CN112786523B - 一种用于芯片封装的热压烧结夹具及芯片封装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于芯片封装的热压烧结夹具及芯片封装方法，包括机架、下加热板、压头、上配合盖板、压力传感器、传压导杆、加压机构、推力轴承、丝杆、丝杆螺母和转动手柄，下加热板与上配合盖板在四角处精密配合，保证上下两板间的平行度；压力大小通过两个互斥的电磁铁中电流大小控制。压头与传压导杆之间为球铰结构，可保证芯片上表面与基板下表面不平行时，芯片上表面可以均匀受压。传压导杆与上配合盖板的竖直通孔精密配合，保证了传压导杆在加压时与下加热板上表面的垂直度，加压过程中可保证烧结层焊料厚度的均匀性；加热过程中通过压力反馈，控制电磁铁电流大小，实现压力恒定控制。

Description

一种用于芯片封装的热压烧结夹具及芯片封装方法
技术领域
本发明涉及半导体器件封装技术领域，更具体的说是涉及一种用于芯片与底座热压烧结的封装夹具及芯片封装方法。
背景技术
随着电子产品和半导体行业的迅猛发展，传统的电子封装材料已经不能满足器件传热、服役温度等方面的要求。以纳米金属颗粒为代表的纳米焊料已经成为目前的研究热点，其中纳米银材料以其优越的性能，被认为是传统焊料理想的替代品。
与传统焊料的封装工艺相比，纳米焊料在连接时不需要融化，但需要在同时加热、加压条件下进行烧结。传统的焊料封装时钎料融化，无需压力，因此不能满足新型焊料的热压烧结。
目前，已有针对纳米焊膏封装的热压烧结设备，加热板加压主要依靠丝杆机构的上下运动，上压板安装固定在导杆立柱组成的框架上，下加热板固定在平台上，两平板上与封装器件接触的平面的平行度无法精确保证，或经过一段时间后，平行度误差较大，致使在加压烧结后烧结层的厚度不均、致密度不均、部分焊不上的情况。另外，当芯片基板上有其他结构如引线、导线等时，当前平板的加压夹具不适用。
目前市场上的热压烧结机主要采用电机加压、液压或者气缸加压的方式，加压机构的精度只能靠加工和装配精度保证，且长时间使用后无法保证加压机构的平行度。
因此，如何提供一种能够实现芯片均匀受压、且能保证压力恒定的芯片封装夹具是本领域技术人员急需解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种用于芯片封装的热压烧结夹具及芯片封装方法，可实现烧结过程中芯片上表面垂直受压，芯片上表面均匀受压，热压烧结过程中压力恒定。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于芯片封装的热压烧结夹具，包括：机架、下加热板、压头、上配合盖板、压力传感器、传压导杆、加压机构、推力轴承、丝杆、丝杆螺母和转动手柄，所述丝杆螺母固定在所述机架顶部，所述丝杠顶端与所述转动手柄固定，且所述丝杠依次穿设于所述丝杆螺母和所述机架顶部，所述丝杠底部与所述推力轴承连接，所述推力轴承与所述加压机构连接，所述加压机构与所述传压导杆顶部连接，所述压力传感器设置在所述传压导杆上，且所述传压导杆底部与所述压头连接组成球铰结构，且所述传压导杆底部穿设于所述上配合盖板竖直通孔内，所述下加热板设置在所述机架内侧底部，所述下加热板与所述上配合盖板在四角处贴合；
所述下加热板外接温度控制系统，所述加压机构外接电流调节器，所述压力传感器外接控制器，且所述控制器与所述电流调节器连接。
优选的，还包括水平限位装置，所述水平限位装置包括固定块、滑块和滑轨，所述固定块设置在所述机架内部对称两侧，且每侧顶端和底端分别设置一个所述固定块，所述滑轨固定在每侧两个所述固定块之间，所述滑块和所述滑轨滑动连接。
优选的，所述加压机构包括上电磁铁和下电磁铁，所述上电磁铁底部套设在第一固定环上，所述下电磁铁顶部套设在第二固定环上，所述第一固定环和所述第二固定环通过第一螺栓连接，且所述第一螺栓和所述上电磁铁卡接，所述第一螺栓和所述下电磁铁螺纹连接，所述上电磁铁底部和所述下电磁铁顶部存在间隙。
