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激光重熔在钎料凸点成形中的应用

2007-05-14 16:00
默菲
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                                                                                                     田艳红,王春青

       面阵列电子封装如BGA、CSP、Flip Chip 等由于具有高密度、高可靠性以及优良的电性能等诸多优点而在大规模集成电路中得到了应用。目前面阵列钎料凸点成形多采用整体加热方式如热风、红外及热板重熔等方法。红外辐射和热风对流重熔方法目前非常成熟,但由于是整体加热方法,重熔时必须经过预热、保温、重熔和冷却等阶段,因此加热时间相对较长,而且整体加热方式还使得整个封装器件内部几乎无温差,从而造成封装体内部芯片的损坏或留下隐患。特别是近年来对无钎剂钎料凸点成形的研究和无铅钎料的推广应用,使得形成钎料凸点的重熔温度不断提高,继续采用整体加热方式将会使封装器件温升过高以及封装器件变形过大而导致后期组装和服役过程中的失效。由于激光具有高功率密度和优良的方向性以及可局部加热的优点,使得激光重熔在面阵列钎料凸点成形方面具有潜在的优势。本文首先对激光重熔在面阵列封装钎料凸点成形中的研究进展进行了介绍。其次,基于提高生产效率、改善钎料凸点质量和可靠性的思想,对PBGA钎料球激光重熔工艺进行了有益的探索,实现了快速高质量的钎料凸点成形。

1  面阵列封装钎料凸点成形激光重熔研究进展

        激光重熔钎料凸点的思想是从激光软钎焊发展而来的。激光软钎焊方法能够在很短的时间内使被连接处形成一个能量密度高度集中的局部加热区,封装器件不会产生热应力,热敏感性强的器件不会受热冲击。同时还能细化焊点的结晶晶粒度从而也提高了焊点的韧性与抗疲劳性能。自从1974 年美国的C. F. Bohman 率先将CO2 激光应用于微电子组装软钎焊以来,激光软钎焊设备和工艺得到了迅速的发展,并且在QFP 器件的表面组装中得到了应用。伴随着面阵列电子封装器件的出现和应用,人们开始将激光软钎焊的思想用在了阵列式封装钎料凸点成形或连接工艺中。


      1996 年德国Fraunhofer IZM 与柏林Pac Tech 公司合作开发了无钎剂钎料凸点成型机。该机器包括一个Z 轴可控的分球装置头、用于重熔的激光束与用于基板定位的可精确控制的X - Y 工作台。该设备在工作时分球装置首先把钎料球导入吸嘴,然后用N2 气将球吹到芯片焊盘上,短脉冲激光迅速对钎料球进行重熔。由于采用N2 气保护,因此获得的钎料凸点成形良好。该设备可以在芯片和基板上制作尺寸从FC(100μm) 至BGA(1 mm) 的钎料凸点,而且可以放置间距为150μm 的钎料球。既适合于PbSn钎料,也适合于高熔点无铅钎料如AuSn。激光无钎剂钎料凸点成形机如图1 所示。


       在激光重熔光源的选择研究方面,Nd : YAG激光、半导体激光均被人们所采用。一般研究表明,采用YAG激光进行重熔要优于CO2 激光,因为PCB 材料对波长为10. 6μm 的CO2 激光的吸收率远大于波长为1. 06μm 的YAG激光,而未熔化钎料对CO2 激光的反射率也大于YAG激光,因此在保证加热效率的同时可有效防止凸点激光反射对基板的损伤,而且YAG激光可利用光导纤维传输激光能量。半导体激光的波长更短(780~830 nm) ,辐射能量更易被钎料吸收;同时半导体激光器的电—光转换效率可达30 % ,而CO2 激光器只有10 % ,YAG激光器仅有1 %~3 %;此外半导体激光器结构极为紧凑,维护简单,这些特点使半导体激光器在自动化的激光重熔系统中表现出巨大的吸引力,并将成为今后主要发展方向。目前典型的半导体激光二极管阵列的输出功率已达20~50 W。图2 为松下公司研制的具有视觉系统的激光二极管阵列重熔系统。该系统的核心是激光二极管阵列光源,通过光纤束传递激光,并利用绝缘镜校直激光与待重熔部位对准。



        1999 年柏林工业大学Fraunhofer 学院与PacTech GmbH 公司合作开发了激光光纤推进连接(FPC) 方法,实现了芯片级尺寸封装的载带与芯片共晶Au - Sn 钎料凸点之间的连接。如图3 所示,该方法通过喷嘴推进在载带后方施加完成连接所需要的连接力,同时采用高度稳定的玻璃光纤传递Nd :YAG激光并加热待连接部位,Au - Sn 钎料熔化完成芯片凸点与载带之间的连接。


