CN102903646A - 一种芯片的焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种芯片的焊接方法，包括如下步骤：先将焊接剂32设置在基板2的焊盘3表面，然后采用机械手将芯片1的焊盘面31对准基板的焊盘3安装，再将安装好芯片的基板通过回流焊炉加热将焊接剂32固化，完成芯片焊接的过程，在某些场合，还需要补强使焊接更可靠。本发明可以替代传统的芯片引线焊接及芯片倒封装工艺，提高生产效率，降低生产成本。

Description

一种芯片的焊接方法
技术领域
本发明涉及电子零件焊接领域，特别是芯片焊接领域，具体涉及一种芯片的焊接方法，可在芯片封装、智能卡封装、电子产品组装等领域广泛使用。
背景技术
表面贴装技术的应用在当今的电子产品组装业已经普遍使用，是一种生产高效、设备通用、自动化程度高的生产技术。但是，被贴装的器件都是经过二次封装好的元器件，元器件封装成本高，产品体积大，特别在某些如智能卡类产品的应用中需要小型超薄的要求，就无法实现了。为了实现此类的应用需求，行业内出现了倒封装技术，即在裸芯片的焊盘上制作了金球，让焊盘突出芯片表面，然后采用单向异性导电胶将芯片的焊盘和基板的焊盘导通完成焊接。虽然这种工艺可以实现超薄的工艺要求，但是其生产设备属于专用设备，价格昂贵，且生产效率较低，是传统表面贴装设备的1/3~1/5，因此要实现大批量的生产，就需要进行大量的设备投资才能实现。
采用倒封装工艺的原材料单向异性导电胶的价格昂贵，且产品的性能受外界因数影响较大，如环境温度、空气灰尘、压力等条件差异会造成焊接效果的变化，具有明显潜在的焊接失效风险。
本发明为了解决芯片焊接生产中相关的问题点，从成本角度考虑，单向异性导电胶的成本高昂，传统焊接剂（如锡膏）是单向异性导电胶的1/10价格，具有压倒性的成本优势；从生产设备来讲，传统表面贴装设备属于行业通用，设备和设备的维护成本比较低；从焊接的可靠性来讲，传统焊接剂的生产条件和焊接效果稳定可靠，符合大批量生产的需求。根据以上的分析，我们提出了全新的解决方案，使超薄型芯片的生产工艺简化、效率提高、可靠性更高、成本更低。
本发明在已公开的发明专利：一种芯片的焊接方法，专利申请号201110208897.3的基础上，提出了新的方法，完善了原方案不足之处，使该方法更具有实际生产的价值。
发明内容
本发明针对上述问题，在芯片的焊接生产中提出了裸芯片直接锡焊的概念。这种新型的生产方法，通过将裸芯片的焊盘做非铝化处理，然后通过普通表面贴装设备的贴装工艺，使焊接剂将芯片焊盘和基板的焊盘通过回流焊方式固化并可靠地连接起来。这种方法是将传统的表面贴装工艺延伸并应用到裸芯片的焊接过程中，有效降低生产成本、减小产品体积和厚度，提高生产效率。
为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种芯片的焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：先将焊接剂设置在基板的焊盘表面，然后采用机械手将芯片的焊盘对准基板的焊盘安装，再将安装好芯片的基板通过回流焊炉加热将焊接剂固化，完成芯片焊接的过程；
所述的焊接剂为锡膏、银浆或胶；所述的基板为环氧树脂敷铜电路板（PCB）、聚酰亚胺（PI）敷铜电路板或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)电路板；所述的机械手为表面贴装设备的器件拾取装置；所述的芯片为晶圆经过减薄切割后没有进行封装的单颗裸芯片。
进一步的，所述的焊接剂设置在基板的焊盘表面，是通过钢网印刷工艺将胶状的焊接剂在基板焊盘表面形成具有一定厚度的图形，其厚度在20um-200um之间。
再进一步，所述的焊接剂设置在基板的焊盘表面，是通过自动点胶工艺将胶状的焊接剂在基板焊盘表面形成具有一定厚度的图形，其厚度在30um-300um之间。
再进一步，，所述的芯片的焊盘经过非铝化表工艺处理，使芯片焊盘具有高于芯片平面的焊盘和具有和焊接剂有效浸润的焊接面。
