TW202146255A - 高解析度焊接 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種用於電路製造之方法，其包含界定待形成於一受體基板上之一目標位置處之一焊料凸塊，該焊料凸塊包含一指定焊料材料且具有一指定凸塊體積。定位具有包含該指定焊料材料之一供體膜之一透明供體基板，使得該供體膜接近該受體基板上之該目標位置。雷射輻射之一脈衝序列經引導穿過該供體基板之該第一表面並照射在該供體膜上，以便誘導自該供體膜噴射該焊料材料之數個熔融液滴至該受體基板上之該目標位置上，使得沈積在該目標位置處之該等液滴累積達成該指定凸塊體積。加熱該目標位置，使該等沈積液滴熔融並回流以形成該焊料凸塊。

Description

高解析度焊接
本發明大體上係關於電子裝置之製造，且特定言之係關於用於焊接之方法及系統。
在雷射直寫(LDW)技術中，一雷射光束用於藉由受控材料燒蝕或沈積來產生具有空間解析之三維結構之一圖案化表面。雷射誘導之正向轉移(LIFT)係一種LDW技術，其可用於在一表面上沈積微圖案。
在LIFT中，雷射光子提供驅動力以將小體積材料自一供體膜射向一受體基板。典型而言，雷射光束與供體膜之內側相互作用，該供體膜之內側經塗覆至一非吸收性載體基底上。換言之，入射雷射光束在光子由膜之內表面吸收之前傳播通過透明載體基板。超過某一能量臨限值，材料自供體膜朝向受體基板之表面噴射。在適當選擇供體膜及雷射光束脈衝參數之後，雷射脈衝使供體材料之熔融液滴自膜噴出，且接著降落並硬化至受體基板上。
LIFT系統特別(儘管不排他)可用於印刷導電金屬滴及跡線用於電子電路製造。例如，在美國專利9,925,797中描述此一LIFT系統，該專利之揭示內容以引用的方式併入本文中。此專利描述一種印刷設備，其包含一供體供應總成，其經組態以提供具有相對第一及第二表面及形成在第二表面上之一供體膜之一透明供體基板，以將供體膜定位在一受體基板上之一目標區域附近。一光學總成經組態以以一預定空間圖案同時引導多個雷射輻射之輸出光束穿過供體基板之第一表面並照射在供體膜上，以便誘導材料自供體膜噴射至受體基板上，藉此將預定圖案書寫至受體基板之目標區域上。
下文所描述之本發明之實施例提供用於製造電路及裝置之改良方法及系統。
因此，根據本發明之一實施例，提供一種用於電路製造之方法，其包含：界定待形成於一受體基板上之一目標位置處之一焊料凸塊，該焊料凸塊包含一指定焊料材料且具有一指定凸塊體積。將具有相對第一及第二表面之一透明供體基板及包含該指定焊料材料之一供體膜定位於該第二表面上，使得該供體膜接近該受體基板上之該目標位置。引導雷射輻射之一脈衝序列穿過該供體基板之該第一表面並照射在該供體膜上，以便誘導自該供體膜噴射該焊料材料之數個熔融液滴至該受體基板上之該目標位置上，使得沈積在該目標位置處之該等液滴累積達成該指定凸塊體積。加熱該目標位置，使得該等沈積液滴熔融並回流以形成該焊料凸塊。
通常，該等液滴具有取決於該雷射輻射之該等脈衝之一強度之各別液滴體積，且引導該等脈衝之該序列包含回應於該指定凸塊之體積而設定雷射輻射之該等脈衝之該強度及該序列中之該等脈衝之數目。在一所揭示實施例中，該等液滴體積進一步取決於一組脈衝參數，該組脈衝參數包括該雷射輻射之該等脈衝之一光點大小及持續時間，且其中引導該等脈衝之該序列進一步包含藉由改變該等脈衝參數之一或多者來調整該等液滴體積。
在一些實施例中，界定該焊料凸塊包含：在相同受體基板上之不同、各別第一及第二目標位置處，界定具有不同、各別第一及第二凸塊體積之第一及第二焊料凸塊，且引導該脈衝序列包含引導該等脈衝之不同、第一及第二序列通過該供體基板上之不同點，使得該等液滴在該等各別第一及第二目標位置處累積地達成該等不同第一及第二凸塊體積之各者。在一個實施例中，界定該第一焊料凸塊及該第二焊料凸塊包含指定該第一焊料凸塊及該第二焊料凸塊之不同、各別第一及第二組合物，且定位該透明供體基板包含提供包含經選擇以便產生該第一組合物及該第二組合物之複數個不同焊料材料之一或多個供體膜。
另外或替代地，界定該焊料凸塊包含界定具有不同、各別第一及第二組合物之第一焊料凸塊及第二焊料凸塊，且定位該透明供體基板包含提供包含複數個不同焊料材料以產生該第一組合物及該第二組合物之一或多個供體膜。
進一步額外或替代地，界定該焊料凸塊包含指定該焊料凸塊之一組合物，該組合物包含不同、第一及第二材料，且定位該透明供體基板包含提供分別包含該第一材料及該第二材料之第一供體膜及第二供體膜，且引導該脈衝序列包含引導該等脈衝之第一序列及第二序列分別照射在該第一供體膜及該第二供體膜上，使得沈積在該目標位置處之該等液滴累積地達成該指定組合物。在一個實施例中，指定該組合物包含指定該焊料凸塊之該組合物中之該等材料之一梯度，且引導該等脈衝之該第一序列及該第二序列包含根據該指定梯度將該第一材料及該第二材料之該等液滴沈積在該目標位置上之多個層中。
