CN112017979A - 适用于芯片的异质异构两相材料的瞬间固化装置及方法 - Google Patents

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Abstract

适用于芯片的异质异构两相材料的瞬间固化装置及方法属于异质异构材料连接技术领域。瞬间固化装置包括芯片装夹装置、引脚装夹装置、微区瞬时加热装置、加压装置、矩形板、导轨移动装置和填料装置。本发明通过微区瞬时加热装置加热微区区域内的纳米粉液，使纳米粉液呈熔融状态，并之后利用加压装置为槽型微区区域内的熔融纳米粉液加压，使熔融纳米粉液快速固化，快速瞬间且牢固的连接无基岛芯片与引脚。本发明具有加工焊接工艺简单、生产成本低廉，焊接所需空间小，焊接速度效率高，焊接后芯片与引脚连接牢固，载流能力明显增强，导电性能提升，焊接良率高等优点。

Description

适用于芯片的异质异构两相材料的瞬间固化装置及方法
技术领域
本发明属于异质异构材料连接技术领域，特别是涉及到一种适用于芯片的异质异构两相材料的瞬间固化装置及方法。
背景技术
近年来，随着新材料不断涌现，异质异构材料的复合连接得到了快速的发展和应用，尤其是在航空航天、机械电子、国防工业、微电子工业和汽车制造等高科技领域飞速发展。微电子工业中，芯片与引脚的连接也属于异质异构材料的连接技术领域。芯片是指内含集成电路的硅片,体积很小,常常是计算机或其他电子设备的一部分。它是电子设备中最重要的部分,承担着运算、存储等功能。引脚，又叫管脚。就是从芯片内部电路引出与外围电路的接线，所有的引脚就构成了这块芯片的接口。引线末端的一段，通过软钎焊使这一段与印制板上的焊盘共同形成焊点。引脚可划分为脚跟、脚趾、脚侧等部分。
最常见的芯片与引脚连接是采用金线连接，金线连接主要使用热压超声键合工艺。芯片一般固定在基岛上，然后通过金线与引脚连接。使用金线连接的方法时焊接面尺寸较小，一般只有50μm x50μm，否则因金价昂贵，生产成本会大幅增加，而且焊接占用空间大，金丝跨度大，长度大，传输距离远，载流能力差，焊接率损失较大，所以需要进一步改进。
因此现有技术当中亟需一种新型的技术方案来解决这一问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种适用于芯片的异质异构两相材料的瞬间固化装置及方法用于解决现有技术中芯片与引脚使用金丝并采用主流热压超声键合工艺进行连接，焊接温度较高时会出现虚焊和金属间隔层，对焊接表面清洁度要求高，焊接占用空间大，生产成本高等技术问题。
适用于芯片的异质异构两相材料的瞬间固化装置，包括芯片装夹装置、引脚装夹装置、微区瞬时加热装置、加压装置、矩形板、导轨移动装置和填料装置，
所述导轨移动装置包括导轨、导轨限位块和限位螺栓；所述导轨限位块分别设置在导轨的两端，两个导轨限位块之间一次设置有芯片装夹装置、矩形板以及引脚装夹装置，导轨限位块上均连接有限位螺栓，导轨限位块通过限位螺栓与芯片装夹装置以及引脚装夹装置固定连接；
