGA Plastic Pin 14

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Grid Array PLCC PQFP PSDIP LQFP 100L METAL QUAD 100L PQFP 100L QFP Quad Flat Package SOT220 SOT223 SOT223 SOT23 SOT23/SOT323 SOT25/SOT353 SOT26/SOT363 SOT343 SOT523 SOT89 SOT89 Socket 603 Foster LAMINATE TCSP 20L Chip Scale Package 15

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TO252 TO263/TO268 SO DIMM Small Outline Dual In-line Memory Module SOCKET 370 For intel 370 pin PGA Pentium III & Celeron CPU SOCKET 423 For intel 423 pin PGA Pentium 4 CPU SOCKET 462/SOCKET A For PGA AMD Athlon & Duron CPU SOCKET 7 For intel Pentium & MMX Pentium CPU QFP Quad Flat Package TQFP 100L SBGA SC-70 5L SDIP SIP Single Inline Package 16

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SO Small Outline Package SOJ 32L SOJ SOP EIAJ TYPE II 14L SOT220 SSOP 16L SSOP TO18 TO220 TO247 TO264 TO3 TO5 TO52 TO71 TO72 TO78 TO8 TO92 TO93 TO99 TSOP Thin Small Outline Package 17

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TSSOP or TSOP II Thin Shrink Outline Package uBGA Micro Ball Grid Array uBGA Micro Ball Grid Array ZIP Zig-Zag Inline Package C-Bend Lead CERQUAD Ceramic Quad Flat Pack Ceramic Case LAMINATE CSP 112L Chip Scale Package Gull Wing Leads LLP 8La PCI 32bit 5V Peripheral Component Interconnect PCI 64bit 3.3V Peripheral Component Interconnect 18

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PCMCIA PDIP PLCC SIMM30 Single In-line Memory Module SIMM72 Single In-line Memory Module SIMM72 Single In-line Memory Module SLOT 1 For intel Pentium II Pentium III & Celeron CPU SLOT A For AMD Athlon CPU SNAPTK SNAPTK SNAPZP SOH 19

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第4章 总结

随着硅芯片越来越复杂和日益趋向微型化，将使更多的装配和成型工序在粉尘得到控制的环境下进行。转移成型工艺一般包括晶圆减薄(wafer ground)、晶圆切割(wafer dicing or wafer saw)、芯片贴装(die attach or chip bonding)、引线键合(wire bonding)、转移成型(transfer molding)、后固化(post cure)、去飞边毛刺(deflash)、上焊锡(solder plating)、切筋打弯(trim and form)、打码(marking)等多道工序。

下面，将对各个工序作简单的介绍。

晶圆减薄是在专门的设备上，从晶圆背面进行研磨，将晶圆减薄到适合封装的程度。由于晶圆的尺寸越来越大（从4英寸、5英寸、6英寸，发展到8英寸、甚至12英寸），为了增加晶圆的机械强度，防止晶圆在加工过程中发生变形、开裂，晶圆的厚度也一直在增加。但是，随着系统朝轻薄短小的方向发展，芯片封装后模块的厚度变得越来越薄，因此，在封装之前，一定要将晶圆的厚度减薄到可以接受的程度，以满足芯片装配的要求。如6英寸晶圆，厚度是675微米左右，减薄后一般为150微米。在晶圆减薄的工序中，受力的均匀性将是关键，否则，晶圆很容易变形、开裂。晶圆减薄后，可以进行划片(sawing or dicing)。较老式的划片机是手动操作的，现在，一般的划片机都已实现全自动化。划片机同时配备脉冲激光束、钻石尖的划片工具或是包金刚石的锯刀。无论是部分划线还是完全分割硅片，锯刀都是最好的，因为它划出的边缘整齐，很少有碎屑和裂口产生。硅芯片常常称为die，也是由于这个装配工序（die的原意是骰子，即小块的方形物，划开后的芯片一般是很小的方形体，很象散落一地的骰子）。已切割下来的芯片要贴装到框架的中间焊盘(die-paddle)上。焊盘的尺寸要和芯片大小相匹配，若焊盘尺寸太大，则会导致引线跨度太大，在转移成型过程中会由于流动产生的应力而造成引线弯曲及芯片位移现象。贴装的方式可以是用软焊料（指Pb-Sn合金，尤其是含Sn的合金）、Au-Si低共熔合金等焊接到基板上，在塑料封装中最常用的方法是使用聚合物粘结剂(polymer die adhesive)粘贴到金属框架上。常用的聚合物是环氧(epoxy)或聚酰亚胺（polyimide），以Ag（颗粒或薄片）或Al2O3 作为填充料（filler），填充量一般在75％到80％之间，其目的是改善粘结剂的导热性，因为在塑料封装中，电路运行过程中产生的绝大部分热量将通过芯片粘结剂――框架散发出去。

