CN107042346A - 焊球形成装置和焊球形成方法 - Google Patents

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Abstract

一种焊球形成装置和焊球形成方法，所述焊球形成装置包括：载台，所述载台用于放置芯片；控制单元和与所述控制单元连接的三维移动装置，通过所述控制单元控制所述三维移动装置在水平方向和垂直方向移动；喷嘴，所述喷嘴固定于三维移动装置上；焊料源，所述焊料源与所述喷嘴连接，用于向所述喷嘴提供熔融状态的焊料；压力调整单元，所述压力调整单元与所述喷嘴连接，用于调整所述喷嘴内的焊料受到的压力；冷却装置，用于使焊料冷却凝固。采用上述焊球形成装置形成焊球步骤简单，易于操作。

Description

焊球形成装置和焊球形成方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种焊球形成装置和焊球形成方法。
背景技术
随着我国电子产品向高性能、微小型化方向发展，为减小电路模块体积、提高高频特性，会越来越多的用到焊球阵列封装(BGA)、芯片尺寸封装(CSP)、多芯片组件(MCM)、微电子机械(MEMS)和系统级芯片(SOC)等先进器件和组件。所以，凸点芯片倒装焊接技术必将成为芯片互连的主流工艺技术。
与传统的线连接与载带连接相比，倒装芯片技术有明显的优点：封装密度最高；具有良好的电和热性能；可靠性好；成本低。因此倒装芯片是一种能够适应未来电子封装发展要求的技术。凸点芯片倒装焊接技术主要特点是：(1)基板上直接安装芯片：(2)对应的互连位置必须有凸起的焊点-凸点：(3)基板和芯片的焊点成镜像对称；(4)同时实现电气和机械连接。可见，在倒芯片封装过程中，凸点形成是其工艺过程的关键。
现有技术通常采用模板印刷方法形成焊球，通过涂刷器和模板，将焊料涂刷在焊盘上。影响模板印刷工艺质量的因素很多，工艺非常复杂。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种焊球形成装置和形成方法，使得焊球的形成过程简单，易于操作。
为解决上述问题，本发明提供一种焊球形成装置，包括：一种焊球形成装置，其特征在于，包括：载台，所述载台用于放置芯片；控制单元和与所述控制单元连接的三维移动装置，通过所述控制单元控制所述三维移动装置在水平方向和垂直方向移动；喷嘴，所述喷嘴固定于三维移动装置上；焊料源，所述焊料源与所述喷嘴连接，用于向所述喷嘴提供熔融状态的焊料；压力调整单元，所述压力调整单元与所述喷嘴连接，用于调整所述喷嘴内的焊料受到的压力；冷却装置，用于使焊料冷却凝固。
可选的，所述喷嘴材料包括：钨、钨合金、镍、镍合金或陶瓷。
可选的，还包括加热元件，用于对喷嘴进行加热，所述加热元件位于喷嘴外壁。
可选的，所述加热元件为镍铬加热丝。
可选的，所述压力调整单元包括：施压气体源、位于施压气体源与喷嘴之间的调节阀。
可选的，所述施压气体源包括加热装置，用于对所述施压气体进行加热。
可选的，对所述施压气体进行加热的温度为200℃～300℃。
可选的，所述调节阀具有双向气压调节功能，用于调整向所述喷嘴内施加的压力为正压或负压。
可选的，所述调节阀包括与施压气体源和喷嘴连接的流量阀、与喷嘴连接的真空泵。
可选的，所述冷却装置包括冷却气体源和与所述冷却气体源连接的冷却喷头。
可选的，所述冷却喷头固定于三维移动装置上。
可选的，所述冷却气体源是N2源。
为解决上述问题，本发明的实施例还提供一种采用上述焊球形成装置的焊球形成方法，包括：提供上述焊球形成装置；提供待形成焊球的芯片，所述芯片上形成有金属连线和覆盖所述金属连线的具有多个开口的聚合物层，所具开口位于金属连线表面；采集所述芯片上的开口的位置和尺寸信息，并录入控制单元；所述控制单元根据所述开口的位置和尺寸信息，控制三维移动装置移动，使得喷嘴移动至其中一开口上方；焊料源向喷嘴内提供焊料，同时通过压力调整单元向喷嘴内的焊料施加压力，通过喷嘴另一端流出，形成焊料液滴，逐滴进入开口，直至所述焊料液滴填满所述开口并溢出；通过冷却装置对进入开口的焊料进行冷却，使开口内焊料凝固，最终形成焊球；所述控制单元根据所述开口的位置和尺寸信息，继续控制三维移动装置移动，使得喷嘴移动至另一开口上方，并按上述方法，依次在其他开口内形成焊球。