在一些實施例中，引導該等脈衝之該序列包含將該等液滴沈積在該目標位置上之多層中，以便達成該指定凸塊體積。在一所揭示實施例中，加熱該目標位置包含多次交替地沈積液滴之一層且加熱該層以熔融該等液滴，直至達成該指定凸塊體積為止。
另外或替代地，界定該焊料凸塊包含指定該焊料凸塊之一形狀，且引導該等脈衝之該序列包含以符合該指定形狀之一圖案沈積該等熔融液滴。
在進一步實施例中，加熱該目標位置包含引導一雷射光束以充分能量照射該目標位置以使該等所沈積液滴熔融並回流。通常，引導該雷射光束包含將一或多個雷射脈衝聚焦至該目標位置上。
在一些實施例中，該方法包含使用雷射誘導之正向轉移(LIFT)之一程序在該受體基板上之該目標位置處印刷一導電襯墊，其中引導該等脈衝之該序列包含沈積該焊料材料在該經印刷導電襯墊上之該等熔融液滴。在一所揭示實施例中，印刷該導電襯墊包含在該導電襯墊中形成一凹面用於在該凹面中沈積該等熔融液滴。
根據本發明之一實施例，亦提供一種用於電路製造之系統，其包含一控制器，該控制器經組態以接收待形成於一受體基板上之一目標位置處之一焊料凸塊之一界定，該焊料凸塊包含一指定焊料材料且具有一指定凸塊體積。一印刷站包含一透明供體基板，該透明供體基板具有相對第一及第二表面且具有包含安置於該第二表面上之該指定焊料材料之一供體膜，且該透明供體基板經定位使得該供體膜接近該受體基板上之該目標位置。一雷射經組態以引導雷射輻射之一脈衝序列穿過該供體基板之該第一表面並照射在該供體膜上以誘發該焊料材料之熔融液滴自該供體膜噴射至該受體基板上之該目標位置上。該控制器經組態以驅動該印刷站朝向該目標位置噴射數個液滴，使得沈積在該目標位置處之該等液滴累積地達成該指定凸塊體積。一回流站經組態以加熱該目標位置，使得該沈積液滴熔融並回流以形成該焊料凸塊。
根據本發明之一實施例，額外提供一種用於電路製造之方法，其包含：將一或多個目標位置處之一焊料材料沈積於一電路基板上；及用充分能量將一雷射束之一或多個脈衝聚焦至該等目標位置之各者上以使該等沈積液滴熔融並回流以便形成焊料凸塊。
在一所揭示實施例中，沈積該焊料材料包含朝向該一或多個目標位置噴射該焊料材料之熔融液滴。
在一些實施例中，該等脈衝具有不大於1 ms，且可行地不小於100 μs之一脈衝持續時間。
額外或替代地，該等脈衝具有不大於2 mJ之一脈衝能量。
額外或替代地，該等脈衝具有不大於3 mJ之一脈衝能量。在一所揭示實施例中，聚焦該一或多個脈衝包含將該雷射束之一單一、各別脈衝聚焦至該等目標位置之各者上。
將自本發明之實施例之以下[實施方式]連同附圖更全面理解本發明，其中：
概述
在本技術中已知之電子電路製造方法中，將電跡線及接觸襯墊印刷在一電路基板上，且藉由光微影法將一焊料層印刷至接觸襯墊上。接著將電路組件放置在焊料覆蓋之襯墊上，且對電路進行加熱以使焊料熔融並回流，因此在組件與襯墊之間產生導電接合。在此習知方法中，藉由光微影遮罩及焊料沈積程序來固定各接觸襯墊上之襯墊位置及大小以及焊料材料之體積。
本發明之實施例提供一種基於LIFT之焊料沈積方法，其能夠根據需要產生實質上任何所需大小及形狀且包括實質上任何合適之焊料材料或材料之一組合之焊料凸塊。此基於LIFT之方法能夠在相同程序步驟中在相同基板上產生具有不同體積、形狀及大小，且甚至包括不同焊料材料及焊料材料之組合之多個凸塊。可藉由設定LIFT參數、供體膜材料及在各目標位置處沈積之液滴數目來精確控制焊料凸塊之體積及組合物，甚至包含不均勻組合物。此外，與習知方法相反，本方法能夠在不均勻基板上以及已放置組件之基板上印刷焊料凸塊。因此，所揭示之實施例比先前技術中已知之技術在電路製造中提供更大可撓性及精度。
在下文描述之實施例中，鑑於一指定焊料材料及凸塊體積及待在一受體基板上形成凸塊之一目標位置來界定一焊料凸塊。定位一透明供體基板，該供體基板在其表面之一者上具有包括指定焊料材料之一供體膜，其中供體膜位於受體基板上之目標位置附近。(為方便起見，供體基板靠近受體基板之表面在本文中指稱下表面，而供體基板之相對表面指稱上表面。)一雷射引導雷射輻射之一序列脈衝穿過供體基板之上表面並照射在供體膜上以便誘導許多焊料材料之熔融液滴自供體膜噴射至受體基板上之目標位置上。
