CN103325716B - 一种面向芯片级器件的焊点制备方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向芯片级器件的焊点制备装置，包括：溶液容器，用于提供焊料溶液；流量分配器，其上设置有阵列布置的多个喷嘴，其与溶液容器连通，焊料溶液通过喷嘴喷出；器件固定板，其通过一底板固定在喷嘴下方，其上平铺有待制备焊点的器件，且该器件固定板与喷嘴通过高压发生器相连，两者之间形成高压电场；还包括管芯模，其包括呈阵列布置的多个管芯，且各管芯一一对应配合插装在喷嘴中，在各喷嘴和管芯之间的空隙内形成容纳焊料溶液的空间，在电场的作用下，焊料溶液通过该喷嘴中的空间进行流量分配后喷出形成喷点或喷丝，滴落于器件表面形成焊点。本发明可制作芯片级器件上微米级尺寸的焊点，比传统喷印方法分辨率高1-2个数量级，且适合高粘度的溶液。

Description

一种面向芯片级器件的焊点制备方法及装置

技术领域

本发明属于电子封装技术领域，具体涉及一种芯片级器件的焊点制备方法及装置。

背景技术

随着电子产品向轻、薄、短、小且功能多样方向发展，要求电子芯片封装的密度高、具有良好的电和热性能、可靠性好、成本低。一般的芯片级器件为了方便连接，都采用焊点的方法实现电气连接，焊点的制作质量直接影响器件电气性能，而且随着电子器件的微型化，焊点的大小也正向微型化发展。

目前现有的焊点制作方法包括蒸发沉淀、印刷、电镀、微球法、黏点转移法、SB2-Jet法、溶液滴喷射法等。

蒸发沉淀法通常采用金属掩膜来形成钎料焊点图案，钎料蒸发后在焊盘上形成焊点且要经过进一步的重熔以形成球形焊点，这种方法繁琐且精度不高，不适合加工高精度和微型焊点。印刷法是通过大量采用模板印刷方法，通过涂刷器和模板将钎料刷在焊盘上，这种方法限制于不能均匀分配焊料体积，影响模板印刷工艺质量的因素很多，且如果用化学腐蚀的方法来制作模板精度不高，而用激光切割比较贵。钉头焊点使用标准线连接过程以形成焊点，焊点形成过程与线连接过程相同，不同之处在于丝端成球后，在球上端加热使其断开，获得的焊点形状多为蘑菇状和钉头状。微球法先将钎料微球放于特定容器中，通过震荡容器使微球跳到一定的高度，带有吸孔的载板获得微球，再通过超声震荡工艺去除多余的微球，随后通过图像处理方法来检测吸孔与微球位置准确性，若发现多余微球则去除，缺少微球则补充。当保证微球的位置与数量准确后，再将微球从载板向器件焊盘转移。SB2-Jet方法相当于一个改进的微球法系统，掷球系统和喷射系统综合在一起，由于激光被直接用于局部重熔，不需要额外的重熔设备。用SB2-Jet法可获得直径在80μm～120μm的钎料球。钎料液滴喷射（印刷）技术采用CAD控制喷射，分为连续型和按需型两类。钎料液滴经过偏移电场喷射到焊盘上。通常连续型喷射液滴直径是喷嘴直径的两倍，在喷嘴周围采用惰性气体，可促进液滴断开，也可防止钎料氧化，这种方法工艺较复杂。

中国专利201210010675公开了一种基于静电喷印技术制备高精度阵列布置图案的方法和装置，其利用静电纺丝喷印的原理，在电场的作用下使极化溶液脱离表面张力形成喷点或丝，但其仅是用于静电纺丝领域，而且对流量大小无法控制，而焊点对焊料均匀性要求很高，特别是微米级的面向芯片器件的焊点，其只有足够均匀的焊料才能保证焊点的电学性能。另外，这种方式对纺丝内部结构也无法进行调节，在需要应用不同结构的纺丝时也无法适用。

发明内容

针对现有技术中存在的问题或改进需求，本发明提供一种芯片级器件的焊点制备方法和装置，其目的在于通过利用电流体喷印方式和流量分配装置，制备微米级的焊点，解决目前存在的焊点焊料分配不均匀，焊点精度不高而影响器件电学性能的问题。

