纳秒紫外激光修复高密度铜印制线路板研究.pdf

电子与封装第2 3卷，第7 期Vol.23,No.7封装组装测试纳秒紫外激光修复高密度铜印制线路板研究总第2 43期ELECTRONICS&PACKAGING2023年7 月曾宇杰，徐广东，吴松，杨冠南，崔成强（广东工业大学省部共建精密电子制造技术与装备国家重点实验室，广州51140 0)摘要：采用液相还原法制取纳米铜颗粒，与乙二醇溶剂混合配成膏体，利用紫外激光修复铜印制线路板上线路的缺失部分。探究了不同激光功率对修复后的线路形貌以及各项性能的影响，得出最佳工艺参数。修复后线路的电阻值与激光功率的关系并未呈现出明显规律。在激光功率为0.4W、速度为10 0 mm/s、频率为150 kHz时，激光修复后的线路表面平整且无裂痕，其电阻只有0.2（电阻率为4x10-m）。经过弯曲测试，弯折处的铜线路受应力影响发生部分分离，线路的电阻值随弯曲次数的增多呈增长趋势，4次弯曲后的电阻值是未弯折时电阻值的9 倍。关键词：纳米铜颗粒；线路修复；激光烧结中图分类号：TN305.94D0I:10.16257/ki.1681-1070.2023.0084中文引用格式：曾宇杰，徐广东，吴松，等.纳秒紫外激光修复高密度铜印制线路板研究.电子与封装，2023,23（7)：0 7 0 2 0 2.英文引用格式:ZENG Yujie,XU Guangdong,WU Song,et al.Research on nanosecond ultraviolet laser repairing ofhigh-density copper printed circuit boardJ.Electronics&Packaging,2023,23(7):070202.Research on Nanosecond Ultraviolet Laser Repairing of High-DensityZENG Yujie,XU Guangdong,WU Song,YANG Guannan,CUI Chengqiang(State Key Laboratory of Precision Electronics Manufacturing Technology and Equipment,Guangdong University ofAbstract:Copper nanoparticles are prepared by liquid-phase reduction method and mixed with ethyleneglycol solvent to form a paste.UV laser is used to repair the missing part of the circuit on copper printedcircuit boards.The effects of different laser power on the morphology and properties of the repaired wires areinvestigated,and the optimal process parameters are obtained.The relationship between the resistance valueand laser power of the repaired wires doesnt show a clear pattern.The best performance of the repaired wiresis obtained with a laser power of 0.4 W,a speed of 100 mm/s,and a frequency of 150 kHz,and thelaser-repaired wires have a flat and crack-free surface.The resistance is only 0.2 2(with a resistivity of 4x10-2 m).After bending test,the copper wires at the bend are partially separated due to stress,and theresistance values of the wires show an increasing trend with the increase of bending times.The resistancevalue after 4 bends is 9 times higher than that before bending.Keywords:copper nanoparticles;wire repair;laser sintering*基金项目：国家自然科学基金（6 2 2 0 40 6 3）；广东省基础与应用基础研究基金(2 0 2 1A1515110656)收稿日期：2 0 2 2-12-2 3E-mail：曾宇杰136 2 7 9 43440 ；杨冠南（通信作者）；崔成强（通信作者）文献标志码：ACopper Printed Circuit BoardTechnology,Guangzhou 511400,China)文章编号：16 8 1-10 7 0（2 0 2 3）0 7-0 7 0 2 0 2070202-1第2 3卷第7 期电子与封装1引言随着电子产业的高速发展，电子器件已经开始向高密度集成方向发展，在其封装阶段需要更高密度和更小线距的封装线路。