一种植球方法和装置
技术领域
本发明涉及微组装技术领域,特别是涉及一种植球方法和装置。
背景技术
目前的BGA封装技术在植球过程中,采用膏状的锡膏作为植球和金属镀层之间的钎料,采用回流炉进行回流焊。在回流焊过程中锡膏不能够在金属镀层上充分熔化并吸附金属镀层和植球,使得在固化过程中植球和锡膏的结合面不够,导致固化后植球和金属镀层的结合力小,容易在受外力情况下,从金属镀层上脱落。
因此现有的植球工艺中,植球和金属镀层的连接不牢固。
发明内容
基于此,有必要针对上述问题,提供一种植球方法和装置。
一种植球方法包括,所述方法包括:
在植球设备腔室中依次放置待植球体、植球预制板、焊片和植球,其中所述植球预制板中具有至少一个定位孔,所述待植球体表面设有金属镀层,所述金属镀层设置在预留的焊点位置上,所述定位孔与所述金属镀层对齐,所述焊片放置在所述植球预制板的定位孔中,所述植球放置在所述焊片上;
对所述腔室进行抽真空,并且充保护气体,以清除腔室中杂质气体;
在所述腔室中对所述待植球体、所述植球预制板、所述焊片和所述植球进行加热处理,使得所述焊片处于液化状态;
保持所述焊片处于液化状态达到预设时间;
在所述腔室中对所述待植球体、所述植球预制板、所述焊片和所述植球进行冷却处理。
在其中一个实施例中,所述在植球设备腔室中依次放置待植球体、植球预制板、焊片和植球包括:
在植球设备腔室中放置植球装置,其中所述植球装置包括下盖和上盖,所述下盖上设有孔槽,所述上盖上设有通透的孔洞,所述孔洞小于所述孔槽,所述孔洞与所述孔槽一一对应;
在所述下盖的孔槽中依次放置待植球体、植球预制板、焊片和植球,所述上盖压在所述植球预制板上,所述孔洞与所述孔槽一一对齐。
在其中一个实施例中所述下盖、所述上盖和所述植球预制板均采用耐高温的磁性材料制成。
在其中一个实施例中,所述保护所述焊片处于液化状态达到预设时间与所述在所述腔室中对所述待植球体、所述植球预制板、所述焊片和所述植球进行冷却处理之间还包括对所述腔室再次充保护气体,增大所述腔室的气压;
在其中一个实施例中,所述在所述腔室中对所述待植球体、所述植球预制板、所述焊片和所述植球进行加热处理,使得所述焊片处于液化状态包括升温区升温、吸热区焊片熔化,其中,
所述升温区升温,控制腔室温度以第一温度速率上升至第一预设温度值;
所述吸热区焊片熔化,控制温度以第二温度速率上升至第二预设温度值,保持温度大于液化温度,直至焊片处于液化状态。
所述保持所述焊片处于液化状态达到预设时间包括:
控制温度以第三温度速率上至峰值温度;
保持所述峰值温度达到预设时间。
所述在所述腔室中对所述待植球体、所述植球预制板、所述焊片和所述植球进行冷却处理包括:
控制温度以第四温度速率下降到第三预设温度值;
当温度处于所述第三预设温度值时停止冷却。
在其中一个实施例中,所述在植球设备腔室中依次放置待植球体、植球预制板、焊片和植球之前还包括对所述待植球体进行清洗。
在其中一个实施例中,所述植球设备为SST 5100真空烧结炉。
上述植球方法包括在植球设备中依次放置待植球体、植球预制板、焊片和植球;对腔室进行抽真空,并且充保护气体,以清除腔室中杂质气体;在植球设备中对待植球体、植球预制板、焊片和植球进行加热处理,使得焊片处于液化状态;保持焊片处于液化状态达到预设时间;在植球设备中对待植球体、植球预制板、焊片和植球进行冷却处理。这样经过抽真空和充氮气可以减少腔室内的氧气,从而减少了在加热过程中,金属镀层表面被氧化的程度,从而减少了接触位置上的空洞,进而增加植球与焊片之间和焊片与金属镀层之间的接触位置上的金属成分的占比,从而使得植球与金属镀层的连接牢固。