用芯片粘结剂贴装的工艺过程如下：用针筒或注射器将粘结剂涂布到芯片焊盘上（要有合适的厚度和轮廓，对较小芯片来讲，内圆角形可提供足够的强度，但不能太靠近芯片表面，否则会引起银迁移现象），然后用自动拾片机（机械手）将芯片精确地放置到芯片焊盘的粘结剂上面。对于大芯片，误差<25微米（1 mil），角误差<0.3°。对15到30微米厚的粘结剂，压力在5N/cm2。芯片放置不当，会产生一系列问题：如空洞造成高应力；环氧粘结剂在引脚上造成搭桥现象，引起内连接问题；在引线键合时造成框架翘曲，使得

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一边引线应力大，一边引线应力小，而且为了找准芯片位置，还会使引线键合的生产力降低，成品率下降。聚合物粘结剂通常需要进行固化处理，环氧基质粘结剂的固化条件一般是150°C，1小时（也有用186°C，0.5小时固化条件的）。聚酰亚胺的固化温度要更高一些，时间也更长。具体的工艺参数可通过差分量热仪（Differential Scanning Calorimetry, DSC）实验来确定。

在塑料封装中，引线键合是主要的互连技术，尽管现在已发展了TAB(tape automated bonding)、FC(flip chip)等其它互连技术，但占主导地位的技术仍然是引线键合技术。在塑料封装中使用的引线主要是金线，其直径一般在0.025mm到0.032mm(1.00mil到1.25mil)。引线的长度常在1.5mm到3mm (60mil到120mil) 之间，而弧圈的高度可比芯片所在平面到0.75mm(30mil)。键合技术有热压焊(thermocompression)，热超声焊(thermosonic)等。这些技术的优点是容易形成球形（所谓的球焊技术，ball bonding），并且可以防止金线氧化。为了降低成本，也在研究用其它金属丝，如铝、铜、银、钯等来替代金丝键合。热压焊的条件是二种金属表面紧紧接触，控制时间、温度、压力，使得二种金属发生连接。表面粗糙（不平整）、有氧化层形成或是有化学沾污、吸潮等都会影响到键合效果，降低键合强度。热压焊的温度在300°C到400°C，时间一般为40毫秒（通常，加上寻找键合位置等程序，键合速度是每秒二线）。超声焊的优点是可避免高温，因为它用20到60 KHz的超声振动提供焊接所需的能量，所以，焊接温度可以降低一些。超声焊是所谓的楔焊（wedge bonding）而不是球焊（ball bonding），在引线与焊盘连接后，再用夹具或利刃切断引线（clamp tear or table tear）。楔焊的缺点是必须旋转芯片和基座，以使它们始终处于楔焊方向上，所以，楔焊的速度就必须放慢。它的优点是焊接面积与引线面积相差不大，可以用于微细间距(fine pitch)的键合。将热和超声能量同时用于键合，就是所谓的热超声焊。与热压焊相比，热超声焊最大的优点是将键合温度从350℃ 降到250℃ 左右（也有人认为可以用100℃ 到150℃ 的条件），这可以大大降低在铝焊盘上形成Au-Al金属间化合物的可能性，延长器件寿命，同时降低了电路参数的漂移。在引线键合方面的改进主要是因为需要越来越薄的封装，有些超薄封装的厚度仅有0.4毫米左右。所以，引线环（loop）从一般的8至12密尔（200到300微米）减小到4至5密尔（100到125微米），这样，引线的张力就很大，引线绷得很紧。楔焊的优点是可以用于微细间距焊盘上，适合于高密度封装，它甚至可用于焊盘间距小于75微米的键合，而若采用球焊，则1密尔（25微米）的金丝，其球焊的直径在2.5到4密尔（63至102微米）之间，要比楔焊大得多。

塑料封装的成型技术也有许多种，包括转移成型技术、喷射成型技术（inject molding）、预成型技术（pre-molding）等，但最主要的成型技术是转移成型技术(transfer molding)。转移成型使用的材料一般为热固性聚合物(thermosetting polymer)。所谓的热固性聚合物是指在低温时，聚合物是塑性的或流动的，但当将其加热到一定温度时，即发生所谓的交联反应(cross-linking)，形成刚性固体。再将其加热时，只能变软而不可能熔化、流动。在塑料封装中使用的典型成型技术的工艺过程如下：将已贴装好芯片并完成引线键合的框架带