選擇雷射脈衝參數及序列中之脈衝數目，使得沈積在目標位置處之液滴累積達成指定凸塊體積。為了控制液滴體積而可改變之脈衝參數包含脈衝強度，即入射於供體膜上之每單位面積之光功率，以及光點大小及脈衝持續時間。可取決於供體膜中焊料材料之類型及厚度來調整此等參數以給予數量級為0.1 pl (皮升)，即100 μm3 或更小之一致液滴體積，並確保液滴之噴射自供體膜以高速度精確定位朝向目標位置。因此，藉由適當選擇脈衝參數及液滴數目，可印刷直徑小至約20 μm之精確大小之焊料凸塊。根據本發明之實施例之程序可用於將各種焊料材料(包含低溫、中溫及高溫焊料)印刷至各種基板上，且亦促進無助焊劑之焊接。
在受體基板上沈積一或多層液滴之後，加熱目標位置，使得沈積液滴熔融並回流以形成焊料凸塊。有利地，(例如)藉由雷射照射局部執行加熱，以驅動快速回流並最小化對基板之損壞。此階段中使用之雷射脈衝可狹窄地聚焦在焊料凸塊上，且雷射脈衝之持續時間需要不超過約一毫秒且在大多數情況下，需要不到100微秒，例如幾十微秒(對小焊料凸塊或甚至更少)。因此，此雷射驅動之回流技術可在環境空氣中執行且適用於熱敏性基板。其特別適合與上述基於LIFT之焊料印刷技術結合使用；但亦可將其應用於已藉由其他方法(諸如噴墨式焊料印刷及光微影技術)沈積之回流焊料材料。然而，替代地，回流階段可藉由(例如)在一高溫爐中加熱整個受體基板來執行。在形成焊料凸塊之後，可藉由習知方法將電路組件放置在凸塊上並焊接在適當位置。 系統描述
圖1係根據本發明之一實施例之用於電子電路製造之一系統20之示意性圖示。系統20包括一印刷站22，印刷站22接收待形成於一受體基板34上之目標位置處之焊料凸塊60之一界定，該焊料凸塊60包括指定焊料材料且具有指定凸塊體積。印刷站將所需焊料材料之數個液滴32沈積在各目標位置處，使得液滴累積達成指定凸塊體積。一回流站24加熱目標位置，使得沈積液滴32熔融並回流以形成焊料凸塊60。如圖1中所展示，此加熱程序可局部地集中於凸塊位置上，或取決於焊料材料及基板之性質及其他應用要求可在整個基板34上全域執行。
通常，在形成焊料凸塊60之後，如本技術中已知，一放置站26 (例如)使用一拾取及放置機器62將組件64放置於焊料凸塊上。接著，在一最終回流站28中之一熱源66加熱焊料凸塊以便在組件與基板34之間形成永久性接合68。熱源66可使用(例如)一雷射應用局部加熱，或其可包括一回流烤箱或本技術中已知之任何其他合適類型之加熱器。接合68通常在組件64與基板34上之導電跡線之間形成電連接及機械連接兩者。替代地或另外，焊料凸塊60可經配置以形成具有一矩形、圓形或其他形狀之一框架，以便在組件64之邊緣周圍產生一機械密封。此種密封可用於(例如)敏感裝置(諸如微機電系統(MEMS)裝置)之氣密包裝。
參考回至印刷站22，印刷站中之一光學總成30包括一雷射38，其在一控制器51之控制下將短光輻射脈衝以1 ns之量級之脈衝持續時間引導朝向一供體箔片44。(如本說明書及申請專利範圍之上下文中所使用，術語「光學輻射」係指在可見、紫外及紅外範圍之任何者內之電磁輻射；而「雷射輻射」係指由一雷射發射之光學輻射。)控制器51通常包括一通用電腦或專用微控制器，該通用電腦或專用微控制器具有至系統20之其他元件之合適介面且以軟體驅動以執行本文中所描述之功能。供體箔片44通常包括一透明供體基板46之一薄、可撓性片，其在受體基板34附近之一側上塗覆有包括一或若干指定焊料材料之一供體膜48。替代地，供體基底可包括一剛性或半剛性材料。受體基板34可包括任何合適材料，諸如玻璃、陶瓷或聚合物，以及其他介電質、半導體或甚至導電材料。
光學總成30包括一光束偏轉器40及聚焦光學器件42，其引導來自雷射38之輻射之一或多個輸出光束穿過供體基板46之上表面且因此在由控制器51判定之一空間圖案之後照射在下表面上之供體膜48上。在一實例實施例中，光束偏轉器40包括一聲光調變器，如上文所提及之美國專利案9,925,797之圖2A或圖2B中所展示且在此專利之行7至8中所描述。雷射通常受控以輸出一合適波長、持續時間及能量之一脈衝串，以便誘導焊料材料之熔融液滴50自供體膜48噴射至受體基板34上之指定目標位置上。因為液滴50係自供體膜48在垂直於供體基板46之一方向上噴射並以高速噴射，所以供體箔片44可定位成與受體基板34一小距離，例如，在供體膜48與受體基板34之間的達約約0.5 mm之一間隔，而非與受體基板接觸。由於液滴50之高速噴射(通常為10 m/sec或更大)，液滴之飛行時間小於液滴固化所花費之時間，且印刷站22可在周圍大氣條件下操作，而非在真空下。
供體膜48可包括實質上任何合適類型之焊料或焊料材料之組合，包含低溫、中溫及高溫焊料。低溫及中溫焊料包含(例如)錫鉛及錫銀銅(SAC)合金。製造高功率電子裝置中最常用之高溫焊料包含銀(通常為45%至90%)與其他金屬(諸如銅、鋅、錫及鎘)之合金，且通常在700˚C至950˚C之範圍內之溫度熔融。膜48之厚度及組成以及光學總成30之脈衝參數取決於焊料材料之選擇進行調整，以便使焊料材料之熔融液滴50朝向受體基板34上之目標位置穩定噴射。
