一种约束加压钻卡头焊具及摩擦动压焊植柱方法技术

一种约束加压钻卡头焊具及摩擦动压焊植柱方法，它涉及一种CGA器件植柱的焊具及方法，以解决现有无模具植柱方法受界面区钎料软化变形影响、钎料焊球与铜柱之间黏附力和抱紧力偏低、易剥离和形成飞边、界面冶金作用不充分引起的强度受限问题。焊具：包括钻卡头本体和外壳、分体式螺圈、约束加压卡爪，约束加压卡爪包括螺纹传动体、接触闭合体、焊柱夹持体和动压约束轴肩且由上至下设置成一体，与钻床主轴呈θ角的约束加压内圆锥面为加压工作面。方法：一、阵列球冠形钎料焊球的制作；二、确定动压约束轴肩的形状尺寸；三、确定焊柱夹持体圆柱形内腔的半径和长度；四、单个及阵列焊柱的摩擦动压焊植柱。本发明专利技术用于CGA器件焊柱的植柱。柱。柱。

【技术实现步骤摘要】
一种约束加压钻卡头焊具及摩擦动压焊植柱方法


[0001]本专利技术涉及一种CGA器件植柱的焊具及方法，具体涉及一种约束加压钻卡头焊具及摩擦动压焊植柱方法，涉及微电子封装


技术介绍

[0002]柱栅阵列(Column Grid Array，CGA)封装作为一种高频率、高功率、高I/O、大芯片器件的首选封装技术，自问世以来，因高度更高的焊柱可有效提高热循环期间器件的散热能力、并有效缓解芯片载体基板与印刷电路板之间热膨胀系数差异引起的应力，具有极高的热疲劳可靠性，在航空航天、通讯、军工、汽车电子等领域得到广泛应用。但长径比大、稳定性差的焊柱的阵列排布定位及连接的难度极大，目前采用的模具定位阵列铜柱、回流焊连接的传统方法存在精密模具成本高、模具通用性差、焊后拆卸模具易刮伤焊柱、焊接过程中模具的存在影响热源热量的有效传递及焊膏中助焊剂气体的散发、气孔率高、润湿性差等问题。
[0003]2017年一种用于CuCGA器件的植柱方法被提出，该方法采用微型精密钻床装卡铜柱并使之与基板阵列焊盘上的钎料焊球对中，使铜柱以特定转速旋转并下压钻入钎料焊球内预定深度，借助期间铜柱与钎料焊球之间的摩擦热
‑
力作用来实现铜柱的定位与连接，以期达到无模具辅助植柱的目的。该无模具植柱方法不存在为每种阵列规格的器件定制一套高精度模具，成本大大降低，并适于多种规格的CGA器件的生产；该方法工艺温度远低于回流焊、且易于实现自动化；该方法不需要在阵列焊柱之间设置定位模具，故不存在焊接过程中因模具的存在影响回流焊热源热量的有效传递及焊膏中助焊剂气体散发而引发的气孔问题和焊点润湿不良问题；也不存在因焊后模具拆卸导致的焊柱刮伤和弯曲等破坏焊柱共面性的问题。但随着研究的深入，发现该方法存在以下问题：
[0004](1)铜柱和钎料焊球之间的连接属于异种材料连接，铜和钎料的热物理、力学性能差异较大，导致植柱期间摩擦热
‑
力作用下二者之间存在较大的热物理状态差异，焊球的近界面区钎料易于软化变形和流动，因而容易引起钎料焊球与铜柱之间黏附力和抱紧力偏低、甚至焊接后期钎料焊球与铜柱之间发生剥离等问题，连接强度的进一步提高受此局限；
[0005](2)铜柱和钎料焊球之间的连接属于异种材料连接，铜和钎料的热物理、力学性能差异较大，植柱期间铜柱易因摩擦阻力影响而产生轻微振动、又因焊球的近界面区钎料易因摩擦热而软化，导致铜柱/钎料焊球之间相互约束镶嵌作用减弱、抱紧力偏低、甚至发生剥离等问题，连接强度的进一步提高受此局限；
[0006](3)植柱期间铜柱底部钎料在压力作用下沿铜柱/钎料界面向上塑性流动，在钎料焊球的上方形成一定尺寸的飞边，飞边在降低连接面积的同时，服役过程中飞边的缺口容易成为裂纹源，影响接头的疲劳性能。
[0007](4)植柱后期，焊球的近界面区钎料易因摩擦热而软化，导致植柱后期铜柱和钎料焊球之间的接触和约束不紧密，摩擦热
‑
力作用减小，不利于界面热量的累积、界面原子的充分互扩散和界面连接层的形成及长厚，连接强度的进一步提高受此局限。

