CN104051281B - 超声波振动辅助倒装芯片塑封成型下填充装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种超声波振动辅助倒装芯片塑封成型下填充装置及方法。该装置主要由超声波发生器(11)、超声波换能器(12)、超声振动工具头(2)、加热平台(7)、加热系统(15)、气泵(14)、气缸(13)、三坐标机械手(16)和点胶机组成，其中：超声波发生器把市电转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号，驱动超声波换能器工作；超声波换能器将高频交流电信号转变为超声波振动，变幅杆将机械振动幅值放大后传送到超声工具头；加热平台位于超声振动工具头正下方，并与加热系统相连，开启加热系统后，加热平台便会升温，从而对基板和芯片加热。该方法包括预热、点胶和填缝、封胶固化步骤。本发明具有成本低，工序简单，生产效率高等优点。

Description

超声波振动辅助倒装芯片塑封成型下填充装置及方法

技术领域

本发明涉及一种倒装芯片塑封成型工艺，具体涉及一种超声波振动辅助倒装芯片塑封成型下填充装置及方法。

背景技术

倒装芯片具有高的I/O密度、短的互联通路、低的电路寄生以及优异的散热性性能，广泛应用于计算机、无线通信、网络、电信/数据、汽车电子和消费类等领域，已经成为目前低成本的高密度封装的关键技术。

随着高密度倒装芯片生产工艺的发展，硅芯片尺寸越来越大(30×30mm²)，焊点密度越来越高(5000焊点)，焊点间距越来越小(可达50微米)，装配焊合后缝隙高度越来越小(可至30微米)，但是目前倒装芯片的填缝过程主要靠毛细作用驱动，这类传统的下填充生产工艺遇到了很大难题：在成型方面，毛细驱动力力不从心和固化过程复杂缓慢；在成性方面，由于润湿不足导致封胶壁面粘结强度变差，由于填料非均匀分布导致封胶层性能下降。这种传统的下填充工艺，难以使生产的倒装芯片满足实际生产中的性能要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种超声波振动辅助倒装芯片塑封成型下填充装置及方法，用于加快封胶流动，提高固化速度，使填料分布均匀，提高封胶与壁面粘结强度。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的超声波振动辅助下填充倒装芯片塑封成型装置，其主要由超声波发生器、超声波换能器、超声振动工具头、加热平台、加热系统、气泵、气缸、点胶机、三坐标机械手组成，其中：超声波发生器把市电转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号，驱动超声波换能器工作；超声波换能器将高频交流电信号转变为超声波振动，变幅杆将机械振动幅值放大后传送到超声工具头；加热平台位于超声振动工具头正下方，并与加热系统相连，开启加热系统后，加热平台便会升温，从而对基板和芯片加热。

所述超声波发生器与超声波换能器相连，超声波换能器与变幅杆的上端通过螺丝连接，变幅杆的下端与螺纹孔螺纹连接，且螺纹孔在超声振动工具头的上端，超声振动工具头的下端与基板接触部分尺寸为40mm×3mm。

3.根据权利要求1所述的超声波振动辅助下填充倒装芯片塑封成型装置，其特征在于所述变幅杆为纵振式圆锥变幅杆，主要材质为45号钢，用于对换能器的输出振幅进行放大，调整换能器与超声波工具头之间的负载匹配，减小谐振阻抗。

所述气缸通过管道与气泵相连，用于储存气体并通过气体对气缸活塞做功实现超声振动工具头的上下移动。

所述加热系统与加热平台相连，用于实现对加热平台的加热；该加热系统采用电阻加热方式，主要由电阻丝、控制系统、热电偶等部分组成，其中电阻丝是主要的发热元件，布置在加热台中间的孔道中；控制系统用于控制设定温度；热电偶直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，反馈给控制系统。

所述三坐标机械手装在实验台面上，其主要由手部、导轨、驱动机构和可编程模块组成，其中：手部用于夹持涂胶针头，通过可编程模块设置运动路径之后，驱动机构驱动手部沿导轨运动，从而实现针头的三坐标移动。

本发明提供的超声波振动辅助倒装芯片塑封成型下填充方法，是利用上述超声波振动辅助倒装芯片塑封成型装置实现的，其步骤包括：

1)夹持基板：

将完成回流焊后清洗干燥的基板和芯片放在加热平台上，调节夹具位置使之夹住基板，调整夹具螺钉位置以控制夹具的夹紧力，使基板固定；

2)预热：

设定加热平台预热温度，启动加热系统给基板和芯片预热，预热温度为50℃；

3)设置预压紧力：

调节气缸压力，使超声波振动工具头向下水平方向贴紧基板，设定该工具头预压紧力为0.2MPa；

4)点胶和填缝：

启动点胶机进行点胶：点胶机沿左侧边+Y方向运动，速度为1cm/s，吐胶量为0.2mL/s，行程为28mm，点胶机沿+Y方向走完一个来回完成一次点胶过程，

点胶完成后，开启超声振动工具头，使超声波诱导封胶流动，超声波频率为20kHz，超声振动工具头输出振幅为6×10^-6m，设定超声波周期为工作5s，间隔1s，直到封胶完全流进缝隙，这样即完成一次填缝过程，

