宋 夏，林文海

（中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥 230088）

1 引言

微波多芯片組件直接使用裸芯片裝配，使得組件的尺寸及重量顯著減小，大大節(jié)省了由于芯片封裝而引入的體積，實(shí)現(xiàn)了更高的集成度[1]。這一特點(diǎn)使微波多芯片組件在小型化、輕量化、多功能、高可靠的機(jī)載、艦載和星載雷達(dá)通訊系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[2]。

導(dǎo)電膠粘接是裸芯片在微波多芯片組件中固定的最常用方法之一，其工藝相對簡單，可操作性強(qiáng)。但是隨著微波多芯片組件功能集成度的提高，組裝密度也隨之提高。

目前微波多芯片組件中使用的最小器件僅有0.25 mm×0.25 mm，器件間距0.2 mm，其示意圖如圖1所示。此外為了保證元器件的可靠粘接，要求導(dǎo)電膠粘接固化后，元器件至少三面可以看到導(dǎo)電膠溢出，兩個(gè)元器件不能發(fā)生短路，并且溢出的導(dǎo)電膠間距需大于0.05 mm，防止導(dǎo)電膠短路引起的粘接失效。這就對微量導(dǎo)電膠點(diǎn)的分配提出了很高的要求。導(dǎo)電膠分配精度和膠量控制直接影響到微波多芯片組件組裝的一致性和成品率。

本文針對微波多芯片組件中微量導(dǎo)電膠自動(dòng)分配工藝要求，對現(xiàn)有常用的點(diǎn)膠方法一一介紹，分析各種點(diǎn)膠方法的優(yōu)勢及缺點(diǎn)，并提出各種點(diǎn)膠方法在微波多芯片組件微量導(dǎo)電膠分配的應(yīng)用方法和建議。

2 微波多芯片組件點(diǎn)膠技術(shù)概述

微波多芯片組件常用的封裝形式有兩種，即先在平面基板上裝配元器件再安裝圍框蓋帽（a）和先在腔體管殼基板上裝配元器件再安裝平面蓋帽（b）。其中方式（a）常應(yīng)用于塑料封裝，方式（b）常用于陶瓷或金屬材料封裝，在雷達(dá)通訊系統(tǒng)中使用的微波多芯片組件為了獲得密封性能更多采用方式（b）腔體結(jié)構(gòu)封裝方式。

圖2 微波多芯片組件兩種封裝方式

在腔體結(jié)構(gòu)基板上點(diǎn)膠遇到的最大挑戰(zhàn)是對點(diǎn)膠頭的尺寸或者對點(diǎn)膠距離有限制，即需要使用細(xì)小的點(diǎn)膠頭能夠深入到腔體內(nèi)部點(diǎn)膠，或者使用較大的點(diǎn)膠頭在腔體外部非接觸式點(diǎn)膠。

根據(jù)電路功能具體設(shè)計(jì)要求，微波多芯片組件的外形尺寸可大可小，深度一般在3～12 mm之間，例如某種微波組件的內(nèi)部尺寸為13 mm×7 mm，腔體深度3 mm，膠點(diǎn)離側(cè)壁最近距離為1 mm，若使用伸入腔體內(nèi)部接觸式點(diǎn)膠，為了安全要求點(diǎn)膠頭直徑小于1.5 mm；若在腔體外部無接觸式點(diǎn)膠，對點(diǎn)膠頭尺寸沒有要求，但是點(diǎn)膠距離需要大于腔體深度3 mm。

在微電子封裝行業(yè)中，根據(jù)點(diǎn)膠原理的不同，點(diǎn)膠技術(shù)主要可以分為接觸式點(diǎn)膠和無接觸式點(diǎn)膠，如圖3所示。接觸式點(diǎn)膠依靠點(diǎn)膠針頭引導(dǎo)膠液與基板靠近（間隙很?。?，排膠，延時(shí)一段時(shí)間使膠液浸潤基板，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，在基板上形成膠點(diǎn)。這種點(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，由此使膠液獲得足夠大動(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。接觸式點(diǎn)膠和非接觸式點(diǎn)膠對比情況如表1所示[3]。