优选的，还包括固定板，所述下电磁铁底部穿设于所述固定板上，且
所述下电磁铁底部和所述传压导杆通过第二螺栓连接，所述下电磁铁底部和所述上配合盖板通过第三螺栓连接，且所述第三螺栓与所述下电磁铁卡接，所述第三螺栓与所述上配合盖板螺纹连接；
所述固定板两端设置有所述滑块。
优选的，所述下加热板设置有第一限位槽和第二限位槽，芯片底座设置在所述第一限位槽内，所述第二限位槽与所述上配合盖板的四个角卡接。
优选的，所述传压导杆上设置有第三限位槽，所述压力传感器设置在所述第三限位槽内，且所述传压导杆与所述下电磁铁之间的间距为所述压力传感器的厚度。
优选的，所述上电磁铁和所述下电磁铁互斥。
一种热压烧结夹具的芯片封装方法，包括以下步骤：
步骤A、通过温度控制系统设置初始温度、烧结温度、升温时间及保温时间，通过控制器设置所需压力大小；
步骤B、将待烧结芯片底座与芯片装配后放置于下加热板第一限位槽内，通过转动手柄向下转动丝杆，下加热板的第二限位槽与上配合盖板在四角处卡接时，压头与芯片相互接触，此时继续旋转丝杆，下电磁铁、传压导杆和上配合盖板不向下运动，上电磁铁沿第一螺栓无螺纹结构部分向下运动，使得上电磁铁和下电磁铁接触，并且当压力传感器中有示数时停止转动所述丝杆；
步骤C、启动控制器和电流调节器，通过电流调节器调节所述上电磁铁和所述下电磁铁上的电流，直至压力传感器反馈的传压导杆压力到达设定值时启动温度控制系统，下加热板执行加热程序；
步骤D、加热过程中，控制器通过压力传感器反馈的压力控制电流调节器，进而控制所述上电磁铁和所述下电磁铁中的电流大小，保持芯片恒定受压；
步骤E、完成所有程序后，关闭温度控制系统、控制器、电流调节器，向上旋转所述丝杆，复位至初始位置。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种用于芯片封装的热压烧结夹具及芯片封装方法，压头与传压导杆之间为球铰结构，可保证芯片上表面与基板下表面不平行时，芯片上表面可以均匀受压。传压导杆与上配合盖板的竖直通孔精密配合，保证了传压导杆在加压时与下加热板上表面的垂直度，加压过程中可保证烧结层焊料厚度的均匀性；加热过程中通过压力反馈，控制电磁铁电流大小，实现压力恒定控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为热压烧结夹具的正视图。
图2为热压烧结夹具的轴测图。
图3为热压烧结夹具的部分结构图。
图4中，图4(a)、图4(b)、图4(c)、图4(d)为四种下加热板的结构图。
图5为本发明的热压烧结夹具的工作流程图。
其中，
1、机架，2、下加热板，3、压头，4、上配合盖板，5、压力传感器，6、传压导杆，7、上电磁铁，8、下电磁铁，9、推力轴承，10、丝杆，11、丝杆螺母，12、转动手柄，13、固定块，14、滑块，15、滑轨，16、第一固定环，17、第二固定环，18、固定板，19、第一限位槽，20、第二限位槽，21、第一螺栓，22、第二螺栓，23、第三螺栓。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种用于芯片封装的热压烧结夹具，如图1和2所示，包括：机架1、下加热板2、压头3、上配合盖板4、压力传感器5、传压导杆6、上电磁铁7、下电磁铁8、推力轴承9、丝杆10、丝杆螺母11和转动手柄12。
其中，下加热板2安装在机架1内侧底部，上配合盖板4与下加热板2在四角处紧密配合，保证了两板间的平行度。传压导杆6底部与上配合盖板4中心的竖直通孔精密配合，在热压烧结过程中保证传压导杆6与下加热板2上表面的垂直度的情况下传压导杆6能够自由上下运动，即保证了传压导杆6对下加热板2的垂直度，压力的垂直施加。传压导杆6底部与压头3连接，压头3与传压导杆6形成球铰结构，活动压头3可保证芯片上表面的均匀受压。
