摘要  在电子器件和半导体的封装中，需要使用芯片下填充料、微型填充物以及一些其他微量、不连续的材料。通过使用粘结材料喷射技术可以提高整个封装流程的吞吐率。

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　　在过去几年内，电子组装产业采用多种流体材料的步伐已经显著加快。在上世纪七十年代，芯片的封装仍然采用引线框架、芯片粘片、引线键合以及模塑料包封流程完成。印刷电路板（PCB）的组装则由波峰焊设备和IC贴片设备完成。其中涉及到流体涂敷的两步工艺是芯片粘结和暂时性的焊料掩模。随着混合组装和表面贴装技术（SMT）的增长，涉及到流体涂敷工艺的材料增加到焊膏、表面组装粘结剂、芯片粘贴材料、滴封材料、暂性焊料掩模以及芯片涂层材料。在上世纪八十年代后期，对更高速度更高性能器件的需求驱动半导体封装向面阵列封装发展，这又引入了坝式结构和填充材料、包封材料，倒装芯片用芯片底部填充料也首次得到大规模应用。随着市场的继续发展，要求产品具有更好的性能，尺寸更小、功耗更低、重量更轻、更符合环保要求、功能更强以及运行速度更快。这也引发了对流体材料、粘结剂、涂层材料、包封材料、焊膏和助焊剂的更多需求。

　　在过去，由于在组装工艺中涉及流体会带来很多问题，因此使用流体材料的工艺都要尽量避免。时至今日，流体已经成为电子封装的一个组成部分，比较明显的例子是液晶显示器（LCD）、片上实验室生物技术、透镜和MEMS器件。由连接线到PCB到SMT再到系统级封装（SiP）模块的发展带动了更多新型流体的开发和应用。与此类似，流体技术本身也在经历一场由针管/接触式方法向喷射/非接触式方法的转变。在我们目标市场上的这种转化与打印机市场上从接触/针式打印机向喷墨式打印机的转化非常类似。转化的趋势是无可避免的，并且新的客户需求驱动着市场向创新和开发新技术的方向转变，一个例子就是在组装领域采用流体喷射技术。

　　多种喷射方法

　　热喷墨是目前使用的喷射技术中最为常见的一种。由于热喷墨技术可以以极低的成本应用于半导体或薄膜技术的量产制造中，因此它非常适用于制造消费类产品。该技术喷射低流动性的小墨滴，在印刷工艺中特别受欢迎。

　　热喷墨技术的历史可以回溯到在特殊的热纸上热印刷薄膜电阻。该应用首先来自于发热电阻可以加热墨水并产生液滴的发现。热喷墨技术的工作原理是快速加热小电阻，通过电阻对墨水的加热产生气泡，之后关断电阻的电源，让周围的墨水冷却，气泡消失。气泡产生以及随后消失的过程对气泡顶部的液体带来冲量。在电阻的上方或者附近如果有一个孔，就可以给流体提供一个逸出路线。这样，一滴墨水就从喷嘴发射出来。该技术的优点在于液滴的尺寸、操作速度、对墨水内驻留的空气不敏感、喷头成本低以及可以将很多个喷嘴集成在一起。但热技术的问题在于很难扩展到除了墨水以外的其他流体。该技术使用的最佳范围是黏度低于30cps的低黏度流体。此外加热流体的过程还可能在流体和电阻上产生很多多余的化学反应。

　　在电子组装中，有几种压电驱动喷射器和非接触式喷射技术已经得到了应用。在印刷应用中，第一类压电喷射器主要作为热喷墨印刷技术的竞争对手出现。这种喷射器采用一个压电盘、梁或导管来改变流体储存腔的容积。该设备的压电喷射器工作频率可高达20 kHz。推动力也可以非常高，而且偏移很小。市场已有几种型号的喷射器可供OEM选择。这项技术最大的优点在于可以采用喷射器阵列，并且可以以很高的速度喷射材料的小液滴。喷射器阵列的喷嘴数目从125、256到300。电子产业中该项技术一个成功的商业应用是在有机发光二极管（OLED）的制造中。Dimatrix（原Spectra）和Epson制造的喷射器已被用于将有机颜料注入LED单元中形成红光、绿光、蓝光或者白光二极管。该方法已经成为非常可靠的量产工具，这也是喷射技术在电子组装领域的一个重要应用。

　　该类喷射器的典型应用范围也是黏度低于30 cps的低黏度流体。同样，由于偏移很小，驻留在流体腔内的空气可能被压电材料挤压，这样会强烈破坏压电材料的正常反应，并使流体无法从喷嘴中发射出来。相对于热喷墨方法来说，压电技术不会带来额外的化学反应，本文作者也相信在喷墨以外的领域，压电技术也会比热喷墨技术有更多优点。