圖3 接觸式和非接觸式點(diǎn)膠示意圖

表1 接觸式點(diǎn)膠和非接觸式點(diǎn)膠情況對比

3 接觸式點(diǎn)膠

3.1 接觸式點(diǎn)膠介紹

接觸式點(diǎn)膠主要有計(jì)量管式、活塞式和時(shí)間/壓力型三種類型，如圖4所示。

圖4 接觸式點(diǎn)膠方式

時(shí)間/壓力型點(diǎn)膠是目前應(yīng)用最廣泛的點(diǎn)膠方式，它通過脈沖的氣壓擠壓針筒內(nèi)活塞，將流體通過底部針頭擠出至基板，如圖4（c）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)備價(jià)格便宜、操作簡單、維護(hù)方便、適用性好、方便清洗。但它對流體黏度敏感，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。另外，隨著針筒內(nèi)的膠量改變，膠點(diǎn)的大小會(huì)隨之變化，響應(yīng)速度變慢。

計(jì)量管式點(diǎn)膠和活塞式點(diǎn)膠都是通過壓力驅(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)?；钊近c(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。三種接觸點(diǎn)膠方式的情況對比如表2所示。

表2 典型接觸式點(diǎn)膠方式性能對比

在微波多芯片組件中主要使用環(huán)氧樹脂銀導(dǎo)電膠作為粘接劑，其黏度一般為20～100 Pa.s @23℃，產(chǎn)品需要最小點(diǎn)膠直徑為0.25～0.30 mm，同時(shí)綜合考慮點(diǎn)膠設(shè)備的易用性和易維護(hù)性，在微波多芯片組件自動(dòng)點(diǎn)膠中一般使用計(jì)量管式點(diǎn)膠。

3.2 計(jì)量管式點(diǎn)膠

計(jì)量管式點(diǎn)膠如圖4（a）所示，首先把膠水注入到點(diǎn)膠頭腔體中，再使用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)膠頭中的螺桿旋轉(zhuǎn)，把膠通過針頭擠出，根據(jù)螺旋桿旋轉(zhuǎn)的角度，決定出膠的多少。計(jì)量管式點(diǎn)膠產(chǎn)品的工作過程是通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的壓力把連續(xù)的膠水?dāng)D出，這使得點(diǎn)膠頭內(nèi)部的壓力要大于大氣壓力，在點(diǎn)膠閥螺桿不旋轉(zhuǎn)時(shí)，點(diǎn)膠針頭的末端會(huì)漏膠。螺桿內(nèi)的壓力越大、時(shí)間越長、膠的黏度越小，漏膠就越嚴(yán)重。

3.3 計(jì)量管式點(diǎn)膠需要解決和研究的問題

3.3.1 解決針頭漏膠問題

針頭漏膠是計(jì)量管式點(diǎn)膠方式原理決定的，不可避免。漏膠問題對于大劑量的點(diǎn)膠是可以忽略不計(jì)的，但是對于某產(chǎn)品0.25～0.30 mm直徑的膠點(diǎn)來說是必須解決的問題，因?yàn)榇龣C(jī)1 min漏出的膠水點(diǎn)到基板上其膠點(diǎn)直徑就已經(jīng)大于0.5 mm，時(shí)間越長，漏膠越多，膠點(diǎn)越大；此外，在點(diǎn)膠時(shí)，由于針頭運(yùn)動(dòng)的路徑長度不同，漏膠對各個(gè)膠點(diǎn)的影響也不盡相同，使得對膠點(diǎn)的一致性很難控制。

對于針頭漏膠的問題，主要從兩個(gè)方面去思考解決：

第一，待機(jī)時(shí)漏膠。在對產(chǎn)品點(diǎn)膠前，可以考慮在點(diǎn)膠平臺(tái)上靠近產(chǎn)品的位置預(yù)先點(diǎn)出幾十個(gè)點(diǎn)，除去漏出的膠水，待膠點(diǎn)大小穩(wěn)定后再進(jìn)行產(chǎn)品點(diǎn)膠；