所述芯片装夹装置包括芯片夹持部和导向板Ⅰ；所述芯片夹持部的一侧夹持无基岛芯片，芯片夹持部的另一侧与导向板Ⅰ滑动连接；所述导向板Ⅰ的下部与导轨滑动连接；所述引脚装夹装置包括引脚夹持部和导向板Ⅱ；所述引脚夹持部的一侧夹持引脚，引脚夹持部的另一侧与导向板Ⅱ滑动连接；所述导向板Ⅱ的下部与导轨滑动连接；所述矩形板位于导向板Ⅰ与导向板Ⅱ之间，矩形板的下部与导轨滑动连接，矩形板的中部设置有槽型微区区域，矩形板的上部设置有与槽型微区区域连通的通孔；所述槽型微区区域的侧壁上设置有无基岛芯片和引脚插入的插入口，并且在插入口处设置有密封圈，槽型微区区域与插入槽型微区区域内的无基岛芯片和引脚形成密闭空间；所述无基岛芯片与引脚接触式连接；
所述微区瞬时加热装置包括激光控制器、激光器和光纤；所述激光控制器通过导线与激光器电性连接；所述光纤的一端与激光器连接，光纤的另一端延伸至槽型微区区域并通过光纤法兰固定；
所述加压装置包括加压装置活塞和加压装置主体；所述加压装置活塞的一端位于加压装置主体内，加压装置活塞的另一端插入通孔并与通孔的侧壁密封活动连接；
所述填料装置通过填料导管与槽型微区区域连通，填料装置上设置有开关阀和止回阀。
所述芯片夹持部包括上夹板Ⅰ、下夹板Ⅰ和螺栓Ⅰ；所述上夹板Ⅰ和下夹板Ⅰ上均设有螺纹孔，上夹板Ⅰ和下夹板Ⅰ夹持无基岛芯片并通过螺栓Ⅰ旋紧固定。
所述引脚夹持部包括上夹板Ⅱ、下夹板Ⅱ和螺栓Ⅱ；所述上夹板Ⅱ和下夹板Ⅱ上均设有螺纹孔，上夹板Ⅱ和下夹板Ⅱ夹持引脚并通过螺栓Ⅱ旋紧固定。
所述槽型微区区域内部涂覆有隔热绝缘涂层。
所述隔热绝缘涂层为氧化钛涂层、氧化硅涂层或氧化铁涂层。
所述开关阀为手动阀或电磁阀。
适用于芯片的异质异构两相材料的瞬间固化方法，利用所述的适用于芯片的异质异构两相材料的瞬间固化装置，包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行，
步骤一、将加工有槽型微区区域的矩形板安装在导轨上，将芯片装夹装置安装在导轨上并且芯片装夹装置位于矩形板的一侧，将引脚装夹装置安装在导轨上并且引脚装夹装置位于矩形板的另一侧；
步骤二、调节芯片装夹装置的芯片夹持部将无基岛芯片装夹并紧固；
步骤三、调节引脚装夹装置的引脚夹持部将引脚装夹并紧固；
步骤四、沿导轨移动芯片装夹装置和引脚装夹装置，将装夹完成的无基岛芯片与引脚置于槽型微区区域中并密封，槽型微区区域中的无基岛芯片与引脚接触式连接；
步骤五、通过导轨上的导轨限位块和限位螺栓对芯片装夹装置和引脚装夹装置进行限位和固定；
步骤六、通过填料装置的开关阀将导电的纳米粉液或纳米颗粒溶液放入矩形板内的槽型微区区域内；
步骤七、启动激光器，激光器通过光纤瞬间加热槽型微区区域内的纳米粉液或纳米颗粒溶液，使纳米粉液熔融，其中激光器的激光功率通过激光控制器进行调节；
步骤八、启动加压装置，加压装置活塞向下运动过程中给槽型微区区域中加压，无基岛芯片与引脚在加压状态下伴随熔融纳米粉液的快速固化瞬间固化连接；
步骤九、加工结束后关闭激光器。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
本发明通过微区瞬时加热装置加热微区区域内的纳米粉液，使纳米粉液呈熔融状态，并之后利用加压装置为槽型微区区域内的熔融纳米粉液加压，使熔融纳米粉液快速固化，快速瞬间且牢固的连接无基岛芯片与引脚。改进了常见芯片与引脚使用金丝连接中主流热压超声键合工艺带来的焊接温度较高时会出现虚焊和金属间隔层，焊接表面清洁度要求高，焊接占用空间大，生产成本高等问题。本发明具有加工焊接工艺简单、生产成本低廉，焊接所需空间小，焊接速度效率高，焊接后芯片与引脚连接牢固，载流能力明显增强，导电性能提升，焊接良率高等优点。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