可选的，通过加热元件对喷嘴进行加热，以确保所述焊料在喷嘴内为熔融状态；所述加热元件对喷嘴进行加热的加热温度为200℃～300℃。
可选的，所述三维移动装置在水平方向和垂直方向上移动，其中，在水平方向上的移动速率为10μm/s～300mm/s，在垂直方向上的移动速率为10μm/s～100mm/s。
可选的，在所述三维移动装置移动时，通过压力调整单元使喷嘴内保持负压，避免喷嘴内焊料滴出。
可选的，冷却装置包括冷却气体源和与所述冷却气体源连接的冷却喷头，冷却气体从冷却喷头喷出，对开口内焊料进行冷却；调整所述冷却气体的流速，调整焊料的凝固速率。
可选的，调整所述喷嘴内压力大小，使喷嘴内流出的焊料液滴直径小于开口宽度。
可选的，所述喷嘴与开口底部之间的距离小于开口高度的两倍。
可选的，随着开口内焊料增多，逐渐增加喷嘴与开口底部之间的距离。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
本发明的技术方案提供一种焊球形成装置，所述焊球的形成装置包括控制单元和与所述控制单元连接的三维移动装置，通过所述控制单元控制所述三维移动装置在水平方向和垂直方向移动；喷嘴固定于三维移动装置上，所述焊料源与所述喷嘴连接，用于向所述喷嘴提供熔融状态的焊料；通过压力调整单元对喷嘴内的焊料施加压力，使其流出形成焊料液滴；冷却装置对焊料进行冷却，使其凝固在芯片在形成焊球。该装置可以直接在芯片上形成焊球，不需要进行回流焊等步骤，易于操作。
本发明的技术方案还提供一种采用上述焊球形成装置的焊球形成方法，通过焊料源向喷嘴内提供焊料，同时通过压力调整单元向喷嘴内的焊料施加压力，通过喷嘴另一端流出，形成焊料液滴，逐滴进入芯片上的待形成焊球处的开口，再通过冷却装置对开口内的焊料进行冷却，使其凝固，形成焊球。焊料液滴填充满开口后在顶部自然形成球状，通过冷却形成焊球，不需要进行回流焊等步骤，工艺步骤简单，易于操作。
附图说明
图1是本发明的实施例的焊球形成装置的示意图；
图2是本发明的实施例的焊球形成装置中的喷嘴、压力调整单元以及焊料源的示意图；
图3至图5是本发明的实施例的焊球形成过程的结构示意图。
具体实施方式
如背景技术中所述，现有技术形成焊球的方法工艺非常复杂，焊球的质量较难控制。
本实施例中，提供一种焊球形成装置及采用该装置形成焊球的方法，通过三维(3D)打印的方法形成焊球，方法简单，操作方便。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
请参考图1，为该焊球形成装置的单元结构示意图。
所述焊球形成装置包括：载台100，所述载台100用于放置芯片；控制单元200和与所述控制单元200连接的三维移动装置300，通过所述控制单元200控制所述三维移动装置300的移动；喷嘴500，所述喷嘴500固定于三维移动装置300上；焊料源700，所述焊料源700与所述喷嘴500连接，用于向所述喷嘴500提供熔融状态的焊料；压力调整单元600，所述压力调整单元600与所述喷嘴500连接，用于调整所述喷嘴500内的焊料受到的压力；冷却装置400，用于控制焊料的凝固速率。
所述载台100用于放置待形成焊球的芯片，所述载台100可以是固定高度和位置的，也可以是可升降和水平移动。
控制单元200内包括图形处理单元，能够将输入的图形信息，转变成控制信号，控制所述三维移动装置300的移动。所述图形信息包括待形成芯片上的焊球形成位置的图形。所述控制单元200还可以包括图像采集装置，用于获取芯片上待形成焊球位置的分布图形信息。
三维移动装置300与控制单元200连接，根据控制单元200的控制信号可以在水平面内以及处置方向作3D移动。
