一种铜核球及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种铜核球及其制备方法

【技术实现步骤摘要】
一种铜核球及其制备方法、装置


[0001]本专利技术涉及电子元件制造
，具体而言，涉及一种铜核球及其制备方法
、
装置
。

技术介绍

[0002]近年来，随着电子器件体积的日益微型化，为了满足电子封装小型化
、
窄间距化和多针化的市场要求，互连焊点的尺寸在不断减小，以
3D
堆叠封装为代表的封装技术应运而生
。3D
堆叠封装需要多次热制程，传统的锡球易溃散导致无法确保
PKG
间所需的空间，也容易导致桥接而造成引脚的短路，存在焊点连接可靠性差等问题
。
因此采用铜核镀锡球作为封装材料，确保回焊后
PKG
间所需的空间
。
[0003]在
3D
堆叠封装过程中，铜核球的尺寸一致性
、
真圆度等指标对封装质量起着绝对性作用，在同一电子元器件上使用了不同直径且球形度较差的焊锡球，则会引起封装过程中的共面问题，严重影响焊点可靠性，形成焊点缺陷，故高真圆度铜核球的制备，是解决电子封装互连空间保持与产品可靠性的关键
。
传统液滴成型法主要通过外加驱动力的方法切断熔滴粘动力，在液滴分离过程中施加磁力或震动等方式以快速隔离球体，但该方式在液滴分离冷凝时易形成缩颈残留，且外加力会造成球体变形
、
球体不规则
、
球形度差
。
在芯片封装过程中球形度较差，易造成焊点坍塌，无法满足使用条件
。r/>
技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于通过采用液滴磁感分割再熔技术，制备得到一种高真圆度的铜核球，保证电子封装互连空间的稳定性和质量可靠性
。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供一种铜核球的制备方法，包括以下步骤：
S1
：将铜块制备成熔融液，并将熔融液挤出，在管口形成近分离状态的液滴；
S2
：在液滴的管口分割点和下落轨迹的周围设置磁感线圈，磁感线圈通交流电，液滴与管口分离并沿着下落轨迹进行掉落；
S3
：将液滴依次进行冷却
、
研磨
、
筛选
、
电镀，得到铜核球
。
[0006]本专利技术采用磁感分割再熔技术，制备得到高真圆度的铜核球
。
其主要方法为：当近分离状态的液滴在模槽中受到气体冲压向下滴落时，在下落分割点及下落轨迹的周围加装感应电源的磁感线圈，利用磁感分割再熔技术，促使近分离状态的液滴实现磁感自分离，重塑球体形状并在分割时无震动变形
。
[0007]具体而言，磁感线圈通交流电后，交变电流通过磁感线圈产生交变磁场，当金属液滴下坠待分离时，将其置于切割交变磁力线中，从而在金属液滴内部瞬间产生交变电流，感应电流沿液滴产生封闭式控制回路以形成涡流，涡流使金属液滴球化，且内部的原子高速无规则运动，原子互相碰撞
、
摩擦而产生热能，使得液滴再次熔融
。
金属液滴再熔后，根据体积和表面积公式可知，同体积下球体的表面积最小，表面张力对金属液滴的表面产生一个向内的拉力作用，降低金属液滴的粘滞力，加速液滴与毛细管中熔融液的分离，实现自分离；此外，表面张力存在与重力相反的分支力，不会因存在重力而影响球体形状，所以金属
液滴再次熔融后会趋向高圆度球体，该方法制备的球形液滴冷凝后，得到的金属球体的真圆度较高
。
[0008]上述任一技术方案中，
S1
具体包括：
S11
：将铜块在模槽内进行电解工序，得到熔融液；
S12
：在氮气冲压和自身重力的作用下，熔融液从毛细管挤出，在毛细管的末端形成近分离状态的液滴
。
[0009]将铜块制备成熔融液，选择将电解工序作为获得熔融液的手段，由于铜的熔点较高，其熔点为
1050℃
‑
1100℃
，采用普通的加热手段进行熔融往往需要很高的温度，成本较高；本案采用电解方法不仅能够保证得到的金属熔融液的纯度较高，还能够确保与制备装置内其他组件的可连接性，实现制备的一体化
。
[0010]将氮气冲入模槽内，一方面保证熔融液不会被氧化，另一方面，气体冲压能够加快熔融液的挤出，提高制备效率
。
[0011]上述任一技术方案中，
S2
中液滴在氮气氛围下进行下落
