MicroFab Inkjet噴墨打印技術(shù)在光學(xué)元件上的應(yīng)用

以按需噴墨 (DOD) 模式運(yùn)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(dòng)的。配合精密載物臺(tái)，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(duì)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(shì)。

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(shí)，才會(huì)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(duì)于控制液滴潤濕和鋪展*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(gè)子系統(tǒng)組成，其中包括：噴頭、溫度和壓力控制、帶有運(yùn)動(dòng)控制的X-Y-Z 平臺(tái)、機(jī)器視覺系統(tǒng)、UV點(diǎn)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

與其他光學(xué)級(jí)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?yàn)樗鼈兙哂心蜔嵝院突瘜W(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(shí)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(shí)的測(cè)試，并經(jīng)受了96小時(shí)的壓力罐測(cè)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(dòng)或主動(dòng)對(duì)齊并與其他組件（例如 VCSEL、激光二極管、LED 和光纖）連接，以實(shí)現(xiàn)有效的光束整形和光耦合，因?yàn)閬碜运羞@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(diǎn)間距500μm）與集成有硅ASIC的 VCSEL/光電探測(cè)器陣列主動(dòng)對(duì)齊。

▲ 圖3 直徑916μm，點(diǎn)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(gè)VCSEL已打開（下）

MicroFab還開發(fā)了微光學(xué)與VCSEL陣列的晶圓級(jí)集成。首先通過**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(duì)齊由光刻公差定義，微透鏡與底座的對(duì)齊具有自定心特性?；臀⑼哥R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(duì)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(cè)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*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(dú)的VCSEL陣列、微透鏡陣列、墊片等相比，這種晶圓級(jí)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(dòng)對(duì)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**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。

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(dòng)下，將小焊球沉積到集成電路或芯片級(jí)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(dòng)的自定心來實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件與<1μm的對(duì)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(dòng)和壓電致動(dòng)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(diǎn)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(gè)；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(diǎn)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(cè)試試樣上的結(jié)果，該試樣具有100μm直徑的焊盤，點(diǎn)間距250μm。沉積的焊料體積相當(dāng)于直徑為100μm的液滴。請(qǐng)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(cè)試的瞬時(shí)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(cè)試中，平均放置誤差為8μm，接近所采用平臺(tái)的定位和對(duì)齊系統(tǒng)所施加的精度限制。這種方法在整個(gè)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(diǎn)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(gè)示例具有90°的配置，其中焊料凸點(diǎn)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?yàn)榧纳娙菔窍拗茢?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(jì)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(huì)。

▲ 圖5 直徑為100μm的焊料凸點(diǎn)以400個(gè)/秒的速度放置在250μm點(diǎn)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(diǎn)（右）