高 昆 黎映相 齊樂(lè)華 吳 浪 周 怡 豆毅博 羅 俊
1.空軍航空維修技術(shù)學(xué)院湖南省飛機(jī)維修工程技術(shù)中心,長(zhǎng)沙,410240 2.長(zhǎng)沙湘計(jì)海盾科技有限公司,長(zhǎng)沙,4101003.西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院,西安,710129
航空、航天裝備(如雷達(dá)及可視頭盔等[1])中的先進(jìn)電子模塊大多采用了高密度3D封裝工藝,即層層堆疊的功能組件管腳通過(guò)均勻錫凸點(diǎn)陣列連接起來(lái),以縮短數(shù)據(jù)傳輸路徑、提高芯片運(yùn)行速度、增強(qiáng)連接可靠性[2]。保證3D封裝質(zhì)量的關(guān)鍵工藝[3]是在多疊層芯片之間制備高度一致、定位準(zhǔn)確的錫焊料凸點(diǎn)陣列。由于航空、航天裝備使用的3D封裝模塊具有精度高、規(guī)格多、批量少等特點(diǎn),使得其受損后的快速維修是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)[4]。現(xiàn)有的蒸發(fā)沉積法、釘頭法、模板印刷法、電鍍法[2]等凸點(diǎn)陣列批量制備方法易產(chǎn)生凸點(diǎn)尺寸不均、位置不準(zhǔn)確、工序復(fù)雜等不足,而激光錫焊工藝[5]制備的焊點(diǎn)存在錫球直徑大、長(zhǎng)距離噴射落點(diǎn)不穩(wěn)、激光易燒蝕芯片等問(wèn)題,都難以適用于軍用堆疊電子模塊中3D微器件的快速封裝與維修。
均勻金屬微滴噴射可直接產(chǎn)生均勻焊球[6],是多疊層芯片焊球陣列快速修復(fù)的理想技術(shù),在均勻等徑微小金屬球制備、微電路打印與封裝、微米級(jí)金屬件打印、微小薄壁金屬件打印中有廣闊的應(yīng)用前景[7]。該技術(shù)按工作原理可分為連續(xù)式噴射(continuous ink jet,CIJ)和按需式噴射(drop-on-demand,DoD)。CIJ技術(shù)通過(guò)離散層流射流來(lái)實(shí)現(xiàn)均勻液滴的快速產(chǎn)生,噴射錫微滴具有頻率高、飛行速度快等優(yōu)點(diǎn),但不易對(duì)單顆微滴的飛行過(guò)程和沉積位置進(jìn)行控制,多用于造粒[8]。DoD技術(shù)通過(guò)氣壓、應(yīng)力波、壓電等驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)焊球可控打印,其中,壓電脈沖驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定,得到了較為廣泛的應(yīng)用。美國(guó)MicroFab公司[9]、IBM公司[10]等已開(kāi)發(fā)出商業(yè)化的壓電驅(qū)動(dòng)錫微滴噴射裝置,打印速度可達(dá)每秒200顆,但通過(guò)料腔、噴嘴與壓電驅(qū)動(dòng)器集成的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)不同尺寸焊球陣列快速打印的代價(jià)極高。我國(guó)多所高校[11-14]相繼開(kāi)展了錫微滴噴射技術(shù)研究,其中,西北工業(yè)大學(xué)深入研究微滴噴射、飛行、沉積等理論與關(guān)鍵技術(shù),自主開(kāi)發(fā)了多套適應(yīng)于不同領(lǐng)域的金屬微滴噴射裝置,成功實(shí)現(xiàn)了微小電感線圈打印[6]、金手指引線快速釬焊[15]、立體電路打印[13]、錫鉛焊料金屬凸點(diǎn)制備[16]等。將該技術(shù)應(yīng)用于多種尺寸凸點(diǎn)陣列的快速制備,可為航空高附加值芯片的凸點(diǎn)陣列快速修復(fù)提供可行方法。
