气动膜片式精密焊球微滴喷射制作方法.pdf

第 8期 2 0 1 2年 8月 机 械 设 计 与制 造 Ma c hi n e r y De s i g nM a n uf a c t u r e 1 79 文章编 号 1 0 01 3 9 9 7 2 0 1 2 0 8 0 1 7 9 0 3 气动膜片式精密焊球微滴喷射制作方法 }理制作焊球的 新方法。介绍了 该方法的 基本原理及所采用的实 验装置， 使用由自 制电火 花微孔加工机 { l床加工的直径5 0 1x m不锈钢喷嘴， 成功实 现了直径l O 0 m以下焊球的制作， 研究了 主要控制参数对焊 j ； 国 内 直 径 l O 0 m 以 下 超 精 密 微 焊 球 制 作 技 术 的 空 白 。 { l 【 A b s t r a c t 】 A i m e d a t h ig h u n if o r m u l t r a - s m a l l s o l d e r b a l ls r e q u i r e m e n t i n a r e a a r r a y p a c k a g e ， 0 n o v e l ； ； f a b r i c at i o n m e t h o d W IS d e v e lo p e d b a s e d o n p n e u m at i c - d ia p h r a g m d r o p le t j e t t i n g ． T h e p r i n c ip le a n d s e 幽一{ } e f 0 p e d e q u ip m e n t o f t h i 5 m e t h 。 d e in t r o d M c e d th is P ap e S 。 z如 r b a l ls w it h d i a m t e r f e s t h a n l O 0 m{ 1 w e r e f abr i c at e d w it h。 s t a i n l e s s s t e e l n o z z l e o f 5 0 m i n d ia m e t e r ．Me anw h i l e m ai n c o n t r o l p a r a m e t e r s w e r e 2 ■ s t u d i e d t o i n v e s t i g a t e t h e i r e f f e c t s o n t h e d i a me t e r of s o l d e r b all s ． T h e r e s u h s p r o v e t h at p n e u m a t i c d i 一 l aph r a g m d r o p l e t j e t t i n g m e t h o d c a n f abr i c at e s o l d e r b al l s w it h h ig h ly u n if o d ia m e t e r l e s s t h an l O 0 m ，{ g o o d e x t e r i o r q u al i ty a n d r o u n d n e s s ， w h i c h fi l l s u p t h e b l a n k ofd o m e s t i c s o l d e r b al l f abr i c at i n g t e c h n o l o g y ． 。 。 三 薹 葶 。 苎 t,Jv1． ll 釜 茎 同 时 封 装 器 件 高 频 、 孽 譬 能 苎 磊 利 美 降 低 。 年 线 更 短 ，以 B G A , C S P ,F C B 为 代 表 的 面 积 阵 列 因 其 极 苎 的 封 年 ，并 子 器 件 成 度 、小 型 警 黧喜 曼 塞 一 断 裂 法 制 作 焊 球 多 基 于 R a y l啦 h 的 射 流 断 裂 呈 毫 二 线 性 。 