按照本发明的一个方面，提供一种面向芯片级器件的焊点制备装置，其利用电流体喷印在器件表面制备出微米级焊点，其特征在于，该装置具体包括：

溶液容器，用于提供制备焊点的焊料溶液；

流量分配器，其上设置有阵列布置的多个喷嘴，其与所述溶液容器连通，焊料溶液通过所述喷嘴喷出；

器件固定板，其通过一底板固定在喷嘴下方，其上平铺有待制备焊点的器件，且该器件固定板与所述喷嘴通过高压发生器相连，使得在两者之间形成高压电场；

其特征在于，该装置中还包括管芯模，其包括呈阵列布置的多个管芯，且所述各管芯一一对应配合插入套装在所述喷嘴中，从而在各喷嘴和管芯之间的空隙内形成容纳焊料溶液的空间，在所述电场的作用下，焊料溶液通过该喷嘴中的该空间进行流量分配后喷出形成喷点或喷丝，并滴落于器件表面，从而形成焊点。

作为本发明的进一步优选，所述各管芯与对应的喷嘴中心重合或不重合，两者在径向上的相对位置可调，从而可调节各管芯与对应的喷嘴之间的空隙，作为流量分配路径，从而调整从喷嘴出来的喷丝速度和流量。

作为本发明的进一步优选，所述管芯为实心杆或空心管，其位于喷嘴喷口端的端部为尖状或圆角，管芯在喷嘴内轴向可调，使得管芯端部与喷嘴喷口端部相对位置可变，从而使得喷出的溶液形成不同形状的焊点。

作为本发明的进一步优选，所述管芯凸出于对应的喷嘴喷口外或位于喷口内。

作为本发明的进一步优选，所述管芯为空心管，其管体内可通入气体或注入另一种焊料溶液并可通过对应的喷嘴喷出，从而形成空心焊点或形成由多种焊料形成的焊点。

作为本发明的进一步优选，该装置还包括与器件固定板连接的振动发生器，其用于带动所述器件固定板沿一定方向振动，以拉断喷丝形成焊点。

作为本发明的进一步优选，所述装置还包括平板电极，其在喷印完成后设置在器件固定板上方，从而在二者之间形成电场，以用于对喷印后的焊点进行拉形，并形成尖刺形顶部。

作为本发明的进一步优选，所述装置还包括设置在喷嘴上的CCD视觉系统，用于精密定位喷嘴与焊点位置。

作为本发明的进一步优选，所述装置还包括除静电装置，用于去除待制备焊点的器件上的静电，以消除器件上静电对溶液喷射的影响。

按照本发明的另一个方面，提供了一种应用上述面向芯片级器件的焊点制备装置和焊点制备的方法，其包括：

溶液容器内的溶液输送至各喷嘴，在电场的作用下，溶液从喷嘴尖端经上述管芯模进行流量分配后被拉出；

移动阵列布置的喷嘴和管芯模，将溶液以喷点或丝的形式喷射在器件上的焊点位置；

通过振动发生器拉断喷嘴喷出的喷丝，同时使喷丝或喷点在器件上形成一定高度的焊点；

本发明中，所述振动发生器能够沿着一定方向运动，可用于拉断喷嘴喷出的喷丝，同时可使喷丝或喷点在器件上形成一定高度的焊点。振动发生器的振动频率和振幅的数值可根据需要进行调整。

本发明中，管芯模在微型马达作用下能够在相互垂直的三个方向微动，可对位管芯与喷嘴的中心位置，并可以调整从喷嘴出来的溶液速度和量，进一步调整焊点的尺寸。

本发明中，CCD视觉系统可与阵列布置的喷嘴固定在一起，也可以单独布置，其性能参数需要满足喷嘴与器件定位标识相互定位的精度要求；同时视觉系统还用于观测焊点的制作效果，如果此观测相机功能参数要求与定位相机功能参数要求不同，需要单独配置另一套视觉系统。

本发明中，平板电极功能在于通过二次电流变原理，将已经喷射在器件上的液态焊点进一步变高、变小，并在焊点顶端出现凸尖顶部。此方案可以用于制备需要尖顶的焊点的特殊工况，通常将平板电极移入工作区域和增加电压之前，需要将阵列布置的喷嘴移开。

