CN107734959A - 一种用于银焊膏连接的表面贴装装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉一种用于银焊膏连接的表面贴装装置及方法,包括光学调整机架及固定在机架上的视觉对中系统;所述视觉对中系统下方的底盘上设置有精密移动平台;所述精密移动平台在水平面沿X、Y轴方向上分别设置有高精度微分头;所述精密移动平台上设置试样台;所述试样台正上方设置真空吸嘴,真空吸嘴上方通过密封管路可与真空泵相连,真空吸嘴和位移调节旋钮都固定在光学调整机架上;光学调整机架固定在底盘上。本发明装置通过多轴协调工作,结合视觉对中系统,可实现高精度地将芯片贴装于基板上印刷焊膏的位置;且真空吸嘴可实现高真空。所以适于各种大小、形状的芯片。结构合理,操作简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于银焊膏连接的表面贴装装置及方法,具体涉及一种为利用银焊膏实现芯片与基板互连过程中,降低银焊膏连接层空洞率,进而提高银焊膏连接可靠性的表面贴装装置及方法。
背景技术
芯片互连材料在电子元器件工作中通常起电/热导通、物理保护及机械支撑等作用,是大功率集成电路的重要组成部分。而随着第三代半导体材料的发展,传统的低熔点钎料合金已不能满足大功率电子元器件的高温应用。低温烧结银焊膏,作为一种新型焊料替代合金,具有较高的连接强度,以及优于无铅焊料和导电胶3-5倍的电、热导率。此外,具有多孔微观结构的烧结银表现出相对低的弹性模量(约9GPa),可用于减轻由于热膨胀系数不匹配产生的热-机械应力。同时较高的熔点使得烧结银接头表现出优秀的耐高温蠕变能力。这些使得银焊膏成为电子封装领域的研究热点。
钎料通常是在高于其熔点的工艺温度下,熔化润湿基板实现冶金粘接。而银焊膏是纳/微米级银颗粒与有机物组成的混合物,借助于低尺寸效应,在远低于块状银熔点下,通过原子间扩散实现固相烧结。烧结初期,颗粒间的颈联可导致颗粒间距离减小,颗粒间的气孔连通。随着致密化过程的进行,晶粒长大,气孔相互独立,但烧结层实为致密度要小于块状银的多孔结构。
当银焊膏应用于芯片互连时,在丝网印刷和贴装芯片的过程中,空气不可避免地残留在焊膏层中,通过在贴装芯片的过程中施加一定的压力可排除部分空气。但由于银焊膏在挤压过程中不易变形,致使一定量的空气困在焊膏层中,形成气泡或空洞,同时增大了颗粒间的孔隙。并且这些空洞或孔隙会随着半导体模块的工作时长而不断增大,而空气的热导率不足焊料的千分之一,不仅将严重影响功率模块的散热性能,同时由于空洞处容易引起应力集中产生微裂纹,降低剪切强度,最终加速模块的失效。为此需要对芯片贴装过程进行优化,减小焊膏连接层的空洞率,提高接头的连接质量。
目前常见的表面贴装装置只能实现芯片与基板间的准确安装,及在Z轴方向上对连接层挤压的功能,不能明显降低焊膏层的空洞率。
发明内容
本发明的目的是需要发明新的表面贴装装置和方法,优化贴装工艺,通过提高焊膏层的变形程度和流动性,尽可能排除困在焊膏层中的空气,减小空洞率,从而实现功率芯片和基板的可靠连接。
本发明的技术方案如下:
一种用于银焊膏连接的表面贴装装置,包括光学调整机架(1)及固定在机架(1)上的视觉对中系统(2);所述视觉对中系统(2)下方的底盘(3)上设置有精密移动平台(4);所述精密移动平台(4)在水平面沿X、Y轴方向上分别设置有高精度微分头(5);所述精密移动平台(4)上设置试样台(6);所述试样台(6)正上方设置真空吸嘴(7),真空吸嘴(7)上方通过密封管路(8)可与真空泵相连,真空吸嘴(7)和位移调节旋钮(9)都固定在光学调整机架(1)上;光学调整机架(1)固定在底盘(3)上。
所述光学调整机架(1)上装有视觉对中系统(2),可观察X、Y和Z轴的移动过程,对芯片和基板进行精确定位。
所述精密移动平台(4)在水平面沿X、Y轴方向上分别设有高精度微分头(5),移动量为0-50mm,移动精量为0.01mm,采用硬质合金测量面,非旋转心轴快速进给,可实现精细调整和定位;通过旋转微调钮,可实现基板在水平面的精密移动,重复定位精度高,进一步探索芯片与基板间最佳的相对位移量。
所述精密移动平台(4)上设有试样台(6),可用来放置待贴装芯片和基板。
所述试样台(6)正上方为真空吸嘴(7),通过密封管路(8)可与外部真空泵相连,通过打开真空泵,真空吸嘴(7)可将芯片吸附于吸嘴表面,真空吸嘴(7)真空度不小于500mmHg,可保证拾起不同尺寸和形状的元器件。
