激光锡球焊工艺在微机电产品中的应用

微机电系统（MEMS）是一种集成了微型机械元件和电子元件的系统，具有传感、控制和执行的功能。MEMS产品广泛应用于汽车、医疗、通信、航空航天等领域。由于MEMS产品的结构复杂和尺寸微小，其封装和互连技术对其性能和可靠性有着重要的影响，如图1所示。

图1.集成微机电系统

传统的回流焊接广泛用于基于助焊剂的植球焊接工艺，用于为微电子封装创建焊料凸块和互连。回流工艺前在金属焊盘上涂覆粘性助焊剂，以便在初始放置后固定锡球。此外，助焊剂还可以去除金属焊盘表面的氧化物层，并在回流过程中促进焊料润湿。

图2.传统植球焊接工艺

锡球和金属键合焊盘发生化学反应，在键合界面形成连续的金属间化合物(IMC)层。由于IMC层的活化能较低，即使锡球在室温下完全凝固，IMC层也会通过固态扩散机制继续生长。然而IMC本质上是脆性的，并且过厚的IMC层会恶化焊点的机械完整性，并影响组装电子封装的长期可靠性。尽管基于助焊剂的锡球焊接工艺因其可靠性和执行简单性而被广泛使用，但由于助焊剂上精细开口布局的制造精度限制，助焊剂和锡球的放置通常限于大于200μm的互连间距/锡球放置工具，与封装的金属焊盘直接匹配。

此外，传统的回流焊的几个机械处理步骤，如施加助焊剂、放置锡球以及清洁残留助焊剂，可能会对光电和微机电系统（MEMS）封装中的敏感器件造成损害。整个封装过程暴露在回流焊炉中的高温下，这对于热敏感器件来说是不利的。此外，由于热膨胀系数的不匹配，可能导致焊点失效。

由于微电子行业不断追求微型化和更好的性能， 给定面积内电子封装的输入/输出计数密度不断增加。传统基于助焊剂的植球工艺在满足更严格的间距公差以及光电子和MEMS封装中的组装挑战方面很快达到了瓶颈。为了应对新的封装需求，无助焊剂的激光锡球喷射技术得以发展。

激光锡球喷射技术是一种高度灵活且无助焊剂的锡球附着工艺，其热量低且对封装后的器件无机械应力。与传统回流焊相比，激光锡球喷射具有更高的能量输入和局部加热能力，使其非常适用于高温锡球合金。激光脉冲的能量被锡球吸收，导致锡球熔化并润湿到金属焊盘上，同时避免了与热相关的问题。

该技术的优势包括：
1.无助焊剂，避免了助焊剂残留物对封装和器件的污染和腐蚀。
2.锡球的直径和间距可以灵活调节，适用于不同的封装设计和要求。
3.激光束的能量和时间可以精确控制，实现了局部加热和快速冷却，减少了热应力和热变形。
4.激光锡球喷射过程无需接触，避免了对封装和器件的机械损伤和污染。

综上所述，激光锡球喷射技术是一种先进的无助焊剂锡球附着工艺，具有高效、可靠、灵活和环保的特点，适用于微机电产品的封装和互连，为微机电产品的性能和质量提供了保障。

审核编辑 黄宇