图1为本发明适用于芯片的异质异构两相材料的瞬间固化装置及方法中瞬间固化装置的结构示意图。
图2为本发明适用于芯片的异质异构两相材料的瞬间固化装置及方法中瞬间固化装置的剖视结构示意图。
图3为本发明适用于芯片的异质异构两相材料的瞬间固化装置及方法中无基岛芯片与引脚的位置关系示意图。
图4为本发明适用于芯片的异质异构两相材料的瞬间固化装置及方法中槽型微区区域、无基岛芯片以及引脚的连接结构示意图。
图5为本发明适用于芯片的异质异构两相材料的瞬间固化装置及方法中微区瞬时加热装置工作结构示意图。
图6为本发明适用于芯片的异质异构两相材料的瞬间固化装置及方法中填料装置与槽型微区区域的连接结构示意图。
图中，1-芯片装夹装置、2-引脚装夹装置、3-微区瞬时加热装置、4-加压装置、5-矩形板、6-导轨移动装置、7-填料装置、8-无基岛芯片、9-引脚、101-芯片夹持部、102-导向板Ⅰ、1011-上夹板Ⅰ、1012-下夹板Ⅰ、1013-螺栓Ⅰ、201-引脚夹持部、202-导向板Ⅱ、2011-上夹板Ⅱ、2012-下夹板Ⅱ、2013-螺栓Ⅱ、301-激光控制器、302-激光器、303-光纤、304-导线、401-加压装置活塞、402-加压装置主体、501-槽型微区区域、502-通孔、601-导轨、602-导轨限位块、603-限位螺栓、701-开关阀、702-止回阀、703-填料导管。
具体实施方式
如图所示，适用于芯片的异质异构两相材料的瞬间固化装置，包括芯片装夹装置1、引脚装夹装置2、微区瞬时加热装置3、加压装置4、矩形板5、导轨移动装置6和填料装置7，
所述导轨移动装置6包括导轨601、导轨限位块602和限位螺栓603；所述导轨限位块602分别设置在导轨601的两端，两个导轨限位块602之间一次设置有芯片装夹装置1、矩形板5以及引脚装夹装置2，导轨限位块602上均连接有限位螺栓603，导轨限位块602通过限位螺栓603与芯片装夹装置1以及引脚装夹装置2固定连接，用于芯片装夹装置1以及引脚装夹装置2以及矩形板5在导轨601上移动调节及位置固定。
所述芯片装夹装置1包括芯片夹持部101和导向板Ⅰ102；所述芯片夹持部101的一侧夹持无基岛芯片8，芯片夹持部101的另一侧与导向板Ⅰ102滑动连接；所述导向板Ⅰ102的下部与导轨601滑动连接，导向板Ⅰ102可以在导轨601上进行移动；所述芯片夹持部101包括上夹板Ⅰ1011、下夹板Ⅰ1012和螺栓Ⅰ1013；所述上夹板Ⅰ1011和下夹板Ⅰ1012上均设有螺纹孔，上夹板Ⅰ1011和下夹板Ⅰ1012夹持无基岛芯片8并通过螺栓Ⅰ1013旋紧固定。通过螺栓Ⅰ1013调节上夹板Ⅰ1011和下夹板Ⅰ1012之间的距离到达装夹固定无基岛芯片8的目的。上夹板Ⅰ1011和下夹板Ⅰ1012可以在导向板Ⅰ102上进行移动。
所述引脚装夹装置2包括引脚夹持部201和导向板Ⅱ202；所述引脚夹持部201的一侧夹持引脚9，引脚夹持部201的另一侧与导向板Ⅱ202滑动连接；所述导向板Ⅱ202的下部与导轨601滑动连接，导向板Ⅱ202可以在导轨601上进行移动；所述引脚夹持部201包括上夹板Ⅱ2011、下夹板Ⅱ2012和螺栓Ⅱ2013；所述上夹板Ⅱ2011和下夹板Ⅱ2012上均设有螺纹孔，上夹板Ⅱ2011和下夹板Ⅱ2012夹持引脚9并通过螺栓Ⅱ2013旋紧固定。通过螺栓Ⅱ2013来调节上夹板Ⅱ2011与下夹板Ⅱ2012之间的距离来达到装夹固定引脚9的目的，上夹板Ⅱ2011和下夹板Ⅱ2012可以在导向板Ⅱ202上进行移动。
所述矩形板5位于导向板Ⅰ102与导向板Ⅱ202之间，矩形板5的下部与导轨601滑动连接，矩形板5的中部设置有槽型微区区域501，矩形板5的上部设置有与槽型微区区域501连通的通孔502；所述槽型微区区域的侧壁上设置有无基岛芯片和引脚插入的插入口，并且在插入口处设置有密封圈，槽型微区区域与插入槽型微区区域内的无基岛芯片和引脚形成密闭空间；所述无基岛芯片8与引脚9紧密接触式连接；所述槽型微区区域501经过机械方法或激光方法制造出，槽型微区区域501内部涂覆有隔热性和绝缘性的氧化物涂层，该氧化物可以为氧化钛、氧化硅、氧化铁等。
所述微区瞬时加热装置3包括激光控制器301、激光器302和光纤303；所述激光控制器301通过导线304与激光器302电性连接；所述光纤303的一端与激光器302连接，光纤303的另一端延伸至槽型微区区域501并固定，用于实现槽型微区区域501内的纳米粉液瞬时加热。激光器302上设置有固定螺纹孔，起到固定激光器302的作用，激光器302的激光功率通过激光控制器301进行调节。激光控制器301用于调节激光功率，可直接置于装置外部。
所述加压装置4包括加压装置活塞401和加压装置主体402；所述加压装置活塞401的一端位于加压装置主体402内，加压装置活塞401的另一端插入通孔502并与通孔502的侧壁密封活动连接，加压装置主体402提供加压功能，加压装置活塞401可以在加压装置主体402内进行移动。加压装置4可以为气体增压泵，加压装置活塞401通过压缩槽型微区区域501上方密闭空间的气压，从而为槽型微区区域501加压从而实现熔融纳米粉液的快速瞬间固化。
所述填料装置7通过填料导管703与槽型微区区域501连通，填料装置7内盛装纳米粉液，填料装置7上设置有开关阀701和止回阀702。所述开关阀701为手动阀或电磁阀。
适用于芯片的异质异构两相材料的瞬间固化方法，包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行，
步骤一、将加工有槽型微区区域501的矩形板5安装在导轨601上，将芯片装夹装置1安装在导轨601上并且芯片装夹装置1位于矩形板5的一侧，将引脚装夹装置2安装在导轨601上并且引脚装夹装置2位于矩形板5的另一侧；
步骤二、调节芯片装夹装置1的芯片夹持部101将无基岛芯片8装夹并紧固；
步骤三、调节引脚装夹装置2的引脚夹持部201将引脚9装夹并紧固；
步骤四、沿导轨601移动芯片装夹装置1和引脚装夹装置2，将装夹完成的无基岛芯片8与引脚9插入槽型微区区域501中并通过插入口处的密封圈密封，槽型微区区域501中的无基岛芯片8与引脚9紧密连接；
步骤五、通过导轨601上的导轨限位块602和限位螺栓603对芯片装夹装置1和引脚装夹装置2进行限位和固定；
步骤六、通过填料装置7的开关阀701将导电的纳米粉液或纳米颗粒溶液放入矩形板5内的槽型微区区域501内，开关阀701可以手动控制也可以通过电脑控制流入槽型微区区域501的纳米粉液的量实现填料的开始暂停和终止功能，止回阀702防止纳米粉液回流至填料装置7；
步骤七、启动激光器302，激光器302通过光纤303瞬间加热槽型微区区域501内的纳米粉液或纳米颗粒溶液，使纳米粉液熔融，其中激光器302的激光功率通过激光控制器301进行调节；
步骤八、启动加压装置4，加压装置活塞401向下运动过程中压缩槽型微区区域501上方密闭空间的气压，给槽型微区区域501中加压使熔融纳米粉液快速固化，无基岛芯片8与引脚9在加压状态下伴随熔融纳米粉液的快速固化瞬间固化连接；
步骤九、加工结束后关闭激光器302。
本发明通过在矩形板5上制造槽型微区区域501，使无基岛芯片8、引脚9与槽型微区区域501密封连接，在槽型微区区域501填入纳米粉液，利用微区瞬时加热装置3加热使纳米粉液熔融，用加压装置4加压快速固化熔融的纳米粉液，实现无基岛芯片8与引脚9两相材料的瞬时固化连接。本发明具有焊接操作简单，焊接成本低、焊接速度快效率高，导电性能更好，焊接后无基岛芯片8与引脚9连接牢固，载流能力明显增强，焊接率高等优点。

Claims (7)

1.适用于芯片的异质异构两相材料的瞬间固化装置，其特征是：包括芯片装夹装置(1)、引脚装夹装置(2)、微区瞬时加热装置(3)、加压装置(4)、矩形板(5)、导轨移动装置(6)和填料装置(7)，
所述导轨移动装置(6)包括导轨(601)、导轨限位块(602)和限位螺栓(603)；所述导轨限位块(602)分别设置在导轨(601)的两端，两个导轨限位块(602)之间一次设置有芯片装夹装置(1)、矩形板(5)以及引脚装夹装置(2)，导轨限位块(602)上均连接有限位螺栓(603)，导轨限位块(602)通过限位螺栓(603)与芯片装夹装置(1)以及引脚装夹装置(2)固定连接；
所述芯片装夹装置(1)包括芯片夹持部(101)和导向板Ⅰ(102)；所述芯片夹持部(101)的一侧夹持无基岛芯片(8)，芯片夹持部(101)的另一侧与导向板Ⅰ(102)滑动连接；所述导向板Ⅰ(102)的下部与导轨(601)滑动连接；所述引脚装夹装置(2)包括引脚夹持部(201)和导向板Ⅱ(202)；所述引脚夹持部(201)的一侧夹持引脚(9)，引脚夹持部(201)的另一侧与导向板Ⅱ(202)滑动连接；所述导向板Ⅱ(202)的下部与导轨(601)滑动连接；所述矩形板(5)位于导向板Ⅰ(102)与导向板Ⅱ(202)之间，矩形板(5)的下部与导轨(601)滑动连接，矩形板(5)的中部设置有槽型微区区域(501)，矩形板(5)的上部设置有与槽型微区区域(501)连通的通孔(502)；所述槽型微区区域(501)的侧壁上设置有无基岛芯片(8)和引脚(9)插入的插入口，并且在插入口处设置有密封圈，槽型微区区域(501)与插入槽型微区区域(501)内的无基岛芯片(8)和引脚(9)形成密闭空间；所述无基岛芯片(8)与引脚(9)接触式连接；
所述微区瞬时加热装置(3)包括激光控制器(301)、激光器(302)和光纤(303)；所述激光控制器(301)通过导线(304)与激光器(302)电性连接；所述光纤(303)的一端与激光器(302)连接，光纤(303)的另一端延伸至槽型微区区域(501)并通过光纤法兰固定；
所述加压装置(4)包括加压装置活塞(401)和加压装置主体(402)；所述加压装置活塞(401)的一端位于加压装置主体(402)内，加压装置活塞(401)的另一端插入通孔(502)并与通孔(502)的侧壁密封活动连接；
