eng
Выпуск #8/2020
И. Петухов, В. Ланин, И. Тычинская, Г. Ретюхин
ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ЛАЗЕРНОЙ ПАЙКИ БЕССВИНЦОВЫХ ПРИПОЙНЫХ ШАРИКОВ В 3D‑СТРУКТУРАХ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ЛАЗЕРНОЙ ПАЙКИ БЕССВИНЦОВЫХ ПРИПОЙНЫХ ШАРИКОВ В 3D‑СТРУКТУРАХ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
Просмотры: 1379
DOI: 10.22184/1992-4178.2020.199.8.144.148
Описана разработанная в ОАО «Планар-СО» технологическая система формирования объемных припойных выводов на контактных площадках 2,5- и 3D‑конструкций изделий электроники и методика выбора мощности источника лазерного излучения для оплавления припойного шарика заданного диаметра.
Описана разработанная в ОАО «Планар-СО» технологическая система формирования объемных припойных выводов на контактных площадках 2,5- и 3D‑конструкций изделий электроники и методика выбора мощности источника лазерного излучения для оплавления припойного шарика заданного диаметра.
Теги: 3d integration 3d‑интеграция bulk leads em‑4452 laser soldering unit laser soldering of solder balls microelectronics лазерная пайка припойных шариков микроэлектроника объемные выводы установка лазерной пайки эм‑4452
Оптимизация технологических режимов лазерной пайки бессвинцовых припойных шариков в 3D‑структурах микроэлектроники
И. Петухов, к. т. н., В. Ланин, д. т. н., И. Тычинская, Г. Ретюхин
При сборке многокристальных и многослойных 3D‑конструкций изделий современной электроники используются объемные выводы на основе припойных шариков малого диаметра (<100 мкм). Для обеспечения их присоединения создана оптико-механическая система новой установки лазерной пайки, которая отличается последовательным вакуумным захватом припойных шариков из вибробункера сварочным инструментом и переносом их в зону пайки. При подаче лазерного импульса через сквозное отверстие сварочного инструмента на поверхность припойного шарика происходит его оплавление и закрепление на контактной площадке. Проведена энергетическая оценка процесса лазерной пайки бессвинцовых припойных шариков. Экспериментально получен поправочный коэффициент для вычисления мощности лазерного источника с длиной волны 1064 нм для оплавления припойного шарика заданного диаметра.
Лазерная пайка припойных шариков в микроэлектронике
Создание межсоединений в многослойных структурах 2,5- и 3D‑конструкций современной микроэлектроники посредством объемных припойных шариковых выводов является сложной технологической задачей, особенно для припойных шариков малого диаметра (<100 мкм) [1, 2, 3]. Для реализации формирования шариковых выводов для технологии flip-chip необходимо правильно выбрать не только материалы, но и способы нагрева, обеспечивающие высокую степень локализации мощности в зоне нагрева и малые зоны термического влияния. Монтаж шариков припоя как на кремниевую пластину, так и на коммутационную плату BGA необходимо осуществлять в инертной атмосфере без использования флюса.
Наиболее перспективным методом формирования шариковых выводов, обеспечивающим возможность решения этой технологической задачи, является использование лазерного нагрева. Отличительной особенностью данного процесса является локальность теплового воздействия, высокая стабильность температурно-временных режимов, гибкое регулирование подводимой тепловой энергии, отсутствие непосредственного механического контакта источника тепла с шариком припоя, высокая производительность процесса, возможность автоматизации.
Автоматизация процесса лазерной пайки предполагает две основные операции:
Для работы по методу, показанному на рис. 1, требуется прецизионный механизм подачи шарика в инструмент. Кроме того, возникает задача исключения одновременного нахождения двух шариков в канале инструмента, что приводит к необходимости зачистки последнего. Метод установки припойных шариков, схема работы которого приведена на рис. 2, проще, но его производительность меньше, поскольку он требует перемещения координатного стола в позицию захвата из вибробункера, исключающего слипание шариков из-за электростатики и обеспечивающего «облако» подскакивающих шариков над их общим массивом и легкий одиночный захват.