在一些實施例中，可使用多層及結構化供體膜48以便沈積混合組合物之液滴32。例如，供體箔片44可包括多層供體膜，其包括不同、各別焊料組合物，以便產生含有不同材料之大量混合物之熔融液滴50。在(例如)美國專利10,629,442中描述此種多組合LIFT方案，該案以引用的方式併入本文中。
替代地或另外，供體箔片44可包括供體膜48，該供體膜48在供體箔片上之不同位置處包括不同材料。光學總成30引導雷射脈衝序列分別照射在不同供體位置上，使得沈積在一給定目標位置上之不同材料之液滴32累積達成一指定體積及組成。在下文中參考圖4A/圖4B進一步描述此種混合組合方案。
控制器51調整雷射38之脈衝參數及光學總成30之掃描及聚焦參數，以便將所需體積之適當數目個液滴32沈積至各目標位置處，在該目標位置處將在受體基板34上形成一焊料凸塊。如早前所解釋，控制器51設定雷射脈衝參數及焊料材料之熔融液滴數目，使得沈積在各目標位置處之液滴累積達成該位置處之指定凸塊體積。由於可藉由調整雷射脈衝參數來改變液滴體積，因此可藉由沈積較少數目個較大體積之液滴或較大數目個較小體積之液滴來產生一給定凸塊體積。供體膜之厚度38亦對液滴大小有貢獻。然而，鑑於實際液滴體積之固有公差，依賴於大量統計數據，並使用較大數目個較小液滴而非少量較大液滴可為有利的，特別係當處理非常小凸塊時。
印刷站22亦包括一定位總成，其可包括(例如)在其上安裝受體基板34之一X-Y平台36。平台36在印刷站22中相對於光學總成30及供體箔片44移位受體基板34，以便將液滴32沈積在跨受體基板之表面上之不同目標位置處。另外或替代地，定位總成可包括使光學總成30以及供體膜44 (若合適)在受體基板之表面上方移位之運動組件(未展示)。
回流站24包括一光學總成52，其引導一輻射束以便局部熔融液滴32，因此導致液滴聚結成焊料凸塊60。此種局部加熱特別有利於避免損壞敏感受體基板34。在所繪圖實例中之光學總成52包括一雷射54連同一光束偏轉器56及聚焦光學器件58，其引導雷射輻射以充分能量照射目標位置以使沈積液滴熔融並回流至焊料凸塊60中。回流站24亦包括一定位總成，其可基於相同於在印刷站22中之台階36，或一不同台階或其他運動裝置。
控制器51調整雷射54之脈衝參數及光學總成52之掃描及聚焦參數，以便施加充分能量來熔融及回流各焊料凸塊60，同時避免損壞基板34。選擇脈衝持續時間及能量，使得各凸塊底部處之焊料材料完全熔融，而不會蒸發凸塊頂部處之焊料材料。所需實際功率及脈衝持續時間取決於焊料材料之熔融溫度及熱導率。為此，通常優選短雷射脈衝，因為其等使焊料材料熔融之時間最小化，且因此使氧化最小化並避免損壞基板34。因此，回流站24能夠在周圍大氣條件下工作。短而高功率雷射脈沖在實現無助回流及支持高溫焊料材料之使用方面特別有利。聚焦在各焊料凸塊之位置上之此種一單一雷射脈衝通常足以達成小焊料凸塊之完全回流，然可替代地使用多個脈衝，特別係對於較大焊料凸塊。與本技術中已知之熱回流方法相比，所得快速局部回流程序亦有利於減少焊料凸塊與接觸襯墊之間的金屬間化合物之形成，且因此產生一更強焊料接合。
對於由一厚度為20 μm至30 μm之錫基焊料之一堆液滴32製成之小焊料凸塊，例如，具有大致10 W之一光學功率及50 μs至100 μs之持續時間之一雷射脈衝通常足以達成完全回流，同時避免大量熱量擴散至基板。各情況下可選擇最佳雷射波長、脈衝功率、持續時間及焦距，以匹配焊料材料之吸收光譜、體積及熱性質。對於小至中等大小之焊料凸塊，脈衝能量需要不大於約2 mJ。可基於經驗及/或基於熱及流體動力學模擬來判定最佳雷射參數，例如使用本技術中已知之有限元分析工具。
在以下實例中，回流站中24之雷射54可為以1064 nm運作之一高功率CW Nd:YAG雷射。替代地，雷射54可為二極體泵浦光纖雷射，例如976 nm至1075 nm範圍內之連續波光纖雷射及數十瓦之功率(例如可自IPG獲得)。替代地，雷射54可為一高功率二極體雷射模組，例如由BTW製造之二極體雷射模組。熟習此項技術者將在閱讀本說明書之後明白其他類型之雷射。
在一實例實施例中，印刷站22使用一錫基焊料印刷凸塊。為使具有約40 pl之一體積之凸塊(對應於約50 μm之一凸塊直徑)回流，將雷射54設定為輸出具有約0.45 mJ至1.6 mJ之一脈衝能量及50 μs至150 μs之持續時間之脈衝。光學總成52將光束聚焦至焊料凸點上之約35 μm至50 μm之一光點大小。另一方面，對於(例如)具有約15 pl (對應於約25 μm之一直徑)之一體積之較小凸塊，將回流站24中之雷射54設定為輸出聚焦在焊料凸點上之約15 μm至25 μm之一光點大小的具有約0.2 mJ至0.45 mJ之一脈衝能量及10μs至30 μs之持續時間之脈衝。
