一种用于CuCGA器件的植柱方法技术

一种用于CuCGA器件的植柱方法。本发明专利技术涉及微电子封装技术领域，具体涉及一种CGA器件的植柱方法。为解决CuCGA器件阵列铜柱植柱难度大、植柱质量受现有植柱装置影响而表现出的焊接传热问题、焊点气孔问题。本发明专利技术首先在阵列排布的焊盘上印刷焊锡膏，并通过回流焊实现焊盘上的植球；将铜柱代替钻头装夹于微型高精度钻床的夹头中，并使铜柱位于待植柱焊盘上方并与焊盘中心对中后，利用钻床带动铜柱旋转并下压钻入焊球内预定深度后，停止铜柱的运动，至焊球冷却后夹头打开并提起，铜柱留在焊盘上焊球中，完成单个铜柱的植柱；然后重复植柱步骤以实现每个阵列排布的焊盘上的铜柱的植柱过程，并保证植柱后阵列铜柱露出端共面。本发明专利技术用于CuCGA器件的植柱。

【技术实现步骤摘要】
一种用于CuCGA器件的植柱方法
本专利技术涉及微电子封装
，具体涉及一种CGA器件的植柱方法。
技术介绍
高密度、无铅化、高可靠性封装是近年电子产品制造的努力方向。面阵列排布焊点的封装形式在单位面积上的输入/输出(I/O)数量较周边引脚封装形式呈现几何级数的增加，促进了高密度封装技术的发展。但器件的可靠性却并没有得到同步提高，依据加速寿命试验数据和分析，由于引脚对应力的吸收作用，周边引脚封装形式的典型器件QFP(QuadFlatPackage)的焊点疲劳寿命大约是常用无引脚面阵列封装形式的典型器件PBGA(PlasticBallGridArray)焊点的2-3倍。由于面阵列封装器件的热疲劳寿命随封装尺寸增加而降低，对于高频率、高功率、高I/O的大芯片封装以及高可靠性要求的航空、航天、军工用电子器件封装，通常需要采用CGA(ColumnGridArray)封装形式替代BGA(BallGridArray)封装，以借助高度更高的钎料柱来提高器件的散热能力并有效缓解陶瓷芯片载体基板与树脂印刷电路板之间TCE(ThermalCoefficientofExpansion)差异引起的应力。尽管如此，采用钎料柱的大芯片CCGA(CeramicColumnGridArray)器件的平均寿命较小尺寸芯片CBGA(CeramicBallGridArray)器件寿命约低1000个循环，甚至更差。同时，CCGA器件的高铅钎料柱互连并不符合无铅化封装的要求，CGA封装的应用处于尴尬境地。IBM公司于2005年采用铜柱(所述“铜柱”为铜圆柱)代替高铅钎料柱，称为陶瓷铜柱栅阵列(CuCGA-CeramicCopperColumnGridArray)封装，由于热循环期间柔韧铜柱易于挠曲变形，互连内部的应力能够被部分释放，因此，铜柱互连的CuCGA器件较钎料柱互连的CCGA器件的热疲劳寿命显著提高。钎料柱或铜柱在焊接前必须首先阵列垂直排布于印刷有焊锡膏的阵列排布的焊盘上，但目前的应用现状是，焊柱高度大、直径小、稳定性差的特点使得CGA器件的植柱工艺难度远大于BGA器件的植球工艺。CuCGA器件的植柱问题更是已经成为该高可靠性器件推广应用的瓶颈。目前的植柱方法存在以下问题：目前现有植柱方法大多依靠单个金属钢网或多片金属钢网叠合、并设置压块进行焊接前及焊接过程中焊柱的对中和相对位置固定，其焊前焊柱放入钢网孔中和焊后金属钢网的拆卸所需间隙(钢网孔内径与焊柱外径之间的间隙)的存在使焊柱的垂直度、对中及固定效果变差(铜柱较钎料柱受影响程度更大)，焊柱放入金属钢网时及焊后钢网拆卸时还容易刮伤焊柱、使焊柱打弯，最终植柱质量、焊点成型质量及阵列焊柱端面的共面性均难以保证，同时金属钢网的制作成本也较高；另外焊接过程中钢网植柱装置的存在直接影响热源热量有效的传递到各焊接位置和焊锡膏中助焊剂气体的散发，导致回流焊工艺调试的难度加大和焊点气孔率的增加。