一种铜带缠绕型焊柱的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种铜带缠绕型焊柱的制备方法，包括以下步骤：S1、制备焊芯预制体；S2、制备焊柱预制体；S3、焊柱的焊接处理。本发明专利技术能够有效改善回流焊导致的焊柱孔隙率高，焊芯液化失效等工艺缺陷，实现了铜带与Pb‑Sn焊芯的高质量熔焊，降低了铜带缠绕型焊柱的报废率，降低了熔焊的功耗成本，并有效地缩短了焊柱制备的时间，在实现制备高质量铜带缠绕型焊柱的同时，降低了制造成本。

Preparation of a Copper Strip Winding Welding Column

The invention discloses a preparation method of copper tape wound welding column, which comprises the following steps: S1, preparation of welding core preform; S2, preparation of welding column preform; S3, welding treatment of welding column. The invention can effectively improve the technological defects such as high porosity of welding column and liquefaction failure of welding core caused by reflow welding, realize high quality fusion welding of copper strip and lead Sn welding core, reduce the scrap rate of copper strip winding welding column, reduce the power consumption cost of welding, effectively shorten the preparation time of welding column, and reduce the manufacture while realizing the preparation of high quality copper strip winding welding column. Cost.

【技术实现步骤摘要】
一种铜带缠绕型焊柱的制备方法
本专利技术涉及电子元器件封装领域，具体涉及一种铜带缠绕型焊柱的制备方法。
技术介绍
随着电子信息技术的快速发展，半导体元器件的集成度和复杂程度越来越高，相应地，电子封装工艺中涉及的引脚数量、引脚密度、工作频率以及功耗的不断增加，使得传统封装技术面临着新的挑战。这种趋势在军事、航空航天等特殊工况下服役的逻辑和微处理上尤为显著。传统的封装方法在电性能、热性能以及力学性能等方面已经越来越不能满足电子器件连接的可靠性需求。为了应对上述问题，美国IBM公司和RAYCHEM公司分别成功研制了90Pb10Sn材质的“铸造型焊柱”和80Pb20Sn材质的“铜带缠绕型焊柱”，应用于新型的陶瓷柱状栅格阵列（CeramicColumnGridArray，CCGA）封装技术中，实现了多层陶瓷材料与电路板的高可靠性连接。其中，“铜带缠绕型焊柱”以其更为优异的抗热冲击性能，更高的可靠性得到了广泛的应用。近年来，我国在包括军工科技、航天技术等多个高精尖领域取得了长足的进步，CCGA技术的使用率也随之飞速提升。然而，需要指出的是，国内CCGA行业的科研人员把更多的精力集中在了CCGA阵列结构的研制、焊柱加固、打磨以及自动植柱等辅助CCGA封装工艺领域，而CCGA焊柱制备的核心技术则长期被发达国家垄断。目前我国军用的CCGA焊柱全部从美国进口。研究发现，制备合格铜带缠绕型焊柱的核心技术问题在于：由于焊柱芯部（简称焊芯，为Pb-Sn合金）与缠绕于焊芯外侧的铜带之间具有孔隙，这些孔隙的存在会提高铜带与焊芯在高功耗服役和热冲击条件下的剥离倾向，一旦两者产生剥离，焊柱的可靠性会大大降低，甚至引发整个电子器件的失效。因此，降低焊柱制备过程中产生的孔隙率是延长封装寿命，提升焊点可靠性的技术关键。美国航空航天局（NASA）制定的CCGA相关标准规定，铜带与焊芯之间的孔隙率必须严格控制在5%以下。这一标准也获得了世界各国CCGA行业的认可，成为了衡量铜带缠绕型焊柱合格与否的通行标准。对于铜带缠绕型焊柱涉及的纯Sn的同质连接，即焊芯外表面Sn镀层与铜带内表面Sn镀层），目前广泛采用的方法为单热源加热，即回流焊。即在可控气氛下升温，使Sn软化甚至熔化，发生Sn-Sn界面交互作用，从而形成连接的技术。回流焊工艺虽然在气氛、控温等方面表现优异，但是在CCGA焊柱的制备过程中却存在诸多困难。一方面，如果熔焊时温度较低，会导致Sn-Sn界面的润湿性和粘性金属的流动性较差，界面的气相吸附容易被Sn熔体包裹且难以排除，致使冷却后在界面结合处形成孔隙，造成孔隙率过高；另一方面，如果熔焊时温度较高，则会使焊芯的Pb-Sn合金发生变形，甚至流出，直接导致焊柱报废。而由于芯部Pb-Sn合金的熔点（通常低于210℃）总是低于镀层Sn的熔点（232℃），因此，整体热加工产生的工艺缺陷几乎不可避免。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述不足，本专利技术在于解决现有的铜带缠绕型焊柱采用回流焊工艺导致的孔隙率过高的问题，和由于焊芯的熔点低于镀层的熔点导致在焊接过程中焊芯发生变形甚至流出导致焊柱报废率高的问题，提供一种铜带缠绕型焊柱的制备方法。