如果需要多次点胶，待上次点胶完成之后先关闭超声振动工具头，重复以上操作，直到填满缝隙；

5)封胶固化：

填缝完成后，启动加热系统，将加热平台升温至固化温度180℃进行固化，固化时间设定为30min；达到固化温度后，保持超声振动工具头工作辅助固化，设定超声波周期为开启5s，间隔3s，直到固化过程结束，这样即通过超声波振动辅助完成倒装芯片下填充塑封成型。

本发明与现有技术相比具有以下的主要的优点：

本发明在倒装芯片下填充成型过程中，将超声波振动加载到倒装芯片基板上，在超声波的作用下完成倒装芯片的下填充塑封成型。外加超声波振动应用到下填充工艺中主要具有以下两大优点：

1)在成型方面：加快封胶的流动，解决毛细驱动力力不从心的问题；同时加快封胶固化过程，提高生产效率；

2)在成性方面：促进填料分布均匀，提高封胶层性能；同时提高封胶润湿能力，增强封胶壁面粘结强度。因此超声波振动辅助下填充倒装芯片塑封成型工艺能够有效解决目前倒装芯片工艺在成型和成性方面的不足，且成本低廉，工序简单，有利于推广应用。

附图说明

图1为本发明成型设备的立体结构示意图。

图2为图1中D向放大视图。

图3为超声工作台立体结构示意图。

图4为超声工作台原理图。

图5为点胶初始时刻俯视图。

图6为图5中A向放大视图。

图7为超声波加载时刻俯视图。

图8为超声振动工具头振动图线。

图9为填缝完成后超声工作台半剖视图；

图10为图9中G向放大视图。

图中：1.螺纹孔；2.超声振动工具头；3.涂胶针头；4.下填充封胶；5.夹具；6.夹具螺钉；7.加热平台；8.芯片；9.焊点；10.基板；11.超声波发生器；12.超声波换能器；13.气缸；14.气泵；15.加热系统；16.三坐标机械手；17.实验台面；18.气缸活塞；19.变幅杆；20.圆柱导轨。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐述本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

本发明提供的超声波振动辅助倒装芯片塑封成型设备，其结构如图1至图4所示，主要由超声波发生器11、超声波换能器12、超声振动工具头2、加热平台7、加热系统15、气泵14、气缸13、点胶机、三坐标机械手16等部分组成，其中：超声波发生器11把市电转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号，驱动超声波换能器12工作；超声波换能器12将高频交流电信号转变为超声波振动，变幅杆19将机械振动幅值放大后传送到超声工具头2；加热平台7位于超声振动工具头2正下方，并与加热系统15相连，开启加热系统15后，加热平台7便会升温，从而对基板10和芯片8加热。

所述超声工具头2采用航空系列铝合金，其下端与基板接触部分尺寸为40mm×3mm。所述超声工具头2上端设有螺纹孔1，该螺纹孔与变幅杆19的下端螺纹连接，变幅杆19的另一端与超声波换能器12相连。

所述下填充封胶4动力学粘度1～5Pa·s。

所述实验台面17装在水平桌面上，桌面保持水平，表面平整，且稳定可靠。

所述变幅杆19为纵振圆锥式变幅杆，主要材质为45号钢制成，主要用于将机械振动的质点位移或速度放大，并将超声能量集中在较小的面积上，同时用于调整换能器与超声波工具头之间的负载匹配，减小谐振阻抗。

所述超声波发生器11为现有设备，其可以采用鸿志HZ-20K超声波焊接机发生器；

所述超声波换能器12可以采用日华KS-2615超声波换能器。

所述气缸13通过管道与气泵14相连，用于储存一定量的气体并通过气体对气缸活塞18做功实现超声振动工具头2的上下移动，调节气缸13气压值可以改变超声振动工具头2的预压紧力，气缸13下部通过气缸活塞18密封，气缸活塞18通过圆柱导轨20与超声振动工具头2连接，当需要下压超声振动工具头2时，闭合开关，气缸13中气体对气缸活塞18做功，并通过圆柱导轨20将能量传递给超声振动工具头2，使之向下移动，可以通过调节限位螺母位置改变超声振动工具头2的下移量；当需要上移超声振动工具头2时，断开开关，气缸13中气体对气缸活塞18做负功，超声振动工具头2跟随气缸活塞18上移到初始位置。