本文提出錫焊料凸點(diǎn)陣列直接打印方法,利用西北工業(yè)大學(xué)研發(fā)的均勻金屬微滴3D打印裝備開(kāi)展試驗(yàn)研究,通過(guò)分析打印凸點(diǎn)質(zhì)量的影響因素,探明多尺寸焊料凸點(diǎn)陣列的單噴嘴直接打印關(guān)鍵技術(shù),為壓電驅(qū)動(dòng)焊料微滴按需式噴射技術(shù)在航空高價(jià)值電子模塊3D封裝快速修復(fù)中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
決定焊料凸點(diǎn)大小的主要因素是噴孔直徑,而設(shè)置多規(guī)格的噴頭分別打印不同尺寸規(guī)格的凸點(diǎn)陣列,不僅增加了設(shè)備成本,也會(huì)在更換噴頭時(shí)降低凸點(diǎn)打印定位精度和柔性打印能力。為此,本文提出了面向3D封裝立體互連的多尺寸凸點(diǎn)陣列的單噴頭直接打印方法:以單顆微滴為基本單元,根據(jù)凸點(diǎn)尺寸要求,在需要的位置上進(jìn)行單顆或多顆微滴的連續(xù)沉積(圖1a);再利用“加熱重熔”方法使多顆沉積微滴團(tuán)聚形成等質(zhì)量、等高度的凸點(diǎn),從而實(shí)現(xiàn)多尺寸凸點(diǎn)制備(圖1b)。圖中,D為微滴直徑,h為打印凸點(diǎn)高度,dmax為打印凸點(diǎn)最大處直徑,h1、h2、h3為重熔凸點(diǎn)高度。該方法可避免噴頭更換,提高打印效率。
(a)單顆或多顆微滴直接打印
精確控制焊料微滴沉積位置是實(shí)現(xiàn)3D封裝凸點(diǎn)陣列中微小焊球打印工藝的關(guān)鍵[3],也是多尺寸凸點(diǎn)直接打印的前提。如圖2所示,焊滴噴射的初速度v方向與基板之間的垂直偏差是導(dǎo)致凸點(diǎn)打印位置出現(xiàn)偏差的主要原因[6]。噴射參數(shù)對(duì)射流頸縮和斷裂的均勻性影響[8,14],噴頭位置安裝偏斜、噴孔內(nèi)壁附著的雜質(zhì)或內(nèi)部的缺陷等各種因素,都會(huì)使焊料微滴的初速度方向發(fā)生隨機(jī)性偏斜。由此可知,沉積距離H越大,凸點(diǎn)位置精度就越差。
圖2 凸點(diǎn)打印位置精度的影響因素示意圖Fig.2 Illustration of factors influencing bump printing position accuracy
單顆焊料液滴在基板上沉積所形成的凸點(diǎn)高度主要由焊料微滴的體積決定,其輪廓形貌取決于沉積基材潤(rùn)濕角、微滴凝固速率等多種因素[8]。在相同工藝條件下,由單微滴形成的凸點(diǎn)的高度一致性(即高度標(biāo)準(zhǔn)差σ)主要來(lái)源于各種隨機(jī)因素導(dǎo)致一批微滴凝固而產(chǎn)生的速率誤差。另外,由多焊料微滴疊加形成的凸點(diǎn)的等效大微滴直徑雖然可以利用質(zhì)量守恒定律獲得,但是影響凸點(diǎn)高度的因素較多,且多顆微滴所形成凸點(diǎn)的高度標(biāo)準(zhǔn)差將遠(yuǎn)超過(guò)單顆微滴所形成凸點(diǎn)的高度標(biāo)準(zhǔn)差。因此,多顆微滴堆棧凸點(diǎn)不能直接用于3D封裝凸點(diǎn)陣列,可通過(guò)加熱重熔方法來(lái)整形凸點(diǎn)形貌、控制高度誤差。
綜上所述,在焊料微滴按需式噴射和沉積凝固過(guò)程中,影響凸點(diǎn)打印位置精度和高度標(biāo)準(zhǔn)差的因素較多,難以僅由理論分析獲得,需通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證多尺寸凸點(diǎn)直接打印制備的可行性。
