在光電封裝中使用噴墨打印被認(rèn)為是一項關(guān)鍵的使能技術(shù)，特別是打印用于光學(xué)互連的聚合物微透鏡和用于電氣互連的焊料。MicroFab的Polymer Jet® 技術(shù)可在高溫下沉積直徑從50μm到5mm不等的聚合物微透鏡；Solder Jet® 技術(shù)能夠在高溫下以每秒600個的速度沉積直徑為25~125µm的熔融焊料滴。通過這些MicroFab Inkjet噴墨打印技術(shù)，組件可減少零件數(shù)量和縮小封裝尺寸，可大大減少傳統(tǒng)光學(xué)對準(zhǔn)所需的勞動力。因此，這種技術(shù)進(jìn)步也為制造提供了成本效益。

1、壓電噴墨打印與設(shè)備

以按需噴墨 (DOD) 模式運行的壓電噴墨打印設(shè)備可以以高達(dá)每秒25,000滴的速率重復(fù)分配直徑為15~100μm（體積為2pL~5nL）的微液滴。沉積是非接觸式和數(shù)據(jù)驅(qū)動的。配合精密載物臺，可將液滴準(zhǔn)確送至指定位置。該技術(shù)已被開發(fā)用于分配流體，如焊料合金、光學(xué)聚合物和其他粘合劑。光學(xué)聚合物的沉積可以形成微透鏡、波導(dǎo)或其他光學(xué)元件，用于對來自光子器件的光進(jìn)行整形或引導(dǎo)。焊料或粘合劑的沉積可用于不同層次的光電元件的附接或接合。由于交付的材料量少而精確，而且工藝高度靈活，這種直寫技術(shù)被認(rèn)為是光電封裝的關(guān)鍵使能技術(shù)。在本文中，我們介紹了該技術(shù)在打印用于光學(xué)互連的微透鏡和用于打印電氣互連或結(jié)構(gòu)特征的焊料方面的應(yīng)用概念、過程和結(jié)果。本文中的大多數(shù)示例都是在封裝VCSEL陣列方面給出的。這些例子顯示了該技術(shù)在集成光學(xué)和電氣性能以及減小封裝尺寸和組裝成本方面的優(yōu)勢。

在壓電分配裝置中，電壓脈沖被施加到壓電換能器。換能器的變形與腔內(nèi)環(huán)境壓力下的流體耦合，并產(chǎn)生聲波，導(dǎo)致液滴從裝置孔口噴出。在DOD操作中，只有在向傳感器施加電壓脈沖時，才會從孔口噴出液滴。分配的液滴尺寸大約等于孔口直徑。圖1顯示了來自DOD噴墨系統(tǒng)在2kHz下發(fā)生的50μm乙二醇液滴。使用壓電DOD噴墨系統(tǒng)的一般流體特性要求是：粘度在0.5~40cps范圍內(nèi)，表面張力在20~70dy/cm范圍內(nèi)。焊料合金需要加熱到熔融狀態(tài)，并且需要有惰性氣體保護(hù)以防止其被氧化。具有超出這些范圍的特性的流體樣品需要加熱或冷卻，以在噴墨系統(tǒng)的孔口處具有所需的流變特性。在許多應(yīng)用中，固化的光學(xué)聚合物或焊料需要具有特定的輪廓（例如半球形透鏡輪廓），或具有特定的擴(kuò)散區(qū)域。因此，基材表面處理對于控制液滴潤濕和鋪展很重要。圖2所示是MicroFab高精度納米材料沉積噴墨打印系統(tǒng)Jetlab®Ⅱ，用于各種打印任務(wù)，由多個子系統(tǒng)組成，其中包括：噴頭、溫度和壓力控制、帶有運動控制的X-Y-Z 平臺、機(jī)器視覺系統(tǒng)、UV點光源和N2共流。

圖1 以2kHz生成直徑50μm的乙二醇液滴

圖2 MicroFab 高精度納米材料沉積噴墨打印系統(tǒng) Jetlab®Ⅱ

2、Polymer Jet® 技術(shù)-打印光學(xué)器件

與其他光學(xué)級聚合物（如丙烯酸樹脂、光刻膠和熱塑性塑料）相比，UV固化光學(xué)環(huán)氧樹脂是用于微透鏡打印的首選材料，因為它們具有耐熱性和化學(xué)耐久性。MicroFab內(nèi)部開發(fā)的MRXH系列光學(xué)環(huán)氧樹脂是一種100%固體的預(yù)聚物配方。在100°C以上的溫度下，其粘度可降至40cps以下，以實現(xiàn)DOD打印。將液體預(yù)聚物液滴打印到指定位置，然后進(jìn)行UV和熱固化循環(huán)，形成半球形微透鏡。透鏡尺寸由液滴的數(shù)量（即分配材料的體積）和基板表面的狀況決定。

利用噴墨打印技術(shù)，已制造出直徑從50μm到5mm不等的微透鏡陣列，如圖3所示。高度均勻的陣列，直徑精度在±1μm以內(nèi)，焦距精度在±3%以內(nèi)。使用MRXH系列材料打印和固化的微透鏡已通過200°C下1小時的測試，并經(jīng)受了96小時的壓力罐測試（120°C，100%RH）。這種熱穩(wěn)定性允許在制造微透鏡之后在模塊組件中進(jìn)行焊料回流步驟。