主 烹 竺 掌 ’ 。 美 条 萎 ， 2 2； 在 凸 点 制 作 之 前 先 制 作 符 合 封 装 要 求 的 精 密 焊 球 ，然 后 由 植 机 二 3 ；， 以 得 出 射 直 径 之 间 的 关 为 -k来稿 日期 2 0 1 l 一 1 0 2 5 ★基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 5 1 1 7 5 2 0 4 1 8 0 张鸿海等 气动膜片式精密焊球微滴喷射制作方法 第 8期 氮气 n 图 1喷射装置结构示意图 焊料喷射过程可以分为三个阶段， 如图 2 所示。 车 毒 图 2焊料喷射过程 1 射流形成阶段 在这一阶段中电磁阀由控制信号控制开 启 ， 高压气体进入到脉冲气体腔内并作用到膜片上， 膜片向下变 形， 焊料腔容积减小形成喷射压力 ， 促使焊料通过喷嘴形成一定 长度的射流， 射流具有远离喷嘴的速度。射流的长度决定了其断 裂之后焊球直径的大小 ， 太短的射流不会断裂成球 ， 太长的射流 会导致焊球直径过大甚至出现多个焊球或卫星滴等造成焊球直 径不均匀的情况。射流的长度由膜片的变形量决定， 由胡克定律 可知膜片的最大变形量 d与脉冲气体压力 P的关系如下 k P - P o S 1 式中 膜片刚度； 一大气压力也即待喷射焊料腔内的压力 ； s 膜片的面积。 由 1 式可以看出脉冲气体的压力大小与膜片的变形量有 线性关系， 是影响射流长度的关键因素。 2 液柱的回拉及颈缩阶段 焊料喷射出喷嘴形成射流之 后， 电磁阀关闭， 高压气体由排气孔迅速排出。 由于排气管内空气 运动的惯性 ， 气体腔内压力急剧下降达到大气压力 尸 0 之后还将 继续下降， 这导致待喷射焊料腔内的压力高于脉冲气体腔内的压 力， 膜片开始回弹并出现向上的变形， 使得待喷射焊料腔内压力 下降至小于大气压力 P 0 。 于是喷射出喷嘴的液柱受到朝向喷嘴的 作用力， 液柱产生朝向喷嘴方向的加速度。而液柱尖端的液滴由 于惯性将远离喷嘴继续向前运动， 于是尖端液滴与液柱间形成颈 缩。液柱的回拉使颈缩的形成不仅仅依赖于表面张力的作用， 这 大大加速了液柱的断裂， 为更小焊球的制作提供了可能性。 3 液柱断裂及焊球形成阶段 颈缩形成后尖端液滴由于惯 性继续远离喷嘴运动， 而液柱则在腔内负压作用下朝向喷嘴运 动。 在液滴惯性、 液柱回拉力以及表面张力的共同作用下， 液柱尖 端最终断裂形成液滴， 受到回拉作用力的液柱则重新进入到待喷 射焊料腔内。 断裂形成的液滴在飞行过程中随着温度的降低而凝 固成球形度极高的焊球， 与此同时膜片恢复至初始位置为下一次 喷射做好准备。 当膜片在脉冲气压的作用下挤压待喷射焊料腔时，腔内的 焊料除了从喷嘴喷出之外， 还会通过节流孔流回至储料腔内。若 焊料回流至储料腔内比从喷嘴喷出更加容易， 焊料的喷射则会变 ．n 2 得困难。由哈根一 自 肃叶方程 可知， 对于圆柱形流道， 液 体的流速 u正比于流道直径d的平方 ，而 与流道 的长度 l 成反 比。在流道两端压差 A P以及粘度 相同的情况下， 为使焊料更 容易从喷嘴喷出，节流孔的设计应使流出喷嘴的焊料流速 与 流过节流孔的焊料流速 U t 的比值 u ／ u ； , 1 ， 即 ／ 1 。 在喷嘴直 径 d ． 5 O 1 ． m，喷嘴厚度 l ,, -- 5 0 0 m的条件下 ，若节流孔直径 2 0 0 1a ．m， 则其长度 l 至少应为 l O m m才能使喷射易于进行。综合上 述喷射机理分析， 在喷射装置结构参数 如喷嘴直径、 喷嘴厚度、 膜 片大小、 节流孔直径及长度等 固定的情况下， 影响焊球直径大小的 因素主要为控制参数 ， 例如脉冲气体的压力 、 电磁阀的开启时间 等， 在下面的实验中将着重讨论这两个因素对焊球直径的影响。 3实验与分析 3 ． 1实验平台 实验所使用的焊球制备平台由温度控制系统 、压力控制系 统、 电磁阀驱动电路以及气体保护装置构成， 如图 3所示。