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置于模具中，将塑封料的预成型块在预热炉中加热（预热温度在90℃到95℃之间），然后放进转移成型机的转移罐中。在转移成型活塞的压力之下，塑封料被挤压到浇道中，并经过浇口注入模腔（在整个过程中，模具温度保持在170℃到175℃左右）。塑封料在模具中快速固化，经过一段时间的保压，使得模块达到一定的硬度，然后用顶杆顶出模块，成型过程就完成了。

用转移成型法密封微电子器件，有许多优点。它的技术和设备都比较成熟，工艺周期短，成本低，几乎没有后整理（finish）方面的问题，适合于大批量生产。当然，它也有一些明显的缺点：塑封料的利用率不高（在转移罐、壁和浇道中的材料均无法重复使用，约有20％到40％的塑封料被浪费）；使用标准的框架材料，对于扩展转移成型技术至较先进的封装技术（如TAB等）不利；对于高密度封装有限制。对于大多数塑封料来说，在模具中保压几分钟后，模块的硬度足可以达到允许顶出，但是，聚合物的固化（聚合）并未全部完成。由于材料的聚合度（固化程度）强烈影响材料的玻璃化转变温度及热应力，所以，促使材料全部固化以达到一个稳定的状态，对于提高器件可靠性是十分重要的，后固化就是为了提高塑封料的聚合度而必须的工艺步骤，一般后固化条件为170℃ 到175℃，2至4小时。目前，也发展了一些快速固化（fastcure molding compound）的塑封料，在使用这些材料时，就可以省去后固化工序，提高生产效率。

在封装成型过程中，塑封料可能会从二块模具的合缝处渗出来，流到模块外的框架材料上。若是塑封料只在模块外的框架上形成薄薄的一层，面积也很小，通常称为树脂溢出（resin bleed）。若渗出部分较多、较厚，则称为毛刺（flash）或是飞边毛刺（flash and strain）。造成溢料或毛刺的原因很复杂，一般认为是与模具设计、注模条件及塑封料本身有关。毛刺的厚度一般要薄于10微米，它对于后续工序如切筋打弯等工艺带来麻烦，甚至会损坏机器。因此，在切筋打弯工序之前，要进行去飞边毛刺工序（deflash）。随着模具设计的改进，以及严格控制注模条件，毛刺问题越来越不严重了，在一些比较先进的封装工艺中，已不再进行去飞边毛刺的工序了。去飞边毛刺工序工艺主要有：介质去飞边毛刺(media deflash)、溶剂去飞边毛刺(solvent deflash)、水去飞边毛刺(water deflash)。另外，当溢料发生在框架堤坝(dam bar)背后时，可用所谓的dejunk工艺。其中，介质和水去飞边毛刺的方法用得最多。用介质去飞边毛刺时，是将研磨料，如粒状的塑料球和高压空气一起冲洗模块。在去飞边毛刺过程中，介质会将框架引脚的表面轻微擦毛，这将有助于焊料和金属框架的粘连。在以前曾有用天然的介质，如粉碎的胡桃壳和杏仁核，但由于它们会在框架表面残留油性物质而被放弃。用水去飞边毛刺工艺是利用高压的水流来冲击模块，有时也会将研磨料和高压水流一起使用。用溶剂来去飞边毛刺通常只适用于很薄的毛刺。溶剂包括N－甲基吡咯烷酮（NMP）或双甲基呋喃（DMF）。

对封装后框架外引脚的后处理可以是电镀(solder plating)或是浸锡(solder dipping)工艺，该工序是在框架引脚上作保护性镀层，以增加其抗蚀性，并增加其可焊性。电镀目前都是在流水线式的电镀槽中进行，包括首先进行清洗，然后在不同浓度的电镀槽中进行电

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镀，最后冲淋、吹干，然后放入烘箱中烘干。浸锡也包括清洗工序，然后放到助焊剂（flux）中进行浸泡，再放入熔融的焊锡中浸泡，最后用热水冲淋。焊锡的成分一般是63Sn/37Pb。这是一种低共融合金，其熔点在183－184℃之间。也有用成分为85Sn/15Pb、90Sn/10Pb、95Sn/5Pb的，有的日本公司甚至用98Sn/2Pb的焊料。减少铅的用量，主要是出于环境的考虑，因为铅对环境的影响正日益引起人们的高度重视。而镀钯工艺，则可以避免铅的环境污染问题。但是，由于通常钯的粘结性并不太好，需要先镀一层较厚的、致密的、富镍的阻挡层。钯层的厚度仅为76微米（3密尔）。由于钯层可以承受成型温度，所以，可以在成型之前完成框架的上焊锡工艺。并且，钯层对于芯片粘结和引线键合都适用，可以避免在芯片粘结和引线键合之前必须对芯片焊盘和框架内引脚进行选择性镀银（以增加其粘结性），因为镀银时所用的电镀液中含有氰化物，给安全生产和废弃物处理带来麻烦。