为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种铜带缠绕型焊柱的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1焊芯的预处理S11对Pb-Sn合金焊芯进行电镀Cu处理，使焊芯表面均匀镀覆Cu层；S12对镀覆Cu层的焊芯进一步进行电镀Sn处理，在Cu层外再镀覆一层均匀的Sn层；S13将上述处理后的焊芯浸入中性助焊剂中，使助焊剂充分附着于S12制备的焊芯外表面，得到焊芯预制体；S2焊柱预制体的制备S21选用宽度适宜的铜带，对铜带进行单面电镀Sn处理；S22将所述铜带的镀Sn面与S13制备的焊芯预制体外表面接触，采用电动绕丝机将铜带均匀缠绕在焊芯预制体外表面，制得焊柱预制体；S3焊柱的焊接处理S31将步骤S22制得的焊柱预制体在电流场耦合的电阻加热炉中，其具体装置方式为：首先，将焊柱两端装夹在直流电回路中，电极的一端接焊芯，另一端电极接铜带，然后将装夹焊柱预制体的部分置入电阻加热炉中；其次，调控电炉温度为170-195℃然后调节电流场参数，用双温双控直流电源调节回路中的电流和电压强度，使铜带与焊芯固-固接触的部分获得额外的局部焦耳热源；通过电炉和电流场两个热源联合控制熔焊过程，制备铜带缠绕型焊柱；S32将铜带缠绕型焊柱切割成标准尺寸。进一步，所述步骤S1中的焊芯预制体的直径为0.3-0.4mm。进一步，所述步骤S2中，所述铜带的宽度为0.3±0.1mm，缠绕的铜带之间的距离为0.23±0.05mm。进一步，所述步骤S3中，电阻加热炉的加热温度低于Pb-Sn合金焊芯的熔点5~20℃。进一步，所述步骤S3中，所述直流电源调节回路中的电流强度5±3A。进一步，所述步骤S3中，所述直流电源调节回路中的通电时间5±3min。本专利技术能够降低CCGA焊柱孔隙率的机理是：针对回流焊工艺熔焊中期（保温阶段）焊芯与Sn-Sn界面存在氧化导致的粘附功较低、润湿性差以及熔焊后期（降温阶段）金属流动性变差导致的凝固后孔隙的问题，利用本专利技术提供的低温整体加热和直流电场局部加热工艺，能够有效地加以解决。首先，在熔焊的保温阶段，金属Sn-Sn界面受到氧化的影响润湿性较差；低的粘附力导致了界面间隙的产生，在冷却至室温后形成孔隙，而直流电的施加能够有效地破除金属表面氧化膜，从而减少界面间隙的产生。其次，在熔焊的降温阶段，接近熔融态的金属流动性变差，界面材料冷却收缩时，周围金属难以“补缩”，也会引发孔隙的产生。而对焊柱预制体施加直流电流时，由于整体温度在界面Sn熔点以下，铜带与焊芯形成的固相接触电阻很大，因此，只要施以足够的电压和电流，就能够使接触界面处的焦耳热量在短时间内显著提升。接触界面温度的提升能够使该部位的金属流动性增强，获得充分“补缩”的能力，由于这种热效应只发生在焊柱微局部，大大削弱了芯部Pb-Sn合金熔化、流出致使工件报废的倾向。第三，在“补缩”完成、界面形成高质量熔焊以后，“固相接触不良，导致界面电阻率高”的效应会自动随之消失，直流电流不再起到局部加热的作用，焊柱整体温度重新回到合金熔点以下，从而进一步避免了熔焊过程中的过热失效。相比现有技术，本专利技术具有如下有益效果：1、本专利技术能够有效改善回流焊导致的焊柱孔隙率高，焊芯液化失效等工艺缺陷，实现了铜带与Pb-Sn焊芯的高质量熔焊，降低了铜带缠绕型焊柱的报废率。由于对焊芯和铜带采用电阻加热炉整体加热和电流场局部加热的加热方式，先通过电阻加热炉对焊柱预制体整体加热，并将加热温度控制在低于Pb-Sn合金的熔点的温度，再将焊柱两端装夹在直流电回路中；这样，有效避免了采用单热源加热（回流焊）导致的焊柱孔隙率高，焊芯液化失效等工艺缺陷，实现了铜带与Pb-Sn焊芯的高质量熔焊，保持了焊柱组织的整体固相的稳定性。2、本专利技术解决了熔焊需要的温度大于焊芯的熔点的矛盾，将其转化为在低于焊芯熔点的温度下保温，再施加电流场参数控制。由于接触界面电阻率高的现象会随着熔焊完成而自行消失，因此，电流辅助熔焊避免了熔焊时间对熔焊质量的影响，简化了工艺，增加了工艺的可调控性，同时提高了参数调整的容错率。3、本专利技术采用的电流场局部加热方式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铜带缠绕型焊柱的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1焊芯的预处理S11对Pb‑Sn合金焊芯进行电镀Cu处理，使焊芯表面均匀镀覆Cu层；S12对镀覆Cu层的焊芯进一步进行电镀Sn处理，在Cu层外再镀覆一层均匀的Sn层；S13将上述处理后的焊芯浸入中性助焊剂中，使助焊剂充分附着于S12制备的焊芯外表面，得到焊芯预制体；S2焊柱预制体的制备S21选用宽度适宜的铜带，对铜带进行单面电镀Sn处理；S22将所述铜带的镀Sn面与S13制备的焊芯预制体外表面接触，采用电动绕丝机将铜带均匀缠绕在焊芯预制体外表面，制得焊柱预制体；S3焊柱的焊接处理S31将步骤S22制得的焊柱预制体在电流场耦合的电阻加热炉中，其具体装置方式为：首先，将焊柱两端装夹在直流电回路中，电极的一端接焊芯，另一端电极接铜带，然后将装夹焊柱预制体的部分置入电阻加热炉中；其次，调控电炉温度为170‑195℃然后调节电流场参数，用双温双控直流电源调节回路中的电流和电压强度，使铜带与焊芯固‑固接触的部分获得额外的局部焦耳热源；通过电炉和电流场两个热源联合控制熔焊过程，制备铜带缠绕型焊柱；S32将铜带缠绕型焊柱切割成标准尺寸。

