CN112548248B - 一种精确控制ccga植柱器件焊点焊料量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种精确控制CCGA植柱器件焊点焊料量的方法，首先，在焊盘上印刷助焊剂，在助焊剂上方再预放置固定尺寸的焊片或者焊球，助焊剂将焊片或者焊球固定在焊盘上，最后在焊片或者焊球上放置焊柱，并在焊柱顶端施加一定的压力，保证焊柱与焊片或者焊球的紧密贴合，然后进行焊接，在保证植柱质量的同时，保证焊料爬升高度精确爬升。本发明的方法所形成焊点可以精确控制的焊料量范围为0.02mm3～0.12mm3,焊料量控制偏差在±0.005mm3。保证焊料爬升可控制高度的范围为300μm～700μm，爬升高度误差控制在±50μm以内，远优于未使用本方法的同类器件。

Description

一种精确控制CCGA植柱器件焊点焊料量的方法
技术领域
本发明涉及一种控制CCGA植柱器件焊点焊料量的方法，尤其是陶瓷柱栅阵列，属于陶瓷柱栅阵列器件植柱工艺领域。
背景技术
随着电子系统向复杂化、集成化、小型化和高可靠的方向发展，对FPGA、 DSP、CPU和SoC等为代表的新一代高性能宇航用集成电路的需求也急剧增长，这些产品的特点是引出端数及密度急剧增加，对CCGA植柱器件的植柱质量和长期可靠性的要求也逐步增强。焊点的质量对CCGA植柱器件的植柱质量和长期可靠性的影响至关重要。而焊点的质量取决于焊点焊料量以及焊料爬升高度，焊点的焊料量小，焊点焊料爬升高度过低时，会导致焊点的焊接强度下降，板级装连后的长期可靠性受到影响，导致焊点在长期使用中发生开裂。常用的焊料涂覆工艺无法准确地保证每一个焊点的焊料量完全一致，会出现个别焊点焊料量少，爬升高度低的问题。这种情况在板级装联后的长期使用中会导致此焊点焊接牢固性较弱，率先发生开裂，最终导致失效。因此需要采用一种精确控制CCGA植柱器件焊点焊料量的方法进行焊点焊料量的控制，保证每个焊点的焊料量符合要求，并且一致性好。
目前行业内在陶瓷柱栅阵列器件植柱工艺上存在的主要问题为：
(1)焊点焊料量难以精确控制，个别焊点焊料量少，焊料爬升高度较低，国内厂家通常可将焊点焊料爬升高度控制在150μm～700μm以内，国外厂家通常可将焊柱共面性控制在200μm～700μm以内，虽然满足焊点100％包裹焊柱的行业标准，但依然存在器件焊点质量不良和长期可靠性下降的风险；
(2)CCGA植柱器件一般外引出端较多，无法器件上每个焊点焊料量均控制在固定的范围内，国内厂家通常可将焊点焊料爬升高度误差控制在±200μm以内，国外厂家通常可将焊点焊料爬升高度误差控制在±150μm以内，虽然满足焊点100％包裹焊柱的行业标准，但依然存在器件焊点质量一致性不好和长期可靠性下降的风险。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种精确控制CCGA 植柱器件焊点焊料量的方法，能够准确控制控制陶瓷柱栅阵列器件焊点的焊料量和焊料爬升高度。
本发明的技术解决方案是：一种精确控制CCGA植柱器件焊点焊料量的方法，步骤如下：
第一步、在CCGA植柱器件的焊盘上印刷助焊剂，使焊盘表面被助焊剂覆盖；
第二步、在助焊剂上方预放置设定尺寸的焊片或者焊球，由助焊剂将焊片或者焊球固定在焊盘上；
第三步、在焊片或者焊球上放置焊柱，并在焊柱顶端施加设定的压力，保证焊柱与焊片或者焊球的紧密贴合，
第四步、利用焊片或者焊球对焊柱和焊盘进行焊接，获得精确控制焊料量的焊点。
优选的，焊片或者焊球为焊料。
优选的，CCGA植柱器件为陶瓷柱栅阵列器件
优选的，第一步、在CCGA植柱器件的焊盘上印刷助焊剂，具体为：将助焊剂使用丝网印刷或者针转印或者喷印的方式涂敷在焊盘上，使焊盘表面被助焊剂覆盖。
