微電子封裝點(diǎn)膠技術(shù)的特點(diǎn)分析及研究

點(diǎn)膠技術(shù)概述

根據(jù)點(diǎn)膠原理不同，點(diǎn)膠技術(shù)大致可分為接觸式點(diǎn)膠和無接觸式點(diǎn)膠，如圖１所示。接觸式點(diǎn)膠依靠點(diǎn)膠針頭引導(dǎo)膠液與基板接觸，延時(shí)一段時(shí)間使膠液浸潤(rùn)基板，然后點(diǎn)膠針頭向上運(yùn)動(dòng)，膠液依靠和基板之間的黏性力與點(diǎn)膠針頭分離，從而在基板上形成膠點(diǎn)。這項(xiàng)點(diǎn)膠技術(shù)的最大特點(diǎn)是需要配置高精度的高度傳感器，以準(zhǔn)確控制針頭下降和抬起的高度。無接觸式點(diǎn)膠則以一定方式使膠液受到高壓作用，由此獲得足夠大動(dòng)能后以一定速度噴射到基板上，噴射膠液過程中，針頭無Ｚ軸方向的位移。

點(diǎn)膠技術(shù)正在經(jīng)歷一場(chǎng)由接觸式向無接觸式的轉(zhuǎn)變

接觸式點(diǎn)膠

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大量式點(diǎn)膠

大量式點(diǎn)膠包括針轉(zhuǎn)移式點(diǎn)膠和絲網(wǎng)印刷式點(diǎn)膠，如圖２所示。這種傳統(tǒng)的點(diǎn)膠方式點(diǎn)膠速度快，主要用于印刷電路板（ＰＣＢ）大規(guī)模生產(chǎn)線上，但其缺乏柔性，點(diǎn)膠精度不高，一致性差，并且膠液直接暴露在空氣中，容易吸水和揮發(fā)。針轉(zhuǎn)移式點(diǎn)膠適應(yīng)性較差，不同膠點(diǎn)樣式須更換針板，并且點(diǎn)膠過程中，膠液反復(fù)加熱，使用壽命短。絲網(wǎng)印刷式點(diǎn)膠只適用于比較平整的表面，遺憾的是集成電路一般表面都是凹凸不平的，這使其應(yīng)用受到了限制。

針頭式點(diǎn)膠

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計(jì)量管式點(diǎn)膠和活塞式點(diǎn)膠

繼大量式點(diǎn)膠之后，經(jīng)過長(zhǎng)期探索和研究，相繼出現(xiàn)了計(jì)量管式點(diǎn)膠和活塞式點(diǎn)膠等新型點(diǎn)膠方式。如圖３ａ、圖３ｂ所示，它們都是通過壓力驅(qū)動(dòng)膠液流出，可獲得直徑較小的膠點(diǎn)。計(jì)量管式點(diǎn)膠由螺桿旋轉(zhuǎn)提供連續(xù)壓力，迫使膠液從針頭流出，能容易地畫出線和圓等連續(xù)圖案，但點(diǎn)膠量大小與螺桿幾何參數(shù)有關(guān)，不易控制；活塞式點(diǎn)膠靠活塞推動(dòng)腔體內(nèi)膠液的流出，該裝置點(diǎn)膠一致性好，但膠量也難控制，且清洗復(fù)雜，密封要求高。

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時(shí)間/壓力型點(diǎn)膠

目前，應(yīng)用最廣泛的點(diǎn)膠方式是時(shí)間／壓力型點(diǎn)膠，其最早是被應(yīng)用于ＳＭＴ（表面貼裝技術(shù)）中，它通過脈動(dòng)的氣壓擠壓針筒內(nèi)活塞，將流體通過底部針頭擠出至基板，如圖３ｃ所示。

該點(diǎn)膠技術(shù)適用于中等黏度的流體，膠點(diǎn)的大小取決于氣體壓力和作用時(shí)間。這種設(shè)備便宜、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、適用性好、方便清洗。但它對(duì)流體黏度敏感，氣壓反復(fù)壓縮釋放過程易使流體溫度升高，影響流體流變特性，點(diǎn)膠速度難以提高，同時(shí)影響形成的膠液直徑大小的一致性，相對(duì)其他點(diǎn)膠方式一致性差（表１）。另外，隨著針筒內(nèi)的膠量改變，膠點(diǎn)的大小會(huì)隨著變化，響應(yīng)速度變慢。

