曾宇杰，徐廣東，吳松，楊冠南，崔成強(qiáng)

（廣東工業(yè)大學(xué)省部共建精密電子制造技術(shù)與裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 511400）

1 引言

隨著電子產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，電子器件已經(jīng)開(kāi)始向高密度集成方向發(fā)展[1]，在其封裝階段需要更高密度和更小線距的封裝線路。在此需求下，制作出優(yōu)良且生產(chǎn)成本低的封裝線路成為了巨大挑戰(zhàn)。微納金屬顆粒結(jié)構(gòu)的特殊性使其具有與塊狀金屬不同的物理和化學(xué)性質(zhì)，其具有更高的強(qiáng)度、韌性和熱導(dǎo)率。因此，微納金屬顆粒經(jīng)常被用作精密線路成型的基本材料[2]。常見(jiàn)的微納金屬顆粒的制作方法有物理氣相沉積法、機(jī)械球磨法、化學(xué)還原法、化學(xué)沉淀法、液相還原法等[3-5]。

為了解決封裝互連線路出現(xiàn)的短路、開(kāi)路、缺失、塌陷等問(wèn)題，許多公司提出了相應(yīng)的解決辦法。國(guó)內(nèi)的東瀛激光公司[6-7]采用在開(kāi)路位置上涂覆導(dǎo)電漿料的方法，漿料經(jīng)過(guò)高溫固化后連接開(kāi)路的線路。由于導(dǎo)電漿料的流動(dòng)性太大，很難精準(zhǔn)地將漿料涂覆到有線路缺陷的位置，并且很容易使相鄰的2 條線路之間出現(xiàn)連接，導(dǎo)致整個(gè)回路出現(xiàn)短路的現(xiàn)象。以色列的奧寶科技公司[8]采用激光誘導(dǎo)向前轉(zhuǎn)移技術(shù)，將沉積有金屬層的玻璃貼合在開(kāi)路線路的位置，通過(guò)激光熔覆玻璃背面的金屬層，實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)路線路的連接修復(fù)，然而激光轉(zhuǎn)移的銅層厚度薄，且成套設(shè)備價(jià)格昂貴，技術(shù)工藝復(fù)雜，在實(shí)際的推廣應(yīng)用中受到了限制[6]。

本文采用液相還原法制作了納米銅顆粒，并與乙二醇融合配成納米銅膏體，用于激光修復(fù)缺陷線路。探究不同功率、速度的激光對(duì)線路形貌的影響，得出最佳的工藝參數(shù)并測(cè)試修復(fù)后線路的各項(xiàng)性能。

2 試驗(yàn)材料及方法

2.1 納米銅顆粒的制備

所有化學(xué)品都是在未經(jīng)進(jìn)一步提純的情況下使用的。乙酸銅（純度為99.9%）、抗壞血酸（純度為98%）購(gòu)自阿拉丁生化技術(shù)有限公司，乙二醇購(gòu)自國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司。采用氧化還原法制備了納米銅[9-10]。取乙酸銅和適量的乙二醇溶劑在三頸燒瓶中混合，并在60 ℃的水浴中機(jī)械攪拌10 min（轉(zhuǎn)速為600 r/min），同時(shí)取抗壞血酸與乙二醇溶劑在另外的三頸燒瓶中混合，并在60 ℃的水浴中機(jī)械攪拌10 min。待乙酸銅和抗壞血酸完全與溶劑融合后，將抗壞血酸溶液緩慢均勻地倒入乙酸銅溶液中，機(jī)械攪拌10 min 后獲得帶有納米銅顆粒的溶液。將帶有納米銅顆粒的溶液放入離心管中，使用離心機(jī)分離溶液和納米銅顆粒（轉(zhuǎn)速為1 200 r/min），2 min 后倒掉溶液并刮取離心管上的納米銅顆粒，用乙醇和去離子水依次清洗納米銅顆粒3 次，干燥后得到納米銅膏。

2.2 納米銅的測(cè)試與表征方法

采用型號(hào)為SU8220 的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)制備好的納米銅顆粒進(jìn)行形貌觀測(cè)。采用型號(hào)為D8ADVANCE 的X 射線衍射儀（XRD）對(duì)制備好的納米銅顆粒進(jìn)行測(cè)試。

制備好的納米銅顆粒的SEM 形貌如圖1（a）所示，對(duì)銅顆粒進(jìn)行粒徑測(cè)量后，得出其平均直徑為（380±80）nm。合成的納米銅顆粒的XRD 圖譜只顯示多晶銅的三個(gè)峰，如圖1（b）所示，表明制備后的納米銅顆粒并未發(fā)生氧化。

圖1 納米銅顆粒的SEM 形貌和XRD 圖

2.3 激光設(shè)備的操作

本試驗(yàn)所使用的激光設(shè)備是355 nm 的紫外納秒脈沖激光源。采用CAD 軟件繪好所需加工的圖形，將圖形導(dǎo)入到激光控制系統(tǒng)中。設(shè)置好激光的速度、功率、頻率等參數(shù)，將激光對(duì)準(zhǔn)需要加工的位置。