為將多尺寸凸點(diǎn)直接打印技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際封裝中,試驗(yàn)采用西北工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)的均勻錫焊微滴3D打印設(shè)備,如圖3所示。設(shè)備主要由焊料微滴噴射裝置、運(yùn)動(dòng)基板及夾具、視頻采集裝置、低氧保護(hù)罩和打印控制系統(tǒng)等構(gòu)成。其中,焊料微滴噴射裝置用于加熱錫焊料、產(chǎn)生可控壓電激振,以實(shí)現(xiàn)錫焊微滴噴射。加溫范圍為0~400 ℃,精度為±5 ℃;運(yùn)動(dòng)基板及夾具用于沉積位置變化運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng),夾具用于放置所需封裝器件,其直線位移精度為±3 μm/100 mm;低氧保護(hù)罩用于抑制高溫焊滴氧化;視頻采集裝置用于噴嘴對(duì)準(zhǔn)所需打印位置,精度為±5 μm;打印控制系統(tǒng)用于激振參數(shù)設(shè)置和打印程序控制,打印速度為每秒20顆。
圖3 均勻錫焊微滴3D打印設(shè)備Fig.3 Uniform tin solder droplet 3D printing equipment
試驗(yàn)焊料為Sn-Pb合金(其中Sn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為63%),沉積板材材料為紫銅,試驗(yàn)前先用W28(1)金相砂紙打磨處理焊絲和銅板以去除表面氧化層,后用無(wú)水酒精擦拭去塵。試驗(yàn)噴嘴材料為陶瓷,噴嘴直徑為300 μm。
試驗(yàn)首先獲取較高落點(diǎn)位置精度的打印參數(shù),然后采用單因素試驗(yàn)法優(yōu)選單顆和多顆焊料凸點(diǎn)高度一致性較好(標(biāo)準(zhǔn)差較小)的打印參數(shù),最后驗(yàn)證“加熱重熔”控制高度誤差方法的可行性。所檢測(cè)的焊料凸點(diǎn)尺寸為高度h和最大處直徑dmax,其數(shù)值為30個(gè)凸點(diǎn)的平均值。采用尼康工具顯微鏡(Nikon,MM400)對(duì)凝固后的凸點(diǎn)幾何形狀進(jìn)行觀察和測(cè)量,精度可達(dá)到0.8 μm。
在電子封裝中,凸點(diǎn)高度及其一致性(標(biāo)準(zhǔn)差)對(duì)封裝質(zhì)量的影響最大,因此本文主要討論凸點(diǎn)高度及其標(biāo)準(zhǔn)差。
3.1.1噴射參數(shù)對(duì)沉積位置精度的影響
在焊料溫度為300 ℃、沉積距離為10 mm的條件下,連續(xù)噴射若干錫焊滴,統(tǒng)計(jì)噴射和沉積情況,將獲得的壓電脈沖信號(hào)參數(shù)(即噴射參數(shù))與噴射沉積現(xiàn)象進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并列于表1。12組參數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果可以歸納為如下三類噴射與沉積現(xiàn)象:無(wú)液滴、落點(diǎn)發(fā)散的多顆液滴和形成偏斜立柱的單顆液滴,如圖 4所示。
表1 液滴噴射試驗(yàn)的噴射沉積現(xiàn)象統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistical table of ejection deposition phenomena in droplet ejection test
(a)散落的液滴俯視圖 (b)散落的液滴側(cè)視圖
