CN110854029B - 自然形成的粗短沙漏形焊点的成形工艺 - Google Patents

自然形成的粗短沙漏形焊点的成形工艺 Download PDF

Info

Publication number
CN110854029B
CN110854029B CN201911087498.9A CN201911087498A CN110854029B CN 110854029 B CN110854029 B CN 110854029B CN 201911087498 A CN201911087498 A CN 201911087498A CN 110854029 B CN110854029 B CN 110854029B
Authority
CN
China
Prior art keywords
solder
hourglass
electronic component
short
shaped
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201911087498.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110854029A (zh
Inventor
王毅华
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sino Singapore International Joint Research Institute
Original Assignee
Sino Singapore International Joint Research Institute
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sino Singapore International Joint Research Institute filed Critical Sino Singapore International Joint Research Institute
Priority to CN201911087498.9A priority Critical patent/CN110854029B/zh
Publication of CN110854029A publication Critical patent/CN110854029A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110854029B publication Critical patent/CN110854029B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/10—Bump connectors ; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/11—Manufacturing methods
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/10—Bump connectors ; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/12—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process
    • H01L24/13—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process of an individual bump connector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/10—Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/11—Manufacturing methods
    • H01L2224/115—Manufacturing methods by chemical or physical modification of a pre-existing or pre-deposited material
    • H01L2224/11505—Sintering
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/10—Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/12—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/13—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process of an individual bump connector
    • H01L2224/13001—Core members of the bump connector
    • H01L2224/13005—Structure
    • H01L2224/13006—Bump connector larger than the underlying bonding area, e.g. than the under bump metallisation [UBM]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/10—Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/12—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/13—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process of an individual bump connector
    • H01L2224/13001—Core members of the bump connector
    • H01L2224/13005—Structure
    • H01L2224/13007—Bump connector smaller than the underlying bonding area, e.g. than the under bump metallisation [UBM]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/10—Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/12—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/13—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process of an individual bump connector
    • H01L2224/13001—Core members of the bump connector
    • H01L2224/1301—Shape
    • H01L2224/13016—Shape in side view
    • H01L2224/13018—Shape in side view comprising protrusions or indentations

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)

Abstract

本发明公开了自然形成的粗短沙漏形焊点的成形工艺，在无外力的情况下让焊点自然的形成粗短的沙漏形。增大的焊点末端的截面面积能大幅度的舒缓焊点末端处的应力，从而提升焊点在温度循环中的寿命。该焊点用于电子封装(通称半导体封装)，更切确的是电子封装的互联；比如芯片与芯片、芯片与芯片封装、芯片封装与芯片封装、芯片封装与板之间的互联点。

