專(zhuān)利名稱(chēng)：可控銅線對(duì)接釬焊平臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種可控銅線對(duì)接釬焊平臺(tái)，屬于材料制備與連接領(lǐng)域，
適用于制備微小尺寸(BGA)的微電子用釬焊接頭，可以控制釬焊過(guò)程中的工 藝參數(shù)，便于研究微電子用新型釬料的各種性能，包括顯微組織觀察和力學(xué) 性能測(cè)試，為工業(yè)界開(kāi)發(fā)微電子用新型釬料提供有力保障。
背景技術(shù)：
在微電子封裝領(lǐng)域，釬料作為一種重要的連接材料既承載著機(jī)械可靠性 又承擔(dān)著傳輸電流的作用，在服役過(guò)程中，釬焊焊點(diǎn)還要承受沖擊、機(jī)械振 動(dòng)和熱疲勞等嚴(yán)峻的服役環(huán)境。這就造成了 70%電子器件的失效由焊點(diǎn)的失效 所致。針對(duì)于此，全世界諸多研究機(jī)構(gòu)對(duì)焊點(diǎn)的失效機(jī)理展開(kāi)研究，特別是 2003年2月13日，歐洲議會(huì)與歐盟部長(zhǎng)會(huì)議組織，正式批準(zhǔn)WEEE和RoSH的 官方指令生效，強(qiáng)制要求自2006年7月1日起，在歐洲市場(chǎng)上銷(xiāo)售的電子產(chǎn) 品必須為無(wú)鉛電子產(chǎn)品(個(gè)別類(lèi)型電子產(chǎn)品暫時(shí)除外)。傳統(tǒng)錫鉛釬料已有上 百年的使用歷史，而無(wú)鉛釬料僅僅在最近幾年才開(kāi)始使用，其諸多性能還不 被研究人員所知。特別是隨著電子產(chǎn)品日益微型化，焊點(diǎn)在尺寸上已經(jīng)縮減 到幾百微米左右，以目前主流BGA封裝為例，焊點(diǎn)平均直徑為100微米，球 珊陣列中焊點(diǎn)間距為100um，那么可在一個(gè)lcmXlcm的芯片上放置 100X 100=10， 000個(gè)焊點(diǎn)?？傊⑿秃更c(diǎn)將會(huì)是未來(lái)電子封裝主要方向之一。 在開(kāi)發(fā)適用微型焊點(diǎn)用材料的過(guò)程中，多采用以下兩種結(jié)構(gòu)BGA封裝， 由于BGA封裝中含有高成本硅晶片及邏輯電路，所以開(kāi)發(fā)成本很高，且這種 結(jié)構(gòu)不利于分析開(kāi)發(fā)新材料時(shí)所面臨的問(wèn)題，這主要是因?yàn)槎辔锢韴?chǎng)耦合是 這種封裝結(jié)構(gòu)失效的主因，很難確定單一物理場(chǎng)下的影響。另一種結(jié)構(gòu)為， 單剪搭接接頭，該接頭示意圖如圖1和圖2所示，其中銅片1的厚度0. 1-0. 5mm， 釬焊面積2 —般為lmm2。但是，該搭接接頭的釬焊面積較大，己不能夠用于
研究微米級(jí)焊點(diǎn)失效過(guò)程中出現(xiàn)的新問(wèn)題，比如電遷移，熱遷移等。針對(duì)于 此，有必要設(shè)計(jì)出尺寸更加微型化的接頭，除搭接接頭外，對(duì)接接頭也是目
前主流研究對(duì)象。美國(guó)UCLA大學(xué)材料系在開(kāi)有V型槽硅片上預(yù)先放置銅線、
釬料球和助焊劑，隨后進(jìn)行釬焊，該方法制備的微米級(jí)對(duì)接接頭可以取代倒 裝芯片來(lái)研發(fā)新材料，但是此方法需根據(jù)釬料球的大小確定兩銅線間隙，無(wú) 法進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且該方法不適用于焊膏釬焊。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于克服的現(xiàn)有焊接平臺(tái)的上述缺陷，提供了一種可 控銅線對(duì)接釬焊平臺(tái)，本平臺(tái)在釬焊過(guò)程中可精確控制兩銅線間距，可釬焊
BGA焊球和焊膏，同時(shí)還可固定升溫、降溫曲線，使得每次釬焊后界面處金屬 間化合物長(zhǎng)度分布保持在固定值(小于IO微米)。