　　另一个可实现喷射的方法是快速地打开再关闭喷嘴。在这种方法中，流体处于相对较高的压力下（黏度在30 cps的流体其压力大于0.2 mPa，对更粘稠的材料来说，压力值更显著提高），然后打开喷嘴。这样一束流体就从喷嘴飞溅而出，再关闭喷嘴。快速的关闭将流体切断，这一束流体的冲量可以带着它飞离喷嘴。压电驱动装置与一个杠杆系统配合使用，可以实现如此快速的阀门动作。为了实现精确控制从喷嘴飞出液体的量，要求喷嘴打开和关闭的动作必须快速且重复性好。同时，为了获得小的液滴，也需要采用小喷嘴，使其处于更高的压力下，并且开关动作更快。该方法完全依赖于流体的黏度，与气压泵的运动过程类似。该喷射技术在电子器件包封的紫外固化粘结剂上的应用非常成功。此类喷射设备的供应商有Picodostec、Delo和Vermes。

　　另一项新的喷射技术是由Mydata最近开发的。该技术使用一个压电棒在一个半封闭的腔中作为激发部件。该腔对焊膏进料的供应线来说是开放的，供应线采用旋转式正位移泵（RPDP）。当材料被压入该腔中，压电驻波运动将材料以尺寸稳定的液滴从喷嘴发射出去，速度高达500个液滴每秒。对工业界来说这种喷射装置还比较新，但很有希望成为一种焊膏涂放的新方法，可在样机制作或者高度混合的生产线上替换丝网印刷方法。该项技术的优点是采用RPDP，因此可以获得正位移元件。

　　机械喷射器则以一种独特的方式工作（图1）。在本例中，将流体以相对较低的压力引入到材料腔中。通常芯片下填充料粘结剂的压力小于0.1 mPa，像液晶之类的低黏度材料压力在0,01 mPa左右。机械喷射器通过运动在流体中产生压力，将其喷射出去。喷射的液滴由喷嘴尺寸、压球尺寸和斜面形状决定。该技术的优点在于，在喷嘴位置可以获得很高的局部压力，这样可以喷射那些黏度很高的流体。缺点则是使用的喷嘴尺寸要远大于压电或热喷墨技术。然而，在喷射粘结剂和其他一些电子封装常用的材料时，如芯片下填充料、环氧树脂、助焊剂、表面组装粘结剂以及液晶，机械喷射器得到了很好的应用。几乎电子组装领域涉及到的每一种流体材料都可以通过此项技术喷射。

　　工作机理

　　材料向压球/斜面位置的再填充由材料进给系统的压力完成。喷射器的工作第一步是将压球从斜面位置移开，让流体补充到斜面区域。随着连杆向上运动，第一个腔的容积变大;这样流体从进给系统流向腔内。喷射嘴非常小并且进给系统提供的压力足够，这样空气无法从喷嘴位置抽入到系统中。之后将压球以设定的速度快速向斜面位置移动。随着连杆向下运动，流体开始转移。与连杆接触的流体随着连杆运动，但在连杆和材料腔之间正中位置的流体是向进给系统运动的。这一过程一直持续到压球接近斜面位置。在恰好接触到斜面之前，一定体积的流体被卡在斜面位置，并只能经过喷嘴位置才能流动。这部分流体受到的压力非常之高，一束流体就这样从喷嘴发射出去。然而，这部分流体的补充源已经被卡断，最终压球与斜面接触截断流体束。

　　喷射与针管注入

　　由于克服了针管注入的内在缺陷，各种喷射技术都要优于针管涂放方法。采用针管沉积材料的工艺需要针管、基板和流体在同一时间完全接触。流体从针管流出后开始沉积过程，沉积停止后针管从沉积表面移开。随着针管的抬升，由于粘性力，流体的断开以及残留在针管和表面的流体量都很难控制。在喷射工艺中，流体离开喷嘴喷射到沉积表面。这样一个无法控制的变量就被消除了;其结果是工艺的可靠性、可重复性和操作范围都得到了改善。

　　另一个优点是喷嘴的尺寸非常小可以形成细微的流体束并且其流速相对较高（1.5 米/秒）。流体在喷嘴导管和针管中的物理本质是相同的（参见公式）。

　　然而100mm喷嘴的长度为0.5 mm，与沉积表面的距离为2 mm。等价的则是针床为32的针管，其长度超过2.5 mm。在同样的流体压力下，采用喷射技术可以得到五倍的流体。喷射的流体束是不受限制自由飞行的。而采用针管则包覆在流体周围，一直到沉积位置。这样，流体的沉积位置就由针管的位置决定，但针管本身可能已经弯曲或者定位机械手的位置有偏移。除此之外针管可能会不完全浸润基板，这样使流体会偏向针管的一边，这样更加剧了定位偏差。在这个问题上，使用者一定会提出疑问，为什么针管会弯曲，这说明它撞到了某些物体。而这还会导致针管涂放过程中“芯片剪口”现象增多。这种现象是倒装芯片的边缘由于针管偏差引起的损坏。而采用喷射方法则完全避免了损坏芯片边缘的问题（图2）。