在另一實例中，具有約85 pl之一體積之回流凸塊(對應於約100 μm之一凸塊直徑)，將雷射54設定為輸出具有約1 mJ至3 mJ之一脈衝能量及50 μs至150 μs之持續時間之脈衝。光學總成52將光束聚焦至焊料凸塊上之約50 μm至100 μm之一光點大小。
熟習此項技術者在閱讀本說明書之後將明白雷射驅動之回流參數之替代選擇。
在一個實施例中，印刷站22及回流站24組合成一單一操作單元，具為LIFT及回流程序兩者提供雷射輻射之一光學總成。只要雷射源能夠提供LIFT及回流所需之不同範圍之脈衝能量及持續時間，即可為兩個目的使用相同雷射源。替代地，組合站可包含兩個或兩個以上不同雷射源，具有一共用定位總成及可行共用光學器件。 焊料凸塊之形成
現參考圖2A/圖2B，其等示意性地繪示根據本發明之一實施例之在一印刷電路基板70上形成焊料凸塊之一程序。圖2A係基板70之一前視圖，例如在印刷站22 (圖1)中，已藉由一LIFT程序在其上沈積焊料之液滴32，而圖2B係焊料之回流之後之基板70之一示意性前視圖。此實施例繪示本文中所描述之技術在定義及生產焊料凸塊中之用途，該等焊料凸塊在相同受體基板(即，本實例中之基板70)上之不同目標位置處具有不同、各別凸塊體積、形狀及/或焊料材料之組成。
如圖2A中所展示，在基板70上沈積焊料凸塊之前，在基板上形成電子跡線73及不同大小及形狀之各種接觸襯墊72、75、77。如本技術中已知，此等襯墊及跡線可使用一光微影程序印刷在基板70上，或其等可替代地直接書寫至基板70上，例如使用一LIFT程序。接觸襯墊之LIFT印刷可有利於增強焊料材料對接觸襯墊之黏著性，如在下文中參考圖5A/圖5B進一步解釋。控制器51經程式化以指定將在不同焊料襯墊上產生之不同焊料凸塊體積。控制器驅動光學總成30以引導不同雷射脈衝序列穿過供體基板上之不同點，使得沈積液滴32累積地達成各個襯墊上之指定凸塊體積。因此，例如，僅一單一液滴32或少量液滴沈積在襯墊72之各者上，而較大液滴集合74沈積在襯墊75上。當需要非常精細接觸時，如襯墊72之情況，亦可將液滴直接沈積至跡線73上之目標位置上，而無需專用接觸襯墊，且因此將組件直接焊接至跡線。
如早前所提及，藉由適當選擇及組態供體膜48，可控制印刷站22以將焊料材料之不同、各別組成印刷至不同接觸襯墊上。例如，印刷站22可將適於纖細接觸之一低溫焊料印刷至襯墊72上，而將一高溫焊料印刷至襯墊75上，襯墊75經設計成在電路之操作中在基板70上承載更高工作電流。光學總成30將雷射脈衝引導穿過供體基板46上之適當點以便將適當組成之焊料材料沈積至接觸襯墊或位置之各者上。
控制器51可另外經程式化以指定不同形狀之焊料凸塊，包含非圓形形狀，諸如由接觸襯墊77界定之細長形狀。控制器51接著驅動光學總成30以引導雷射脈衝序列穿過供體基板，使得液滴32以符合指定形狀之一圖案沈積在各接觸襯墊上。因此，液滴之細長集合76沈積在接觸襯墊77上。焊料接觸可依此方式以實質上任何所需形狀印刷，例如包含環形及成角度形狀。
在沈積液滴32之後，加熱基板70，使液滴熔融並回流，因此聚結成焊料凸塊82、84、86，如圖2B中所展示。在此階段，液滴之趨勢係聚結成球形，其使表面能最小化。為了使此趨勢最小化，特別係在產生非圓形之焊料凸塊時，回流站24可採用短而強之雷射脈衝以局部熔融焊料凸塊。如上文所解釋。可調整回流站24中之雷射脈衝參數及照射圖案以便達成所需形狀特性。
圖3A、圖3B、圖3C及圖3D係根據本發明之另一實施例之一電路基板之示意性截面圖，其等展示在基板70上之一焊料凸塊94之沈積及回流之一程序中之連續階段。此實施例解決尤其在大焊料凸塊中可能出現之一回流問題：當在一單一階段中執行沈積程序時，可需要高能量之一雷射脈衝以熔融焊料凸塊底部處之液滴32。高脈衝能量增加損壞焊料凸塊周圍之基板之風險。另一方面，若雷射脈衝能量不足，則凸塊底部處之液滴可能無法完全熔融，導致不良接觸完整性及增大電阻。
為解決此問題，液滴32在一目標位置上以多層沈積以便達成一指定凸塊體積。基板70多次在印刷站22與回流站24之間穿梭以便交替沈積一液滴層且接著加熱該層以便熔融液滴，直至達成指定凸塊體積為止。替代地，液滴之LIFT印刷及熔融可在一單一站內執行，其中光學總成具有LIFT印刷及回流所需之能力。在任一情況下，熔融各連續液滴層所必須施加之能量相對較小，且因此降低損壞之風險。
