CN101556925A - 激光制作无铅钎料凸点的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种激光制作无铅钎料凸点的方法，包括：先在基体用于植球的位置上涂上无铅钎料，并将基体置于加工平面上；然后将基体植球处的位置数据输入计算机中，计算机编程，进行植球路径规划；计算机将规划好的植球路径形成控制信号分别送入控制部件和激光器；接着设置各工艺参数；控制部件控制扫描振镜配合激光器工作，激光束根据植球路径对涂有无铅钎料的基体进行扫描，无铅钎料熔化；然后移走激光束，无铅钎料凝固，并与基体形成冶金结合，至此无铅钎料凸点形成。本发明制得的无铅钎料凸点环保、对人体无害，且本发明加工速度快、加工精度高，加工过程无需保护气，使得工艺过程简单、自动化程度高。
Description
技术领域
本发明涉及微电子封装技术领域，尤其涉及一种激光制作无铅钎料凸点的方法。
背景技术
在微电子封装领域中，钎料凸点的制作是BGA(Ball Grid Array)球栅阵列封装和CSP(Chip Scale Package)芯片尺寸等封装中的关键技术之一。钎料凸点的制作方法有很多种。其中，激光法制作钎料凸点，克服了传统制作方法的很多不足，从而得到了同行专家的广泛认同。
近年来，随着激光技术的发展，激光制作钎料凸点技术也得到了较快的发展。国内哈尔滨工业大学的王青春等人对这一技术展开了深入详细的研究，并取得了一定的成果；华南理工大学的卫国强等人对无钎剂激光喷射制作钎料凸点的工艺进行了研究并获得了满意的结果；上海交通大学的邹欣珏等人将激光回流焊引入钎料凸点的制作工艺，并利用机器视觉进行定位，搭建了激光制作钎料凸点系统的实验样机；芬兰的Kordas.K.等人用功率为几瓦的氩离子激光器进行了激光制作钎料凸点实验等等。然而，现有的这些激光制作钎料凸点的方法，要么用的是含有害物质铅的钎料，铅对人体大脑中枢及周围神经系统、造血系统、生殖系统甚至心脏等有一定损伤或破坏作用；要么会用到保护气体，使得加工工艺复杂，并在一定程度上增加了生产成本。同时，现有的激光制作钎料凸点的方法，由于其制作过程需要惰性气体保护，且需要经过预热过程，以及所使用的激光设备的光斑大等原因，使得钎料凸点的制作速度慢，钎料凸点的尺寸过大而不能满足小器件封装的需要，其自动化程度也不高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种制作速度快、精确度高、无污染且能实现自动化控制的激光制作无铅钎料凸点的方法。
本发明通过以下技术方案实现：激光制作无铅钎料凸点的方法，包括以下步骤：
(1)在基体用于植球(即钎料凸点的制作)的位置上涂上无铅钎料，将已涂上无铅钎料的基体置于激光制作系统的加工平面上；
(2)将基体植球处的位置数据输入计算机中，计算机中已编写好的程序对应更新数据，并通过植球处的位置数据进行植球路径规划；
(3)计算机将规划好的植球路径形成控制信号分别送入控制部件和激光器；
(4)在计算机上设置激光制作钎料凸点的各个工艺参数；
(5)控制部件接收控制信号，控制激光制作系统中的振镜单元工作，同时激光器发出的激光束根据植球路径，经过振镜单元后，再经过f-θ平场透镜，最后在加工平面上扫描，将无铅钎料熔化；
(6)在移走激光束后，无铅钎料凝固，与基体进行冶金结合，至此形成无铅钎料凸点。
所述无铅钎料为Sn-Ag-Cu或其它不含铅的钎料。
步骤(1)所述加工平面为激光制作系统中f-θ平场透镜的焦平面。
步骤(2)中所述已编写好的程序为路径规划程序，由EzCad设计加工软件实现。
步骤(3)中所述控制信号采用USB数据线输送。
所述激光器为光纤激光器。
步骤(4)中所述工艺参数包括激光器的平均输出功率、单脉冲激光能量、激光光斑在焦平面的直径、激光束在焦平面的扫描速度、激光束的脉冲宽度、激光束的脉冲频率、激光束的脉冲波形以及离焦量等。