所述填料装置(7)通过填料导管(703)与槽型微区区域(501)连通，填料装置(7)上设置有开关阀(701)和止回阀(702)。
2.根据权利要求1所述的适用于芯片的异质异构两相材料的瞬间固化装置，其特征是：所述芯片夹持部(101)包括上夹板Ⅰ(1011)、下夹板Ⅰ(1012)和螺栓Ⅰ(1013)；所述上夹板Ⅰ(1011)和下夹板Ⅰ(1012)上均设有螺纹孔，上夹板Ⅰ(1011)和下夹板Ⅰ(1012)夹持无基岛芯片(8)并通过螺栓Ⅰ(1013)旋紧固定。
3.根据权利要求1所述的适用于芯片的异质异构两相材料的瞬间固化装置，其特征是：所述引脚夹持部(201)包括上夹板Ⅱ(2011)、下夹板Ⅱ(2012)和螺栓Ⅱ(2013)；所述上夹板Ⅱ(2011)和下夹板Ⅱ(2012)上均设有螺纹孔，上夹板Ⅱ(2011)和下夹板Ⅱ(2012)夹持引脚(9)并通过螺栓Ⅱ(2013)旋紧固定。
4.根据权利要求1所述的适用于芯片的异质异构两相材料的瞬间固化装置，其特征是：所述槽型微区区域(501)内部涂覆有隔热绝缘涂层。
5.根据权利要求4所述的适用于芯片的异质异构两相材料的瞬间固化装置，其特征是：所述隔热绝缘涂层为氧化钛涂层、氧化硅涂层或氧化铁涂层。
6.根据权利要求1所述的适用于芯片的异质异构两相材料的瞬间固化装置，其特征是：所述开关阀(701)为手动阀或电磁阀。
7.适用于芯片的异质异构两相材料的瞬间固化方法，利用如权利要求1所述的适用于芯片的异质异构两相材料的瞬间固化装置，其特征是：包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行，
步骤一、将加工有槽型微区区域(501)的矩形板(5)安装在导轨(601)上，将芯片装夹装置(1)安装在导轨(601)上并且芯片装夹装置(1)位于矩形板(5)的一侧，将引脚装夹装置(2)安装在导轨(601)上并且引脚装夹装置(2)位于矩形板(5)的另一侧；
步骤二、调节芯片装夹装置(1)的芯片夹持部(101)将无基岛芯片(8)装夹并紧固；
步骤三、调节引脚装夹装置(2)的引脚夹持部(201)将引脚(9)装夹并紧固；
步骤四、沿导轨(601)移动芯片装夹装置(1)和引脚装夹装置(2)，将装夹完成的无基岛芯片(8)与引脚(9)置于槽型微区区域(501)中并密封，槽型微区区域(501)中的无基岛芯片(8)与引脚(9)接触式连接；
步骤五、通过导轨(601)上的导轨限位块(602)和限位螺栓(603)对芯片装夹装置(1)和引脚装夹装置(2)进行限位和固定；
步骤六、通过填料装置(7)的开关阀(701)将导电的纳米粉液或纳米颗粒溶液放入矩形板(5)内的槽型微区区域(501)内；
步骤七、启动激光器(302)，激光器(302)通过光纤(303)瞬间加热槽型微区区域(501)内的纳米粉液或纳米颗粒溶液，使纳米粉液熔融，其中激光器(302)的激光功率通过激光控制器(301)进行调节；
步骤八、启动加压装置(4)，加压装置活塞(401)向下运动过程中给槽型微区区域(501)中加压，无基岛芯片(8)与引脚(9)在加压状态下伴随熔融纳米粉液的快速固化瞬间固化连接；
步骤九、加工结束后关闭激光器(302)。
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