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MEMS立体封装和组装微锡球激光键合技术获得2014年机械工业科学技术二等奖
发布人:系统管理员  发布时间:2015-05-11   浏览次数:909

      微电子机械系统(Micro-electromechanical System, MEMS)开辟了新的产业领域,在信息产业、汽车电子、消费电子、生物医学及航空航天领域应用前景非常广阔。MEMS器件种类繁多,其中很多由三维立体结构微部件组装而成。但是目前为止,MEMS部件的自动组装技术特别是三维组装技术远未成熟,缺乏标准化的单元工艺、技术和装备,严重地制约了复杂结构MEMS器件的工业化制造和生产,也制约了MEMS技术的推广应用。由于MEMS种类的多样性,微部件的组装需要实现精密的操控如位移、旋转、翻转、树立、对准、夹持、固定等一系列动作,目前基本依赖人工操作,易造成损伤、精度差、效率低。基于此,本项目提出了熔融钎料润湿力驱动微部件自组装的原理,成功开发面向MEMS微部件自组装的激光锡球重熔方法与装备,实现了微米级器件的高精度自动装配。实验与应用结果证明其适应性强、成品率高且可靠性好,为MEMS制造业提供了一套标准化单元工艺与重要装备,对于促进MEMS的应用与发展具有非常重要的意义。
      本项目主要包含五部分技术内容:(1)提出了激光锡球MEMS部件自组装的原理和方法:使用激光加热熔化微锡球,利用熔融钎料润湿力实现微机械部件自组装。提出了新颖的限位技术,将微部件自组装角度精度提高到0.5º,实现了MEMS部件三维立体组装制造;(2)提出了激光-超声微锡球无钎剂键合方法,成功研制了一种无污染、绿色封装软钎焊技术。阐明了无钎剂环境中去膜、润湿铺展的机理,优化了无钎剂激光锡球软钎焊键合工艺,将焊点键合强度提高了约20%。(3)攻克了微细锡球精确拾取和定位的技术难题,首次设计并研制成功了特殊的微锡球供料装置。可操作钎料球直径为80~600μm,单个锡球吸取成功率达98%,植球定位误差不超过±4.5μm,满足高精度应用的需求。(4) 突破了面向MEMS和微传感器封装的微锡球激光键合技术及工艺,在10ms内实现了100μm锡球的激光重熔键合。首次发现了微磁头实际组装生产中超细无铅焊点塌陷(sagging)现象,通过焊盘膜层结构设计攻克了超微焊点塌陷难题,提高了键合焊点及磁头的服役寿命;(5)成功研制出面向MEMS封装和组装的激光锡球键合自动化设备。键合点尺寸为80~100μm;键合速度10ms/点,为世界先进水平。所适应的连接合金材料选择范围宽,从SnPb钎料到各类无铅钎料,军民兼用;所适应的合金材料熔点跨度大,最高可以达到400℃,适合于从低应力到高强度、抗蠕变的各类应用需求。
       本项目已申请发明专利11项,全部获得授权,具有完全的知识产权,其中1项专利转让;参与编写英文专著1部,出版译著1部,发表SCI论文64篇,发表EI论文17篇。
      激光锡球键合技术具有广泛的适应性,是一种降低MEMS制造成本的可行方法,可发展成标准化的MEMS制造单元工艺。相关发明成果的应用可使得企业核心竞争力得到提升。激光锡球键合技术已应用于大容量硬盘磁头的装配中,改变了磁头的原有制造工艺,大幅提高了可靠性,采用该技术所生产的硬盘数量超过十五亿。项目研发的面向MEMS封装和组装的激光锡球键合设备,通过真空吸嘴完成微钎料球的拾取和释放操作,结合运动平台定位以及激光的柔性传输特性,可实现MEMS部件的翻转-固定等自组装过程,适合于三维立体装配,已应用于高精度激光微陀螺光学器件的微组装中,解决了航空、航天领域重点产品中的装配难题,所产生的经济效益以及社会效益显著。项目所形成的的装备还扩展到集成电路的先进封装,如BGA、CSP等的植球与在线返修、大功率LED芯片的多芯片直接封装等领域,进一步丰富了相关行业产品的工业化生产手段。综述而言,项目所产出的自组装、键合技术及装备为复杂结构MEMS器件的制造提供了装备支撑,直接提升了MEMS器件的制造水平,为MEMS器件的快速发展产生显著推力,且为相关行业产品制造提供了更好的工艺途径。

       以上研究成果获得机械工业科学技术二等奖