無接觸式點(diǎn)膠

電子封裝將向高密度、超小型、超高集成度和三維封裝的方向發(fā)展；流體分配的速度需要大于４５０００點(diǎn)／ｈ；使用的流體材料黏度范圍越來越大，種類也越來越多，尤其是開始應(yīng)用非牛頓流體材料，非牛頓流體材料復(fù)雜多變的特性使得點(diǎn)膠的性能和品質(zhì)難以保證。這些原因使得傳統(tǒng)的接觸式點(diǎn)膠已不能適用于未來的電子封裝產(chǎn)業(yè)，并在其應(yīng)用過程中逐漸暴露出各種缺陷：針頭與元件靠得很近而容易損傷元件；針頭需做Ｚ向位移運(yùn)動(dòng)，影響了點(diǎn)膠速度，且設(shè)備需配置高度傳感器精確控制Ｚ向位移；針頭點(diǎn)膠無法到達(dá)空間狹小的地方等。因此，探索和研究新型點(diǎn)膠方式，使其更適應(yīng)電子封裝行業(yè)的發(fā)展與應(yīng)用，已成為當(dāng)前的熱門課題。

最近２０年，點(diǎn)膠技術(shù)在控制流體沉積、針頭定位和膠點(diǎn)一致性方面都得到很大進(jìn)步，點(diǎn)膠速度也得到了較大提高，最新點(diǎn)膠方式（由Ｍｙｄａｔａ提出）的速度最高可達(dá)４００點(diǎn)／ｓ，點(diǎn)膠技術(shù)也正逐漸從接觸式點(diǎn)膠轉(zhuǎn)化為能高度自動(dòng)化操作的無接觸噴射點(diǎn)膠。噴射點(diǎn)膠技術(shù)由噴墨技術(shù)演變而來，它的出現(xiàn)為電子封裝行業(yè)帶來了深遠(yuǎn)影響。

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噴墨技術(shù)

噴墨技術(shù)是將墨水噴涂到基底上的技術(shù)，有熱氣泡式和壓電式兩種（圖４），主要用于印刷、壓電式噴墨，還運(yùn)用于藥劑生產(chǎn)。熱氣泡式噴墨通過熱敏電阻加熱墨水產(chǎn)生氣泡，氣泡爆破使墨水噴出形成墨滴；壓電式噴墨利用壓電材料的壓電效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)械力，并以機(jī)械動(dòng)作將墨水“擠”或“推”出去。早期，人們已經(jīng)意識(shí)到噴墨技術(shù)可應(yīng)用于電子封裝工業(yè)，獲得小至１０ｐＬ的液滴，且可控制噴射速度，在基底上可噴射得到各種樣式的圖案。但電子封裝中使用的流體黏度較高（１～１００Ｐａ·ｓ），如圖５所示，而噴墨技術(shù)只能噴射像墨水這樣的低黏度流體（通常是０．０３Ｐａ·ｓ以下），很難應(yīng)用于除墨水之外的其他流體材料。

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噴射點(diǎn)膠技術(shù)

噴射點(diǎn)膠的研究還在起始階段，技術(shù)相對(duì)還不成熟，這項(xiàng)技術(shù)主要是采用瞬間高壓驅(qū)動(dòng)膠液噴出，使流體材料沉積到基底的固定位置上（圖６），每次噴射只能得到一個(gè)膠點(diǎn)，通過逐次疊加可以得到其他形式的圖案，其應(yīng)用的流體黏度范圍廣，幾乎可以運(yùn)用于電子封裝中的各種流體，而且噴射速度快、膠點(diǎn)一致性好、適應(yīng)性強(qiáng)。噴射式點(diǎn)膠成功克服了接觸式針頭點(diǎn)膠的缺陷，沒有Ｚ向位移，使得點(diǎn)膠品質(zhì)不受噴頭與基板距離的影響，提高了膠點(diǎn)一致性，同時(shí)，點(diǎn)膠速度也有很大提高，噴射頻率可達(dá)50000點(diǎn)／ｈ以上（表１），而且噴射式點(diǎn)膠可以適應(yīng)很復(fù)雜的封裝環(huán)境，實(shí)現(xiàn)液滴的準(zhǔn)確定位，但噴射不同大小的液滴需更換噴嘴，操作柔性較差，噴射較高黏度流體時(shí)須配置溫控器。近年來，出現(xiàn)了一些能控制液滴大小的噴射點(diǎn)膠系統(tǒng)，使得噴射點(diǎn)膠的性能得到了進(jìn)一步改善。