转动手柄12固定在丝杆10的顶端，丝杆螺母11通过螺栓固定在机架1的顶部中心处，并与丝杆10螺纹配合；丝杆10依次穿设于丝杆螺母11和机架1顶部，下端连接推力轴承9，推力轴承9与上电磁铁7顶部通过螺栓固定连接；上电磁铁7底部套设在第一固定环16上，下电磁铁8顶部套设在第二固定环17上，第一固定环16和第二固定环17通过第一螺栓21连接，且第一螺栓21和上电磁铁7卡接，第一螺栓21和下电磁铁8螺纹连接，即第一螺栓21只有和下电磁铁8接触的部分有螺纹，与上电磁铁7接触的部分没有螺纹，从而保证上电磁铁7可以沿第一螺栓21上半部分无螺纹结构运动，上电磁铁7底部和下电磁铁8顶部存在间隙。压力传感器5置于传压导杆6上的第三限位槽中，下电磁铁8底部套设于固定板18上，传压导杆6与下电磁铁8通过第二螺栓22连接，二者的间距为压力传感器5的厚度，下电磁铁8通过第三螺栓23与上配合盖板4连接，且第三螺栓23与下电磁铁8底部卡接，与上配合盖板4螺纹连接，即第三螺栓23只有与上配合盖板4连接部分有螺纹，与下电磁铁8接触的部分没有螺纹。下电磁铁8通过第三螺栓23带动上配合盖板4上下运动，上配合盖板4与下加热板2刚接触配合时，传压导杆6圆盘与上配合盖板4顶部有间隙，从而保证下电磁铁8和传压导杆6可以沿第三螺栓23上半部分无螺纹结构运动。
在本实施例中，包括水平限位装置，水平限位装置包括固定块13、滑块14和滑轨15，固定块13设置在机架1内部对称两侧，且每侧顶端和底端分别设置一个固定块13，滑轨15固定在每侧两个固定块13之间，滑块14设置在固定板13两端，滑块14和滑轨15滑动连接。滑块14和滑轨15限制了电磁铁及整个运动机构水平方向上的自由度。
下加热板2外接温度控制系统；上电磁铁7和下电磁铁8外接电流调节器，压力传感器5外接电流-压力反馈控制系统的控制器，控制器控制电流调节器；压力传感器5、控制器、电流调节器和上电磁铁7、下电磁铁8组成闭环的电流-压力反馈控制系统，加压升温过程中通过压力传感器5的压力反馈，控制上电磁铁、下电磁铁中电流大小，保证压力的恒定，即压力的大小通过电磁铁中电流大小控制，电流大小可连续调节。
本实施例中，为了便于加压，上电磁铁7和下电磁铁8分离时存在2mm的间隙，初始加压时电磁铁接触，加压过程中烧结层厚度变化，间隙可保证电磁铁斥力的顺利传递。
在本实施例中，如图4(a)、图4(b)、图4(c)、图4(d)所示，下加热板1设置有第一限位槽19和第二限位槽20，芯片底座设置在第一限位槽19内，可根据芯片底座的结构和是否具有引线设计不同结构的下加热板2，扩大了热压烧结夹具的适用范围，本发明对于第一限位槽19的具体结构并不限制于上述4种形式，可根据不同结构的芯片底座设计不同结构的第一限位槽19，第二限位槽20与上配合盖板的四个角卡接，保证了两板间的平行度。
如图5，本发明实施例提供了一种热压烧结夹具的芯片封装方法，方法包括：
步骤1、机器工作时，首先对温度控制系统、电流-压力反馈控制系统输入所需的控制参数，
具体地，通过温度控制系统设置初始温度、烧结温度、升温时间及保温时间，通过控制器设置所需压力大小；
步骤2、将待烧结芯片底座与芯片装配后置于下加热板2的限位槽中，向下转动丝杆10，丝杆转动依次带动推力轴承9、上电磁铁7、下电磁铁8、传压导杆6和上配合盖板4向下运动，使得下加热板2与上配合盖板4在四角处配合时，压头3接触芯片，此时继续旋转丝杆10，下电磁铁8、传压导杆6和上配合盖板4不再继续向下运动，上电磁铁7沿第一螺栓21无螺纹结构部分向下运动，使得上电磁铁7和下电磁铁8接触，并且当压力传感器中有示数时停止转动丝杆10；
步骤3、启动控制器和电流调节器，慢慢增大上电磁铁7、下电磁铁8线圈电流，直至压力传感器5反馈的传压导杆6所受的压力达到设定值；此时两电磁铁的间距会随着芯片与基板之间连接层的厚度的减小而增大，但变化极小。
启动温度控制系统，下加热板2执行加热程序；
步骤4、加热过程中，控制器通过压力传感器5反馈的压力控制电流调节器，进而控制上电磁铁7、下电磁铁8中电流大小，确保芯片恒定受压；
