一种基于毛细填缝效应的CGA器件焊柱成形方法技术

一种基于毛细填缝效应的CGA器件焊柱成形方法，涉及微连接技术领域。为解决CGA器件植柱难度大、植柱质量受辅助模具影响易出现刮伤焊柱、焊接传热不良和焊点气孔问题。本发明专利技术首先在芯片载体基板和印刷电路板阵列排布的焊盘上印刷高熔点焊锡膏，并通过回流焊实现焊盘上的植球；再利用微型精密钻床在阵列焊球中形成定位孔；借助针筒将适量低熔点焊锡膏粘附在定位孔外焊球顶部的一侧后，将阵列焊柱两端插装于两侧芯片载体基板和印刷电路板阵列焊球的定位孔中，期间施加适当压力使焊柱两端均嵌入到定位孔底部；采用回流焊仅使低熔点焊锡膏熔化填充毛细间隙并实现阵列焊柱与两侧基板上阵列焊球间的植柱连接。本发明专利技术用于CGA器件的植柱。

A Welding Column Forming Method for CGA Devices Based on Capillary Seam Filling Effect

【技术实现步骤摘要】
一种基于毛细填缝效应的CGA器件焊柱成形方法
本专利技术涉及微连接
，具体涉及一种用于CGA器件封装的焊柱阵列成形方法。
技术介绍
高密度、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的大芯片器件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，以借助高度更高的焊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印刷电路板之间TCE(ThermalCoefficientofExpansion)差异引起的应力。由于CCGA(CeramicColumnGridArray)器件的高铅钎料柱互连不符合无铅化封装的要求，2005年出现了采用铜柱代替高铅钎料柱的陶瓷铜柱栅阵列(CuCGA-CeramicCopperColumnGridArray)封装形式。由于热循环期间柔韧铜柱易于挠曲变形，阵列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。CGA器件阵列焊柱互连的制造，需要钎料柱或铜柱在焊接前垂直地阵列排布于印刷有焊锡膏的阵列排布的焊盘上，然后焊锡膏在回流焊设备中被加热、润湿焊盘和钎料柱/铜柱并实现植柱连接。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。目前现有的植柱方法大多借助辅助模具进行阵列焊柱的定位和连接，例如，借助带阵列孔的模具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阵列焊柱的对中和相对位置固定。目前的植柱方法存在以下问题：(1)辅助模具的通用性差、成本高。不同规格器件的焊柱间距和焊柱数量不同，需要针对不同规格的CGA器件制作不同的植柱用精密模具，与BGA器件相比制作成本大大提高。(2)辅助模具的拆装容易引发植柱质量问题。回流焊前焊柱放入带阵列孔的模具或钢网孔中、及回流焊后模具或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，最终植柱质量及阵列焊柱端面的共面性均难以保证。(3)辅助模具的存在影响连接质量。回流焊过程中带阵列孔的模具和钢网等辅助模具的存在会影响热源热量有效传递到各焊接位置及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。(4)内部芯片经历多次高温冲击。上述植柱工艺仅完成焊柱一端与芯片载体基板上焊盘之间的连接，之后还需要借助回流焊再将阵列焊柱的另一端与印刷电路板上的焊盘形成连接，不但制作工艺繁琐，器件内部的芯片等敏感部件也会经历多次的高温冲击，失效风险增加。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有CGA器件封装焊柱植柱难度大、植柱质量受辅助模具影响大而容易出现模具拆卸刮伤焊柱、焊接传热不良和焊点气孔等问题。