再进一步，，所述回流焊炉加热将焊接剂固化的过程是第一阶段预热段：温度先从室温上升至T1；第二阶段保温段：温度在T2之间保持；第三阶段回流段：温度从T3-T4-T3期间为回流温度，第四阶段冷却段：温度从T3下降至室温；
T1为100-120℃、150-170℃或180℃-200℃；
T2为100-150℃、150-200℃或180℃-230℃；
T3为140-160℃、190-210℃或220℃-240℃；
T4为160-180℃、210-250℃或240℃-280℃；
针对不同的材质、焊接剂选择对应的温度范围。
再进一步，，对于焊接强度要求高的产品，在芯片的周围设置补强胶，使焊接可靠；所述的补强胶为液态加热转固态的硅胶或环氧树脂胶；所述的补强胶为固态加热转液态再冷却后转固态的封装胶；所述的补强胶为液态经紫外线照射后转固态的紫外线固化胶。
再进一步，，所述的液态加热转固态的硅胶或环氧树脂胶补强胶通过自动点胶的方式将胶体设置在基板的芯片安装位置，再通过加热炉进行固化；所述的固态加热转液态再冷却后转固态的封装胶，以薄膜形式存在，经模切后和安装有芯片的基板贴合，经加热使封装胶变性成液态，使胶体和基板及芯片充分融合，冷却后形成固态包封体；所述的紫外线固化胶通过自动点胶的方式将胶体设置在基板的芯片安装位置，再通过紫外线照射进行固化。
再进一步，，补强胶的位置设置在芯片的4个角上、2个对边、4周或把芯片全部包封起来。
根据上述技术方案形成的芯片焊接，可以替代传统的引线焊接工艺，使生产工艺简化、产品合格率上升、生产成本降低，简化了传统方式先将芯片贴装在基板上，再通过超声波引线焊接工艺将芯片的焊盘和基板的焊盘连通，最后通过封装胶将引线、芯片包封起来，封装成模块。也可以弥补倒封装工艺的设备昂贵、生产效率低下、产品可靠性低的缺点。本发明的方法对于电子产业的进步起到推动的作用。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。
图1为本发明芯片焊接剖面结构示意图。
图2为本发明芯片焊接的三维示意图。
图3为本发明四角补强胶位置示意图。
图4为本发明圆形周边填充补强示意图。
图5为本发明圆形整体填充补强示意图。
图6为本发明两边填充补强示意图。
图7为本发明四边填充补强示意图。
图8为本发明边缘填充补强剖面示意图。
图9为本发明整体填充补强剖面示意图。
图10为本发明连续型基板和芯片的焊接示意图。
图11为本发明连续型固态封装胶模切结构示意图。
图12为本发明连续型固态封装胶和基板的贴合示意图。
图13为本发明连续型固态封装胶和基板的加工示意图。
具体实施方式
为了使本发明的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明的具体内容。
本发明的目的是通过传统的表面贴装工艺对裸芯片的焊盘和基板的焊盘进行物理连接，简化了芯片焊接的生产工艺，增加产品可靠性，并有效降低成本，提高生产效率的目的。
实施例1
如图1和图2所示的芯片焊接结构图，首先通过钢网印刷工艺将焊锡膏32设置在环氧树脂基板2的焊盘3表面，然后采用机械手将芯片1的焊盘31对准基板2的焊盘3安装，按箭头4的方向贴合，再将安装好芯片1的基板通过回流焊炉加热将焊接剂固化，完成芯片焊接的过程；在这个过程中，焊接剂的量根据焊盘的尺寸选定，以可以充分连接为准。实际操作中可以通过选择钢网的厚度以及印刷开窗的尺寸来调整。钢网的厚度从20um到200um之间可以选择。
在回流焊炉加热将焊接剂固化的过程中，根据基板的材质来选用不同的焊接剂并配合相应的加热温度来实现。如环氧树脂敷铜电路板（PCB）和聚酰亚胺（PI）敷铜电路板采用以下温度：
第一阶段预热段：温度先从室温上升至T1；第二阶段保温段：温度在T2之间保持；第三阶段回流段：温度从T3-T4-T3期间为回流温度，第四阶段冷却段：温度从T3下降至室温；
T1为180℃-200℃；
T2为180℃-230℃；
T3为220℃-240℃；
T4为240℃-280℃；
对于尺寸较大尺寸的芯片焊接的时候，可以选择对芯片的四个角进行补强固定。如图3所示，在芯片1的4个角上，通过自动点胶工艺将热固化环氧树脂补强胶分别点在基板51、52、53、54位置上，让其自由扩散，并通过加热固化工序将补强胶固化，起到保护芯片和焊接点的目的。如图4，图6，图7所示，补强胶的形状可以是圆形的，也可以是双边长条形的，或者是四边方形的，均能有效保护芯片和焊接点。