所述真空吸嘴(7)为聚胺脂橡胶材质,可减小拾取和施压过程中对芯片表面的冲击力和磨损,且真空吸嘴(7)内部装有压力传感器,可在释放元器件的同时施加反向作用力,实现芯片的软着陆。
所述底盘(3)上固定有光学调整机架(1),通过调节光学调整机架(1)上的位移调节旋钮(9),可控制真空吸嘴(7)在Z轴方向的移动,进一步控制芯片的位置。
本发明的一种用于银焊膏连接的表面贴装方法,首先,通过丝网印刷或点胶工艺,将银焊膏均匀印刷至基板表面,然后将涂有焊膏的基板和待贴装的芯片分别放置在试样台(6)上。调节高精度微分头(5)并结合视觉对中系统(2),使芯片平移至真空吸嘴(7)正下方。通过调节位移调节旋钮(9)使真空吸嘴(7)向下移动与芯片接触,打开真空泵,拾取芯片,并通过调节位移调节旋钮(9)将真空吸嘴(7)和芯片抬起。调节高精度微分头(5)并结合视觉对中系统(2),使凃有焊膏的基板平移至拾取芯片的正下方。调节位移调节旋钮(9),关闭真空泵,使芯片落下并与焊膏接触。缓慢调节位移调节旋钮(9),使真空吸嘴(7)向下移动并对芯片施加压力,直至焊膏在芯片四周刚好溢出,此时停止调节位移调节旋钮(9)。旋转高精度微分头(5)上的微调钮,使试样台(6)带动基板在水平面上沿X、Y轴方向做往复直线运动。调节位移调节旋钮(9)使真空吸嘴(7)抬起,得到芯片-焊膏层-基板的三明治结构。
本发明的效果如下:
(1)装置通过多轴协调工作,结合视觉对中系统,可实现高精度地将芯片贴装于基板上印刷焊膏的位置;且真空吸嘴可实现高真空。所以适于各种大小、形状的芯片。结构合理,操作简单。
(2)本装置采用不锈钢机架,刚性好、平稳,结构紧凑,整体美观牢固。
(3)装置在表面贴装过程中,真空吸嘴将芯片贴装至印刷焊膏层上以后,通过调节微分头上的微调钮,使基板在水平面上前后左右轻微平移,与芯片间产生相对位移量,均匀搅拌焊膏,增加焊膏流动性,促进焊膏层气泡逸出,并与芯片充分润湿,控制精准。
(4)当基板在X、Y轴方向移动距离为±500μm时,接头的空洞率最少,力学和热学性能最好。
附图说明
图1为发明装置的外观结构示意图。
图2为不同安装工艺下焊膏层的X-ray形貌图。
图3为不同安装工艺下接头的强度和热阻。
具体实施方式
如图1所示,本发明用于银焊膏连接的表面贴装装置的操作过程如下:
首先,将银焊膏通过丝网印刷工艺均匀印刷至基板表面。然后将涂有焊膏的基板和待贴装的芯片放置在试样台(6)上,通过视觉对中系统(2)确保试样在合理的视野范围内。调节高精度微分头(5)并结合视觉对中系统(2),使芯片平移至真空吸嘴(7)正下方,通过调节位移调节旋钮(9)使真空吸嘴(7)落下与芯片接触,打开真空泵,拾取芯片,并通过调节位移调节旋钮(9)将芯片拾起。调节高精度微分头(5)并结合视觉对中系统(2),使基板的焊膏印刷位置平移至拾取芯片的正下方。调节位移调节旋钮(9),关闭真空泵,使芯片落下并与焊膏接触。缓慢调节位移调节旋钮(9),利用真空吸嘴(7)对芯片施加压力,直至焊膏在芯片四周刚好溢出,此时停止调节位移调节旋钮(9)。旋转高精度微分头(5)上的微调钮,使试样台(6)带动基板在水平面上沿X、Y轴方向做往复直线运动。调节位移调节旋钮(9)使真空吸嘴(7)抬起,得到芯片-焊膏层-基板的三明治结构。
所述精密移动平台(4)在水平面沿X、Y轴方向上分别设有高精度微分头(5),移动量为0-50mm,移动精量为0.01mm,采用硬质合金测量面,非旋转心轴快速进给,可实现精细调整和定位;通过旋转微调钮,可实现基板在水平面的精密移动,重复定位精度高,进一步探索芯片与基板间最佳的相对位移量。
所述精密移动平台(4)上设有试样台(6),可用来放置待贴装芯片和基板。
所述试样台(6)正上方为真空吸嘴(7),通过密封管路(8)可与外部真空泵相连,通过打开真空泵,真空吸嘴(7)可将芯片吸附于吸嘴表面,真空吸嘴(7)真空度不小于500mmHg,可保证拾起不同尺寸和形状的元器件。
所述真空吸嘴(7)为聚胺脂橡胶材质,可减小拾取和施压过程中对芯片表面的冲击力和磨损,且真空吸嘴(7)内部装有压力传感器,可在释放元器件的同时施加反向作用力,实现芯片的软着陆。
所述底盘(3)上固定有光学调整机架(1),通过调节光学调整机架(1)上的位移调节旋钮(9),可控制真空吸嘴(7)在Z轴方向的移动,进一步控制芯片的位置。
实施例
1、制样:通过丝网印刷,将银焊膏均匀印刷至基板表面,保证表面平整光滑。