一种基于毛细填缝效应的CGA器件焊柱成形方法，包括以下步骤：步骤1、在阵列排布的焊盘上印刷高熔点焊锡膏；步骤2、通过回流焊实现阵列排布的焊盘上的植球；步骤3、在单个焊球中形成定位孔：将直径为d的钢质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，使待植柱焊盘位于钻头正下方并与钻头的轴心对中，随后利用钻床带动钻头旋转同时向待植柱焊盘上的焊球运动，待钻头下压钻入焊球内预定的深度S后，提起钻头，在单个焊球中形成深度为S、直径为d的定位孔；步骤4、阵列焊球中的定位孔的形成：以相同的尺寸参数和工艺参数重复上述步骤3的过程，逐个钻削芯片载体基板和印刷电路板上阵列排布的焊盘上的焊球，并获得相同深度和直径的定位孔；步骤5、低熔点焊锡膏的粘附及焊柱的插装：借助针筒将适量低熔点焊锡膏挤出并粘附在芯片载体基板和印刷电路板阵列排布的、定位孔以外的焊球顶部的一侧(约180°周长范围)后，将相同规格的焊柱(直径为d1)的两端插装于两侧芯片载体基板和印刷电路板阵列排布的焊球的定位孔中；期间施加适当压力使焊柱的两端均完全嵌入到定位孔的底部；步骤6、采用回流焊加热、熔化低熔点焊锡膏，使之填充毛细间隙并实现阵列焊柱的两端与两侧芯片载体基板和印刷电路板上的阵列焊球之间的植柱连接；将插装后的阵列焊柱结构置于热风回流焊炉中，热风的加热先使低熔点焊锡膏中的助焊剂激活、流动并去除焊柱及焊球定位孔表面的氧化膜；随后在峰值温度期间低熔点焊锡膏中的钎料颗粒发生熔化、进而润湿焊柱及焊球定位孔并在弯曲液面附加压力的驱动下填充焊柱与焊球定位孔之间的毛细间隙；冷却凝固后就实现了阵列焊柱的两端与两侧芯片载体基板和印刷电路板上的带定位孔的阵列焊球之间的植柱连接。因该回流焊期间的峰值温度未达到高熔点钎料焊球的熔点，故期间焊球不会发生熔化，因此能够保证植柱连接期间焊柱的相对位置不发生改变。优选地，所述的阵列排布的焊盘为印刷电路板上阵列排布的焊盘和芯片载体基板上阵列排布的焊盘。优选地，所述的阵列排布的焊盘的材质为铜、金、银、镍中的任意一种，或由铜、金、银、镍搭配组合形成的多层金属膜焊盘。优选地，所述的阵列排布的焊盘的直径为D，0.6mm≤D≤3.0mm，所述阵列排布的焊盘的厚度为25μm～70μm。优选地，步骤1所述的高熔点焊锡膏中的钎料种类为SnCu系、SnAg系、SnAgCu系、SnSb系共晶软钎料中的任意一种。优选地，步骤2所述的回流焊植球工艺的峰值温度范围为高熔点焊锡膏中钎料的熔点以上25℃～40℃，高温停留时间为90～110秒。优选地，步骤2所述的植球工艺形成的焊球高度h大于等于焊盘直径D的4/5。优选地，步骤3所述的钢质钻头的直径为d，获得的定位孔的直径也为d，D为焊盘直径。优选地，步骤3所述的定位孔的深度为S，h为焊球高度。优选地，步骤5所述的低熔点焊锡膏中的钎料种类为SnPb共晶软钎料、SnBi共晶软钎料、SnIn共晶软钎料中的任意一种，且粘附的低熔点焊锡膏的量足够使其回流焊后填充满定位孔与焊柱之间的毛细间隙。优选地，步骤5所述的焊柱为依据标准制备的统一规格尺寸的焊柱，其长径比范围为4～15，且直径为d1，d1＝d-Δd，Δd＝0.05～0.5mm，d为定位孔直径，△d/2为定位孔与焊柱之间的平均毛细间隙。优选地，步骤5所述的焊柱材质为紫铜柱，也可以是液相线高于260℃的SnPb系、SnCu系、SnAg系、SnAgCu系、SnSb系非共晶软钎料柱。优选地，步骤6所述的回流焊峰值温度范围为低熔点焊锡膏中的钎料的熔点以上25℃～45℃，峰值温度下的停留时间为100～150秒。