一种静拘束肩钻卡头焊具及摩擦静拘束植柱方法技术

一种静拘束肩钻卡头焊具及摩擦静拘束植柱方法，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焊球与焊柱间抱紧力低、易剥离、冶金作用不充分等问题。焊具：包括钻卡头运动传动机构、钻卡头夹持组件和静压拘束机构，静压拘束机构及部件通过与钻床主轴轴承盖制成一体的左、右侧带孔固定板固定。方法：一、阵列球冠形钎料焊球的制作；二、确定静压力拘束肩焊柱容纳通孔的直径和深度；三、确定球冠形加压工作面和水平轴肩面的尺寸；四：确定焊柱露出钻卡头卡爪的长度；五、确定钻卡头卡爪与静压力拘束肩的最小装配距离；六、转动操作手柄施加静拘束进行单个及阵列待植柱焊柱的摩擦静拘束植柱。本发明专利技术用于CGA器件的植柱。植柱。植柱。

【技术实现步骤摘要】
一种静拘束肩钻卡头焊具及摩擦静拘束植柱方法


[0001]本专利技术涉及一种CGA器件植柱的焊具及方法，具体涉及一种静拘束肩钻卡头焊具及摩擦静拘束植柱方法，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焊接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
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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，容易引起钎料焊球与铜柱之间黏附力和抱紧力偏低、发生局部剥离等问题，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和镶嵌作用减弱、抱紧力偏低、甚至发生局部剥离等问题，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更容易成为裂纹源，影响结构的疲劳性能。
[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
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力作用减小，不利于界面热量的累积、界面原子的互扩散和界面连接层的形成及长厚，不充分的冶金作用导致连接强度的进一步提高受限。
[0008](5)利用动拘束肩钻卡头焊具可以实现植柱期间铜柱/钎料焊球之间的约束加压，提高铜柱/钎料焊球之间的黏附力和抱紧力、减少剥离和飞边的发生率，但新增的动拘束肩/钎料焊球摩擦副的产热易导致大面积的焊球钎料软化变形、部分钎料易粘附于动拘束肩上，导致焊点外观变差、连接面积和连接强度也不稳定。