优选的，第二步、在助焊剂上方预放置设定尺寸的焊片或者焊球，由助焊剂将焊片或者焊球固定在焊盘上，具体为：将焊片或焊球使用对应的丝网漏片或漏球，或者使用对应的吸片装置或吸球装置，进行焊片或焊球的放置。
优选的，第三步、在焊片或者焊球上放置焊柱，并在焊柱顶端施加设定的压力，保证焊柱与焊片或者焊球的紧密贴合，具体为：将焊柱放置在焊片或者焊球上方与焊盘保持垂直，使焊片或焊球、焊柱以及焊盘形成待封装结构，焊柱作为CCGA植柱器件的外引出端，保持垂直的方式为使用焊柱限位板将焊柱固定在设定的位置上，保证CCGA植柱器件的外引出端数量为10个～2000个之间时能够同时焊接；
优选的，第四步、利用焊片或者焊球对焊柱和焊盘进行焊接，获得精确控制焊料量的焊点，具体为：将第三步中待封装结构，按照焊片或焊球的原材料本身的推荐焊接温度使用热风回流焊、汽相回流焊或者红外炉进行焊接，使焊柱与CCGA植柱器件形成一体；
优选的，还包括第五步，如下：
第五步、采用真空吸附器件对CCGA植柱器件无焊盘一面进行吸附后，将 CCGA植柱器件从焊柱限位板中取出；
优选的，助焊剂(3)为松香类助焊剂、松香混合型助焊剂、盐酸类助焊剂中一种或几种。
优选的，使用丝网印刷或者针转印或者喷印的方式涂敷在焊盘上的助焊剂厚度为0.05mm～0.20mm，直径为0.35mm～0.80mm，助焊剂的总体积为 0.005mm3～0.100mm3，助焊剂黏度控制在500poise-1500poise。
优选的，焊片(2)为SnPb焊片、SnAgCu焊片、SnAg焊片中一种。
优选的，使用丝网漏焊片或者吸焊片装置进行放置的焊片为有厚度的圆形，其圆形截面直径为0.32mm～0.9mm，焊片厚度为0.05mm～0.25mm。
优选的，焊球(4)为SnPb焊球、SnAgCu焊球、SnAg焊球中一种。
优选的，使用丝网漏焊球或者吸焊球装置进行放置的焊球，其直径为 0.34mm～0.60mm。
优选的，所使用的焊柱直径为0.3mm～0.6mm之间，保证焊柱数量覆盖10 个～2000个之间的焊柱同时焊接。
优选的，所形成焊点能够精确控制的焊料量范围为0.02mm3～0.12mm3，焊料量控制偏差在±0.005mm3。在保证植柱质量的同时，保证焊料爬升高度(如图4所示)能够控制在300μm～700μm范围内，爬升高度精度控制在±50μm以内。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明采用通过印刷助焊剂后，再在助焊剂上方再预放置固定尺寸的焊片或者焊球的方式来达到精确控制焊料量的目的。
(2)本发明保证焊点焊接质量的同时，保证了焊点焊料量和焊料爬升高度。所形成焊点能够精确控制的焊料量范围为0.02mm3～0.12mm3，保证焊料爬升可控制高度的范围为300μm～700μm。本发明焊料量控制偏差在±0.005mm3，爬升高度精度控制在±50μm以内。
(3)本发明提供一种精确控制CCGA植柱器件焊点焊料量的方法，进一步能够控制同一个器件上的多个外引出端(焊柱)的控制焊点焊料量和爬升高度误差在一定范围内。
附图说明
图1为一种精确控制CCGA植柱器件焊点焊料量的方法的组装流程图；
图2为一种精确控制CCGA植柱器件焊点焊料量的方法的组装结构示意图。
图3为一种CCGA植柱器件侧视图。
图4为一种CCGA植柱器件的单一焊柱结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细描述：
本发明公开了一种精确控制CCGA植柱器件焊点焊料量的方法，首先，在焊盘上印刷助焊剂，在助焊剂上方再预放置固定尺寸的焊片或者焊球，助焊剂将焊片或者焊球固定在焊盘上，最后在焊片或者焊球上放置焊柱，并在焊柱顶端施加一定的压力，保证焊柱与焊片或者焊球的紧密贴合，然后进行焊接，在保证植柱质量的同时，保证焊料爬升高度精确爬升。本发明的方法所形成焊点可以精确控制的焊料量范围为0.02mm3～0.12mm3,焊料量控制偏差在±0.005mm3。保证焊料爬升可控制高度的范围为300μm～700μm，爬升高度误差控制在±50μm以内，远优于未使用本方法的同类器件。
