專利名稱：微型釬焊搭接接頭及搭接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種新的微型釬焊搭接接頭及搭接方法，屬于材料連接技術(shù)領(lǐng)域，適用于制備微型的釬焊搭接接頭，應(yīng)用于微電子連接的力學(xué)、熱學(xué)以及電學(xué)的可靠性研究。該工藝可以有效控制焊點(diǎn)的尺寸，焊縫寬度以及焊接質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)釬焊搭接接頭的簡便，批量制作。
背景技術(shù)：
微電子連接在電子產(chǎn)品中起機(jī)械連接和電氣連接的雙重作用，連接接頭的可靠性決定了電子產(chǎn)品的服役壽命，因此微電子連接的力學(xué)、熱學(xué)以及電學(xué)的可靠性研究一直備受關(guān)注。尤其是在歐盟正式批準(zhǔn)WEEE和RoSH指令，強(qiáng)制要求在歐洲市場上銷售無鉛電子產(chǎn)品以來，更是激起了工業(yè)界和科學(xué)界對于無鉛釬料焊接接頭可靠性的廣泛研究。電子產(chǎn)品制造商關(guān)注無鉛焊點(diǎn)的可靠性評價，研究者更為關(guān)注無鉛焊點(diǎn)的失效機(jī)理?？煽啃匝芯康年P(guān)鍵問題之一就是釬焊接頭的選用，既要符合工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況，又要便于展開抽象的科學(xué)研究。實(shí)際電子產(chǎn)品中焊點(diǎn)尺寸隨著微型化的發(fā)展已經(jīng)減小到微米數(shù)量級，并且要承受剪切應(yīng)力，交變溫度以及高電流密度的復(fù)雜載荷，這就對焊接接頭的制作提出了更高的要求。首先，焊接接頭的尺寸要保證在百微米級別；其次，焊接接頭能夠方便進(jìn)行各項性能的測試，比如力學(xué)拉伸，加載高電流密度，顯微組織觀測等；最后，焊接接頭能夠標(biāo)準(zhǔn)化批量制作，以適應(yīng)可要性數(shù)據(jù)積累的要求。目前相關(guān)研究和文獻(xiàn)所使用接頭通常都是根據(jù)研究者自身需求自行設(shè)計，并沒有相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。比如對于電遷移現(xiàn)象感興趣的研究者通常使用對接接頭的設(shè)計，然而對接形式的接頭主要受拉應(yīng)力載荷，和實(shí)際的焊點(diǎn)受力狀態(tài)并不相同，因此在可靠性評價方面具有局限性，只適用于電學(xué)可靠性的評價。此外，由于焊縫寬度需要保證在百微米級別，因此釬料要達(dá)到相應(yīng)的尺寸。以前的研究中通常采用將釬料塊軋制成薄片，已達(dá)到焊縫的尺寸。這種做法存在兩個缺陷，一方面從材料本身來說，對于脆性釬料軋制到一定程度便會發(fā)生開裂，因此很難達(dá)到百微米的尺度；另一方面，用釬料片時樣品需要逐個制作，分別把釬料片貼在焊接基板上，這樣制作不方便，同時也不利于樣品質(zhì)量的一致性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述焊接接頭制作復(fù)雜，質(zhì)量均一性差，不能批量制作的缺點(diǎn)，同時能夠?qū)更c(diǎn)尺寸，焊縫寬度進(jìn)行控制，并且保證焊接接頭質(zhì)量的一致性，已滿足能夠同時進(jìn)行力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)等各方面的可靠性測試的要求。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案。微型釬焊搭接接頭，其特征在于，搭接接頭為兩個狗骨頭狀的薄片銅基板通過釬焊搭接在一起，其中狗骨頭狀的薄片銅基板的一端細(xì)長，作為頸部，細(xì)長的頸部末端作為焊接端，銅基板的另一端寬，作為尾部，并且尾部中心位置打孔，銅基板I厚度為