喷嘴500固定于三维移动装置300上，通过三维移动装置300的移动可以使所述喷嘴300移动至合适位置。喷嘴300垂直与载台100设置，在形成焊球时，焊料从喷嘴内自上而下滴落。焊料在喷嘴500内为熔融状态，具有较高的温度，为了避免喷嘴500在高温下发生变形等问题，所述喷嘴500的材料为耐高温材料，包括钨、钨合金、镍、镍合金或陶瓷等熔点高于焊料熔点的材料。所述喷嘴500的出口处直径较小，使得焊料从喷嘴内滴落时能够形成直径较小的液滴。
所述喷嘴500与压力调整单元600、焊料源700连接。焊料源700内具有加热装置，用于向喷嘴内提供熔融状态的焊料，而所述压力调整单元600用于调整所述喷嘴500内焊料受到压力，从而调整焊料从喷嘴500下端出口流出的速率。所述焊料可以为锡或铅锡合金。
请参考图2，为本实施例的喷嘴500、压力调整单元600以及焊料源700的示意图。
本实施例中，所述压力调整单元600包括：施压气体源301、位于施压气体源601与喷嘴500之间的调节阀602。
通过向喷嘴500内通入气体对喷嘴内的焊料施加压力，所述施压气体不会与焊料发生反应。本实施例中，所述施压气体源301可以是N2源，在本发明的其他实施例中，所述施压气体还可以是Ar或He等惰性气体。
所述调节阀602用于调节喷嘴500内焊料受到的压力大小。当所述调节阀602关闭时，焊料在喷嘴500内仅受到重力以及喷嘴500壁的阻力，当喷嘴500壁的阻力较大时，焊料将无法从喷嘴500内流出，当喷嘴500壁的阻力较小时，焊料从喷嘴500内缓慢流出；当所述调节阀602开启时，施压气体源301向喷嘴内通入气体，使得喷嘴500内的焊料受到压力，向下流动，从喷嘴500下端滴出。
所述施压气体源601还包括加热装置，用于对所述施压气体进行加热，避免施加气体由于温度较低而导致进入喷嘴500内使得喷嘴500内的焊料凝固，无法从喷嘴500流出。具体的，对施压气体的加热温度可以大于焊料的熔点。在本发明的一个实施例中，所述加热温度可以是200℃～300℃。
本实施例中，所述调节阀602具有双向气压调节功能，用于调整向所述喷嘴500内施加的压力为正压或负压，具体的，所述调节阀602包括与施压气体源602和喷嘴500连接的流量阀、与喷嘴500连接的真空泵。所述流量阀与真空泵交替工作，当流量阀开启时，真空泵关闭，向喷嘴500内通入气体，施加正压力，使焊料流出；当流量阀关闭时，真空泵开启，向喷嘴500内施加负压，避免焊料在重力作用下流出。
本实施例中，为了避免喷嘴500内的焊料在流动过程中凝固，所述焊料形成装置还包括加热元件501。所述加热元件501位于喷嘴500外壁，便于对喷嘴500进行加热。所述加热元件501可以是镍铬加热丝，加热温度为200℃～300℃。
请继续参考图1，所述焊球形成装置还包括冷却装置400，所述冷却装置用于对滴落在芯片上的焊料进形冷却凝固，以形成焊球。本实施例中，所述冷却装置400包括冷却气体源和与所述冷却气体源连接的冷却喷头，通过对芯片上的焊料进行气体吹扫以使其温度下降而凝固，冷却气体的流量越大，焊料凝固速率越快。所述冷却喷头固定于三维移动装置300上，以便与喷嘴500同时移动，及时对滴落在芯片上的焊料液滴进行冷却。
本实施例中，所述冷却气体源是N2源，在本发明的其他实施例中，所述冷却气体还可以是Ar或He等惰性气体。
本发明的实施例，还提供一种采用上述焊球形成装置形成焊球的方法。
请参考图3，提供待形成焊球的芯片10，所述芯片10上形成有金属连线20和覆盖所述金属连线20的具有多个开口31的聚合物层30，所具开口31位于金属连线30表面。部分金属连线20和芯片10表面之间还具有弹性体11。需要在开口31内形成连接金属连线20的焊球。
本实施例中，所述聚合物层30的材料为聚酰亚胺，具有耐高温、高绝缘性能的特点，所述聚合物层30的厚度为0.2mm～0.5mm，所述开口的宽度为0.2mm～0.5mm。
所述开口31的位置及尺寸与具体的芯片相关，采集所述芯片10上的开口31的位置和尺寸信息，并录入焊球形成装置的控制单元200(请参考图1)内，或者直接由所述控制单元200的图像采集装置获取开口的分布图形信息。
