激光重熔釬料凸點的思想是從激光軟釬焊發(fā)展而來的。激光軟釬焊方法能夠在很短的時間內(nèi)使被連接處形成一個能量密度高度集中的局部加熱區(qū),封裝器件不會產(chǎn)生熱應(yīng)力,熱敏感性強的器件不會受熱沖擊。同時還能細(xì)化焊點的結(jié)晶晶粒度從而也提高了焊點的韌性與抗疲勞性能。自從1974 年美國的C. F. Bohman 率先將CO2 激光應(yīng)用于微電子組裝軟釬焊以來,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,人們開始將激光軟釬焊的思想用在了陣列式封裝釬料凸點成形或連接工藝中。

1996 年德國Fraunhofer IZM 與柏林Pac Tech 公司合作開發(fā)了無釬劑釬料凸點成型機。該機器包括一個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。該設(shè)備在工作時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上,短脈沖激光迅速對釬料球進(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,而且可以放置間距為150μm 的釬料球。既適合于PbSn釬料,也適合于高熔點無鉛釬料如AuSn。激光無釬劑釬料凸點成形機如圖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,因為PCB 材料對波長為10. 6μm 的CO2 激光的吸收率遠(yuǎn)大于波長為1. 06μm 的YAG激光,而未熔化釬料對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可有效防止凸點激光反射對基板的損傷,而且YAG激光可利用光導(dǎo)纖維傳輸激光能量。半導(dǎo)體激光的波長更短(780～830 nm) ,輻射能量更易被釬料吸收;同時半導(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)簡單,這些特點使半導(dǎo)體激光器在自動化

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,通過光纖束傳遞激光,并利用絕緣鏡校直激光與待重熔部位對準(zhǔn)。

1999 年柏林工業(yè)大學(xué)Fraunhofer 學(xué)院與PacTech GmbH 公司合作開發(fā)了激光光纖推進(jìn)連接(FPC) 方法,實現(xiàn)了芯片級尺寸封裝的載帶與芯片共晶Au - Sn 釬料凸點之間的連接。如圖3 所示,該方法通過噴嘴推進(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與載帶之間的連接。

總之,近年來國外對激光重熔方法及設(shè)備的研究是相當(dāng)活躍的,隨著機器人技術(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成形方面發(fā)揮越來越重要的作用。