由于未來電子封裝密度將會(huì)大幅度提高，傳統(tǒng)的接觸式針頭點(diǎn)膠已不能滿足應(yīng)用要求，相對(duì)其他點(diǎn)膠技術(shù)，噴射點(diǎn)膠技術(shù)更能適應(yīng)這樣的發(fā)展趨勢(shì)，具有更好的應(yīng)用前景，它正快速發(fā)展成為電子集成、半導(dǎo)體封裝和平板顯示集成點(diǎn)膠的標(biāo)準(zhǔn)方式。目前，噴射點(diǎn)膠技術(shù)有機(jī)械式和壓電式兩種，壓電式點(diǎn)膠主要應(yīng)用于低、中黏度流體，機(jī)械式點(diǎn)膠則可以噴射黏度較高的流體。當(dāng)配置溫控器時(shí)，兩種方式基本上都能應(yīng)用于電子封裝中的各種流體材料。

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機(jī)械式噴射點(diǎn)膠

機(jī)械式噴射點(diǎn)膠在電子制造業(yè)中已得到很好發(fā)展，主要用于噴射高黏度流體。在此種噴射方式下，流體只需要用相對(duì)較低的壓力引入到料腔中。通常芯片下填充料粘結(jié)劑的壓力小于０．１ＭＰａ，液晶之類的低黏度材料需要的壓力在０．０１ＭＰａ左右。如圖７所示，料筒中的流體通過供料系統(tǒng)壓力作用流入閥腔，當(dāng)閥桿向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體流入閥腔內(nèi)，由于噴嘴非常小且供料系統(tǒng)提供的壓力足夠，故空氣無法從噴嘴位置抽入到系統(tǒng)中。隨后，閥桿以設(shè)定的速度快速向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)流體流動(dòng)，當(dāng)閥桿與閥座接觸時(shí)，迫使一束流體從噴嘴噴射出去。

這種噴射方式中，閥桿前端與閥座恰好接觸時(shí)，一定體積的流體被卡在兩者之間的間隙里，并只能經(jīng)過閥座上的噴嘴才能流出，閥桿運(yùn)動(dòng)很快從而使這部分流體受到的瞬時(shí)壓力非常大。如圖８所示，此時(shí)，噴嘴處流體的動(dòng)能急速增加，使得這部分流體可獲得足夠速度而噴出，并到達(dá)基板固定位置上。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于液體在噴嘴位置可以獲得很大的瞬時(shí)壓力，因此可以噴射那些黏度很高的流體；缺點(diǎn)是所噴射出的膠點(diǎn)尺寸比壓電式或熱氣泡式大很多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且噴射頻率比壓電式的低。國(guó)內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)）對(duì)這類噴射設(shè)備研究較多。其中，華中科技大學(xué)張鴻海等開發(fā)的氣缸式噴射點(diǎn)膠系統(tǒng)的最高工作頻率為３０Ｈｚ，最小膠點(diǎn)直徑為0.7ｍｍ。

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壓電式噴射點(diǎn)膠

壓電式噴射點(diǎn)膠利用了壓電材料的逆壓電效應(yīng)，噴射頻率高、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且噴射可以獲得直徑小至１０μｍ的膠點(diǎn)；另一方面，壓電結(jié)構(gòu)的控制精度高，可提高噴射點(diǎn)膠品質(zhì)。但壓電式噴射點(diǎn)膠的流量小，若要提高噴射流量需要采用放大機(jī)構(gòu)或增大噴射裝置的體積；另外，使用的壓電材料都比較脆，容易老化。目前壓電式噴射裝置分為以下兩種類型。

第一類壓電式噴射點(diǎn)膠作為熱噴墨印刷技術(shù)的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手出現(xiàn)，應(yīng)用于ＬＥＤ中有機(jī)顏料的注入，工作頻率可達(dá)２０ｋＨｚ。壓電式噴射器應(yīng)用壓電材料的變形，直接推動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)，流體在內(nèi)外壓力差的作用下加速?gòu)膰娮靽姵?，形成液滴。這項(xiàng)技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)在于可以采用噴射器陣列，并且可以以很高的速度噴射材料的小液滴。但只能用于噴射黏度小于０．０３Ｐａ·ｓ的流體材料，而且流體中存在的氣泡會(huì)導(dǎo)致噴射困難。