依據(jù)表1和圖4,噴射參數(shù)可分為如下三類:①不能產(chǎn)生液滴的噴射參數(shù)。1~3組噴射參數(shù)均不產(chǎn)生液滴,其原因是在1~3組脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)下,激振桿受激所產(chǎn)生的微小位移不足以使錫焊滴突破噴嘴孔處的流體表面張力,因而無(wú)法形成液滴。②產(chǎn)生多顆且落點(diǎn)發(fā)散液滴的噴射參數(shù)。5、6、8、9、11和12組噴射參數(shù)均產(chǎn)生大小不同、落點(diǎn)分散的多顆錫焊滴,其原因是,脈沖信號(hào)幅值增大后可將較多的金屬流體擠壓出噴孔形成柱狀射流,此時(shí)射流發(fā)生不規(guī)則的頸縮、斷裂,生成了尺寸不同、初速度不一致的球形液滴,液滴分布散落而無(wú)法形成立柱(圖 4a和圖4b)。③產(chǎn)生單顆較為均勻焊料微滴的噴射參數(shù)。4和7組噴射脈沖信號(hào)下,金屬熔液在振動(dòng)桿積壓的作用下突破孔口表面張力形成射流后,當(dāng)桿回縮時(shí)會(huì)在孔口處形成一定的負(fù)壓使射流頸縮、斷裂,此時(shí)射流的頸縮和斷裂較為穩(wěn)定,不僅可產(chǎn)生單顆均勻的微滴,其打印位置精度也能得到提高,從而可獲得有一定傾斜的一維立柱(圖 4c)。通過(guò)逐步修正第4組的噴射參數(shù),可以發(fā)現(xiàn):當(dāng)激振脈沖信號(hào)幅值為626 mV、脈寬為330 μs時(shí),形成了較為筆直的立柱(圖 4d),這說(shuō)明調(diào)整噴射參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)微滴沉積位置誤差的控制。
3.1.2噴射沉積距離對(duì)凸點(diǎn)位置精度的影響
采用修正后的噴射參數(shù),不同沉積距離H條件下打印凸點(diǎn)的位置誤差的統(tǒng)計(jì)情況如圖5所示。當(dāng)凸點(diǎn)x向間距Lx的理論設(shè)定值為800 μm時(shí),由圖5可以看出,隨著噴射沉積距離H的增大,實(shí)際凸點(diǎn)x向間距Lx在總體趨勢(shì)上增大,特別是H增大至30 mm時(shí),Lx的標(biāo)準(zhǔn)差σ(Lx)顯著增大。當(dāng)沉積距離H≤20 mm時(shí),x向間距的標(biāo)準(zhǔn)差σ(Lx)不超過(guò)18 μm,且經(jīng)計(jì)算可知,噴射形成焊料微滴x向?qū)嶋H落點(diǎn)間距的誤差平均值(即落點(diǎn)位置精度)不超過(guò)±5 μm,這說(shuō)明實(shí)際落點(diǎn)受到射流頸縮和斷裂等行為以及噴孔表面微觀形貌等多種隨機(jī)因素的影響,實(shí)際落點(diǎn)以理論落點(diǎn)為中心隨機(jī)散布;當(dāng)噴射沉積距離H≥30 mm時(shí),落點(diǎn)位置精度急劇降低。航空高密度堆疊倒裝芯片器件的高度一般不超過(guò)10 mm,本試驗(yàn)條件下,當(dāng)沉積距離不超過(guò)20 mm時(shí),打印位置精度能滿足絕大多數(shù)3D封裝的需求。
(a)設(shè)定的測(cè)量間距
3.2.1液滴初始溫度對(duì)凸點(diǎn)尺寸的影響
圖6所示為脈沖信號(hào)幅值626 mV、脈寬330 μs,沉積距離H=10 mm,沉積基板溫度t2=50 ℃時(shí),改變液滴初始溫度t1,對(duì)30個(gè)沉積凸點(diǎn)的最大直徑dmax和高度h進(jìn)行測(cè)量所獲得的平均尺寸統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由圖 6a可知,隨初始液滴溫度t1的升高,凸點(diǎn)最大直徑先增大后減小且在350 ℃時(shí)達(dá)到最大值,而凸點(diǎn)高度的變化不明顯。由圖6b可知,當(dāng)t1=300 ℃時(shí),凸點(diǎn)高度和最大直徑的標(biāo)準(zhǔn)差σ均達(dá)到最小值,說(shuō)明此溫度下凸點(diǎn)尺寸一致性最好。