0.2mm-0.6mm,頸部寬度0.尾部寬度3mm—5mm。尾部打孔位置在銅基板中心線上，距末端2mm-5mm均可,打孔的孔直徑保持在0.8mm_2.5mm之間。搭接上述微型釬焊搭接接頭的方法，其特征在于，采用的設(shè)備包括刷膏模具3、網(wǎng)板4等，包括以下步驟:(I)制備或選取上述的狗骨頭狀的薄片銅基板；(2)其次焊接材料的選擇上進(jìn)行了改進(jìn)，放棄了傳統(tǒng)軋制釬料片的方法，選用焊膏2作為焊接材料，焊膏2 —般可以選用常規(guī)的市售的SnAgCu系列、SnBi系列、SnPb系列以及SnZn系列等均可。焊膏2的使用能夠有效的保證焊縫的寬度和形狀。(3)然后根據(jù)銅基板I的形狀尺寸設(shè)計了刷膏模具3和網(wǎng)板4，作為焊膏涂敷的輔助工具，在刷膏模具3上開有和銅基板I形狀相同的槽，開槽的厚度和銅基板I的厚度相同，達(dá)到槽和銅基板I相匹配，將銅基板I恰好放置在刷膏模具3的槽中，防止銅基板I的水平移動，使銅基板I上表面和刷膏模具3表面保持在同一水平面上，在刷膏模具3上可以一次性開多個相同的槽，同時進(jìn)行多個銅基板I的焊膏涂敷工作；網(wǎng)板4的厚度與接頭的焊縫要求寬度一致，一般在100um-500um之間，在網(wǎng)板4上需要打方形孔，孔尺寸的寬度和銅基板I頸部寬度相同，長度保證在0.之間。方形孔的數(shù)量和布置要求和刷膏模具3上開槽的頸部末端對應(yīng)。將刷膏模具3槽中填滿銅基板I之后，將網(wǎng)板4覆蓋在刷膏模具3上，使銅基板I頸部末端暴露在網(wǎng)板4方形孔中；(4)最后是焊膏2涂敷和銅基板I的焊接工作，采用刮刀5將焊膏2取適量放置在網(wǎng)板上方形孔以外的位置，使用刮刀5壓住網(wǎng)板4，并和網(wǎng)板呈傾斜狀帶動焊膏2劃過網(wǎng)板4上所有方形孔位置，即可將焊膏2填充入方形孔，涂敷到銅基板I頸部末端的位置，然后沿豎直方向取走網(wǎng)板4，此過程中方形孔保證了焊膏2的形狀和涂敷位置，網(wǎng)板4的厚度確定了焊膏2的厚度，即焊接后焊縫的寬度，從刷膏模具3中取出已刷膏的銅基板1，然后另取未刷膏的銅基板1，將其末端搭接在焊膏2上，放入回流焊爐中焊接即可。網(wǎng)板4材質(zhì)為不銹鋼或銅制薄板，刮刀5為不銹鋼或硬質(zhì)塑料板。本發(fā)明中銅基板I形狀，刷膏模具3和網(wǎng)板4的配合使用是制作焊接接頭的關(guān)鍵點(diǎn)。銅基板需要滿足測試過程中各種載荷的加載，銅基板I尾部寬度設(shè)計是為了方便力學(xué)測試時的機(jī)械夾持，尾端中心位置打孔以備蠕變測試過程恒定載荷(懸掛砝碼)的加載，細(xì)長的頸部設(shè)計以減小接頭橫截面積，利于在在電學(xué)測試中獲得更高的電流密度。刷膏模具3起到固定銅基板I的作用，同時使銅基板I置入刷膏模具3時，銅基板I和刷膏模具3的表面在同一水平面上。網(wǎng)板4開孔位置和刷膏模具3所開槽的頸部前端對應(yīng)。把網(wǎng)版4覆蓋在刷膏模具3上時，應(yīng)正好漏出需要涂敷焊膏的銅基板I頸部前端。網(wǎng)板4的厚度決定了涂敷高度，即焊縫寬度。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于能夠均勻的控制焊膏的形狀以及涂敷焊膏厚度，保證焊接接頭的尺寸；一次成型數(shù)量多，同一批次焊接質(zhì)量一致；同時銅基板的設(shè)計能夠滿足拉伸，蠕變，電遷移測試的各種要求，獲得全面的焊點(diǎn)可靠性評價。