在一个实施例中,提供了一种植球装置,包括上盖和下盖,按照待植球体的特性在所述下盖设有孔槽,按照待植球体的特性在所述上盖设有孔洞,所述孔洞小于所述孔槽,所述孔槽与所述孔洞一一对应,所述下盖和所述上盖采用磁性材料制成。
在其中一个实施例中,所述植球装置还包括植球预制板,所述植球预制板上设有预设的定位孔,所述植球预制板用磁性材料制成。
在其中一个实施例中,所述孔槽为圆曹,所述孔洞为圆洞。
上述植球装置,包括上盖和下盖,按照待植球体的特性在所述下盖设有孔槽,按照待植球体的特性在所述上盖设有孔洞,所述孔洞小于所述孔槽,所述孔槽与所述孔洞一一对应,所述下盖和所述上盖采用磁性材料制成。使得上盖和下盖能够相互吸引,从而把待植球体和植球预制板固定在上盖和下盖之间的孔槽内,能够防止在植球过程中因为震动而产生位移,使得金属镀层和植球的连接更牢固。
附图说明
图1是本发明一个实施例中植球方法的流程图;
图2是本发明其中一个实施例中在植球设备腔室中依次放置待植球体、植球预制板、焊片和植球的流程图;
图3是本发明其中一个实施例中在植球设备中对待植球体、植球预制板、焊片和植球进行加热处理,使得焊片处于液化状态的流程图;
图4是本发明其中一个实施例中保持焊片处于液化状态达到预设时间的流程图;
图5是本发明其中一个实施例中在腔室中对待植球体、植球预制板、焊片和植球进行冷却处理的流程图;
图6是本发明一个实施例中植球装置的结构图。
具体实施方式
在一个实施例中,如图1和图6所示,提供了一种植球方法,该方法包括下述步骤:
步骤102,在植球设备腔室中依次放置待植球体1、植球预制板2、焊片3和植球4,其中植球预制板2中具有至少一个定位孔,待植球体1表面设有金属镀层,金属镀层设置在预留的焊点位置上,定位孔与金属镀层对齐,焊片3放置在植球预制板2的定位孔中,植球4放置在焊片3上。
在本申请实施例中,可以通过利用镊子和放大镜将植球4放置好。
植球设备中具有腔室,可以通过植球设备中的系统对腔室进行抽真空,充保护气体。植球设备可以对放置在腔室的物体进行加热,该加热的过程是可以调节的。可选的,植球设备可以是真空烧结炉和真空共晶炉,进一步地该真空烧结炉可以是SST 5100真空烧结炉。
待植球体1可以是裸芯片,也可以是经过封装的芯片,例如CPU、eMMC、QFN和DDR。该金属镀层可以是裸芯片或者经过封装的芯片上预留的管脚位置上的金属镀层,也可以是裸芯片或者芯片上的焊盘,也可以是该焊盘上加镀的一层金属镀层。该金属镀层可以是金镀层、银镀层或者镍镀层等可以承受住高温不熔化的金属镀层。
焊片3可以是熔点低于植球4和金属镀层的金属焊片,可选的该金属焊片可以为共晶焊片,共晶焊片在加热到共晶温度时,会直接从固态变成液态,而不经过塑性阶段,熔化比较彻底。而且共晶焊片中不含有助焊剂,在焊后不会产生含有卤素离子的残留物,减少原本需要清除卤素离子而采用氟氯化合物对植球后的产品进行清洗的步骤,同时减少氟氯化合物的使用也更具环保性。其次焊片3作为钎料比焊膏作为钎料在钎料的厚度上有所增加,这样会减少金属镀层附件的结构阻挡住钎料在金属镀层上的结合。
植球4可以是锡球、铜球和金球等金属球。
可选的,该待植球体1可以为采用陶瓷材料封装的芯片,在该陶瓷材料封装上预留的管脚位置上设有金属镀层。该焊片3可以为锡铅合金焊片,在该锡铅合金焊片中锡的含量可以为63%,铅的含量可以为37%。该植球4可以为锡球,采用这些材料进行焊接,可以使得固化后金属镀层和植球的连接更加牢固。
步骤104,对腔室进行抽真空,并且充保护气体,以清除腔室中杂质气体。