Description

自然形成的粗短沙漏形焊点的成形工艺
技术领域
本发明涉及半导体封装技术领域，具体涉及一种利于承受温度循环的自然形成的粗短沙漏型焊点的成形工艺。
背景技术
半导体封装是半导体制造中的一个高价值环节。因为焊点具有易于制造和在可靠性测试中有稳定表现的特点，所以用焊点进行互联是半导体封装中最常见的方法。对于焊点而言，温度循环测试是最难克服的可靠性测试。
如图1所示，电子组件可视为三层组件，其中焊点③夹在基板①和基板②之间。当电子组件的两基板经历热差应变εT时，焊点会感受到因热差应变所引起的剪切力
Figure GDA0002925585550000011
其中x是偏离电子组件中线的距离，l是中线到电子组件边缘的距离，px和py分别是焊点在x坐标和y坐标上的轴距；
Figure GDA0002925585550000012
而λx和κs分别为组件的平面拉张柔度与剪切柔度。这剪切力Fτ的强度由电子组件中线向电子组件边缘以非线性增大(如图2所示)。焊点也会感受因剪切力所引起的弯曲力m(x,z)＝Fτz,和相应的弯曲应力
Figure GDA0002925585550000013
其中 z是偏离焊点中高线的距离(如图1所示)，rz是在z-高度的焊点的截面半径。
目前，半导体制造主体进行半导体封装的主要做法，是于基板①的金属垫片冶金结合着焊球，而于基板②的金属垫片涂上焊膏。置基板①于基板②上方，焊球对齐焊膏相贴，后将基板置于输送带上送入烤箱。经温度提升，焊球与焊膏相熔，同时焊料与基板②的金属垫片形成冶金结合。在无外力的情况下，液态焊点的表面张力驱使焊点呈自然球桶形(如图3所示)。设焊点的球形半径为rs, 焊点的球形弧度为α，则焊点两端的截面半径为rs,end＝rscosα，高度为hs＝2rssinα，体积为
Figure GDA0002925585550000014
一般焊点的球形弧度α介于45°到60°，即焊点两端的截面半径介于0.5rs和0.7rs之间，而焊点的高度介于1.4rs和1.7rs之间。
弯曲应力
Figure GDA0002925585550000015
是焊点断裂的最主要元凶。其强度取决于弯曲力Fτz 和焊点的z-截面半径rz。图3显示焊点所承受的弯曲力Fτz沿其高度的分布。明显的球桶形焊点的z-截面半径和其所承受的弯曲力不相对应–焊点两端的截面半径最小却承受最高值的弯曲力，而焊点中端的截面半径最大却承受最低值的弯曲力。所以，由表面张力驱使所自然形成的球桶形焊点是非理想的。无例外的，所有电子组件中球桶形焊点的断裂都发生于焊点连接基板的两端。半导体制造主体为提高电子产品的性能，趋向于使用更大的电子封装以及更小的焊点，该趋势加剧了焊点断裂的几率。
为减少焊点的断裂，现有的技术是在焊点于液态球桶形的状况下以外力将两基板的距离拉长，从而将焊点从球桶形拉伸为沙漏形。之后精密的维持这距离至焊点凝固成拉长沙漏形(如图4所示)。这拉长的焊点具有更大值的剪切柔度,能降低焊点所承受的剪切力和弯曲力。但是，这技术有一个致命的缺点-需依赖精密的外力。工业界焊点的量产制造工艺是让基板以流动式通过一个封密的烤箱。高温的烤箱不允许精密仪器的置入，流动的作品不利于维持精密的基板距离。基于此，这项技术难被工业界接纳。同时，焊点两端的截面面积还是相对较小，对弯曲应力的抗力相对较弱。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供三种自然形成的粗短沙漏形焊点的成形工艺，在无外力的情况下,通过增大焊点末端的截面面积和限制焊点高度的缩减，让焊点自然的形成粗短形沙漏。该焊点在更好地对应弯曲力的分布的同时增强焊点两端的抗力,大幅度提高焊点在温度循环下的寿命。
为实现上述目的，本发明采用第一种技术方案是：一种自然形成的粗短沙漏形焊点的成形工艺，包括以下步骤：
(1)以球桶形焊点为参照，设球桶形焊点的球形半径为rs，其球形弧度为α；其两端的截面半径会是rs,end＝rscosα，高度会是hs＝2rssinα，体积会是
Figure GDA0002925585550000021
(2)大幅度增大两基板上每个金属垫片承接焊料的面积Ae，其中，每个金属垫片承接焊料的面积相等，使得Ae>>π(rs,end)2，假设这面积为圆形而其代表性半径为