本发明中，流量分配器上喷嘴与底板之间的垂直距离可根据所要求制备的焊点工艺参数进行设定。

本发明中，高压发生器在喷嘴与底板之间所施加的电压可根据所要求制备的焊点工艺参数进行设定。

本发明中，在制备空心焊点时，所述管芯模的管芯内可通入气体，且气体气压应可根据要求制备的焊点工艺参数进行设定。

本发明中，流量分配器上喷嘴的内径应根据所要求制备的焊点工艺参数进行设定，阵列布置的管芯与阵列布置的喷嘴配套使用，相应的喷嘴的内径变化时管芯直径也对应变化。

本发明中，阵列布置的喷嘴可根据工艺需求直接用阵列布置的孔代替。

本发明中，制作高精度倒装器件微焊点的步骤如下：

（a）首先利用微型马达调整好管芯与喷嘴在x、y和z三方向的位置；

（b）开启并调整高压发生器的输出电压，启动流量泵，将溶液容器内的溶液输送至流量分配器，在电场的作用下，溶液可从喷嘴尖端被拉出；

（c）在CCD视觉系统辅助定位下，阵列布置的喷嘴在x₁,y₁方向移动，将溶液以喷点或丝的形式喷射在器件上的焊点位置；

（d）振动发生器沿着z₂方向运动，用于拉断喷嘴喷出的喷丝，同时可使喷丝或喷点在器件上形成一定高度的焊点；

待焊点固化后，通过视觉系统检测焊点的质量，并为下一批次焊点的制备提供参数调整的参考。完毕后，如此不断循环往复。

本发明的基于电流体喷印技术制作焊点的方法，溶液经过电场极化从阵列布置的喷嘴被拉出，液滴在喷嘴形成泰勒锥，其直径要比喷嘴直径小一到两个数量级，经过相机和x₁,y₁运动平台定位，直接喷印到器件上，经过固化形成焊点。该方法可以制作微米级尺寸直径的微焊点。此外，采用阵列布置的喷嘴，能同时在多个芯片级器件上制作焊点，在效率上也得到了很大的提升。

附图说明

图1是按照本发明的芯片级器件焊点制造装置的整体结构示意图；

图2是流量分配器和管芯模的装配示意图（未完全配合）；

图3是按照本发明的管芯模的详细结构示意图；

图4是按照本发明的管芯和喷嘴安装及工作示意图；其中，图4a是按照本发明的生产直径较大实心焊点的结构示意图；图4b是按照本发明的生产直径较小实心焊点的结构示意图；图4c是按照本发明的生产空心焊点的结构示意图；图4d是按照本发明的生产内外异质焊点的结构示意图；

图5a是按照本发明可制备的直径较大实心焊点的形状示意图；

图5b是按照本发明可制备的直径较小实心焊点的形状示意图；

图5c是按照本发明可制备的空心焊点的形状示意图；

图5d是按照本发明所制得的内外异质焊点的形状示意图；

图5e是按照本发明经二次电流变所制得的带尖端焊点的形状示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同元件或结构，其中：

1-溶液容器，2-流量泵，3-流量分配器，4-高压发生器，5-CCD视觉系统，6-器件固定板，7-振动发生器，8-底板，9-管芯模，10-除静电装置，11-平板电极。

901-管芯模x方向微型马达，902-管芯，903-管芯模微型直线传动机构,904-管芯模y方向微型马达，905-管芯模z方向微型马达

101-喷嘴，102-实心管芯，103-溶液1，104-气体105-空心管芯，106-溶液2

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。此处说明若涉及到具体实例时仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

如图1中所示，按照本实施例的芯片级器件焊点制造装置主要包括溶液容器1、流量泵2、流量分配器3、高压发生器4、CCD视觉系统5、器件固定板6、振动发生器7、底板8、管芯模9、除静电装置10和电极板11。

溶液容器1通过流量泵2与流量分配器3连通，溶液容器1中充有可极化的溶液，可被流量泵输送至流量分配器，流量分配器3可调整进入阵列布置喷嘴的溶液压力，其配置有阵列布置的喷嘴101，在流量泵2和流量分配器3的作用下，溶液被推动至流量分配器3上阵列布置的喷嘴101。

管芯模9套装在流量分配器3中，具体地，管芯模9具有对应喷嘴设置的呈阵列布置的多个管芯105，各管芯分别对应插接套装在各喷嘴101中。各管芯和对应的喷嘴101之间存在空隙，以用于溶液流通。

管芯和对应的喷嘴101可以同轴安装，也可以不同轴，管芯和对应的喷嘴101之间存在空隙可以是对称的环形也可以是不对称的环形或其他结构。管芯模在流量分配器喷嘴中的高度和径向偏心位置可调。阵列布置的喷嘴能够在x₁、y₁、z₁三方向移动，以调整位置与待制备焊点的芯片级器件对齐