Достижения технологии лазерной пайки припойных шариков позволяют присоединять шарики диаметром 40 мкм, например, на установке модели SB2-Jet фирмы PacTech, при этом максимальный диаметр используемых шариков составляет 760 мкм [4]. «Сердцем» данной модели установки является механизм поодиночной подачи припойных шариков малого диаметра из бункера в сварочный инструмент по методу, показанному на рис. 1.
Физические процессы при лазерной пайке и оценка энергетических параметров процесса расплавления припойных шариков
Лазерная пайка основана на поглощении поверхностью припойного шарика дозированного импульса лазерного излучения. Процесс включает следующие стадии:
Для установки оптимальных энергетических режимов импульса лазерного излучения при выполнении данной последовательности операций необходимо предварительно определить значения ряда физических величин, которые затем потребуются в расчетах. Особое внимание при этом следует обратить на их размерности: в различных справочниках значения физических величин могут быть указаны в разных системах единиц, а размерность однозначно определяет принадлежность величины к той или другой системе.
Для расчетов понадобятся [5]:
Для оценки энергетических параметров процесса расплавления припойного шарика при воздействии лазерного излучения используем методики, описанные в [6, 7]. Количество энергии W0 для расплавления припойного шарика диаметром dШ определяется следующим соотношением [6]:
, (1)
где c – теплоемкость припойного шарика; ΔΤ = Τпл. – Τокр. – изменение температуры плавления; q – скрытая теплота плавления. Физические параметры материалов для расчетов приведены в табл. 1.
Из выражения (1) и параметров табл. 1 несложно получить, что необходимая энергия для расплава одного оловянного шарика диаметром 0,1 мм приблизительно равна 0,5 мДж.
Количество поглощенной энергии лазерного излучения в общем случае зависит от коэффициента отражения ρλ, чистоты поверхности шарика и длины волны излучения λ0. Известно также, что коэффициент отражения ρλ зависит от плотности излучения [5].
У металлов ρλ растет с увеличением λ0 для видимого и ближнего инфракрасного диапазонов излучения. При этом при плотности потока лазерного излучения Q < 106 Вт / см2 коэффициент отражения не зависит от λ0. При Q < 109 Вт / см2 лазерное излучение рассматривается как источник тепла, и распространение тепла в материале описывается законами теплопроводности. Количество поглощенной энергии лазерного излучения определяют из следующего соотношения:
Wпогл. = А · Qmax · ϕ(rbeam) · πr2beam · τi, (2)
где rbeam – радиус сфокусированного лазерного пятна, ϕ(rbeam) – функция распределения интенсивности потока излучения на поверхности. Считается, что распределение является Гауссовым с максимумом в центре пятна.
Используя вычисленное выше из выражения (1) значение энергии для расплавления припойного шарика диаметром 0,1 мм и выражение (2), получаем при W0 = Wпогл. и установленном τi = 5 мc:
Вт / см2. (3)
Чтобы оценить значение максимального потока излучения Qmax, делаем следующие допущения. Коэффициент поглощения металлов А находится в пределах 0,1–0,15, неоднородность пятна ϕ(rbeam) примем равной 0,7. Из (3) получаем Qmax ≈ 28 430 Вт / см2.
Имея значение Qmax, можем определить необходимую мощность лазерного источника, умножая Qmax на облучаемую площадь. В случае плоской поверхности это будет площадь круглого сфокусированного пятна. Для сферической поверхности припойного шарика в результате проведенных экспериментов получен поправочный коэффициент, равный ~3,5; тогда мощность лазерного источника Pист. равна:
Pист. = 3,5 · Qmax · πr2beam. (4)
Таким образом, припойному шарику диаметром 0,1 мм соответствует необходимое значение мощности лазерного источника ~5 Вт. При избыточной мощности возникают реактивные силы паров вскипания материала, которые могут быть причиной смещений паяных соединений и нарушения их формы (рис. 4а и рис. 4б соответственно).