技术实现思路

[0009]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的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、动拘束肩/钎料焊球摩擦副产热导致焊球钎料软化并部分粘附于动拘束肩上等问题而引发的连接强度受限问题。
[0010]本专利技术为解决上述问题采取的技术方案是：
[0011]本专利技术静拘束肩钻卡头焊具包括钻卡头夹持钻进机构和静压拘束机构，所述钻卡头夹持钻进机构包括钻卡头运动传动机构和钻卡头夹持组件，所述钻卡头运动传动机构包括钻床主轴、主轴轴承、主轴轴套、主轴轴承盖及其连接螺栓，所述静压拘束机构包括左侧带孔固定板、右侧带孔固定板、左侧齿轮轴、右侧齿轮轴、左侧齿轮轴轴承、右侧齿轮轴轴承、2个左齿轮、2个右齿轮、操作手柄、左侧传动齿条、右侧传动齿条、左侧齿条导轨、右侧齿条导轨、缓冲加压弹簧和静压力拘束肩，所述静压力拘束肩的形状类似带凸缘的法兰结构并包括凸缘连接体、焊柱容纳通孔、球冠形加压工作面和水平轴肩面；所述钻卡头夹持组件同轴装配于钻卡头运动传动机构的下方，所述左侧带孔固定板、右侧带孔固定板分别与主轴轴承盖上下设置且制成一体，左侧带孔固定板、右侧带孔固定板的板面与主轴轴承盖表面垂直，所述2个左齿轮和2个右齿轮分别位于左侧带孔固定板和右侧带孔固定板的两侧，所述左侧齿轮轴与2个左齿轮、右侧齿轮轴与2个右齿轮之间均采用键连接，所述2个左齿轮与2个右齿轮的轮齿之间保持两两相互啮合的位置关系，所述2个左齿轮和2个右齿轮分别与外侧的左侧传动齿条和右侧传动齿条保持相互啮合的位置关系，所述操作手柄与伸出左侧带孔固定板的左侧齿轮轴制成一体；所述左侧传动齿条和右侧传动齿条可分别沿着左侧齿条导轨和右侧齿条导轨的限位孔上下滑动，所述左侧传动齿条和右侧传动齿条底部均呈“L”形并与下方的缓冲加压弹簧相接触，所述静压力拘束肩与上方的缓冲加压弹簧相接触、并通过连接螺栓分别与左侧齿条导轨和右侧齿条导轨相连接，所述缓冲加压弹簧套在左侧齿条导轨和右侧齿条导轨的外围，所述焊柱容纳通孔、球冠形加压工作面的中心轴线与钻床主轴的中心轴线同轴。
[0012]本专利技术的摩擦静拘束植柱方法是通过以下步骤实现的：
[0013]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；
[0014]步骤二、确定静压力拘束肩的焊柱容纳通孔的直径和深度：为减少植柱期间塑性流动钎料从焊柱容纳通孔与焊柱之间的间隙溢出，根据待植柱焊柱的半径r确定焊柱容纳通孔的直径为(1+μ)r，μ为0.05～0.20，根据静压力拘束肩的刚度需求，确定焊柱容纳通孔的深度为(1+τ)r，τ为0～0.50，通过精密加工形成上述形状尺寸的焊柱容纳通孔；
[0015]步骤三、确定静压力拘束肩的球冠形加压工作面和水平轴肩面的尺寸：根据球冠
形钎料焊球的半径R及其加压后所需的变形程度，确定静压力拘束肩的球冠形加压工作面的半径为R(1+K)，K为0～0.15，加压工作面的球冠高度为R(1
‑
S)，S为0.05～0.30，通过精密加工形成上述形状尺寸的球冠形加压工作面并抛光处理；水平轴肩面为非工作面，考虑结构的刚度需求，确定静压力拘束肩的水平轴肩面的外径为3.0R～4.0R，R为球冠形钎料焊球的半径；
[0016]步骤四、确定待植柱焊柱露出钻卡头夹持组件三个卡爪的长度：根据球冠形钎料焊球的半径R、待植柱焊柱的半径r和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种静拘束肩钻卡头焊具，其特征在于：所述焊具包括钻卡头夹持钻进机构和静压拘束机构，所述钻卡头夹持钻进机构包括钻卡头运动传动机构和钻卡头夹持组件，所述钻卡头运动传动机构包括钻床主轴(1)、主轴轴承(2)、主轴轴套(3)、主轴轴承盖(4)及其连接螺栓(5
‑
1)、(5
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2)，所述静压拘束机构包括左侧带孔固定板(6)、右侧带孔固定板(7)、左侧齿轮轴(8)、右侧齿轮轴(9)、左侧齿轮轴轴承(10)、右侧齿轮轴轴承(11)、左齿轮(12
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1)和(12
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2)、右齿轮(13
‑
1)和(13
‑
2)、操作手柄(14)、左侧传动齿条(15)、右侧传动齿条(16)、左侧齿条导轨(17)、右侧齿条导轨(18)、缓冲加压弹簧(19)和静压力拘束肩(20)，所述静压力拘束肩(20)的形状类似带凸缘的法兰结构并包括凸缘连接体(20
‑
1)、焊柱容纳通孔(20
‑
2)、球冠形加压工作面(20
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3)和水平轴肩面(20
‑
4)；所述钻卡头夹持组件同轴装配于钻卡头运动传动机构的下方，所述左侧带孔固定板(6)、右侧带孔固定板(7)分别与主轴轴承盖(4)上下设置且制成一体，左侧带孔固定板(6)、右侧带孔固定板(7)的板面与主轴轴承盖(4)的表面垂直，所述左齿轮(12
‑
1)、(12
‑
2)和右齿轮(13
‑
1)、(13
‑
2)分别位于左侧带孔固定板(6)和右侧带孔固定板(7)的两侧，所述左侧齿轮轴(8)与左齿轮(12
‑
1)和(12
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2)、右侧齿轮轴(9)与右齿轮(13
