CN114210997B - 一种基于高精度3d打印的引线键合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于引线连接技术领域，公开了一种基于高精度3D打印的引线键合方法。该引线键合方法包括以下步骤：配置打印浆料；构建微电子器件与基板所需引线键合的三维模型，并导入3D打印设备中，设定3D打印工艺参数，包括打印路径；按照打印路径进行打印，打印浆料通过打印针头挤压形成引线，将引线进行固化即可；微电子器件与基板之间通过引线进行电气互连；打印的条件包括：挤压气压为20～40psi，打印针头的内径为5～15μm。本发明基于高精度3D打印技术，能够打印得到线径为5～15μm的引线，相邻引线之间的间距为1～5μm，从而实现更高精度，更高密集度引线的键合。
Description
技术领域
本发明属于引线连接技术领域，特别涉及一种基于高精度3D打印的引线键合方法。
背景技术
随着5G技术的发展，对先进封装技术的要求也不断发展变化，为了适应各种微型芯片和微型片式器件的小型化的发展趋势，对封装技术也提出了苛刻的要求。其中引线键合是微电子器件封装领域比较关键工艺之一，绝大部分微电子器件与基板之间的引线连接都采用引线键合技术。现阶段主要引线键合技术有：热压引线键合、超声引线键合、热压超声引线键合，其中热压超声键合是当前应用比较普遍的引线键合技术。一方面，微波多芯片组件中众多的片式元器件、芯片等都是通过导线与基板之间焊接而实现电气互联，然而这是一个涉及多温度梯度的复杂连过程。超声热压引线键合过程中会产生较高的温度，局部会产生超过200℃以上的高温，对MEMS(微机电系统)芯片以及片式元件的性能会产生不可逆的影响；另一方面，传统的引线键合设备所用的陶瓷劈刀最小内径为20μm左右，而且劈刀针尖头尺寸为60μm左右，所用的劈刀形式是将多个头集成到一起，多个劈刀头具有结构复杂、控制不稳定、占用空间太大，制得的引线最细线径为20μm左右，引线之间的间距为40μm左右，不适用于精度更高、更密集的引线键合。
发明内容
本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于高精度3D打印的引线键合方法，能够得到线径为5～15μm的引线，相邻引线之间的间距为1～5μm，从而实现更高精度和更高密度的引线作业。
本发明一方面在于提供一种基于高精度3D打印的引线键合方法，包括以下步骤：
配置打印浆料；
构建微电子器件与基板所需引线键合的三维模型，并导入高精度3D打印设备中，设定3D打印工艺参数，包括打印路径；
高精度3D打印设备按照所述打印路径进行打印，所述打印浆料经打印针头挤压形成引线，将所述引线进行固化即可；所述微电子器件与所述基板之间通过所述引线进行电气互连；
所述打印的条件包括：挤压气压为20～40psi，打印针头的内径为5～15μm。
与现有的热压超声引线键合技术相比，本发明基于现有的高精度3D打印技术，该3D打印设备的载物台音圈控制系统精度高，在x-y-z轴方向上的位移精度可达到微米级别，例如0.02μm、0.04μm等，相邻引线之间的间距可达到40μm以下，同时限定打印针头的内径，使得引线的线径能够达到更细的5～15μm，实现更高精度和更高密度的引线作业。挤压气压可通过机头增压系统进行控制。通过控制挤压气压，保证打印浆料被挤压形成引线具有良好的成型性。当挤压气压低于20psi，打印浆料被挤出后容易断线；当挤压气压高于40psi时，打印浆料存在较大的挤压应力，被挤出后会有明显的膨胀。本发明可通过改变x-y-z轴方向上的位移参数以及打印针头的内径，从而可以控制引线的线径和引线之间的间距；可以通过调节打印路径参数，实现球形键合和楔形键合的变换。
优选地，所述打印针头为毛细玻璃管；通过将常规的毛细玻璃管经过热拉丝方法制备，能够制得内径大于或等于5μm，玻璃管壁厚大于或等于0.5μm的毛细玻璃管。热拉丝方法包括以下步骤：
1.将毛细玻璃管(美国SUTTER型号BF100-50-10)装在拉丝设备上(日本NARISHIGEpc-100)；
2.根据需要调节相应参数，先加热毛细玻璃管，在重力作用下被拉伸；加热熔断被拉伸的玻璃丝；
3.根据电热丝热熔断原理，使用切针设备(日本NARISHIGE MF2)对针头进行切断即可。
优选地，所述引线的线径为5～15μm；相邻所述引线之间的间距为1～5μm。
优选地，所述导电浆料的固含量为90～95％。通过配置高固含量的可用于3D打印的打印浆料，粘度高，且具有一定的流动性，打印扩散小。一方面高固含量的打印浆料可以提高引线的电阻率；另一方面，高固含量的打印浆料通过挤压方式成型，具有较高的密实度。本发明可以实现跳线打印，无需支撑介质。
优选地，所述引线的电阻率为5×10-6～6×10-6Ω·cm。
优选地，所述打印浆料为导电银浆，所述导电银浆的制备方法，包括以下步骤：