对于较小尺寸的芯片焊接的时候，可以选择对芯片进行完整包封补强。如图5和图9所示，芯片和焊点完全被补强胶所包围，经过固化后可以获得更加可靠的产品。
如图8和图9的剖面图所示，在补强胶施胶过程中，由于胶体5是半液态流动的物体，胶可渗透到芯片1和基板2的缝隙中，使胶体5和芯片1、基板2融为一体，有效保护芯片和焊接点。
实施例2
如图1和图2所示的芯片焊接结构图，首先通过自动点胶设备将银浆32设置在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基板2的焊盘3表面，然后采用机械手将芯片1的焊盘31对准基板2的焊盘3安装，按箭头4的方向贴合，再将安装好芯片1的基板通过回流焊炉加热将焊接剂固化，完成芯片焊接的过程；在这个过程中，焊接剂的量根据焊盘的尺寸选定，以可以充分连接为准。实际操作中可以通过设定点胶设备的压力等参数来调整。导电剂厚度从30um到300um之间可以选择。
在回流焊炉加热将焊接剂固化的过程中，根据基板的材质来选用不同的焊接剂并配合相应的加热温度来实现。聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)电路板采用以下温度：
第一阶段预热段：温度先从室温上升至T1；第二阶段保温段：温度在T2之间保持；第三阶段回流段：温度从T3-T4-T3期间为回流温度，第四阶段冷却段：温度从T3下降至室温；
T1为100-120℃；
T2为100-150℃；
T3为140-160℃；
T4为160-180℃。
对于尺寸较大尺寸的芯片焊接的时候，可以选择对芯片的四个角进行补强固定。如图3所示，在芯片1的4个角上，将紫外线固化补强胶分别点在基板的51、52、53、54位置上，让其自由扩散，并通过紫外线照射固化工序将补强胶固化，起到保护芯片和焊接点的目的。如图4，图6，图7所示，补强胶的形状可以是圆形的，也可以是双边长条形的，或者是四边方形的，均能有效保护芯片和焊接点。
对于较小尺寸的芯片焊接的时候，可以选择对芯片进行完整包封补强。如图5和图9所示，芯片和焊点完全被补强胶所包围，经过固化后可以获得更加可靠的产品。
如图8和图9的剖面图所示，在补强胶施胶过程中，由于胶体5是半液态流动的物体，胶可渗透到芯片1和基板2的缝隙中，使胶体5和芯片1、基板2融为一体，有效保护芯片和焊接点。
实施例3
如图1和图2所示的芯片焊接结构图，首先通过自动点胶设备将导电胶或非导电胶32设置在聚酰亚胺（PI）基板2的焊盘3表面，然后采用机械手将芯片1的焊盘31对准基板2的焊盘3安装，按箭头4的方向贴合，再将安装好芯片1的基板芯片位置局部加压加热使焊接剂固化，完成芯片焊接的过程；在这个过程中，焊接剂的量根据焊盘的尺寸选定，以可以充分连接为准。实际操作中可以通过设定点胶设备的压力等参数来调整。
在加压加热将焊接剂固化的过程中，根据不同的焊接剂的特性设定相应的加热温度来实现。
为了提高生产效率，我们选用所述的固态加热转液态再冷却后转固态的封装胶。这种封装胶以薄膜形式存在，经模切后形成长条形连续的结构，和安装有芯片的连续基板贴合，经加热后使封装胶变性成液态，使胶体和基板及芯片充分融合，冷却后形成固态包封体，除去封装胶的离型膜，完成厚度可控，形状规则的封装模块。
如图10所示的连续型基板和芯片的焊接示意图，芯片1被有规律地焊接在连续的基板2的相应位置，基板2的边缘设置了固定间距的定位孔201，以适合连续生产设备步进的需要。
如图11所示的连续型固态封装胶模切结构示意图，薄膜型固态封装胶被模切成规则排列的封装胶块，一面固定在离型膜501上，离型膜的边缘设置了固定间距的定位孔502，以适合连续生产设备步进的需要。。
如图12所示的连续型固态封装胶和基板的贴合示意图，通过自动封装设备将模切好的连续型固态封装胶带和安装了芯片的连续型基板通过定位孔对应贴合，离型膜501上的封装胶块5对应基板2上的芯片1。