本发明的CCGA植柱器件主要用于宇航用高可靠高密度封装。CCGA封装形式能够满足外引脚数最大将达到2000个数量级，节距达到1.0mm的封装体，因此宇航用高性能高可靠性电路均为CCGA封装形式。宇航用CCGA器件的外引脚数最大将达到2000个数量级，因此精确控制每一个焊点的焊料量和焊料爬升高度，有利于保证焊柱焊点的高质量和一致性，有利于更好地保证多引出端级高密度封装器件宇航高可靠性要求和高可靠性的板级装联要求。常用的焊料涂覆工艺无法准确地保证每一个焊点的焊料量完全一致，会出现个别焊点焊料量少，爬升高度低的问题。这种情况在板级装联后的长期使用中会导致此焊点焊接牢固性较弱，率先发生开裂，最终导致失效。因此需要采用一种精确控制 CCGA植柱器件焊点焊料量的方法进行焊点焊料量的控制，保证每个焊点的焊料量符合要求，并且一致性好。
CCGA植柱器件，如图3所示，具体为指陶瓷柱栅阵列(Ceramic Column GridArray)，是在陶瓷封装体基板的底部制作阵列焊柱，焊柱作为电路的I/O端与印刷线路板(PCB)互接。
如图1所示，一种精确控制CCGA植柱器件焊点焊料量的方法，其特征在于步骤如下：
第一步、在CCGA植柱器件的焊盘上印刷助焊剂，使焊盘表面被助焊剂覆盖；
第二步、在助焊剂上方预放置设定尺寸的焊片或者焊球，由助焊剂将焊片或者焊球固定在焊盘上；
优选的，焊片(2)优选为SnPb焊片、SnAgCu焊片、SnAg焊片中一种。
优选的，使用丝网漏焊片或者吸焊片装置进行放置的焊片为有厚度的圆形，其圆形截面直径优选为0.32mm～0.9mm，焊片厚度优选为0.05mm～0.25mm。
优选的，使用丝网漏焊球或者吸焊球装置进行放置的焊球，其直径优选为0.34mm～0.60mm。
第三步、在焊片或者焊球上放置焊柱，并在焊柱顶端施加设定的压力，保证焊柱与焊片或者焊球的紧密贴合；
设定的压力指根据焊柱直径和数量选定特定质量的压块。
第四步、利用焊片或者焊球对焊柱和焊盘进行焊接，获得精确控制焊料量的焊点；
焊片或者焊球为焊料。
CCGA植柱器件为陶瓷柱栅阵列器件
如图2为本发明一种精确控制CCGA植柱器件焊点焊料量的方法中的组装方式示意；
优选的，第一步、在CCGA植柱器件的焊盘上印刷助焊剂，具体为：将助焊剂使用丝网印刷或者针转印或者喷印的方式涂敷在焊盘上，使焊盘表面被助焊剂覆盖。
优选的，第二步、在助焊剂上方预放置设定尺寸的焊片或者焊球，由助焊剂将焊片或者焊球固定在焊盘上，具体为：将焊片或焊球使用对应的丝网漏片或漏球，或者使用对应的吸片装置或吸球装置，进行焊片或焊球的放置。
优选的，第三步、在焊片或者焊球上放置焊柱，并在焊柱顶端施加设定的压力，保证焊柱与焊片或者焊球的紧密贴合，具体为：将焊柱放置在焊片或者焊球上方与焊盘保持垂直，使焊片或焊球、焊柱以及焊盘形成待封装结构，焊柱作为CCGA植柱器件的外引出端，保持垂直的方式为使用焊柱限位板将焊柱固定在CCGA植柱器件上焊盘的正上方上，保证CCGA植柱器件的外引出端数量为10个～2000个之间时能够同时焊接；
焊柱限位板是对焊柱的位置进行限位的装置，保证全部焊柱(优选10个～2000个)能够在相应的焊盘正上方，形成焊柱和焊盘的一一对应，并且与焊盘垂直。
优选的，第四步、利用焊片或者焊球对焊柱和焊盘进行焊接，获得精确控制焊料量的焊点，具体为：将第三步中待封装结构，按照焊片或焊球的原材料本身的推荐焊接温度，使用热风回流焊、汽相回流焊或者红外炉进行焊接，使焊柱与CCGA植柱器件形成一体；
优选的，还包括第五步，如下：