因此，在所繪製之實例中，液滴32之一初始層沈積在基板70上，如圖3A中所展示(或更確切而言，在基板上之一接觸襯墊上)。如圖3B中所展示，此層經加熱且因此熔融以形成一回流層92。一進一步液滴層沈積在回流層92上方，如圖3C中所展示，且接著對其進行加熱以再次回流，如圖3D中所展示。重複此程序達產生焊料凸塊94所需之許多循環為止。
現參考圖4A/圖4B，其示意性地繪示根據本發明之一實施例之在基板70上產生混合組合物之一焊料凸塊100之一程序。圖4A係一截面圖，其展示藉由LIFT程序在印刷站22中沈積之兩種不同、各別焊料材料之液滴96及98。圖4B係在回流站24中之焊料材料回流之後之焊料凸塊100之一前視圖。
控制器51接收焊料凸塊100之一規格，其指示焊料凸塊將以一定比例包含兩種(或多種)不同材料。例如，為了提高機械強度及/或導電性，焊料凸塊可包括與一錫焊料混合之銅顆粒，或與SAC焊料混合之鈀顆粒。在一些情況下，將不同材料以一指定材料梯度在焊料凸塊內不均勻地分佈亦可為有利的。例如，該等材料之一種(諸如液滴96中之材料)在焊料凸塊之底部處可具有一較高濃度，相對於液滴98中之材料，朝向焊料凸塊之頂部之濃度減小。鈀及銅之此種梯度組合物(在凸塊之底部處具有較高鈀濃度)視作改良焊點之強度，如(例如)在美國專利9,607,936中所揭示。
在圖4A中所展示之實例中，供體箔片44包括兩個供體膜48，其包括兩種不同供體材料，諸如上文所提及之不同種類之材料。光學總成30將雷射脈衝朝向供體膜之一者引導以在基板70上沈積液滴96，並朝向另一供體膜引導以沈積液滴98。選擇引導朝向供體膜之各者之脈衝數目，使得液滴96及98以適當比例沈積並累積達成指定組合物及總焊料凸塊體積。為了產生一梯度組合物，引導朝向兩個供體膜之脈衝比例，及因此液滴96與液滴98之比例自液滴之底部至頂部逐層變化，如圖4A中所展示。在回流站24中對小滴96及98之集合之快速加熱將導緻液滴在最小混合之情況下聚結成焊料凸塊100，使得維持指定梯度，如圖4B中示意性繪示。
此種多種材料之焊料凸塊沈積亦可在其他應用中使用。例如，可藉由印刷改良或替代地限制焊料潤濕之一材料之液滴來製造一焊料凸塊之底層。作為另一實例，可選擇底層以改良基板與焊料材料之間的熱膨脹係數之匹配。可藉由混合兩種具有不同熱膨脹係數之材料來微調此屬性，以便匹配基板之熱膨脹係數。
圖5A係根據本發明之一實施例之藉由一LIFT程序形成在一基板112上之一接觸襯墊110之一顯微照片。換言之，例如，使用一合適銅供體膜48藉由LIFT將接觸襯墊直接書寫至基板112上，而非藉由習知光微影印刷來產生接觸襯墊。接觸襯墊110之LIFT印刷可用於控制接觸襯墊之形狀及紋理以便提高焊料凸塊對襯墊之黏著性。因此，如圖中所展示，接觸襯墊110具有一粗糙表面，在襯墊之中心具有一凹面114。
圖5B係展示根據本發明之一實施例之形成在接觸襯墊110上之一焊料凸塊116之一顯微照片。焊料凸塊116由印刷站22依上述方式形成，藉由在凹面114中沈積焊料材料液滴，接著在回流站24中使液滴熔融。接觸襯墊之粗糙度增加用於焊料材料對襯墊之黏著性之表面積，且與凹面一起協助確保良好電及機械接觸。
將瞭解，上述實施例係藉由實例引用，且本發明不限於以上已具體展示及描述之內容。相反，本發明之範疇包含上述各種特徵之組合及子組合，以及熟習此項技術者在閱讀前述說明之後將想到之且其在先前技術中未揭示之其變型及修改。
20:系統 22:印刷站 24:回流站 26:放置站 28:最終回流站 30:光學總成 32:液滴 34:受體基板 36:X-Y平台 38:雷射 40:光束偏轉器 42:聚焦光學器件 44:供體箔片 46:供體基板 48:供體膜 50:液滴 51:控制器 52:光學總成 54:雷射 56:光束偏轉器 58:聚焦光學器件 60:焊料凸塊 62:拾取及放置機器 64:組件 66:熱源 68:接合 70:基板 72:接觸襯墊 73:跡線 74:液滴集合 75:接觸襯墊 76:集合 77:接觸襯墊 82:焊料凸塊 84:焊料凸塊 86:焊料凸塊 92:回流層 94:焊料凸塊 96:液滴 98:液滴 100:焊料凸塊 110:接觸襯墊 112:基板 114:凹面 116:焊料凸塊
圖1係示意性地繪示根據本發明之一實施例之用於電子電路製造之一系統的方塊圖；
圖2A係根據本發明之一實施例之一印刷電路基板之一示意性前視圖，在該印刷電路基板上已以一LIFT程序沈積焊料液滴；
圖2B係根據本發明之一實施例之在焊料回流之後圖2A之印刷電路基板之一示意性前視圖；
圖3A、圖3B、圖3C及圖3D係根據本發明之一實施例之一電路基板之示意性截面圖，其展示一焊料凸塊之沈積及回流之一程序中之連續階段；
