微波多芯片组件中微量导电胶分配技术探讨*

2014-09-19林文海

电子与封装 2014年1期

关键词：胶液芯片组胶水

宋夏，林文海

（中国电子科技集团公司第38研究所，合肥 230088）

1 引言

微波多芯片组件直接使用裸芯片装配，使得组件的尺寸及重量显著减小，大大节省了由于芯片封装而引入的体积，实现了更高的集成度[1]。这一特点使微波多芯片组件在小型化、轻量化、多功能、高可靠的机载、舰载和星载雷达通讯系统中得到了广泛的应用[2]。

导电胶粘接是裸芯片在微波多芯片组件中固定的最常用方法之一，其工艺相对简单，可操作性强。但是随着微波多芯片组件功能集成度的提高，组装密度也随之提高。

目前微波多芯片组件中使用的最小器件仅有0.25 mm×0.25 mm，器件间距0.2 mm，其示意图如图1所示。此外为了保证元器件的可靠粘接，要求导电胶粘接固化后，元器件至少三面可以看到导电胶溢出，两个元器件不能发生短路，并且溢出的导电胶间距需大于0.05 mm，防止导电胶短路引起的粘接失效。这就对微量导电胶点的分配提出了很高的要求。导电胶分配精度和胶量控制直接影响到微波多芯片组件组装的一致性和成品率。

本文针对微波多芯片组件中微量导电胶自动分配工艺要求，对现有常用的点胶方法一一介绍，分析各种点胶方法的优势及缺点，并提出各种点胶方法在微波多芯片组件微量导电胶分配的应用方法和建议。

2 微波多芯片组件点胶技术概述

微波多芯片组件常用的封装形式有两种，即先在平面基板上装配元器件再安装围框盖帽（a）和先在腔体管壳基板上装配元器件再安装平面盖帽（b）。其中方式（a）常应用于塑料封装，方式（b）常用于陶瓷或金属材料封装，在雷达通讯系统中使用的微波多芯片组件为了获得密封性能更多采用方式（b）腔体结构封装方式。

图2 微波多芯片组件两种封装方式

在腔体结构基板上点胶遇到的最大挑战是对点胶头的尺寸或者对点胶距离有限制，即需要使用细小的点胶头能够深入到腔体内部点胶，或者使用较大的点胶头在腔体外部非接触式点胶。

根据电路功能具体设计要求，微波多芯片组件的外形尺寸可大可小，深度一般在3～12 mm之间，例如某种微波组件的内部尺寸为13 mm×7 mm，腔体深度3 mm，胶点离侧壁最近距离为1 mm，若使用伸入腔体内部接触式点胶，为了安全要求点胶头直径小于1.5 mm；若在腔体外部无接触式点胶，对点胶头尺寸没有要求，但是点胶距离需要大于腔体深度3 mm。

在微电子封装行业中，根据点胶原理的不同，点胶技术主要可以分为接触式点胶和无接触式点胶，如图3所示。接触式点胶依靠点胶针头引导胶液与基板靠近（间隙很小），排胶，延时一段时间使胶液浸润基板，然后点胶针头向上运动，胶液依靠和基板之间的黏性力与点胶针头分离，在基板上形成胶点。这种点胶技术的最大特点是需要配置高精度的高度传感器，以准确控制针头下降和抬起的高度。无接触式点胶则以一定方式使胶液受到高压作用，由此使胶液获得足够大动能后以一定速度喷射到基板上，喷射胶液过程中，针头无Z轴方向的位移。接触式点胶和非接触式点胶对比情况如表1所示[3]。

图3 接触式和非接触式点胶示意图

表1 接触式点胶和非接触式点胶情况对比

3 接触式点胶

3.1 接触式点胶介绍

接触式点胶主要有计量管式、活塞式和时间/压力型三种类型，如图4所示。

图4 接触式点胶方式

时间/压力型点胶是目前应用最广泛的点胶方式，它通过脉冲的气压挤压针筒内活塞，将流体通过底部针头挤出至基板，如图4（c）所示。该点胶技术适用于中等黏度的流体，胶点的大小取决于气体压力和作用时间。这种设备价格便宜、操作简单、维护方便、适用性好、方便清洗。但它对流体黏度敏感，气压反复压缩释放过程易使流体温度升高，影响流体流变特性，点胶速度难以提高，同时影响形成的胶液直径大小的一致性。另外，随着针筒内的胶量改变，胶点的大小会随之变化，响应速度变慢。