所述圆柱导轨20，主要材质为铝镁合金。

所述气泵14在启动后进行泵气，并将所泵气体压缩，使气体压强达到设定压强值，当压强低于设定值后，气泵14会自动泵气，使压强回升到设定值。

所述加热系统15与加热平台7相连，用于实现对加热平台7的加热。该加热系统采用电阻加热方式，主要由电阻丝、控制系统、热电偶等部分组成，其中电阻丝是主要的发热元件，布置在加热台中间的孔道中；控制系统用于控制设定温度；热电偶直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，反馈给控制系统。

所述点胶机为现有设备，其主要用于控制出胶速率。点胶机通过软管将压缩空气送入胶瓶(注射器)，通过调节压强值使胶流以特定速度流出，同时点胶机具有自动回吸作用，从而防止滴漏。

所述三坐标机械手16装在实验台面上，其主要由手部、导轨、驱动机构和可编程模块组成。手部用于夹持涂胶针头，通过可编程模块设置运动路径之后，驱动机构驱动手部沿导轨运动，从而实现针头的三坐标移动。

本发明提供的超声波振动辅助倒装芯片塑封成型下填充方法，是利用上述超声波振动辅助倒装芯片塑封成型装置实现的，如图5、图6、图7、图9、图10所示，实验前需要接通气泵14、超声波发生器11、加热系统15、三坐标机械手16和点胶机电源，开启超声波发生器11。

本发明方法包括以下步骤：

1.夹持基板：

将完成回流焊后清洗干燥的基板10和芯片8放在加热平台7上，调节与实验台面17相连的夹具5位置使之夹住基板10，调整夹具螺钉6位置以控制夹具5的夹紧力，使基板10固定。所述回流焊后的焊点9的主要成分为Sn-Pb(？)。

2.预热：

设定加热平台7预热温度，可设置成型温度为50℃，启动加热系统15给基板10和芯片8预热。

3.设置预压紧力：

调节气缸13压力，使超声波振动工具头2向下水平方向贴紧基板10，设定该工具头预压紧力为0.2MPa。

4.点胶和填缝：

启动点胶机进行点胶：点胶机沿左侧边+Y方向运动(如图5、图6)，速度为1cm/s，吐胶量为0.2mL/s，行程为28mm，点胶机沿+Y方向走完一个来回完成一次点胶过程。图5、图6中的箭头表示点胶路径，即点胶机运动方向。

点胶完成后即开启超声振动工具头2，使超声波诱导封胶流动(如图7)，超声波频率为20kHz，超声振动工具头2输出振幅为6×10^-6m(如图8)。设定超声波周期为工作5s，间隔1s。直到封胶完全流进缝隙，这样即完成一次填缝过程(如图9、图10)。

如果需要多次点胶，待上次点胶完成之后先关闭超声振动工具头2，重复以上操作，直到填满缝隙。

5.封胶固化：

填缝完成后，启动加热系统，将加热平台7升温至固化温度180℃进行固化，固化时间设定为30min。达到固化温度后，保持超声振动工具头工作辅助固化，设定超声波周期为开启5s，间隔3s，直到固化过程结束，这样即通过超声波振动辅助完成倒装芯片下填充塑封成型。

上述步骤1中，将实验台表面清洗干净，通过水平校准仪将实验台面调节至水平，加热平台7的尺寸为170mm×150mm，调整加热平台7位置使之和超声波振动工具头2垂直，且该工具头处于加热平台的中间位置(图3)，将超声波振动工具头2调节至加热平台上方90mm处。

上述步骤1中，应根据所选基板尺寸选用两侧面夹具尺寸。例如，若加工的基板尺寸为100mm×50mm×1mm，芯片尺寸为50mm×30mm×0.7mm，回流焊后基板与芯片之间的缝隙高度为0.4mm。则两侧面夹具尺寸为170mm×12mm×30mm。

上述步骤2中，可选用成型温度室温～120℃范围。

上述步骤3中，可通过改变气缸内气压值改变超声振动工具头对基板的预压紧力，调节限位螺母位置可以改变超声振动工具头的行程，因此，应根据实验要求确定气缸内气压值和限位螺母位置。

上述步骤4中，所用填胶的胶水可以选用晶丰电子封装材料(武汉)有限公司的TC2002B胶水，使用前应将该胶水放入冰箱，使用时应将该胶水取出于室温下解冻1h。

上述步骤4中，选用直径为1mm的涂胶针头，操作三坐标机械手16的可编程模块，确定点胶机的涂胶路径为左侧面+Y方向，移动速率为1cm/s，沿+Y方向移动一个来回完成一次点胶；设置点胶机吐胶量为0.2mL/s，并控制点胶机的涂胶针头3移动到芯片8左下角初始点胶位置(如图5、图6)。