切筋打弯其实是二道工序，但通常同时完成。所谓的切筋工艺，是指切除框架外引脚之间的堤坝（dam bar）以及在框架带上连在一起的地方；所谓的打弯工艺则是将引脚弯成一定的形状，以适合装配（assembly）的需要。对于打弯工艺，最主要的问题是引脚的变形。对于PTH装配要求来讲，由于引脚数较少，引脚又比较粗，基本上没有问题。而对SMT装配来讲，尤其是高引脚数目框架和微细间距框架器件，一个突出的问题是引脚的非共面性（lead non coplanarity）。造成非共面性的原因主要有二个：一是在工艺过程中的不恰当处理，但随着生产自动化程度的提高，人为因素大大减少，使得这方面的问题几乎不复存在；另一个原因是由于成型过程中产生的热收缩应力。在成型后的降温过程中，一方面由于塑封料在继续固化收缩，另一方面由于塑封料和框架材料之间热膨胀系数失配引起的塑封料收缩程度要大于框架材料的收缩，有可能造成框架带的翘曲，引起非共面问题。所以，针对封装模块越来越薄、框架引脚越来越细的趋势，需要对框架带重新设计，包括材料的选择、框架带长度及框架形状等，以克服这一困难。

打码就是在封装模块的顶表面印上去不掉的、字迹清楚的字母和标识，包括制造商的信息、国家、器件代码等，主要是为了识别并可跟踪。打码的方法有多种，其中最常用的是印码（print）方法。它又包括油墨印码(ink marking)和激光印码(laser marking)二种。使用油墨来打码，工艺过程有点象敲橡皮图章，因为一般确实是用橡胶来刻制打码所用的标识。油墨通常是高分子化合物，常常是基于环氧或酚醛的聚合物，需要进行热固化，或使用紫外光固化。使用油墨打码，主要是对模块表面要求比较高，若模块表面有沾污现象，油墨就不易印上去。另外，油墨比较容易被擦去。有时，为了节省生产时间和操作步骤，在模块成型之后首先进行打码，然后将模块进行后固化，这样，塑封料和油墨可以同时固化。此时，特别要注意在后续工序中不要接触模块表面，以免损坏模块表面的印码。粗糙表面有助于加强油墨的粘结性。激光印码是利用激光技术在模块表面刻写标识。激光源常常是CO2或Nd:YAG。与油墨印码相比，激光印码最大的优点是不易被擦去，而且，它也不涉及油墨的质量问题，对模块表面的要求相对较低，不需要后固化工序。激光印码的缺点是它的字迹较淡，即，与没有打码的背底之间衬度差别不如油墨打码那样明显。当然，

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可以通过对塑封料着色剂的改进来解决这个问题。总的来讲，在目前的封装工艺中，越来越多的制造商选择使用激光打码技术，尤其是在高性能产品中。

器件装配的方式有二种，一种是所谓的波峰焊（wave soldering），另一种是所谓的回流焊（reflow soldering）。波峰焊主要用在插孔式PTH封装类型器件的装配，而表面贴装式SMT及混合型器件装配则大多使用回流焊。波峰焊是早期发展起来的一种PCB板上元器件装配工艺，现在已经较少使用。波峰焊的工艺过程包括上助焊剂、预热及将PCB板在一个焊料峰（solder wave）上通过，依靠表面张力和毛细管现象的共同作用将焊料带到PCB板和器件引脚上，形成焊接点。在波峰焊工艺中，熔融的焊料被一股股喷射出来，形成焊料峰，故有此名。目前，元器件装配最普遍的方法是回流焊工艺（reflow soldering），因为它适合表面贴装的元器件，同时，也可以用于插孔式器件与表面贴装器件混合电路的装配。由于现在的元器件装配大部分是混合式装配，所以，回流焊工艺的应用更为广泛。回流工艺看似简单，其实包含了多个工艺阶段：将焊膏（solder paste）中的溶剂蒸发掉；激活助焊剂（flux），并使助焊作用得以发挥；小心地将要装配的元器件和PCB板进行预热；让焊料熔化并润湿所有的焊接点；以可控的降温速率将整个装配系统冷却到一定的温度。回流工艺中，器件和PCB板要经受高达210℃到230℃的高温，同时，助焊剂等化学物质对器件都有腐蚀性，所以，装配工艺条件处置不当，也会造成一系列的可靠性问题。