為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采取了如下技術(shù)方案。按從上到下的位 置關(guān)系主要包括有三部分，上部包括有顯微成像和拍攝裝置，中部包括有冷 卻風(fēng)扇12、 X-Y-Z三維移動(dòng)平臺(tái)7、模具8和放置在模具8內(nèi)的銅線9、釬料 10，下部包括有用于給模具8加熱的加熱板3、用于控制模具8表面溫度的控 溫儀4和記溫儀6，其中，模具8放置在加熱板3的上表面，加熱板3與控溫 儀4相連接，熱電偶5的一端連接在控溫儀4和控溫儀6上，另一端直接與 模具8的表面相接觸。在模具8的U型槽23內(nèi)放置有兩支銅線9，在兩支銅 線9之間放置有釬料10，右側(cè)的銅線9的右端與X-Y-Z三維移動(dòng)平臺(tái)7相連 接；在模具8的右上方設(shè)置有冷卻風(fēng)扇12;在模具8的正上方按從下到上的 順序依次設(shè)置有顯微鏡物鏡15、顯微鏡目鏡14，在顯微鏡目鏡14的正上方 放置有與計(jì)算機(jī)16相連接的攝像頭13。
在模具8的上表面和顯微鏡物鏡15之間放置有石英片17。
在加熱板3的下部設(shè)置有散熱風(fēng)扇11。
本實(shí)用新型中的X-Y-Z三維移動(dòng)平臺(tái)7是確保銅線間距的關(guān)鍵，因此需 具備以下功能1)精確調(diào)節(jié)，最小移動(dòng)距離為O.Olmm; 2)調(diào)節(jié)過(guò)程中要保 持整體穩(wěn)定，避免微振動(dòng)對(duì)距離調(diào)節(jié)的影響；3)由于釬焊銅線一端通過(guò)螺釘
22與三維移動(dòng)平臺(tái)7相連接，兩者間有緊密機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度。
模具8是釬焊銅線9、釬料10的主要載體，模具8采用了與釬料不潤(rùn)濕
的材料；在其中間位置開(kāi)有U型槽23，槽的尺寸需要依據(jù)銅線直徑而定。模
具8上方有兩塊擋板25，擋板25通過(guò)螺釘24與模具8相連接。
加熱板3具有以下特點(diǎn)尺寸小，加熱速度快，無(wú)明火，不易觸電，安
全性高。
控溫儀4與模具8通過(guò)熱電偶5相連，同時(shí)又與加熱板3相連接，該系 統(tǒng)主要工作原理是由控溫儀4的加熱板3將試樣(銅線9、釬料10)加熱 到預(yù)定溫度，熱電偶5將試樣的實(shí)際溫度傳遞給控溫儀4，通過(guò)控溫儀4將試 樣溫度限定在預(yù)定溫度范圍內(nèi)，從而固定熱量輸入，避免試樣在釬焊過(guò)程中氧化。
冷卻風(fēng)扇12的主要作用是為釬焊后的接頭提供快速的降溫速率，該過(guò) 程類(lèi)似于電路板在回流焊中的風(fēng)冷階段。冷卻風(fēng)扇12固定了降溫速率，縮短 降溫時(shí)間，避免接頭界面處金屬間化合物29生長(zhǎng)過(guò)大。
顯微成像和拍攝裝置由攝像頭13、計(jì)算機(jī)16、顯微鏡目鏡14及物鏡15 構(gòu)成。該工作方式如下攝像頭13通過(guò)顯微鏡目鏡14采集釬焊過(guò)程的圖像， 并將圖像顯示在計(jì)算機(jī)屏幕16上，操作者可以通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕16來(lái)調(diào)節(jié)兩 銅線之間的距離。
記溫儀6具有定時(shí)采集溫度數(shù)據(jù)的功能，其連接方式如下熱電偶5 — 端連在記溫儀6上，另一端置于模具8表面，以獲取升溫和降溫階段的溫度 數(shù)據(jù)。散熱風(fēng)扇U可散發(fā)加熱板3對(duì)顯微鏡產(chǎn)生的熱量，避免顯微鏡溫度過(guò) 高。物鏡正下方石英片17主要用于保護(hù)鏡頭，阻斷加熱板產(chǎn)生的熱量接觸到 物鏡15。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于可以精確控制微小尺寸對(duì)接接頭的釬焊間隙，通 過(guò)控制熱輸入，固定界面處金屬間化合物的厚度；釬料的使用不在拘泥于悍
球，焊膏也可以用來(lái)釬焊對(duì)接接頭；相對(duì)于采用光刻技術(shù)制作的硅片V型槽，
本實(shí)用新型鋁制u型槽成本低。


圖l:搭接接頭主視圖 圖2:搭接接頭俯視圖
圖3:可控銅線對(duì)接釬焊平臺(tái)部件關(guān)系示意圖 圖4:可控釬焊平臺(tái)主視圖 圖5:模具主視圖 圖6:模具俯視圖 圖7:模具左視圖
圖8: X-Y-Z三維移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖
圖9:對(duì)接接頭結(jié)構(gòu)示意圖 圖10:升溫、降溫曲線
圖11:光學(xué)顯微鏡圖
圖12:掃描電子顯微鏡圖
圖13:力學(xué)拉伸實(shí)驗(yàn)曲線
圖中1-銅片，2-釬焊面積，3-加熱板，4-控溫儀，5-熱電偶，6-記溫儀，
7-X-Y-Z三維移動(dòng)平臺(tái)，8-模具，9-銅線，10-釬料，11-散熱風(fēng)扇，12-冷卻 風(fēng)扇，13-攝像頭，14-顯微鏡目鏡，15-體式顯微鏡物鏡，16-計(jì)算機(jī)，17-石 英片，18-固定石英片支架，19-固定風(fēng)扇支架，20-顯微鏡支架，21-顯微鏡 底座，22-固定銅線螺釘，23-U型槽，24-固定擋板螺釘，25-擋板，26-X軸 螺旋手柄，27-Y軸螺旋手柄，28-Z軸螺旋手柄，29-界面處的金屬間化合物。
具體實(shí)施方式

下面結(jié)合圖1 圖13對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)例進(jìn)行描述。 本平臺(tái)中的使用的銅線9為0. 3mm或0. 5麵的漆包線，市售漆包線一 般由高純度銅和絕緣漆構(gòu)成，其中外圍的絕緣漆可起到阻焊的作用。在釬焊
之前，需要對(duì)漆包線進(jìn)行預(yù)處理，包括端面磨平和滾直兩個(gè)步驟。處理后的
漆包線一端固定在模具U型槽23內(nèi)，通過(guò)螺釘24和擋板25卡緊。本裝置可 以將適量焊膏直接放于U型槽23內(nèi)進(jìn)行釬焊，同時(shí)也可以進(jìn)行微米級(jí)BGA焊 球釬焊，漆包線的另一端固定在X-Y-Z三維移動(dòng)平臺(tái)7上，本裝置采用桌立 漢光ASM25-XYZ-1型精密平移臺(tái)，如圖8所示，通過(guò)X軸26、 Y軸27、 Z軸 28的螺旋手柄將其移動(dòng)到U型槽23內(nèi)，隨后加蓋擋板25。
在電子元器件與PCB (Print Circuit Board)板釬焊過(guò)程中， 一般采用回 流焊機(jī)，回流焊機(jī)包含有多個(gè)升溫區(qū)和降溫區(qū)，升溫速率和降溫速率對(duì)焊點(diǎn) 界面處金屬間化合物生長(zhǎng)有至關(guān)重要的影響，工業(yè)界通常規(guī)定界面金屬間化 合物29長(zhǎng)度不超過(guò)10微米。本釬焊平臺(tái)可有效控制升溫速率和降溫速率， 通過(guò)遠(yuǎn)紅外陶瓷加熱板提供熱源，該裝置固定在顯微鏡底座21上，加熱板3 與顯微鏡底座21之間墊有石棉，以免大量的熱直接傳遞到體式顯微鏡上，與 此同時(shí)，底座21內(nèi)部裝有一散熱風(fēng)扇11，該風(fēng)扇功率12W、 6V，通過(guò)DELIXI BK-50與220V電壓相連，裝置中采用加熱板為額定電壓220V，功率400W，規(guī) 格120mmX120mm，此種加熱板3的優(yōu)點(diǎn)是加熱速度快，在開(kāi)放式條件下可以 在短時(shí)間內(nèi)使周?chē)鷾囟冗_(dá)到150度，并且無(wú)明火，安全性高，此外，與普通 的電阻絲相比，由于加熱絲埋入陶瓷內(nèi)部，不易觸電，便于操作。為了避免 加熱板溫度過(guò)高，外部連有控溫系統(tǒng)，該裝置采用了 XMTD數(shù)顯控溫儀、DELIXI CDC1交流接觸器和鎳絡(luò)鉻-鎳硅熱電偶，其中，控溫儀4與交流接觸器與遠(yuǎn)紅 外陶瓷加熱板3相連接，熱電偶5置于模具8表面，由于加熱板3的熱量通 過(guò)模具8傳遞給釬焊接頭，所以實(shí)際所需控制的溫度應(yīng)該以模具8表面溫度 為準(zhǔn)，此外，另一個(gè)記溫儀6的熱電偶5接觸在模具8表面，該儀器主要用 于記錄溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)此數(shù)據(jù)繪制升溫、降 顯曲線，如圖10所示，從中可以 得知，較之隨爐冷，風(fēng)冷可有效加快降溫速度。
在整個(gè)釬焊過(guò)程，可以通過(guò)肉眼在顯微鏡10倍目鏡14上觀測(cè)，也可以通 過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕16觀測(cè)，這主要是通過(guò)10倍目鏡14和攝像頭13將圖像采集
