CN111230282B - 一种用于电子封装的微搅拌摩擦焊接工艺 - Google Patents

Abstract

一种用于电子封装的微搅拌摩擦焊接工艺，属于电子封装技术领域。本发明解决了现有的电子封装技术实现高密度化和无公害化效果不理想问题，以及现有搅拌摩擦焊接技术难以实现对微、小、薄结构的直接施焊的问题。首先，要焊接的第一焊盘与第二焊盘为一组焊盘组，当焊盘组呈单点布置时，在第一基板上预制加工出压入孔，并将焊盘组平行布置在第一基板与第二基板之间，将所述压入孔与焊盘组的中心位置对中布置，然后利用夹具压紧第一基板与第二基板，将搅拌头同轴对准在压入孔上方，控制搅拌头高速旋转并向下移动到压入孔内，进而压入第一焊盘中，在设定的压入量和保载时间下，实现第一焊盘和第二焊盘间的永久性冶金连接，最后控制搅拌头向上移出压入孔。

Description

一种用于电子封装的微搅拌摩擦焊接工艺

技术领域

本发明涉及一种用于电子封装的微搅拌摩擦焊接工艺，属于电子封装技术领域。

背景技术

随着信息技术和电子工业的迅猛发展，电子产品越来越多地融入到日常生活中，如移动通信设备、计算机等被广泛地应用；另一方面，在航空航天、智能交通和国防军事等高科技领域，电子产品也发挥着不可替代的作用。这些应用都要求电子产品具有更小、更轻、更高密度、更优性能、更可靠，从而驱动了集成电路封装和电子封装技术的飞速发展，这给目前的电子封装领域提出了两个关键性科学问题：高密度化和无公害化。

首先是高密度化，设备便携性驱动着移动通讯、储存用电子器件等的厚度不断降低，这带来了芯片组装和封装外形高度进一步下降的要求。工业界已开发大量技术来减小封装上的电子部件的总封装高度和占用面积，如通过减小布置在封装衬底上的芯片部件的厚度，或降低布置在芯片器件下的掩膜部分的厚度，封装系统的总高度可以有效地被减小。然而，软钎焊过程中所用焊料球的尺寸却难以进一步减小，因其尺寸的降低往往带来力学性能和电性能的下降，即焊点可靠性的严重损失。另一方面是无公害化，锡铅焊料球对人体有害，目前很多国家都命令禁止锡铅钎料的使用。基于此，电子封装行业的无铅钎料应运而生。然而，含锡量较高的无铅锡焊料球在焊接过程中，锡焊料球会和锡焊膏会熔为一体，导致芯片器件的报废。而通过合金化制备的无铅焊料球，如锡银铜、锡铋、锡锌、锡银铋铟等，或是通过多相复合材料，如石墨烯、碳纳米管等添加，往往增强了焊料的脆性，或存在不均匀性或放射性的问题，大大降低了焊料球的可靠性。

因此，针对电子封装领域目前存在的关键性问题，即高密度化和无公害化问题。如能提出一种无需焊料球，直接实现焊盘间互相连接的制备工艺，可大幅度降低封装外形高度，并彻底避免生物毒性问题，将具有良好的应用前景和推广潜力。搅拌摩擦焊接作为一种低温固相焊接技术，可以有效地将金属材料通过大塑性变形和变形产热实现焊盘间的元素扩散和永久性冶金连接的固相非熔化焊接工艺。然而，目前的搅拌摩擦焊技术由于其焊具结构和工艺特性，对于微、小、薄的结构难以直接施焊，因此需要提出一种全新的适用于电子封装的微搅拌摩擦焊接技术以满足高密度化和无公害化的迫切需求。

