| 面陣列電子封裝如BGA、CSP、Flip Chip 等由于具有高密度、高可靠性以及優(yōu)良的電性能等諸多優(yōu)點(diǎn)而在大規(guī)模集成電路中得到了應(yīng)用。目前面陣列釬料凸點(diǎn)成形多采用整體加熱方式如熱風(fēng)、紅外及熱板重熔等方法。 紅外輻射和熱風(fēng)對流重熔方法目前非常成熟,但由于是整體加熱方法,重熔時必須經(jīng)過預(yù)熱、保溫、重熔和冷卻等階段,因此加熱時間相對較長,而且整體加熱方式還使得整個封裝器件內(nèi)部幾乎無溫差,從而造成封裝體內(nèi)部芯片的損壞或留下隱患。特別是近年來對無釬劑釬料凸點(diǎn)成形的研究和無鉛釬料的推廣應(yīng)用,使得形成釬料凸點(diǎn)的重熔溫度不斷提高,繼續(xù)采用整體加熱方式將會使封裝器件溫升過高以及封裝器件變形過大而導(dǎo)致后期組裝和服役過程中的失效。由于激光具有高 功率密度和優(yōu)良的方向性以及可局部加熱的優(yōu)點(diǎn),使得激光重熔在面陣列釬料凸點(diǎn)成形方面具有潛在的優(yōu)勢。本文首先對激光重熔在面陣列封裝釬料凸點(diǎn)成形中的研究進(jìn)展進(jìn)行了介紹。其次,基于提高生產(chǎn)效率、改善釬料凸點(diǎn)質(zhì)量和可靠性的思想,對PBGA釬料球激光重熔工藝進(jìn)行了有益的探索,實(shí)現(xiàn)了快速高質(zhì)量的釬料凸點(diǎn)成形。
1 面陣列封裝釬料凸點(diǎn)成形激光重熔研究進(jìn)展
激光重熔釬料凸點(diǎn)的思想是從激光軟釬焊發(fā)展而來的。激光軟釬焊方法能夠在很短的時間內(nèi)使被連接處形成一個能量密度高度集中的局部加熱區(qū),封裝器件不會產(chǎn)生熱應(yīng)力,熱敏感性強(qiáng)的器件不會受熱沖擊。同時還能細(xì)化焊點(diǎn)的結(jié)晶晶粒度從而也提高了焊點(diǎn)的韌性與抗疲勞性能。自從1974 年美國的C. F. Bohman 率先將CO2 激光應(yīng)用于微電子組裝軟釬焊以來,激光軟釬焊設(shè)備和工藝得到了迅速的發(fā)展,并且在QFP器件的表面組裝中得到了應(yīng)用。伴隨著面陣列電子封裝器件的出現(xiàn)和應(yīng)用,人們開始將激光軟釬焊的思想用在了陣列式封裝釬料凸點(diǎn)成形或連接工藝中。
1996 年德國Fraunhofer IZM 與柏林P ac Tech 公司合作開發(fā)了無釬劑釬料凸點(diǎn)成型機(jī)。該機(jī)器包括一個Z 軸可控的分球裝置頭、用于重熔的激光束與用于基板定位的可精確控制的X - Y 工作臺。該設(shè)備在工作時分球裝置首先把釬料球?qū)胛?然后用N2氣將球吹到芯片焊盤上,短脈沖激光迅速對釬料球進(jìn)行重熔。由于采用N2 氣保護(hù),因此獲得的釬料凸點(diǎn)成形良好。該設(shè)備可以在芯片和基板上制作尺寸從FC(100μm) 至BGA(1 mm) 的釬料凸點(diǎn),而且可以放置間距為150μm 的釬料球。既適合于PbSn釬料,也適合于高熔點(diǎn)無鉛釬料如AuSn。激光無釬劑釬料凸點(diǎn)成形機(jī)如圖1 所示。