圖4A係根據本發明之一實施例之一電路基板之一示意性截面圖，在該電路基板上已以一LIFT程序沈積兩種不同焊料材料之液滴；
圖4B係根據本發明之一實施例之在焊料材料之回流之後圖4A之電路基板之一示意性前視圖；及
圖5A係根據本發明之一實施例之藉由一LIFT程序形成之一接觸襯墊之一顯微照片；及
圖5B係根據本發明之一實施例之在圖5A之接觸襯墊上形成之一焊料凸塊之一顯微照片。
20:系統
22:印刷站
24:回流站
26:放置站
28:最終回流站
30:光學總成
32:液滴
34:受體基板
36:X-Y平台
38:雷射
40:光束偏轉器
42:聚焦光學器件
44:供體箔片
46:供體基板
48:供體膜
50:液滴
51:控制器
52:光學總成
54:雷射
56:光束偏轉器
58:聚焦光學器件
60:焊料凸塊
62:拾取及放置機器
64:組件
66:熱源
68:接合

Claims (30)

  1. 一種用於電路製造之方法，其包括： 界定待形成於一受體基板上之一目標位置處之一焊料凸塊，該焊料凸塊包括一指定焊料材料且具有一指定凸塊體積； 將具有相對第一及第二表面之一透明供體基板及包括該指定焊料材料之一供體膜定位於該第二表面上，使得該供體膜接近該受體基板上之該目標位置； 引導雷射輻射之一脈衝序列穿過該供體基板之該第一表面並照射在該供體膜上，以便誘導自該供體膜噴射該焊料材料之數個熔融液滴至該受體基板上之該目標位置上，使得沈積在該目標位置處之該等液滴累積達成該指定凸塊體積；及 加熱該目標位置，使得該等沈積液滴熔融並回流以形成該焊料凸塊。
  2. 如請求項1之方法，其中該等液滴具有取決於該雷射輻射之該等脈衝之一強度之各別液滴體積，且其中引導該等脈衝之該序列包括回應於該指定凸塊之體積而設定雷射輻射之該等脈衝之該強度及該序列中之該等脈衝之數目。
  3. 如請求項2之方法，其中該等液滴體積進一步取決於一組脈衝參數，該組脈衝參數包含該雷射輻射之該等脈衝之一光點大小及持續時間，且其中引導該等脈衝之該序列進一步包括藉由改變該等脈衝參數之一或多者來調整該等液滴體積。
  4. 如請求項1之方法，其中界定該焊料凸塊包括：在相同受體基板上之不同、各別第一及第二目標位置處，界定具有不同、各別第一及第二凸塊體積之第一及第二焊料凸塊，且 其中引導該脈衝序列包括引導該等脈衝之不同、第一及第二脈衝序列通過該供體基板上之不同點，使得該等液滴在該等各別第一及第二目標位置處累積地達成該等不同第一及第二凸塊體積之各者。
  5. 如請求項4之方法，其中界定該第一焊料凸塊及該第二焊料凸塊包括：指定該第一焊料凸塊及該第二焊料凸塊之不同、各別第一及第二組合物，且其中定位該透明供體基板包括提供包括經選擇以便產生該第一組合物及該第二組合物之複數個不同焊料材料之一或多個供體膜。
  6. 如請求項1之方法，其中界定該焊料凸塊包括：界定具有不同、各別第一及第二組合物之第一焊料凸塊及第二焊料凸塊，且其中定位該透明供體基板包括提供包括複數個不同焊料材料以產生該第一組合物及該第二組合物之一或多個供體膜。
  7. 如請求項1之方法，其中界定該焊料凸塊包括：指定該焊料凸塊之一組合物，該組合物包含不同、第一及第二材料，且 其中定位該透明供體基板包括提供分別包括該第一材料及該第二材料之第一供體膜及第二供體膜，且 其中引導該脈衝序列包括引導該等脈衝之第一序列及第二序列分別照射在該第一供體膜及該第二供體膜上，使得沈積在該目標位置處之該等液滴累積地達成該指定組合物。
  8. 如請求項7之方法，其中指定該組合物包括：指定該焊料凸塊之該組合物中之該等材料之一梯度，且其中引導該等脈衝之該第一序列及該第二序列包括根據該指定梯度將該第一材料及該第二材料之該等液滴沈積在該目標位置上之多個層中。
  9. 如請求項1之方法，其中引導該等脈衝之該序列包括：將該等液滴沈積在該目標位置上之多層中，以便達成該指定凸塊體積。
  10. 如請求項9之方法，其中加熱該目標位置包括：多次交替地沈積液滴之一層且加熱該層以熔融該等液滴，直至達成該指定凸塊體積為止。
  11. 如請求項1之方法，其中界定該焊料凸塊包括：指定該焊料凸塊之一形狀，且其中引導該等脈衝之該序列包括以符合該指定形狀之一圖案沈積該等熔融液滴。
  12. 如請求項1之方法，其中加熱該目標位置包括：引導一雷射光束以充分能量照射該目標位置以使該等所沈積液滴熔融並回流。
  13. 如請求項1之方法，其包括使用雷射誘導之正向轉移(LIFT)之一程序在該受體基板上之該目標位置處印刷一導電襯墊，其中引導該等脈衝之該序列包括沈積該焊料材料在該經印刷導電襯墊上之該等熔融液滴。
  14. 如請求項13之方法，其中印刷該導電襯墊包括：在該導電襯墊中形成一凹面用於在其中沈積該等熔融液滴。