　　采用喷射液滴的方法制作密闭线还有一些意想不到的优点。以适当距离排列的液滴可以形成近乎完美的直线，如果在两基板之间施加压力，可以获得无起伏的线性。随着液滴受压，它们的尺寸就会比液滴处于平衡位置的时候增大。然而，当一个液滴接触到该轴线上的其他液滴时，在接触点位置会产生对称流动等效作用（图3）。随着液滴的持续受压，流体将向未受限的边界位置流动。起初，整个边界的形状是起伏的。随着液滴进一步受压，流体将沿最短的距离流动，也就是起伏最强烈的位置。这样，在直线的自由表面上等效流动。这一特性对密封OLED、LCOS和平板显示器（FPD）的组装非常有利。对于采用等距液滴形成的矩形或其他封闭图形来说，其起始和终止位置是无从区分的，因此在涂放的线形上也没有首尾液滴。这种情况对于针管涂放来说基本是不可能实现的。

　　关键技术

　　所有的喷射应用都带动了新的封装技术。在更小的空间内涂放流体的能力让粘结剂和封装电子在窄间距中的应用成为可能。柔性板上倒装芯片（FCOF）技术在很多手提电子设备、相机和硬盘驱动器的组装中广为采用。在过去的几年内柔性电路基板的增长已经超过刚性PCB，并将在封装产业中获得更多的应用。

　　在小尺寸倒装芯片的情况中，快速涂布芯片下填充料的能力可以加速产品终端的开发。为了满足成本控制的目标，制造商必须在生产线上达到较高的单位时间加工能力（uph）。如果单个1 mm芯片需要四个点涂的芯片下填充料，采用喷射方法可以达到200点每秒，等价于50 pps。如果使用针管工艺，即便采用14点每秒的高速设备，其吞吐率也只有3.5 pps。在考虑到该工艺的其他部分，喷射方法是针管方法吞吐率的3倍还高——这样，设备的使用率至少是3倍。

　　FPD组装市场是采用非接触式涂放技术的一个特殊应用。FPD一般制作在大尺寸玻璃基板上。最近的玻璃基板被称为第7代线（Gen 7），尺寸为2 × 3 m。即便在很小的玻璃平板上，传统工艺也是在平板四周采用针管涂放密封剂液珠。好的针管涂放需要针管与基板之间的距离保持严格一致。为了满足这样的要求需要复杂的机械系统和精确的控制。不过幸运的是，采用喷射方法不需要严格控制高度。喷射流体的喷嘴与基板的距离变化可达1 mm，这样可以用价格较低的设备实现更高的涂放速度，最终降低了显示器的制造成本。

　　在芯片级封装使用的下填充料中，随着无线应用的逐渐流行，也遇到一些新的挑战。新型、功能复杂的高端个人数据助手（PDA）/手机通常需要电磁干扰的防护功能。如果防护层放在需要二次芯片下填充料的器件上，则需要等到芯片下填充工艺完成之后才能涂放防护层材料。这样还需要再进行一次焊料再流，完成防护层在电路板上的固化。但增加的再流焊接是非常不推荐的，而且导致成本增加，把几乎完成的产品送到过高的热应力下。幸运的是，如果再需要芯片下填充材料的器件边角位置防护层上预留的小孔可以解决这一问题。由于喷射装置可以以极高的流速输运流体，尺寸为100 μm流束其速度在20 mg/sec左右，因此将芯片下填充材料喷射到小孔里的工艺是非常可行的。将芯片下填充料沿边缘沉积或在组件的一角沉积具有等同的填充效果。

　　另一个关键技术被称为一滴填充（ODF）工艺。由于实际上要使用多于一滴液滴，因此这个名字多少有些误导。然而在填充FPD用玻璃之间空隙时，通常在显示器的一端抽真空，然后将另一端放置到液晶供应槽中。随着屏幕尺寸不断增大，该工艺需要一整天时间才能完成。新的方法是将液晶以阵列方式喷射到玻璃基板上，之后再将其抽真空。在大屏幕显示器的制作过程中，采用该方法可以极大提高工艺的吞吐率，填充时间从24小时降低到3小时（图4）。

　　结论

　　在电子组装、半导体封装和FPD组装领域，喷射方法正迅速会成为多种流体涂放的标准工艺。显而易见，在未来由于喷射系统内在的优势和特点，自动针管涂放系统的应用市场会发生萎缩。由于制造商可以更经济地制造高性能元件，因此小尺寸、更小的误差容限和高速的喷射系统可以用于更新和更小的产品中。