计量管式点胶和活塞式点胶都是通过压力驱动胶液流出，可获得直径较小的胶点。计量管式点胶由螺杆旋转提供连续压力，迫使胶液从针头流出，能容易地画出线和圆等连续图案，但点胶量大小与螺杆几何参数有关。活塞式点胶靠活塞推动腔体内胶液的流出，该装置点胶一致性好，但胶量也难控制，且清洗复杂，密封要求高。三种接触点胶方式的情况对比如表2所示。

表2 典型接触式点胶方式性能对比

在微波多芯片组件中主要使用环氧树脂银导电胶作为粘接剂，其黏度一般为20～100 Pa.s @23℃，产品需要最小点胶直径为0.25～0.30 mm，同时综合考虑点胶设备的易用性和易维护性，在微波多芯片组件自动点胶中一般使用计量管式点胶。

3.2 计量管式点胶

计量管式点胶如图4（a）所示，首先把胶水注入到点胶头腔体中，再使用伺服电机驱动点胶头中的螺杆旋转，把胶通过针头挤出，根据螺旋杆旋转的角度，决定出胶的多少。计量管式点胶产品的工作过程是通过旋转产生的压力把连续的胶水挤出，这使得点胶头内部的压力要大于大气压力，在点胶阀螺杆不旋转时，点胶针头的末端会漏胶。螺杆内的压力越大、时间越长、胶的黏度越小，漏胶就越严重。

3.3 计量管式点胶需要解决和研究的问题

3.3.1 解决针头漏胶问题

针头漏胶是计量管式点胶方式原理决定的，不可避免。漏胶问题对于大剂量的点胶是可以忽略不计的，但是对于某产品0.25～0.30 mm直径的胶点来说是必须解决的问题，因为待机1 min漏出的胶水点到基板上其胶点直径就已经大于0.5 mm，时间越长，漏胶越多，胶点越大；此外，在点胶时，由于针头运动的路径长度不同，漏胶对各个胶点的影响也不尽相同，使得对胶点的一致性很难控制。

对于针头漏胶的问题，主要从两个方面去思考解决：

第一，待机时漏胶。在对产品点胶前，可以考虑在点胶平台上靠近产品的位置预先点出几十个点，除去漏出的胶水，待胶点大小稳定后再进行产品点胶；

第二，点胶时，针头在移动过程中漏胶。此种情况漏胶的胶量很少，但是为了获得高一致性的胶点，需要规划胶点的类型，把相同胶量的胶点一次点完，在点胶路径选择上尽量让针头在各个胶点之间移动的路径长度相等，这样漏胶对各个胶点的影响相同，再对胶量进行精确调整，就可以消除漏胶对点胶的影响。

3.3.2 点胶间隙的确定

接触式点胶的特点是点胶针头靠近点胶基板但不接触，挤出胶水，胶水和基板接触。由于胶水表面张力的作用，当针头抬起后，会有一部分的胶水留在基板表面，完成一次点胶，如图5所示。当间隙很小时，胶水被压得很低，当间隙合适时，胶水为球缺状，当间隙大时，胶点会立在基板表面，当间隙大于胶点的直径时，胶水会留在针头表面，而基板上没有胶水。

因此，为了获得低平、较小的胶点需要使用较小的间隙，为了获得较高、较大的胶点，需要使用较大的间隙。经测试，要获得0.25～0.30 mm的胶点，点胶间隙估计在0.03～0.08 mm之间，为了获得这样的点胶间隙，高效高精度的测高手段也是需要考虑的一项内容，目前激光测高技术可以完成这样的测量进度要求。

图5 点胶间隙对胶点形状的影响示意图

3.3.3 点胶基板表面特性对胶点的影响

前文已经说明，胶水是通过与基板之间的表面张力和针头分离，表面张力的大小对胶点的大小有着重要的影响。即在相同的点胶参数下，表面张力大，则胶点大；表面张力小，则胶点小。

