CN112738997A - 一种变压力封装连接方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种变压力封装连接方法，包括：在基体待连接区放置连接料，待连接件的待连接区朝下置于连接料上，得到初级待封装件；将初级待封装件置于由柔性膜围合而成或由柔性膜和底板围合而成的腔室内，抽真空得到负压包覆次级待封装件；将负压包覆次级待封装件置于另一密闭腔室，通过流体加压形成等静压环境，加热次级待封装件使连接料固化或软化或烧结或熔化，然后冷却完成封装连接，连接料固化或软化或烧结或熔化温度低于基体、待连接件和柔性膜的耐热温度。本发明方法封装密度高、位置精度高、高度自适应性好，连接区的连接料填充充分、致密。本发明基于变压力封装方法提供相应设备，对柔性膜要求低，适合高效、高可靠的连续自动化生产。

Description

一种变压力封装连接方法和设备

技术领域

本发明涉及封装领域，尤其涉及一种变压力封装连接方法和设备。

背景技术

胶黏、回流焊、热压共晶焊或者浆料烧结技术是电子器件与基板实现封装连接的常规方法。回流焊是通过加热电路，将空气或氮气加热到足够高的温度后吹向已经贴好元件的线路板，让元件两侧的焊料融化后与主板粘结，这种工艺的优势是温度易于控制，焊接过程中还能避免氧化，制造成本也更容易控制。例如申请号为2017111643658的中国发明专利公开用于电子线路板的回流焊炉及其回流焊工艺，通过对预先贴在焊盘上的贴片元器件经过回流炉锡焊。热压共晶焊是利用加热和加压力,使连接区的金属与金属通过共晶钎料焊接在一起。浆料烧结是含有粉末或粉末的浆料加热使粉末颗粒之间发生粘结，烧结体的强度增加，把粉末颗粒的聚集体变成为晶粒的聚结体，从而获得所需的物理、机械性能的制品或材料。上述封装方式存在连接处填充不完整或留有气孔、芯片或器件初始贴装位置发生移位等缺陷，导致难以适用于高精密应用场景。现有的回流焊、热压共晶焊或烧结工艺及装备难以解决上述缺陷，难以解决上述缺陷，因此，亟需一种焊接致密、封装精准度高的封装连接方式以及封装连接设备。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种焊接致密、封装精准度高的变压力封装连接方法。

本发明的目的采用以下技术方案实现：

一种变压力封装连接方法，包括以下步骤：

S1、在基体的待封装连接区域放置连接料，待连接件的待封装连接区域朝下放置于连接料上，得到初级待封装件；

S2、将初级待封装件置于由柔性膜围合而成或由柔性膜和底板围合而成的腔室内，腔室内抽真空形成负压，直至柔性膜紧密包覆初级待封装件，得到负压包覆次级待封装件；

S3、将负压包覆次级待封装件置于另一密闭腔室，通过流体加压在负压包覆次级待封装件外形成等静压环境，加热负压包覆次级待封装件使连接料固化或软化或烧结或熔化，然后冷却完成封装连接；

其中，连接料固化或软化或烧结或熔化温度低于基体、待连接件和柔性膜的耐热温度。

通过在柔性膜内外形成压差的好处在于：一方面，在连接料熔化到冷却定形的过程中，增大柔性膜内外表现之间的压力，使柔性膜将待封装件紧压在基体上，保证待封装件不会相对基板发生位移，定位精准；另一方面,可进一步降低连接料中气体的残留概率，提高连接层的致密性。需要说明的是，连接料用量极少，相对基体以及待封装件的体积，连接料的厚度为较薄的层状结构。

在本发明的其中一种具体实施方式中，连接料为胶黏剂、焊膏、导电胶、导电焊胶、预置焊料、凸点焊料、BGA焊球、铜凸块和烧结浆料中的一种。本发明封装连接方式适用于胶黏、焊接、烧结等工艺。

在本发明的其中一种具体实施方式中，包覆膜的材料为铜箔、铝箔、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、硅胶、PET、PC中的一种及它们之间任意组合的多层复合膜，包覆膜的厚度为10～1000μm。以上材质的柔性膜，密封性较好，且具有较强的耐高温性能，且后期容易与封装结构分离。

在本发明的其中一种具体实施方式中，基体为封装基板、PCB、柔性载板、陶瓷基板、金属基板、热沉、带电路散热器，待连接件为裸晶、芯片、集成电路、器件、垫块、无源器件、连接器、传感器件。