‑
1)和(13
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2)之间均采用键连接，所述左齿轮(12
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1)与右齿轮(13
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1)、左齿轮(12
‑
2)与右齿轮(13
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2)的轮齿之间保持相互啮合的位置关系，所述左齿轮(12
‑
1)、(12
‑
2)和右齿轮(13
‑
1)、(13
‑
2)分别与外侧的左侧传动齿条(15)和右侧传动齿条(16)保持相互啮合的位置关系，所述操作手柄(14)与伸出左侧带孔固定板(6)的左侧齿轮轴(8)制成一体；所述左侧传动齿条(15)和右侧传动齿条(16)可分别沿着左侧齿条导轨(17)和右侧齿条导轨(18)的限位孔(17
‑
1)和(18
‑
1)上下滑动，所述左侧传动齿条(15)和右侧传动齿条(16)底部均呈“L”形并与下方的缓冲加压弹簧(19)相接触，所述静压力拘束肩(20)与上方的缓冲加压弹簧(19)相接触、并通过连接螺栓(21
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1)、(21
‑
2)分别与左侧齿条导轨(17)和右侧齿条导轨(18)相连接，所述缓冲加压弹簧(19)套在左侧齿条导轨(17)和右侧齿条导轨(18)的外围，所述焊柱容纳通孔(20
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2)、球冠形加压工作面(20
‑
3)的中心轴线与钻床主轴(1)的中心轴线同轴。2.根据权利要求1所述一种静拘束肩钻卡头焊具，其特征在于：所述静压力拘束肩(20)的焊柱容纳通孔(20
‑
2)的直径为((1+μ)r)，静压力拘束肩(20)的焊柱容纳通孔(20
‑
2)的深度为((1+τ)r)，(r)为待植柱焊柱(23)的半径，(μ)为0.05～0.20，(τ)为0～0.50。3.根据权利要求1所述一种静拘束肩钻卡头焊具，其特征在于：所述静压力拘束肩(20)的球冠形加压工作面(20
‑
3)的半径为(R(1+K))，静压力拘束肩(20)的球冠形加压工作面(20
‑
3)的高度为(R(1
‑
S))，静压力拘束肩(20)的水平轴肩面(20
‑
4)的外径为(3.0R～4.0R)，(R)为球冠形钎料焊球(22)的半径，(K)为0～0.15，S为0.05～0.30。4.根据权利要求1所述一种静拘束肩钻卡头焊具，其特征在于：所述静压力拘束肩(20)的材质为低碳钢或高速钢。5.根据权利要求1所述一种静拘束肩钻卡头焊具，其特征在于：所述钻卡头夹持组件的三个卡爪(26)的端部与静压力拘束肩(20)上表面的装配距离为(L
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λR+r)，(L)为球冠形钎料焊球(22)的高度，(R)为球冠形钎料焊球(22)的半径，(r)为待植柱焊柱(23)的半径，(λ)为0.10～0.30。6.一种利用权利要求1所述焊具实现摩擦静拘束植柱的方法，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(22)的制作：在阵列排布的焊盘(30)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(30)上形成形状尺寸一致的阵列球冠形钎料焊球(22)，测量球冠形钎料焊球(22)的半径(R)和高度(L)；步骤二、确定静压力拘束肩(20)的焊柱容纳通孔(20
‑
2)的直径和深度：为减少植柱期间塑性流动钎料从焊柱容纳通孔(20
‑
2)与焊柱(23)之间的间隙溢出，根据待植柱焊柱(23)的半径(r)确定焊柱容纳通孔(20
‑
2)的直径为((1+μ)r)，(μ)为0.05～0.20，根据静压力拘束肩(20)的刚度需求，确定焊柱容纳通孔(20
‑
2)的深度为((1+τ)r)，(τ)为0～0.50，通过精密加工形成上述形状尺寸的焊柱容纳通孔(20
‑
2)；步骤三：确定静压力拘束肩(20)的球冠形加压工作面(20
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3)和水平轴肩面(20
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4)的尺寸：根据球冠形钎料焊球(22)的半径(R)及其加压后所需的变形程度，确定静压力拘束肩(20)的球冠形加压工作面(20
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3)的半径为(R(1+K))，(K)为0～0.15，球冠形加压工作面(20
‑
3)的高度为(R(1
‑
S))，(S)为0.05～0.30，通过精密加工形成上述形状尺寸的球冠形加压工作面(20
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3)并抛光处理；水平轴肩面(20
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4)为非工作面，考虑结构的刚度需求，确定静压力拘束肩...

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