圖1:焊接接頭剖面圖和俯視圖；上面的為剖面圖，下面的為俯視圖；圖2:刷膏模具俯視圖和剖面圖；上面的為俯視圖，下面的為剖面圖3:網(wǎng)板俯視圖和剖面圖；上面的為俯視圖，下面的為剖面圖；圖4:刷膏過程裝配圖；圖中1-銅基板，2-焊膏，3-刷膏模具，4-網(wǎng)板，5-刮板。具體的實(shí)施方式以下內(nèi)容結(jié)合附圖具體闡述本發(fā)明的實(shí)施方式，本發(fā)明的刷膏模具中開槽可根據(jù)情況開有不同的個數(shù)，如1-8個均可，則網(wǎng)板中網(wǎng)孔的排列和位置關(guān)系與刷膏模具中的槽相對應(yīng)。焊膏2 —般保存在冰箱中，需要提前4_8h從冰箱取出放在室溫環(huán)境中以恢復(fù)焊膏的粘度，使用之前還需要進(jìn)行充分?jǐn)嚢琛０匆?guī)格加工好的銅基板I需要進(jìn)行去氧化膜及表面污染物的處理，具體過程分為兩個步驟:首先將銅基板I放入配制好的30%!^03溶液中浸泡幾分鐘，去除表面氧化物；接著將銅基板I放入丙酮中進(jìn)一步超聲清洗，清洗完畢烘干備用。實(shí)驗前刷膏模具3，網(wǎng)板4以刮刀5需要用酒精或者丙酮擦拭干凈，尤其是網(wǎng)板4需要保證網(wǎng)孔的通透，最好用壓縮氣體吹掃網(wǎng)孔。原材料及輔助工具準(zhǔn)備完畢即可開始進(jìn)行焊接工序。首先將銅基板I放入刷膏模具3中。然后將網(wǎng)板4覆蓋在刷膏模具3上進(jìn)行網(wǎng)孔對位，保證銅基板I頸部前段全部暴露在網(wǎng)孔中。接著取適量焊膏2放置在網(wǎng)板4上，用刮板5進(jìn)行焊膏涂敷。刮板5壓住網(wǎng)板4，以約45度角帶動焊膏以滾動的方式勻速滑過網(wǎng)孔，使網(wǎng)孔填充滿焊膏2。最后沿豎直方向取走網(wǎng)板4，即可獲得涂敷好焊膏2的銅基板I。將涂敷好焊膏2的銅基板I取出，另取一個未涂敷焊膏的銅基板I按圖1的搭接方式放入回流焊爐中進(jìn)行焊接，即可獲得微型搭接釬焊接頭。實(shí)例:Sn58Bi共 晶釬料搭接接頭的制作。1、釬料準(zhǔn)備:提前4_8h將市售的Sn58Bi焊膏從冰箱中取出，放置在室溫中；2、銅基板準(zhǔn)備:配制30%HN03溶液，將銅基板I放入該溶液中浸泡幾分鐘取出，用清水沖洗干凈；然后用丙酮溶液超聲清洗5min。將清洗好的銅基板烘干備用；3、刷膏模具、網(wǎng)板、刮板準(zhǔn)備:用丙酮或酒精將刷膏模具3、網(wǎng)板4、刮板5擦拭干凈備用；用壓縮氣體吹掃網(wǎng)板的網(wǎng)孔，使網(wǎng)孔通透，不能包含上一次使用后殘余的膏體或是灰
/1、
土 ;4、網(wǎng)板對位:將銅基板在刷膏模具中放實(shí)，然后把網(wǎng)板覆蓋在上面進(jìn)行對位，保證銅基板頸部前段焊接的位置全部暴露在網(wǎng)孔中，然后固定網(wǎng)板；5、刷膏:攪拌焊膏以增加焊膏粘度；取適量焊膏放在網(wǎng)板上，用刮板壓住網(wǎng)板帶動焊膏滾動，刮板和網(wǎng)板間夾角45度為宜。刮板刮動過程中力度適中，勻速刮動，刮1-2次保證網(wǎng)孔中填充滿膏體2;6、取走網(wǎng)板:沿豎直方向快速取走網(wǎng)板，一面破環(huán)膏體的垂直度以及高度；7、取涂敷焊膏的和未涂敷的銅基板各一片，按圖1所示搭接方式放置，放入回流焊爐中焊接即可。
權(quán)利要求
1.微型釬焊搭接接頭，其特征在于，搭接接頭為兩個狗骨頭狀的薄片銅基板通過釬焊搭接在一起，其中狗骨頭狀的薄片銅基板的一端細(xì)長，作為頸部，細(xì)長的頸部末端作為焊接端，銅基板的另一端寬，作為尾部，并且尾部中心位置打孔，銅基板I厚度為0.2mm-0.6mm,頸部寬度0.尾部寬度3mm-5mm。尾部打孔位置在銅基板中心線上,距末端均可，打孔的孔直徑保持在0.8mm-2.5mm之間。