第二，點(diǎn)膠時(shí)，針頭在移動(dòng)過程中漏膠。此種情況漏膠的膠量很少，但是為了獲得高一致性的膠點(diǎn)，需要規(guī)劃膠點(diǎn)的類型，把相同膠量的膠點(diǎn)一次點(diǎn)完，在點(diǎn)膠路徑選擇上盡量讓針頭在各個(gè)膠點(diǎn)之間移動(dòng)的路徑長度相等，這樣漏膠對各個(gè)膠點(diǎn)的影響相同，再對膠量進(jìn)行精確調(diào)整，就可以消除漏膠對點(diǎn)膠的影響。

3.3.2 點(diǎn)膠間隙的確定

接觸式點(diǎn)膠的特點(diǎn)是點(diǎn)膠針頭靠近點(diǎn)膠基板但不接觸，擠出膠水，膠水和基板接觸。由于膠水表面張力的作用，當(dāng)針頭抬起后，會(huì)有一部分的膠水留在基板表面，完成一次點(diǎn)膠，如圖5所示。當(dāng)間隙很小時(shí)，膠水被壓得很低，當(dāng)間隙合適時(shí)，膠水為球缺狀，當(dāng)間隙大時(shí)，膠點(diǎn)會(huì)立在基板表面，當(dāng)間隙大于膠點(diǎn)的直徑時(shí)，膠水會(huì)留在針頭表面，而基板上沒有膠水。

因此，為了獲得低平、較小的膠點(diǎn)需要使用較小的間隙，為了獲得較高、較大的膠點(diǎn)，需要使用較大的間隙。經(jīng)測試，要獲得0.25～0.30 mm的膠點(diǎn)，點(diǎn)膠間隙估計(jì)在0.03～0.08 mm之間，為了獲得這樣的點(diǎn)膠間隙，高效高精度的測高手段也是需要考慮的一項(xiàng)內(nèi)容，目前激光測高技術(shù)可以完成這樣的測量進(jìn)度要求。

圖5 點(diǎn)膠間隙對膠點(diǎn)形狀的影響示意圖

3.3.3 點(diǎn)膠基板表面特性對膠點(diǎn)的影響

前文已經(jīng)說明，膠水是通過與基板之間的表面張力和針頭分離，表面張力的大小對膠點(diǎn)的大小有著重要的影響。即在相同的點(diǎn)膠參數(shù)下，表面張力大，則膠點(diǎn)大；表面張力小，則膠點(diǎn)小。

經(jīng)過初步研究，同種材料，粗糙表面的表面張力要小于光滑表面的表面張力。也即是使用同種膠水，相同的點(diǎn)膠參數(shù)，在同種材料不同粗糙度的表面進(jìn)行點(diǎn)膠，留在光滑表面的膠水比留在粗燥表面的膠水多。

此外，由于重力的作用，點(diǎn)完膠后，膠點(diǎn)在基板上會(huì)發(fā)生微弱的流動(dòng)，這種微弱的流動(dòng)會(huì)改變膠點(diǎn)的大小，這種流動(dòng)的發(fā)生同樣和基板表面特性密不可分。

4 無接觸式點(diǎn)膠

4.1 無接觸式點(diǎn)膠

由于傳統(tǒng)的接觸式點(diǎn)膠在應(yīng)用過程中逐漸暴露出各種缺陷：如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，這些因素使得接觸點(diǎn)膠不能滿足電子封裝向高密度、超小型、超高集成度和三維封裝方向發(fā)展的要求，無接觸點(diǎn)膠技術(shù)由此孕育而生。

無接觸式點(diǎn)膠主要是指噴射點(diǎn)膠，噴射點(diǎn)膠技術(shù)由噴墨技術(shù)演變而來。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6），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[4]。

圖6 噴墨技術(shù)

4.2 噴射式點(diǎn)膠

噴射點(diǎn)膠主要是采用瞬間高壓驅(qū)動(dòng)膠液噴出，使膠液保持到基板的固定位置上（圖7）。每次噴射只能得到一個(gè)膠點(diǎn)，通過逐次疊加可以得到不同形式的圖案，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)50 000點(diǎn)/h以上，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，噴射較高黏度膠液時(shí)須配置溫控器給膠液加溫降低其黏度。