第五步、采用真空吸附器件对CCGA植柱器件无焊盘一面进行吸附后，将 CCGA植柱器件从焊柱限位板中取出；
真空吸附器件，指采用真空吸笔或者吸附装置，能够在吸头与器件之间形成真空状态，以此达到将CCGA植柱器件从焊柱限位板中吸出的效果。
优选的，助焊剂(3)为松香类助焊剂、松香混合型助焊剂、盐酸类助焊剂中一种或几种。
优选的，使用丝网印刷或者针转印或者喷印的方式涂敷在焊盘上的助焊剂厚度优选为0.05mm～0.20mm，直径优选为0.35mm～0.80mm，助焊剂的总体积为0.005mm3～0.100mm3，助焊剂黏度优选控制在500poise-1500poise。
优选的，焊片(2)为SnPb焊片、SnAgCu焊片、SnAg焊片中一种。
根据权利要求1所述的一种精确控制CCGA植柱器件焊点焊料量的方法，其特征在于：使用丝网漏焊片或者吸焊片装置进行放置的焊片为有厚度的圆形，其圆形截面直径优选为0.32mm～0.9mm，焊片厚度优选为0.05mm～0.25mm。
优选的，焊球(4)优选为SnPb焊球、SnAgCu焊球、SnAg焊球中一种。
优选的，使用丝网漏焊球或者吸焊球装置进行放置的焊球，其直径优选为 0.34mm～0.60mm。
优选的，所使用的焊柱直径优选为0.3mm～0.6mm之间，保证数量覆盖10 个～2000个之间的焊柱同时焊接。
优选的，所形成焊点能够精确控制的焊料量范围优选为0.02mm3～0.12mm3，焊料量控制偏差优选在±0.005mm3。在保证植柱质量的同时，保证焊料爬升高度(指焊盘到焊料在焊柱上爬升的最高点之间的距离，如图4所示)能够优选控制在300μm～700μm范围内，爬升高度精度优选控制在±50μm以内。
本发明为了保证采用丝网印刷的方式时助焊剂量足以达成良好的焊接，设助焊剂印刷量为V，CCGA植柱器件的焊盘的直径为d，丝网厚度为H，优选满足π(0.6d/2)2H<V<π(1.1d/2)2H满足该优选约束条件，可以保证助焊剂量足以达成良好的焊接。
本发明为了提升CCGA植柱器件的焊点质量和一致性，设助焊剂印刷量为 V；焊球的半径为r1；焊片的半径为r2，厚度为h。优选满足(2/3)*πr1 3<V<2πr1 3或0.5hπr2 2<V<1.5hπr2 2，满足该优选约束条件，可以很好得保证CCGA植柱器件的焊点质量和一致性。
为了保证焊点的焊料量，设焊球的半径为r1；焊片的半径为r2，厚度为h。优选满足0.005<(4/3)*πr1 3<0.1或0.005<πr2 2h<0.1，满足该优选约束条件，可以保证焊点的焊料量。
采用本发明提出的一种精确控制CCGA植柱器件焊点焊料量的方法对一款CCGA717电路进行植柱，取得了如下效果：
选用松香类助焊剂，助焊剂印刷厚度优选为0.18mm，印刷直径优选为 0.63mm，采用针转印的方式进行涂覆；优选选用63Sn37Pb焊球，焊球直径为 0.50mm。将焊球使用吸球装置进行焊球的放置，将717根焊柱一起放置在焊球上方保持垂直，通过限位板使焊柱保持垂直，按照焊球原材料(优选63Sn37Pb) 本身推荐的焊接温度使用热风回流焊进行焊接，脱模后得到植柱器件。
本发明的方法和工具有效控制了CCGA717器件植柱工艺的各项指标，提高了工艺质量及其一致性。经检测，所形成焊点可以精确控制的焊料量优选为 0.065mm3，焊料量偏差优选在±0.005mm3；焊料爬升高度为544μm，爬升高偏差优选在±50μm。
采用本发明提出的一种精确控制CCGA植柱器件焊点焊料量的方法对一款CCGA717电路进行植柱，取得了如下效果：
选用松香混合型助焊剂，助焊剂印刷厚度优选为0.20mm，印刷直径优选为0.60mm，使用丝网印刷的方式进行助焊剂涂覆；优选用Sn1.8Ag焊片，焊片直径优选为0.58mm，厚度优选0.25mm。将焊片使用丝网漏片的方式进行焊片的放置，将717根焊柱一起放置在焊球上方，通过限位板使焊柱保持垂直，按照焊球原材料(优选Sn1.8Ag)本身推荐的焊接温度使用红外炉进行焊接，脱模后得到植柱器件。