发明内容

本发明是为了解决现有的电子封装技术实现高密度化和无公害化效果不理想的问题，以及现有搅拌摩擦焊接技术难以实现对微、小、薄结构的直接施焊的问题，进而提供了一种用于电子封装的微搅拌摩擦焊接工艺。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种用于电子封装的微搅拌摩擦焊接工艺，首先，要焊接的第一焊盘与第二焊盘为一组焊盘组，当焊盘组呈单点布置时，在第一基板上预制加工出压入孔，并将焊盘组平行布置在第一基板与第二基板之间，将所述压入孔与焊盘组的中心位置对中布置，然后利用夹具压紧第一基板与第二基板，将搅拌头同轴对准在压入孔上方，控制搅拌头高速旋转并向下移动到压入孔内，进而压入第一焊盘中，在设定的压入量和保载时间下，实现第一焊盘和第二焊盘间的永久性冶金连接，最后控制搅拌头向上移出压入孔，所使用的搅拌头包括依次同轴固接的连接段、过渡段及工作段，其中工作段的端部加工有半球形凸起，并在微搅拌焊接过程中压入第一焊盘中。

进一步地，当若干组焊盘组呈阵列布置时，在第一基板上预制加工出数量与焊盘组数量相同的若干个压入孔，且若干压入孔一一对应与若干组焊盘组对中布置，然后利用夹具压紧第一基板与第二基板，将若干搅拌头对应安装在多轴器上，且保证若干搅拌头一一对应同轴对准在若干压入孔的上方，通过多轴器控制所有搅拌头以相同的旋转速度同向旋转，并向下移动到对应压入孔内，进而压入对应第一焊盘中，在设定的压入量和保载时间下，实现每组焊盘组中两个焊盘间的永久性冶金连接，最后控制搅拌头向上移出压入孔，所使用的搅拌头包括依次同轴固接的连接段、过渡段及工作段，其中工作段的端部加工有半球形凸起，并在微搅拌焊接过程中压入对应的第一焊盘中。

进一步地，所述连接段及所述工作段均为圆柱体结构，所述过渡段为圆台段，圆台段的两端直径分别对应与其固接的连接段和工作段直接相同，其中工作段直径为 0.1mm～2mm，半球形凸起的结构曲率半径为工作段直径的1～5倍。

进一步地，搅拌头的旋转速度为3000～100000rpm，压入速度为0.5～5mm/min，压入量为0.05～0.3mm，压入后保载时间为0.5～10.0s。

进一步地，所述工作段的直径小于或等于压入孔的直径。

进一步地，每个搅拌头与多轴器之间均为螺纹连接。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

一、采用本申请的焊接工艺，与现有技术相比，无需使用焊膏和焊料球，大幅降低了封装体的外形高度，实现了电子封装结构的高密度化，同时由于避免了焊膏和焊料球中使用的有生物毒性和环境污染性的有害元素，实现了无公害化的应用需求；

二、采用本申请的焊接工艺，采用搅拌摩擦焊接原理实现面阵列电子封装互连，材料在连接过程中不发生熔化，在连接过程中利用大塑性变形实现界面元素快扩散以达到连接目的，连接过程耗时短，所用焊盘无需额外表面处理，提高了力学性能、抗高温性能和抗电迁移性能；

三、采用本申请的焊接工艺，采用搅拌摩擦焊接原理产热，所需焊接温度条件来源于搅拌头与焊盘材料间的摩擦产热和焊盘材料的形变产热，峰值温度取决于焊盘材料的热流动应力，焊接过程温度低，残余应力小；

四、采用本申请的焊接工艺，无需复杂的前处理，如焊盘表面镀层等，减少了工序，具有工艺简单、成本低、加工效率高且且可重复性好，仅需常规铣床或钻床添加多轴器，即可实现阵列式微搅拌摩擦焊接工艺，具有良好的应用前景，同时本申请的应用范围广，无需考虑焊料球与焊盘间的润湿性问题，适用于更多种材质的焊盘类型，非常适用于工业生产。

