激光键合技术在封装中的应用及研究进展_田艳红

哈尔滨工业大学采用无铅钎料锡球激光键合 技术，实现了一种微传感器的封装，并对这种方法 的工艺、键合焊点形态、焊点界面微观组织以及焊 点可靠性等方面进行了详尽的研究［３～６］。该微传感 器器件的锡球键合采用 Ｎｄ：ＹＡＧ 激光器，波长为 １ ０６４ ｎｍ。键合过程激光首先对准在待焊焊点的中部， 然后激光开始沿焊点扫描，其扫描速度为 １０ ｍｍ／ｓ， 扫描长度为 ３０μｍ，扫描结束后激光停止运动进行 定点加热，加热时间为 ２ ｍｓ。其中预熔的整个过程 中都以氮气作为保护气，激光锡球键合方法示意图 见图 １。这种方法可以实现直径范围为 ８０～１２０μｍ 的锡球键合，键合时间仅为 １０ ｍｓ。
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术需要不同的特殊方法。封装过程最关键的问题是 防止器件由于热失配而产生过多的应力导致可靠 性下降，或者由于过度的加热而使器件性能弱化或 改变。为了防止以上现象的产生，局部加热或快速加 热方法如电阻微加热键合、快速热处理（ＲＴＰ－Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ） 和激光键合方法都被应用在 ＭＥＭＳ 和微系统封装中，其中激光键合技术由于具 有如下优点受到了广泛的关注和应用［１］：
ｕｐ＿ｇａｐ ｄ＿ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ
ｄ＿ｇａｐ
ｄ＿ｌｅｎｇｔｈ
图 ２ ＳＢＢ 焊 点 的 几 何 示 意 图
ｄ＿ｗｉｄｔｈ
基于能量最小原理，采用 Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｖｏｌｖｅｒ 软件 可以对 ＳＢＢ 焊点的形态和桥连问题进行预测。为 了验证模型的准确性，将计算结果与实验结果进行 对比，从图 ３ 可以看出，无论从焊点的中截面，还是 从 ４ 个焊点的三维形态来看，模拟形态和实际焊点 形态极为相似。因此，用以上模型进行相应的形态 预测，其结果是可靠的。
合时容易产生桥连问题。通过键合焊点的形态预测 不但可以对焊盘尺寸和结构进行设计，同时也能指 导锡球的选用。图 ２ 为 ＳＢＢ 焊点的几何示意图，可
Ｍａｙ． ２００７（总第 １４８ 期） ２３
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２４（总第 １４８ 期）Ｍａｙ． ２００７
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当 Ａｕ 层厚度达到 ４．０μｍ 时，这时 Ａｕ 对钎料的比 例明显增大。在激光加热的几十毫秒的短暂时间 内，Ａｕ 不能够完全溶进钎料中，又由于激光加热导 致钎料内部存在很大的温度梯度，从而界面处 Ａｕ 存在着很大的浓度梯度，故界面出现了明显不同的 金属间化合物结构。当热循环 １ ０００ 周后，如图 ７ 中 ０．９μｍ 和 ４．０μｍ Ａｕ 的焊点界面则形成了连续 的 ＡｕＳｎ４ 层，这层经过 ＥＤＸ 分析，还含有少量的 Ｎｉ 和 Ｃｕ，这是长时间热循环过程中，Ｎｉ 和 Ｃｕ 扩散 进 ＡｕＳｎ４ 中导致的。钎料中也有弥散分布的颗粒状 的 Ａｇ３Ｓｎ 和从界面剥落的 ＡｕＳｎ４。二者的区别在于 ４．０ μｍ Ａｕ 的焊点界面金属间化合物的厚度更大 一些。
文献标识码： Ａ
文章编号： １００４－４５０７（２００７）０５－００２２－０７
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒ ｃｈ Ｐｒ ｏｇｒ ｅｓｓ ｏｆ Ｌａｓｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｐａｃｋａｇｉｎｇ
ＴＩＡＮ Ｙａｎ－ｈｏｎｇ， ＷＡＮＧ Ｃｈｕｎ－ｑｉｎｇ， ＫＯＮＧ Ｌｉｎｇ－ｃｈａｏ
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（ａ） ０．９μｍ
ＡｕＳｎ４
（ａ） ０．９μｍ
１０μｍ
ＡｕＳｎ４ Ａｕ
ＡｕＳｎ２
（ｂ） ４．０μｍ 图 ７ 热 循 环 １０００ 周 后 不 同 Ａｕ 层 厚 度 的 界 面 显 微 组 织［６］
焊点，１ ０００ 次热循环后裂纹主要产生在元件一侧 靠近钎料与化合物的界面处的钎料中。而对于 ４μｍ 厚的 Ａｕ 层的焊点，如图 ８ （ｂ）所示，在金属间化合 物的表面出现微裂纹。这是由于老化过程中生成过 多过厚的脆性金属间化合物造成的。
摘 要： 激光键合技术以其局部非接触加热、灵活性强和可控性能好的优点在电子封装、光电子封
装以及 ＭＥＭＳ 封装中得到了应用。以几种激光键合技术的研究和应用为实例， 分析和探讨了激光
键合技术中的关键问题及其发展趋势。
关键词： 激光键合技术； 电子封装； 光电子封装； ＭＥＭＳ 封装
中图分类号： ＴＧ４５６．７
集成电路封装中倒扣互连（Ｆｌｉｐ Ｃｈｉｐ）的凸点 绝大多数采用蒸镀或者溅射的方法预置钎料合金 于焊盘上，然后重熔成凸点。需要掩模和光刻工艺， 成本高，适合于大批量、多凸点、标准化生产，但是 仅适合于平面凸点制作。在 ＢＧＡ 封装上有采用钎 料印刷和重熔方法制作凸点的，但不适合在芯片上 进行。在 ＭＥＭＳ、光电子器件等的封装上更需要适 应性强、面向三维和立体封装、同时适合不同尺寸 凸点的凸点制作技术。ＭＥＭＳ 和光电子器件对污染 非常敏感，要求凸点制作过程应该不施加助焊剂 － 无钎剂钎料重熔。因此传统的钎料球重熔方法制作 凸点已经不能满足 ＭＥＭＳ、光电子和三维立体封装 的 要 求 。 激 光 锡 球 键 合 技 术 （ＳＢＢ－Ｓｏｌｄｅｒ Ｂａｌｌ Ｂｏｎｄｉｎｇ）被成功应用到球栅阵列（ＢＧＡ）、芯片级尺 寸封装 （ＣＳＰ）、Ｆｌｉｐ Ｃｈｉｐ、ＭＥＭＳ 以及三维立体封 装中。
