CN108807202B - 一种激光制作钎料凸点的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光制作钎料凸点的方法。将预处理的金属基板置于加工平面；钎料投掷装置中装入了制作钎料凸点的颗粒钎料；计算机设置工艺参数进行钎料凸点的路径规划；启动激光制作系统执行制作程序；激光器、控制部件及钎料投掷系统接收计算机的控制信号同步启动；激光器发射的激光束依次经过振镜单元、f‑theta平场聚焦透镜至加工平面上形成激光斑，同步钎料投掷系统控制钎料投掷臂，将钎料投掷装置的颗粒钎料投掷至激光束照射过的光斑区域，由于激光加热使得基板温度高于钎料熔点，进而使得钎料熔化；移走激光束后，由于金属基板快速的热扩散，该区域的温度迅速下降，熔化的钎料凝固形成钎料凸点；制作程序结束运行，完成金属基板所有钎料凸点的制作。

Description

一种激光制作钎料凸点的方法

技术领域

本发明涉及微电子封装的技术领域，更具体地，涉及一种激光制作钎料凸点的方法。

背景技术

在微电子封装领域中，钎料凸点的制作是封装中的关键技术之一。钎料凸点的制作方法有很多种，主要有电镀及金属喷射等，电镀过程中由于需要使用光致抗蚀剂增加了制造工艺复杂度以及制造成本，同步电镀的尺寸受电流影响不易控制；金属喷射的技术制造工艺简单灵活性高，但设备复杂和昂贵。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，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，现有的这些激光制作钎料凸点的方法，使用的是含铅的钎料；大部分方法均使用保护气体，加工工艺复杂而且成本较高，而且对于钎料凸点的尺寸控制难度大。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种激光制作钎料凸点的方法，

实现钎料凸点的自动化制作，工艺简单，加工速度快，加工精度高，钎料凸点的尺寸根据投掷颗粒钎料的大小可调。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种激光制作钎料凸点的方法，包括以下步骤：

步骤1：将预处理后的金属基板置于激光制作系统的加工平面上；

步骤2：在钎料投掷装置中装入制作钎料凸点的颗粒钎料；

步骤3：在计算机上设置激光制作钎料凸点的各个工艺参数；

步骤4：将需要制作钎料凸点的位置信息输入计算机中，计算机中编好的制作程序对应更新数据并通过输入的位置信息进行钎料凸点的路径规划；

步骤5：启动激光制作系统执行制作程序，计算机将步骤4中规划的钎料凸点路径转为控制信号发送至激光器、控制部件及钎料投掷系统；

步骤6：激光器、控制部件及钎料投掷系统接收步骤5的控制信号后同步启动；激光器发射的激光束依次经过控制部件控制的振镜单元、f-theta平场聚焦透镜至加工平面上形成激光斑，金属基板升温；移走激光束后，钎料投掷系统控制钎料投掷臂将钎料投掷装置的颗粒钎料投掷至激光束照射过的激光斑区域，金属基板的温度使得钎料熔化；由于激光束照射使得金属基板加热，基板温度高于钎料熔点，使得钎料熔化；

步骤7：在移走激光束后，步骤6中金属基板热扩散降低钎料熔化区域温度，使得熔化的钎料凝固，形成钎料凸点；制作程序控制激光器、控制部件及钎料投掷系统按设定的路径制作钎料凸点直至制作程序结束运行，完成金属基板所有钎料凸点的制作。

优选地，步骤2中所述的钎料为无铅颗粒钎料。无铅钎料，避免了铅对人体的伤害。

优选地，步骤1中所述的金属基板为覆铜板；金属基板的预处理为清洗、脱干。

优选地，步骤1中所述的加工平面为激光制作系统中f-theta平场聚焦透镜的焦平面。

优选地，步骤3中所述的工艺参数包括激光器的激光功率、激光斑在加工平面的直径，所述的输出功为10-1000W，激光斑在加工平面的直径为0.01-1mm。

优选地，所述步骤6具体包括以下步骤：

步骤61：激光器、控制部件及钎料投掷系统接收步骤5的控制信号后同步启动；

步骤62：激光器发射的激光束照射到振镜单元中的X方向扫描振镜反射镜及Y方向扫描振镜反射镜，经X方向扫描振镜反射镜及Y方向扫描振镜反射镜的反射后穿过f-theta平场聚焦透镜；