第二類壓電式噴射點(diǎn)膠實(shí)現(xiàn)噴射的方法是快速的打開和關(guān)閉噴嘴，其噴射頻率最高可達(dá)２００點(diǎn)／ｓ。如圖所示，在閥桿與噴嘴貼合時(shí)，噴射閥處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)噴射閥中流體處于相對(duì)較大的壓力下（黏度為０．０３Ｐａ·ｓ的流體受到的壓力超過０．２ＭＰａ，黏度更大的材料所受壓力則會(huì)更高），然后打開噴嘴，一束流體在壓力驅(qū)動(dòng)下從噴嘴迅速流出，然后關(guān)閉噴嘴，快速的關(guān)閉將使流體切斷，這一束流體所獲得的動(dòng)能可以使其以一定速度飛離噴嘴而到達(dá)基板上。其中，開關(guān)閥動(dòng)作由壓電致動(dòng)器控制，壓電致動(dòng)器與一個(gè)杠桿系統(tǒng)或位移放大機(jī)構(gòu)配合使用，可以實(shí)現(xiàn)精確快速的閥門開啟和關(guān)閉動(dòng)作。為了精確控制從噴嘴飛出液體的量，噴嘴打開和關(guān)閉的動(dòng)作必須快速且重復(fù)性好。要獲得更小的液滴，須要采用尺寸較小的噴嘴，使流體控制壓力更高，并且開關(guān)閥動(dòng)作更快。該噴射技術(shù)在電子器件包封的紫外固化粘結(jié)劑上的應(yīng)用非常成功。

噴射式點(diǎn)膠關(guān)鍵技術(shù)

如前所述，點(diǎn)膠速度、品質(zhì)以及操作性是評(píng)價(jià)點(diǎn)膠系統(tǒng)性能好壞的關(guān)鍵，其中點(diǎn)膠品質(zhì)是其評(píng)價(jià)的重點(diǎn)。噴射點(diǎn)膠具有速度快、操作性好和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

由于電子封裝過程各個(gè)工藝之間相互關(guān)聯(lián)，而且最終的產(chǎn)品性能也不單單取決于點(diǎn)膠，因點(diǎn)膠品質(zhì)評(píng)定也不存在一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)點(diǎn)膠技術(shù)在微電子封裝中的應(yīng)用，本文評(píng)價(jià)點(diǎn)膠品質(zhì)指標(biāo)是膠點(diǎn)的準(zhǔn)確性與一致性。準(zhǔn)確性指膠點(diǎn)大小符合所需要的尺寸，以及液滴的定位準(zhǔn)確；一致性指噴射一系列膠點(diǎn)直徑和質(zhì)量誤差大小。合格的膠點(diǎn)大小合適，形狀為均勻的正圓，并且膠點(diǎn)一致性好；噴射出的膠點(diǎn)出現(xiàn)大小不合格、“衛(wèi)星滴”或氣泡等都說明點(diǎn)膠品質(zhì)差（圖１０）。影響最終噴射點(diǎn)膠品質(zhì)的因素有很多，主要有流體黏度及控制溫度、供料壓力、噴嘴形狀、閥桿行程、脈沖寬等。

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流體黏度及控制溫度

黏度是流體流動(dòng)性的一種量度，它決定著流體所需要推力的大小，是流體能否形成噴射的關(guān)鍵因素，低黏度的流體容易被噴射出去。當(dāng)流體材料的黏度過大時(shí)，流體噴射所需動(dòng)量增大，會(huì)出現(xiàn)流體材料無法噴射出去的現(xiàn)象。因而，一般噴射裝置都會(huì)配置溫度控制器，針對(duì)黏度較大的流體，可以通過加熱使其黏度下降以達(dá)到噴射的條件，噴射出的膠點(diǎn)大小隨溫度升高而增大（圖１１）。溫度控制不當(dāng)會(huì)影響最終膠點(diǎn)的品質(zhì)，過低的溫度使得液滴無法噴射，流體堆積在噴嘴附近，以致影響后續(xù)的噴射；過高的溫度則會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)“衛(wèi)星滴”，降低噴射點(diǎn)膠準(zhǔn)確度，還會(huì)改變流體性能，因此，研究流體材料流變特性及其適宜的噴射溫度很重要。

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供料壓力

供料壓力的作用是使料筒中的流體材料及時(shí)補(bǔ)充至噴嘴附近。通常，黏度大的流體材料需要更大的壓力才能使其流動(dòng)，因此，針對(duì)不同的噴射方式和流體黏度，應(yīng)當(dāng)設(shè)置不同的供料壓力。一般情況下，壓電式噴射比機(jī)械式噴射所需的供料壓力大。

