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Pac 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)镻CB 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。

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。