如图13所示的连续型固态封装胶和基板的加工示意图，经过贴合的基板2和封装胶带501经过具有加热功能的加热台7和压合轮6，使封装胶块5将芯片1包封起来，冷却后，胶体和基板2充分粘合，并通过收料器将离型膜501从胶体表面去除，形成完整的封装模块。
上述一种芯片的焊接方法可应用于以环氧树脂为介质的硬性敷铜基板（PCB）的芯片焊接。
上述一种芯片的焊接方法可应用于以聚酰亚胺（PI）为介质的柔性敷铜电路板的芯片焊接。
上述一种芯片的焊接方法可应用于以聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)为介质的柔性敷铜电路板的芯片焊接。
综上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种芯片的焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：先将焊接剂设置在基板的焊盘表面，然后采用机械手将芯片的焊盘对准基板的焊盘安装，再将安装好芯片的基板通过回流焊炉加热将焊接剂固化，完成芯片焊接的过程；
   所述的焊接剂为锡膏、银浆或胶；所述的基板为环氧树脂敷铜电路板（PCB）、聚酰亚胺（PI）敷铜电路板或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)电路板；所述的机械手为表面贴装设备的器件拾取装置；所述的芯片为晶圆经过减薄切割后没有进行封装的单颗裸芯片。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的焊接剂设置在基板的焊盘表面，是通过钢网印刷工艺将胶状的焊接剂在基板焊盘表面形成具有一定厚度的图形，其厚度在20um-200um之间。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的焊接剂设置在基板的焊盘表面，是通过自动点胶工艺将胶状的焊接剂在基板焊盘表面形成具有一定厚度的图形，其厚度在30um-300um之间。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的芯片的焊盘经过非铝化表工艺处理，使芯片焊盘具有高于芯片平面的焊盘和具有和焊接剂有效浸润的焊接面。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述回流焊炉加热将焊接剂固化的过程是第一阶段预热段：温度先从室温上升至T1；第二阶段保温段：温度在T2之间保持；第三阶段回流段：温度从T3-T4-T3期间为回流温度，第四阶段冷却段：温度从T3下降至室温；
T1为100-120℃、150-170℃或180℃-200℃；
T2为100-150℃、150-200℃或180℃-230℃；
T3为140-160℃、190-210℃或220℃-240℃；
T4为160-180℃、210-250℃或240℃-280℃；
针对不同的材质、焊接剂选择对应的温度范围。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于焊接强度要求高的产品，在芯片的周围设置补强胶，使焊接可靠；所述的补强胶为液态加热转固态的硅胶或环氧树脂胶；所述的补强胶为固态加热转液态再冷却后转固态的封装胶；所述的补强胶为液态经紫外线照射后转固态的紫外线固化胶。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的液态加热转固态的硅胶或环氧树脂胶补强胶通过自动点胶的方式将胶体设置在基板的芯片安装位置，再通过加热炉进行固化；所述的固态加热转液态再冷却后转固态的封装胶，以薄膜形式存在，经模切后和安装有芯片的基板贴合，经加热使封装胶变性成液态，使胶体和基板及芯片充分融合，冷却后形成固态包封体；所述的紫外线固化胶通过自动点胶的方式将胶体设置在基板的芯片安装位置，再通过紫外线照射进行固化。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，补强胶的位置设置在芯片的4个角上、2个对边、4周或把芯片全部包封起来。
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