在本发明的其中一种具体实施方式中，基体的待封装连接区域和待连接件的待封装连接区域均设有相互匹配的对位微区或对位结构，实现基体与待封装件的精准对位安装。

一种使用本发明变压力封装连接方法的装置,包括负压包覆机构和加热机构，负压包覆机构包括上第一基座、下端面与第一基座上表面固定连接的第一环状凸台、开设有第一环状凹槽的第一压环、设置于第一基座上表面的第二基座、下端面与第二基座上表面固定连接的第二环状凸台和开设有第二环状凹槽的第二压环；第一环状凸台可嵌合于第一环状凹槽内；第二环状凸台可嵌合于第一环状凹槽内；第二基座和第二环状凸台位于第一环状凸台和第一基座围合的结构内；第一环状凸台开设有抽气通孔，抽气通孔贯穿第一环状凸台的外周壁和内周壁；第一环状凹槽的外侧壁设有第一通孔，第一环状凸台对应第一通孔处设有第一盲孔，第一环状压环和第一环状凸台通过设置于第一通孔和第一盲孔的第一插销实现密封咬合；第二环状凹槽的外侧壁设有第二通孔，第二环状凸台对应第二通孔处设有第二盲孔，第二环状压环和第二环状凸台通过设置于第二通孔和第二盲孔的第二插销实现密封咬合；加热机构用于加热负压包覆次级待封装件。

通过第一环状凸台、第一环状压环、第二环状凸台和第二环状压环的结构配合，可将两张柔性膜或一张柔性膜与第一基座组合成一个腔室，通过抽气通孔对腔室进行抽气，待柔性膜紧密包覆初级连接件表面，无需使用成袋状的柔性膜袋，对柔性膜形状要求低，便于连续作业。

在本发明的其中一种具体实施方式中，加热机构包括炉门可开闭的炉体、水平安装于炉体内壁的托板，托板内设加热体，炉体内壁设有红外加热器。

在本发明的其中一种具体实施方式中，还包括顶升组件，顶升组件包括安装于炉体内侧壁的滑动轴承、垂直设置且安装于滑动轴承内圈的顶杆、与顶杆铰接的连杆、输出轴与连杆铰接的直线往复部件和固定于顶杆的顶升支架，顶杆与连杆的铰接轴线为A，连杆与直线往复部件的铰接轴线为B，A与B相互平行且不共线；顶升支架运动过程中与托板完成避空。

在本发明的其中一种具体实施方式中，通过直线往复部件驱动连杆，连杆驱动顶杆外上运动，从而带动顶升支架上升，将托板上加热完毕的次级封装件顶离托板，远离加热件，增快次级封装件冷却速度，从而完成封装。

为增大炉体内气压，炉体设有充气孔，在本发明的其中一种具体实施方式中，还包括充气部件，充气部件的出风口通过充气孔与炉体内腔连通。

在本发明的其中一种具体实施方式中，第一环状凸台上表面设有第一环形三角突棱，第一环状凹槽的槽底设有与第一环形三角突棱匹配的第一环形V形凹槽；第二环状凸台上表面设有第二环形三角突棱，第二环状凹槽的槽底设有与第二环形三角突棱匹配的第二环形V形凹槽。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明通过采用柔性膜内外产生压差包覆基体和待封装件的方式，实现待封装件与基体的初步定位，在加热连接料过程中，负压包覆次级待封装件置于另一密封空间，加压形成等静压，通过柔性膜对待连接件产生均匀的压强，能加速连接料中气体的逸出，封装完成的连接层致密，连接料能更好地填充于基体和待封装件的待封装区域，连接层与基体、待封装件的结合牢靠，尤其适用于不平整的待封装连接区域之间的封装连接以及不等高待封装件的同时封装连接。

附图说明

图1为实施例1中的负压包覆机构示意图一。

图2为实施例1中的加热机构示意图。

图3为实施例1中的负压包覆机构示意图二。

其中：101、芯片；102、焊膏；103、封装基板；1041、上层铝箔；1042、下层铝箔；20、第一基座；201、定位销；301、第一环状凸台；302、第一压环；303、第一插销；40、第二基座；501、第二环状凸台；502、第二压环；503、第二插销；601、炉体；6011、充气孔；602、托板；603、加热体；604、红外线加热器；701、滑动轴承；702、顶杆；703、连杆；704、气缸；705、顶升支架；801、充气泵；802、抽气泵；803、PLC控制器。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

本实施例提供一种变压力封装连接方法，包括以下步骤：

S1、在封装基板103的焊盘内放置焊膏102，芯片101的焊盘朝下放置于焊膏102上，得到初级封装件；

S2、将初级封装件放置于铝箔形成的腔室内，抽取腔室内的气体形成负压，直至铝箔紧密包覆芯片101和封装基板103后，得到负压包覆次级待封装件；铝箔的厚度为50μm；

S3、加热负压包覆次级待封装件至250℃使焊膏102充分熔化，冷却凝固，完成封装连接。

步骤S3中通过流体对铝箔外表面施加压力。本实施例通过流体使铝箔外表面的气压大于标准大气压，提高铝箔内外表面的压力差，流体可以为气体、液体、混有高熔点固体颗粒的液体等；气体或液体可为预加热的。

由于焊膏102存在有机物，在高温焊接时会气化，在降温过程中未逸出的气体会在焊膏102中形成气孔。

工作原理：通过采用铝箔压包覆封装基板103和芯片101的方式，实现待封装件与基板封装的初步定位，在加热焊膏102过程中，铝箔内保持负压，焊膏102熔化后产生的少量气泡容易逸出；且负压包覆次级待封装件置于另一密封空间，加压形成等静压，通过铝箔对芯片101产生均匀的压强，能加速熔融的焊料中气体的挤出；通过以上两种方式共同作用使得封装完成的连接层致密，焊膏102中熔化的焊料能更好地填充于封装基板103和芯片101对应的焊盘中，连接层与封装基板103、芯片101的结合牢靠。

封装基板103和芯片101之间相互匹配的对位结构为对应的焊盘。

为实现本实施例的变压力封装连接方法，如图1和2所示，本实施例还提供一种变压力封装设备,包括负压包覆机构和加热机构，负压包覆机构包括上第一基座20、下端面与第一基座20上表面固定连接的第一环状凸台301、开设有第一环状凹槽的第一压环302、设置于第一基座20上表面的第二基座40、下端面与第二基座40上表面固定连接的第二环状凸台501和开设有第二环状凹槽的第二压环502；第一环状凸台301可嵌合于第一环状凹槽内；第二环状凸台501可嵌合于第一环状凹槽内；第二基座40和第二环状凸台501位于第一环状凸台301和第一基座20围合的结构内；第一环状凸台301开设有抽气通孔，抽气通孔贯穿第一环状凸台301的外周壁和内周壁；第一环状凹槽的外侧壁设有两个第一通孔，两个第一通孔呈中心对称分布于第一环状凹槽周向，第一环状凸台301对应第一通孔处设有第一盲孔，第一环状压环和第一环状凸台301通过设置于第一通孔和第一盲孔的第一插销303实现密封咬合；第二环状凹槽的外侧壁设有两个第二通孔，两个第二通孔呈中心对称分布于第二环状凹槽周向，第二环状凸台501对应第二通孔处设有第二盲孔，第二环状压环和第二环状凸台501通过设置于第二通孔和第二盲孔的第二插销503实现密封咬合；加热机构用于加热次级封装件。

工作原理：下层铝箔1042的面积可覆盖第二基座40但不可覆盖第一环状凸台301，将下层铝箔1042沿第二环状凸台501以及对应的第二基座40上表面铺设，再将初级封装件放置于第二环状凸台501内的下层铝箔1042上；将可覆盖第一基座20的上层铝箔1041覆盖第一基座20上表面，盖上第一压环302，且插上第一插销303使第一压环302和第一环状凸台301密封咬合，此时上层铝箔1041、第一环状凸台301和第一基座20为围合成内腔，外接的抽气设备通过抽气通孔对内腔进行抽气，过程中，由于上层铝箔1041外部的气压大于内腔的气压，上层铝箔1041向下收拢，直至上层铝箔1041将芯片101压紧在封装基板103上，此时下层铝箔1042也受上层铝箔1041影响，下层铝箔1042紧密包覆第二基座40；盖上第二压环502，且插上第二插销503使第二压环502和第二环状凸台501密封咬合，将上层铝箔1041的下层铝箔1042都紧密咬合在第二压环502和第二环状凸台501之间，从第二环状凸台501和第一环状凸台301之间切割上层铝箔1041的下层铝箔1042，即可得到次级封装件。

如图3所示，也可以不采用下层铝箔1042，密封的腔室结构由上层铝箔1041跟第二基座40形成，由于第二基座40为变压力封装连接设备的一部分，此处只为表示密封的腔室可由柔性膜和硬质的底板围合而成。

为保证结构强度，第一基座20、第一环状凸台301、第一压环302、第二基座40、第二环状凸台501和第二压环502可为H13#钢或不锈钢或碳化硅材质，对应材质的结构强度大，耐热性优越。

进一步的，第二基座40下表面设有定位盲孔，第一基座20对应位置设有与定位盲孔配合的定位销201。

加热机构包括炉门可开闭的炉体601、水平安装于炉体601内壁的托板602，托板602内设加热体603，炉体601内壁设有红外加热器，还包括顶升组件，顶升组件包括安装于炉体601内侧壁的滑动轴承701、垂直设置且安装于滑动轴承701内圈的顶杆702、与顶杆702铰接的连杆703、输出轴与连杆703铰接的直线往复部件和固定于顶杆702的顶升支架705，顶杆702与连杆703的铰接轴线为A，连杆703与直线往复部件的铰接轴线为B，A与B相互平行且不共线；顶升支架705运动过程中与托板602完成避空。

将次级封装件放置在托板602上，启动加热体603和红外加热器，加热体603可为电磁加热板，对次级封装件进行加热，加热完毕之后通过直线往复部件驱动连杆703，连杆703驱动顶杆702外上运动，从而带动顶升支架705上升，将托板602上加热完毕的次级封装件顶离托板602，远离加热件，增快次级封装件冷却速度，从而完成封装。直线往复部件可为现有的气缸704。

顶升支架705与托板602完成避空的方式可为托板602上设有可供顶升支架705上端通过的镂空结构，顶升支架705也可以是从托板602的对侧边缘通过两块支撑板。

为增大炉体601内气压，炉体601设有充气孔6011，还包括充气部件，充气部件的出风口通过充气孔6011与炉体601内腔连通。充气部件可为充气泵801。

第一环状凸台301上表面设有第一环形三角突棱，第一环状凹槽的槽底设有与第一环形三角突棱匹配的第一环形V形凹槽；第二环状凸台501上表面设有第二环形三角突棱，第二环状凹槽的槽底设有与第二环形三角突棱匹配的第二环形V形凹槽。通过设置第一环形三角突棱和第二环形三角突棱使上层铝箔1041和下层铝箔1042产生更多的弯折，密封更好。

托板602可为多层，以便同时加热多个次级封装件。

为便于炉体601内温度的精准控制，在对应不同高度设有对应的温度传感器。

封装完成后，为快速降低炉体601内气压，还包括与炉体601内腔管道相同的抽气泵802。

为便于炉体601内压力的精准控制，在抽气泵802与炉体601管道连接处设有压力传感器。

为便于智能化控制，还包括PLC控制器803，PLC控制器803分别与加热机构的各个电动、气动部件通信连接。例如PLC结合温度传感器，控制加热件和红外线加热器604实现特定的温程。

实施例2

本实施例提供一种变压力封装连接方法，包括以下步骤：

S1、在封装基板的焊盘设置导电焊胶，倒装LED裸晶放置于导电焊胶上，得到初级封装件；

S2、将初级封装件放置于聚酰亚胺膜形成的腔室内，抽取腔室内的气体形成负压，直至聚酰亚胺膜紧密包覆钢材基体和铁板后，得到负压包覆次级待封装件；聚酰亚胺膜的厚度为50μm；

S3、加压，加热负压包覆次级待封装件至250℃使导电焊胶固化，冷却，完成封装连接，得到倒装LED裸晶的COB封装结构。

实施例3

本实施例提供一种变压力封装连接方法，包括以下步骤：

S1、在铝基板的表面设置半固化片，将铜箔放置在半固化片上，得到初级封装件；

S2、将初级封装件放置于PC薄膜形成的腔室内，抽取腔室内的气体形成负压，直至PC薄膜紧密包覆铝基板和铜箔，得到负压包覆次级待封装件；PC薄膜的厚度为30μm；

S3、加压，加热负压包覆次级待封装件至120℃使半固化片软化，冷却固化，完成封装连接，得到覆铜铝基板。

实施例4

本实施例提供一种变压力封装连接方法，包括以下步骤：

S1、在石英玻璃基板的表面设置封接玻璃粉BD-83，将铁板放置在半封接玻璃粉BD-83上，得到初级封装件；

S2、将初级封装件放置于铜箔形成的腔室内，抽取腔室内的气体形成负压，直至铜箔紧密包覆石英玻璃基板和铁板后，密封腔室，得到负压包覆次级待封装件；铜箔的厚度为500μm；

S3、加压，加热负压包覆次级待封装件至400℃使封接玻璃粉BD-83烧结，冷却，完成封装连接，得到铁板与玻璃的复合件。

上述实施方式仅为本发明的部分优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种变压力封装连接方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在基体的待封装连接区域放置连接料，待连接件的待封装连接区域朝下放置于所述连接料上，得到初级待封装件；

S2、将初级待封装件置于由柔性膜围合而成或由柔性膜和底板围合而成的腔室内，所述腔室内抽真空形成负压，直至所述柔性膜紧密包覆所述初级待封装件，得到负压包覆次级待封装件；

S3、将所述负压包覆次级待封装件置于另一密闭腔室，通过流体加压在所述负压包覆次级待封装件外形成等静压环境，加热所述负压包覆次级待封装件使连接料固化或软化或烧结或熔化，然后冷却完成封装连接；

其中，连接料固化或软化或烧结或熔化温度低于基体、待连接件和柔性膜的耐热温度。

2.根据权利要求1所述变压力封装连接方法，其特征在于，所述连接料为胶黏剂、焊膏、导电胶、导电焊胶、预置焊料、凸点焊料、BGA焊球、铜凸块和烧结浆料中的一种。

3.根据权利要求1所述变压力封装连接方法，其特征在于，所述包覆膜的材料为铜箔、铝箔、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、硅胶、PET、PC中的一种及它们之间任意组合的多层复合膜，所述包覆膜的厚度为10～1000μm。

4.根据权利要求1所述变压力封装连接方法，其特征在于，所述基体为封装基板、PCB、柔性载板、陶瓷基板、金属基板、热沉、带电路散热器，所述待连接件为裸晶、芯片、集成电路、器件、垫块、无源器件、连接器、传感器件。

5.根据权利要求4所述变压力封装连接方法，其特征在于，所述基体的待封装连接区域和所述待连接件的待封装连接区域均设有相互匹配的对位微区或对位结构。

6.一种使用如权利要求1所述变压力封装连接方法的装置，其特征在于,包括负压包覆机构和加热机构，所述负压包覆机构包括上第一基座、下端面与所述第一基座上表面固定连接的第一环状凸台、开设有第一环状凹槽的第一压环、设置于所述第一基座上表面的第二基座、下端面与所述第二基座上表面固定连接的第二环状凸台和开设有第二环状凹槽的第二压环；所述第一环状凸台可嵌合于所述第一环状凹槽内；所述第二环状凸台可嵌合于所述第一环状凹槽内；所述第二基座和第二环状凸台位于所述第一环状凸台和第一基座围合的结构内；所述第一环状凸台开设有抽气通孔，所述抽气通孔贯穿所述第一环状凸台的外周壁和内周壁；所述第一环状凹槽的外侧壁设有第一通孔，所述第一环状凸台对应所述第一通孔处设有第一盲孔，所述第一环状压环和第一环状凸台通过设置于所述第一通孔和所述第一盲孔的第一插销实现密封咬合；所述第二环状凹槽的外侧壁设有第二通孔，所述第二环状凸台对应所述第二通孔处设有第二盲孔，所述第二环状压环和第二环状凸台通过设置于所述第二通孔和所述第二盲孔的第二插销实现密封咬合；所述加热机构用于加热所述负压包覆次级待封装件。

7.根据权利要求6所述变压力封装连接方法，其特征在于，所述加热机构包括炉门可开闭的炉体、水平安装于所述炉体内壁的托板，所述托板内设加热体，所述炉体内壁设有红外加热器。

8.根据权利要求7所述变压力封装连接方法，其特征在于，还包括顶升组件，所述顶升组件包括安装于所述炉体内侧壁的滑动轴承、垂直设置且安装于所述滑动轴承内圈的顶杆、与所述顶杆铰接的连杆、输出轴与所述连杆铰接的直线往复部件和固定于所述顶杆的顶升支架，所述顶杆与所述连杆的铰接轴线为A，所述连杆与所述直线往复部件的铰接轴线为B，A与B相互平行且不共线；所述顶升支架运动过程中与所述托板完成避空。

9.根据权利要求8所述变压力封装连接方法，其特征在于，所述炉体设有充气孔，还包括充气部件，所述充气部件的出风口通过所述充气孔与所述炉体内腔连通。

10.根据权利要求6所述变压力封装连接方法，其特征在于，所述第一环状凸台上表面设有第一环形三角突棱，所述第一环状凹槽的槽底设有与所述第一环形三角突棱匹配的第一环形V形凹槽；所述第二环状凸台上表面设有第二环形三角突棱，所述第二环状凹槽的槽底设有与所述第二环形三角突棱匹配的第二环形V形凹槽。

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