CN111653494B - 非接触式加热的倒装焊工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非接触式加热的倒装焊工艺方法,包括以下步骤:提供一倒装焊设备,准备一具有焊料球凸点的芯片和一具有焊盘的管壳;将芯片具有焊料球凸点的一面与管壳相对;吸头携带芯片移动至管壳上方对应的焊接位置;吸头携带芯片下压管壳,在检测到焊料球凸点与焊盘之间的压力达到预设接触力时,吸头停止移动;吸头离开芯片并向上抬升;启动吸头加热,使吸头表面升温至预设温度后保持相应时间,对芯片加热以熔化焊料球;吸头停止加热并上抬复位,完成芯片与管壳的焊接。该工艺方法简化了整个工艺流程,极大提高了生产效率,焊接过程中芯片与管壳具有自对准效应,还能有效避免因焊料球凸点与焊盘之间的机械应力导致的焊料球凸点压缩不均匀问题。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路封装工艺,特别是涉及一种非接触式加热的倒装焊工艺方法。
背景技术
芯片倒装焊工艺(flip-chip)在高密度、高可靠集成电路封装工艺中具有广泛的应用。其主流的工艺方法为:基板或管壳印刷助焊剂→芯片倒装焊(利用助焊剂将芯片粘附在管壳或基板表面)→回流→清洗芯片与基板缝隙之间的残留助焊剂。
采用传统的工艺方法,存在着诸多问题:残留在芯片与基板缝隙之间的助焊剂不易清洗干净,对于油溶性助焊剂则更甚;如果不使用助焊剂,则在将芯片与基板进行预贴合后再进行回流,因芯片与基板之间没有助焊剂的粘附力而极易发生相对移位,最终导致焊接偏移和芯片脱离;如果不使用助焊剂但使加热吸头在将芯片与基板贴合后持续施加压力和升温,将导致焊接后焊料球凸点的压缩程度不一致;在没有助焊剂且没有高纯氮气保护的情况下进行的焊接,焊球表面氧化物急剧增多。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种非接触式加热的倒装焊工艺方法,以解决传统工艺流程中助焊剂不易清洗、焊接不牢固的问题。
为解决上述问题,本发明提供一种非接触式加热的倒装焊工艺方法,具体包括以下步骤:
S1:提供一具有保护装置、预热台和吸头的倒装焊设备,准备一具有焊料球凸点的待倒装焊接的芯片和一具有焊盘的管壳,其中所述保护装置为上端开口的半封闭式结构,所述预热台设置于保护装置内,用于承载管壳及对管壳进行预加热,所述吸头对应设置于预热台的上方,用于吸附及加热待倒装焊接的芯片;
S2:通过吸头将芯片吸附,并将管壳装载在预热台上,以使芯片具有焊料球凸点的一面与与管壳相对;
S3:在完成管壳与芯片的识别定位后,通过吸头使得芯片移动至管壳上方的对应焊接位置;
S4:通过吸头携带芯片下压管壳,当焊料球凸点与焊盘之间的压力达到预设接触力时,吸头停止移动;
S5:吸头离开芯片并相对于芯片向上抬升5μm~15μm;
S6:启动吸头加热,利用热对流和热辐射对芯片进行加热,使吸头表面升至预设温度后保持预设时间,以熔化焊料球;
S7:吸头停止加热并上抬复位,完成倒装焊接。
进一步的,所述吸头为具备真空加载和释放以及加热功能的高导热氮化铝陶瓷吸头,且所述吸头表面的温度控制范围为200℃~450℃。
进一步的,所述预热台的温度控制范围为200℃~300℃,且所述温度均匀性为±3℃。
进一步的,所述保护装置的侧板上靠近底部的位置处设置有至少一通孔,用于接入氮气,且所述氮气的流量大于等于30L/min。
进一步的,所述预设接触力的大小为2±0.5N。
进一步的,在焊接过程中所述芯片与管壳具有自对准效应。
本发明的有益效果:
(1)采用无助焊剂的方式对芯片和管壳进行焊接,在焊接过程中无需进行回流和清洗残留助焊剂的操作,避免因助焊剂残留造成的污染,简化了整个工艺流程,极大提高了生产效率;
(2)在焊接过程中通过将吸头向上抬升5μm~15μm,使得在焊料球熔化时芯片与吸头为非接触状态,此时焊料球凸点与焊盘之间不存在机械应力,使得焊料球凸点压缩程度一致;
(3)通过在保护装置底部持续通入氮气作为保护气体,避免在焊接过程中焊料球表面氧化物剧增,使得焊料球表面明亮;
(4)整个焊接过程一次性完成,中途不存在步骤间的芯片传递,同时通过焊料球与焊盘之间的自对准效应,芯片无移位风险。
附图说明
图1是本发明非接触式加热的倒装焊工艺方法的较佳的实施方式的流程图。
图2是图1所示倒装焊工艺方法中步骤S1-S2的示意图。