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有CuCGA器件阵列铜柱植柱难度大、植柱质量受植柱装置影响而导致的焊接传热问题、焊点气孔问题。一种用于CuCGA器件的植柱方法，包括以下步骤：步骤1、在阵列排布的焊盘上印刷焊锡膏；步骤2、通过回流焊实现阵列排布的焊盘上的植球；步骤3、单个铜柱的植柱：事先准备端头涂覆有助焊剂的铜柱；将铜柱代替钻头装夹于微型高精度钻床的夹头中，通过程序控制待植柱焊盘所在的基板运动，使铜柱位于待植柱焊盘上方并与焊盘中心对中后，利用钻床带动铜柱旋转同时向焊盘上的焊球运动，随后铜柱端部下压钻入焊球内预定深度S后，停止铜柱的运动，随后铜柱保持静止直至焊球冷却；铜柱镶嵌到钎料焊球当中；打开并提起钻床夹头，使铜柱留在焊盘上的钎料焊球中，完成单个铜柱的植柱过程；步骤4、阵列铜柱的植柱：以相同尺寸参数和工艺参数重复上述步骤3的过程，逐个实现每个阵列排布焊盘上的铜柱的植柱过程，并保证植柱后阵列铜柱露出端共面。优选地，所述阵列排布的焊盘为印刷电路板上阵列排布的焊盘或芯片载体基板上阵列排布的焊盘；所述植柱方法适用于二级封装中印刷电路板上阵列排布的焊盘或芯片载体基板上阵列排布的焊盘上的植柱，也适用于一级封装中芯片载体基板上阵列排布的焊盘上的植柱。优选地，步骤2所述的植球过程中形成的焊球高度h大于等于焊盘直径D的3/4。优选地，步骤2所述的回流焊植球过程在高于焊锡膏中钎料熔点20℃～40℃的温度范围内进行回流焊接。优选地，步骤3所述的铜柱是植柱前依据标准制备的统一规格尺寸的铜柱，优选地，铜柱直径d不超过焊盘直径D的1/3，且铜柱的长径比范围为6～16。优选地，步骤3中将铜柱代替钻头装夹于微型高精度钻床的夹头中，铜柱露出装夹夹头的长度范围为焊球高度h的1.5～2.0倍，且在每个阵列铜柱的植柱过程中该参数保持一致，以确保铜柱刚度足够、不打弯。优选地，步骤1所述的焊锡膏中的钎料种类为SnCu系、SnAg系、SnAgCu系、SnBi系、SnZn系、SnSb系、SnIn系软钎料中的任意一种。优选地，步骤3所述利用钻床带动铜柱旋转的旋转速度范围为1000转/分钟～2500转/分钟。优选地，步骤3所述的铜柱端部下压钻入焊球内预定深度为S，h为焊球高度。优选地，步骤3所述铜柱端部钻入焊球的过程实际伴随发生铜柱与焊球之间通过挤压镶嵌形成连接的过程和局部界面通过高温扩散形成连接的过程，从而在焊球冷却后使得铜柱镶嵌到焊球当中。本专利技术具有以下有益效果：第一，本专利技术每个铜柱的定位及植柱连接一次性实现，其植柱及连接过程中不需在阵列铜柱之间设置金属钢网等植柱装置，故不存在植柱连接中热源热量传递受钢网阻挡、焊接工艺难调试、进而影响植柱质量的问题。第二，本专利技术每个铜柱的定位及植柱连接一次性实现，其植柱及连接过程中不需在阵列铜柱之间设置金属钢网等植柱装置，故不存在植柱连接中钢网阻碍焊盘上焊锡膏中助焊剂气体的有效散发而造成焊点气孔率增加的问题，本专利技术的铜柱植柱后的焊点气孔率可降至0％。第三，本专利技术每个铜柱的定位及植柱连接一次性实现，其植柱及连接过程中不需在阵列铜柱之间设置金属钢网等植柱装置，故不存在焊柱因植柱装置焊后拆卸等工序而被刮伤和发生弯曲，铜柱露出端的共面性可显著改善。第四，本专利技术每个铜柱的定位及植柱连接一次性实现，其植柱及连接过程中不需在阵列铜柱之间设置金属钢网等植柱装置，不存在每种阵列规格的器件定制一套高精度植柱模具装置，成本降低，适于多种规格器件的生产。