CN101108438A - 可控铜线对接钎焊平台 - Google Patents

Abstract

本发明为可控铜线对接钎焊平台，属于材料制备与连接领域。铜线(9)一端置于模具U型槽(23)中，另一端与X－Y－Z三维移动平台(7)相连接；钎料(10)放置于铜线之间的U型槽(23)内。模具(8)与下方的加热板(3)直接接触，加热板与控温仪(4)连接。热电偶(5)一端连在控温仪(4)和记温仪(6)上，另一端与模具(8)表面接触，从而控制和获得钎焊温度。通过冷却风扇(12)为模具及接头提供快速的降温速率。通过与目镜相连的摄像头(13)采集图像，并将整个钎焊过程显示在计算机屏幕(16)上，可方便铜线间距调节。本发明可精确控制钎焊铜线间隙，固定界面金属间化合物的厚度，钎焊材料即可以是焊球也可以是焊膏。

Description

可控铜线对接钎焊平台

技术领域

本发明涉及一种可控铜线对接钎焊平台，属于材料制备与连接领域，适用于制备微小尺寸(BGA)的微电子用钎焊接头，可以控制钎焊过程中的工艺参数，便于研究微电子用新型钎料的各种性能，包括显微组织观察和力学性能测试，为工业界开发微电子用新型钎料提供有力保障。

背景技术

在微电子封装领域，钎料作为一种重要的连接材料既承载着机械可靠性又承担着传输电流的作用，在服役过程中，钎焊焊点还要承受冲击、机械振动和热疲劳等严峻的服役环境。这就造成了70％电子器件的失效由焊点的失效所致。针对于此，全世界诸多研究机构对焊点的失效机理展开研究，特别是2003年2月13日，欧洲议会与欧盟部长会议组织，正式批准WEEE和RoSH的官方指令生效，强制要求自2006年7月1日起，在欧洲市场上销售的电子产品必须为无铅电子产品(个别类型电子产品暂时除外)。传统锡铅钎料已有上百年的使用历史，而无铅钎料仅仅在最近几年才开始使用，其诸多性能还不被研究人员所知。特别是随着电子产品日益微型化，焊点在尺寸上已经缩减到几百微米左右，以目前主流BGA封装为例，焊点平均直径为100微米，球珊阵列中焊点间距为100μm，那么可在一个1cm×1cm的芯片上放置100×100＝10,000个焊点。总之微型焊点将会是未来电子封装主要方向之一。

在开发适用微型焊点用材料的过程中，多采用以下两种结构：BGA封装，由于BGA封装中含有高成本硅晶片及逻辑电路，所以开发成本很高，且这种结构不利于分析开发新材料时所面临的问题，这主要是因为多物理场耦合是这种封装结构失效的主因，很难确定单一物理场下的影响。另一种结构为，单剪搭接接头，该接头示意图如图1和图2所示，其中铜片1的厚度0.1-0.5mm，钎焊面积2一般为1mm²。但是，该搭接接头的钎焊面积较大，已不能够用于研究微米级焊点失效过程中出现的新问题，比如电迁移，热迁移等。针对于此，有必要设计出尺寸更加微型化的接头，除搭接接头外，对接接头也是目前主流研究对象。美国UCLA大学材料系在开有V型槽硅片上预先放置铜线、钎料球和助焊剂，随后进行钎焊，该方法制备的微米级对接接头可以取代倒装芯片来研发新材料，但是此方法需根据钎料球的大小确定两铜线间隙，无法进行调节，并且该方法不适用于焊膏钎焊。

发明内容

本发明的目的在于克服的现有焊接平台的上述缺陷，提供了一种可控铜线对接钎焊平台，本平台在钎焊过程中可精确控制两铜线间距，可钎焊BGA焊球和焊膏，同时还可固定升温、降温曲线，使得每次钎焊后界面处金属间化合物长度分布保持在固定值(小于10微米)。