本专利技术具有以下有益效果：第一，本专利技术所有焊柱两端的植柱连接一次性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于毛细填缝效应的CGA器件焊柱成形方法，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高熔点焊锡膏；步骤2、通过回流焊实现阵列排布的焊盘上的植球；步骤3、在单个焊球中形成定位孔：将直径为d的钢质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，使待植柱焊盘位于钻头正下方并与钻头的轴心对中，随后利用钻床带动钻头旋转同时向待植柱焊盘上的焊球运动，待钻头下压钻入焊球内预定的深度S后，提起钻头，在单个焊球中形成深度为S、直径为d的定位孔；步骤4、阵列焊球中的定位孔的形成：以相同的尺寸参数和工艺参数重复上述步骤3的过程，逐个钻削芯片载体基板和印刷电路板上阵列排布的焊盘上的焊球，并获得相同深度和直径的定位孔；步骤5、低熔点焊锡膏的粘附及焊柱的插装：借助针筒将低熔点焊锡膏挤出并粘附在芯片载体基板和印刷电路板阵列排布的、定位孔以外的焊球顶部的一侧（约180°周长范围）后，将相同规格的焊柱（直径为d1）的两端插装于两侧芯片载体基板和印刷电路板阵列排布的焊球的定位孔中，期间施加适当压力使焊柱的两端均完全嵌入到定位孔的底部；步骤6、采用回流焊加热、熔化低熔点焊锡膏，使之填充毛细间隙并实现阵列焊柱的两端与两侧芯片载体基板和印刷电路板上的阵列焊球之间的植柱连接：将插装后的阵列焊柱结构置于热风回流焊炉中，热风的加热先使低熔点焊锡膏中的助焊剂激活、流动并去除焊柱及焊球定位孔表面的氧化膜；随后在峰值温度期间低熔点焊锡膏中的钎料颗粒发生熔化、进而润湿焊柱及焊球定位孔并在弯曲液面附加压力的驱动下填充焊柱与焊球定位孔之间的毛细间隙；冷却凝固后就实现了阵列焊柱的两端与两侧芯片载体基板和印刷电路板上的带定位孔的阵列焊球之间的植柱连接，因该回流焊期间的峰值温度未达到高熔点钎料焊球的熔点，故期间焊球不会发生熔化，因此能够保证植柱连接期间焊柱的相对位置不发生改变。...

【技术特征摘要】
1.一种基于毛细填缝效应的CGA器件焊柱成形方法，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高熔点焊锡膏；步骤2、通过回流焊实现阵列排布的焊盘上的植球；步骤3、在单个焊球中形成定位孔：将直径为d的钢质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，使待植柱焊盘位于钻头正下方并与钻头的轴心对中，随后利用钻床带动钻头旋转同时向待植柱焊盘上的焊球运动，待钻头下压钻入焊球内预定的深度S后，提起钻头，在单个焊球中形成深度为S、直径为d的定位孔；步骤4、阵列焊球中的定位孔的形成：以相同的尺寸参数和工艺参数重复上述步骤3的过程，逐个钻削芯片载体基板和印刷电路板上阵列排布的焊盘上的焊球，并获得相同深度和直径的定位孔；步骤5、低熔点焊锡膏的粘附及焊柱的插装：借助针筒将低熔点焊锡膏挤出并粘附在芯片载体基板和印刷电路板阵列排布的、定位孔以外的焊球顶部的一侧（约180°周长范围）后，将相同规格的焊柱（直径为d1）的两端插装于两侧芯片载体基板和印刷电路板阵列排布的焊球的定位孔中，期间施加适当压力使焊柱的两端均完全嵌入到定位孔的底部；步骤6、采用回流焊加热、熔化低熔点焊锡膏，使之填充毛细间隙并实现阵列焊柱的两端与两侧芯片载体基板和印刷电路板上的阵列焊球之间的植柱连接：将插装后的阵列焊柱结构置于热风回流焊炉中，热风的加热先使低熔点焊锡膏中的助焊剂激活、流动并去除焊柱及焊球定位孔表面的氧化膜；随后在峰值温度期间低熔点焊锡膏中的钎料颗粒发生熔化、进而润湿焊柱及焊球定位孔并在弯曲液面附加压力的驱动下填充焊柱与焊球定位孔之间的毛细间隙；冷却凝固后就实现了阵列焊柱的两端与两侧芯片载体基板和印刷电路板上的带定位孔的阵列焊球之间的植柱连接，因该回流焊期间的峰值温度未达到高熔点钎料焊球的熔点，故期间焊球不会发生熔化，因此能够保证植柱连接期间焊柱的相对位置不发生改变。2.根据权利要求1所述的一种基于毛细填缝效应的CGA器件焊柱成形方法，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和芯片载体基板上阵列排布的焊盘，且所述的阵列排布的焊盘的材质为铜、金、银、镍中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵智力，曹荣楠，胡明灯，郭壮，
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