@3叠层实体快速成型工艺

2009年全国博士生学术会议 科技进步与社会发展跨学科学术研讨会论文集三维（3D）叠层封装技术及关键工艺郑建勇，张志胜，史金飞（东南大学机械工程学院，江苏南京，211189)摘要：三维（3D）叠层封装技术是一种可实现电子产品小尺寸、轻重量、低功耗、高性能和低成本的先进封装技术，该技术已广泛用于手机、数码相机、MP4及其他的便携式无线产品。

文中对3D叠层封装技术进行了简要介绍，重点分析了三维叠层封装技术的分类和关键工艺，阐述了三维叠层封装技术的优点，并对3D叠层封装技术所面临的一些问题和应用前景进行了分析。

关键词：3D叠层封装技术；封装工艺；芯片堆叠；封装堆叠Integrated Circuit Three Dimension Stacked Packageand Its Key TechnologyZheng Jian-yong, Zhang Zhi-sheng, Shi Jin-fei(Department of Mechanical and Engineering, Southeast University, Nanjing ,Jiangsu,211189)Abstract: In recent years, the increasing demands for the high performance integrated circuit devices have led to the development of multi-die stacking technology in a single package. The 3D (three dimension) stacked package technology is developing trend of the integrated circuit advanced high-density packaging, which can easily meet the developing of smaller footprint, lower profile, multi-function, lower power consumption and lower cost for the cell phones and consumer products like digital cameras, MP4, PDA and other wireless devices. Some correlative concepts of the 3D stacked package have been proposed in this paper. Firstly, the development trends and the general classifications of 3D stacked package have been introduced. Furthermore, in order to compare with the traditional 2D package (MCM), the advantages of the 3D stacked package technology have been discussed, and it also briefly states the technical challenges that 3D stacked package technology must be faced. In addition, the potential applications that may take advantage of 3D stacked package technology are discussed.Keywords: Integrated circuit; 3D stacked package; Advantages; Application1 引言随着手机、PDA、数码相机、MP4等移动消费型电子产品对于功能集成、大存储空间、高可靠性及小型化等封装的要求程度越来越高，在MCM（多芯片组件）X、Y平面内的二维封装的基础上，沿Z方向堆叠的更高密度的三维封装技术得到了充分发展。

1前言快速成型(Rapid Prototyping)是上世纪80年代末及90 年代初发展起来的高新制造技术，是由三维CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的总称。

它集成了CA D技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。

由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。

与传统制造方法不同，快速成型从零件的CAD几何模型出发，通过软件分层离散和数控成型系统，用激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件。

通过与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段相结合，已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段，在航空航天、汽车摩托车、家电等领域得到了广泛应用。

2 快速成型的基本原理快速成型技术采用离散/堆积成型原理，根据三维CAD模型，对于不同的工艺要求，按一定厚度进行分层，将三维数字模型变成厚度很薄的二维平面模型。

再将数据进行一定的处理，加入加工参数，产生数控代码，在数控系统控制下以平面加工方式连续加工出每个薄层，并使之粘结而成形。

实际上就是基于“生长”或“添加”材料原理一层一层地离散叠加，从底至顶完成零件的制作过程。

快速成型有很多种工艺方法，但所有的快速成型工艺方法都是一层一层地制造零件，所不同的是每种方法所用的材料不同，制造每一层添加材料的方法不同。

快速成型的基本原理图快速成型的工艺过程原理如下:(1)三维模型的构造:在三维CAD设计软件中获得描述该零件的CAD文件。

一般快速成型支持的文件输出格式为STL模型，即对实体曲面做近似的所谓面型化(Tessellation)处理，是用平面三角形面片近似模型表面。

以简化CAD模型的数据格式。

便于后续的分层处理。

由于它在数据处理上较简单，而且与CAD系统无关，所以很快发展为快速成型制造领域中CAD系统与快速成型机之间数据交换的标准，每个三角面片用四个数据项表示。

几种常见快速成型工艺优缺点比较在快速领域里一直站主导地位快速成型工艺主要包括：FDM、SLA、SLS 及LOM等工艺，而这几种工艺又各有千秋，下面我们在主要看一下这几种工艺的优缺点比较：FDM 丝状材料选择性熔覆快速原型工艺是一种不依靠激光作为成型能源、而将各种丝材（如工程塑料ABS聚碳酸酯PC等）加热熔化进而堆积成型方法，简称FDM。

丝状材料选择性熔覆的原理如下：加热喷头在计算机的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，作X-Y平面运动，热塑性丝状材料由供丝机构送至热熔喷头，并在喷头中加热和熔化成半液态，然后被挤压出来，有选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层大约0.127mm厚的薄片轮廓。

一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层" 画出"截面轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。