Результаты оценки энергетических параметров для оплавления шариков диаметром 200, 300, 500, 600 и 760 мкм по вышеописанной методике приведены в табл. 2.
Как видно из табл. 2, для припойных шариков диаметром 760 мкм необходим лазерный источник с выходной мощностью до 60 Вт, при этом плотность потока излучения достигает величины 4,89 · 106 Вт / см2. Зависимости необходимой мощности лазерного излучения и длительности импульса от диаметра припойного шарика показаны на рис. 5 при источнике лазерного излучения с максимальной мощностью 100 Вт.
Автоматическая установка ЭМ‑4452
В ОАО «Планар-СО» изготовлен опытный образец автоматической установки монтажа объемных выводов методом лазерной пайки ЭМ‑4452, внешний вид которой представлен на рис. 6. Установка состоит из верхней и нижней частей. В верхней части располагается оптико-механическая система, координатная система перемещений, устройство включения и блокировки. Нижняя часть представляет собой тумбу электрооборудования, содержащую систему управления лазером и промышленный компьютер. Для управления установкой и наблюдения за рабочим процессом предусмотрен стол оператора, на котором размещены трекбол, клавиатура и монитор.
Лазерная система создана на основе волоконного лазера мод. ЛК‑100-ОМ-В сер. ЛК производства НТО «ИРЭ-Полюс» (РФ), входящего в Группу IPG, с длиной волны 1 064 нм, что соответствует ближнему ИК‑диапазону. Оптическая система установки ЭМ‑4452 позволяет получить радиус сфокусированного лазерного пятна порядка 40 мкм. В установке предусмотрена возможность выбирать мощность лазерного излучения и его продолжительность при пайке. Длительность импульса лазерного излучения программируется в пределах 0,1–300 мс с дискретностью 0,1 мс. При работе с малыми уровнями мощности излучения (<10 Вт) может использоваться широтно-импульсная модуляция.
Основные технические характеристики установки ЭМ‑4452 сведены в табл. 3.
Выводы
Разработана технологическая система формирования объемных припойных выводов на контактных площадках 2,5- и 3D‑конструкций изделий электроники.
Проведена оценка энергетических параметров процесса лазерной пайки припойных шариков, предложена методика выбора мощности источника лазерного излучения с учетом поправочного коэффициента для оплавления припойного шарика заданного диаметра.
ЛИТЕРАТУРА
Mausezahl M. [and ets]. Mechanical properties of laser-jetting SAC305 solder on coated optical surfaces // Physics Procedia. 2016. Vol. 83. PP. 532–539.
Tian Y., Wang C., Chen Y. Characteristics of laser reflow bumping of Sn3.5Ag and Sn3.5Ag0.5Cu lead-free solder balls // Journal of Materials Sciense&Technology. 2008. Vol. 24. No. 2. PP. 220–226.
Муонио Дж., Стадем Р. Лазерная пайка шариков припоя в BGA // Печатный монтаж. 2006. № 6. С. 20–21.
Laser solder jetting system /
www.pactech.com/equipment/solder-ball-attach / sb²-jet.
Лосев В. Ф., Морозова Е. Ю., Ципилев В. П. Физические основы лазерной обработки материалов: учебное пособие. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. 199 с.
Ланин В. Л., Петухов И. Б. Электроискровой процесс формирования шарика при термозвуковой микросварке в электронике // Электронная обработка материалов. 2013. № 49 (2). С. 59–62.
Рыжкин А., Ильясов В., Чуларис А. Лазерная микросварка в электронике: опыт использования и перспективы // Фотоника. 2009. № 2. С. 10–14.