封装质量必须是封装设计和制造中压倒一切的考虑因素。质量低劣的封装可危害集成电路器件性能的其它优点，如速度、价格低廉、尺寸小等等。封装的质量低劣是由于从价格上考虑比从达到高封装质量更多而造成的。事实上，塑料封装的质量与器件的性能和可靠性有很大的关系，但封装性能更多取决于封装设计和材料选择而不是封装生产，可靠性问题却与封装生产密切相关。

在完成封装模块的打码（marking）工序后，所有的器件都要100％进行测试，在完成模块在PCB板上的装配之后，还要进行整块板的功能测试。这些测试包括一般的目检、老化试验（burn-in）和最终的产品测试（final testing）。老化试验是对封装好的电路进行可靠性测试（reliability test），它的主要目的是为了检出早期失效的器件，称为infant mortality。在该时期失效的器件一般是在硅制造工艺中引起的缺陷（即，它属于坏芯片，但在片上测试时并未发现）。在老化试验中，电路插在电路板上，加上偏压，并放置在高温炉中。老化试验的温度、电压负载和时间都因器件的不同而不同，同一种器件，不同的供应商也可能使用不同的条件。但比较通用的条件是在125℃到150 ℃温度下，通电电压在6.2到7.0伏（一般高出器件工作电压20％到40％）通电测试24到48小时。

为了了解集成电路器件的使用寿命和可靠性，除了上述的老化试验外，常用加速试验使器件在较短的时间里失效，并进行失效机理分析，以便尽快找到失效原因，改进设计或工艺条件，提高器件的寿命和可靠性。加速试验（accelerated test）是可靠性测试中的一种，一般选择一个或几个可能引起器件失效的加速因子，如潮气、温度、溶剂、润滑剂、沾污、一般的环境应力和剩余应力等，模拟器件在实际使用过程中可能遇到的使用环境。

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对绝大多数集成电路产品来讲，最短的工作时间也有好几年，但是，制造的时间却很短，因此，在常规操作条件下做资质试验（qualification test）是不太实际的，也是不经济的。对于使用寿命很长、可靠性很高的产品来讲，在60％的置信度（confidence level）条件下，以每千小时0.1％的失效速率（即103FIT，failure unit）测试产品，则无失效时间长达915,000小时，即若器件样本数为915，则要测试1,000小时才会有一个器件失效；若器件的样本数为92，则要测试10,000小时才会有一个器件失效，这样的测试即不经济又费时，因此，必须在加速使用条件下进行测试。由于失效是随时间分布的，所以，在分析失效速度时要用到许多统计的方法，包括根据辅助可靠性要求设计的置信度和样本数。加速试验包括以下步骤：选择加速力；确定加速力的强度；设计测试程序，确定单重加速还是多重加速；将测试数据外推到实际操作条件。在选择加速力时尤其要特别小心，因为加速试验的目的是在于让确实存在的缺陷提前暴露出来，而不是为了诱导产生新的缺陷或让存在的缺陷逃脱。加速力选择要与器件可靠性要求紧密关联，否则可能对改进设计、材料选择、工艺参数确定等方面产生误导作用。不同的器件，其使用条件和可靠性要求不同，需要设计不同的加速试验，以便实验数据能真正反映器件的正常寿命，为改进设计或工艺提供可靠的实验依据。

在加速试验进行过程中，通常会在不同的时间里对试验样品进行电学性能测试，测试通过的样品继续进行试验，测试没有通过的样品，则要进行失效分析。器件电学性能测试异常，通常有三种情况：开路、短路、电参数漂移。

器件失效常常有二种情况，一种是所谓的过载（overstress），另一种是破损（wearout）。前一种的失效是瞬时的、灾难性的，后一种是累积的，漫长的，首先表现在器件性能的衰退，然后才是器件失效。引起器件失效的机理有多种，但常与金属部件的锈蚀联系在一起，造成锈蚀的原因包括机械、热、电学、辐射、化学（mechanical、thermal、electrical、radiation、chemical）等诱导因素。在机械方面，包括一般的冲击、振动（如汽车发动机罩下面的电子装置）、填充料颗粒在硅芯片上产生的应力、惯性力（如加农炮外壳在发射时引信受到的力）等，这些负荷对材料和结构的响应有弹性形变、塑性形变、弯曲（buckle）、脆性或柔性断裂（fracture）、界面分层、疲劳裂缝产生及增殖、蠕变（creep）及蠕变开裂等；在热学方面，包括芯片粘结剂固化时的放热、引线键合前的预加热、成型工艺、后固化、邻近元器件的重新加工（rework）、浸锡、波峰焊、回流焊等，热负荷造成的影响在于材料的热膨胀，由于材料之间的CTE失配，引起局部应力，导致失效；在电学方面，突然的电冲击（如汽车发动时的点火）、由于电压不稳和电传输过程中突然的振荡（如接地不良）而引起的电流波动、静电电荷、电过载或输入电压过高、电流过大，电负荷造成介电击穿、电压表面击穿、电能的热损耗、电迁移，还会引起电锈蚀、由于枝蔓晶生长而引起的漏电流、电热降解等；在辐射方面，封装材料中微量的放射性元素（如铀、钍等放射性元素）引起的a粒子辐射，尤其对存储器有影响，会引起器件性能下降及包封料的降聚作用，在器件表面覆盖聚酰亚胺涂层或用人工合成的填充料都是解决的途径；在化学方面，