这种工艺方法同样有多种材料可供选用，如工程塑料ABS聚碳酸酯PC 工程塑料PPSF以及ABS与PC的混合料等。

这种工艺干净，易于操作，不产生垃圾，并可安全地用于办公环境，没有产生毒气和化学污染的危险。

适合于产品设计的概念建模以及产品的形状及功能测试。

专门开发的针对医用的材料ABS-i，因为其具有良好的化学稳定性，可采用伽码射线及其他医用方式消毒，特别适合于医用。

FDM快速原型技术的优点是：1 制造系统可用于办公环境，没有毒气或化学物质的污染；2 一次成型易于操作且不产生垃圾；3 独有的水溶性支撑技术，使得去除支撑结构简单易行，可快速构建瓶状或中空零件以及一次成型的装配结构件；4 原材料以材料卷的形式提供，易于搬运和快速更换。

5、可选用多种材料，如各种色彩的工程塑料ABS PC PPSF以及医用ABS 等。

FDM快速原型技术的缺点是:1成型精度相对国外先进的SLA工艺较低，最高精度0.127mm2、成型表面光洁度不如国外先进的SLA工艺；3、成型速度相对较慢SLA光敏树脂选择性固化是采用立体雕刻原理的一种工艺，简称SLA是最早出现的一种快速成型技术。

四种常见快速成型技术FDM丝状材料选择性熔覆 Fus ed Dep osi tion Mod eling 快速原型工艺是一种不依*激光作为成型能源、而将各种丝材加热溶化的成型方法,简称FDM。

丝状材料选择性熔覆的原理室,加热喷头在计算机的控制下,根据产品零件的截面轮廓信息,作X-Y平面运动。

热塑性丝状材料如直径为1.78m m的塑料丝由供丝机构送至喷头,并在喷头中加热和溶化成半液态,然后被挤压出来,有选择性的涂覆在工作台上,快速冷却后形成一层大约0.127mm厚的薄片轮廓。

一层截面成型完成后工作台下降一定高度,再进行下一层的熔覆,好像一层层"画出"截面轮廓,如此循环,最终形成三维产品零件。

这种工艺方法同样有多种材料选用,如ABS塑料、浇铸用蜡、人造橡胶等。

这种工艺干净,易于操作,不产生垃圾,小型系统可用于办公环境,没有产生毒气和化学污染的危险。

但仍需对整个截面进行扫描涂覆,成型时间长。

适合于产品设计的概念建模以及产品的形状及功能测试。

由于甲基丙烯酸ABS M AB S 材料具有较好的化学稳定性,可采用加码射线消毒,特别适用于医用。

但成型精度相对较低,不适合于制作结构过分复杂的零件。

FD M快速原型技术的优点是：1、操作环境干净、安全可在办公室环境下进行。

2、工艺干净、简单、易于材作且不产生垃圾。

3、尺寸精度较高,表面质量较好,易于装配。

可快速构建瓶状或中空零件。

4、原材料以卷轴丝的形式提供,易于搬运和快速更换。

5、材料利用率高。

6、可选用多种材料,如可染色的A BS和医用A BS、PC、PP SF等。

FDM快速原型技术的缺点是：1、做小件或精细件时精度不如SLA,最高精度0.127mm。

2、速度较慢。

SL A敏树脂选择性固化是采用立体雕刻Stereo litho gra phy原理的一种工艺,简称SLA,也是最早出现的、技术最成熟和应用最广泛的快速原型技术。

在树脂液槽中盛满液态光敏树脂,它在紫外激光束的照射下会快速固化。

FDM快速成型技术摘要：随着RP行业的迅速发展，FDM快速成型技术在快速成型制造领域中的作用日趋重要，本文重点阐述了FDM快速成型技术的工作原理，工艺特点，应用领域及未来的发展趋势。

关键词：FDM快速成型工作原理工艺应用1. 引言目前，快速成型(Rapid Prototyping, RP)技术作为研究和开发新产品的有力手段已发展成为一项高新制造技术中的新兴产业。

RP由CAD模型直接驱动，快速地生产出复杂的三维实体样件或零件[1~2]。

RP技术从产生到现在已有10多年历史，并正以35%的年增长率发展着[3]。

熔融沉积快速成型（FDM）是继光固化快速成型和叠层实体快速成型工艺后的另一种应用比较广泛的快速成型工艺。

FDM技术将ABS，PC，PPSF以及其它热塑性材料挤压成为半熔融状态的细丝，由沉积在层层堆叠基础上的方式，从 3D CAD资料直接建构原型。

该技术通常应用于塑型，装配，功能性测试以及概念设计。

此外，FDM技术可以应用于打样与快速制造。

该工艺方法以美国STRATASYS公司开发的FDM制造系统应用最为广泛。

在2004年，STRATASYS 公司的 FDM 快速成型机系列占全球市场 48.5%。

北京航空工艺研究所现拥有一台多功能快速成型机，能完成LOM（叠层实体制造），FDM（熔融沉积制造）和SLS（选择性激光烧结）3种工艺，FDM制件精度可达0.15mm。