为了达到上述目的，本发明采取了如下技术方案。按从上到下的位置关系主要包括有三部分，上部包括有显微成像和拍摄装置，中部包括有冷却风扇12、X-Y-Z三维移动平台7、模具8和放置在模具8内的铜线9、钎料10，下部包括有用于给模具8加热的加热板3、用于控制模具8表面温度的控温仪4和记温仪6，其中，模具8放置在加热板3的上表面，加热板3与控温仪4相连接，热电偶5的一端连接在控温仪4和控温仪6上，另一端直接与模具8的表面相接触。在模具8的U型槽23内放置有两支铜线9，在两支铜线9之间放置有钎料10，右侧的铜线9的右端与X-Y-Z三维移动平台7相连接；在模具8的右上方设置有冷却风扇12；在模具8的正上方按从下到上的顺序依次设置有显微镜物镜15、显微镜目镜14，在显微镜目镜14的正上方放置有与计算机16相连接的摄像头13。

在模具8的上表面和显微镜物镜15之间放置有石英片17。

在加热板3的下部设置有散热风扇11。

本发明中的X-Y-Z三维移动平台7是确保铜线间距的关键，因此需具备以下功能：1)精确调节，最小移动距离为0.01mm；2)调节过程中要保持整体稳定，避免微振动对距离调节的影响；3)由于钎焊铜线一端通过螺钉22与三维移动平台7相连接，两者间有紧密机械结合强度。

模具8是钎焊铜线9、钎料10的主要载体，模具8采用了与钎料不润湿的材料；在其中间位置开有U型槽23，槽的尺寸需要依据铜线直径而定。模具8上方有两块挡板25，挡板25通过螺钉24与模具8相连接。

加热板3具有以下特点：尺寸小，加热速度快，无明火，不易触电，安全性高。

控温仪4与模具8通过热电偶5相连，同时又与加热板3相连接，该系统主要工作原理是：由控温仪4的加热板3将试样(铜线9、钎料10)加热到预定温度，热电偶5将试样的实际温度传递给控温仪4，通过控温仪4将试样温度限定在预定温度范围内，从而固定热量输入，避免试样在钎焊过程中氧化。

冷却风扇12的主要作用是为钎焊后的接头提供快速的降温速率，该过程类似于电路板在回流焊中的风冷阶段。冷却风扇12固定了降温速率，缩短降温时间，避免接头界面处金属间化合物29生长过大。

显微成像和拍摄装置由摄像头13、计算机16、显微镜目镜14及物镜15构成。该工作方式如下：摄像头13通过显微镜目镜14采集钎焊过程的图像，并将图像显示在计算机屏幕16上，操作者可以通过计算机屏幕16来调节两铜线之间的距离。

记温仪6具有定时采集温度数据的功能，其连接方式如下：热电偶5一端连在记温仪6上，另一端置于模具8表面，以获取升温和降温阶段的温度数据。散热风扇11可散发加热板3对显微镜产生的热量，避免显微镜温度过高。物镜正下方石英片17主要用于保护镜头，阻断加热板产生的热量接触到物镜15。

本发明的优点在于可以精确控制微小尺寸对接接头的钎焊间隙，通过控制热输入，固定界面处金属间化合物的厚度；钎料的使用不在拘泥于焊球，焊膏也可以用来钎焊对接接头；相对于采用光刻技术制作的硅片V型槽，本发明铝制U型槽成本低。

附图说明

图1：搭接接头主视图

图2：搭接接头俯视图

图3：可控铜线对接钎焊平台部件关系示意图

图4：可控钎焊平台主视图

图5：模具主视图

图6：模具俯视图

图7：模具左视图

图8：X-Y-Z三维移动平台结构示意图

图9：对接接头结构示意图

图10：升温、降温曲线

图11：光学显微镜图

图12：扫描电子显微镜图

图13：力学拉伸实验曲线

图中：1-铜片，2-钎焊面积，3-加热板，4-控温仪，5-热电偶，6-记温仪，7-X-Y-Z三维移动平台，8-模具，9-铜线，10-钎料，11-散热风扇，12-冷却风扇，13-摄像头，14-显微镜目镜，15-体式显微镜物镜，16-计算机，17-石英片，18-固定石英片支架，19-固定风扇支架，20-显微镜支架，21-显微镜底座，22-固定铜线螺钉，23-U型槽，24-固定挡板螺钉，25-挡板，26-X轴螺旋手柄，27-Y轴螺旋手柄，28-Z轴螺旋手柄，29-界面处的金属间化合物。