在激光重熔光源的選擇研究方面,Nd : YAG激光、 半導(dǎo)體激光均被人們所采用。一般研究表明,采用YAG激光進(jìn)行重熔要優(yōu)于CO2 激光,因?yàn)?nbsp;PCB 材料對波長為10. 6μm 的CO2 激光的吸收率遠(yuǎn)大于波長為1. 06μm 的YAG激光,而未熔化釬料對CO2 激光的反射率也大于YAG激光,因此在保證加熱效率的同時可有效防止凸點(diǎn)激光反射對基板的損傷,而且YAG激光可利用光導(dǎo)纖維傳輸激光能量。半導(dǎo)體激光的波長更短(780～830 nm) , 輻射能量更易被釬料吸收;同時 半導(dǎo)體激光器的電—光轉(zhuǎn)換效率可達(dá)30 % ,而CO2 激光器只有10 % ,YAG激光器僅有1 %～3 %;此外半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)極為緊湊,維護(hù)簡單,這些特點(diǎn)使半導(dǎo)體激光器在自動化的激光重熔系統(tǒng)中表現(xiàn)出巨大的吸引力,并將成為今后主要發(fā)展方向。目前典型的半導(dǎo)體激光二極管陣列的輸出功率已達(dá)20～50 W。圖2 為松下公司研制的具有視覺系統(tǒng)的激光二極管陣列重熔系統(tǒng)。該系統(tǒng)的核心是激光二極管陣列光源,通過 光纖束傳遞激光,并利用絕緣鏡校直激光與待重熔部位對準(zhǔn)。
1999 年柏林工業(yè)大學(xué)Fraunhofer 學(xué)院與PacTech GmbH 公司合作開發(fā)了激光光纖推進(jìn)連接(FPC) 方法,實(shí)現(xiàn)了芯片級尺寸封裝的載帶與芯片共晶Au - Sn 釬料凸點(diǎn)之間的連接。如圖3 所示,該方法通過噴嘴推進(jìn)在載帶后方施加完成連接所需要的連接力,同時采用高度穩(wěn)定的玻璃光纖傳遞Nd :YAG激光并加熱待連接部位,Au - Sn 釬料熔化完成芯片凸點(diǎn)與載帶之間的連接。
韓國漢陽大學(xué)對Sn - Pb 共晶釬料圓盤進(jìn)行了無釬劑激光重熔的研究。該研究采用CO2 激光在Ar氣保護(hù)條件下對Sn - Pb 共晶釬料圓盤進(jìn)行無釬劑激光重熔。研究結(jié)果表明釬料圓盤由盤狀向球狀形成的過程中由于表面張力的減少或由于Marango2ni 效應(yīng) 驅(qū)動而形成了強(qiáng)大的熔融金屬流,從而使得表面的氧化膜破碎,促使圓形釬料凸點(diǎn)形成。Lee等人還研究了激光工藝參數(shù)包括能量輸入速率、時間、釬料圓盤形狀對Cu 焊盤與釬料界面微觀組織和焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度的影響。研究表明,合理的工藝參數(shù)能夠形成剪切強(qiáng)度與傳統(tǒng)的熱風(fēng)回流工藝相匹配的圓形釬料凸點(diǎn)。
總之,近年來國外對激光重熔方法及設(shè)備的研究是相當(dāng)活躍的,隨著機(jī)器人技術(shù)、 光電子技術(shù)的發(fā)展,激光器類型不斷更新,其自動化程度及激光可控調(diào)制特性都在提高,應(yīng)用領(lǐng)域也在逐步拓展。激光重熔將在面陣列封裝器件釬料凸點(diǎn)成形方面發(fā)揮越來越重要的作用。
2 PBGA 釬料球激光重熔工藝研究
本文對PBGA 釬料球激光重熔進(jìn)行了研究。釬料球直徑為0. 76 mm ,成分為63Sn37Pb。BT 基板厚度為0. 5 mm ,焊盤為Au/ Ni/ Cu 三層結(jié)構(gòu),銅箔焊盤表面通過電鍍的方法形成Ni 和Au 層,厚度分別為7μm 和2μm ,圖4 為阻焊膜開口直徑為0. 6 mm 的BT樹脂基板。首先采用超聲波清洗基板表面,然后在基板焊盤上涂水溶性釬劑以固定釬料球并起到去除表面氧化膜的目的。采用連續(xù)Nd :YAG激光進(jìn)行重熔。激光功率和加熱時間通過 計(jì)算機(jī)控制。激光重熔設(shè)備示意圖如圖5 所示。重熔之后利用DAGE4000 剪球試驗(yàn)機(jī)對釬料凸點(diǎn)進(jìn)行剪切試驗(yàn),利用ilips - XL40 場發(fā)射掃描電鏡分析釬料凸點(diǎn)表面形貌和斷口形貌以及內(nèi)部組織。