请参考图4，芯片10至于载台100(请参考图1)上，所述控制单元200(请参考图1)根据所述开口31的位置和尺寸信息，控制三维移动装置300(请参考图1)移动，使得喷嘴500移动至其中一开口31上方；焊料源700向喷嘴500内提供焊料，同时通过压力调整单元600向喷嘴500内的焊料施加压力，通过喷嘴500另一端流出，形成焊料液滴，逐滴进入开口31，直至所述焊料液滴填满所述开口31并溢出在开口31顶部形成球状，通过冷却装置对进入开口的焊料进行冷却，使开口内焊料凝固，最终形成焊球。
所述三维移动装置300在控制单元200的控制下，可以在水平方向和垂直方向上移动，使得所述喷嘴500和冷却装置400随所述三维移动装置300移动至开口31上方，使得喷嘴500的下端位于开口31正上方。
所述三维移动装置300的移动速率不能过快，以便能够对喷嘴500的位置进行精确调整。本实施例中，所述三维移动装置300在水平方向上的移动速率为10μm/s～300mm/s，在垂直方向上的移动速率为10μm/s～100mm/s。
焊料源700向喷嘴500内提供熔融状态的焊料同时，压力调整单元600向喷嘴500内的焊料施加压力，使焊料通过喷嘴500另一端流出，形成焊料液滴滴入开口31内。本实施例中，所述压力调整单元600包括施压气体源和调节阀，具体的，打开调节阀，使所述施压气体源内的气体进入喷嘴500内，对喷嘴500内的焊料施加压力，所述压力越大，焊料流动速率越快。
当所述喷嘴500的材料为镍、镍合金、钨或钨合金时，喷嘴500的内壁对焊料形成的阻力较小，所述压力调整单元600只需施加较小压力使焊料流出；而所述喷嘴500为陶瓷材料时，喷嘴500的内壁对焊料形成的阻力较大，所述压力调整单元600需要施加较大压力使焊料流出。
本实施例中，所述调节阀包括流量阀和真空泵，可以通过所述流量阀调整进入喷嘴500内的施压气体的流量，从而调整所述施压气体对焊料施加的压力，流量越大，压力越大。并且，调整所述喷嘴500内压力大小，使喷嘴500内流出的焊料液滴直径小于开口31宽度。
本实施例中，还可以通过加热元件501对喷嘴500进行加热，以确保所述焊料在喷嘴500内为熔融状态；所述加热元件501对喷嘴500进行加热的加热温度为200℃～300℃。
所述喷嘴500的下端与开口31底部之间的距离小于开口31高度的两倍，避免由于喷嘴500与开口31底部之间的距离过大，焊料液滴在进入开口31前在空气中暴露时间过长而发生凝固，影响焊料在开口31内的填充质量。随着开口31内焊料增多，可以使三维移动装置300向上移动，逐渐增加喷嘴500与开口31底部之间的距离。
焊料液滴填充满开口31并溢出，在开口31上方形成球形之后，停止向喷嘴500内提供焊料，停止焊料液滴形成，并且采用冷却装置400对开口31及其上方的焊料进行冷却，使其凝固，形成焊球。
本实施例中冷却装置400包括冷却气体源和与所述冷却气体源连接的冷却喷头，冷却气体从冷却喷头喷出，对开口31内焊料进行冷却使其凝固形成焊球。可以通过调整所述冷却气体的流速，调整焊料的凝固速率，流速越快，焊料凝固速率越快。
在芯片10上的一处开口31内形成焊球之后，所述控制单元200根据开口31的位置和尺寸信息，继续控制三维移动装置300移动，使得喷嘴500移动至另一开口31上方，形成焊球，并按上述方法，依次在其他开口31内形成焊球。请参考图5，为在所述开口内均形成焊球后的结构示意图。
在所述三维移动装置300移动时，停止对喷嘴500内输入焊料。本实施例中，还可以三维移动装置300移动时，通过压力调整单元600使喷嘴500内保持负压，避免喷嘴500内焊料滴出。所述压力调整单元600的调节阀包括流量阀和真空泵，关闭流量阀使施压气体无法进入喷嘴500内，同时开启真空泵，抽取喷嘴500内的气体，使喷嘴500内保持负压，从而避免焊料滴出。
上述焊球的形成方法，步骤简单，易于操作。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (20)