到電腦屏幕16并顯示。圖像采集可用市售普通30萬(wàn)像素?cái)z像頭即可達(dá)到清 晰觀測(cè)的目的，由于釬焊溫度較高，要在顯微鏡目鏡前加放石英片17，隨著
加熱板3溫度升高，釬料10從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，因釬料10僅與銅線9端面潤(rùn) 濕，此時(shí)的釬料10會(huì)在鋁制U型槽23中自動(dòng)聚集成一光亮球體。當(dāng)釬料IO 變?yōu)楣饬烈簯B(tài)后，通過(guò)X-Y-Z三維移動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)7的X軸螺旋旋鈕26進(jìn)行兩 銅線間距調(diào)節(jié)，即銅線端面間的距離調(diào)節(jié)要在釬料變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)完成，螺旋旋 鈕的最小移動(dòng)距離為IO微米，具體的間距大小需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)人員的要求而定。 調(diào)節(jié)距離時(shí)應(yīng)避免操作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，這主要是防止界面金屬間化合物生長(zhǎng)過(guò)快 和釬料表面的氧化。
距離調(diào)節(jié)完成后，要關(guān)閉加熱板電源，打開(kāi)冷卻風(fēng)扇12，冷卻風(fēng)扇為兩組 12W、 6V風(fēng)扇，通過(guò)DELIX工BK-50控制變壓器與220V電壓相連，且由支架 19支撐。當(dāng)模具8表面溫度降到釬料熔點(diǎn)以下，即可將模具8從加熱臺(tái)上取 下，完成微米級(jí)漆包線對(duì)接釬焊。釬焊后的銅線對(duì)接接頭結(jié)構(gòu)示意圖如圖9 所示，左右為漆包線9，中間為釬料IO。
實(shí)例錫鉛共晶釬料對(duì)接接頭的制作。
實(shí)施步驟如下
1) 前處理
市售漆包線一般以巻的形式出售，因此要把彎曲的漆包線變直，以便放入 U型模具23之中，該步驟需要兩塊大小適中的陶瓷板，將彎曲的漆包線放置
于中間，使上面的陶瓷板往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將彎曲漆包線搟直。
由于漆包線在經(jīng)過(guò)電工鉗剪斷后的端面是V型，需要將此V型面磨平，將
剪斷后的漆包線至于模具中卡緊，V型面暴露在卡具外，通過(guò)SiC400號(hào)砂紙
打磨成平面。打磨后的端面要用丙酮或乙醇進(jìn)行清洗，去除端面污物。
2) 裝配試樣
將前處理后的一根漆包線置于模具U型槽23中，通過(guò)螺釘24和擋板25 將其固定于U槽23內(nèi)，隨后添加釬料IO，通過(guò)絲網(wǎng)印刷的方式，可確定釬料
量的多少，本實(shí)驗(yàn)采用直徑O. 5mm，厚度O. lmm銅制絲網(wǎng)。絲網(wǎng)印刷操作具體 如下將絲網(wǎng)置于一平面物體之上，取適量焊膏在絲網(wǎng)上，利用刮板將焊膏 掛至直徑0.5mm孔中，拿去絲網(wǎng)，在將釬料轉(zhuǎn)移至模具的U型槽23中。將模 具放置在加熱板3上，打開(kāi)體式顯微鏡14，使焊點(diǎn)中心位置置于鏡頭中央。 將另外一銅線9固定于X-Y-Z三維移動(dòng)平臺(tái)7之上，通過(guò)X軸26、 Y軸27、 Z 軸28旋鈕將銅線移動(dòng)至U型槽23中，在上面加蓋擋板25。完成試樣裝配。
3) 升溫
傳統(tǒng)錫鉛釬料的熔點(diǎn)為180度，因此將控溫儀溫度設(shè)定在180度，即模具 8溫度達(dá)到180度時(shí)，交流接觸器會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)加熱板電源。
4) 間距調(diào)節(jié)
隨著模具8的溫度升高至錫鉛釬料熔點(diǎn)，焊膏逐漸聚集成一個(gè)光亮球體， 此時(shí)調(diào)節(jié)X軸26向旋鈕至兩銅線間距至0. 2mm。
5) 降溫及拆卸
調(diào)節(jié)好間距后，打開(kāi)冷卻風(fēng)扇12進(jìn)行快速降溫，當(dāng)記溫儀6顯示的溫度 低于70度時(shí)，即可以將模具8從加熱板上取下，同時(shí)取下釬焊好的對(duì)接接頭。
6) 評(píng)估
對(duì)接接頭的外觀形貌和顯微組織如圖11和圖12所示，從光學(xué)顯微鏡(a) 中可以觀測(cè)到，該接頭中兩邊的漆包線9和中間的釬料IO在同一水平線上， 且釬料10在水平方向上的長(zhǎng)度為0. 2咖。如圖12所示，掃描電子顯微鏡中可 以清晰的觀測(cè)到界面處的金屬間化合物，且它們的長(zhǎng)度不超過(guò)10微米。圖13 是對(duì)接接頭的拉伸曲線圖，從中可以得到，當(dāng)拉伸力增加到10牛頓時(shí)，對(duì)接 接頭斷開(kāi)，經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得知本平臺(tái)釬焊的對(duì)接接頭，其承受的最大拉伸 應(yīng)力可達(dá)50MP。
本實(shí)施例中在實(shí)施關(guān)于試樣的尺寸、材料類(lèi)型、元件部分的構(gòu)形和相對(duì)布 置的描述并不意味著將本實(shí)用新型限定在所公開(kāi)的特定形式，本實(shí)施例僅僅 是以示例的方式公開(kāi)，除非另有特別說(shuō)明。
權(quán)利要求1.可控銅線對(duì)接釬焊平臺(tái)，其特征在于按從上到下的順序主要包括有三部分，上部包括有顯微成像和拍攝裝置，中部包括有冷卻風(fēng)扇(12)、X-Y-Z三維移動(dòng)平臺(tái)(7)、模具(8)和放置在模具(8)內(nèi)的銅線(9)、釬料(10)，下部包括有用于給模具(8)加熱的加熱板(3)、用于控制模具(8)表面溫度的控溫儀(4)和記溫儀(6)；其中，模具(8)放置在加熱板(3)的上表面，控溫儀(4)與加熱板(3)相連接，熱電偶(5)的一端連接在控溫儀(4)和記溫儀(6)上，另一端直接與模具(8)的表面相接觸；在模具(8)的U型槽(23)內(nèi)放置有兩支銅線(9)，在兩支銅線(9)之間放置有釬料(10)，右側(cè)的銅線(9)的右端與X-Y-Z三維移動(dòng)平臺(tái)(7)相連接；在模具(8)的右上方設(shè)置有冷卻風(fēng)扇(12)；在模具(8)的正上方按從下到上的順序依次設(shè)置有顯微鏡物鏡(15)、顯微鏡目鏡(14)，在顯微鏡目鏡(14)的正上方放置有與計(jì)算機(jī)(16)相連接的攝像頭(13)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的可控銅線對(duì)接釬焊平臺(tái)，其特征在于在模具(8) 的上表面和顯微鏡物鏡(15)之間放置有石英片(17)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控銅線對(duì)接釬焊平臺(tái)，其特征在于在加熱板(3) 的下部設(shè)置有散熱風(fēng)扇(11)。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型為可控銅線對(duì)接釬焊平臺(tái)，屬于材料制備與連接領(lǐng)域。銅線(9)一端置于模具U型槽(23)中，另一端與X-Y-Z三維移動(dòng)平臺(tái)(7)相連接；釬料(10)放置于銅線之間的U型槽內(nèi)。模具(8)與下方的加熱板(3)直接接觸，加熱板與控溫儀(4)連接。熱電偶(5)一端連在控溫儀(4)和記溫儀(6)上，另一端與模具(8)表面接觸，從而控制和獲得釬焊溫度。通過(guò)冷卻風(fēng)扇(12)為模具及接頭提供快速的降溫速率。通過(guò)與目鏡相連的攝像頭(13)采集圖像，并將整個(gè)釬焊過(guò)程顯示在計(jì)算機(jī)屏幕(16)上，可方便銅線間距調(diào)節(jié)。本實(shí)用新型可精確控制釬焊銅線間隙，固定界面金屬間化合物的厚度，釬焊材料既可以是焊球也可以是焊膏。
文檔編號(hào)B23K3/00GK201076960SQ20072017288
公開(kāi)日2008年6月25日 申請(qǐng)日期2007年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月31日
發(fā)明者何洪文, 史耀武, 夏至東, 徐廣臣, 福 郭, 雷永平 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)