И. Петухов, к. т. н., В. Ланин, д. т. н., И. Тычинская, Г. Ретюхин
При сборке многокристальных и многослойных 3D‑конструкций изделий современной электроники используются объемные выводы на основе припойных шариков малого диаметра (<100 мкм). Для обеспечения их присоединения создана оптико-механическая система новой установки лазерной пайки, которая отличается последовательным вакуумным захватом припойных шариков из вибробункера сварочным инструментом и переносом их в зону пайки. При подаче лазерного импульса через сквозное отверстие сварочного инструмента на поверхность припойного шарика происходит его оплавление и закрепление на контактной площадке. Проведена энергетическая оценка процесса лазерной пайки бессвинцовых припойных шариков. Экспериментально получен поправочный коэффициент для вычисления мощности лазерного источника с длиной волны 1064 нм для оплавления припойного шарика заданного диаметра.
Лазерная пайка припойных шариков в микроэлектронике
Создание межсоединений в многослойных структурах 2,5- и 3D‑конструкций современной микроэлектроники посредством объемных припойных шариковых выводов является сложной технологической задачей, особенно для припойных шариков малого диаметра (<100 мкм) [1, 2, 3]. Для реализации формирования шариковых выводов для технологии flip-chip необходимо правильно выбрать не только материалы, но и способы нагрева, обеспечивающие высокую степень локализации мощности в зоне нагрева и малые зоны термического влияния. Монтаж шариков припоя как на кремниевую пластину, так и на коммутационную плату BGA необходимо осуществлять в инертной атмосфере без использования флюса.
Наиболее перспективным методом формирования шариковых выводов, обеспечивающим возможность решения этой технологической задачи, является использование лазерного нагрева. Отличительной особенностью данного процесса является локальность теплового воздействия, высокая стабильность температурно-временных режимов, гибкое регулирование подводимой тепловой энергии, отсутствие непосредственного механического контакта источника тепла с шариком припоя, высокая производительность процесса, возможность автоматизации.
Автоматизация процесса лазерной пайки предполагает две основные операции:
- подача припойного шарика в сквозной сужающийся к торцу канал сварочного инструмента (рис. 1а) либо захват шарика под торец инструмента путем создания вакуума в полости сварочного инструмента (рис. 2а);
- расплавление припоя в канале инструмента лазерным импульсом и его выброс (solder jetting) на контактную площадку (рис. 1б) либо расплавление шарикового припоя под торцом сварочного инструмента практически в контакте с поверхностью под небольшим давлением защитного газа, например азота (рис. 2б).
Для работы по методу, показанному на рис. 1, требуется прецизионный механизм подачи шарика в инструмент. Кроме того, возникает задача исключения одновременного нахождения двух шариков в канале инструмента, что приводит к необходимости зачистки последнего. Метод установки припойных шариков, схема работы которого приведена на рис. 2, проще, но его производительность меньше, поскольку он требует перемещения координатного стола в позицию захвата из вибробункера, исключающего слипание шариков из-за электростатики и обеспечивающего «облако» подскакивающих шариков над их общим массивом и легкий одиночный захват.
Достижения технологии лазерной пайки припойных шариков позволяют присоединять шарики диаметром 40 мкм, например, на установке модели SB2-Jet фирмы PacTech, при этом максимальный диаметр используемых шариков составляет 760 мкм [4]. «Сердцем» данной модели установки является механизм поодиночной подачи припойных шариков малого диаметра из бункера в сварочный инструмент по методу, показанному на рис. 1.
Физические процессы при лазерной пайке и оценка энергетических параметров процесса расплавления припойных шариков
Лазерная пайка основана на поглощении поверхностью припойного шарика дозированного импульса лазерного излучения. Процесс включает следующие стадии:
- передачу энергии сфокусированного лазерного излучения к верхней части поверхности припойного шарика под торцом сварочного инструмента, удерживаемого вакуумом, при этом площадь, на которую воздействует излучение, не превышает 2πr2ш, где rш – радиус припойного шарика;
- разогрев объема припойного шарика до температуры плавления и его расплавление;
выталкивание расплава на контактную площадку за счет подачи под давлением защитного газа в сварочный инструмент;
- смачивание контактной площадки и формирование силами поверхностного натяжения в процессе остывания шарообразного объемного контакта (рис. 3).