Figure GDA0002925585550000031
那re>>rs,end；
(3)用与球桶形焊点所用相等体积的焊球和焊膏，焊球与基板①上增大的金属垫片冶金结合，焊膏涂于基板②上增大的的金属垫片上，对齐两基板，让每一粒焊球紧密地贴着对应的焊膏；
(4)置入烤箱前，于两基板之间加置一定高度的隔离物，通过控制焊膏的高度，使焊球与焊膏的相贴高度大于所述隔离物的高度，以维持焊点的高度，避免两基板因焊点于液态时的表面张力而相贴近；
(5)当烤箱的温度提高至焊料的熔点以上，液态焊料会和基板②的金属垫片的整个面积冶金结合而形成焊点；在隔离物对焊点的高度限制下，焊点中段的截面面积会减小，自然的形成粗短沙漏形焊点；
(6)隔离物维持粗短沙漏形焊点的形状至焊点凝固。
优选的，所述步骤(2)中的re介于0.9rs和1.2rs之间。
优选的，所述步骤(4)中隔离物的高度介于1.5rs和2.0rs之间，且隔离物能够在烤箱中维持其高度和形状。
为实现发明目的，本发明采用的第二种技术方案是：一种自然形成的粗短沙漏形焊点的成形工艺，包括以下步骤：
(1)以球桶形焊点为参照，设球桶形焊点的球形半径为rs，其球形弧度为α；其两端的截面半径会是rs,end＝rscosα，高度会是hs＝2rssinα，体积会是
Figure GDA0002925585550000032
(2)两基板的金属垫片承接焊料的面积相似，但基板上的个别金属垫片承接焊料的面积不等，金属垫片承接焊料的面积由电子组件边缘向电子组件中线逐步减小；
(3)基板的每个金属垫片承接相等体积的焊料，焊料的体积与球桶形焊点所用相等，即
Figure GDA0002925585550000033
(4)焊球与基板①的金属垫片冶金结合而焊膏涂于基板②的金属垫片上- 最简单的设计是基板①的每个金属垫片承接相似体积的焊球而基板②的每个金属垫片承接相似体积的焊膏；不等的金属垫片承接焊球的面积造成冶金结合后基板①上的焊球的高度由电子组件边缘向电子组件中线逐步增大；
(5)对齐两基板后施以外力让每一粒焊球紧密地贴着对应的焊膏，置入烤箱；
(6)当烤箱的温度提高至焊料的熔点以上，液态焊料会和基板②的金属垫片的整个面积冶金结合而形成焊点，其中，靠近电子组件中线的焊点会自然的呈球桶形，靠近电子组件边缘的焊点自然地呈粗短沙漏形，焊点自然地由电子组件中线的球桶形向电子组件边缘逐步的转化为粗短沙漏形。
优选的，假设基板上的金属垫片承接焊料的面积为Ae而其代表性半径为
Figure GDA0002925585550000041
所述步骤(2)中各个金属垫片承接焊料的面积的分布近似： Ae＝Ae,le2β(x-l)/3，而其代表性半径的分布近似：re＝re,leβ(x-l)/3,其中
Figure GDA0002925585550000042
而λx和κs分别为电子组件的平面拉张柔度与剪切柔度，x是偏离电子组件中线的距离,l是电子组件中线到电子组件边缘的距离，Ae,l和re,l分别是电子组件边缘的基板上金属垫片承接焊料的面积和代表性半径，re,l应介于0.9rs和1.2rs之间。
为实现发明目的，本发明采用的第三种技术方案是：一种自然形成的粗短沙漏形焊点的成形工艺，包括以下步骤：
(1)以球桶形焊点为参照，设球桶形焊点的球形半径为rs，其球形弧度为α；其两端的截面半径会是rs,end＝rscosα，高度会是hs＝2rssinα，体积会是
Figure GDA0002925585550000043
(2)大幅度增大两基板上每个金属垫片承接焊料的面积Ae，其中，每个金属垫片承接焊料的面积相等，使得Ae>>π(rs,end)2，假设这面积为圆形而其代表性半径为
Figure GDA0002925585550000044
那re>>rs,end；
(3)基板的个别金属垫片承接不等体积的焊料：基板①的各个金属垫片冶金结合着相等体积的焊球，基板②的金属垫片上涂于的焊膏的体积由电子组件中线向电子组件边缘逐步减小；
(4)对齐两基板后施以外力让每一粒焊球紧密地贴着对应的焊膏，置入烤箱；
(5)当烤箱的温度提高至焊料的熔点以上，液态焊料会和基板②的金属垫片的整个面积冶金结合而形成焊点；靠近电子组件中线的焊点会自然的呈球桶形，靠近电子组件边缘的焊点由于较小的体积会自然的呈粗短沙漏形，焊点自然地由电子组件中线的球桶形向电子组件边缘逐步的转化为粗短沙漏形。
优选的，所述步骤(3)中焊料的体积分布近似：V(x)＝Vle2β(l-x),其中
Figure GDA0002925585550000051
而λx和κs分别为电子组件的平面拉张柔度与剪切柔度，x是偏离电子组件中线的距离,l是电子组件中线到电子组件边缘的距离，Vl是电子组件边缘逐的基板上金属垫片所承接得焊料的体积，Vl应介于Vs/4和Vs。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：在无外力的情况下让焊点自然的形成粗短的沙漏形。增大的焊点末端的截面面积能大幅度的舒缓焊点末端处的应力，从而提升焊点在温度循环中的寿命。
附图说明
图1是电子组件视为三层组件的示意图；
图2是电子组件中焊点所承受的剪切力的分布示意图；
图3是焊点形成前和表面张力驱使下所自然形成的球桶形焊点的形状和其所承受的弯曲力的分布；
图4是现有技术中拉长沙漏形焊点制造工艺的示意图；
图5是本发明第一实施例的电子组件中焊点及其制造工艺的示意图；
图6是本发明第二实施例的电子组件中焊点及其制造工艺的示意图；
图7是本发明第三实施例的电子组件中焊点及其制造工艺的示意图；
图8是球桶形焊点和本发明的焊点所承受的弯曲应力的比较图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例的焊点成形工艺中，电子组件中的每个焊点维持相等的体积
Figure GDA0002925585550000061
和端截面面积。通过大幅度地增大基板上的每个金属垫片承接焊料的半径，re>>rscosα(介于0.9rs和1.2rs)，同时以外物(如图5中的隔离物④)将两基板隔离，不让两基板因焊点于液态时的表面张力而相贴近，而维持焊点的高度于1.5rs和2.0rs，焊点会自然的形成粗短形的沙漏(如图5 所示)。
本实施例的具体方案如下：一种自然形成的粗短沙漏形焊点的成形工艺，包括以下步骤：
(1)以球桶形焊点为参照，设球桶形焊点的球形半径为rs，其球形弧度为α；其两端的截面半径会是rs,end＝rscosα，高度会是hs＝2rssinα，体积会是
Figure GDA0002925585550000062
(参考图3)；
(2)大幅度增大两基板上每个金属垫片承接焊料的半径re，re介于0.9rs和1.2rs之间，其中，每个金属垫片承接焊料的半径相等；
(3)用与球桶形焊点所用相等体积的焊球和焊膏，焊球与基板①上增大的金属垫片冶金结合，焊膏涂于基板②上增大的金属垫片上，对齐两基板，让每一粒焊球紧密地贴着对应的焊膏，通过控制焊膏的高度，使焊球与焊膏的相贴高度大于2.0rs(如图5所示)；
(4)置入烤箱前，于两基板之间加置一定高度的隔离物(如图5所示)，高度介于1.5rs和2.0rs。隔离物的材料须能在烤箱温度下维持所设计的高度和形状，以维持焊点的高度介于1.5rs和2.0rs之间，避免两基板因焊点于液态时的表面张力而相贴近；
(5)当烤箱的温度提高至焊料的熔点以上，液态焊料会和基板②的金属垫片的整个面积冶金结合而形成焊点；在隔离物对焊点的高度限制下，焊点中段的截面面积会减小，自然的形成粗短沙漏形焊点；
(6)隔离物维持粗短沙漏形焊点的形状至焊点凝固，且隔离物或其残留物不会对电子组件造成伤害(如短路)。
实施例2
本实施例的焊点成形工艺中，电子组件中的每个焊点维持相等的体积，
Figure GDA0002925585550000071
但不等的端截面面积。通过由电子组件边缘向电子组件中线逐步减小的基板上金属垫片承接焊料的面积，使焊点的形状由电子组件中线的球桶形向电子组件边缘逐步地转化为粗短沙漏形(如图6所示)。球桶形液态焊点的表面张力的隔离力会与沙漏形液态焊点的贴近力相抵消而取得平衡。
本实施例的具体方案如下：一种自然形成的粗短沙漏形焊点的成形工艺，包括以下步骤：
(1)以球桶形焊点为参照，设球桶形焊点的球形半径为rs，其球形弧度为α；其两端的截面半径会是rs,end＝rscosα，高度会是hs＝2rssinα，体积会是
Figure GDA0002925585550000072
(参考图3)；
(2)基板的每个金属垫片承接焊料的面积不等，金属垫片承接焊料的面积由电子组件边缘向电子组件中线逐步减小，其最优的分布为：
Figure GDA0002925585550000073
其中 re,l是电子组件边缘的基板上金属垫片承接焊料的半径，应介于0.9rs和1.2rs之间；
Figure GDA0002925585550000074
而λx和κs分别为电子组件的平面拉张柔度与剪切柔度；
(3)基板的每个金属垫片承接相等体积的焊料，即焊料的体积与球桶形焊点所用相等，即
Figure GDA0002925585550000075
焊球与基板①的金属垫片冶金结合而焊膏涂于基板②的金属垫片上。
(4)不相等的金属垫片承接焊球的面积，冶金结合后基板①上的焊球的高度不相等，对齐两基板后施以外力让每一粒焊球紧密地贴着对应的焊膏(如图6 所示)，置入烤箱；
(5)当烤箱的温度提高至焊料的熔点以上，液态焊料会和基板②的金属垫片的整个面积冶金结合而形成焊点。由于较小的金属垫片承接焊料的面积，靠近电子组件中线的焊点会自然的呈球桶形，金属垫片承接焊料的面积不能过小而造成球桶形焊点桥接的风险，而靠近电子组件边缘的焊点由于较大的金属垫片承接焊料的面积会自然的呈粗短沙漏形。焊点自然地由电子组件中线的球桶形向电子组件边缘逐步地转化为粗短沙漏形(如图6所示)。
球桶形焊点的表面张力会尝试将两基板相推离，而沙漏形焊点的表面张力会尝试将两基板相贴近。隔离力会与贴近力相抵消而取得平衡，并决定了焊点的高度。
实施例3
本实施例的具体方案如下：一种自然形成的粗短沙漏形焊点的成形工艺，包括以下步骤：
(1)以球桶形焊点为参照，设球桶形焊点的球形半径为rs，其球形弧度为α；其两端的截面半径会是rs,end＝rscosα，高度会是hs＝2rssinα，体积会是
Figure GDA0002925585550000081
(参考图3)；
(2)大幅度增大两基板上每个金属垫片承接焊料的半径re，re介于0.9rs和1.2rs之间，其中，每个金属垫片承接焊料的半径相等；
(3)基板的每个金属垫片承接不等体积的焊料，所承接焊料的体积最优分布为：V(x)＝Vle2β(l-x),其中Vl是电子组件边缘逐的基板上金属垫片所承接得焊料的体积，应介于Vs/4和Vs；
(4)基板①的金属垫片冶金结合着焊球，以不同体积的焊膏涂于基板②的金属垫片上(如图7所示)，对齐两基板后施以外力让每一粒焊球紧密地贴着对应的焊膏，置入烤箱；
(5)当烤箱的温度提高至焊料的熔点以上，液态焊料会和基板②的金属垫片的整个面积冶金结合而形成焊点。由于较大的焊点体积，靠近电子组件中线的焊点会自然的呈球桶形，焊点的体积不能过大而照成球桶形焊点桥接的风险，靠近电子组件边缘的焊点由于较小的体积会自然的呈粗短沙漏形，焊点自然地由电子组件中线的球桶形向电子组件边缘逐步地转化为粗短沙漏形(如图7 所示)。
球桶形焊点的表面张力会尝试将两基板相推离而沙漏形焊点的表面张力会尝试将两基板相贴近。隔离力会与贴近力相抵消而取得平衡并决定了焊点的高度。
实施例1、2、3中的粗短沙漏形焊点与现有技术中的球桶形焊点所承受的剪切力和弯曲应力进行一下对比，具体对比步骤如下：
(1)设球桶形焊点的球形半径为rs，其球形弧度为α；其两端的截面半径会是rs,end＝rscosα，高度会是hs＝2rssinα，体积会是
Figure GDA0002925585550000091
(参考图3)。
(2)当电子组件的两基板经历热差应变εT,时，焊点的两端由电子组件中线向电子组件边缘所受到的剪切力和弯曲应力各为
a.球桶形焊点：
Figure GDA0002925585550000092
和
Figure GDA0002925585550000093
其中焊点两端的截面半径rs,end,介于0.5rs和0.7rs之间；
b.实施例1中的粗短沙漏形焊点：
Figure GDA0002925585550000094
和
Figure GDA0002925585550000095
其中焊点两端的截面半径re,介于0.9rs和1.2rs之间；
c.实施例2中的粗短沙漏形焊点：
Figure GDA0002925585550000096
和
Figure GDA0002925585550000097
其中
Figure GDA0002925585550000098
re，l是电子组件边缘焊点两端的截面半径介于0.9rs和1.2rs之间；
d.实施例中3的粗短沙漏形焊点：
Figure GDA0002925585550000099
和
Figure GDA00029255855500000910
其中
Figure GDA00029255855500000911
κsl是电子组件边缘的焊点的剪切柔力，而焊点两端的截面半径re介于0.9rs和1.2rs之间。
这些弯曲应力的分布如图8所示，对比结果如下：(i)实施例1的焊点所承受的最大值的弯曲力远小于球桶形焊点；(ii)实施例2的焊点所承受的最大值的弯曲力与技术方案1相似；(iii)实施例3的焊点所承受的最大值的弯曲力小于技术方案1。
下面以实施例1中的粗短沙漏形焊点为例，详细描述焊点因电子组件的两基板经历热差应变所承受的应力的计算，同时展示相对于球桶形焊点，粗短沙漏形焊点降低弯曲应力的能力。
参考图1和图2，当电子组件的两基板经历热差应变,εT,时，最靠近电子组件边缘的焊点的截面会承受最大值的剪切力
Figure GDA0002925585550000101
和弯曲力 m＝Fτ,maxz,其中px和py分别是焊点在x坐标和y坐标上的轴距,λx和κs分别为电子组件的平面拉张柔度与剪切柔度；其公式分别为
Figure GDA0002925585550000102
和
Figure GDA0002925585550000103
其中
Figure GDA0002925585550000104
而
Figure GDA0002925585550000105
E和h分别为材料的弹性模量和高(厚)度，数字#1，#2，#3，代表基板①,基板②和焊点③；Arep和 Irep分别为把焊点假想为圆柱体后的等效截面面积和等效截面面积的二次距；z 是z-截面与焊点中高截面的距离(如图1所示)。
球桶形焊点:假设焊点的截面为圆形，最靠近电子组件边缘的球桶形焊点与基板相连的两端感受最高值的剪切应力，
Figure GDA0002925585550000106
和最高值的弯曲应力,
Figure GDA0002925585550000107
其中，re是球桶形焊点两端截面的半径。
实施例1的粗短沙漏形焊点:粗短沙漏形焊点的尺寸能以三个参数表达： R、ro和θ，其中ro是焊点的中高截面的半径，R和θ是沙漏弧的半径和弧度 (如图4所示)。焊点的高度h和两端的截面半径re各为h＝2Rsinθ和 re＝ro+R(1-cosθ)，粗短沙漏形焊点的体积为
Figure GDA00029255855500001010
。
一旦我们设定了(i)粗短沙漏形焊点的体积，在此案例中设定等于球桶形焊点的体积；(ii)粗短沙漏形焊点的高度；(iii)粗短沙漏形焊点两端的截面半径，那R，ro，θ的值也就定了。最靠近电子组件边缘的粗短沙漏形焊点的中高截面感受最大值的剪切应力
Figure GDA0002925585550000108
而其两端感受最高值的弯曲应力
Figure GDA0002925585550000109
电子组件的基板和焊点的尺寸和弹性模量下面表1所示。此表展示了一个球桶形焊点和四个实施例1的粗短沙漏形焊点的设计。其相应的电子组件的平面拉张柔度λx与焊点的剪切柔度κs也经演算而列于同表。其相应的焊点所承受的最高值的剪切力Fτ,max、剪切应力τmax和弯曲应力σb,max也经演算而列于同表。同时还包括应力降低的百分比。非常明显的，相比传统的球桶形焊点，粗短沙漏形焊点大幅度降低焊点所承受的弯曲应力和相当大幅度降低所承受的剪切应力。同时值得注意的是，虽然这四个粗短沙漏形焊点的尺寸有相当大的差异，对应的剪切应力和弯曲应力的绝对值却相似。这反映了粗短沙漏形焊点对尺寸的宽容性，而这宽容性非常有利量产。
表1
Figure GDA0002925585550000111
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。例如虽然以上所述以圆形截面为例子，但此发明并不限于圆形截面，也包挂多边形截面。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (8)

1.自然形成的粗短沙漏形焊点的成形工艺，包括以下步骤：
(1)以球桶形焊点为参照，设球桶形焊点的球形半径为rs，其球形弧度为α；其两端的截面半径会是rs,end＝rscosα，高度会是hs＝2rssinα，体积会是
Figure FDA0002925585540000011
(2)大幅度增大两基板上每个金属垫片承接焊料的面积Ae，其中，每个金属垫片承接焊料的面积相等，使得Ae>>π(rs,end)2，假设这面积为圆形而其代表性半径为
Figure FDA0002925585540000012
那re>>rs,end；
(3)用与球桶形焊点所用相等体积的焊球和焊膏；
(4)置入烤箱前，于两基板之间加置一定高度的隔离物，通过控制焊膏的高度，使焊球与焊膏的相贴高度大于所述隔离物的高度，隔离物维持焊点的高度，避免两基板因焊点于液态时的表面张力而相贴近；
(5)当烤箱的温度提高至焊料的熔点以上，液态焊料会和基板的金属垫片的整个面积冶金结合而形成焊点；在隔离物对焊点的高度限制下，焊点中段的截面面积会减小，自然地形成粗短沙漏形焊点；
(6)隔离物维持粗短沙漏形焊点的形状至焊点凝固。
2.根据权利要求1所述的自然形成的粗短沙漏形焊点的成形工艺，其特征在于：所述步骤(2)中的re介于0.9rs和1.2rs之间；即所述步骤(2)中的Ae介于π(0.9rs)2和π(1.2rs)2之间。
3.根据权利要求1所述的自然形成的粗短沙漏形焊点的成形工艺，其特征在于：所述步骤(4)中隔离物的高度介于1.5rs和2.0rs之间。
4.根据权利要求1所述的自然形成的粗短沙漏形焊点的成形工艺，其特征在于：所述步骤(4)、(5)和(6)中的隔离物能够在烤箱中维持其高度和形状。
5.自然形成的粗短沙漏形焊点的成形工艺，包括以下步骤：
(1)以球桶形焊点为参照，设球桶形焊点的球形半径为rs，其球形弧度为α；其两端的截面半径会是rs,end＝rscosα，高度会是hs＝2rssinα，体积会是
Figure FDA0002925585540000013
(2)两基板的金属垫片承接焊料的面积相似，但基板上的个别金属垫片承接焊料的面积不等，金属垫片承接焊料的面积由电子组件边缘向电子组件中线逐步减小；
(3)基板的每个金属垫片承接相等体积的焊料，焊料的体积与球桶形焊点所用相等；
(4)当烤箱的温度提高至焊料的熔点以上，液态焊料会和基板的金属垫片冶金结合而形成焊点；在液态焊点的表面张力的作用下，自然地由电子组件中线的球桶形向电子组件边缘逐步的转化为粗短沙漏形。
6.根据权利要求5所述的自然形成的粗短沙漏形焊点的成形工艺，其特征在于：假设基板上的金属垫片承接焊料的面积为Ae而其代表性半径为
Figure FDA0002925585540000021
所述步骤(2)中各个金属垫片承接焊料的面积的分布近似：Ae＝Ae,le2β(x-l)/3，而其代表性半径的分布近似：re＝re, leβ(x-l)/3,其中
Figure FDA0002925585540000022
而λx和κs分别为电子组件的平面拉张柔度与剪切柔度，x是偏离电子组件中线的距离,l是电子组件中线到电子组件边缘的距离，Ae,l和re,l分别是电子组件边缘的基板上金属垫片承接焊料的面积和代表性半径，re,l应介于0.9rs和1.2rs之间。
7.自然形成的粗短沙漏形焊点的成形工艺，包括以下步骤：
(1)以球桶形焊点为参照，设球桶形焊点的球形半径为rs，其球形弧度为α；其两端的截面半径会是rs,end＝rscosα，高度会是hs＝2rssinα，体积会是
Figure FDA0002925585540000023
(2)大幅度增大两基板上每个金属垫片承接焊料的面积Ae，其中，每个金属垫片承接焊料的面积相等，使得Ae>>π(rs,end)2，假设这面积为圆形而其代表性半径为
Figure FDA0002925585540000024
那re>>rs,end；
(3)基板的个别金属垫片承接不等体积的焊料：基板①的各个金属垫片冶金结合着相等体积的焊球，基板②的金属垫片上涂于的焊膏的体积由电子组件中线向电子组件边缘逐步减小；
(4)当烤箱的温度提高至焊料的熔点以上，液态焊料会和基板的金属垫片的整个面积冶金结合而形成焊点；在液态焊点的表面张力的作用下，焊点自然地由电子组件中线的球桶形向电子组件边缘逐步的转化为粗短沙漏形。
8.根据权利要求7所述的自然形成的粗短沙漏形焊点的成形工艺，其特征在于：所述步骤(3)中焊料的体积的分布近似：V＝Vle2β(l-x),其中
Figure FDA0002925585540000031
而λx和κs分别为电子组件的平面拉张柔度与剪切柔度，x是偏离电子组件中线的距离,l是电子组件中线到电子组件边缘的距离，Vl是电子组件边缘逐的基板上金属垫片所承接得焊料的体积，Vl应介于Vs/4和Vs。
CN201911087498.9A 2019-11-08 2019-11-08 自然形成的粗短沙漏形焊点的成形工艺 Expired - Fee Related CN110854029B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911087498.9A CN110854029B (zh) 2019-11-08 2019-11-08 自然形成的粗短沙漏形焊点的成形工艺

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911087498.9A CN110854029B (zh) 2019-11-08 2019-11-08 自然形成的粗短沙漏形焊点的成形工艺

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110854029A CN110854029A (zh) 2020-02-28
CN110854029B true CN110854029B (zh) 2021-04-13

Family

ID=69600176

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911087498.9A Expired - Fee Related CN110854029B (zh) 2019-11-08 2019-11-08 自然形成的粗短沙漏形焊点的成形工艺

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110854029B (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103107152A (zh) * 2011-11-11 2013-05-15 台湾积体电路制造股份有限公司 用于芯片级封装的凸块
CN106384720A (zh) * 2016-10-19 2017-02-08 北京理工大学 一种焊料凸点的制作方法及装置、电子元件
WO2019070995A1 (en) * 2017-10-05 2019-04-11 Texas Instruments Incorporated INTERCONNECTION BUMPS SHAPED IN SEMICONDUCTOR DEVICES
CN110379792A (zh) * 2019-07-23 2019-10-25 中新国际联合研究院 用于温度循环的电子组件焊点

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103107152A (zh) * 2011-11-11 2013-05-15 台湾积体电路制造股份有限公司 用于芯片级封装的凸块
CN106384720A (zh) * 2016-10-19 2017-02-08 北京理工大学 一种焊料凸点的制作方法及装置、电子元件
WO2019070995A1 (en) * 2017-10-05 2019-04-11 Texas Instruments Incorporated INTERCONNECTION BUMPS SHAPED IN SEMICONDUCTOR DEVICES
CN110379792A (zh) * 2019-07-23 2019-10-25 中新国际联合研究院 用于温度循环的电子组件焊点

Also Published As

Publication number Publication date
CN110854029A (zh) 2020-02-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8960899B2 (en) Assembling thin silicon chips on a contact lens
JP2014519149A (ja) 電気的な接続素子を備えているガラス板
WO2013042434A1 (ja) 接合方法及び接合部品
US20170021602A1 (en) Systems and methods for reinforced adhesive bonding
CN110854029B (zh) 自然形成的粗短沙漏形焊点的成形工艺
JPS6312142A (ja) はんだ継手の形状の制御方法
WO2004051748A1 (en) Solder bond pad with a convex shape
WO2015154233A1 (en) Systems and methods for reinforced adhesive bonding
US8925793B2 (en) Method for making a solder joint
CN109773320A (zh) 电极轮换焊接装置及电阻点焊设备
TW202028940A (zh) 曲面自對位接合裝置及其方法
US6197618B1 (en) Semiconductor device fabrication using adhesives
CN110379792B (zh) 用于温度循环的电子组件焊点
CN103957663A (zh) 一种组装板间中空焊柱垂直互联结构及制作方法
JPH03225934A (ja) 半導体集積回路素子の接続方法
CN1684572A (zh) 电路板组装方法与结构及用以组装该结构的工装用具
CN110660771B (zh) 一种半导体封装中焊点形状的优化结构
CN1499589A (zh) 覆晶封装制程及其装置
KR101974844B1 (ko) 본딩 캐필러리
TWI435456B (zh) 電極焊接結構、背電極太陽能電池模組及太陽能電池模組製作方法
CN207806922U (zh) 一种提高焊接性能的触点焊接面结构
CN215988740U (zh) 柔性封装结构
CN115458497B (zh) 一种抗热冲击大功率晶体管引线及其性能验证方法
CN100423218C (zh) 将电路部件粘接到电路衬底上的方法
CN210272334U (zh) 一种高信赖性散热装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20210413

Termination date: 20211108