技术实现思路

[0008]本专利技术为了解决现有植柱装置及其采用的无模具植柱方法因受焊柱轻微振动、植柱后期近界面区钎料软化变形和流动的影响，钎料焊球与铜柱之间黏附力和抱紧力偏低、易剥离、易形成飞边降低连接面积、异质界面冶金作用不充分而引起的连接强度受限的问题。
[0009]本专利技术为解决上述问题采取的技术方案是：
[0010]本专利技术约束加压钻卡头焊具包括钻卡头本体、钻卡头外壳、分体式螺圈和约束加压卡爪，约束加压卡爪的数量为3～4个，所述约束加压卡爪包括螺纹传动体、接触闭合体、焊柱夹持体和动压约束轴肩，所述约束加压卡爪均位于钻卡头本体的倾斜滑道内，钻卡头本体内的倾斜滑道的数量与约束加压卡爪的数量一致；所述钻卡头外壳位于分体式螺圈、钻卡头本体、约束加压卡爪的螺纹传动体的外围，所述分体式螺圈位于约束加压卡爪的螺纹传动体的外围并与螺纹传动体匹配为螺纹连接；所述螺纹传动体、接触闭合体、焊柱夹持体和动压约束轴肩由上至下依次设置且制成一体；所述动压约束轴肩是由与微型精密钻床主轴轴线呈θ角的约束加压内圆锥面、与微型精密钻床主轴轴线呈α角的卡爪轴肩面和约束加压卡爪的外圆柱面围绕形成的实体。
[0011]本专利技术的摩擦动压焊植柱方法是通过以下步骤实现的：
[0012]步骤一、阵列球冠形钎料焊球的制作：在阵列排布的焊盘上印刷适量的等量焊锡膏，并通过回流焊在阵列排布的焊盘上形成形状尺寸一致的阵列球冠形钎料焊球，测量球冠形钎料焊球的半径R和高度L；
[0013]步骤二、确定动压约束轴肩的形状尺寸：根据被焊球冠形钎料焊球的半径R和加压后所需的变形程度确定约束加压内圆锥面的垂直高度V为R(1
‑
K)/sinθ，其中，K为0.15～0.25，θ为约束加压内圆锥面与微型精密钻床主轴轴线之间的夹角，θ确定为20
°
～40
°
；将钻卡头焊具所有约束加压卡爪的端部内侧精密加工成上述形状尺寸的内圆锥面并抛光处理；与微型精密钻床主轴轴线呈α角的卡爪轴肩面和卡爪的外圆柱面为非工作面，保留常规钻卡头卡爪端部两非工作面的形状尺寸；
[0014]步骤三、确定焊柱夹持体的圆柱形内腔的半径d：根据待植柱焊柱的半径r确定焊柱夹持体的圆柱形内腔的半径d为(1
‑
μ)r，其中μ为0.02～0.05；
[0015]步骤四、确定焊柱夹持体的圆柱形内腔的长度h：根据待植柱焊柱的高度H、待植柱焊柱的半径r、步骤二的约束加压内圆锥面的垂直高度V、待植柱焊柱9植入球冠形钎料焊球10的预定深度L
‑
λR，确定焊柱夹持体的圆柱形内腔的长度h为H
‑
V
‑
(L
‑
R
‑
λR)+rctgθ，其中λ为0.10～0.30；对钻卡头焊具所有约束加压卡爪的端部内侧、约束加压内圆锥面的上方进行精密加工并形成步骤三和步骤四所述形状尺寸的焊柱夹持体，并对其圆柱形内腔进行抛光处理；
[0016]步骤五、单个待植柱焊柱的摩擦动压焊植柱：
[0017]将约束加压钻卡头焊具装配到微型精密钻床上，将标准形状尺寸的待植柱焊柱装卡于约束加压卡爪中，装卡深度应确保待植柱焊柱填充满焊柱夹持体的圆柱形内腔长度，以使不同待植柱焊柱的露出端长度保持一致，通过程序控制待植柱焊盘所在的基板运动，使待植柱焊柱位于待植柱焊盘上方并与焊盘中心对中，利用约束加压卡爪带动待植柱焊柱以2500转/分钟～5000转/分钟的速度旋转的同时向焊盘上的球冠形钎料焊球运动，随后待
植柱焊柱端部下压钻入球冠形钎料焊球内部，随着待植柱焊柱钻入深度的增加，约束加压卡爪的约束加压内圆锥面与球冠形钎料焊球开始接触、并相互摩擦，形成约束加压内圆锥面/球冠形钎料焊球、待植柱焊柱/球冠形钎料焊球两个摩擦副，球冠形钎料焊球肩部受热软化，随着待植柱焊柱的轴向进给，约束加压内圆锥面对球冠形钎料焊本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种约束加压钻卡头焊具，其特征在于：所述焊具包括钻卡头本体(1)、钻卡头外壳(2)、分体式螺圈(3)和约束加压卡爪(4)，约束加压卡爪(4)的数量为3～4个，所述约束加压卡爪(4)包括螺纹传动体(5)、接触闭合体(6)、焊柱夹持体(7)和动压约束轴肩(8)，所述约束加压卡爪(4)均位于钻卡头本体(1)的倾斜滑道(1