附图说明

图1为用于电子封装的微搅拌摩擦焊接工艺焊点实现过程示意图；

图2为搅拌头的主视示意图；

图3为图2的P处放大示意图；

图4为若干搅拌头安装在多轴器上的立体结构示意图；

图5中的(a)、(b)、(c)、(d)分别为若干搅拌头在多轴器上的多种阵列布置形式示意图；

图6为现有技术中球珊阵列封装结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～6说明本实施方式，一种用于电子封装的微搅拌摩擦焊接工艺，首先，要焊接的第一焊盘1与第二焊盘2为一组焊盘组，当焊盘组呈单点布置时，在第一基板3上预制加工出压入孔4，并将焊盘组平行布置在第一基板3与第二基板5之间，将所述压入孔4与焊盘组的中心位置对中布置，然后利用夹具压紧第一基板3与第二基板5，将搅拌头6同轴对准在压入孔4上方，控制搅拌头6高速旋转并向下移动到压入孔4内，进而压入第一焊盘1中，在设定的压入量和保载时间下，实现第一焊盘1和第二焊盘2间的永久性冶金连接，最后控制搅拌头6向上移出压入孔4，所使用的搅拌头6包括依次同轴固接的连接段61、过渡段62及工作段63，其中工作段63的端部加工有半球形凸起64，并在微搅拌焊接过程中压入第一焊盘1中。

所述搅拌头6即为微搅拌摩擦焊接头。第一基板3、第二基板5、第一焊盘1及第二焊盘2均为现有技术，用于压紧第一基板3与第二基板5的夹具采用现有能够实现对两个基板进行压紧的夹具即可。

每个焊盘材质包括但不限于铜焊盘、铝焊盘、银焊盘等，所选焊盘材料应考虑焊盘与基板间结合的可实现性；

搅拌头6材质包括但不限于为热作模具钢，硬质合金及陶瓷等，所选材质硬度不低于焊盘材料硬度。

搅拌头6在旋转并压入焊盘过程中，对焊盘施加大塑性变形和摩擦热、变形热，以实现微搅拌摩擦焊接。

本申请通过在第一基板3上预制加工压入孔4以及通过搅拌头6端部的半球形凸起64实现对微、小、薄结构的直接施焊，且保证焊点的高可靠性焊接。

本申请将封装焊点结构从传统的焊盘-焊膏-焊料球-焊膏-焊盘简化为焊盘-焊盘，即第一焊盘1-第二焊盘2，过程中无需焊膏和焊料球，从而减小了封装接头中焊膏和焊料球所占据的高度，该工艺可大幅度降低封装外形高度，并且因为不使用焊料球，避免了具有生物毒性和环境污染性的钎料的使用，从而实现无公害化封装。

第一基板3上预制加工一个压入孔4，并通过一个搅拌头6实现两个焊盘的微搅拌摩擦单点焊接。需要进行焊接的两个焊盘作为一组焊盘组，当多组焊盘组呈不规则方式分布时，也可选用此种单点焊接工艺进行逐一焊接。

当若干组焊盘组呈阵列布置时，在第一基板3上预制加工出数量与焊盘组数量相同的若干个压入孔4，且若干压入孔4一一对应与若干组焊盘组对中布置，然后利用夹具压紧第一基板3与第二基板5，将若干搅拌头6对应安装在多轴器7上，且保证若干搅拌头 6一一对应同轴对准在若干压入孔4的上方，通过多轴器7控制所有搅拌头6以相同的旋转速度同向旋转，并向下移动到对应压入孔4内，进而压入对应第一焊盘1中，在设定的压入量和保载时间下，实现每组焊盘组中两个焊盘间的永久性冶金连接，最后控制搅拌头 6向上移出压入孔4，所使用的搅拌头6包括依次同轴固接的连接段61、过渡段62及工作段63，其中工作段63的端部加工有半球形凸起64，并在微搅拌焊接过程中压入对应的第一焊盘1中。

通过两个基板及预制加工的若干压入孔4，实现面阵列电子封装。焊盘上均不需涂覆焊膏或粘附含助焊剂的锡箔。

搅拌头6的连接段61加工有外螺纹，并与多轴器7之间通过螺纹连接。

采用本申请的焊接工艺，当预封装结构体，即已用夹具加紧的带压入孔4阵列的第一基板-第一焊盘-第二焊盘-第二基板，通过搅拌头6施加大塑性变形和摩擦热、变形热时，焊盘界面材料在热力耦合作用下进入热塑性状态，表面氧化膜在形变作用下被破碎并裸露出金属表面，在搅拌头6的压力作用下产生界面扩散，同时由于大塑性变形显著提高了焊盘界面区域的位错密度，实现了元素的管道扩散，大大提高了扩散速率，从而在较短的施加内获取优质的界面冶金连接，该过程只需最多30s即可完成。