  15. 一種用於電路製造之系統，其包括： 一控制器，其經組態以接收待形成於一受體基板上之一目標位置處之一焊料凸塊之一界定，該焊料凸塊包括一指定焊料材料且具有一指定凸塊體積； 一印刷站，其包括： 一透明供體基板，其具有相對第一及第二表面且具有包括安置於該第二表面上之該指定焊料材料之一供體膜，且其經定位使得該供體膜接近該受體基板上之該目標位置；及 一雷射，其經組態以引導雷射輻射之一脈衝序列穿過該供體基板之該第一表面並照射在該供體膜上以誘發該焊料材料之熔融液滴自該供體膜噴射至該受體基板上之該目標位置上， 其中該控制器經組態以驅動該印刷站朝向該目標位置噴射數個液滴，使得沈積在該目標位置處之該等液滴累積地達成該指定凸塊體積；及 一回流站，其經組態以加熱該目標位置，使得該沈積液滴熔融並回流以形成該焊料凸塊。
  16. 如請求項15之系統，其中該等液滴具有取決於該雷射輻射之該等脈衝之一強度之各別液滴體積及由該雷射輻射之該等脈衝之一光點大小及持續時間組成之一組脈衝參數，其中該控制器經組態以回應於該指定凸塊之體積而設定雷射輻射之該等脈衝之該強度及該序列中之該等脈衝之數目，且其中該控制器經組態以藉由改變該等脈衝參數之一或多者來調整該等液滴體積。
  17. 如請求項15之系統，其中該控制器經組態以在相同受體基板上之不同、各別第一及第二目標位置處，接收具有不同、各別第一及第二凸塊體積之第一及第二焊料凸塊之界定，且 其中該控制器經組態以驅動該雷射以引導該等脈衝之不同、第一及第二序列穿過該供體基板上之不同點，使得該等液滴累積達成該各別第一及第二目標位置處之該不同第一及第二凸塊體積之各者，且 其中該第一焊料凸塊及該第二焊料凸塊之該等界定指定該第一焊料凸塊及該第二焊料凸塊之不同、各別第一及第二組合物，且其中包括複數個不同焊料材料之一或多個供體膜安置於該供體基板之該第二表面上，其中選擇該等焊料材料以產生該第一組合物及該第二組合物。
  18. 如請求項15之系統，其中該控制器經組態以接收具有不同、各別第一及第二組合物之第一焊料凸塊及第二焊料凸塊之界定，且其中包括複數個不同焊料材料之一或多個供體膜安置於該供體基板之該第二表面上，其中選擇該等焊料材料以產生該第一組合物及該第二組合物。
  19. 如請求項15之系統，其中該界定指定包含不同、第一及第二材料之該焊料凸塊之一組合物，及 其中該透明供體基板包括分別包括該第一材料及該第二材料之第一供體膜及第二供體膜， 其中該控制器經組態以驅動該印刷站以引導該等脈衝之第一序列及第二序列分別照射在該第一供體膜及該第二供體膜上，使得沈積在該目標位置處之該等液滴累積地達成該指定組合物，且 其中該界定指定該焊料凸塊之該組合物中該等材料之一梯度，且其中該控制器經組態以驅動該印刷站以根據該指定梯度將多層中之該第一材料及該第二材料之該等液滴沈積在該目標位置上。
  20. 如請求項15之系統，其中該控制器經組態以驅動該印刷站以將該等液滴沈積在該目標位置上之多層中以便達成該指定凸塊體積。
  21. 如請求項20之系統，其中該控制器經組態以驅動該印刷站及該回流站多次交替地沈積一液滴層且加熱該層以使該等液滴熔融直至達成該指定凸塊體積為止。
  22. 如請求項15之系統，其中該界定指定該焊料凸塊之一形狀，且其中該控制器經組態以驅動該印刷站引導該等脈衝之該序列以便以符合該指定形狀之一圖案沈積該等熔融液滴。
  23. 如請求項15之系統，其中該印刷站經組態以使用雷射誘導之正向轉移(LIFT)之一程序在該受體基板上之該目標位置處印刷一導電襯墊，且沈積該焊料材料在該經印刷導電襯墊上之該等熔融液滴。
  24. 如請求項23之系統，其中該印刷站經組態以印刷具有一凹面之該導電襯墊，用於在其中沈積該等熔融液滴。
  25. 一種用於電路製造之方法，其包括： 將一或多個目標位置處之一焊料材料沈積於一電路基板上；及 用充分能量將一雷射束之一或多個脈衝聚焦至該等目標位置之各者上以使該等沈積液滴熔融並回流以便形成焊料凸塊。
  26. 如請求項25之方法，其中沈積該焊料材料包括：朝向該一或多個目標位置噴射該焊料材料之熔融液滴。
  27. 如請求項25之方法，其中該等脈衝具有不大於1 ms之一脈衝持續時間。
  28. 如請求項27之方法，其中該等脈衝具有不小於100 μs之一脈衝持續時間。
  29. 如請求項25之方法，其中該等脈衝具有不大於3 mJ之一脈衝能量。
  30. 如請求項25之方法，其中聚焦該一或多個脈衝包括：將該雷射束之一單一、各別脈衝聚焦至該等目標位置之各者上。
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