摘要：本文概述了5G微电子设备落地生产对现代微电气安装工艺的挑战。基于摩尔定律分析了未来电子制造将面临的瓶颈及其表现。围绕5G微电子设备微电气安装的电磁兼容性，重点探讨了EMC、EMS、EMI的形因及对回路正常工作的影响和危害。它们共同映射了5G微电子设备落地生产将面临的工艺险阻和需要预先研究解决的工艺难点。

摩尔定律虽然不是一个自然法则，其取名于世界上最大的芯片制造商的创始人哥登.摩尔(Gordon Moore)，其原始的定律描叙为：“在一个硅晶片的晶体管数将像一个时钟一样每隔18个月翻一倍”。硅芯片晶体管数的翻倍，意味着硅芯片安装密度的大幅提高，导线间距将更急剧地向密集化、微细化方向发展，使得现代电子设备的微电气安装，将面临更多的新的瓶颈和新的挑战。

随着半导体和微机械元器件尺寸小到毫微级，基于机械安装系统和焊接技术的传统安装和互连方式将会遇到严重的挑战。D.O Popa在2004年曾著文指出：若按摩尔定律继续进行的话，就会在2010年以后的十年中发生“安装危机”。例如：

① 细间距器件和微细元件：细间距器件和微细元件，在微电气安装中均将遇到焊接互连的焊盘R寸愈来愈细小的挑战。如将在5G大量使用的FBGA和LGA封装的两种焊凸，未来较为流行的最小互连参数，如表1所示。

表1中所列的如此小的互连尺寸参数，通过面积比为0.66甚至更低的钢网开孔，印刷焊膏均是很困难的。钢网开口太小正是焊膏释放不良而导致微焊点焊料不足的原因，而细间距器件的故障一般与焊料疲劳开裂有关，微焊点焊料不足更是加速这种失效现象的高发。

·01005间距小至0.100 mm，将导致桥接、立碑等现象的频繁出现；

·0201间距小至0.150 mm，将导致桥接、立碑等现象的频繁出现；

·QFP引脚间距0.30 mm已是安装极限。

② 板级电路安装工艺将面临的挑战：

㈠焊膏印刷工艺中出现的新的物理现象：

· 传统的钢网开孔：焊膏印刷释放的受力状态是重力与焊盘的黏附力叠加在一起的，毛细作用的影响几乎可忽略不计，如图1所示。它有利于在焊膏印刷分离的2～6 s时间内，将焊膏拉出孔而释放于PCB上。

获得良好的焊膏印刷释放率的基本条件是：

黏附力（FC）＋地心力（FG）＞ 凝聚力（FL）＋摩擦力（Ff）

微细钢网的开孔：此时已进入了毛细作用的影响范畴，它成了阻碍焊膏从钢网开孔内释放的主要阻力，如图2所示。印刷时的实际效果，如图3所示

上述现象正是造成微焊点焊料不足，可靠性下降的主要原因。

㈡ 传统改善焊膏印刷时释放率的措施受阻：传统方法通过减小焊料粉的粒度和减薄钢网的厚度，可以有效地改善印刷时焊膏的释放率。然而在微焊点状态下上述二法表现的效果却极为不佳。

③ 印刷设备的精度要求更高：焊膏印刷时，焊膏在金属表面上的铺展所受的力是其面积的函数。显然，焊膏在微细的金属表面上润湿将明显受到影响。例如在无铅应用时，当焊盘尺寸W≤150 μm 时（相当于01005），若焊膏印刷时偏位量δ≥20%×W，如图4所示。再流时焊膏就很难全部缩回到焊盘区，从而造成桥连和大量的焊料珠（球）。针对该例，印膏印刷机的精度ε应＜20%×W，即ε＜30 μm。显然，此时印刷机的印刷精度和重复率必须达到5σ@±25 μm，才能满足预定良好率的需要。

④贴片和贴片机面临的挑战：显然，由于引脚间距的缩小，对贴片机精度形成了明显的挑战。例如，在贴装焊球直径为0.125 mm的FBGA、CSP时，贴片机必须具有5σ@±30μm的能力，才可达到可接受的良品率（不合格率＜0.27％）。