所述激光器的平均输出功率为12w～200w，单脉冲激光能量约为10-5～10-3J，激光束在焦平面的直径为10μm～30μm，激光束在焦平面的扫描速度为1mm/s～10mm/s，激光束的脉冲宽度为微秒以下量级，激光束的脉冲频率为100kHz～500kHz，激光束的脉冲波形为方波或其它任意波形，离焦量根据其它工艺参数的设定和具体情况进行调节。
所述步骤(5)具体包括以下步骤：
(5-1)激光制作系统中，激光器接收计算机的控制信号后，发出激光束，激光束依次照射到振镜单元中Y方向和X方向的扫描振镜上；
(5-2)控制部件接收计算机发出的控制信号后，分别控制振镜单元中Y方向和X方向的振镜电机按预设的程序转动，分别带动Y方向和X方向的扫描振镜转动；
(5-3)激光束根据规划好的植球路径，经过Y方向的扫描振镜反射后照射到X方向的扫描振镜，再经过X方向的扫描振镜反射到f-θ平场透镜上，经过f-θ平场透镜聚焦后的激光束照射到置于加工平面的基体上预涂的无铅钎料上，使无铅钎料熔化。
步骤(5-2)所述扫描振镜的小步长阶跃响应时间在毫秒以下量级，线形度在±20°的范围内达99.99％，最大扫描角度(机械角度)为±20°，精度为10-5m以下量级。
本发明相对于上述现有技术，具有如下优点效果：
(1)通过本发明可以制作一种无铅的钎料凸点，避免铅对环境及人体的伤害。
(2)本发明是在扫描振镜的配合下，通过激光束选择性地照射基体上植球区域内的无铅钎料，通过激光能量加热使钎料熔化，然后冷却凝固并和基体形成冶金结合的钎料凸点，其加工精度高，加工速度快，能达到每秒制作40～200个钎料凸点。
(3)本发明整个加工过程都通过计算机发出的控制信号控制激光器及扫描振镜工作，其自动化程度高。
(4)通过本发明制作的钎料凸点尺寸小，精度高，可达到10-5m量级以下。
(5)本发明无需保护气体，由于其加工速度快，可直接在空气中加工，因此大大降低了加工成本，也简化了工艺过程。
附图说明
图1是用于本发明无铅钎料凸点制作的系统结构示意图。
图2是本发明中激光束经过振镜单元后照射基体的光路示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本实施例一种激光制作无铅钎料凸点的方法，如图1的系统结构示意图所示，具体包括以下步骤：
(1)在基体1用于植球(即钎料凸点的制作)的位置上涂上无铅钎料，将已涂上无铅钎料的基体1置于激光制作系统的加工平面(即激光制作系统中f-θ平场透镜7的焦平面)上；
(2)将基体1植球处的位置数据输入计算机2中，计算机2中已编写好的程序(即路径规划程序)对数据进行更新处理，并通过植球处的位置数据进行植球路径规划；
(3)计算机2将规划好的植球路径形成控制信号，并通过USB数据线分别送入控制部件3和激光器4；
(4)在计算机2上设置激光制作钎料凸点的各个工艺参数；
(5)控制部件3接收控制信号，控制激光制作系统中的振镜单元5工作，同时激光器4发出的激光束6根据植球路径，经过振镜单元5后，再经过f-θ平场透镜7，最后在加工平面上扫描，将无铅钎料熔化；如图2的光路示意图所示，具体为：
(5-1)激光制作系统中，激光器4接收计算机2的控制信号后，发出激光束6，激光束6依次照射到振镜单元5中Y方向和X方向的扫描振镜上；
(5-2)控制部件3接收计算机2发出的控制信号后，分别控制激光制作系统中Y方向的振镜电机9和X方向的振镜电机11按预设的程序转动，分别带动Y方向的扫描振镜10和X方向的扫描振镜12转动；
(5-3)激光束6根据规划好的植球路径，经过Y方向的扫描振镜10反射后照射到X方向的扫描振镜12，再经过X方向的扫描振镜12反射到f-θ平场透镜7上，经过f-θ平场透镜7聚焦后的激光束6照射到置于加工平面的基体1上预涂好的无铅钎料上，将无铅钎料熔化。
(6)在移走激光束后，无铅钎料凝固，与基体1进行冶金结合，至此形成无铅钎料凸点8。
以上方法中使用的无铅钎料为Sn-Ag-Cu或其它不含铅的钎料。
本实施例的路径规划程序通过北京金橙子科技有限公司的EzCad设计加工软件实现。
