喷墨打印技术在半导体芯片封装上的应用

MicroFab为半导体制造行业开发出了先进的焊料沉积系统，其Solder Jet®焊料喷射技术是基于压电按需模式的喷墨打印技术，能够以每秒2000次的速度放置直径为25-125μm的熔化焊料滴，不仅将芯片封装中复杂的8步凸点工艺精简至1步工艺，且打印精度高，拥有可观的成本优势。

MicroFab使用喷墨打印技术在数据储存方面有很多的应用前景，能够制作各种各样以及定制化的电子器件。打印可使用的材料包括光学粘合剂、紫外光固化胶、指数调节热塑性配方材料和其他特殊粘合剂。MicroFab拥有高温喷墨打印喷头的专利，该技术可在高达240°C的温度下打印粘合材料。通过改变工艺参数，可以打印出尺寸从10微米到几毫米的点阵、线、面，精度可达1微米。

喷墨打印技术

喷墨打印的优点是打印的位置，单次打印量以及墨水在整个区域的分布都能够做到精确控制。喷墨打印的精密可控性能够使其应用于探索更多的领域：

1）MEMS以及小型平板显示器玻璃上密封的薄而窄的结合线；

2）微光学器件上非常小的元件的连接；

3）对精度和速度都要求很高的填充孔；

4）医疗设备、曲面、MEMS组件需要非接触式粘合，以防止损坏或者污染器件；

5）需要在同一个部件上打印导电和不导电连接的应用；

6）用于电子封装的凸点工艺制备。

传统封装技术

由于IC芯片的集成度越来越高，尺寸越来越小，倒装焊技术在封装工艺上得到广泛应用。芯片倒装的英文名称为Flip Chip，即让芯片的接触点与基板、载体、电路板相连，在相连的过程中，由于芯片的凸点是朝下连接，因此称为倒装。

在典型的倒装芯片封装中, 芯片通过3到5个密耳（mil）厚的焊料凸点连接到芯片载体上，底部填充材料用来保护焊料凸点。芯片中的凸点金属化是为了将半导体中P-N结的性能引出，其中热压倒装芯片连接最合适的凸点材料是金，凸点可以通过传统的电解镀金方法生成，或者采用钉头凸点方法，后者就是引线键合技术中常用的凸点形成工艺。

凸点工艺是倒装芯片封装中重要的工序之一，以工业中典型的焊料凸点工艺为例，如下图所示；传统的焊料凸点工艺需要经过光刻，刻蚀，回流焊等8步工艺，不仅工艺复杂，而且成本较高。应用MicroFab的Solder Jet®技术只需要1步就能完成凸点工艺，不仅效率高，而且能够大大降低生产成本。

Solder Jet®技术

MicroFab为电子制造行业开发出了先进焊料沉积设备，其Solder Jet®焊料喷射技术是基于压电按需模式来喷墨打印，能够产生直径为25-125μm，每秒2000次的熔化焊料滴。基于焊料喷射的沉积是低成本的（不需要工具）、非接触的、灵活的和数据驱动的（不需要光刻刻蚀或掩模，因为打印信息直接由CAD设计，并以数字方式存储），并且是环境友好的（这是一个没有副产物的增材制造过程）。

目前倒装芯片工艺中使用的焊料凸点（solder bump）通常在100微米左右，随集成电路的小尺寸，高密度的发展，对于倒装技术的焊料凸点尺寸会越来越小。MicroFab研发团队在硅片上进行了大量实验，以评估喷墨打印技术对小尺寸凸点的适用性。如下图3所示：

实验中，为了使焊料喷射能够实时打印，打印头以每秒200滴的速度和2mm/s的运动速度在未形成图案的基板上以恒定的速度进行打印。结果如图4所示。惰性环境的有效性由沉积凸起的圆点来证明：在飞行和撞击过程中形成大量氧化物的液滴由于倾斜撞击而呈泪滴状。这些实验以高达100mm/s的衬底速度重复进行，性能没有显著下降。

MicroFab团队还开发出了新的无铅喷墨打印技术，用于制造高密度IC封装。皮升级的焊料（直径小于25μm）可在高达240℃的高温下进行打印。设备利用数字化驱动拥有更高的集成度，更低的成本和更高的灵活性。MicroFab团队还将Solder Jet®技术应用在3D封装上，并提出了一套完整的解决方案，如图5所示，芯片与芯片之间完全用Solder Jet®技术来键合。Solder Jet®技术潜在的应用包括：集成电路封装，芯片级封装，光电互联和印刷电路板制备。焊料可以每秒超过2000个bumps打印在基板上，相关的垂直通孔也可以进行打印。

资料来源：美国MicroFab公司