具体实施方式

下面结合图1～图13对本发明的具体实例进行描述。

本平台中的使用的铜线9为0.3mm或0.5mm的漆包线，市售漆包线一般由高纯度铜和绝缘漆构成，其中外围的绝缘漆可起到阻焊的作用。在钎焊之前，需要对漆包线进行预处理，包括端面磨平和滚直两个步骤。处理后的漆包线一端固定在模具U型槽23内，通过螺钉24和挡板25卡紧。本装置可以将适量焊膏直接放于U型槽23内进行钎焊，同时也可以进行微米级BGA焊球钎焊，漆包线的另一端固定在X-Y-Z三维移动平台7上，本装置采用桌立汉光ASM25-XYZ-1型精密平移台，如图8所示，通过X轴26、Y轴27、Z轴28的螺旋手柄将其移动到U型槽23内，随后加盖挡板25。

在电子元器件与PCB(Print Circuit Board)板钎焊过程中，一般采用回流焊机，回流焊机包含有多个升温区和降温区，升温速率和降温速率对焊点界面处金属间化合物生长有至关重要的影响，工业界通常规定界面金属间化合物29长度不超过10微米。本钎焊平台可有效控制升温速率和降温速率，通过远红外陶瓷加热板提供热源，该装置固定在显微镜底座21上，加热板3与显微镜底座21之间垫有石棉，以免大量的热直接传递到体式显微镜上，与此同时，底座21内部装有一散热风扇11，该风扇功率12W、6V，通过DELIXIBK-50与220V电压相连，装置中采用加热板为额定电压220V，功率400W，规格120mm×120mm，此种加热板3的优点是加热速度快，在开放式条件下可以在短时间内使周围温度达到150度，并且无明火，安全性高，此外，与普通的电阻丝相比，由于加热丝埋入陶瓷内部，不易触电，便于操作。为了避免加热板温度过高，外部连有控温系统，该装置采用了XMTD数显控温仪、DELIXICDC1交流接触器和镍络鉻-镍硅热电偶，其中，控温仪4与交流接触器与远红外陶瓷加热板3相连接，热电偶5置于模具8表面，由于加热板3的热量通过模具8传递给钎焊接头，所以实际所需控制的温度应该以模具8表面温度为准，此外，另一个记温仪6的热电偶5接触在模具8表面，该仪器主要用于记录温度数据，通过此数据绘制升温、降温曲线，如图10所示，从中可以得知，较之随炉冷，风冷可有效加快降温速度。

在整个钎焊过程，可以通过肉眼在显微镜10倍目镜14上观测，也可以通过计算机屏幕16观测，这主要是通过10倍目镜14和摄像头13将图像采集到电脑屏幕16并显示。图像采集可用市售普通30万像素摄像头即可达到清晰观测的目的，由于钎焊温度较高，要在显微镜目镜前加放石英片17，随着加热板3温度升高，钎料10从固态变为液态，因钎料10仅与铜线9端面润湿，此时的钎料10会在铝制U型槽23中自动聚集成一光亮球体。当钎料10变为光亮液态后，通过X-Y-Z三维移动移动平台7的X轴螺旋旋钮26进行两铜线间距调节，即铜线端面间的距离调节要在钎料变为液态时完成，螺旋旋钮的最小移动距离为10微米，具体的间距大小需要根据实验人员的要求而定。调节距离时应避免操作时间过长，这主要是防止界面金属间化合物生长过快和钎料表面的氧化。

距离调节完成后，要关闭加热板电源，打开冷却风扇12，冷却风扇为两组12W、6V风扇，通过DELIXI BK-50控制变压器与220V电压相连，且由支架19支撑。当模具8表面温度降到钎料熔点以下，即可将模具8从加热台上取下，完成微米级漆包线对接钎焊。钎焊后的铜线对接接头结构示意图如图9所示，左右为漆包线9，中间为钎料10。