根据工艺要求，管芯可以是实心管或空心管，即可以在喷嘴101中插入实心管芯102或空心管芯105，并可在空心管芯105中通入气体104或不同于溶液103(溶液I)的溶液106(溶液II)。如图4所示，管芯位于喷嘴喷口端的一端端部为尖状或圆角或为其他形状。

器件固定板6位于阵列布置的喷嘴101的喷射下方，同时与振动发生器7相连，并被振动发生器7带动沿着z₂方向发生快速振动。

高压发生器4的电极之一与流量分配器3上的阵列布置的喷嘴101相连，另一电极与底板8相连，两者之间形成电场。溶液在电场作用下形成喷点或丝，直接在芯片级器件上形成液态焊点。在需要情况下通过振动发生器7在z₂方向运动拉断喷丝，留在器件上的溶液经过固化后形成焊点。

流量分配器上喷嘴与底板之间的垂直距离可根据所要求制备的焊点工艺参数进行设定。高压发生器在喷嘴与底板之间所施加的电压可根据所要求制备的焊点工艺参数进行设定。在制备空心焊点时，所述管芯模的管芯内可通入气体，且气体气压应可根据要求制备的焊点工艺参数进行设定。流量分配器上喷嘴的内径应根据所要求制备的焊点工艺参数进行设定，阵列布置的管芯与阵列布置的喷嘴配套使用，相应的喷嘴的内径变化时管芯直径也对应变化。

CCD视觉系统5可固定在阵列布置的喷嘴101上，通过定位承载器件或器件本身上的定位标识（如十字标记）精密对位器件焊点与喷嘴的位置。

器件在制作焊点过程中需要通过除静电装置10去除器件上的静电，消除器件上静电对溶液喷射的影响。

采用喷点方法制备焊点时，喷印完成之后，把阵列布置的喷嘴移开，移入一块可施加电压的平板电极11，则在二次电流变作用下可使喷印的焊点进一步变高、变小，并出现凸尖顶部。

如图3所示，管芯模9包括管芯模x方向微型马达901，管芯902，微型直线传动机构903，管芯模y方向微型马达904，管芯模z方向微型马达905，阵列布置的管芯902可在三套微型马达和直线传动机构的作用下可沿着x₃、y₃、z₃三个方向直线移动，从而实现管芯与喷嘴在径向和轴向上的相对移动，从而可以调节两者之间的缝隙大小实现流量调节，进一步调整焊点的尺寸，或调节管芯与喷嘴喷口的相对位置实现焊点形状的变化。

按照本发明实施例的芯片级器件焊点的制备方法，具体流程如下：

首先利用微型马达调整好管芯与喷嘴在x₃、y₃和z₃三方向的位置；

开启并调整高压发生器的输出电压，启动流量泵，将溶液容器内的溶液输送至流量分配器，在电场的作用下，溶液可从喷嘴尖端被拉出；

在CCD视觉系统辅助定位下，阵列布置的喷嘴在x₁、y₁、z₁方向移动，将溶液以喷点或丝的形式喷射在器件上的焊点位置；

振动发生器沿着z₂方向运动，用于拉断喷嘴喷出的喷丝，同时可使喷丝或喷点在器件上形成一定高度的焊点；

待焊点固化后，通过视觉系统检测焊点的质量，并为下一批次焊点的制备提供参数调整的参考。完毕后，如此不断循环往复。

若需要如图5e所示带凸尖顶部的焊点，需要使用一块平板电极，在焊点喷印、固化之前，移开阵列喷嘴后给平板电极通电，依靠二次电流变原理，使液体焊点再次被电场作用而拉出凸尖顶部，此时固化出来的焊点将保持具有尖刺特征的顶部。此类尖顶焊点可用于芯片级器件在封装过程中刺破焊接对象表面的氧化层，获得可靠的电气物理互连。焊点的凸尖顶部的尖锐程度和拔高尺寸可通过调整平板电极的电压或振动发生器在z₂方向的运动参数获得。

本发明的装置和方法可制作芯片级器件上所需的微米级尺寸的焊点，比传统喷印方法分辨率高1-2个数量级，且适合高粘度的溶液。

本领域技术人员知道，以上说明若涉及具体的实例，仅仅用以解释本发明，并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种面向芯片级器件的焊点制备装置，其利用电流体喷印在器件表面制备出微米级焊点，其特征在于，该装置具体包括：