       韩国汉阳大学对Sn - Pb 共晶钎料圆盘进行了无钎剂激光重熔的研究。该研究采用CO2 激光在Ar 气保护条件下对Sn - Pb 共晶钎料圆盘进行无钎剂激光重熔。研究结果表明钎料圆盘由盘状向球状形成的过程中由于表面张力的减少或由于Marango2ni 效应驱动而形成了强大的熔融金属流,从而使得表面的氧化膜破碎,促使圆形钎料凸点形成。Lee等人还研究了激光工艺参数包括能量输入速率、时间、钎料圆盘形状对Cu 焊盘与钎料界面微观组织和焊点剪切强度的影响。研究表明,合理的工艺参数能够形成剪切强度与传统的热风回流工艺相匹配的圆形钎料凸点。


        总之,近年来国外对激光重熔方法及设备的研究是相当活跃的,随着机器人技术、光电子技术的发展,激光器类型不断更新,其自动化程度及激光可控调制特性都在提高,应用领域也在逐步拓展。激光重熔将在面阵列封装器件钎料凸点成形方面发挥越来越重要的作用。


2  PBGA 钎料球激光重熔工艺研究


       本文对PBGA 钎料球激光重熔进行了研究。钎料球直径为0. 76 mm ,成分为63Sn37Pb。BT 基板厚度为0. 5 mm ,焊盘为Au/ Ni/ Cu 三层结构,铜箔焊盘表面通过电镀的方法形成Ni 和Au 层,厚度分别为7μm 和2μm ,图4 为阻焊膜开口直径为0. 6 mm 的BT树脂基板。首先采用超声波清洗基板表面,然后在基板焊盘上涂水溶性钎剂以固定钎料球并起到去除表面氧化膜的目的。采用连续Nd :YAG激光进行重熔。激光功率和加热时间通过计算机控制。激光重熔设备示意图如图5 所示。重熔之后利用DAGE4000 剪球试验机对钎料凸点进行剪切试验,利用ilips - XL40 场发射扫描电镜分析钎料凸点表面形貌和断口形貌以及内部组织。


       通过工艺试验获得了合适的激光重熔工艺参数范围,而且激光加热50 ms 即可以形成质量良好的钎料凸点。研究表明,钎料凸点成形受激光输入能量控制。当激光功率较小时,虽然提高加热时间能够形成钎料凸点,但却存在着很大的偶然性;相反,当激光功率较大时又容易烧毁钎料球。而且如果激光不能对准钎料球时,较大的激光输入能量会烧毁基板表面。因此激光重熔钎料球时激光输入能量的控制非常重要。



        图6 为激光重熔获得的钎料凸点表面形貌及内部组织照片。可见采用合适的激光功率可以在较短的时间内获得外观质量良好的钎料凸点,而且钎料球在激光加热的作用下由于表面张力的作用具有较强的自对中效应,从而避免了热风重熔导致钎料球偏移的缺点。对于直径为0. 76 mm 的钎料球可以在较短的时间内(50 ms) 完成重熔成形,而采用传统热风重熔加热方法需要4 min 才能完成预热、重熔和冷却的过程,因此采用激光重熔有望提高封装效率,改善封装质量。从图6 (c) 和(d) 还可以看出,激光重熔获得钎料凸点内部组织细密,共晶钎料的晶粒度远远小于激光重熔前的钎料组织。





       剪切试验示意图如图7 所示。劈刀距基板表面的距离为150μm ,并且以100μm/ s 的速度沿水平方向推动钎料凸点,直到推掉50 %后停止。剪切试验结果表明不同激光重熔工艺参数下获得的钎料凸点剪切强度基本保持稳定,而且强度要大于热风重熔获得的钎料凸点强度。直径为0. 76 mm 的钎料球激光重熔获得的钎料凸点剪切测试获得的载荷—位移曲线如图8 所示。图9 (a) 为激光重熔剪切断口形貌扫描电镜照片。图9 (b) 为在剪切断口表面上进行EDX分析获得的结果,可见钎料凸点经剪切试验后在钎料一侧断裂。


3  结论

         (1) 伴随着面阵列封装形式如BGA、CSP、FlipChip 的出现,国外纷纷开展了激光重熔钎料凸点设备的研制。


        (2) 进行了PBGA 共晶钎料球激光重熔工艺试验,试验结果表明,钎料凸点成形受激光输入能量控制。采用合适的激光重熔工艺参数可以获得表面光滑的钎料凸点。激光重熔使钎料凸点内部组织得到了细化。


  (3) 不同激光重熔工艺参数下获得的钎料凸点剪切强度基本保持稳定,而且强度要大于热风重熔获得的钎料凸点强度。剪切断口分析发现断裂发生在钎料一侧。


参考文献:
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