。
[0012]在氮气氛围下进行制备金属球体，使熔融液在氮气的包裹下于毛细管末端形成液滴，以及确保在液滴下落的轨迹中与周围空气完全隔离，以防止铜球被氧化
。
[0013]上述任一技术方案中，
S3
具体包括：
S31
：液滴落入液氮冷却槽中，收集得到球体；
S32
：将球体进行研磨，然后依次进行清洗
、
烘干
、
筛选
、
抛光；
S33
：将抛光后的球体先进行镀镍层处理，然后进行镀钎料层处理，得到铜核球；其中，钎料层的成分包括锡合金
。
[0014]将液氮作为液滴的冷却剂，不仅保证液滴掉入冷却槽时迅速冷却成球体，还能避免液滴与其他物质反应而发生氧化
。
将冷却得到的球体送入研球机内进行研磨，减小球体最大直径与最小直径的差值
。
将研磨后的球体进行清洗
、
烘干，从里面筛选出所需的符合尺寸大小的球体进行抛光，抛光的目的，一方面是提高球体的真圆度，另一方面是减少球体表面凹凸不平的现象，避免在镍层与铜层之间出现原子相互扩散而形成金属件化合物，从而保证产品的性能
。
[0015]抛光后的球体进行镀镍层处理，一方面，镍层可以保证铜球不被氧化；另一方面，铜的硬度较小
、
易变形，在铜的表面镀镍可以提高球体的强度；此外，镀镍后可以阻止铜原子的迁移，避免镀层泛铜色
。
选择锡合金作为钎料层电镀在铜球的表面，在避免铜球腐蚀的同时，锡合金作为低熔点的材质，可经过多次的热制程，实现焊点互连
。
[0016]上述任一技术方案中，镍层的厚度为2μ
m
‑4μ
m
；和
/
或钎料层的厚度为5μ
m
‑
60
μ
m
；和
/
或铜核球的直径为
300
μ
m
‑
500
μ
m。
[0017]选择合适的镍层和钎料层的厚度，不仅能够保证铜核球具有一定的硬度，还能避免球体出现氧化和腐蚀
。
选择适当的铜核球的尺寸，保证了电子元件封装所需的空间，并且铜核球不易溃散，即使经过无数次的热制程，铜核球仍存在于焊盘内并维持住空间
。
[0018]上述任一技术方案本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种铜核球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1
：将铜块制备成熔融液，并将所述熔融液挤出，在管口处形成近分离状态的液滴；
S2
：在所述液滴的管口分割点和下落轨迹的周围设置磁感线圈，所述磁感线圈通交流电，所述液滴与管口分离并沿着所述下落轨迹进行掉落；
S3
：将所述液滴依次进行冷却
、
研磨
、
筛选
、
电镀，得到铜核球
。2.
根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
S1
具体包括：
S11
：将所述铜块在模槽内进行电解工序，得到所述熔融液；
S12
：在氮气冲压和自身重力的作用下，所述熔融液从毛细管挤出，在所述毛细管的末端形成近分离状态的所述液滴
。3.
根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
S2
中所述液滴在氮气氛围下进行下落
。4.
根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
S3
具体包括：
S31
：所述液滴落入液氮冷却槽中，收集得到球体；
S32
：将所述球体进行研磨，然后依次进行清洗
、
烘干
、
筛选
、
抛光；
S33
：将抛光后的球体先进行镀镍层处理，然后进行镀钎料层处理，得到所述铜核球；其中，所述钎料层的成分包括锡合金
。5.
根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述镍层的厚度为2μ
m
‑4μ
m
；和
/
或所述钎料层的厚度为5μ
m
‑
60
μ
m
；和
/
或所述铜核球的直径为
300
μ
m
‑
500
μ

【专利技术属性】
技术研发人员：张雷，吕贤明，李宁波，王梦凡，宋亚南，罗灵杰，朱立新，
申请(专利权)人：中国机械总院集团宁波智能机床研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：