本发明的方法和工具有效控制了CCGA717器件植柱工艺的各项指标，提高了工艺质量及其一致性。经检测，所形成焊点可以精确控制的焊料量优选为 0.066mm3，焊料量偏差优选在±0.005mm3；焊料爬升高度优选为560μm，爬升高偏差优选在±50μm。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (3)

1.一种精确控制CCGA植柱器件焊点焊料量的方法，其特征在于步骤如下：
第一步、在CCGA植柱器件的焊盘上印刷助焊剂，使焊盘表面被助焊剂覆盖；包括：将助焊剂使用丝网印刷或者针转印或者喷印的方式涂敷在焊盘上，使焊盘表面被助焊剂覆盖；其中，使用丝网印刷或者针转印或者喷印的方式涂敷在焊盘上的助焊剂厚度为0.05mm～0.20mm，直径为0.35mm～0.80mm，助焊剂的总体积为0.005mm3～0.100mm3，助焊剂黏度控制在500poise-1500poise；其中，CCGA植柱器件为陶瓷柱栅阵列器件；
第二步、在助焊剂上方预放置设定尺寸的焊片或者焊球，由助焊剂将焊片或者焊球固定在焊盘上；包括：将焊片或焊球使用对应的丝网漏片或漏球，或者使用对应的吸片装置或吸球装置，进行焊片或焊球的放置；其中，焊片或者焊球为焊料；焊片为有厚度的圆形，圆形截面直径为0.32mm～0.9mm，焊片厚度为0.05mm～0.25mm；焊球直径为0.34mm～0.60mm；
第三步、在焊片或者焊球上放置焊柱，并在焊柱顶端施加设定的压力，保证焊柱与焊片或者焊球的紧密贴合；包括：将焊柱放置在焊片或者焊球上方与焊盘保持垂直，使焊片或焊球、焊柱以及焊盘形成待封装结构，焊柱作为CCGA植柱器件的外引出端，保持垂直的方式为使用焊柱限位板将焊柱固定在设定的位置上，保证CCGA植柱器件的外引出端数量为10个～2000个之间时能够同时焊接；其中，焊柱直径为0.3mm～0.6mm之间，保证焊柱数量覆盖10个～2000个之间的焊柱同时焊接；
第四步、利用焊片或者焊球对焊柱和焊盘进行焊接，获得精确控制焊料量的焊点；包括：将第三步中待封装结构，按照焊片或焊球的原材料本身的推荐焊接温度使用热风回流焊、汽相回流焊或者红外炉进行焊接，使焊柱与CCGA植柱器件形成一体；其中，所形成焊点能够精确控制的焊料量范围为0.02mm3～0.12mm3，焊料量控制偏差在±0.005mm3； 在保证植柱质量的同时，保证焊料爬升高度控制在300μm～700μm范围内，爬升高度精度控制在±50μm以内；
第五步、采用真空吸附器件对CCGA植柱器件无焊盘一面进行吸附后，将CCGA植柱器件从焊柱限位板中取出；
其中：
当助焊剂印刷量为V，CCGA植柱器件的焊盘的直径为d，丝网厚度为H，焊球的半径为r1，焊片的半径为r2，焊片的厚度为h时，有：
π(0.6d/2)2H<V<π(1.1d/2)2H
(2/3)*πr1 3<V<2πr1 3或0.5hπr2 2<V<1.5hπr2 2
0.005<(4/3)*πr1 3<0.1或0.005<πr2 2h<0.1。
2.根据权利要求1所述的一种精确控制CCGA植柱器件焊点焊料量的方法，其特征在于：助焊剂为松香类助焊剂、松香混合型助焊剂、盐酸类助焊剂中一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种精确控制CCGA植柱器件焊点焊料量的方法，其特征在于：焊片为SnPb焊片、SnAgCu焊片、SnAg焊片中一种。
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