2.權(quán)利要求1的微型釬焊搭接接頭的搭接方法，其特征在于，采用的設(shè)備包括刷膏模具(3)、網(wǎng)板(4)，包括以下步驟: (1)制備或選取上述的狗骨頭狀的薄片銅基板； (2)選用焊膏(2)作為焊接材料； (3)然后根據(jù)銅基板I的形狀尺寸設(shè)計了刷膏模具(3)和網(wǎng)板(4)，作為焊膏涂敷的輔助工具，在刷膏模具(3)上開有和銅基板I形狀相同的槽，開槽的厚度和銅基板(I)的厚度相同，達(dá)到槽和銅基板相匹配，將銅基板恰好放置在刷膏模具的槽中，防止銅基板的水平移動，使銅基板上表面和刷膏模具表面保持在同一水平面上，在刷膏模具上一次性開多個相同的槽，同時進(jìn)行多個銅基板的焊膏涂敷工作；網(wǎng)板的厚度與接頭的焊縫要求寬度一致，在網(wǎng)板上需要打方形孔，孔尺寸的寬度和銅基板頸部寬度相同，方形孔的數(shù)量和布置要求和刷膏模具上開槽的頸部末端對應(yīng)；將刷膏模具槽中填滿銅基板之后，將網(wǎng)板覆蓋在刷膏模具上，使銅基板頸部末端暴露在網(wǎng)板方形孔中； (4)最后是焊膏(2)涂敷和銅基板的焊接工作，采用刮刀(5)將焊膏(2)取適量放置在網(wǎng)板上方形孔以外的位置，使用刮刀壓住網(wǎng)板，并和網(wǎng)板呈傾斜狀帶動焊膏劃過網(wǎng)板上所有方形孔位置，即可將焊膏填充入方形孔，涂敷到銅基板頸部末端的位置，然后沿豎直方向取走網(wǎng)板，此過程中方形孔保證了焊膏的形狀和涂敷位置，網(wǎng)板的厚度確定了焊膏的厚度，即焊接后焊縫的寬度，從刷膏模具中取出已刷膏的銅基板，然后另取未刷膏的銅基板，將其末端搭接在焊膏上，放入回流焊爐中焊接即可。
3.按照權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，焊膏選用SnAgCu系列、SnBi系列、SnPb系列或SnZn系列。
4.按照權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，網(wǎng)板材質(zhì)為不銹鋼或銅制薄板。
5.按照權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，刮刀為不銹鋼或硬質(zhì)塑料板。
6.按照權(quán)利要求2所述的方法，網(wǎng)板的厚度與接頭的焊縫要求寬度一致，在100um_500um 之間。
7.按照權(quán)利要求2所述的方法，在網(wǎng)板上需要打方形孔，孔尺寸的寬度和銅基板頸部寬度相同，長度保證在0.5mm-1mm之間。
全文摘要
微型釬焊搭接接頭及搭接方法，屬于材料連接技術(shù)領(lǐng)域，為兩個狗骨頭狀的薄片銅基板通過釬焊搭接在一起，銅基板的一端細(xì)長，作為頸部，另一端寬，作為尾部，在尾部中心位置打孔，銅基板厚度為0.2mm-0.6mm，頸部寬度0.5mm-1mm，尾部寬度3mm-5mm，尾部打孔位置在銅基板中心線上，距末端2mm-5mm均可，打孔的孔直徑保持在0.8mm-2.5mm之間。搭接方法首先將銅基板放入刷膏模具中，然后將網(wǎng)板覆蓋在刷膏模具上進(jìn)行網(wǎng)孔對位，接著將焊膏涂覆到網(wǎng)孔中，取走網(wǎng)板、取出銅基板，另取一個未涂敷焊膏的銅基板搭接后放入回流焊爐中進(jìn)行焊接。本發(fā)明能夠保證焊接接頭的尺寸；一次成型數(shù)量多。
文檔編號B23K33/00GK103111700SQ201310055780
公開日2013年5月22日 申請日期2013年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月21日
發(fā)明者郭福, 左勇, 馬立民, 夏志東, 雷永平, 李曉延, 舒雨田 申請人:北京工業(yè)大學(xué)