步骤63：控制部件与步骤62同步分别控制X轴扫描振镜线圈及Y轴扫描振镜线圈，进而分别带动X方向扫描振镜反射镜及Y方向扫描振镜反射镜转动，使得激光束经f-theta平场聚焦透镜后聚焦至加工平面上形成激光斑；

步骤64：计算机控制激光器移走激光束后，钎料投掷系统控制钎料投掷臂将钎料投掷装置的颗粒钎料投掷至步骤63中照射过的激光斑区域，金属基板的温度使得钎料熔化板温度高于钎料熔点，使得钎料熔化。

优选地，计算机向激光器、控制部件及钎料投掷系统发送的控制信号采用信号电缆传输。

优选地，所述的激光器为光纤激光器或者YAG激光器。

优选地，所述的钎料为球形。球形钎料的粒径可变，通过改变钎料的粒径实现钎料凸点尺寸可控调整。

优选地，计算机控制步骤64中激光束从激光斑移走的移走时间与颗粒钎料投掷至金属基板的投掷时间；制作单个钎料凸点时，激光束移走的时间与将颗粒钎料投掷到基板的时间间隔小于1ms。激光束照射结束的1ms内将颗粒钎料投掷到基板上，避免时间间隔过长，基板温度下降，不能熔化颗粒钎料；同时避免在未移走激光束时就投掷钎料，将颗粒钎料提前熔化，形不成良好的凸点或形成的凸点位置不准确等导致的钎料凸点制作失败。

与现有技术相比，有益效果是：本发明提供的激光制作钎料凸点的方法，实现钎料凸点的自动化制作，相比于传统的制作方法，具有工艺简单，加工速度快，加工精度高，钎料凸点的尺寸可调的优点：

（1）本发明采用计算机编程进行钎料凸点的路径规划，并通过程序控制激光器、控制部件及钎料投掷系统实现自动化激光发射调整及钎料的自动化投掷，激光发射与钎料投掷同步配合进行，无需预先在金属基板上涂抹钎料，自动化制作工艺简单，加工速度快，加工精度高；

（2）本发明的钎料为无铅钎料，避免了铅对人体的伤害；本发明球形钎料的粒径可变，通过改变钎料的粒径实现钎料凸点尺寸可控调整，根据使用需要更换不同粒径钎料凸点的制作；

（3）本发明利用激光加工钎料凸点，加工速度快，可以直接在空气中进行，无需保护气体，简化工艺过程，降低制造成本。

附图说明

图1是用于本发明钎料凸点制作的系统结构示意图。

图2是本实施例中激光束移走时间与颗粒钎料投掷时间的时序示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

如图1所示，一种激光制作钎料凸点的方法，包括以下步骤：

步骤1：将需要制作钎料凸点的金属基板1经清洗、脱干等预处理后，置于激光制作系统的加工平面上，上述的加工平面为激光制作系统中f-theta平场聚焦透镜7的焦平面；

步骤2：在钎料投掷装置中装入制作钎料凸点的球形的钎料15，本实施例中使用Sn-Ag-Cu无铅颗粒钎料；还可以使用其它无铅颗粒钎料；

步骤3：在计算机2上设置激光制作钎料凸点的各个工艺参数；

步骤4：将需要制作钎料凸点的位置信息输入计算机2中，计算机2中编好的制作程序对应更新数据并通过输入的位置信息进行钎料凸点的路径规划；

步骤5：启动激光制作系统执行制作程序，计算机2将步骤4中规划的钎料凸点路径转为控制信号通过信号电缆5发送至激光器4、控制部件3及钎料投掷系统13；

步骤6：激光器4、控制部件3及料投掷系统13接收步骤5的控制信号后同步启动；激光器4发射的激光束6依次经过控制部件3控制的振镜单元、f-theta平场聚焦透镜7至加工平面上形成激光斑8，金属基板1升温，光路图如图1中虚线所示，移走激光束6后，钎料投掷系统13控制钎料投掷臂14将钎料投掷装置的颗粒钎料投掷至激光束6照射过的激光斑8区域，金属基板1的温度使得钎料熔化；由于激光束照射使得金属基板加热，基板温度高于钎料熔点，使得钎料熔化；具体包括以下步骤：