图3是图1所示倒装焊工艺方法中步骤S3-S4的示意图。
图4是图1所示倒装焊工艺方法中步骤S5-S6的示意图。
图5是图1所示倒装焊工艺方法中步骤S7的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
在本发明的描述中,除非另有规定和限定,需要说明的是,术语“连接”应做广义理解,例如,可以是机械连接或电连接,也可以是两个元件内部的连通,可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1所示,是本发明非接触式加热的倒装焊工艺方法的较佳的实施方式的流程图。本发明非接触式加热的倒装焊工艺方法具体包括以下步骤:
S1:提供一具有保护装置1、预热台2和吸头3的倒装焊设备,准备一具有焊料球凸点401的待倒装焊接的芯片4和一具有焊盘501的管壳5,其中所述保护装置1为上端开口的半封闭式结构,所述预热台2设置于保护装置1内,用于承载管壳5及对管壳5上的焊盘501进行加热,所述吸头3对应设置于预热台2的上方,用于吸附及加热待倒装焊接的芯片4。
具体的,如图2所示,所述保护装置1为上端开口的半封闭式结构,所述保护装置1的侧板上靠近底部的位置处设置有至少一通孔11,在整个焊接的过程中,通过设置在所述保护装置1侧板上靠近底部位置的通孔11持续向保护装置1内通入氮气N2,以作为芯片4倒装焊接时的保护气体,避免焊料球凸点401在熔化时受外界气体的影响,从而导致焊料球凸点401表面的氧化物剧增;所述氮气N2的流量大于等于30L/min。所述预热台2设置在所述保护装置1内,以用于承载管壳5,同时还用于对管壳5上的焊盘501进行加热;所述预热台2在焊接过程中全程开启,所述预热台2的温度控制范围为200℃~300℃,且所述预热台2表面的温度均匀性为±3℃。所述吸头3对应设置在所述预热台2上方,并能沿竖直方向上下移动;所述吸头3为高导热氮化铝陶瓷吸头,所述吸头3具备真空加载和释放功能,以用于吸附芯片4,同时所述吸头3还具有加热功能,以用于加热芯片4使焊料球凸点401熔化;所述吸头3表面的温度控制范围为200℃~450℃。
S2:通过吸头3将芯片4吸附,并将管壳5装载在预热台2上,以使芯片4具有焊料球凸点的一面与管壳5相对。
具体的,如图2所示,将芯片4具有焊料球凸点401的一面朝下,另一面与吸头3接触,吸头3通过其真空加载功能将芯片4与吸头3间抽成真空状态,吸附芯片4以带动芯片4移动。将管壳5具有焊盘501的一面朝上,另一面与预热台2接触,通过预热台2对管壳5上的焊盘501进行加热,以便于焊盘501和焊料球凸点401之间发生热传递,使焊料球凸点401熔化后与焊盘501连接。在焊接之前将芯片4与管壳5相对,以便于芯片4能够准确放置在管壳5上。
S3:在完成管壳5与芯片4的识别定位后,通过吸头3使得芯片4移动至管壳5上方的对应位置。
具体的,如图3所示,吸头3向下移动的过程中带动芯片4下移至管壳5的上方,使焊料球凸点401与焊盘501上的焊接位一一对应,保证焊料球凸点401与对应的焊盘501之间准确焊接。
S4:通过吸头3携带芯片4下压管壳5,当焊料球凸点401与焊盘501之间的压力达到预设接触力时,吸头3停止移动。
具体的,如图3所示,当吸头3携带芯片4移动至管壳5上方时,继续向下移动吸头3,使芯片4上的焊料球凸点401接触焊盘501并向下挤压焊盘501;同时对焊料球凸点401与焊盘501之间的接触力进行监测,在焊料球凸点401与焊盘501之间的接触力达到预设值时,吸头3停止向下移动,所述预设接触力的大小为2±0.5N。在焊料球凸点401在挤压焊盘501的过程中,由于预热台2处于持续加热状态,在高温和压力的共同作用下,使得焊料球凸点401的表面由弧面变为平面,以将芯片4初步固定在管壳5上,防止在吸头3离开芯片4后导致芯片4与管壳5之间发生相对位移。
S5:吸头3离开芯片4并相对于芯片4向上抬升5μm~15μm。
具体的,如图4所示,当吸头3停止移动后,吸头3将其与芯片4间的真空释放并向上移动5μm~15μm离开芯片4,使得芯片4与吸头3之间处于非接触状态,此时在焊料球凸点401与焊盘501的焊接位之间不存在机械应力,以避免各焊料球凸点401在熔化过程受力不均匀导致各焊料球凸点401被压缩的程度不一致。
S6:启动吸头3对芯片4进行加热,利用热对流和热辐射对芯片及逆行加热,使吸头3表面升至预设温度后保持预设时间,以熔化焊料球凸点401。