在本申请实施例中,保护气体可以是氮气、也可以是氦气和氩气等惰性气体。杂质气体可以是氧气等对金属具有氧化作用的气体。对腔室进行抽真空,并且充保护气体可以进行多次,也可以只进行一次。可选的,该植球设备可以为真空烧结炉,可以在真空烧结炉中设置抽真空和充保护气体的总时间,可选的,该总时间可以为20-25分钟之间,由真空烧结炉根据设置的总时间对腔室进行抽真空和充氮气。这样通过循环往复的抽真空,并且充氮气可以达到最大化的清除腔室内的氧气的目的,同时腔室中高浓度的氮气可以对焊片3、金属镀层和植球4等金属进行保护,防止金属在共晶过程中,出现植球4与处于液化状态的焊片3在接触位置出现氧化现象,从而在接触位置出现不应有的空洞现象,导致植球4与金属镀层的连接不牢固。
可选的,保护气体可以为氮气,对腔室进行抽真空,并且充氮气的次数可以为多次,即先抽真空,然后充氮气,再抽真空,再充氮气,如此循环进行抽真空和充氮气,最大化的排除杂质气体,减少杂质气体在腔室中的含量。
步骤106,在腔室中对待植球体1、植球预制板2、焊片3和植球4进行加热处理,使得焊片3处于液化状态;
在本申请实施例中,可以通过植球设备设置温度曲线对加热过程进行控制,以将焊片3进行加热处理,使该焊片3处于液化状态。
步骤108,保持焊片3处于液化状态达到预设时间。
在本申请实施例中,保持焊片3处于液化状态达到预设时间也是通过调节温度曲线来实现控制。焊片3处于液化状态时,需要保持该液化状态至预设时间,使得焊片3充分熔化。金属镀层和植球4通过与充分熔化的焊片3在接触位置形成金属间化合物,同时在这段时间上,形成的金属间化合物中的气泡受热膨胀,从而从金属间化合物中溢出,在原来气泡的位置会生成新的金属间化合物。这样加强了金属间化合物的生成,使得冷却后植球4和金属镀层通过与焊片3间形成的金属间化合物牢固的连接在一起。
步骤110,在腔室中对待植球体1、植球预制板2、焊片3和植球4进行冷却处理。
在本申请实施例中,需要降低腔室的温度以使得处于液态的焊片3与金属镀层之间以及焊片3与植球4之间形成的金属间化合物固化,使得固化后,植球4和金属镀层通过与焊片3间形成的金属间化合物牢固的连接在一起。
在其中一个实施例中,如图2所示,在植球设备腔室中依次放置待植球体1、植球预制板2、焊片3和植球4包括:
步骤202,在植球设备腔室中放置植球装置,其中植球装置包括下盖5和上盖6,下盖5上设有孔槽7,上盖6上设有通透的孔洞8,孔洞8小于孔槽7,孔洞8与孔槽7一一对应。
在本申请实施例中,孔槽7可以有多个,多个孔槽7可以设置成阵列排列,这样可以同时对多个待植球体1进行植球,也可以只设置一个孔槽7。每一个孔槽7都有一个孔洞8与之对应,每一个孔洞8都有一个孔槽7与之对应。每一个孔洞8的横截面的外接圆均小于与其对应的一孔槽7的横截面的外接圆,以此保证孔洞8小于孔槽7。
步骤204,在下盖5的孔槽7中依次放置待植球体1、植球预制板2、焊片3和植球4,该植球预制板2突出孔槽7的槽口,上盖6压在植球预制板2上。
在其中一个实施例中,下盖5、上盖6和植球预制板2均采用耐高温的磁性材料制成。
在本申请实施例中,上盖6、下盖5和植球预制板2可以采用磁性材料制成,该磁性材料必须承受住高温考验。上盖6与下盖5可以通过磁性的特性互相吸引,从而压牢放置在孔槽7中的待植球体1和植球预制板2,让待植球体1和植球预制板2平直牢固的紧贴在装置内,防止因为晃动而引起待植球体1和植球预制板2的轻微位移,导致植球4也产生轻微的位移的不良现象;也可以通过上盖6的磁性紧紧吸住植球预制板2,进一步地防止因为晃动而引起植球预制板2的位移,导致植球4也产生位移的不良现象,这样可以让植球预制板2与待植球体1的预留的PAD位置匹配的更精准。