‑
1)内，钻卡头本体(1)的倾斜滑道(1
‑
1)的数量与约束加压卡爪(4)的数量一致，所述钻卡头外壳(2)位于钻卡头本体(1)、分体式螺圈(3)、约束加压卡爪(4)的螺纹传动体(5)的外围，所述分体式螺圈(3)位于约束加压卡爪(4)的螺纹传动体(5)的外围并与螺纹传动体(5)匹配为螺纹连接；所述螺纹传动体(5)、接触闭合体(6)、焊柱夹持体(7)和动压约束轴肩(8)由上至下依次设置且制成一体，所述动压约束轴肩(8)是由与微型精密钻床主轴轴线呈(θ)角的约束加压内圆锥面(8
‑
1)、与微型精密钻床主轴轴线呈(α)角的卡爪轴肩面(8
‑
2)、约束加压卡爪的外圆柱面(8
‑
3)围绕形成的实体。2.根据权利要求1所述一种约束加压钻卡头焊具，其特征在于：约束加压卡爪(4)的材质为高速钢。3.根据权利要求1所述一种约束加压钻卡头焊具，其特征在于：约束加压内圆锥面(8
‑
1)与微型精密钻床主轴轴线之间的夹角为(θ)为20
°
～40
°
。4.根据权利要求1所述一种约束加压钻卡头焊具，其特征在于：约束加压内圆锥面(8
‑
1)的垂直高度(V)为(R(1
‑
K)/sinθ)，其中，(R)为球冠形钎料焊球(10)的半径，(K)为0.15～0.25，(θ)为约束加压内圆锥面(8
‑
1)与微型精密钻床主轴轴线之间的夹角。5.根据权利要求1所述一种约束加压钻卡头焊具，其特征在于：焊柱夹持体(7)的圆柱形内腔(7
‑
1)的半径(d)为((1
‑
μ)r)，焊柱夹持体(7)的圆柱形内腔(7
‑
1)的长度(h)为(H
‑
V
‑
(L
‑
R
‑
λR)+rctgθ)，其中，(μ)为0.02～0.05，(r)为待植柱焊柱(9)的半径，(H)为待植柱焊柱(9)的高度，(V)为步骤二的约束加压内圆锥面(8
‑
1)的垂直高度，(L)和(R)分别为球冠形钎料焊球(10)的高度和半径，(λ)为0.10～0.30。6.一种利用权利要求1所述焊具实现摩擦动压焊植柱的方法，其特征在于：所述方法是通过以下步骤实现的：步骤一、阵列球冠形钎料焊球(10)的制作：在阵列排布的焊盘(11)上印刷适量的等量焊锡膏，并通过回流焊在阵列排布的焊盘(11)上形成形状尺寸一致的阵列球冠形钎料焊球(10)，测量球冠形钎料焊球(10)的半径(R)和高度(L)；步骤二、确定动压约束轴肩(8)的形状尺寸：根据被焊球冠形钎料焊球(10)的半径(R)和加压后所需的变形程度确定约束加压内圆锥面(8
‑
1)的垂直高度(V)为(R(1
‑
K)/sinθ)，其中，(K)为0.15～0.25，约束加压内圆锥面(8
‑
1)与微型精密钻床主轴轴线之间的夹角(θ)为20
°
～40
°
，将钻卡头焊具所有约束加压卡爪(4)的端部内侧加工成上述形状尺寸的内圆锥面(8
‑
1)并抛光处理；与微型精密钻床主轴轴线呈(α)角的卡爪轴肩面(8
‑
2)和卡爪的外圆柱面(8
‑
3)为非工作面，保留常规钻卡头卡爪端部两非工作面的形状尺寸；步骤三、确定焊柱夹持体(7)的圆柱形内腔(7
‑
1)的半径(d)：根据待植柱焊柱(9)的半径(r)，确定焊柱夹持体(7)的圆柱形内腔(7
‑
1)的半径(d)为((1
‑
μ)r)，(μ)为0.02～0.05。步骤四、确定焊柱夹持体(7)的圆柱形内腔(7
‑
1)的长度(h)：根据待植柱焊柱(9)的高度(H)、待植柱焊柱(9)的半径(r)、步骤二的约束加压内圆锥面(8
‑
1)的垂直...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵智力，胡金刚，全文磊，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：