在此需求下，制作出优良且生产成本低的封装线路成为了巨大挑战。微纳金属颗粒结构的特殊性使其具有与块状金属不同的物理和化学性质,其具有更高的强度、韧性和热导率。因此，微纳金属颗粒经常被用作精密线路成型的基本材料。常见的微纳金属颗粒的制作方法有物理气相沉积法、机械球磨法、化学还原法、化学沉淀法、液相还原法等3-。为了解决封装互连线路出现的短路、开路、缺失、塌陷等问题，许多公司提出了相应的解决办法。国内的东瀛激光公司6-7 采用在开路位置上涂覆导电浆料的方法，浆料经过高温固化后连接开路的线路。由于导电浆料的流动性太大，很难精准地将浆料涂覆到有线路缺陷的位置，并且很容易使相邻的2 条线路之间出现连接，导致整个回路出现短路的现象。以色列的奥宝科技公司8 采用激光诱导向前转移技术，将沉积有金属层的玻璃贴合在开路线路的位置，通过激光熔覆玻璃背面的金属层，实现对开路线路的连接修复，然而激光转移的铜层厚度薄，且成套设备价格昂贵，技术工艺复杂，在实际的推广应用中受到了限制。本文采用液相还原法制作了纳米铜颗粒，并与乙二醇融合配成纳米铜膏体，用于激光修复缺陷线路。探究不同功率、速度的激光对线路形貌的影响，得出最佳的工艺参数并测试修复后线路的各项性能。2试验材料及方法2.1丝纳米铜颗粒的制备所有化学品都是在未经进一步提纯的情况下使用的。乙酸铜（纯度为9 9.9%)、抗坏血酸（纯度为9 8%)购自阿拉丁生化技术有限公司，乙二醇购自国药化学试剂有限公司。采用氧化还原法制备了纳米铜9-10 。取乙酸铜和适量的乙二醇溶剂在三颈烧瓶中混合，并在60的水浴中机械搅拌10 min（转速为6 0 0 r/min），同时取抗坏血酸与乙二醇溶剂在另外的三颈烧瓶中混合，并在6 0 的水浴中机械搅拌10 min。待乙酸铜和抗坏血酸完全与溶剂融合后,将抗坏血酸溶液缓慢均匀地倒入乙酸铜溶液中，机械搅拌10 min后获得带有纳米铜颗粒的溶液。将带有纳米铜颗粒的溶液放人离心管中，使用离心机分离溶液和纳米铜颗粒（转速为12 0 0 r/min）,2 m in 后倒掉溶液并刮取离心管上的纳米铜颗粒，用乙醇和去离子水依次清洗纳米铜颗粒3次，干燥后得到纳米铜膏。2.2纳米铜的测试与表征方法采用型号为SU8220的场发射扫描电子显微镜(SEM)对制备好的纳米铜颗粒进行形貌观测。采用型号为D8ADVANCE的X射线衍射仪(XRD)对制备好的纳米铜颗粒进行测试。制备好的纳米铜颗粒的SEM形貌如图1(a)所示，对铜颗粒进行粒径测量后，得出其平均直径为(38080）n m。合成的纳米铜颗粒的XRD图谱只显示多晶铜的三个峰,如图1(b)所示，表明制备后的纳米铜颗粒并未发生氧化。Cu(111)Cu(200)Cu(220)2um（a）纳米铜颗粒的SEM形貌图1纳米铜颗粒的SEM形貌和XRD图2.3激光设备的操作本试验所使用的激光设备是355nm的紫外纳秒脉冲激光源。采用CAD软件绘好所需加工的图形，将图形导入到激光控制系统中。设置好激光的速度、功一2030(b）纳米铜颗粒的XRD图率、频率等参数，将激光对准需要加工的位置。2.4缺陷线路的修复过程本试验采用的是具有线路缺陷的聚酰亚胺薄膜(PI)基板，缺陷线路的线宽为0.10 mm,线的厚度为070202-24020/()50607080第2 3卷第7 期0.02mm。带有缺陷线路的PI基板如图2(a)所示,缺陷线路的截面形貌如图2(b)所示。激光的光斑大小为0.015mm，为了照射0.10 mm宽的缺陷线路，设置了由7 条线路组成的矩形形状去进行缺陷线路的修复。缺陷线路在修复前的表面形貌如图2(c)所示，缺陷线路修复后的表面形貌如图2(d)所示。200 um（a）带有缺陷线路的PI基板（b）缺陷线路的截面形貌200 m（c）缺陷线路修复前的表面形貌图2 激光修复过程0.600.55F0.50C:0.450.40每0.350.300.2550.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8激光功率/W（a）不同激光功率下修复线路的电阻变化0W0.3W100Mm100um（c）不同激光功率下修复线路的横截面1图3不同激光功率下修复线路的形貌及其电阻变化3.2年缺陷线路修复后的形貌使用频率为150 kHz、速度为10 0 mm/s、功率为0.4W的激光进行线路的修复，修复后的线路形貌如图4所示,其电阻为0.2 Q(电阻率为4x10m)。由于扫描的区域是由7 条线路组成的矩形，所以在扫描过程中对每条线路的扫描是有时间差的，这就导致俯视图会出现一条一条的形貌。在截面图上，修复后的线路大致与铜线保持在一个高度且两端连接紧密。3.3缺陷线路修复前后的形貌与电阻变化对修复后长度为2 5mm的线路进行7.5mm弯曲半径的弯曲测试。线路弯曲的过程如图5所示。