2.4 缺陷線路的修復(fù)過(guò)程

本試驗(yàn)采用的是具有線路缺陷的聚酰亞胺薄膜（PI）基板，缺陷線路的線寬為0.10 mm，線的厚度為0.02 mm。帶有缺陷線路的PI 基板如圖2（a）所示，缺陷線路的截面形貌如圖2（b）所示。激光的光斑大小為0.015 mm，為了照射0.10 mm 寬的缺陷線路，設(shè)置了由7 條線路組成的矩形形狀去進(jìn)行缺陷線路的修復(fù)。缺陷線路在修復(fù)前的表面形貌如圖2（c）所示，缺陷線路修復(fù)后的表面形貌如圖2（d）所示。

圖2 激光修復(fù)過(guò)程

3 結(jié)果與討論

3.1 不同功率的激光對(duì)修復(fù)線路的影響

為探究不同功率的激光對(duì)修復(fù)線路的影響，設(shè)定激光的頻率為150 kHz，速度為100 mm/s，激光的功率分別為0 W、0.3 W、0.4 W、0.5 W 和0.74 W，對(duì)缺陷線路進(jìn)行修復(fù)。在不同功率下修復(fù)線路的電阻變化如圖3（a）所示，激光功率的增加對(duì)電阻的影響并未呈現(xiàn)明顯規(guī)律，且電阻穩(wěn)定在一個(gè)范圍當(dāng)中，線路修復(fù)后的電阻約為0.45 Ω。圖3（b）為修復(fù)后線路的俯視圖，燒結(jié)的納米銅顆粒覆蓋在線路有缺陷的地方，且沒(méi)有對(duì)PI 基板造成損傷。針對(duì)修復(fù)線路制作了截面，不同功率下修復(fù)電路的橫截面1 和橫截面2 的形貌如圖3（c）（d）所示。在橫截面1 中，由于激光的速度較快，激光能量從上到下逐漸減少，導(dǎo)致納米銅顆粒和銅線路之間形成的結(jié)合力有限。在橫截面2 中，將納米銅膏涂覆在PI 基板上（厚度為20 μm），用多條線路組成的矩形范圍的激光進(jìn)行照射，修復(fù)出與原線路厚度一致的線路。

圖3 不同激光功率下修復(fù)線路的形貌及其電阻變化

3.2 缺陷線路修復(fù)后的形貌

使用頻率為150 kHz、速度為100 mm/s、功率為0.4 W 的激光進(jìn)行線路的修復(fù)，修復(fù)后的線路形貌如圖4 所示，其電阻為0.2 Ω（電阻率為4×10-6Ω·m）。由于掃描的區(qū)域是由7 條線路組成的矩形，所以在掃描過(guò)程中對(duì)每條線路的掃描是有時(shí)間差的，這就導(dǎo)致俯視圖會(huì)出現(xiàn)一條一條的形貌。在截面圖上，修復(fù)后的線路大致與銅線保持在一個(gè)高度且兩端連接緊密。

圖4 修復(fù)后的線路形貌

3.3 缺陷線路修復(fù)前后的形貌與電阻變化

對(duì)修復(fù)后長(zhǎng)度為25 mm 的線路進(jìn)行7.5 mm 彎曲半徑的彎曲測(cè)試。線路彎曲的過(guò)程如圖5 所示。水平放置時(shí)的線路如圖5（a）所示，彎曲測(cè)試時(shí)的線路如圖5（b）所示，線路彎曲的半徑如圖5（c）所示，圖5（d）為彎曲線路的局部放大圖。

圖5 線路彎曲的過(guò)程

在未彎折前，修復(fù)后的線路呈現(xiàn)出平整、無(wú)裂痕的形貌，如圖6（a）所示。在經(jīng)歷彎折后，修復(fù)后的線路出現(xiàn)了裂紋，隨著彎折次數(shù)的增加，裂紋的數(shù)目也在增加，如圖6（b）～（e）所示。隨著彎折的次數(shù)增多，線路的電阻也越來(lái)越大。經(jīng)過(guò)不同彎折次數(shù)的線路電阻Ra與未經(jīng)彎折的線路電阻R0的比值如圖6（f）所示，隨著彎折次數(shù)的增多，納米銅顆粒之間逐漸發(fā)生分散，導(dǎo)致線路電阻逐漸變大。

圖6 不同彎折次數(shù)的線路形貌及其電阻變化規(guī)律

4 結(jié)論

隨著激光功率的提升，修復(fù)后線路的電阻較為穩(wěn)定。采用頻率為150 kHz、速度為100 mm/s、功率為0.4 W 的激光對(duì)線寬為0.10 mm、線厚度為0.02 mm 的缺陷線路進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)后線路電阻值最小為0.2 Ω，電阻率約為4×10-6Ω·m。修復(fù)后的線路表面平整、銅線路無(wú)裂痕，PI 基板也無(wú)燒傷損壞。彎折會(huì)導(dǎo)致裂痕出現(xiàn)并擴(kuò)大，修復(fù)后的線路電阻值隨著彎折次數(shù)的增多而增大?；诩{米銅膏的納秒紫外激光修復(fù)銅線路的方法有助于促進(jìn)高密度銅印制線路板修復(fù)技術(shù)的發(fā)展。