2. FDM工作原理2.1 FDM快速成型的原理熔融沉积制造法(FDM)快速成型技术的软件系统由几何建模和信息处理组成。

（1）几何建模单元是设计人员借助三维软件，如Pro/E，UG等，来完成实体模型的构造，并以STL格式输出模型的几何信息。

（2）信息处理单元主要完成STL文件处理、截面层文件生成、填充计算，数控代码生成和对成形系统的控制。

如果根据STL文件判断出成形过程需要支撑的话，先由计算机设计出支撑结构并生成支撑，然后对STL格式文件分层切片，最后根据每一层的填充路径，将信息输给成形系统完成模型的成形。

快速成型技术的原理、工艺过程及技术特点：快速成型属于离散／堆积成型。

它从成型原理上提出一个全新的思维模式维模型，即将计算机上制作的零件三维模型，进行网格化处理并存储，对其进行分层处理，得到各层截面的二维轮廓信息，按照这些轮廓信息自动生成加工路径，由成型头在控制系统的控制下，选择性地固化或切割一层层的成型材料，形成各个截面轮廓薄片，并逐步顺序叠加成三维坯件．然后进行坯件的后处理，形成零件。

快速成型的工艺过程具体如下：l ）产品三维模型的构建。

由于 RP 系统是由三维 CAD 模型直接驱动，因此首先要构建所加工工件的三维CAD 模型。

该三维CAD模型可以利用计算机辅助设计软件（如Pro/E , I-DEAS , Solid Works , UG 等）直接构建，也可以将已有产品的二维图样进行转换而形成三维模型，或对产品实体进行激光扫描、CT 断层扫描，得到点云数据，然后利用反求工程的方法来构造三维模型。

2 ）三维模型的近似处理。

由于产品往往有一些不规则的自由曲面，加工前要对模型进行近似处理，以方便后续的数据处理工作。

由于STL格式文件格式简单、实用，目前已经成为快速成型领域的准标准接口文件。

它是用一系列的小三角形平面来逼近原来的模型，每个小三角形用3 个顶点坐标和一个法向量来描述，三角形的大小可以根据精度要求进行选择。

STL 文件有二进制码和 ASCll 码两种输出形式，二进制码输出形式所占的空间比 ASCII 码输出形式的文件所占用的空间小得多，但ASCII码输出形式可以阅读和检查。

典型的CAD 软件都带有转换和输出 STL 格式文件的功能。

3 ）三维模型的切片处理。

根据被加工模型的特征选择合适的加工方向，在成型高度方向上用一系列一定间隔的平面切割近似后的模型，以便提取截面的轮廓信息。

间隔一般取0.05mm~0.5mm，常用 0.1mm 。

间隔越小，成型精度越高，但成型时间也越长，效率就越低，反之则精度低，但效率高。

四大快速成型工艺和优缺点目前世界上的快速成型工艺主要有以下几种：一、FDM –熔融堆积工艺丝状材料选择性熔覆（Fused Deposition Modeling）快速原型工艺是一种不依靠激光作为成型能源、而将各种丝材加热溶化的成型方法，简称FDM。

丝状材料选择性熔覆的原理是，加热喷头在计算机的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，作X-Y平面运动。

热塑性丝状材料（如直径为1.78mm的塑料丝）由供丝机构送至喷头，并在喷头中加热和溶化成半液态，然后被挤压出来，有选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层薄片轮廓。

一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层"画出"截面轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。

这种工艺方法同样有多种材料选用，如ABS塑料、浇铸用蜡、人造橡胶等。

这种工艺干净，易于操作，不产生垃圾，小型系统可用于办公环境，没有产生毒气和化学污染的危险。

但仍需对整个截面进行扫描涂覆，成型时间长。

适合于产品设计的概念建模以及产品的形状及功能测试。

由于甲基丙烯酸ABS（MABS）材料具有较好的化学稳定性，可采用伽马射线消毒，特别适用于医用。

但成型精度相对较低，不适合于制作结构过分复杂的零件。

FDM快速成型技术的优点是：1、制造系统可用于办公环境，没有毒气或化学物质的危险。

2、工艺干净、简单、易于材作且不产生垃圾。

3、可快速构建瓶状或中空零件。

4、原材料以卷轴丝的形式提供，易于搬运和快速更换。

5、可选用多种材料，如可染色的ABS和医用ABS、浇铸用蜡和人造橡胶。

FDM快速原型技术的缺点是：1、精度较低，难以构建结构复杂的零件。

2、垂直方向强度小。

3、速度较慢，不适合构建大型零件。

二、SLA –树脂光固化工艺光敏树脂选择性固化是采用立体雕刻（Stereolithography）原理的一种工艺，简称SLA，也是最早出现的、技术最成熟和应用最广泛的快速成型技术。