供料壓力影響噴射膠點(diǎn)品質(zhì)及膠點(diǎn)尺寸。當(dāng)供料壓力不足時(shí)，會(huì)出現(xiàn)噴射斷斷續(xù)續(xù)或是無膠液噴出的現(xiàn)象；供料壓力過大將導(dǎo)致得到的膠點(diǎn)過大，甚至?xí)卸嘤嗟哪z液在噴嘴周圍堆積，導(dǎo)致噴嘴不能正常工作。另外，隨著供料壓力增大，相應(yīng)噴射膠點(diǎn)也會(huì)增大（圖１２）。

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噴嘴形狀

噴嘴形狀及大小直接影響噴射膠點(diǎn)的品質(zhì)。噴嘴形狀應(yīng)當(dāng)為正圓形，否則將影響點(diǎn)膠的一致

性，而且容易導(dǎo)致流體在噴嘴外部堆積，造成無法繼續(xù)噴射；噴嘴尺寸與噴射膠點(diǎn)直徑密切相關(guān)，噴嘴越小，膠點(diǎn)越小，但過小的膠點(diǎn)容易導(dǎo)致固定不牢，而太大的膠點(diǎn)會(huì)對(duì)鄰近元件形成干擾。因此，設(shè)計(jì)加工合格噴嘴是獲得品質(zhì)良好、大小合適的膠點(diǎn)的必要前提。

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閥桿行程

噴射點(diǎn)膠工藝中，閥桿行程大小決定著閥桿推力的大小，小行程能獲得尺寸較小的膠點(diǎn)（圖１３），但過小的行程則會(huì)導(dǎo)致閥桿推力小，流體因此不能獲得足夠的動(dòng)量克服表面張力而噴射出去，而在噴嘴外部形成堆積，故機(jī)械式噴射點(diǎn)膠中，閥桿行程一般不小于０．５ｍｍ；行程大時(shí)，膠液獲得的動(dòng)量較大，膠點(diǎn)噴射出去的速度很高，甚至?xí)霈F(xiàn)霧化現(xiàn)象，容易在膠點(diǎn)形成許多的“衛(wèi)星滴”。

壓電式噴射點(diǎn)膠中，閥桿行程大小還與流體材料黏度有關(guān)，黏度大的流體應(yīng)設(shè)置較大的閥桿行程，使流體能夠及時(shí)補(bǔ)充以維持連續(xù)噴射；黏度小的流體流動(dòng)性能好，只需設(shè)置較小的行程。

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脈沖寬

機(jī)械式噴射點(diǎn)膠中，脈沖寬指驅(qū)動(dòng)氣壓作用使閥桿抬起時(shí)間的長(zhǎng)短；在壓電式中則是指壓電陶瓷導(dǎo)通脈沖寬，即一個(gè)周期內(nèi)閥門開啟時(shí)間。通常，通過控制脈沖寬時(shí)間可以得到尺寸合適、一致性良好的膠點(diǎn)。脈沖寬決定著膠液的補(bǔ)充時(shí)間，一方面，它影響噴射膠點(diǎn)的大小，并且與膠點(diǎn)尺寸大小成正比（圖１４），另一方面，它影響了噴射膠點(diǎn)的品質(zhì)，脈沖寬時(shí)間太短，會(huì)出現(xiàn)膠液堆積在噴嘴處而無法噴射的現(xiàn)象；脈沖寬時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)由于膠液補(bǔ)充量大而引起多余膠液滲出。

除了以上參數(shù)，影響點(diǎn)膠品質(zhì)的還有操作電壓、噴嘴孔徑、脈沖頻率等。噴射點(diǎn)膠工藝實(shí)際應(yīng)用中，可以通過調(diào)整以上參數(shù)來改善噴射膠點(diǎn)品質(zhì)。膠點(diǎn)品質(zhì)的好壞一般與多個(gè)因素相關(guān)，任何一個(gè)參數(shù)的變化都可能會(huì)導(dǎo)致膠點(diǎn)其他方面的改變。當(dāng)噴射點(diǎn)膠過程中出現(xiàn)有缺陷的膠點(diǎn)時(shí)，調(diào)整過程要按由點(diǎn)及面的方式進(jìn)行，應(yīng)對(duì)這種可能的因素逐項(xiàng)檢查，進(jìn)而排除。總之，在生產(chǎn)中應(yīng)該按照實(shí)際情況來調(diào)整各參數(shù)，既要保證生產(chǎn)質(zhì)量，又能提高生產(chǎn)效率。

審核編輯：郭婷