1.一种焊球形成装置，其特征在于，包括：
载台，所述载台用于放置芯片；
控制单元和与所述控制单元连接的三维移动装置，通过所述控制单元控制所述三维移动装置在水平方向和垂直方向移动；
喷嘴，所述喷嘴固定于三维移动装置上；
焊料源，所述焊料源与所述喷嘴连接，用于向所述喷嘴提供熔融状态的焊料；
压力调整单元，所述压力调整单元与所述喷嘴连接，用于调整所述喷嘴内的焊料受到的压力；
冷却装置，用于使焊料冷却凝固。
2.根据权利要求1所述的焊球形成装置，其特征在于，所述喷嘴材料包括：钨、钨合金、镍、镍合金或陶瓷。
3.根据权利要求1所述的焊球形成装置，其特征在于，还包括加热元件，用于对喷嘴进行加热，所述加热元件位于喷嘴外壁。
4.根据权利要求3所述的焊球形成装置，其特征在于，所述加热元件为镍铬加热丝。
5.根据权利要求1所述的焊球形成装置，其特征在于，所述压力调整单元包括：施压气体源、位于施压气体源与喷嘴之间的调节阀。
6.根据权利要求5所述的焊球形成装置，其特征在于，所述施压气体源包括加热装置，用于对所述施压气体进行加热。
7.根据权利要求6所述的焊球形成装置，其特征在于，对所述施压气体进行加热的温度为200℃～300℃。
8.根据权利要求5所述的焊球形成装置，其特征在于，所述调节阀具有双向气压调节功能，用于调整向所述喷嘴内施加的压力为正压或负压。
9.根据权利要求5所述的焊球形成装置，其特征在于，所述调节阀包括与施压气体源和喷嘴连接的流量阀、与喷嘴连接的真空泵。
10.根据权利要求1所述的焊球形成装置，其特征在于，所述冷却装置包括冷却气体源和与所述冷却气体源连接的冷却喷头。
11.根据权利要求10所述的焊球形成装置，其特征在于，所述冷却喷头固定于三维移动装置上。
12.根据权利要求10所述的焊球形成装置，其特征在于，所述冷却气体源是N2源。
13.一种焊球形成方法，其特征在于，包括：
提供权利要求1至12任一权利要求所述的焊球形成装置；
提供待形成焊球的芯片，所述芯片上形成有金属连线和覆盖所述金属连线的具有多个开口的聚合物层，所具开口位于金属连线表面；
采集所述芯片上的开口的位置和尺寸信息，并录入控制单元；
所述控制单元根据所述开口的位置和尺寸信息，控制三维移动装置移动，使得喷嘴移动至其中一开口上方；
焊料源向喷嘴内提供焊料，同时通过压力调整单元向喷嘴内的焊料施加压力，通过喷嘴另一端流出，形成焊料液滴，逐滴进入开口，直至所述焊料液滴填满所述开口并溢出；
通过冷却装置对进入开口的焊料进行冷却，使开口内焊料凝固，最终形成焊球；
所述控制单元根据所述开口的位置和尺寸信息，继续控制三维移动装置移动，使得喷嘴移动至另一开口上方，并按上述方法，依次在其他开口内形成焊球。
14.根据权利要求13所述的焊球形成方法，其特征在于，通过加热元件对喷嘴进行加热，以确保所述焊料在喷嘴内为熔融状态；所述加热元件对喷嘴进行加热的加热温度为200℃～300℃。
15.根据权利要求13所述的焊球形成方法，其特征在于，所述三维移动装置在水平方向上的移动速率为10μm/s～300mm/s，在垂直方向上的移动速率为10μm/s～100mm/s。
16.根据权利要求13所述的焊球形成方法，其特征在于，在所述三维移动装置移动时，通过压力调整单元使喷嘴内保持负压，避免喷嘴内焊料滴出。
17.根据权利要求13所述的焊球形成方法，其特征在于，冷却装置包括冷却气体源和与所述冷却气体源连接的冷却喷头，冷却气体从冷却喷头喷出，对开口内焊料进行冷却；调整所述冷却气体的流速，调整焊料的凝固速率。
18.根据权利要求13所述的焊球形成方法，其特征在于，调整所述喷嘴内压力大小，使喷嘴内流出的焊料液滴直径小于开口宽度。
19.根据权利要求13所述的焊球形成方法，其特征在于，所述喷嘴与开口底部之间的距离小于开口高度的两倍。
20.根据权利要求13所述的焊球形成方法，其特征在于，随着开口内焊料增多，逐渐增加喷嘴与开口底部之间的距离。
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