步骤61：激光器4、控制部件3及钎料投掷系统13通过信号电缆5同步接收步骤5的控制信号后同步启动；

步骤62：激光器4发射的激光束6照射到振镜单元中的X方向扫描振镜反射镜10及Y方向扫描振镜反射镜12，经X方向扫描振镜反射镜10及Y方向扫描振镜反射镜12的反射后穿过f-theta平场聚焦透镜7；

步骤63：控制部件3与步骤62同步分别控制X轴扫描振镜线圈9及Y轴扫描振镜线圈11，进而分别带动X方向扫描振镜反射镜10及Y方向扫描振镜反射镜12转动，使得激光束6经f-theta平场聚焦透镜7后聚焦至加工平面（即f-theta平场聚焦透镜的焦平面）上形成激光斑8，激光斑8所在区域的金属基板1升温；光路图如图1中虚线所示；

步骤64：计算机2控制激光器4移走激光束6后，钎料投掷系统13控制钎料投掷臂14将钎料投掷装置的颗粒钎料投掷至步骤63中照射过的激光斑8区域，金属基板1的温度使得钎料15熔化；金属基板1热量随即使得钎料15熔化。

步骤7：步骤6中金属基板热扩散降低钎料15熔化区域温度，使得熔化的钎料凝固，形成钎料凸点；制作程序控制激光器4、控制部件3及钎料投掷系统13按设定的路径制作钎料凸点直至制作程序结束运行，完成金属基板1所有钎料凸点的制作。

计算机2控制步骤64中激光束6从激光斑8移走的移走时间与颗粒钎料投掷至照射过的激光斑8区域的投掷时间；制作单个钎料凸点时，激光束移走的时间与将颗粒钎料投掷到基板的时间间隔小于1ms。本实施例中使用脉冲波形为方波的激光束，时间间隔的时序示意图如图2所示；激光束照射结束的1ms内将颗粒钎料投掷到基板上，避免时间间隔过长，基板温度下降，不能熔化颗粒钎料；同时避免在未移走激光束时就投掷钎料，将颗粒钎料提前熔化，形不成良好的凸点或形成的凸点位置不准确等导致的钎料凸点制作失败。

步骤1中的金属基板1为覆铜板；金属基板1的预处理为清洗、脱干，保证钎料凸点与金属基板1的冶金熔合具有更优的结合力。

步骤2中的钎料15为无铅钎料，避免了铅对人体的伤害；本实施例的无铅钎料为Sn-Ag-Cu，还可以为其它无铅钎料。本发明球形钎料的粒径可变，通过改变钎料15的粒径实现钎料凸点尺寸可控调整，根据使用需要更换不同粒径钎料凸点的制作，同时球形的钎料便于沿投掷臂14投掷至金属基板1上。

步骤3中所述的工艺参数包括激光器4的激光功率、激光斑8在加工平面的直径，所述的输出功为10-1000W，激光斑8在加工平面的直径为0.01-1mm，激光器4的激光功率可以依据钎料15的种类及粒径进行工艺参数的调整。

计算机2向激光器4、控制部件3及钎料投掷系统13发送的控制信号采用信号电缆5传输。

使用的激光器4为光纤激光器或者YAG激光器，本实施例使用光纤激光器，但不限于此激光器，还可以使用其他激光器，并依据不同种类的激光器进行激光工艺参数调整。

作为优选，本实施例的具体制作参数如下：

金属基板为尺寸10mm×10mm的覆铜板；采用平均输出功率为12w光纤激光器，波长1075微米；使用脉冲波形为方波的激光束，激光束6在焦平面的照射的激光斑8直径为30μm，激光束6在焦平面的扫描速度为1mm/s，激光束扫描39ms，激光束的脉冲频率为500 kHz；无铅钎料用Sn-Ag3.5-Cu0.7，熔点216℃。单次钎料凸点制作时；制作单个钎料凸点时，激光束移走的时间与将颗粒钎料投掷到基板的时间间隔为0.8μs，制作出的钎料凸点的直径为0.4mm。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光制作钎料凸点的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将预处理后的金属基板(1)置于激光制作系统的加工平面上；