Для установки оптимальных энергетических режимов импульса лазерного излучения при выполнении данной последовательности операций необходимо предварительно определить значения ряда физических величин, которые затем потребуются в расчетах. Особое внимание при этом следует обратить на их размерности: в различных справочниках значения физических величин могут быть указаны в разных системах единиц, а размерность однозначно определяет принадлежность величины к той или другой системе.
Для расчетов понадобятся [5]:
- максимальная плотность потока излучения на поверхности Qmax, Вт / см2;
- длительность лазерного импульса τi, с;
- поглощенная доля потока A = 1 – ρλ, где ρλ – коэффициент отражения;
- длина волны излучения λ0, нм;
- теплопроводность материала λТ, Вт / (см · град.);
- удельная теплоемкость материала c, Дж / (г · град.);
- плотность материала ρ, г / см3;
- температуропроводность материала α = λТ / (c · ρ), см2 / с.
Для оценки энергетических параметров процесса расплавления припойного шарика при воздействии лазерного излучения используем методики, описанные в [6, 7]. Количество энергии W0 для расплавления припойного шарика диаметром dШ определяется следующим соотношением [6]:
, (1)
где c – теплоемкость припойного шарика; ΔΤ = Τпл. – Τокр. – изменение температуры плавления; q – скрытая теплота плавления. Физические параметры материалов для расчетов приведены в табл. 1.
Из выражения (1) и параметров табл. 1 несложно получить, что необходимая энергия для расплава одного оловянного шарика диаметром 0,1 мм приблизительно равна 0,5 мДж.
Количество поглощенной энергии лазерного излучения в общем случае зависит от коэффициента отражения ρλ, чистоты поверхности шарика и длины волны излучения λ0. Известно также, что коэффициент отражения ρλ зависит от плотности излучения [5].
У металлов ρλ растет с увеличением λ0 для видимого и ближнего инфракрасного диапазонов излучения. При этом при плотности потока лазерного излучения Q < 106 Вт / см2 коэффициент отражения не зависит от λ0. При Q < 109 Вт / см2 лазерное излучение рассматривается как источник тепла, и распространение тепла в материале описывается законами теплопроводности. Количество поглощенной энергии лазерного излучения определяют из следующего соотношения:
Wпогл. = А · Qmax · ϕ(rbeam) · πr2beam · τi, (2)
где rbeam – радиус сфокусированного лазерного пятна, ϕ(rbeam) – функция распределения интенсивности потока излучения на поверхности. Считается, что распределение является Гауссовым с максимумом в центре пятна.
Используя вычисленное выше из выражения (1) значение энергии для расплавления припойного шарика диаметром 0,1 мм и выражение (2), получаем при W0 = Wпогл. и установленном τi = 5 мc:
Вт / см2. (3)
Чтобы оценить значение максимального потока излучения Qmax, делаем следующие допущения. Коэффициент поглощения металлов А находится в пределах 0,1–0,15, неоднородность пятна ϕ(rbeam) примем равной 0,7. Из (3) получаем Qmax ≈ 28 430 Вт / см2.
Имея значение Qmax, можем определить необходимую мощность лазерного источника, умножая Qmax на облучаемую площадь. В случае плоской поверхности это будет площадь круглого сфокусированного пятна. Для сферической поверхности припойного шарика в результате проведенных экспериментов получен поправочный коэффициент, равный ~3,5; тогда мощность лазерного источника Pист. равна:
Pист. = 3,5 · Qmax · πr2beam. (4)
Таким образом, припойному шарику диаметром 0,1 мм соответствует необходимое значение мощности лазерного источника ~5 Вт. При избыточной мощности возникают реактивные силы паров вскипания материала, которые могут быть причиной смещений паяных соединений и нарушения их формы (рис. 4а и рис. 4б соответственно).