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环境造成的锈蚀、氧化、离子表面枝蔓生长等都会引起失效，而潮湿环境下的潮气进入则是最主要的问题，进入塑封料中的潮气，会将材料中的催化剂等其它添加剂中的离子萃取出来，生成副产品，进入芯片上的金属焊盘、半导体结构、材料的界面等，激活失效机理。另外，特殊的机械失效也会影响器件性能，如双极型器件中的小信号电流增益和MOS器件中的互导主要受较大机械应力的影响。减小应力诱导参数变化和失效的方法之一是积极从封装设计、材料选择和工艺参数中来分配热收缩应力。

失效机理分析对于理解和改进塑料封装工艺方面的价值是无法估量的，对失效的器件进行彻底的、正规的分析，并采取适当的改进措施，可以大大提高生产力、成品率和封装质量。同时，为了保证器件的电学和力学方面的可靠性，在封装设计中失效分析也是关键的因素，而为了使失效分析达到最佳效果，一定要按部就班地进行分析，以保证不遗漏相关的信息。发现器件失效后，要找到真正引起失效的原因或机理，并不太容易。除了封装模块的开裂之外，其它失效都发生在模块之内。所以，要了解器件失效的真正原因，必须有相应的分析手段。失效分析方法一般可分为无损检测和开封检测二种。无损检测就是借助于光、电、声等方法，在不破坏器件结构的条件下，寻找器件失效的原因。开封检测则是首先打开器件的封装部分，再借助仪器设备对失效原因进行检测。是否要打开包封体是在进行失效分析时要作的第一个重要的决定，一些非破坏性的分析技术，如光学显微镜、X射线显微术和扫描声显微镜在失效分析中已被广泛应用，因为它们可以观察器件的外部形貌或可以\穿透\包封体而\看到\封装内部的一些失效情况。但是，当封装内部缺陷尺度小于1微米时，就达到了这些技术的分辨率极限。在许多情况下，需要打开包封体以检测封装内部的缺陷。开封方法包括化学、机械和等离子体刻蚀等。器件失效的分析方法有许多，包括各种价格昂贵的专门设备，下面，将介绍一些常用的分析设备。X射线成象术：X射线可以穿过塑封料并对包封内部的金属部件成像，因此，它特别适用于评价由流动诱导应力引起的引线变形和/或芯片焊盘的位移。在电路测试中，引线断裂的结果是开路，而引线交叉或引线压在芯片焊盘的边缘上或芯片的金属布线上，则表现为短路。X射线分析还可用于评估气泡的产生和位置，塑封料中那些直径大于1毫米的大空洞，很容易探测到，而微束（fine focus）X射线分析仪可探测到尺寸更小的气泡。X射线分析仪都有一个可以三维移动的平台，并且还可以在一定范围内旋转。在Z轴方向上，要有足够的位移，以方便在不同位置上聚焦。在XY方向，平台要足够大，以方便对整条框架带进行检测而不用将模块切割下来，因为引线扭曲是朝着与转移罐同方向或远离转移罐方向发展，常常暗示着在封装材料选择、封装设计、模具设计和工艺参数确定中的不足，所以，需要在一次检测中同时完成一条框架带上的模块，而不是将模块从框架代上切割下来检测。用X射线检测芯片焊盘的位移较为困难，因为焊盘位移相对于原来的位置来说更多的是倾斜而不是平移，所以，在用X射线分析时必须从侧面穿过较厚的塑封料来检测。检测芯片焊盘位移更好的方法是用剖面法，这已是破坏性分析了。