本实施例中采用的激光器为光纤激光器，步骤(4)中的工艺参数包括激光器的平均输出功率、单脉冲激光能量、激光光斑在焦平面的直径、激光束在焦平面的扫描速度、激光束的脉冲宽度、激光束的脉冲频率、激光束的脉冲波形以及离焦量等。
其中激光器的平均输出功率为12w～200w，单脉冲激光能量约为10-5～10-3J，激光束在焦平面的直径为10μm～30μm，激光束在焦平面的扫描速度为1mm/s～10mm/s，激光束的脉冲宽度为微秒以下量级，激光束的脉冲频率为100kHz～500kHz，激光束的脉冲波形为方波或其它任意波形，离焦量根据其它工艺参数的设定和具体情况进行调节。
本实施例振镜单元中所采用扫描振镜的小步长阶跃响应时间在毫秒以下量级，线形度在±20°的范围内达99.99％，最大扫描角度(机械角度)为±20°，精度为10-5m以下量级。
根据实际情况，本发明所采用的激光器也可以为其它类型的激光器，如YAG激光器等，其各工艺参数值根据所选激光器的类型进行设定。
如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。
Claims (9)
1、激光制作无铅钎料凸点的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在基体用于植球的位置上涂上无铅钎料，将已涂上无铅钎料的基体置于激光制作系统的加工平面上；
(2)将基体植球处的位置数据输入计算机中，计算机中已编写好的程序对应更新数据，并通过植球处的位置数据进行植球路径规划；
(3)计算机将规划好的植球路径形成控制信号分别送入控制部件和激光器；
(4)在计算机上设置激光制作钎料凸点的各个工艺参数；
(5)控制部件接收控制信号，控制激光制作系统中的振镜单元工作，同时激光器发出的激光束根据植球路径，经过振镜单元后，再经过f-θ平场透镜，最后在加工平面上扫描，将无铅钎料熔化；
(6)在移走激光束后，无铅钎料凝固，与基体进行冶金结合，至此形成无铅钎料凸点。
2、根据权利要求1所述激光制作无铅钎料凸点的方法，其特征在于，所述无铅钎料为Sn-Ag-Cu。
3、根据权利要求1所述激光制作无铅钎料凸点的方法，其特征在于，步骤(1)所述加工平面为激光制作系统中f-θ平场透镜的焦平面。
4、根据权利要求1所述激光制作无铅钎料凸点的方法，其特征在于，步骤(2)中所述已编写好的程序为路径规划程序。
5、根据权利要求1所述激光制作无铅钎料凸点的方法，其特征在于，步骤(3)中所述控制信号采用USB数据线输送。
6、根据权利要求1所述激光制作无铅钎料凸点的方法，其特征在于，所述激光器为光纤激光器。
7、根据权利要求1所述激光制作无铅钎料凸点的方法，其特征在于，步骤(4)中所述工艺参数包括激光器的平均输出功率、单脉冲激光能量、激光光斑在焦平面的直径、激光束在焦平面的扫描速度、激光束的脉冲宽度、激光束的脉冲频率、激光束的脉冲波形以及离焦量。
8、根据权利要求7所述激光制作无铅钎料凸点的方法，其特征在于，所述激光器的平均输出功率为12w～200w，单脉冲激光能量为10-5～10-3J，激光束在焦平面的直径为10μm～30μm，激光束在焦平面的扫描速度为1mm/s～10mm/s，激光束的脉冲宽度为微秒以下量级，激光束的脉冲频率为100kHz～500kHz。
9、根据权利要求1所述激光制作无铅钎料凸点的方法，其特征在于，所述步骤(5)具体包括以下步骤：
(5-1)激光制作系统中，激光器接收计算机的控制信号后，发出激光束，激光束依次照射到振镜单元中Y方向和X方向的扫描振镜上；
(5-2)控制部件接收计算机发出的控制信号后，分别控制振镜单元中Y方向和X方向的振镜电机按预设的程序转动，分别带动Y方向和X方向的扫描振镜转动；
(5-3)激光束根据规划好的植球路径，经过Y方向的扫描振镜反射后照射到X方向的扫描振镜，再经过X方向的扫描振镜反射到f-θ平场透镜上，经过f-θ平场透镜聚焦后的激光束照射到置于加工平面的基体上预涂的无铅钎料上，使无铅钎料熔化。
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