本申请可通过若干搅拌头6的安装位置进行自定义，调整不同阵点上是否安装搅拌头 6即可实现自定义阵列封装结构。

所述连接段61及所述工作段63均为圆柱体结构，所述过渡段62为圆台段，圆台段的两端直径分别对应与其固接的连接段61和工作段63直径 相同，其中工作段63直径为0.1mm～2mm，半球形凸起64的结构曲率半径为工作段63直径的1～5倍。如此设计，与现有技术相比，用于实现微搅拌摩擦焊接的工作段63直径和半球形凸起64的结构曲率半径更小，更易实现对微、小、薄结构的直接施焊。

搅拌头6的旋转速度为3000～100000rpm，压入速度为0.5～5mm/min，压入量为0.05～0.3mm，压入后保载时间为0.5～10.0s。实际压入位置以半球形凸起位置高于第一焊盘1与第二焊盘2接触面为准。

所述工作段63的直径小于或等于压入孔4的直径。

每个搅拌头6与多轴器7之间均为螺纹连接。

Claims (5)

1.一种用于电子封装的微搅拌摩擦焊接工艺，其特征在于：首先，要焊接的第一焊盘(1)与第二焊盘(2)为一组焊盘组，当焊盘组呈单点布置时，在第一基板(3)上预制加工出压入孔(4)，并将焊盘组平行布置在第一基板(3)与第二基板(5)之间，将所述压入孔(4)与焊盘组的中心位置对中布置，然后利用夹具压紧第一基板(3)与第二基板(5)，将搅拌头(6)同轴对准在压入孔(4)上方，控制搅拌头(6)高速旋转并向下移动到压入孔(4)内，进而压入第一焊盘(1)中，在设定的压入量和保载时间下，实现第一焊盘(1)和第二焊盘(2)间的永久性冶金连接，最后控制搅拌头(6)向上移出压入孔(4)，所使用的搅拌头(6)包括依次同轴固接的连接段(61)、过渡段(62)及工作段(63)，其中工作段(63)的端部加工有半球形凸起(64)，并在微搅拌焊接过程中压入第一焊盘(1)中；所述连接段(61)及所述工作段(63)均为圆柱体结构，所述过渡段(62)为圆台段，圆台段的两端直径分别对应与其固接的连接段(61)和工作段(63)直径相同，其中工作段(63)直径为0.1mm～2mm，半球形凸起(64)的结构曲率半径为工作段(63)直径的1～5倍。

2.根据权利要求1所述的一种用于电子封装的微搅拌摩擦焊接工艺，其特征在于：当若干组焊盘组呈阵列布置时，在第一基板(3)上预制加工出数量与焊盘组数量相同的若干个压入孔(4)，且若干压入孔(4)一一对应与若干组焊盘组对中布置，然后利用夹具压紧第一基板(3)与第二基板(5)，将若干搅拌头(6)对应安装在多轴器(7)上，且保证若干搅拌头(6)一一对应同轴对准在若干压入孔(4)的上方，通过多轴器(7)控制所有搅拌头(6)以相同的旋转速度同向旋转，并向下移动到对应压入孔(4)内，进而压入对应第一焊盘(1)中，在设定的压入量和保载时间下，实现每组焊盘组中两个焊盘间的永久性冶金连接，最后控制搅拌头(6)向上移出压入孔(4)，所使用的搅拌头(6)包括依次同轴固接的连接段(61)、过渡段(62)及工作段(63)，其中工作段(63)的端部加工有半球形凸起(64)，并在微搅拌焊接过程中压入对应的第一焊盘(1)中。

3.根据权利要求1所述的一种用于电子封装的微搅拌摩擦焊接工艺，其特征在于：搅拌头(6)的旋转速度为3000～100000rpm，压入速度为0.5～5mm/min，压入量为0.05～0.3mm，压入后保载时间为0.5～10.0s。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种用于电子封装的微搅拌摩擦焊接工艺，其特征在于：所述工作段(63)的直径小于或等于压入孔(4)的直径。

5.根据权利要求2所述的一种用于电子封装的微搅拌摩擦焊接工艺，其特征在于：每个搅拌头(6)与多轴器(7)之间均为螺纹连接。

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