C－SAM：C模式扫描超声显微镜的工作原理与普通医学上所用的B超很相似，只是

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它使用的是C模式。声波显微镜很快被集成电路封装研究和失效分析实验室接受是因为它可提供封装电路内部损坏的非破坏性图像，例如封装开裂、空洞、分层等。用于检测集成电路封装的声波成像技术有好几种，但最广泛应用的模式是反射式。在该种模式中，聚集声波脉冲穿过封装模块，返回的声波（回声）用于内部结构的成像，这种技术就是通常所说的C－SAM，因为它将七十年代在斯坦福大学发展起来的扫描声显微术与五十年代起就用于非破坏性测试的C－扫描检测深度分布结合起来，充分发挥了精确分析和显示能力。因为声波是物质波（matter wave），C－SAM技术能够反映X射线成像术无法探测到的封装裂痕。C－SAM的初级声波脉冲频率在15到100兆赫兹，现在，一些用于探测倒扣芯片封装缺陷的C－SAM的频率更高达250兆赫兹以上。C－SAM的空间分辨率在50到400微米之间，取决于许多因素，包括声波显微镜的频率、封装模块的厚度及塑封料对声波的吸收等。

显微镜：显微镜在封装失效分析中十分有用，许多电路中的特征和缺陷度是通过显微镜确定的。显微镜包括一般的光学显微镜和电子显微镜。光学显微镜的放大倍数从低倍、中倍到高倍都很有用，可以用于观测开封后的封装模块芯片表面缺陷，如球焊的浮起，钝化层开裂等。光学显微镜最好可以同时从目镜和显示屏中观察，若带有成像技术（拍照、录象）就更加理想。扫描电子显微镜（SEM）也是十分有用的失效分析工具，它可以用于观察光学显微镜无法清楚反映的问题，并可以把缺陷放大。大部分SEM都附带EDX（energy dispersion X-ray），可用于探测所选区域的材料成分（元素），对于表面沾污、界面分层等的分析很有帮助。透射电子显微镜（TEM）在封装失效分析中也有使用，但并不普遍。

其它分析方法：由于封装工艺中大量使用高分子材料，所以，一些高分子表征手段使用也十分广泛，如DSC（differential scanning calorimetry，差分扫描量热仪）、TMA（thermomechanical analysis，热机械分析）、TGA（thermogravimetric analysis，热重分析）、DMA（dynamic mechanical analysis，动态机械分析）及流变分析等，这些设备可以帮助了解和掌握高分子材料的热性能、机械（力学）性能和流变性能，对于工艺条件的改进是很有帮助的。另外，一些表面分析仪器如SIMS、TOF－SIMS、AES、XPS、FTIR等在封装失效分析中也常常用到，由于在前面各章中已作了专门介绍，在这里就不再重复了。

在器件失效分析中，另一种十分有用的分析方法是剖面分析（cross-section）方法，即将封装模块进行切割，观察其截面情况。为了使剖面分析能真正反映失效的部位及失效模式，切割的位置和剖面制备的方法都很重要。剖面制备的方法可以通过带锯、轮锯等金刚石工具进行切割，然后用研磨、抛光等方法，对截面进行进一步的加工，以使表面更易观察。制备完成的样品可以在光学显微镜、电子显微镜等下面进行进一步的观察和分析，以获取更多的信息。但是，剖面制备过程中，也可能破坏原有的器件结构，使某些失效信息丢失，因此，在进行剖面分析之前，要进行全面的考虑，拟定完整的分析方案。

随着集成电路工艺进入深亚微米时代，以金属铜代替金属铝作为晶圆上互连材料的迫

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切性越来越大。目前，在0.18微米工艺中，已有一些制造商采用了铜布线，而在0.13微米工艺中，以铜替代铝已是不争的事实。由于封装工艺的金属互连直接与晶圆上的金属互连相接触，并通过它们形成了器件与系统的电通路，因此，晶圆布线材料的变化，将对封装工艺产生深刻的影响。同时，由于芯片的特征尺寸越来越小，对引线键合工艺造成的压力也越来越大，因为要在如此细微的间距中进行引线键合，对于金属引线的尺寸要求和键合方法都是一种考验。因此，采用新的互连方法是唯一的选择。倒装（flip chip）焊或倒扣技术就是一个十分吸引人的选择。所谓的倒扣芯片封装技术，就是将集成电路芯片的有源区面向基板的互连形式。所以，无论是引线键合还是凸缘键合，只要其芯片有源区面向基板，都称为倒扣芯片技术。从目前国际上对于倒扣芯片封装工艺的研究和应用情况来看，高互连密度、高性能器件的倒扣芯片封装技术，普遍采用以IBM C4技术为基本工艺，并加以一定的改进。这种技术的特点是可以达到相当高的互连密度，若同时采用陶瓷封装工艺的话，其器件的可靠性也很高，但它的价格亦十分昂贵，所以，它主要应用于航天航空工业及军事方面，以及一些对可靠性有特殊要求的场合。另一方面，在一些可靠性要求并不那么高，芯片的输入/输出端数目也并不太多，但特别强调器件尺寸大小的情况下，在印刷电路板上的直接芯片倒扣封装技术，就显得非常关键，例如在手提电脑、移动通讯等方面。而且，印刷电路板上的芯片直接倒扣封装技术，在应用了底部填充料技术后，其可靠性也有了很大的提高，它在价格方面的优势，使它的应用范围越来越广。所以，倒扣芯片技术也因此可以划分为FCIP（flip chip in packaging）及FCOB（flip chip on board）技术。无论哪一种技术，其关键是芯片上凸缘（bump）的制备。