第五，本专利技术通过程序控制铜柱与焊盘的对中，植柱后焊柱的位置度好，植柱质量和焊点成型质量可因此显著提高。第六，本专利技术的植柱过程能够始终保持铜柱与焊盘相互垂直的位置关系，不存在因铜柱与钢网孔间隙可能引起的垂直度降低的问题，同时形成较高接合强度，所植铜柱的垂直度和牢固度得到保证，植柱质量和焊点成型质量可因此显著提高。附图说明图1为具体实施方式一中单个铜柱植柱后的示意图；图2为具体实施方式二中单个铜柱植柱后的示意图；图3为实施例1中铜柱植柱后、双面一次回流焊后形成的单个互连结构的纵切面示意图；图4为实施例2中铜柱植柱后、双面一次回流焊后形成的单个互连结构的纵切面示意图。具体实施方式具体实施方式一：一种用于CuCGA器件的植柱方法，包括以下步骤：步骤1、在印刷电路板阵列排布的焊盘上印刷焊锡膏；与传统本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于CuCGA器件的植柱方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、在阵列排布的焊盘上印刷焊锡膏；步骤2、通过回流焊实现阵列排布的焊盘上的植球；步骤3、单个铜柱的植柱：事先准备端头涂覆有助焊剂的铜柱；将铜柱代替钻头装夹于微型高精度钻床的夹头中，控制待植柱焊盘所在的基板运动，使铜柱位于待植柱焊盘上方并与焊盘中心对中后，利用钻床带动铜柱旋转同时向焊盘上的焊球运动，随后铜柱端部下压并钻入焊球内预定深度S后，停止铜柱的运动，随后铜柱保持静止直至焊球冷却；铜柱镶嵌到钎料焊球当中；打开并提起钻床夹头，使铜柱留在焊盘上的钎料焊球中，完成单个铜柱的植柱过程；步骤4、阵列铜柱的植柱：重复上述步骤3的过程，逐个实现每个阵列排布焊盘上的铜柱的植柱过程，并保证植柱参数相同以使植柱后阵列铜柱露出端共面。

【技术特征摘要】
1.一种用于CuCGA器件的植柱方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、在阵列排布的焊盘上印刷焊锡膏；步骤2、通过回流焊实现阵列排布的焊盘上的植球；步骤3、单个铜柱的植柱：事先准备端头涂覆有助焊剂的铜柱；将铜柱代替钻头装夹于微型高精度钻床的夹头中，控制待植柱焊盘所在的基板运动，使铜柱位于待植柱焊盘上方并与焊盘中心对中后，利用钻床带动铜柱旋转同时向焊盘上的焊球运动，随后铜柱端部下压并钻入焊球内预定深度S后，停止铜柱的运动，随后铜柱保持静止直至焊球冷却；铜柱镶嵌到钎料焊球当中；打开并提起钻床夹头，使铜柱留在焊盘上的钎料焊球中，完成单个铜柱的植柱过程；步骤4、阵列铜柱的植柱：重复上述步骤3的过程，逐个实现每个阵列排布焊盘上的铜柱的植柱过程，并保证植柱参数相同以使植柱后阵列铜柱露出端共面。2.根据权利要求1所述的一种用于CuCGA器件的植柱方法，其特征在于，所述阵列排布的焊盘为印刷电路板上阵列排布的焊盘或芯片载体基板上阵列排布的焊盘；所述植柱方法适用于二级封装中印刷电路板上阵列排布的焊盘或芯片载体基板上阵列排布的焊盘上的植柱，也适用于一级封装中芯片载体基板上阵列排布的焊盘上的植柱。3.根据权利要求2所述的一种用于CuCGA器件的植柱方法，其特征在于，步骤2所述的植球过程中形成的焊球高度h大于等于焊盘直径D的3/4。4.根据权利要求3所述的一种用于CuCGA器件...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵智力，刘鑫，白宇慧，王敏，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23