(a)液滴初始溫度與凸點(diǎn)最大直徑和高度的關(guān)系
對(duì)比圖6中焊料凸點(diǎn)高度和最大直徑的標(biāo)準(zhǔn)差發(fā)現(xiàn),在整個(gè)試驗(yàn)溫度范圍內(nèi),凸點(diǎn)高度標(biāo)準(zhǔn)差均小于凸點(diǎn)最大直徑的標(biāo)準(zhǔn)差,說(shuō)明打印的凸點(diǎn)高度的穩(wěn)定性要優(yōu)于凸點(diǎn)最大直徑的穩(wěn)定性。在實(shí)際電子封裝中,凸點(diǎn)用于連接電路板與芯片,為保證可靠連接,對(duì)凸點(diǎn)高度一致性的要求高于對(duì)凸點(diǎn)最大直徑一致性的要求,而本試驗(yàn)結(jié)果正好符合此要求。
3.2.2基板溫度對(duì)凸點(diǎn)尺寸的影響
圖7所示為脈沖信號(hào)幅值626 mV、脈寬330 μs,沉積距離H=10 mm,液滴初始溫度t1=300 ℃時(shí),改變基板溫度t2,對(duì)30個(gè)沉積凸點(diǎn)的最大直徑和高度進(jìn)行測(cè)量所獲得的平均尺寸統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由圖7a可知,隨著基板溫度t2的升高,凸點(diǎn)最大直徑逐漸減小,而凸點(diǎn)高度呈不規(guī)則起伏,說(shuō)明凸點(diǎn)形貌隨著基板溫度t2的升高呈現(xiàn)出細(xì)高形狀,當(dāng)t2升高到130 ℃時(shí)凸點(diǎn)形貌變化不大。由圖7b可知,凸點(diǎn)高度和最大直徑的標(biāo)準(zhǔn)差隨基板溫度t2的升高先減小后增大,但兩個(gè)最佳溫度不同,基板溫度t2分別為110 ℃和130 ℃時(shí),凸點(diǎn)高度和最大直徑的標(biāo)準(zhǔn)差分別達(dá)到最小值,其中高度標(biāo)準(zhǔn)差不超過(guò)6 μm;隨后繼續(xù)升溫,凸點(diǎn)高度和最大直徑的標(biāo)準(zhǔn)差隨之增大。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)繼續(xù)升溫至170 ℃時(shí)會(huì)發(fā)生彈跳現(xiàn)象,從而無(wú)法穩(wěn)定沉積得到凸點(diǎn)。
(a)基板溫度與凸點(diǎn)最大直徑和高度的關(guān)系
由圖7可知,直接打印凸點(diǎn)陣列時(shí),當(dāng)基板溫度t2較低時(shí),液滴在鋪展過(guò)程中快速凝固,因而焊料凸點(diǎn)的最大直徑大、高度低。隨著基板溫度t2的升高,焊料微滴在基板上充分經(jīng)歷鋪展、振蕩、凝固等過(guò)程,其凝固行為較為穩(wěn)定,易獲得較高穩(wěn)定性的形貌。凸點(diǎn)尺寸差異是由于基板表面粗糙度不均勻、基板與加熱爐間的接觸熱阻不均勻等若干隨機(jī)影響因素造成每個(gè)凸點(diǎn)微滴的凝固速率不相同所致。凸點(diǎn)高度和最大直徑的標(biāo)準(zhǔn)差分別在110 ℃和130 ℃達(dá)到最小值,這說(shuō)明在110~130 ℃之間可能存在某個(gè)溫度使得直接打印凸點(diǎn)可獲得較高穩(wěn)定性的輪廓形貌。依據(jù)本試驗(yàn)設(shè)備的打印速度(每秒20顆),芯片處于該溫度范圍內(nèi)的時(shí)間較短,因此不會(huì)對(duì)芯片性能產(chǎn)生影響。
圖 8所示為脈沖信號(hào)幅值626 mV、脈寬330 μs、液滴初始溫度t1=300 ℃,基板溫度t2=130 ℃時(shí),打印得到的單顆焊料凸點(diǎn)陣列結(jié)果,可以看出,凸點(diǎn)的最大直徑和高度均勻。