步骤2：在钎料投掷装置中装入制作钎料凸点的颗粒钎料(15)；

步骤3：在计算机(2)上设置激光制作钎料凸点的各个工艺参数；

步骤4：将需要制作钎料凸点的位置信息输入计算机中，计算机(2)中编好的制作程序对应更新数据并通过输入的位置信息进行钎料凸点的路径规划；

步骤5：启动激光制作系统执行制作程序，计算机(2)将步骤4中规划的钎料凸点路径转为控制信号发送至激光器(4)、控制部件(3)及钎料投掷系统(13)；

步骤6：激光器(4)、控制部件(3)及钎料投掷系统(13)接收步骤5的控制信号后同步启动；激光器(4)发射的激光束(6)依次经过控制部件(3)控制的振镜单元、f-theta平场聚焦透镜(7)至加工平面上形成激光斑(8)，金属基板(1)升温；移走激光束(6)后，钎料投掷系统(13)控制钎料投掷臂(14)，将钎料投掷装置的颗粒钎料投掷至激光束照射过的激光斑(8)区域，金属基板(1)的温度使得钎料(15)熔化；

步骤7：步骤6中金属基板热扩散降低钎料(15)熔化区域温度，使得熔化的钎料凝固，形成钎料凸点；制作程序控制激光器(4)、控制部件(3)及钎料投掷系统(13)按设定的路径制作钎料凸点直至制作程序结束运行，完成金属基板(1)所有钎料凸点的制作。

2.根据权利要求1所述的一种激光制作钎料凸点的方法，其特征在于：所述的步骤2中钎料(15)为无铅颗粒状钎料。

3.根据权利要求2所述的一种激光制作钎料凸点的方法，其特征在于：所述的步骤1中金属基板(1)为覆铜板；金属基板(1)的预处理为清洗、脱干。

4.根据权利要求3所述的一种激光制作钎料凸点的方法，其特征在于：步骤1中所述的加工平面为激光制作系统中f-theta平场聚焦透镜(7)的焦平面。

5.根据权利要求4所述的一种激光制作钎料凸点的方法，其特征在于：步骤3中所述的工艺参数包括激光器(3)的激光功率、激光斑(8)在加工平面的直径，输出的激光功率为10-1000W，激光斑(8)在加工平面的直径为0.01-1mm。

6.根据权利要求5所述的一种激光制作钎料凸点的方法，其特征在于：所述步骤6具体包括以下步骤：

步骤61：激光器(4)、控制部件(3)及钎料投掷系统(13)接收步骤5的控制信号后同步启动；

步骤62：激光器(4)发射的激光束(6)照射到振镜单元中的X方向扫描振镜反射镜(10)及Y方向扫描振镜反射镜(12)，经X方向扫描振镜反射镜(10)及Y方向扫描振镜反射镜(12)的反射后穿过f-theta平场聚焦透镜(7)；

步骤63：控制部件(3)与步骤62同步分别控制X轴扫描振镜线圈(9)及Y轴扫描振镜线圈(11)，进而分别带动X方向扫描振镜反射镜(10)及Y方向扫描振镜反射镜(12)转动，使得激光束(6)经f-theta平场聚焦透镜(7)后聚焦至加工平面上形成激光斑(8)，激光斑(8)所在区域的金属基板(1)升温；

步骤64：计算机(2)控制激光器(4)移走激光束(6)后，钎料投掷系统(13)控制钎料投掷臂(14)，将钎料投掷装置的颗粒钎料投掷至步骤63中照射过的激光斑(8)区域，金属基板(1)的温度使得钎料(15)熔化。

7.根据权利要求6所述的一种激光制作钎料凸点的方法，其特征在于：计算机(2)向激光器(4)、控制部件(3)及钎料投掷系统(13)发送的控制信号采用信号电缆(5)传输。

8.根据权利要求7所述的一种激光制作钎料凸点的方法，其特征在于：所述的激光器(4)为光纤激光器或者YAG激光器。

9.根据权利要求8所述的一种激光制作钎料凸点的方法，其特征在于：所述的颗粒状钎料(15)为球形。

10.根据权利要求6所述的一种激光制作钎料凸点的方法，其特征在于：计算机(2)控制步骤64中激光束(6)从激光斑(8)移走的时间与颗粒钎料投掷至基板的时间；制作单个钎料凸点时，激光束移走的时间与将颗粒钎料投掷到基板的时间间隔小于1ms。