步骤5、完成所有程序后，关闭温度控制系统、控制器、电流调节器，向上旋转丝杆10，复位至初始位置，等待下一次启动。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种用于芯片封装的热压烧结夹具，其特征在于，包括：机架、下加热板、压头、上配合盖板、压力传感器、传压导杆、加压机构、推力轴承、丝杆、丝杆螺母和转动手柄，所述丝杆螺母固定在所述机架顶部，所述丝杆顶端与所述转动手柄固定，且所述丝杆依次穿设于所述丝杆螺母和所述机架顶部，所述丝杆底部与所述推力轴承连接，所述推力轴承与所述加压机构连接，所述加压机构与所述传压导杆顶部连接，所述压力传感器设置在所述传压导杆上，且所述传压导杆底部与所述压头连接组成球铰结构，且所述传压导杆底部穿设于所述上配合盖板竖直通孔内，所述下加热板设置在所述机架内侧底部，所述下加热板与所述上配合盖板在四角处贴合；
所述下加热板外接温度控制系统，所述加压机构外接电流调节器，所述压力传感器外接控制器，且所述控制器与所述电流调节器连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于芯片封装的热压烧结夹具，其特征在于，还包括水平限位装置，所述水平限位装置包括固定块、滑块和滑轨，所述固定块设置在所述机架内部对称两侧，且每侧顶端和底端分别设置一个所述固定块，所述滑轨固定在每侧两个所述固定块之间，所述滑块和所述滑轨滑动连接。
3.根据权利要求2所述的一种用于芯片封装的热压烧结夹具，其特征在于，所述加压机构包括上电磁铁和下电磁铁，所述上电磁铁底部套设在第一固定环上，所述下电磁铁顶部套设在第二固定环上，所述第一固定环和所述第二固定环通过第一螺栓连接，且所述第一螺栓和所述上电磁铁卡接，所述第一螺栓和所述下电磁铁螺纹连接，所述上电磁铁底部和所述下电磁铁顶部存在间隙。
4.根据权利要求3所述的一种用于芯片封装的热压烧结夹具，其特征在于，还包括固定板，所述下电磁铁底部穿设于所述固定板上，且所述下电磁铁底部和所述传压导杆通过第二螺栓连接，所述下电磁铁底部和所述上配合盖板通过第三螺栓连接，且所述第三螺栓与所述下电磁铁卡接，所述第三螺栓与所述上配合盖板螺纹连接；
所述固定板两端设置有所述滑块。
5.根据权利要求3所述的一种用于芯片封装的热压烧结夹具，其特征在于，所述下加热板设置有第一限位槽和第二限位槽，芯片底座设置在所述第一限位槽内，所述第二限位槽与所述上配合盖板的四个角卡接。
6.根据权利要求3所述的一种用于芯片封装的热压烧结夹具，其特征在于，所述传压导杆上设置有第三限位槽，所述压力传感器设置在所述第三限位槽内，且所述传压导杆与所述下电磁铁之间的间距为所述压力传感器的厚度。
7.根据权利要求3所述的一种用于芯片封装的热压烧结夹具，其特征在于，所述上电磁铁和所述下电磁铁互斥。
8.一种如权利要求3-7任意一项所述的热压烧结夹具的芯片封装方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A、通过温度控制系统设置初始温度、烧结温度、升温时间及保温时间，通过控制器设置所需压力大小；
步骤B、将待烧结芯片底座与芯片装配后放置于下加热板第一限位槽内，通过转动手柄向下转动丝杆，下加热板的第二限位槽与上配合盖板在四角处卡接时，压头与芯片相互接触，此时继续旋转丝杆，下电磁铁、传压导杆和上配合盖板不向下运动，上电磁铁沿第一螺栓无螺纹结构部分向下运动，使得上电磁铁和下电磁铁接触，并且当压力传感器中有示数时停止转动所述丝杆；
步骤C、启动控制器和电流调节器，通过电流调节器调节所述上电磁铁和所述下电磁铁上的电流，直至压力传感器反馈的传压导杆压力到达设定值时启动温度控制系统，下加热板执行加热程序；
步骤D、加热过程中，控制器通过压力传感器反馈的压力控制电流调节器，进而控制所述上电磁铁和所述下电磁铁中的电流大小，保持芯片恒定受压；
步骤E、完成所有程序后，关闭温度控制系统、控制器、电流调节器，向上旋转所述丝杆，复位至初始位置。
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