IBM 的C4（controlled-collapse chip connection）技术是在1965年发展起来的，并成为IBM System/360系列计算机的逻辑基础。C4技术的凸缘制备主要是通过电子束蒸发、溅射等工艺，将UBM（under bump metallurgy）或BLM（ball limiting metallurgy）沉积在芯片的铝焊盘上。UBM一般有三层，分别为铬/铬－铜（50-50）/铜，这个结构可以保证凸缘与铝焊盘的粘结性并防止金属间的互扩散。在UBM的上面，还有一层很薄的金层，主要是防止金属铜的氧化。凸缘的成分是铅锡合金，根据不同的应用要求可以选用低共熔化合物或其它的组分。IBM常用的组分是5wt%Sn/95wt%Pb，它的熔点分别为308℃（solid）和312℃（liquid）或3wt%Sn/97wt%Pb它的熔点分别为314℃（solid）和320℃（liquid）。IBM的基板是陶瓷基板，所以可以忍受超过300℃的回流温度。由于IBM的C4技术工艺复杂、设备昂贵，所以长期以来，其应用都局限在一些高性能、高要求、高成本的场合。

从上面的描述中可以看出，以前在做bumping工艺时，都是在已经做完周边布线的晶圆上在设计阶段，就可以考虑后道封装的要求，将周边布线改为面栅阵列（area grid array），同时可以取消UBM工艺及金属铜层的制备，大大减少了工艺步骤，使倒装焊技术得以加快推广的步伐。因此，铜工艺不但将带来芯片制造工艺方面的变化，而且也将对封装工艺带来极大的冲击，引起封装技术和系统连接技术的大变革。

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第5章 结论

封装技术作为信息产业的重要基础在在产品中发挥着很大的作用。具体来说有封装市场巨大，决定产品性能、可靠性、寿命、成本等。现代电子信息产业的竞争在某种意义上主要就是电子封装业的竞争，它在一定程度上决定着现代工业化的水平。而作为封装技术的主流塑料封装技术的发展更加至关重要。每年都有大量的资金投入到塑料封装技术的改进与研发中，可以预见在将来塑料封装技术将以更加完美的姿态应用在我们生活的方方面面。

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致 谢

本论文是在讲师孙燕老师的精心指导和悉心关怀下完成的，从开题伊始到论文结束，我所收集的每一份材料、编写的每一段文字都无不倾注着导师辛勤的汗水和心血。老师严谨的治学态度、渊博的各科知识、无私的奉献精神使我深受启迪，从尊敬的导师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。在今后的学习工作中，我将铭记恩师对我的教诲和鼓励，尽自己最大的努力取得更好的成绩。

在此我要向我的讲师孙燕老师致以最衷心的感谢和深深的敬意！

在三年的大学学习期间，电子工艺与管理的每位老师对我的学习、生活和工作都给予了热情的关心和帮助，使我的知识水平得到了很大的提高，取得了长足的进步。

在此，向所有关心和帮助过我的老师、同学和朋友表示由衷的谢意！

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参考文献

[1] 顾霭云、王豫明、谢德康.《表面组装（SMT）通用工艺》.北京电子学会表面安装技术专业委员会，2004年

[2] 赵小青、李秋芳.《电子产品工艺》.北华航天工业学院出版，2005年 [3] 李景元.《现代企业工艺技术员现场管理运作实务》.中国经济出版社 [4] 吴玉瑞.《现代生产管理学》.华中理工大学出版

[5] 周德检.《SMT组装质量检测与控制》.国防工业出版社出版 [6] 张文典.《使用表面组装技术》.电子工业出版社出版 [7] 周德检.《表面组装技术基础》.国防工业出版社出版 [8] 周德检.吴兆华.《SMT组装系统》.国防工业出版社出版 [9] 周瑞山.《SMT工艺材料》.四川省SMT专委会 [10] 李江佼.《现代质量管理》.中国计量出版社出版

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指 导 教 师 情 况 姓 名 技术职称 工作单位 指 导 教 师 评 语 指导教师评定成绩： 指导教师签字： 年 月 日 答 辩 委 员 会 评 语 最终评定成绩： 答辩委员会主任签字： 单位（公章） 年 月 日

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