老化条件下的生长对焊点的可靠性有着极其重要 的影响。哈尔滨工业大学对激光非平衡加热条件 下焊点界面微观组织及可靠性进行了研究［６］。该 微型传感器端部镀有不同厚度的金作为可焊层。 图 ６ 为没有经过热循环测试的、不同 Ａｕ 层厚度 的 焊 点 剖 面 的 显 微 组 织 。 可 见 当 Ａｕ 层 厚 度 为 ０．９μｍ 时，钎料液态时溶进 Ａｕ，在冷却凝固的时 候，过饱和的 Ａｕ 析出，与 Ｓｎ 形成了针状 ＡｕＳｎ４。
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以看出影响焊点形态的结构几何参数主要为 ２ 个 焊盘的几何尺寸及 ２ 个焊盘的相对位置。
ｕｐ＿ｗｉｄｔｈ
ｕｐ＿ｌｅｎｇｔｈ
焊点具有较好的可靠性，见图 ４（ｂ）；当钎料球直径 较大时，焊点侧面呈现饱满的凸态，此时在焊点角 部会引起较大的应力集中，见图 ４（ｃ）；当钎料球直 径过大时，此时可能引起焊点之间的桥连，图 ５ 显 示的是焊点刚刚发生桥连时的临界形态。根据以上 分析，可以指导焊盘的设计、钎料球最优直径及临 界直径的确定，从而有效地节省设计成本，提高产 品的优率和使用可靠性。
德国的 Ｐａｃ Ｔｅｃｈ 封装公司开发了一种基于激 光 锡 球 键 合 技 术 的 的 钎 料 球 凸 点 喷 射 机 （Ｓｏｌｄｅｒ
Ｎ２ Ｌａｓｅｒ
Ｖ Ｌａｓｅｒ
Ｓｏｌｄｅｒ Ｊｏｉｎｔ 图 １ 微 传 感 器 激 光 锡 球 键 合 ＳＢＢ 方 法 示 意 图
１．１ ＳＢＢ 焊点形态预测和桥连问题模拟 由于微传感器焊盘间距仅为 ０．１８ ｍｍ，ＳＢＢ 键
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激光键合技术在封装中的 应用及研究进展
田艳红，王春青，孔令超
（ 哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室微连接研究室， 黑龙江 哈尔滨 １５０００１）
（１）非接触加热。局部非接触加热避免了对周 围材料尤其是敏感元件的热冲击；
（２） 时间和温度参数可控且容易实现自动化。 针对不同的元件类型，实时控制键合过程，通过编 程精确控制键合参数，可重复性强；
（３）可根据键合材料的性质选择不同波长的激 光。如 ＣＯ２ 激光器、Ｎｄ：ＹＡＧ 激光器和二极管激光器；
（Ｍｉｃｒｏｊｏｉｎｇ Ｌａｂ， Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｈａｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｈａｒｂｉｎ １５０００１， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ ： Ｌａｓｅｒ ｂｏｎｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｅｌｏｇｙ， ｗｈｉｃｈ ｏｆｆｔｅｒｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔ， ｌｏｃａｌ ｈｅａｔｉｎｇ ａｎｄ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ， ｈａｓ ａｔｔｒａｃｔｅｄ ｍｏｒｅ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｉｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ， ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ ＭＥＭＳ ｐａｃｋａｇｉｎｇ． Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａ－ ｐｅｒ， ｓｅｖｅｒａｌ ｃａｓｅ ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｎ ｌａｓｅｒ ｂｏｎｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ， ａｎｄ ｍａｊｏｒ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｂｏｎｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｓｅｄ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒ ｄｓ：Ｌａｓｅｒ ｂｏｎｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ； Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｐａｃｋａｇｉｎｇ； Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｐａｃｋａｇｉｎｇ； ＭＥＭＳ ｐａｃｋａｇｉｎｇ
（ａ） ９０μｍ
（ｂ） １３０μｍ
（ｃ） １５０μｍ
注：ｕｐ＿ｇａｐ ＝ －２．１μｍ， ｄ＿ｇａｐ ＝ ２７．５μｍ
图 ４ 不同钎料球直径下焊点形态
注：ｕｐ＿ｇａｐ ＝ －２．１μｍ， ｄ＿ｇａｐ ＝ ２７．５μｍ， ｂａｌｌ ｄｉａｍｅｔｅｒ ＝ １７９μｍ
图 ５ 焊点发生桥连时的临界形态
注：ｕｐ＿ｇａｐ ＝ －２．１μｍ， ｄ＿ｇａｐ ＝ ２７．５μｍ， ｓｏｌｄｅｒ ｂａｌｌ ｄｉａｍｅｔｅｒ ＝ １２０μｍ
（４）可采用光纤传输激光能量，灵活性强。对形 状复杂的元件有适用性，尤其是可以对一般设备难 以到达的区域进行选择性加热。