| 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(duì)流重熔方法目前非常成熟,但由于是整體加熱方法,重熔時(shí)必須經(jīng)過(guò)預(yù)熱、保溫、重熔和冷卻等階段,因此加熱時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),而且整體加熱方式還使得整個(gè)封裝器件內(nèi)部幾乎無(wú)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(lái)對(duì)無(wú)釬劑釬料凸點(diǎn)成形的研究和無(wú)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(huì)使封裝器件溫升過(guò)高以及封裝器件變形過(guò)大而導(dǎo)致后期組裝和服役過(guò)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(shì)。本文首先對(duì)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(duì)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(lái)的。激光軟釬焊方法能夠在很短的時(shí)間內(nèi)使被連接處形成一個(gè)能量密度高度集中的局部加熱區(qū),封裝器件不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力,熱敏感性強(qiáng)的器件不會(huì)受熱沖擊。同時(shí)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(guó)的C. F. Bohman 率先將CO2 激光應(yīng)用于微電子組裝軟釬焊以來(lái),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(kāi)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(guó)Fraunhofer IZM 與柏林P ac Tech 公司合作開(kāi)發(fā)了無(wú)釬劑釬料凸點(diǎn)成型機(jī)。該機(jī)器包括一個(gè)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(tái)。該設(shè)備在工作時(shí)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(pán)上,短脈沖激光迅速對(duì)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(wú)鉛釬料如AuSn。激光無(wú)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(duì)波長(zhǎng)為10. 6μm 的CO2 激光的吸收率遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)為1. 06μm 的YAG激光,而未熔化釬料對(duì)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(shí)可有效防止凸點(diǎn)激光反射對(duì)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(zhǎng)更短(780～830 nm) , 輻射能量更易被釬料吸收;同時(shí) 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(jiǎn)單,這些特點(diǎn)使半導(dǎo)體激光器在自動(dòng)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(jué)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(guò) 光纖束傳遞激光,并利用絕緣鏡校直激光與待重熔部位對(duì)準(zhǔn)。
1999 年柏林工業(yè)大學(xué)Fraunhofer 學(xué)院與PacTech GmbH 公司合作開(kāi)發(fā)了激光光纖推進(jìn)連接(FPC) 方法,實(shí)現(xiàn)了芯片級(jí)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(guò)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(shí)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(guó)漢陽(yáng)大學(xué)對(duì)Sn - Pb 共晶釬料圓盤(pán)進(jìn)行了無(wú)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(duì)Sn - Pb 共晶釬料圓盤(pán)進(jìn)行無(wú)釬劑激光重熔。研究結(jié)果表明釬料圓盤(pán)由盤(pán)狀向球狀形成的過(guò)程中由于表面張力的減少或由于Marango2ni 效應(yīng) 驅(qū)動(dòng)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(shí)間、釬料圓盤(pán)形狀對(duì)Cu 焊盤(pán)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(lái)國(guó)外對(duì)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(dòng)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(lái)越重要的作用。
2 PBGA 釬料球激光重熔工藝研究
本文對(duì)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(pán)為Au/ Ni/ Cu 三層結(jié)構(gòu),銅箔焊盤(pán)表面通過(guò)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(kāi)口直徑為0. 6 mm 的BT樹(shù)脂基板。首先采用超聲波清洗基板表面,然后在基板焊盤(pán)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(shí)間通過(guò) 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(duì)釬料凸點(diǎn)進(jìn)行剪切試驗(yàn),利用ilips - XL40 場(chǎng)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(guò)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(shí),雖然提高加熱時(shí)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(shí)又容易燒毀釬料球。而且如果激光不能對(duì)準(zhǔn)釬料球時(shí),較大的激光輸入能量會(huì)燒毀基板表面。因此激光重熔釬料球時(shí)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�(jiàn)采用合適的激光功率可以在較短的時(shí)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(duì)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(duì)于直徑為0. 76 mm 的釬料球可以在較短的時(shí)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(guò)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(dòng)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(cè)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(jiàn)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(guó)外紛紛開(kāi)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)。
|