其中， 温度控制系统由加热部件、 热电偶以及温控仪组成 ， 通过控制焊 料的温度使焊料的粘度及表面张力处于适于喷射的范围内； 气压 控制系统通过精密调压阀控制储料腔内的背压以及脉冲气体的 压力 ， 为焊料的喷射提供合适的驱动； 电磁阀驱动电路通过发送 脉宽可调的脉冲信号， 控制电磁阀的启闭， 实现脉冲式的气压驱 动； 气体保护装置使用氮气制造低氧环境， 使焊料在喷射出喷嘴 之后不致产生氧化影响焊球质量。 精密调压阀 精密高压阀 图 3喷射平 台系统图 3 _2实验过程 实验时， 将 S n 6 3 P b 3 7焊锡条置于储料腔内， 为了防止加热 时储料腔内残留的空气将焊料氧化，加热前先接通背压氮气， 将 储料腔以及喷射头内的空气排出。 喷射头与储料腔加热到设定温 度后， 保温 5 ～ l O m i n 。气体保护装置接通氮气之后， 利用背压将 储料腔内的焊料注入到喷射头中。 电磁阀驱动电路控制电磁阀完 成启闭动作， ’一个脉冲周期对应一次喷射， 产生一个焊料微液滴， 该液滴在氮气氛围的保护下逐渐冷却固化形成焊球。 3 ． 3实验结果与分析 实验中所采用的喷射装置结构参数为 喷嘴直径 5 0 1J L m、 厚 No ． 8 Au g ． 2 0 1 2 机 械 设计 与制 造 1 8 1 度 5 0 0 m， 膜片直径 4 0 mm， 节流孔直径 2 0 0 m、 长度 1 0 m m。在 温度以及喷射频率相同的情况下， 采用单因素对比实验的方法进 行了多组实验， 分析了脉冲气体压力和脉冲宽度对焊球直径的影 响 ， 实验及分析结果如下。 3 ． 3 ． 1脉冲气体压力对焊球直径的影响 作用于膜片的脉冲气体压力的大小直接决定了膜片变形的 大小， 进而对喷射液柱的长度产生影响， 并最终影响所产生的焊 球直径， 因此脉冲气体压力是影响焊球直径的关键因素之一。设 定喷射腔、 储料腔的温度分别为 3 0 0 C 和 2 6 0 C ， 脉宽 2 ． 2 ms ， 频率 5 0 H z 。 在驱动压力分别为 2 0 0 K P a 、 2 5 0 K P a 、 3 0 0 K P a 、 3 5 0 K P a的条 件下进行了四组焊球制备的实验， 每组随机测量了 5 O粒焊球的 直径， 焊球的直径分布， 如表 1 所示。四组焊球的平均直径分别 为 7 0 ． 0 6 m、 7 3 ． 5 2 1x m、 7 8 ． 3 7 1 x m、 8 2 ．0 3 1 m， 最大直径偏差 △ 出 现在压力 2 5 0 K P时， △ d F 一 1 ． 6 7 1 m。 依据表 1 绘制焊球平均直径 与脉冲气体压力之间关系图， 如图4所示。 由图 4中可以看出， 焊 球的直径与脉冲气压基本成线性关系。 表 1不同脉冲气压下焊球直径的分布 9 0 莹 8 0 酱 7 O 驶 6 0 2 OU 25 0 3 O0 3 50 气压 k P 图4脉冲气压对焊球直径的影响 3 ． 3 ． 2脉冲宽度对焊球直径的影响 脉冲宽度的改变可以调节电磁阀开启的时间，进而控制压 缩空气作用于膜片的时间，这会对液柱的回拉和颈缩造成影响， 进而影响所产生焊球的直径。设定喷射腔、 储料腔的温度分别为 3 0 0 E和2 6 0 C， 驱动压力 2 5 0 K P a ， 频率 5 0 H z ， 在脉冲宽度分别为 1 ． S m s 、 2 ．2 m s 、 2 ．6 m s 、 3 ． O m s 的条件下进行了四组对比实验。 每组随 机测量 5 0粒焊球的直径， 测量结果， 如表 2所示。四组焊球的平 均直径分别为 6 8 ．4 8 m、 7 3 ． 5 2 1 m、 8 1 ． 6 3 1 x m、 9 4 ． 7 5 1x m，最大直径 偏差出现在脉宽 3 ． 0 m s 时， △ d 一 1 ． 7 2 1． L m。 表 2不同脉宽条件下焊球直径的分布 依据表 2 绘制焊球平均直径与脉冲宽度之间关系图， 如图5 所示。从图5中可见脉冲宽度的增加也会造成焊球直径的增大。 