Результаты оценки энергетических параметров для оплавления шариков диаметром 200, 300, 500, 600 и 760 мкм по вышеописанной методике приведены в табл. 2.
Как видно из табл. 2, для припойных шариков диаметром 760 мкм необходим лазерный источник с выходной мощностью до 60 Вт, при этом плотность потока излучения достигает величины 4,89 · 106 Вт / см2. Зависимости необходимой мощности лазерного излучения и длительности импульса от диаметра припойного шарика показаны на рис. 5 при источнике лазерного излучения с максимальной мощностью 100 Вт.
Автоматическая установка ЭМ‑4452
В ОАО «Планар-СО» изготовлен опытный образец автоматической установки монтажа объемных выводов методом лазерной пайки ЭМ‑4452, внешний вид которой представлен на рис. 6. Установка состоит из верхней и нижней частей. В верхней части располагается оптико-механическая система, координатная система перемещений, устройство включения и блокировки. Нижняя часть представляет собой тумбу электрооборудования, содержащую систему управления лазером и промышленный компьютер. Для управления установкой и наблюдения за рабочим процессом предусмотрен стол оператора, на котором размещены трекбол, клавиатура и монитор.
Лазерная система создана на основе волоконного лазера мод. ЛК‑100-ОМ-В сер. ЛК производства НТО «ИРЭ-Полюс» (РФ), входящего в Группу IPG, с длиной волны 1 064 нм, что соответствует ближнему ИК‑диапазону. Оптическая система установки ЭМ‑4452 позволяет получить радиус сфокусированного лазерного пятна порядка 40 мкм. В установке предусмотрена возможность выбирать мощность лазерного излучения и его продолжительность при пайке. Длительность импульса лазерного излучения программируется в пределах 0,1–300 мс с дискретностью 0,1 мс. При работе с малыми уровнями мощности излучения (<10 Вт) может использоваться широтно-импульсная модуляция.
Основные технические характеристики установки ЭМ‑4452 сведены в табл. 3.
Выводы
Разработана технологическая система формирования объемных припойных выводов на контактных площадках 2,5- и 3D‑конструкций изделий электроники.
Проведена оценка энергетических параметров процесса лазерной пайки припойных шариков, предложена методика выбора мощности источника лазерного излучения с учетом поправочного коэффициента для оплавления припойного шарика заданного диаметра.
ЛИТЕРАТУРА
Mausezahl M. [and ets]. Mechanical properties of laser-jetting SAC305 solder on coated optical surfaces // Physics Procedia. 2016. Vol. 83. PP. 532–539.
Tian Y., Wang C., Chen Y. Characteristics of laser reflow bumping of Sn3.5Ag and Sn3.5Ag0.5Cu lead-free solder balls // Journal of Materials Sciense&Technology. 2008. Vol. 24. No. 2. PP. 220–226.
Муонио Дж., Стадем Р. Лазерная пайка шариков припоя в BGA // Печатный монтаж. 2006. № 6. С. 20–21.
Laser solder jetting system /
www.pactech.com/equipment/solder-ball-attach / sb²-jet.
Лосев В. Ф., Морозова Е. Ю., Ципилев В. П. Физические основы лазерной обработки материалов: учебное пособие. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. 199 с.
Ланин В. Л., Петухов И. Б. Электроискровой процесс формирования шарика при термозвуковой микросварке в электронике // Электронная обработка материалов. 2013. № 49 (2). С. 59–62.
Рыжкин А., Ильясов В., Чуларис А. Лазерная микросварка в электронике: опыт использования и перспективы // Фотоника. 2009. № 2. С. 10–14.
Отзывы читателей