实例：锡铅共晶钎料对接接头的制作。

实施步骤如下：

1)前处理

市售漆包线一般以卷的形式出售，因此要把弯曲的漆包线变直，以便放入U型模具23之中，该步骤需要两块大小适中的陶瓷板，将弯曲的漆包线放置于中间，使上面的陶瓷板往复运动，将弯曲漆包线擀直。

由于漆包线在经过电工钳剪断后的端面是V型，需要将此V型面磨平，将剪断后的漆包线至于模具中卡紧，V型面暴露在卡具外，通过SiC400号砂纸打磨成平面。打磨后的端面要用丙酮或乙醇进行清洗，去除端面污物。

2)装配试样

将前处理后的一根漆包线置于模具U型槽23中，通过螺钉24和挡板25将其固定于U槽23内，随后添加钎料10，通过丝网印刷的方式，可确定钎料量的多少，本实验采用直径0.5mm，厚度0.1mm铜制丝网。丝网印刷操作具体如下：将丝网置于一平面物体之上，取适量焊膏在丝网上，利用刮板将焊膏挂至直径0.5mm孔中，拿去丝网，在将钎料转移至模具的U型槽23中。将模具放置在加热板3上，打开体式显微镜14，使焊点中心位置置于镜头中央。将另外一铜线9固定于X-Y-Z三维移动平台7之上，通过X轴26、Y轴27、Z轴28旋钮将铜线移动至U型槽23中，在上面加盖挡板25。完成试样装配。

3)升温

传统锡铅钎料的熔点为180度，因此将控温仪温度设定在180度，即模具8温度达到180度时，交流接触器会自动断开加热板电源。

4)间距调节

随着模具8的温度升高至锡铅钎料熔点，焊膏逐渐聚集成一个光亮球体，此时调节X轴26向旋钮至两铜线间距至0.2mm。

5)降温及拆卸

调节好间距后，打开冷却风扇12进行快速降温，当记温仪6显示的温度低于70度时，即可以将模具8从加热板上取下，同时取下钎焊好的对接接头。

6)评估

对接接头的外观形貌和显微组织如图11和图12所示，从光学显微镜(a)中可以观测到，该接头中两边的漆包线9和中间的钎料10在同一水平线上，且钎料10在水平方向上的长度为0.2mm。如图12所示，扫描电子显微镜中可以清晰的观测到界面处的金属间化合物，且它们的长度不超过10微米。图13是对接接头的拉伸曲线图，从中可以得到，当拉伸力增加到10牛顿时，对接接头断开，经过计算可以得知：本平台钎焊的对接接头，其承受的最大拉伸应力可达50MP。

本实施例中在实施关于试样的尺寸、材料类型、元件部分的构形和相对布置的描述并不意味着将本发明限定在所公开的特定形式，本实施例仅仅是以示例的方式公开，除非另有特别说明。

Claims (3)

1.可控铜线对接钎焊平台，其特征在于：按从上到下的顺序主要包括有三部分，上部包括有显微成像和拍摄装置，中部包括有冷却风扇(12)、X-Y-Z三维移动平台(7)、模具(8)和放置在模具(8)内的铜线(9)、钎料(10)，下部包括有用于给模具(8)加热的加热板(3)、用于控制模具(8)表面温度的控温仪(4)和记温仪(6)；其中，模具(8)放置在加热板(3)的上表面，控温仪(4)与加热板(3)相连接，热电偶(5)的一端连接在控温仪(4)和记温仪(6)上，另一端直接与模具(8)的表面相接触；在模具(8)的U型槽(23)内放置有两支铜线(9)，在两支铜线(9)之间放置有钎料(10)，右侧的铜线(9)的右端与X-Y-Z三维移动平台(7)相连接；在模具(8)的右上方设置有冷却风扇(12)；在模具(8)的正上方按从下到上的顺序依次设置有显微镜物镜(15)、显微镜目镜(14)，在显微镜目镜(14)的正上方放置有与计算机(16)相连接的摄像头(13)。

2.根据权利要求1所述的可控铜线对接钎焊平台，其特征在于：在模具(8)的上表面和显微镜物镜(15)之间放置有石英片(17)。

3.根据权利要求1所述的可控铜线对接钎焊平台，其特征在于：在加热板(3)的下部设置有散热风扇(11)。

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