2、放样:将涂有焊膏的基板和待贴装的芯片分别放置在试样台(6)上,并通过光学显微镜(2)确保试样在合理的视野范围内。
3、拾取:调节高精度微分头(5)并结合视觉对中系统(2),使芯片平移至真空吸嘴(7)正下方,通过调节位移调节旋钮(9)使真空吸嘴(7)落下与芯片接触,打开真空泵,拾取芯片,并通过调节位移调节旋钮(9)将芯片拾起。
3、定位:调节高精度微分头(5)并结合视觉对中系统(2),使基板的焊膏印刷位置平移至拾取芯片的正下方。
4、放置:调节位移调节旋钮(9),关闭真空泵,使芯片落下并与焊膏接触。
5、施压:缓慢调节位移调节旋钮(9),利用真空吸嘴(7)对芯片施加压力,直至焊膏在芯片四周刚好溢出,此时停止调节位移调节旋钮(9)。
6、搅拌:旋转高精度微分头(5)上的微调钮,使试样台(6)带动基板在水平面上沿X、Y轴方向做往复直线运动,与芯片间产生相对位移。
7、完成:调节位移调节旋钮(9)使真空吸嘴(7)抬起,得到芯片-焊膏层-基板的三明治结构。
按照上述实施方式,通过基板与芯片间产生相对位移,来优化表面贴装工艺,进一步提高的焊膏的流动性。如图2、3所示,相对与只有施压的优化前的安装工艺,采用优化后的安装工艺,接头的空洞率明显降低,力学和热学性能明显提高;且接头的平均剪切强度都大于45MPa,完全可以满足电力电子领域的力学性能要求。并且当基板在X、Y轴方向移动距离为±500μm时,接头的空洞率最少,力学和热学性能最好。
以上只是对本发明进行了示例性说明,本发明的具体实现方式并不局限于此。任何采用本发明的构思和技术方案进行的非实质性修改,均在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于银焊膏连接的表面贴装装置,包括光学调整机架(1)及固定在机架(1)上的视觉对中系统(2);所述视觉对中系统(2)下方的底盘(3)上设置有精密移动平台(4);所述精密移动平台(4)在水平面沿X、Y轴方向上分别设置有高精度微分头(5);所述精密移动平台(4)上设置试样台(6);所述试样台(6)正上方设置真空吸嘴(7),真空吸嘴(7)上方通过密封管路(8)可与真空泵相连,真空吸嘴(7)和位移调节旋钮(9)都固定在光学调整机架(1)上;光学调整机架(1)固定在底盘(3)上。
2.如权利要求1所述的装置,其特征是所述精密移动平台(4)在水平面沿X、Y轴方向上分别设有高精度微分头(5),移动量为0-50mm,移动精量为0.01mm。
3.如权利要求1所述的装置,其特征是所述精密移动平台(4)上的试样台(6),是放置待贴装芯片和基板。
4.如权利要求1所述的装置,其特征是所述真空吸嘴(7)将芯片吸附于吸嘴表面,真空吸嘴(7)真空度不小于500mmHg。
5.如权利要求1所述的装置,其特征是所述真空吸嘴(7)内部装有压力传感器,在释放元器件的同时施加反向作用力,实现芯片的软着陆。
6.如权利要求1所述的装置,其特征是所述底盘(3)上固定有光学调整机架(1),通过调节光学调整机架(1)上的位移调节旋钮(9),控制真空吸嘴(7)在Z轴方向的移动,进一步控制芯片的位置。
7.采用权利要求1的装置进行银焊膏连接的表面贴装方法;其特征是:首先,通过丝网印刷或点胶工艺,将银焊膏均匀印刷至基板表面,然后将涂有焊膏的基板和待贴装的芯片分别放置在试样台(6)上;调节高精度微分头(5)并结合视觉对中系统(2),使芯片平移至真空吸嘴(7)正下方;通过调节位移调节旋钮(9)使真空吸嘴(7)向下移动与芯片接触,打开真空泵,拾取芯片,并通过调节位移调节旋钮(9)将真空吸嘴(7)和芯片抬起;调节高精度微分头(5)并结合视觉对中系统(2),使凃有焊膏的基板平移至拾取芯片的正下方;调节位移调节旋钮(9),关闭真空泵,使芯片落下并与焊膏接触;调节位移调节旋钮(9),使真空吸嘴(7)向下移动并对芯片施加压力,直至焊膏在芯片四周刚好溢出,此时停止调节位移调节旋钮(9);旋转高精度微分头(5)上的微调钮,使试样台(6)带动基板在水平面上沿X、Y轴方向做往复直线运动;调节位移调节旋钮(9)使真空吸嘴(7)抬起,得到芯片-焊膏层-基板的三明治结构。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20180223 |
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |