CN111001961A - 一种基于成球膏印刷技术批量制备电子封装用微焊球的方法与自动化装置 - Google Patents

一种基于成球膏印刷技术批量制备电子封装用微焊球的方法与自动化装置 Download PDF

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Abstract

一种基于成球膏印刷技术批量制备电子封装用微焊球的方法与自动化装置，属于电子封装材料制备技术领域。该方法与装置提供适用于微焊球尤其涉及到球珊阵列(BGA)封装材料及其它金属颗粒的制备。技术特征方案是：以成球金属粉体和粘结剂组成成球膏通过印刷、脱模和加热的方式，通过印刷模孔大小(板厚和直径)的一级调控和通过成球金属粉和粘结剂的比例配置的二级调控实现指定大小的均一微焊球或其他金属均一颗粒的制备。

Description

一种基于成球膏印刷技术批量制备电子封装用微焊球的方法 与自动化装置
技术领域
本发明属于电子封装材料制备技术领域，尤其涉及到球珊阵列(BGA)封装材料的制备。
背景技术
随着电子封装技术的进一步发展，电子元器件的小型化与封装的多层化必定成为将来的发展趋势，这就意味着封装密度的大大提高。因此，市场对于小尺寸(100um以下)BGA封装材料的需求越来越大，目前市面上主流的BGA封装材料尺寸大多在300um左右，远远不足以满足现有需求。因此，目前市场迫切需要一种可以生产大小可控BGA封装自动化装置的需求，此项技术以成球金属粉体和粘结剂组成成球膏通过印刷、脱模和加热的方式，通过印刷模孔大小(板厚和直径)的一级调控和通过成球金属粉和粘结剂的比例配置的二级调控实现指定大小的均一微焊球或其他金属均一颗粒的制备。
目前生产均一颗粒的方法主要是通过气压驱动法、射流法等先制备出金属滴再冷却形成均一颗粒。中国专利CN200610138558.1公开了一种气压驱动制备金属滴方法，CN201620228328.3公开了一种微喷装置制备金属滴方法，在制备金属滴的过程中受制于喷嘴孔径，其制备的金属球尺寸随喷嘴孔径改变而变化，加工特定的喷嘴孔径需要的成本太高，难以实现指定大小的金属球制备，限制了这些技术的广泛应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种简便、低成本且可以完全自动化批量均一微焊球或其他金属均一颗粒的方法，同时能够实现均一微焊球或其他金属均一颗粒尺寸的大小可控，无需进行后续筛分。
一种基于成球膏印刷技术批量制备电子封装用微焊球的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备成球膏，成球膏由金属粉体与粘结剂组成，粘结剂由35～42％的溶剂，40～45％的成膜剂，1～10％的触变剂，4～10％的稳定剂，1～10％的表面活性剂，0～10％的保湿剂组成。同时金属粉体与粘结剂的质量比在70～90：30～10，(两者加起来100)；
(2)将成球膏印刷成阵列排布的圆柱状成球膏，将步骤(1)成球膏放到镀有疏水材料层的多孔钢网上，多孔钢网的正下面紧贴的为与多孔钢网平行的不润湿的疏水性基板，然后用刮刀将成球膏刮到多孔钢网的孔内并填平孔，然后向上提拉多孔钢网，使得多孔钢网孔内的成球膏形成圆柱状结构立在疏水性基板上，在疏水性基板上形成阵列排布的圆柱状成球膏；
(3)将步骤(2)所得的带有圆柱状成球膏的疏水性基板送到带有保护气的加热装置内，进行加热熔化，使得基板上成球膏中的粘结剂中的大部分组份会在加热过程中气化散失，而熔融金属和少量包覆在熔融金属表面残留的组份会在冷却过程中依靠表面张力形成均一金属颗粒；然后将均一金属颗粒从疏水性基板上刮下即可。
步骤(1)金属粉可以为Sn-Bi、Sn-Ag-Cu、Sn-Pb等常见的合金，金属粉体粒径后续根据钢网的孔径选择；溶剂由丙三醇、1,4-环己烷二醇，异丙醇、2乙基-1,3己二醇、二乙二醇单己醚、二乙二醇丁醚、2,5-二甲基-3-己炔-2,5-二醇等醇或醚中的一种或多种组成用来使粘结剂中的各种组分均匀的混合在一起；成膜剂选自松香如KE-604、全氢化松香、歧化松香与超浅色松香等中的一种或多种用来保护熔融的金属防止氧化；触变剂由EBS、氢化蓖麻油、乙二撑与蜂蜡中的一种或多种润滑脂组成使成球膏在印刷过程中粘度变小便于印刷，印刷完毕后粘度增大保持固有形状；稳定剂为石蜡，表面活性剂为聚氧乙烯甘油醚与聚乙二醇，稳定剂与表面活性剂使粘结剂中各组分分散均匀避免分层，保湿剂为白凡士林，增加焊膏保湿性。
步骤(2)疏水性基板为陶瓷、玻璃或具有纳米疏水材料镀层等基板。多孔钢网的表面具有疏水材料纳米镀层，使得孔的内表面也有疏水材料纳米镀层，多孔钢网为圆柱形孔，孔的高度与圆柱状成球膏的高度一致。
步骤(3)加热处理的温度为金属熔点-金属熔点+50℃之间，处理的时间一般2-30min，可以根据圆柱体的大小、金属的熔点选择时间。
为实现上述方法的自动化而采用的自动装置，其特征在于，包括具有多孔纳米疏水材料镀层的钢网(1)、金属刮刀(2)、成球膏(3)、不润湿的基板(4)、传送装置(5)、钢网固定装置(6)、板状悬挂装置(7)、可以通入保护气体的加热装置(8)、保护气瓶(9)、导气管(10)、金属颗粒收集槽(11)；
板状悬挂装置(7)的正下面固定有多个钢网固定装置(6)阵列，使得每个钢网固定装置(6)对应固定一个钢网(1)，每个钢网固定装置(6)为垂直板状悬挂装置(7)的四各支架，用于固定钢网(1)，且使得钢网(1)与板状悬挂装置(7)平行；传送装置(5)上设有多个阵列排布的基板(4)，基板(4)与钢网(1)上下一一对应，每个钢网(1)的上面配有一个可以水平移动的金属刮刀(2)；成球膏(3)通过人工或其他装置加到钢网(1)上，板状悬挂装置(7)通过自动控制装置可上下移动，从而带动钢网(1)上下移动；传送装置(5)能够带动基板(4)平行移动；加热装置(8)通过导气管(10)与保护气瓶(9)连接，加热装置(8)设置有进口何出口，传送装置伸入到加热装置(8)内部，且加热装置(8)进口和出口处均设有可开关的门。
采用上述装置进行批量印刷制备均一微焊球的方法，过程如下：
将基板(4)放置在传送装置(5)上，当基板(4)通过由钢网固定装置(6)与悬挂装置(7)组成的印刷区时，金属刮刀(2)通过钢网(1)将成球膏(3)刮入钢网的孔中然后向上提悬挂装置(7)，实现成球膏(3)与钢网(1)上的孔壁之间的不润湿脱模，并在不润湿的基板(4)上脱模形成柱状成球膏(12)；将脱模后的基板(4)通过传送装置(5)导入加热装置(8)中使柱状成球膏(12)熔化，高温下柱状成球膏(12)中的粘结剂中的大部分组份气化散失，同时剩余的熔融金属和少量包覆在熔融金属表面的残留成膜组份在冷却过程中依靠表面张力在不润湿的基板(4)上收缩形成均一颗粒(13)，然后采用另一金属刮刀(2)将基板(4)上的颗粒(13)刮入金属颗粒收集槽(11)中。
传送装置(5)采用耐热材料，如钢传送板等。
本发明是一种基于成球金属粉体和粘结剂组成的成球膏通过具有纳米疏水材料镀层的多孔钢网在不润湿基板(具有纳米疏水材料镀层)上印刷脱模，然后通过具有气体保护装置的加热装置来均一金属颗粒的方法。成球膏是由成球金属粉体和粘结剂组成，并以多孔纳米疏水材料镀层钢网作为印刷模板，将印刷后的成球膏在不润湿的基板(陶瓷、玻璃和具有纳米疏水材料镀层等)上进行脱模，随后将基板导入带有气保护装置的加热设备中进行加热熔化。基板上成球膏中的粘结剂中的大部分组份会在加热过程中气化散失，而熔融金属和少量包覆在熔融金属表面残留的成膜组份会在冷却过程中依靠表面张力形成均一金属颗粒。
通过二级调节制备相应尺寸的微焊球或其他金属均一颗粒，即印刷模孔大小(板厚和直径)的一级调控和通过成球金属粉和粘结剂的比例配置的二级调控实现指定大小的均一微焊球或其他金属均一颗粒的制备。
成球膏中的成球膏印刷后形成的膏状柱与基板在加热过程通过表面张力形成均一BGA焊球。
本发明所涉及的多孔钢网由激光在钢网上打孔形成，由于激光光斑小能力集中，形成的孔的垂直度比较好且误差较小，以确保后续脱模的稳定性。随后在钢网上电镀一层疏水材料提高钢网的印刷与脱模效率，确保在钢网上印刷与脱模后的成球膏达到均一。不润湿的基板由石英玻璃、陶瓷或具有纳米疏水材料的镀层组成。
本发明可以通过二级调节制备相应尺寸的微焊球或其他金属均一颗粒。在钢网孔径已经确定的条件下如果想在此基础上微调制备出的微焊球尺寸，只需要通过调节成球膏的成分(成球剂与粘结剂的比例)来实现二级调节，在此基础上制备出粒径可以微调的微焊球或其他金属均一颗粒。具体实施方式如下：
首先根据所制备的微焊球或其他金属均一颗粒的尺寸(在金属粉与粘结剂的质量比固定的条件下)确定出钢网孔径的尺寸。随后如果需要制备孔径变化在30％内的微焊球或其他金属均一颗粒只需调节金属粉与粘结剂的质量比即可，无需制备新的钢网从而降低成本提高效率。
与现有技术相比，本发明的工作原理及有益效果如下：
将不润湿的基板放置在传送带上，当不润湿的基板通过印刷区时，金属刮刀通过多孔纳米疏水材料镀层钢网将金属粉与粘结剂混合形成的成球膏刮入钢网的孔中实现成球膏与孔壁之间的不润湿脱模，以确保在基板上从每个孔中脱模下来的成球膏的质量相等。随后传送带将载有成球膏的不润湿基板导入到具有气体保护装置的加热设备中，在加热过程中成球膏熔化，高温下成球膏中的粘结剂中的大部分组份气化散失，同时熔融金属和少量包覆在熔融金属表面残留的成膜组份会在冷却过程中依靠表面张力形成均一金属颗粒。随后，传送带将载有均一颗粒的基板通过收集区，金属刮刀将金属颗粒刮入收集槽中清洗后收集包装。
本方法具有以下突出特点：(1)制备出的金属球的大小可以先由钢网孔尺寸，金属粉体与粘结剂的体积比推导计算出，金属球的尺寸可以随着任一条件的改变而改变，易于特定尺寸的均一颗粒球的制备。(2)本方法加热与冷却均在加热装置中进行，不需要额外的冷却装置或冷却介质，同时成球膏中的成膜剂组分可以保护金属颗粒避免其氧化。(3)此方法装置可手工操作，同时也易于实现自动化相较于其他的方法更加简便同时成本也更低。
附图说明
图1为本发明实施自动印刷过程示意图(至画出一套基板、钢网、刮刀配图)。
图2为为本发明印刷过程局部放大示意图。
图3为本发明实施自动导入加热过程示意图。
图4为本发明自动导入加热过程基板放大示意图。
图5为本发明均一颗粒自动收集过程示意图。
图6为本发明收集过程基板放大图。
钢网1、金属刮刀2、成球膏3、基板4，传送装置5、钢网固定装置6、悬挂装置7、加热装置8、保护气瓶9、导气管10、金属颗粒收集槽11、膏状柱12、均一颗粒13。
具体实施方式(可以给一个具体成分的金属粉体与粘结剂，以及对应的温度和热处理的时间)
以Sn-Ag-Cu成球膏为例，粘结剂由丙三醇、2乙基1,3己二醇、二乙二醇单己醚作为溶剂其含量分别为13.5％、12％、13.5％；全氢化松香与KE-604作为成膜剂其含量分别为16.8％、26.8％；EBS与氢化蓖麻油作为触变剂其含量分别为2.5％、2.5％；石蜡、聚乙二醇与聚氧乙烯甘油醚作为稳定剂与表面活性剂其含量分别为6.8％、2％、3.6％，将各组分加热到90℃进行均匀混合。将粘结剂与Sn-Ag-Cu金属粉体以10：90的比例混合后形成成球膏。将印刷后的基板在280℃的加热环境下加热保温，在成球膏熔化后保温60s，使粘结剂中除具有保护作用的成膜剂以外的其他组分挥发，在表面张力的作用下成球，随后进行收集与清洗。
下面集合实施实例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
本发明是一种基于成球金属粉体和粘结剂组成的成球膏通过具有纳米疏水材料镀层的多孔钢网在不润湿基板(具有纳米疏水材料镀层)上印刷脱模，然后通过具有气体保护装置的加热设备来批量制备均一颗粒的方法。参见图1、2、3、4、5，本发明实例设有多孔纳米疏水材料镀层钢网1、金属刮刀2、成球金属粉体和粘结剂组成的成球膏3、不润湿的基板(具有纳米疏水材料镀层)4，传送装置5、钢网固定装置6、悬挂装置7、可以通入保护气体的加热装置8、保护气瓶9、导气管10、金属颗粒收集槽11、成球膏脱模后的膏状柱12、均一颗粒13。
将不润湿的基板4放置在传送带5上，当不润湿的基板4通过由钢网固定装置6与悬挂装置7组成的印刷区时，金属刮刀2通过多孔纳米疏水材料镀层钢网1将金属粉与粘结剂混合形成的成球膏3刮入钢网的孔中实现成球膏3与钢网1上的孔壁之间的不润湿脱模，以确保在不润湿基板4上从每个孔中脱模下来的成球膏3的质量相等。随后传送带5将载有柱状成球膏12的不润湿基板4导入到具有气体保护装置的加热炉8中，在加热过程中柱状成球膏12熔化，高温下柱状成球膏12中的粘结剂中的大部分组份气化散失，同时剩余的熔融金属和少量包覆在熔融金属表面的残留成膜组份在冷却过程中依靠表面张力在不润湿的基板4上收缩形成均一颗粒。随后，传送带5将载有均一颗粒的基板4通过收集区，金属刮刀2将金属颗粒刮入收集槽11中清洗后收集包装。
印刷区的自动印刷装置由多孔纳米疏水材料镀层钢网1、钢网固定装置6与悬挂装置7组成。钢网固定装置6固定于悬挂装置7上同时夹持着多孔纳米疏水材料镀层钢网1。
加热装置8通过导气管10与气瓶连接，组成具有气体保护功能的加热设备。

Claims (7)

1.一种基于成球膏印刷技术批量制备电子封装用微焊球的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备成球膏，成球膏由金属粉体与粘结剂组成，粘结剂由35～42％的溶剂，40～45％的成膜剂，1～10％的触变剂，4～10％的稳定剂，1～10％的表面活性剂，0～10％的保湿剂组成。同时金属粉体与粘结剂的质量比在70～90：30～10，(两者加起来100)；
(2)将成球膏印刷成阵列排布的圆柱状成球膏，将步骤(1)成球膏放到镀有疏水材料层的多孔钢网上，多孔钢网的正下面紧贴的为与多孔钢网平行的不润湿的疏水性基板，然后用刮刀将成球膏刮到多孔钢网的孔内并填平孔，然后向上提拉多孔钢网，使得多孔钢网孔内的成球膏形成圆柱状结构立在疏水性基板上，在疏水性基板上形成阵列排布的圆柱状成球膏；
(3)将步骤(2)所得的带有圆柱状成球膏的疏水性基板送到带有保护气的加热装置内，进行加热熔化，使得基板上成球膏中的粘结剂中的大部分组份会在加热过程中气化散失，而熔融金属和少量包覆在熔融金属表面残留的组份会在冷却过程中依靠表面张力形成均一金属颗粒；然后将均一金属颗粒从疏水性基板上刮下即可。
2.按照权利要求1所述的一种基于成球膏印刷技术批量制备电子封装用微焊球的方法，其特征在于，步骤(1)金属粉为Sn-Bi、Sn-Ag-Cu、Sn-Pb中的一种或几种；溶剂由丙三醇、1,4-环己烷二醇，异丙醇、2乙基-1,3己二醇、二乙二醇单己醚、二乙二醇丁醚、2,5-二甲基-3-己炔-2,5-二醇等醇或醚中的一种或多种组成用来使粘结剂中的各种组分均匀的混合在一起；成膜剂选自松香如KE-604、全氢化松香、歧化松香与超浅色松香等中的一种或多种用来保护熔融的金属防止氧化；触变剂由EBS、氢化蓖麻油、乙二撑与蜂蜡中的一种或多种润滑脂组成使成球膏在印刷过程中粘度变小便于印刷，印刷完毕后粘度增大保持固有形状；稳定剂为石蜡，表面活性剂为聚氧乙烯甘油醚与聚乙二醇，稳定剂与表面活性剂使粘结剂中各组分分散均匀避免分层，保湿剂为白凡士林，增加焊膏保湿性。
3.按照权利要求1所述的一种基于成球膏印刷技术批量制备电子封装用微焊球的方法，其特征在于，步骤(2)疏水性基板为陶瓷、玻璃或具有纳米疏水材料镀层等基板。多孔钢网的表面具有疏水材料纳米镀层，使得孔的内表面也有疏水材料纳米镀层，多孔钢网为圆柱形孔，孔的高度与圆柱状成球膏的高度一致。
4.按照权利要求1所述的一种基于成球膏印刷技术批量制备电子封装用微焊球的方法，其特征在于，步骤(3)加热处理的温度为金属熔点-金属熔点+50℃之间，处理的时间一般2-30min，可以根据圆柱体的大小、金属的熔点选择时间。
5.实现权利要求1-4任一项所述的方法的自动化而采用的自动装置，其特征在于，包括具有多孔纳米疏水材料镀层的钢网(1)、金属刮刀(2)、成球膏(3)、不润湿的基板(4)、传送装置(5)、钢网固定装置(6)、板状悬挂装置(7)、可以通入保护气体的加热装置(8)、保护气瓶(9)、导气管(10)、金属颗粒收集槽(11)；
板状悬挂装置(7)的正下面固定有多个钢网固定装置(6)阵列，使得每个钢网固定装置(6)对应固定一个钢网(1)，每个钢网固定装置(6)为垂直板状悬挂装置(7)的四各支架，用于固定钢网(1)，且使得钢网(1)与板状悬挂装置(7)平行；传送装置(5)上设有多个阵列排布的基板(4)，基板(4)与钢网(1)上下一一对应，每个钢网(1)的上面配有一个可以水平移动的金属刮刀(2)；成球膏(3)通过人工或其他装置加到钢网(1)上，板状悬挂装置(7)通过自动控制装置可上下移动，从而带动钢网(1)上下移动；传送装置(5)能够带动基板(4)平行移动；加热装置(8)通过导气管(10)与保护气瓶(9)连接，加热装置(8)设置有进口何出口，传送装置伸入到加热装置(8)内部，且加热装置(8)进口和出口处均设有可开关的门。
6.采用权利要求5所述的装置进行批量印刷制备均一微焊球的方法，过程如下：
将基板(4)放置在传送装置(5)上，当基板(4)通过由钢网固定装置(6)与悬挂装置(7)组成的印刷区时，金属刮刀(2)通过钢网(1)将成球膏(3)刮入钢网的孔中然后向上提悬挂装置(7)，实现成球膏(3)与钢网(1)上的孔壁之间的不润湿脱模，并在不润湿的基板(4)上脱模形成柱状成球膏(12)；将脱模后的基板(4)通过传送装置(5)导入加热装置(8)中使柱状成球膏(12)熔化，高温下柱状成球膏(12)中的粘结剂中的大部分组份气化散失，同时剩余的熔融金属和少量包覆在熔融金属表面的残留成膜组份在冷却过程中依靠表面张力在不润湿的基板(4)上收缩形成均一颗粒(13)，然后采用另一金属刮刀(2)将基板(4)上的颗粒(13)刮入金属颗粒收集槽(11)中。
7.按照权利要求6所属肚饿方法，其特征在于，传送装置(5)采用耐热材料，如钢传送板等。
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