溶液容器(1)，用于提供制备焊点的焊料溶液；

流量分配器(3)，其上设置有阵列布置的多个喷嘴(101)，其与所述溶液容器(1)连通，焊料溶液通过所述喷嘴(101)喷出；

器件固定板(6)，其通过一底板(8)固定在喷嘴(101)下方，其上平铺有待制备焊点的器件，且该器件固定板(6)与所述喷嘴通过高压发生器(4)相连，使得在两者之间形成高压电场；以及

与器件固定板(6)连接的振动发生器(7)，其用于带动所述器件固定板(6)沿一定方向振动，以拉断喷丝形成焊点；

其特征在于，该装置中还包括管芯模(9)，其包括呈阵列布置的多个管芯(102、105)，且所述各管芯(102、105)一一对应配合插装在所述喷嘴(101)中，从而在各喷嘴(101)和管芯(102、105)之间的空隙内形成容纳焊料溶液的空间，在所述电场的作用下，焊料溶液通过该喷嘴(101)中的该空间进行流量分配后喷出形成喷点或喷丝，并滴落于器件表面，从而形成焊点。

2.根据权利要求1所述的一种面向芯片级器件的焊点制备装置，其特征在于，所述各管芯(102、105)与对应的喷嘴(101)中心轴线重合或不重合，两者在径向上的相对位置可调，从而可调节各管芯(102、105)与对应的喷嘴(101)之间的空隙，作为流量分配路径，从而调整从喷嘴(101)喷出的喷丝速度和流量。

3.根据权利要求1或2所述的一种面向芯片级器件的焊点制备装置，其特征在于，所述管芯为实心杆(102)或空心管(105)，其位于喷嘴(101)喷口端的端部为尖状或圆角，管芯(102、105)在喷嘴内轴向可调，使得管芯(102、105)端部与喷嘴(101)喷口端部相对位置可变，从而使得喷出的溶液形成不同形状的焊点。

4.根据权利要求3所述的一种面向芯片级器件的焊点制备装置，其特征在于，所述管芯(102、105)凸出于对应的喷嘴(101)喷口外或位于喷口内。

5.根据权利要求3所述的一种面向芯片级器件的焊点制备装置，其特征在于，所述管芯(102、105)为空心管，其管体内可通入气体或注入另一种焊料溶液并可通过对应的喷嘴(101)喷出，从而形成空心焊点或形成由多种焊料形成的焊点。

6.根据权利要求4所述的一种面向芯片级器件的焊点制备装置，其特征在于，所述管芯(102、105)为空心管，其管体内可通入气体或注入另一种焊料溶液并可通过对应的喷嘴(101)喷出，从而形成空心焊点或形成由多种焊料形成的焊点。

7.根据权利要求1、2、4-6中任一项所述的一种面向芯片级器件的焊点制备装置，其特征在于，所述装置还包括平板电极(11)，其在喷印完成后设置在器件固定板(6)上方，从而在二者之间形成电场，以用于对喷印后的焊点进行拉形，并形成凸尖顶部。

8.根据权利要求3所述的一种面向芯片级器件的焊点制备装置，其特征在于，所述装置还包括平板电极(11)，其在喷印完成后设置在器件固定板(6)上方，从而在二者之间形成电场，以用于对喷印后的焊点进行拉形，并形成凸尖顶部。

9.根据权利要求1、2、4-6和8中任一项所述的一种面向芯片级器件的焊点制备装置，其特征在于，所述装置还包括设置在喷嘴上的CCD视觉系统(5)，用于精密定位喷嘴与焊点位置。

10.根据权利要求1、2、4-6和8中任一项所述的一种面向芯片级器件的焊点制备装置，其特征在于，所述装置还包括除静电装置(10)，其用于去除待制备焊点的器件上的静电，以消除器件上静电对溶液喷射的影响。

11.一种应用上述权利要求1-10中任一项所述的面向芯片级器件的焊点制备装置进行焊点制备的方法，其包括：

溶液容器(1)内的溶液输送至各喷嘴，在电场的作用下，溶液从喷嘴(101)尖端经上述管芯模(9)进行流量分配后被拉出；

移动阵列布置的喷嘴(101)和管芯模(9)，将溶液以喷点或丝的形式喷射在器件上的焊点位置；

通过振动发生器(7)拉断喷嘴喷出的喷丝，使喷丝或喷点在器件上形成一定高度的焊点。