将粘结剂、表面活性剂、银盐溶液混合，得到混合液；
将还原剂加入所述混合液中，反应，收集沉淀物；
将水加入所述沉淀物中，搅拌分散，过筛，浓缩，得到所述导电银浆。
可以理解的是，本发明选用的导电银浆还可以选用其他的导电材料进行替换，例如纳米金、纳米铜、纳米银包铜或纳米银包碳。通过添加粘结剂，可以进一步提高引线与微电子器件、基板之间的粘接强度。没有添加粘结剂，引线与微电子器件、基板之间的粘接强度小于1N/mm，引线容易断开连接。
优选地，所述粘结剂包括聚丙烯酸、有机硅树脂、环氧树脂中的一种。
优选地，所述表面活性剂包括二乙醇胺、乙醇胺、三乙醇胺中的一种。
优选地，所述银盐溶液包括硝酸银溶液、醋酸银溶液、硫酸银溶液中的一种。
优选地，所述还原剂包括乙醇、葡萄糖、丙三醇中的一种。
优选地，所述固化的具体过程包括：在150～160℃的烘箱中进行烘烤10～30min。相比传统的热压超声引线键合技术的200℃以上高温，本发明在150～160℃即可实现引线连接，可极大地减小对微电子器件性能的影响。
优选地，固化后，所述引线与所述微电子器件、所述基板之间的粘接强度为10～30N/mm。
优选地，所述构建微电子器件与基板所需引线键合的三维模型包括采用视觉定位方法或机械定位方法进行构建三维模型。
本发明的另一方面在于提供一种电子器件，所述电子器件采用包括本发明所述的引线键合方法制备而成。
相对于现有技术，本发明的有益效果以下：
1.本发明基于高精度3D打印技术，通过调整挤压气压为20～40psi，打印针头的内径为5～15μm，能够打印得到线径为5～15μm的引线，相邻引线之间的间距为1～5μm，从而实现更高精度，更高密集度引线的键合。
2.本发明整个制备过程不会产生200℃以上的高温，可极大地减小对微电子器件性能的影响。
附图说明
图1是本发明实施例1引线打印的结构示意图；
图2是本发明实施例2引线打印的结构示意图。
图中，100-基板，200-焊点，300-打印针头，400-引线，500-障碍物。
具体实施方式
为了让本领域技术人员更加清楚明白本发明所述技术方案，现列举以下实施例进行说明。需要指出的是，以下实施例对本发明要求的保护范围不构成限制作用。
以下实施例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有已知方法得到。
实施例1
参照图1，本实施例是对具有阶梯状结构的引线打印。
一种基于高精度3D打印的引线键合方法，包括以下步骤：
将4g平均分子质量(M w)为5000g/mol，50wt％的聚丙烯酸溶液、2g平均分子质量(M w)为50000g/mol，25wt％的聚丙烯酸溶液和80g二乙醇胺溶于100m L去离子水中，并搅拌2h；加入1g/mL的硝酸银溶液，室温(约25℃)下搅拌24h，并于60℃的水浴中超声2h；以10mL/min的速率滴定200mL无水乙醇后静置，弃去上清液后，于转速9000r/min下离心10min，往沉淀物中加入30mL去离子水重新分散并以转速为2000r/min搅拌2min，得到导电银浆；使用500目的筛网对导电银浆进行过滤，收集沉淀物，再添加乙二醇和水进行搅拌，真空浓缩，得到固含量为92％的导电银浆；
通过视觉扫描系统，对包括微电子器件与基板100的结构进行扫描、定位计算，构建微电子器件与基板100所需引线键合的三维模型，通过图像处理和模拟生成引线打印的路径，并导入高精度3D打印设备中，设定3D打印工艺参数，按照引线打印路径进行打印，打印浆料经打印针头300(内径为10μm)挤压出形成细丝，挤压的气压为30psi，该细丝即作为引线400，引线400的两端分别与微电子器件、基板100上的焊点200连接，微电子器件与基板100之间通过引线400进行电气互连，打印完成后，将整个产品置于155℃的烘箱中进行烘烤20min，即可完成引线400的键合。
本实施例得到的引线的线径为10μm，引线之间的间距为1μm，引线的电阻率为5.6×10-6Ω·cm，引线与微电子器件、基板之间的粘接强度为20N/mm。
实施例2
参照图2，本实施例是对具有障碍物结构的引线打印。
一种基于高精度3D打印的引线键合方法，包括以下步骤：
将4g平均分子质量(M w)为5000g/mol，50wt％的聚丙烯酸溶液、2g平均分子质量(M w)为50000g/mol，25wt％的聚丙烯酸溶液和80g二乙醇胺溶于100m L去离子水中，并搅拌2h；加入1g/mL的硝酸银溶液，室温(约25℃)下搅拌24h，并于60℃的水浴中超声2h；以10mL/min的速率滴定200mL无水乙醇后静置，弃去上清液后，于转速9000r/min下离心10min，往沉淀物中加入30mL去离子水重新分散并以转速为2000r/min搅拌2min，得到导电银浆；使用500目的筛网对导电银浆进行过滤，收集沉淀物，再添加乙二醇和水进行搅拌，真空浓缩，得到固含量为95％的导电银浆；