具体的,如图4所示,当吸头3向上抬升至指定位置后,启动吸头3的加热功能,吸头3的表面迅速升温以加热焊料球凸点401,并在该温度下保持对应的时间使得所有焊料球凸点401都能够完全熔化,避免在起拔芯片4时造成焊盘501损坏。
S7:吸头3停止加热并复位,完成倒装焊接,得到倒装焊芯片6。
具体的,如图5所示,吸头3加热到指定时间后停止加热,并将吸头3复位至初始位置,以待下一次使用,至此完成芯片4与管壳5之间的倒装焊接,得到倒装焊芯片6。
在焊接的过程中,所述预热台2的加热温度根据所述管壳5的厚度及大小、焊盘501镀层材料及厚度确定;所述吸头3的表面温度、加热时间以及向上抬升的距离根据所述芯片4的厚度及大小、焊料球凸点401的材料及熔点确定。
在本实施方式中,所述焊料球凸点401采用Pb95Sn5材料制成,所述焊盘501镀层为Au,且Au镀层的厚度为1.3μm。在对芯片4和管壳5进行倒装焊接时,将芯片4和管壳5装载在所述倒装焊设备1的相应位置后,启动保护装置1和预热台2,向保护装置1内部持续通入氮气,并将预热台2的温度设置为250℃,向下移动吸头3带动芯片4移动至管壳5上方,接着继续向下移动吸头3使得焊料球凸点401向下挤压焊盘501,当检测到焊料球凸点401与焊盘501之间的接触力为2N时,停止向下移动吸头3并将吸头3朝反方向抬升10μm,然后打开吸头3的加热功能,将吸头3的表面温度设置为400℃并保持一分钟,使得焊料球凸点401受热熔化后与焊盘501连接,以完成芯片4与管壳5的倒装焊接,得到倒装焊芯片6。整个过程未使用助焊剂,因此无需对到倒装焊芯片进行清洗等操作,极大缩短了生产时间,提高了生产效率;同时焊料球凸点401在受热熔化的过程中,芯片4与吸头3处于非接触状态,使得焊料球凸点401与焊盘501之间不存在机械应力,避免了焊料球凸点401压缩不均匀。
需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。以上仅为本发明的实施方式,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构,直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理在本发明的专利保护范围之内。
Claims (6)
1.非接触式加热的倒装焊工艺方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
S1:提供一具有保护装置、预热台和吸头的倒装焊设备,准备一具有焊料球凸点的待倒装焊接的芯片和一具有焊盘的管壳,其中所述保护装置为上端开口的半封闭式结构,所述预热台设置于保护装置内,用于承载管壳及对管壳进行预加热,所述吸头对应设置于预热台的上方,用于吸附及加热待倒装焊接的芯片;
S2:通过吸头将芯片吸附,并将管壳装载在预热台上,以使芯片具有焊料球凸点的一面与与管壳相对;
S3:在完成管壳与芯片的识别定位后,通过吸头使得芯片移动至管壳上方的对应焊接位置;
S4:通过吸头携带芯片下压管壳,当焊料球凸点与焊盘之间的压力达到预设接触力时,吸头停止移动;
S5:吸头离开芯片并相对于芯片向上抬升5μm~15μm;
S6:启动吸头加热,利用热对流和热辐射对芯片进行加热,使吸头表面升至预设温度后保持预设时间,以熔化焊料球;
S7:吸头停止加热并上抬复位,完成倒装焊接。
2.根据权利要求1所述的非接触式加热的倒装焊工艺方法,其特征在于:所述吸头为具备真空加载和释放以及加热功能的高导热氮化铝陶瓷吸头,且所述吸头表面的温度控制范围为200℃~450℃。
3.根据权利要求1所述的非接触式加热的倒装焊工艺方法,其特征在于:所述预热台的温度控制范围为200℃~300℃,且所述温度均匀性为±3℃。
4.根据权利要求1所述的非接触式加热的倒装焊工艺方法,其特征在于:所述保护装置的侧板上靠近底部的位置处设置有至少一通孔,用于接入氮气,且所述氮气的流量大于等于30L/min。
5.根据权利要求1所述的非接触式加热的倒装焊工艺方法,其特征在于:所述预设接触力的大小为2±0.5N。
6.根据权利要求1所述的非接触式加热的倒装焊工艺方法,其特征在于:在焊接过程中所述芯片与管壳具有自对准效应。
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