圖8 焊料初始液滴溫度為300 ℃,基板溫度為130 ℃時(shí)打印的焊料凸點(diǎn)陣列Fig.8 Array of solder bumps printed at an initial solder droplet temperature of 300 ℃ and a substrate temperature of 130 ℃
3.3.1打印凸點(diǎn)加熱重熔前后尺寸和形貌對(duì)比
在噴射參數(shù)為幅值626 mV、脈寬330 μs,沉積距離H=10 mm,液滴初始溫度t1=300 ℃,基板溫度t2=110 ℃條件下直接打印獲得凸點(diǎn)后,加熱基板至260 ℃,保溫5 min,通過(guò)重熔微滴來(lái)調(diào)整微滴形貌。圖9所示為加熱重熔凸點(diǎn)前后的尺寸和形貌,可以看出,直接打印得到的單顆微滴凸點(diǎn)改變了形貌,從底部窄、上部寬的“燈泡”狀變成了底部寬、上部窄的“冠帽”形狀;多顆焊料微滴立柱重熔為尺寸較大的凸點(diǎn),不同堆疊顆粒數(shù)的微柱重熔形成了高度不同的凸點(diǎn)。
(a)凸點(diǎn)加熱重熔后的尺寸
由圖9可以看出,直接打印的單顆微滴凸點(diǎn)為“燈泡”狀形貌,其原因是,在碰撞鋪展階段,高溫焊料微滴的底部金屬與基板接觸線會(huì)發(fā)生局部快速凝固,使得凝固角大于90°。逐漸加熱到熔點(diǎn)后,錫焊料進(jìn)一步潤(rùn)濕紫銅基板,使接觸角變小,導(dǎo)致根部變大形成“冠帽”形狀。重熔微滴高度和最大直徑隨著顆粒數(shù)目的增加而增大,本文通過(guò)單噴嘴直接打印和加熱重熔法制備了高度均值約為246 μm、278 μm、333 μm三種尺寸規(guī)格的凸點(diǎn)。
3.3.2加熱重熔前后的凸點(diǎn)高度一致性對(duì)比
圖 10所示為重熔前后的凸點(diǎn)高度標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比統(tǒng)計(jì),可以看出,打印凸點(diǎn)重熔后高度一致性得到了顯著提高,高度標(biāo)準(zhǔn)差不超過(guò)10.42 μm,其中,單顆微滴凸點(diǎn)高度的標(biāo)準(zhǔn)差僅減小了3.5%;當(dāng)微滴數(shù)目為2和3時(shí),打印凸點(diǎn)高度的標(biāo)準(zhǔn)差分別減小了81.4%和86.7%。
圖10 加熱重熔前后凸點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比Fig.10 Comparison of bump standard deviation of before and after heating and remelting
(1)開(kāi)發(fā)的壓電式均勻錫焊微滴3D打印裝置精度高、穩(wěn)定性好,在噴射參數(shù)為幅值626 mV、脈寬330 μs,液滴初始溫度300 ℃,基板溫度110 ℃,沉積距離10 mm的條件下,可打印出高度標(biāo)準(zhǔn)差不超過(guò)6 μm、落點(diǎn)位置誤差不超過(guò)±5 μm的焊料凸點(diǎn)陣列。
(2)采用單噴嘴的按需式噴射沉積方法實(shí)現(xiàn)了三種不同尺寸焊滴陣列的直接打印,重熔后的凸點(diǎn)呈現(xiàn)“冠帽”形狀,高度標(biāo)準(zhǔn)差不超過(guò)10.42 μm,符合高價(jià)值芯片的小批3D封裝和單件修復(fù)需求。
(3)多顆焊滴堆棧和加熱重熔的方法可降低噴射、沉積、冷卻凝固過(guò)程各種隨機(jī)因素對(duì)凸點(diǎn)高度一致性的影響,但重熔后的凸點(diǎn)高度標(biāo)準(zhǔn)差隨微滴數(shù)目的增加而增大,因此需限制堆積沉積的微滴數(shù)量。