【技术特征摘要】
1.一种铜带缠绕型焊柱的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1焊芯的预处理S11对Pb-Sn合金焊芯进行电镀Cu处理，使焊芯表面均匀镀覆Cu层；S12对镀覆Cu层的焊芯进一步进行电镀Sn处理，在Cu层外再镀覆一层均匀的Sn层；S13将上述处理后的焊芯浸入中性助焊剂中，使助焊剂充分附着于S12制备的焊芯外表面，得到焊芯预制体；S2焊柱预制体的制备S21选用宽度适宜的铜带，对铜带进行单面电镀Sn处理；S22将所述铜带的镀Sn面与S13制备的焊芯预制体外表面接触，采用电动绕丝机将铜带均匀缠绕在焊芯预制体外表面，制得焊柱预制体；S3焊柱的焊接处理S31将步骤S22制得的焊柱预制体在电流场耦合的电阻加热炉中，其具体装置方式为：首先，将焊柱两端装夹在直流电回路中，电极的一端接焊芯，另一端电极接铜带，然后将装夹焊柱预制体的部分置入电阻加热炉中；其次，调控电炉温度为170-195℃然后调节电流场参数，用双温双控直流电源调节回路中...

【专利技术属性】
技术研发人员：谷岩，彭程，王涛，周天国，闫琼，向秀银，杨慧，
申请(专利权)人：长江师范学院，
类型：发明
国别省市：重庆,50