经过初步研究，同种材料，粗糙表面的表面张力要小于光滑表面的表面张力。也即是使用同种胶水，相同的点胶参数，在同种材料不同粗糙度的表面进行点胶，留在光滑表面的胶水比留在粗燥表面的胶水多。

此外，由于重力的作用，点完胶后，胶点在基板上会发生微弱的流动，这种微弱的流动会改变胶点的大小，这种流动的发生同样和基板表面特性密不可分。

4 无接触式点胶

4.1 无接触式点胶

由于传统的接触式点胶在应用过程中逐渐暴露出各种缺陷：如针头与元件靠得很近而容易损伤元件；针头需做Z向位移运动，影响了点胶速度，且设备需配置高度传感器精确控制Z向位移；针头点胶无法到达空间狭小的地方等，这些因素使得接触点胶不能满足电子封装向高密度、超小型、超高集成度和三维封装方向发展的要求，无接触点胶技术由此孕育而生。

无接触式点胶主要是指喷射点胶，喷射点胶技术由喷墨技术演变而来。喷墨技术是将墨水喷涂到基底上的技术，有热气泡式和压电式两种（图6），主要用于印刷、压电式喷墨，还运用于药剂生产。热气泡式喷墨通过热敏电阻加热墨水产生气泡，气泡爆破使墨水喷出形成墨滴；压电式喷墨利用压电材料的压电效应产生机械力，并以机械动作将墨水“挤”或“推”出去[4]。

图6 喷墨技术

4.2 喷射式点胶

喷射点胶主要是采用瞬间高压驱动胶液喷出，使胶液保持到基板的固定位置上（图7）。每次喷射只能得到一个胶点，通过逐次叠加可以得到不同形式的图案，喷射速度快、胶点一致性好、适应性强。喷射式点胶成功克服了接触式针头点胶的缺陷，没有Z向位移，使得点胶品质不受喷头与基板距离的影响，提高了胶点一致性。

同时，点胶速度也有很大提高，喷射频率可达50 000点/h以上，而且喷射式点胶可以适应很复杂的封装环境，实现液滴的准确定位，但喷射不同大小的液滴需更换喷嘴，操作柔性较差，喷射较高黏度胶液时须配置温控器给胶液加温降低其黏度。

图7 无接触式喷射点胶

喷射点胶技术有机械式和压电式两种，压电式点胶主要应用于低、中黏度流体，机械式点胶则可以喷射黏度较高的流体。

根据黏度，环氧导电胶一般使用机械式喷射点胶，图8所示为Asymtek机械式喷射阀，料筒中的流体通过供料系统压力作用流入阀腔，当阀杆向上运动时，流体流入阀腔内，由于喷嘴非常小且供料系统提供的压力足够，故空气无法从喷嘴位置抽入到系统中。随后，阀杆以设定的速度快速向下运动，同时带动流体流动，当阀杆与阀座接触时，迫使一束流体从喷嘴喷射出去[5]。

图8 无接触式喷射点胶

4.3 喷射式点胶需要解决和研究的问题

喷射点胶技术在微波多芯片组件封装中应用需要特别考虑的一个问题是导电胶飞溅，导电胶飞溅可能会使得组件中的电路短路导致组件失效。

导电胶飞溅是由于喷射阀在喷射导电胶并使导电胶高速向基板运动时，由于空气阻力的存在，会使胶点破裂而偏离需要点胶的位置产生飞溅。

为了解决喷射飞溅的问题，可以从以下几个方面考虑：

第一，尽量减少喷射口和基板之间的距离，使胶水在破裂之前就和基板接触；

第二，增大每个胶滴的体积，使其不易破裂；

第三，可以增加喷射力，加快胶液的速度可以有效控制胶滴在空气中发生破裂，但是过大的喷射力会使胶滴打在基板上发生破裂飞溅。

经过Asymtek DJ9500喷射阀实际测试，使用常用最小的喷嘴（内径0.1 mm）在平面基板上喷射导电胶，当喷射距离在0.5～1 mm之间可以获得均匀一致无飞溅的点胶，胶点直径0.35～0.4 mm，如图9所示，当喷胶高度大于2 mm时，会产生较多的飞溅，不能满足使用要求。由于导电胶中银粉颗粒尺寸的限制，不推荐使用尺寸更小的喷嘴。