在其中一个实施例中,保持焊片3处于液化状态达到预设时间与在腔室中对待植球体1、植球预制板2、焊片3和植球4进行冷却处理之间还包括对腔室再次充保护气体,增大腔室的气压。
在本申请实施例中,在焊片3处在液化状态之后可以对腔室再次充保护气体,该保护气体可以是氮气、氦气和氩气等保护气体,用于增大腔室内的气压,利用气压的压力和植球4自身的重力压液态的焊片3,不仅能够进一步地排除焊片3与植球4之间的气泡,而且使得焊片3与植球4之间剩余的气泡体积减小。从而进一步减少冷却后,焊片3中因残留的气泡而形成的孔洞。从而进一步加强金属镀层和植球通过与焊片接触,在接触位置形成的金属间化合物厚度。进一步地,可以使得充保护气体的时间为10-15分钟之间,这样可以充分减小气泡体积,从而减少焊片固化后,在焊片3和植球4的接触位置上气泡的体积占比,由此可以增加金属间化合物的厚度,从而使得植球4与金属镀层的连接更牢固。
在其中一个实施例中,如图3所示,在腔室中对待植球体1、植球预制板2、焊片3和植球进行加热处理,使得焊片3处于液化状态包括步骤302升温区升温、步骤304吸热区焊片3熔化,其中,
步骤302,升温区升温,控制腔室温度以第一温度速率上升至第一预设温度值;
在本申请实施例中,可以通过对植球设备的温度曲线进行设置,以控制第一温度上升速率,使温度以设置的温度上升速率上升到第一预设温度,以实现升温前预热的效果。
可选的,该第一温度速率可以在2-2.5℃/s之间,该第一预设温度值可以在175℃-185℃之间,这样可以缓慢地对待植球体1进行预热,不会因为温度加热过快而使得待植球体1损坏。
步骤304,吸热区焊片熔化,控制温度以第二温度速率上升至第二预设温度值,保持温度大于预设液化温度,直至焊片3处于液化状态。
本申请实施例中,可以通过对植球设备的温度曲线进行设置,以控制第二温度上升速率,使温度以设置的温度上升速率上升到第二预设温度,以实现让焊片3熔化,使该焊片3处于液化状态的效果。
可选的,该第二温度速率可以在0.5-0.6℃/s之间,该第二预设温度值为210℃,该预设液化温度为209℃。这样可以使得焊片的液化不会太过激烈,平稳的液化具有更好的焊接效果。
如图4所示,保持焊片3处于液化状态达到预设时间包括步骤402和步骤404,其中,
步骤402,控制温度以第三温度速率上至峰值温度。
本申请实施例中,可以通过对植球设备的温度曲线进行设置,以控制第三温度上升速率,使温度以设置的温度上升速率上升到峰值温度。这样可以给金属间化合物的形成留有充分的时间,使得生成的金属间化合物的厚度增加,同时存在于液态焊片3中的气泡也会受热膨胀,从而从处于液态的焊片3中溢出。
可选的,该第三温度上升速率可以在0.2-0.25℃/s之间,该峰值温度为230℃。
步骤404,保持峰值温度达到预设时间。
在本申请实施例中,可以通过对植球设备的温度曲线进行设置,以设置峰值温度和峰值温度要保持的时间,使腔室内的温度保持在峰值温度。这样焊片3充分熔化,并与金属镀层和植球4之间在接触位置形成金属间化合物,使得冷却后植球4和金属镀层通过与焊片3间形焊片3间形成的金属间化合物牢固的连接在一起。
可选的,该预设时间可以在30s-40s之间,这样可以保证处于液化状态的焊片和植球在接触位置上的气泡因为受热膨胀而溢出,从而减少处于液化状态中的焊片与植球接触位置之间的气泡的含量,从而使得固化后植球和金属镀层的连接更加牢固。
如图5所示,在腔室中对待植球体、植球预制板、焊片和植球进行冷却处理包括步骤502和步骤504,其中,
步骤502,控制温度以第四温度速率下降到第三预设温度值。