1 0o 王 9 o 矧 鸶 8 0 7 0 1 ． 8 2 ． 2 2． 6 3 ． O 脉宽 r r- s 图 5脉冲宽度对焊球直径 的影响 3 ． 3 I 3焊球质量评估 使用微球植球法进行 B G A和 C S P封装时，为了避免虚焊， 焊球的直径均匀性要求非常高， 在 3 ． 3 ． 1 和 3 ． 3 ． 2的实验中， 各种 条件下制作的焊球直径偏差均d x t 2 lx m。 除此2 Z b ， 为了便于 焊球移置和检查是否存在焊球缺失， 对焊球的球形度和表面光洁 度要求也非常高， 脉宽 2 ． 6 ms ， 频率 5 0 H z ， 驱动压力 2 5 0 K P a 条件 下制作 的平均直径 8 1 ． 6 3 m焊球球形度和表面质量 ，如 图 6所 示。从图 6中可以看出焊球球形完美、 表面闪亮。 一 _ a S E M显微照片 b 光学显微 照片 图 6微焊球显微照片 4结论 研究利用气动膜片式微滴 喷射方法 ，成功实现了直径 1 0 0 1 x m以下精密微焊球的制作，并且可以根据需要调节喷射装 置的控制参数以生产所需求直径的焊球。 方法所使用的喷射平台 结构简单， 工作稳定， 使用成本低， 制作的焊球直径偏差小于 2 m， 表面闪亮、 球形完美。方法的缺点在于制球效率低于连续射流断 裂法， 这可以通过几套相同的装置并行工作来弥补 ， 由于驱动控 制电路、 气压驱动以及控制系统都可以共用， 所以并不会使成本 提高很多。方法的提出填补了国内 1 0 0 1．L m以下焊球制作技术的 空白， 具有广阔的工业应用前景。 参考文献 [ 1 ] 罗伟承， 刘大全． B G MC S P 和倒装焊芯片面积阵列封装技术[ J ] ． 中国 集成电路， 2 0 0 9 ， 1 1 7 2 4 9 5 5 ． [ 2 ] 舒平生 ， 王玉鹏． 用于倒装 芯片的晶片凸点制作工 艺研 究[ J ] ． 电子与 封装 ， 2 0 0 9 ， 9 1 0 3 o _ 3 4 ． [ 3 ] 李福泉， 王春青， 张晓东． 倒装芯片凸点制作方法[ J ] ． 电子工艺技术， 2 0 0 3 ， 2 4 2 6 2 6 6 ． [ 4 ] 郭杰， 刘建萍， 郭福， 等． 冷却介质对 B G A焊球质量的影响[ J ] _ 电子元 件与材料， 2 0 1 1 ， 3 0 3 6 1 - 6 4 ． [ 5 ] P a s s o w C H ． A S t u d y o f S p r a y F o r mi n g U s i n g U n if o rm D r o p l e t S p r a y s [ D] ． Ca mb rid g e Ma s s a c h u s e t t s I n s t i t u t e o f Te c h n o l o g y， 1 9 9 2 ． [ 6 ]O r m e M ． A N o v e l T e c h n i q u e o f r a p i d s o l i d ifi c a t i o n n e t f o r m m a t e ri a l s s y n t h e s i s [ J ] J o u mal of M a t e ri a l s E n g i n e e ri n g a n d P e r f o rma n c e ， 1 9 9 3 3 3 9 9 - 4 0 5 ． [ 7 ] M e l i s s a O rme M a r m e r e l i s ， R o b e r t F ． S m i t h ． H i s h - S p e e d F a b ri c a t i o n o f H i g h l y U n i f o rm U l t r a S m al l M e t al l i c M i e m s p h e r e s[ P ] ． U S 6 4 9 1 7 3 7 B 2 ． 2 0 0 2 1 2 ．