通過工藝試驗(yàn)獲得了合適的激光重熔工藝參數(shù)范圍,而且激光加熱50 ms 即可以形成質(zhì)量良好的釬料凸點(diǎn)。研究表明,釬料凸點(diǎn)成形受激光輸入能量控制。當(dāng)激光功率較小時,雖然提高加熱時間能夠形成釬料凸點(diǎn),但卻存在著很大的偶然性;相反,當(dāng)激光功率較大時又容易燒毀釬料球。而且如果激光不能對準(zhǔn)釬料球時,較大的激光輸入能量會燒毀基板表面。因此激光重熔釬料球時激光輸入能量的控制非常重要。
圖6 為激光重熔獲得的釬料凸點(diǎn)表面形貌及內(nèi)部組織照片�？梢姴捎煤线m的激光功率可以在較短的時間內(nèi)獲得外觀質(zhì)量良好的釬料凸點(diǎn),而且釬料球在激光加熱的作用下由于表面張力的作用具有較強(qiáng)的自對中效應(yīng),從而避免了熱風(fēng)重熔導(dǎo)致釬料球偏移的缺點(diǎn)。對于直徑為0. 76 mm 的釬料球可以在較短的時間內(nèi)(50 ms) 完成重熔成形,而采用傳統(tǒng)熱風(fēng)重熔加熱方法需要4 min 才能完成預(yù)熱、重熔和冷卻的過程,因此采用激光重熔有望提高封裝效率,改善封裝質(zhì)量。從圖6 (c) 和(d) 還可以看出,激光重熔獲得釬料凸點(diǎn)內(nèi)部組織細(xì)密,共晶釬料的晶粒度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于激光重熔前的釬料組織。
剪切試驗(yàn)示意圖如圖7 所示。劈刀距基板表面的距離為150μm ,并且以100μm/ s 的速度沿水平方向推動釬料凸點(diǎn),直到推掉50 %后停止。剪切試驗(yàn)結(jié)果表明不同激光重熔工藝參數(shù)下獲得的釬料凸點(diǎn)剪切強(qiáng)度基本保持穩(wěn)定,而且強(qiáng)度要大于熱風(fēng)重熔獲得的釬料凸點(diǎn)強(qiáng)度。直徑為0. 76 mm 的釬料球激光重熔獲得的釬料凸點(diǎn)剪切 測試獲得的載荷—位移曲線如圖8 所示。圖9 (a) 為激光重熔剪切斷口形貌掃描電鏡照片。圖9 (b) 為在剪切斷口表面上進(jìn)行EDX分析獲得的結(jié)果,可見釬料凸點(diǎn)經(jīng)剪切試驗(yàn)后在釬料一側(cè)斷裂。
3 結(jié)論
(1) 伴隨著面陣列封裝形式如BGA、CSP、FlipChip 的出現(xiàn),國外紛紛開展了激光重熔釬料凸點(diǎn)設(shè)備的研制。
(2) 進(jìn)行了PBGA 共晶釬料球激光重熔工藝試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,釬料凸點(diǎn)成形受激光輸入能量控制。采用合適的激光重熔工藝參數(shù)可以獲得表面光滑的釬料凸點(diǎn)。激光重熔使釬料凸點(diǎn)內(nèi)部組織得到了細(xì)化。
(3) 不同激光重熔工藝參數(shù)下獲得的釬料凸點(diǎn)剪切強(qiáng)度基本保持穩(wěn)定,而且強(qiáng)度要大于熱風(fēng)重熔獲得的釬料凸點(diǎn)強(qiáng)度。剪切斷口分析發(fā)現(xiàn)斷裂發(fā)生在釬料一側(cè)。
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