微透鏡陣列已被動或主動對齊并與其他組件（例如 VCSEL、激光二極管、LED 和光纖）連接，以實現(xiàn)有效的光束整形和光耦合，因為來自所有這些光子器件的光束本質(zhì)上是高度發(fā)散的。圖4是智能像素陣列技術(shù)中微透鏡陣列的集成。16x16微透鏡陣列（直徑250μm，點間距500μm）與集成有硅ASIC的 VCSEL/光電探測器陣列主動對齊。

圖3 直徑916μm，點間距1mm，焦距1.10±0.01mm的噴墨打印微透鏡陣列

圖4 智能像素陣列模塊（上）和模塊中打印的250μm直徑微透鏡陣列，下方為VCSEL。6個VCSEL已打開（下）

MicroFab還開發(fā)了微光學(xué)與VCSEL陣列的晶圓級集成。首先通過非常厚的薄膜圖案化的光刻工藝在VCSEL晶片上形成聚合物基座。然后將微透鏡直接打印在底座頂部，底座與VCSEL的對齊由光刻公差定義，微透鏡與底座的對齊具有自定心特性。基座和微透鏡的尺寸是通過光學(xué)建模和考慮現(xiàn)有VCSEL晶圓的布局來確定的。底座直徑115μm，高100μm。打印的液滴數(shù)為3到7，對應(yīng)于25、28、33、36和38μm的透鏡高度。從VCSEL到50/125多模光纖的測量耦合效率顯示了光學(xué)性能的改進(jìn)。

這種微光學(xué)結(jié)構(gòu)已被證明具有很高的機(jī)械穩(wěn)定性。它維持了后續(xù)的晶圓切割和芯片鍵合環(huán)境。與單獨的VCSEL陣列、微透鏡陣列、墊片等相比，這種晶圓級集成減少了部件數(shù)量；消除了微透鏡陣列與VCSEL陣列的主動對準(zhǔn)；減小了組件的總尺寸；并因此降低了總制造成本。微透鏡也被打印在單?；蚨嗄９饫w的尖端上，使用玻璃夾頭形成單片亞麻籽纖維，以提高光耦合或收集的效率。

3、Solder Jet® 技術(shù)-實現(xiàn)電氣互連

在倒裝芯片和其他節(jié)省空間/重量的電子封裝發(fā)展的推動下，將小焊球沉積到集成電路或芯片級封裝的互連焊盤上是電子組裝中快速增長的大型應(yīng)用。使用表面張力驅(qū)動的自定心來實現(xiàn)光學(xué)元件與<1μm的對齊也開始被使用。噴墨打印技術(shù)為這些應(yīng)用提供了一種沉積焊料凸塊的方法，許多組織正在探索其應(yīng)用。已經(jīng)開發(fā)了使用電動和壓電致動器的DOD模式焊料噴射系統(tǒng)。

使用壓電DOD模式噴墨打印系統(tǒng)進(jìn)行焊料點膠的操作特性包括：形成直徑為25~125μm的球體；液滴形成率高達(dá)每秒1,000個；以高達(dá)每秒600次的速度沉積到焊盤上；工作溫度高達(dá)320°C。點涂的焊料主要是共晶錫鉛 (63Sn/37Pb)，但也證明了其他一些焊料，包括高鉛 (95Pb/5Sn)、無鉛 (96.5Sn/3.5Ag；97Sn/2.5Ag/0.5Cu；銦；52In/48Sn)；和低溫鉍焊料。圖5顯示了將焊料打印到18x18測試試樣上的結(jié)果，該試樣具有100μm直徑的焊盤，點間距250μm。沉積的焊料體積相當(dāng)于直徑為100μm的液滴。請注意，圖5中所示的凸塊形狀是快速（<100μs）凝固的結(jié)果。這些測試的瞬時液滴速率為每秒400滴，圖案是通過在圖的水平方向上光柵化基板來打印的。在這些測試中，平均放置誤差為8μm，接近所采用平臺的定位和對齊系統(tǒng)所施加的精度限制。這種方法在整個可達(dá)到的體積范圍內(nèi)都是連續(xù)的。

焊料和聚合物已被打印在相同的VCSEL陣列上，用于凸點和形成微透鏡。如圖6所示，直徑60μm的焊料滴沉積在焊盤上，而聚合物滴沉積在發(fā)射極上。另一個示例具有90°的配置，其中焊料凸點直接互連1x4的VCSEL陣列上的焊盤和基板上的銅引線。這種直接鍵合取代了傳統(tǒng)的引線鍵合，因為寄生電容是限制數(shù)據(jù)傳輸速率的來源之一。為防止回流后焊料的廣泛擴(kuò)散，基板上的鍍金引線設(shè)計為槽結(jié)構(gòu)。焊球打印到槽中并在回流后填充槽以形成穩(wěn)定的結(jié)。

MicroFab Inkjet噴墨打印技術(shù)已被證明能夠打印用于微透鏡的光學(xué)聚合物和用于焊接互連的焊料。這種直接寫入方法為顯著降低現(xiàn)有組件的成本以及新的組件和設(shè)備配置提供了機(jī)會。

圖5 直徑為100μm的焊料凸點以400個/秒的速度放置在250μm點間距的100μm焊盤上

圖6 VCSEL陣列在發(fā)射器上打印的90μm微透鏡（左）VCSEL在發(fā)射器上帶有微透鏡，在焊盤上帶有60μm焊料凸點