通过视觉扫描系统，对包括微电子器件、基板100与障碍物500的结构进行扫描、定位计算，构建所需引线键合的三维模型，通过图像处理和模拟生成引线打印的路径，并导入高精度3D打印设备中，设定3D打印工艺参数，按照引线打印路径进行打印，打印浆料经打印针头300(内径为5μm)挤压出形成细丝，挤压的气压为20psi，该细丝即作为引线400，引线400可跨越障碍物500，与焊点200连接，微电子器件与基板100之间通过引线400进行电气互连，打印完成后，将整个产品置于150℃的烘箱中进行烘烤10min，即可完成引线400的键合。
本实施例得到的引线的线径为5μm，引线之间的间距为3μm，引线的电阻率为6×10-6Ω·cm，引线与微电子器件、基板之间的粘接强度为10N/mm。
实施例3
一种基于高精度3D打印的引线键合方法，包括以下步骤：
将4g平均分子质量(M w)为5000g/mol，50wt％的聚丙烯酸溶液、2g平均分子质量(M w)为50000g/mol，25wt％的聚丙烯酸溶液和80g二乙醇胺溶于100m L去离子水中，并搅拌2h；加入1g/mL的硝酸银溶液，室温(约25℃)下搅拌24h，并于60℃的水浴中超声2h；以10mL/min的速率滴定200mL无水乙醇后静置，弃去上清液后，于转速9000r/min下离心10min，往沉淀物中加入30mL去离子水重新分散并以转速为2000r/min搅拌2min，得到导电银浆；使用500目的筛网对导电银浆进行过滤，收集沉淀物，再添加乙二醇和水进行搅拌，真空浓缩，得到固含量为90％的导电银浆；
通过视觉扫描系统，对包括微电子器件与基板100进行扫描、定位计算，构建所需引线键合的三维模型，通过图像处理和模拟生成引线打印的路径，并导入高精度3D打印设备中，设定3D打印工艺参数，按照引线打印路径进行打印，打印浆料经打印针头300(内径为15μm)挤压出形成细丝，挤压的气压为40psi，该细丝即作为引线400，引线400的两端连接于焊点200，微电子器件与基板100之间通过引线400进行电气互连，打印完成后，将整个产品置于160℃的烘箱中进行烘烤30min，即可完成引线400的键合。
本实施例得到的引线的线径为15μm，引线之间的间距为5μm，引线的电阻率为5×10-6Ω·cm，引线与微电子器件、基板之间的粘接强度为30N/mm。
对比例1
与实施例1的区别在于，对比例1的挤压气压为19psi，其他条件和实施例1相同。对比例1制得的产品不合格，部分引线会从中部或其他位点断开。
对比例2
与实施例1的区别在于，对比例2的挤压气压为41psi，其他条件和实施例1相同。对比例2制得的产品不合格，部分引线会膨胀，比预先设定的线径更粗，在预先设定的间距下容易堆叠在一起。
从上述实施例1、对比例1和对比例2的产品可以看出，本发明只有通过控制挤压气压在20～40psi的范围内，才能保证引线的成型性。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (4)
1.一种引线键合方法，其特征在于，包括以下步骤：
配置打印浆料；
构建微电子器件与基板所需引线键合的三维模型，并导入3D打印设备中，设定3D打印工艺参数，包括打印路径；
按照所述打印路径进行打印，所述打印浆料通过打印针头挤压形成引线，将所述引线进行固化即可；所述微电子器件与所述基板之间通过所述引线进行电气互连；所述引线键合方法可以实现跳线打印，无需支撑介质；
所述打印的条件包括：挤压气压为30psi，打印针头的内径为5～15μm；
所述打印浆料的固含量为90～95％；
固化后，所述引线与所述微电子器件、所述基板之间的粘接强度为10～30N/mm；
所述固化的具体过程包括：在150～160℃的烘箱中进行烘烤10～30min；
所述打印浆料为导电银浆，所述导电银浆的制备方法，包括以下步骤：
将粘结剂、表面活性剂、银盐溶液混合，得到混合液；
将还原剂加入所述混合液中，反应，收集沉淀物；
将水加入所述沉淀物中，搅拌分散，过筛，浓缩，得到所述导电银浆；
所述粘结剂选自聚丙烯酸、有机硅树脂、环氧树脂中的一种；所述表面活性剂选自二乙醇胺、乙醇胺、三乙醇胺中的一种；所述银盐溶液选自硝酸银溶液、醋酸银溶液、硫酸银溶液中的一种；所述还原剂选自乙醇、葡萄糖、丙三醇中的一种。
2.根据权利要求1所述的引线键合方法，其特征在于，所述引线的线径为5～15μm；相邻所述引线之间的间距为1～5μm。
3.根据权利要求1所述的引线键合方法，其特征在于，所述引线的电阻率为5×10-6～6×10-6Ω·cm。
4.一种电子器件，其特征在于，采用包括权利要求1-3任一项所述的引线键合方法制备而成。
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