圖7 無接觸式噴射點(diǎn)膠

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。

根據(jù)黏度，環(huán)氧導(dǎo)電膠一般使用機(jī)械式噴射點(diǎn)膠，圖8所示為Asymtek機(jī)械式噴射閥，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[5]。

圖8 無接觸式噴射點(diǎn)膠

4.3 噴射式點(diǎn)膠需要解決和研究的問題

噴射點(diǎn)膠技術(shù)在微波多芯片組件封裝中應(yīng)用需要特別考慮的一個(gè)問題是導(dǎo)電膠飛濺，導(dǎo)電膠飛濺可能會(huì)使得組件中的電路短路導(dǎo)致組件失效。

導(dǎo)電膠飛濺是由于噴射閥在噴射導(dǎo)電膠并使導(dǎo)電膠高速向基板運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于空氣阻力的存在，會(huì)使膠點(diǎn)破裂而偏離需要點(diǎn)膠的位置產(chǎn)生飛濺。

為了解決噴射飛濺的問題，可以從以下幾個(gè)方面考慮：

第一，盡量減少噴射口和基板之間的距離，使膠水在破裂之前就和基板接觸；

第二，增大每個(gè)膠滴的體積，使其不易破裂；

第三，可以增加噴射力，加快膠液的速度可以有效控制膠滴在空氣中發(fā)生破裂，但是過大的噴射力會(huì)使膠滴打在基板上發(fā)生破裂飛濺。

經(jīng)過Asymtek DJ9500噴射閥實(shí)際測試，使用常用最小的噴嘴（內(nèi)徑0.1 mm）在平面基板上噴射導(dǎo)電膠，當(dāng)噴射距離在0.5～1 mm之間可以獲得均勻一致無飛濺的點(diǎn)膠，膠點(diǎn)直徑0.35～0.4 mm，如圖9所示，當(dāng)噴膠高度大于2 mm時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較多的飛濺，不能滿足使用要求。由于導(dǎo)電膠中銀粉顆粒尺寸的限制，不推薦使用尺寸更小的噴嘴。

圖9 噴射點(diǎn)膠

和接觸式點(diǎn)膠類似，由于重力的作用，非接觸式點(diǎn)完膠后，膠點(diǎn)在基板上也會(huì)發(fā)生微弱的流動(dòng)并改變膠點(diǎn)的尺寸。

由于微波多芯片組件通常是腔體的封裝結(jié)構(gòu)，使得噴射點(diǎn)膠的高度需大于腔體深度，如何避免膠滴在噴射過程中破裂是噴射技術(shù)在腔體結(jié)構(gòu)微波多芯片組件封裝中應(yīng)用的重要研究內(nèi)容。

5 小結(jié)

本文闡述了微波多芯片組件中導(dǎo)電膠自動(dòng)分配技術(shù)需求，并對接觸式和無接觸式導(dǎo)電膠點(diǎn)膠技術(shù)進(jìn)行了論述，分析了兩類點(diǎn)膠技術(shù)各自的優(yōu)缺點(diǎn)，重點(diǎn)闡述計(jì)量管式點(diǎn)膠和噴射式點(diǎn)膠技術(shù)以及兩項(xiàng)技術(shù)在腔體微波多芯片組件中微膠點(diǎn)應(yīng)用遇到的問題和挑戰(zhàn)。

通過以上的論述，并在實(shí)際使用中測試，計(jì)量管式點(diǎn)膠雖然在原理上有諸多不利因素，但是綜合考慮，它還是最適合于在腔體結(jié)構(gòu)微波多芯片組件自動(dòng)點(diǎn)膠的。在作者所在單位目前批產(chǎn)的某種腔體結(jié)構(gòu)微波多芯片組件中使用Asymtek DV8000計(jì)量管式點(diǎn)膠閥自動(dòng)點(diǎn)膠，工作狀態(tài)良好。

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