激光重熔钎料凸点的思想是从激光软钎焊发展而来的。激光软钎焊方法能够在很短的时间内使被连接处形成一个能量密度高度集中的局部加热区,封装器件不会产生热应力,热敏感性强的器件不会受热冲击。同时还能细化焊点的结晶晶粒度从而也提高了焊点的韧性与抗疲劳性能。自从1974 年美国的C. F. Bohman 率先将CO2 激光应用于微电子组装软钎焊以来,激光软钎焊设备和工艺得到了迅速的发展,并且在QFP 器件的表面组装中得到了应用。伴随着面阵列电子封装器件的出现和应用,人们开始将激光软钎焊的思想用在了阵列式封装钎料凸点成形或连接工艺中。

1996 年德国Fraunhofer IZM 与柏林Pac Tech 公司合作开发了无钎剂钎料凸点成型机。该机器包括一个Z 轴可控的分球装置头、用于重熔的激光束与用于基板定位的可精确控制的X - Y 工作台。该设备在工作时分球装置首先把钎料球导入吸嘴,然后用N2 气将球吹到芯片焊盘上,短脉冲激光迅速对钎料球进行重熔。由于采用N2 气保护,因此获得的钎料凸点成形良好。该设备可以在芯片和基板上制作尺寸从FC(100μm) 至BGA(1 mm) 的钎料凸点,而且可以放置间距为150μm 的钎料球。既适合于PbSn钎料,也适合于高熔点无铅钎料如AuSn。激光无钎剂钎料凸点成形机如图1 所示。

在激光重熔光源的选择研究方面,Nd : YAG激光、半导体激光均被人们所采用。一般研究表明,采用YAG激光进行重熔要优于CO2 激光,因为PCB 材料对波长为10. 6μm 的CO2 激光的吸收率远大于波长为1. 06μm 的YAG激光,而未熔化钎料对CO2 激光的反射率也大于YAG激光,因此在保证加热效率的同时可有效防止凸点激光反射对基板的损伤,而且YAG激光可利用光导纤维传输激光能量。半导体激光的波长更短(780～830 nm) ,辐射能量更易被钎料吸收;同时半导体激光器的电—光转换效率可达30 % ,而CO2 激光器只有10 % ,YAG激光器仅有1 %～3 %;此外半导体激光器结构极为紧凑,维护简单,这些特点使半导体激光器在自动化

的激光重熔系统中表现出巨大的吸引力,并将成为今后主要发展方向。目前典型的半导体激光二极管阵列的输出功率已达20～50 W。图2 为松下公司研制的具有视觉系统的激光二极管阵列重熔系统。该系统的核心是激光二极管阵列光源,通过光纤束传递激光,并利用绝缘镜校直激光与待重熔部位对准。

1999 年柏林工业大学Fraunhofer 学院与PacTech GmbH 公司合作开发了激光光纤推进连接(FPC) 方法,实现了芯片级尺寸封装的载带与芯片共晶Au - Sn 钎料凸点之间的连接。如图3 所示,该方法通过喷嘴推进在载带后方施加完成连接所需要的连接力,同时采用高度稳定的玻璃光纤传递Nd :YAG激光并加热待连接部位,Au - Sn 钎料熔化完成芯片凸点与载带之间的连接。

总之,近年来国外对激光重熔方法及设备的研究是相当活跃的,随着机器人技术、光电子技术的发展,激光器类型不断更新,其自动化程度及激光可控调制特性都在提高,应用领域也在逐步拓展。激光重熔将在面阵列封装器件钎料凸点成形方面发挥越来越重要的作用。