上述步骤5中，可以设置固化温度范围为150～250℃。

上述技术参数可以根据实际情况而变化。

Claims (8)

1.一种超声波振动辅助倒装芯片塑封成型下填充装置，其特征在于主要由超声波发生器(11)、超声波换能器(12)、超声振动工具头(2)、加热平台(7)、加热系统(15)、气泵(14)、气缸(13)、点胶机、三坐标机械手(16)和变幅杆(19)组成，其中：超声波发生器(11)与超声波换能器(12)相连，超声波发生器(11)把市电转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号，驱动超声波换能器(12)工作；超声波换能器(12)将高频交流电信号转变为超声波振动，与超声波换能器(12)相连的变幅杆(19)将机械振动幅值放大后传送到超声工具头(2)；加热平台(7)位于超声振动工具头(2)正下方，并与加热系统(15)相连，开启加热系统(15)后，加热平台(7)便会升温，从而对基板(10)和芯片(8)加热；气缸(13)通过管道与气泵(14)相连，三坐标机械手(16)装在实验台面上。

2.根据权利要求1所述的超声波振动辅助倒装芯片塑封成型下填充装置，其特征在于所述的超声波换能器(12)与变幅杆(19)的上端通过螺丝连接，变幅杆(19)的下端与螺纹孔(1)螺纹连接，且螺纹孔在超声振动工具头(2)的上端。

3.根据权利要求2所述的超声波振动辅助倒装芯片塑封成型下填充装置，其特征在于所述超声振动工具头的下端与基板接触部分尺寸为40mm×3mm。

4.根据权利要求1所述的超声波振动辅助下填充倒装芯片塑封成型装置，其特征在于所述变幅杆(19)为纵振圆锥形变幅杆，用于对超声波换能器(12)的输出振幅进行放大，调整该换能器与超声波工具头之间的负载匹配，减小谐振阻抗。

5.根据权利要求1所述的超声波振动辅助倒装芯片塑封成型下填充装置，其特征在于所述的气缸(13)用于储存气体并通过气体对气缸活塞(18)做功，实现超声振动工具头(2)的上下移动。

6.根据权利要求1所述的超声波振动辅助下填充倒装芯片塑封成型装置，其特征在于所述加热系统(15)与加热平台(7)相连，用于实现对加热平台(7)的加热；该加热系统采用电阻加热方式，主要由电阻丝、控制系统、热电偶部分组成，其中电阻丝是主要的发热元件，布置在加热台中间的孔道中；控制系统用于控制设定温度；热电偶直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，反馈给控制系统。

7.根据权利要求1所述的超声波振动辅助倒装芯片塑封成型下填充装置置，其特征在于所述的三坐标机械手(16)主要由手部、导轨、驱动机构和可编程模块组成，其中：手部用于夹持涂胶针头，通过可编程模块设置运动路径之后，驱动机构驱动手部沿导轨运动，从而实现针头的三坐标移动。

8.一种超声波振动辅助倒装芯片塑封成型下填充方法，其特征在于该方法是利用权利要求1至7中任一权利要求所述超声波振动辅助倒装芯片塑封成型下填充装置实现的，其步骤包括：

1)夹持基板：

将完成回流焊后清洗干燥的基板(10)和芯片(8)放在加热平台(7)上，调节夹具(5)位置使之夹住基板(10)，调整夹具螺钉位置以控制夹具(5)的夹紧力，使基板(10)固定；

2)预热：

设定加热平台(7)预热温度，启动加热系统(15)给基板(10)和芯片(8)预热，预热温度为50℃；

3)设置预压紧力：

调节气缸(13)压力，使超声波振动工具头(2)向下水平方向贴紧基板(10)，设定该工具头预压紧力为0.2MPa；

4)点胶和填缝：

启动点胶机进行点胶：点胶机沿左侧边+Y方向运动，速度为1cm/s，吐胶量为0.2mL/s，行程为28mm，点胶机沿+Y方向走完一个来回完成一次点胶过程，

点胶完成后，开启超声振动工具头(2)，使超声波诱导封胶流动，超声波频率为20kHz，超声振动工具头(2)输出振幅为6×10^-6m，设定超声波周期为工作5s，间隔1s，直到封胶完全流进缝隙，这样即完成一次填缝过程，

如果需要多次点胶，待上次点胶完成之后先关闭超声振动工具头(2)，重复以上操作，直到填满缝隙；

5)封胶固化：

填缝完成后，启动加热系统，将加热平台(7)升温至固化温度180℃进行固化，固化时间设定为30min；达到固化温度后，保持超声振动工具头工作辅助固化，设定超声波周期为开启5s，间隔3s，直到固化过程结束，这样即通过超声波振动辅助完成倒装芯片下填充塑封成型。