在本申请实施例中,可以控制温度以比较快的温度下降速率下降到第三预设温度值,使得经过冷却后值有植球4的待植球体1中的植球4与金属镀层结合得更牢固。
可选的,第四温度速率可以在2-3℃/s之间,第三预设温度值可以在20-40℃之间。这样既不会因为温度下降过快而使得植球焊点出现裂缝,同时可以增加极限拉伸强度,提高焊点剪切强度。
步骤504,当温度处于第三预设温度值时停止冷却。
在其中一个实施例中,在植球设备腔室中依次放置待植球体1、植球预制板2、焊片3和植球4之前还包括对待植球体1进行清洗。
在本申请实施例中,需要对待植球体1进行清洗以去除待植球体1表面的氧化物,减少因待植球体1表面的氧化物在加热过程中产生的气泡。
可选的,清洗是在等离子清洗设备里面进行清洗12-15分钟,这样可以有效清除待植球体1表面上的氧化物,使金属表面达到必要的清洁度,降低待植球体表面上的张力,提高焊接性能。
在其中一个实施例中,植球设备为SST 5100真空烧结炉。
在本申请实施例中,采用SST 5100真空烧结炉进行植球,SST 5100真空烧结炉拥有间歇处理系统,该系统只有在需要时才运行,不需要恒定的加热和氮气流动,降低了运行成本。SST 5100真空烧结炉中还提供辐射和电阻加热形式,这样可以通过SST 5100真空烧结炉中提供的辐射和电阻加热形式,确保在加热过程中所有的材料部件都被均匀地加热,以确保热分布的均匀性。
在一个实施例中,如图6所示,提供了一种植球装置,包括上盖6和下盖5,在下盖5设有孔槽7,用于放置待植球体1。在上盖6上设有孔洞8,该孔洞8小于孔槽7,该孔洞8与孔槽7一一对应。该孔槽7和孔洞8按照待植球体1的特性设置。下盖5和上盖6采用磁性材料制成。
在本申请实施例中,待植球体1可以是裸芯片,也可以是经过封装的芯片,例如CPU、eMMC、QFN和DDR,该金属镀层可以是裸芯片或者经过封装的芯片上预留的管脚位置上的金属镀层,也可以是裸芯片或者芯片上的焊盘,也可以是该焊盘上加镀的一层金属镀层。该金属镀层可以是金镀层、银镀层或者镍镀层等可以承受住高温不熔化的金属镀层。
该待植球体1的特性可以包括待植球体1的形状、待植球体1的几何尺寸和待植球体1的金属镀层位置。依据该待植球体1的形状和待植球体1的几何尺寸设计的孔槽7满足与该待植球体1相配合,使得该待植球体1可以平稳的放置在该孔槽7中。依据该待植球体1的形状、待植球体1的尺寸和待植球体1的金属镀层位置设计的孔洞8所在的上盖6,能在在使用该上盖6时,除了孔洞8外的部分压住植球预制板2,同时在该上盖6上,正对待植球体1的金属镀层位置通过设置的孔洞8留出空间,防止压到定位孔中放置的植球4。
在本申请实施例中,孔槽7可以有多个,多个孔槽7可以设置成阵列排列,这样可以同时对多个待植球体进行植球,也可以只设置一个孔槽7。每一个孔槽7都有一个孔洞8与之对应,每一个孔洞8都有一个孔槽7与之对应。每一个孔洞8的横截面的外接圆均小于与其对应的一孔槽7的横截面的外接圆,以此保证孔洞8小于孔槽7。
在其中一个实施例中,装置还包括植球预制板2,植球预制板2上设有预设的定位孔,植球预制板2用磁性材料制成。
在本申请实施例中,植球预制板2采用磁性材料制成,这样植球预制板2可以与同样采用磁性材料的下盖5相互吸引,从而稳固的压在待植球体1上。这样,可以防止因为晃动而引起植球预制板2的轻微位移,导致植球4也产生轻微的位移的不良现象。
在其中一个实施例中,孔槽可以设置成圆柱状的孔槽,空洞设置成圆柱状的空洞,这样方便该孔槽和空洞的加工制造。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。