⑤再流焊接和焊接设备所面临的挑战：随着电子产品袖珍化的发展趋势,导致FBGA、CSP器件的焊球引脚间距的减小,报国外资料报导最大器件安装的面密度达到了35个/cm²。但是当间距继续小到一定值时,由于再流焊接工艺的制约,传统软钎接技术已经不能适应。FBGA、

CSP器件目前有两种再流焊接工艺方式：

㈠ 印刷焊膏→贴装→再流焊接：焊膏的钢网印刷是用于高产量电子电路制造的最快速、最省成本的方法。但该方法对于间距小于300μm的器件已处于临界状态。试验表明最小焊球引脚间距的限度为100μm，再流焊接的最小引脚间距为300μm。

㈡浸渍溶胶性助焊剂（或胶体性焊膏）→贴装→再流焊接：当采用溶胶性助焊剂工艺时，最小焊球引脚间距的极限为50μm，再流焊接的最小引脚间距为100μm，如图5所示。

因此，当引脚间距小于100 μm时，再流焊接工艺已经超过使用极限而不能采用了。

我们没有完全使用现有硅芯片的性能。例如，当芯片设计者正在处理皮秒(10^-12 s)的硅芯片性能问题时，系统设计者还在苦苦挣扎在PCBA主板上纳秒(10^-9 s)的性能问题。这个性能上1000倍的差距是由硅芯片的封装所引起的，即通常叫做封装的寄生现象，如图6所示。

封装寄生现象是那些不希望有的封装外引脚和封装内连接引线的分布电感与电容，阻碍了电子速度。另外，PCBA主板上连接不同芯片封装的连线把电子的速度降得更低。因此，面对元器件封装、PCB配线和PCBA安装的工程师们，正面临着怎样改进封装、提高PCB配线性能以及改善PCBA的安装性能的挑战。再如，芯片的冷却，如果热量不能迅速消散，那么较高的硅芯片温度将更减慢电子速度。

① 概述：射频（RF）是指可以辐射到空间的电磁频率，其频率范围从300 KHz～300 GHz之间。由于频率高、功耗大，微电气安装考虑的已不是单纯的传输延迟（如高速数字电路），还必须关注电路的损耗问题。随着频率的增加，单片微波集成电路（MMIC）的互连变得越来越困难。由于不适当的互连（如焊接回路的温度补偿和分布电容）会造成严重的低通不连续性。因此严格控制互连的尺寸、公差、焊点尺寸及质量对于弥补这些不连续性显得十分重要。

②微电气安装的电磁兼容性：所谓电磁兼容性，是指电子设备在单元电路内有给定电磁状态时，能正常工作而不使指标变坏的能力。电气安装用以实现电性能上的不间断连接，连续信号或离散信号沿此连线传播。当信号沿电气安装连接线传播时，信号波形、相位可能发生变化，同时，信号的幅度也会减小。此外，由于各种电气安装连接线之间也存在着一些原理电路上未能预料到的寄生耦合，交叉干扰，邻近连接线上出现未预料到的串扰信号等。

5G微电子数字设备电子传输速度快(可达10Gbit/s）、容量大(通信使用频带范围非常宽的毫米波)、兼容性好(能支持几百根天线同时工作)。如此在高频、高速及高密度安装工况下，5G微电子设备的可靠性将强烈地依赖于微电气安装的可靠性。

为了实现对5G微电子设备的高质量制造和较好的使用维护性，微电气安装应确保做到以下要求：

· 有用的工作信号的失真和延迟最小；

· 干扰参数（幅度、持续时间、波形、相位、极性等）不能超过允许的范围；

· 制造成本低；

· 工作稳定、可靠性高；

· 尺寸最小、重量最轻。

基本信号的失真和干扰电平与许多因素有关，其中特别是与微电气安装结构和工艺有极大的关系，如：

· 微电气安装连接线的电长度和连接线参数的不均匀性，其中特别是连接线的特性阻抗（波阻抗）的不均匀性；

· 微电气安装连接线总体的相互耦合的大小和特征；

· 相互作用的连接线的数目；

· 干扰发生源和接收电路的参数（信号的幅度、持续时间、相位和极性、电路的输入阻抗、输出阻抗、输入电容和输出电容等）。

① 电磁噪声EMC：是由因受电磁波影响在导线自身上所形成的噪声而导致电子设备误动作的EMS、以及因自身辐射电磁噪声而对其它电子设备造成影响的EMI（电磁辐射）。二者总称为EMC（电磁噪声）。

② EMC的危害：信号在微电气安装连接线上传播时产生的失真和衰减以及交叉干扰，可能破坏电子设备的正常功能，亦即将使数字装置工作不能正常，或改变模拟装置的参数（增益、带宽、相位及对激励的稳定性等）。

① 微电气安装连接线的寄生耦合：5G微电子设备中出现交叉干扰是由微电气安装连接线相互作用引起的，而微电气安装连接线相互作用的原因则是寄生耦合。通常，寄生耦合区分为电容耦合、电感耦合和电导耦合等三类，如图7所示。

② PCB配线的寄生耦合：PCB配线寄生耦合的危害，表现在相互邻近的平行线束之间的串扰（串音）现象。这种串扰现象是在邻近的平行线束之间中的某一线有信号电流流过时，就会在该信号线的周围产生磁场和电场，如图8、图9所示。

由于电感、电容耦合而导致邻近信号线的信号发生变化。这种由耦合现象所形成的有害信号，通常将其称为串扰、串音或交叉干扰。

在高速数字回路中信号变化是极迅速的，即使没有线圈、变压器,而PCB的配线图形就具有变压器的效果，如图10所示。

对PCB来说，窄间距、长距离的相邻的平行图形间也会形成非常小的电容。当信号的频率一变高，该小电客的阻抗就会变低。当邻近图形一方信号变化时，另一侧的平行部分上就会有电流流过。像这样由于电容效果所形成的电流，就称为电容性串扰，如图11所示。

① 高速回路和噪音：在高速数字回路中的连接线、印制配线和图形都不是理想的导体，都必须考虑其交流阻抗。在集中参数回路中像连接L、C、R等元件时，其连接线长度和元件的距离的影响是可忽略的。然而在高速回路中，连接线的长度和元件间的距离却变得非常重要，即使是很短的导线，都可等效为如图12所示的R、L、C、G（1/R）的分布参数回路。这些由无限个小回路沿全长上均匀并联构成的连接线，当在其上传输的高速信号在“”之间快速切换时，由于这些快速变化的信号和相移增大了回路的电噪声。

② 电磁辐射噪声(EMI)：当PCB配线长度和传输信号的波长相等或近似时，该配线就和天线一样，会产生较大的电磁辐射。像这样的PCB的电磁辐射噪声发生源是多种多样的，其大小随发生的条件的不同而变化。现实中产生的电磁辐射噪声源不仅是PCB上的配线图形，而且在IC内部配线图形、电源、连接器等均存在，如图13所示。特别是电源电压的波动过大时，更是产生较大电磁辐射的原因。

5G微电子设备大多都运行在毫米波(EHF：f＝30～300 GHz、λ＝1～10 mm)频段上，辐射毫米波电磁能的天线长度范围为1～2.5 mm。这样的尺寸导致了现有的PCBA穿孔元器件（如连接器等）的安装标准均要重新作出修改，以抑制电磁辐射噪音(EMI)的干扰。

①微电气安装连接线的电长度的定义：在大多数数字电子设备中，电气安装连接线之间的距离小于信号频谱最高频率分量所对应的波长。通过电磁能实现的寄生耦合可能具有电容或电感特性。电容耦合是通过寄生电容来实现的，而电感耦合则是通过电气安装连接线之间的寄生电感来实现。因此，电气安装连接线的电长度可以这样来定义：