水平放曾宇杰，徐广东，吴松，等：纳秒紫外激光修复高密度铜印制线路板研究（d）缺陷线路修复后的表面形貌0.4W0.5W100Lm100m070202-33结果与讨论3.1不同功率的激光对修复线路的影响为探究不同功率的激光对修复线路的影响，设定激光的频率为150 kHz，速度为10 0 mm/s，激光的功率分别为0 W、0.3W 0.4W、0.5W 和0.7 4W，对缺陷线路进行修复。在不同功率下修复线路的电阻变化如图3(a)所示,激光功率的增加对电阻的影响并未呈现明显规律，且电阻稳定在一个范围当中，线路修复后的电阻约为0.45Q。图3(b)为修复后线路的俯视图，烧结的纳米铜颗粒覆盖在线路有缺陷的地方，且没有对PI基板造成损伤。针对修复线路制作了截面，不同功率下修复电路的横截面1和横截面2 的形貌如图3(c)(d)所示。在横截面1中，由于激光的速度较快,激光能量从上到下逐渐减少，导致纳米铜颗粒和铜线路之间形成的结合力有限。在横截面2 中，将纳米铜膏涂覆在PI基板上（厚度为2 0 m），用多条线路组成的矩形范围的激光进行照射，修复出与原线路厚度一致的线路。0W0.3W0.4W0.5W0.74W横截面2横截面1（b）不同激光功率下修复线路的俯视图0.74W0W100um100um（d）不同激光功率下修复线路的横截面2置时的线路如图5(a)所示，弯曲测试时的线路如图5(b)所示,线路弯曲的半径如图5(c)所示,图5(d)为弯曲线路的局部放大图。在未弯折前，修复后的线路呈现出平整、无裂痕的形貌，如图6(a)所示。在经历弯折后，修复后的线路出现了裂纹，随着弯折次数的增加，裂纹的数目也在增加,如图6(b)(e)所示。随着弯折的次数增多,线路的电阻也越来越大。经过不同弯折次数的线路电阻Ra与未经弯折的线路电阻R。的比值如图6(f)所示,随着弯折次数的增多，纳米铜颗粒之间逐渐发生分散，导致线路电阻逐渐变大。500um0.3W0.4WToOum100um0.5W100um0.74WT00um第2 3卷第7 期电子与封装横截面50um横截面竖截面200um竖截面图4修复后的线路形貌4结论50m随着激光功率的提升，修复后线路的电阻较为稳定。采用频率为150 kHz、速度为10 0 mm/s、功率为(a)水平放置时的线路R-0.75cm(c）线路弯曲的半径图5线路弯曲的过程(b）弯曲测试时的线路（d）弯曲线路的局部放大图0.4W的激光对线宽为0.10 mm、线厚度为0.0 2 mm的缺陷线路进行修复，修复后线路电阻值最小为0.2 2，电阻率约为4x102m。修复后的线路表面平整、铜线路无裂痕,PI基板也无烧伤损坏。弯折会导致裂痕出现并扩大，修复后的线路电阻值随着弯折次数的增多而增大。基于纳米铜膏的纳秒紫外激光修复铜线路的方法有助于促进高密度铜印制线路板修复技术的发展。200um(a)0次200m(b)1次1086RR4200um(c)2次200m(d)3次200um(e)4次200（f）经过不同弯折次数的线路电阻与未经弯折的线路电阻比值图6 不同弯折次数的线路形貌及其电阻变化规律参考文献：1 安梦.CNT/Cu界面共价键的构建及导热性能研究D.桂林：广西师范大学，2 0 2 2.1弯折次数/次2孙琦，盛京.纳米材料的技术发展及应用J.化工进展，1997(1):48-53.3牛雨萌，赖奕坚，赵斌元，等.微纳米铜粉的制备工艺与070202-4234第2 3卷第7 期应用特性J.功能材料，2 0 18，49(5)：50 41-50 48，50 55.4文瑾，李洁.纳米铜粉的研究进展.金属功能材料，2 0 11，18(1):55-59.5王玉棉，于梦娇，王胜，等.超细铜粉的制备方法、存在问题及应用J.材料导报，2 0 0 7，2 1(z1)：12 6-12 9.6徐广东.激光烧结纳米铜精细线路成型与缺陷修复D.广州：广东工业大学，2 0 2 1.7深圳市天虹激光技术有限公司.一种微精密导线电路断路修补方法：CN109768454AP.2019-05-17.8奥宝科技有限公司.修复印刷电路迹线的方法和设备：CN104797087BP.2019-10-01.9 YANG G N,ZENG X,WANG P Y,et al.Size refinement of copper nanoparticles:a perspective from electrochemicalnucleation and growth mechanismJ.ChemElectroChem,2021,8(5):819-828.曾宇杰，徐广东，吴松，等：纳秒紫外激光修复高密度铜印制线路板研究作者简介：曾宇杰（19 9 9 一），男，江西抚州人，硕士研究生，从事微电子封装及其互连技术的研究。10 YANG G N,LIN W,LAI H Q,et al.Understanding therelationship between particle size and ultrasonic treatmentduring the synthesis of metal nanoparticlesJ.UltrasonicsSonochemistry,2021,73:105497.11罗绍根，杨斌，崔成强.一种基于键合丝的精细线路修复方法：CN112399724AP.2022-07-15.12赖华平.用于线路修复的连线方法：CN102074496BP.2013-10-23.070202-5