㈠ 射频（RF）信号传输：当连接线长度可与信号频谱中最高频率所对应的波长相比拟时的电气安装连接线，称为电长线。

㈡ 高速数字电路：假如在信号传输时间为t_l的连接线上传输有前沿时间为t_τ的脉冲信号（离散信号），则在t_l＞0.1t_τ时，常将该连接线看成是电长线；而当t_l＜0.1t_τ时，则将该连接线看成是电短线，如图14所示。信号在连接线上传播的时间为

② 信号在电长线上传输时的失真：假如信号幅度变化的时间远小于信号在传输线上的传播时间t_T，则只有在经过t_T之后，传输线上才会出现稳定状态。加到传输线起始端的信号（电压或电流）称为入射波（U_i或I_i）。若传输线没有损耗，则波形沿传输线移动时便不会发生变化。如果传输线是均匀的（即：波组抗Z₀＝负载阻抗Z_H）时，则沿线只有入射波移动。而传输线往往是不均匀的，是具有不同波阻抗的线段。沿连接线长度上波阻抗不均匀的可能原因：

· 材料的介电常数不一致；

· 连接线的几何尺寸不一致；

· 在一条电气安装连接线的组成中，存在着不同的设计－工艺解决方案：如薄膜导体、印制导线、双绞线、同轴电缆、连接接头、焊接接头、屏蔽导线等；

· 焊点结构、轮廓形状、尺寸大小、内部晶粒组织、IMC厚度及形貌、空洞及夹渣等的差异；

· 存在分支；

· 发送电路的输出阻抗和接收电路的輸入阻抗与连接线的波阻抗不相同；

· 沿传输线的长度上接入负载（如各类存储器）。

假如传输线是不均匀的（即：Z₀≠Z_H），则入射波从不均匀处反射，形成反射波（U_O或I_O）。反射波经过从传输线起始点传输到不均匀处的两倍时间(t_l)之后与入射波叠加，从而导致入射信号波形失真，如图15所示。对于前沿持续时间小于1.5～2 ns的脉冲信号（图16）的高速电路和微波信号从电长线不均匀处反射的现象最为明显。以脉冲信号从电长度不均匀处反射所引起的失真为例，假如波阻抗为Z₀的传输线以阻抗Z_n作为负载。则电圧（电流）的反射系数K_U（I）定义为反射波电圧U_O（电流I_O）与入射波电压U_I（电流I_I）之比：

电长线上的失真可能对设备工作带来严重影响。若瞬变过程是非周期性的，则数字设备的作用速度会降低，因为信号幅度增大到额定值的时间延长，从而减小了脉冲重复频率。若瞬变过程是振荡过程，则在振荡的大部分幅度接近门限值时，便可能引起逻辑电路出现虚假动作。特别是电压尖峰可能导致半导体p-n结击穿或导致发射极耦合逻辑电路的晶体管饱和。

随着电子设备工作频率不断增高，安装中所形成的各种分布参数的影响也越来越大。特别是在射频（RF）和微波（MW）设备的安装中，有些奇异现象，往往用理论分析无从着手，而在实践试验中无意改变了一下某一连接线的物理形状，或挪动一下在等电位线上的某焊点位置，异常现象便戏剧性的消失了。连接线的走向、长度及公差，焊点的形状和尺寸等对电路工作的稳定性的影响也越来越不可预测。因此，对经实践试验获得的诸如连接线的长度、公差、布设形态、焊点尺寸和相对位置等，均必须用工艺规范准确地规定下来，并在生产工艺过程中精细控制。

5G微电子设备由于功率损耗，电子电路本身就成为一个发热体。在电讯领域，随着电信设备装配密度的提高，工作中消耗功率增加，因此也提高了功率密度。并且，随着通讯设备工作区域的扩大（从寒带扩展到热带），对设备的耐高温环境的要求也愈加受到重视。

温度对电子电路的特性、寿命和可靠性影响很大，“阿雷尼厄斯”定则说明：一般情况下，电子元器件的工作温度每提高10 ℃，其寿命就要损失1/2。因此，在5G微电子设备安装中采取措施抑制温升，进行积极而有效的冷却便显得越来越重要。