專利名稱：可控銅線對接釬焊平臺的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種可控銅線對接釬焊平臺，屬于材料制備與連接領域，適用于制備微小尺寸(BGA)的微電子用釬焊接頭，可以控制釬焊過程中的工藝 參數，便于研究微電子用新型釬料的各種性能，包括顯微組織觀察和力學性 能測試，為工業界開發微電子用新型釬料提供有力保障。
背景技術：
在微電子封裝領域，釬料作為一種重要的連接材料既承載著機械可靠性 又承擔著傳輸電流的作用，在服役過程中，釬焊焊點還要承受沖擊、機械振 動和熱疲勞等嚴峻的服役環境。這就造成了 70%電子器件的失效由焊點的失效 所致。針對于此，全世界諸多研究機構對焊點的失效機理展開研究，特別是 2003年2月13日，歐洲議會與歐盟部長會議組織，正式批準WEEE和RoSH的 官方指令生效，強制要求自2006年7月1日起，在歐洲市場上銷售的電子產 品必須為無鉛電子產品(個別類型電子產品暫時除外)。傳統錫鉛釬料已有上 百年的使用歷史，而無鉛釬料僅僅在最近幾年才開始使用，其諸多性能還不 被研究人員所知。特別是隨著電子產品日益微型化，焊點在尺寸上己經縮減 到幾百微米左右，以目前主流BGA封裝為例，焊點平均直徑為100微米，球 珊陣列中焊點間距為100um，那么可在一個lcmXlcm的芯片上放置 100X100二10，000個焊點。總之微型焊點將會是未來電子封裝主要方向之一。 在開發適用微型焊點用材料的過程中，多采用以下兩種結構BGA封裝， 由于BGA封裝中含有高成本硅晶片及邏輯電路，所以開發成本很高，且這種 結構不利于分析開發新材料時所面臨的問題，這主要是因為多物理場耦合是 這種封裝結構失效的主因，很難確定單一物理場下的影響。另一種結構為， 單剪搭接接頭，該接頭示意圖如圖1和圖2所示，其中銅片1的厚度0. 1-0. 5鵬，
釬焊面積2 —般為lmm2。但是，該搭接接頭的釬焊面積較大，已不能夠用于
研究微米級焊點失效過程中出現的新問題，比如電遷移，熱遷移等。針對于 此，有必要設計出尺寸更加微型化的接頭，除搭接接頭外，對接接頭也是目
前主流研究對象。美國UCLA大學材料系在開有V型槽硅片上預先放置銅線、
釬料球和助焊劑，隨后進行釬焊，該方法制備的微米級對接接頭可以取代倒 裝芯片來研發新材料，但是此方法需根據釬料球的大小確定兩銅線間隙，無 法進行調節，并且該方法不適用于焊膏釬焊。
發明內容
本發明的目的在于克服的現有焊接平臺的上述缺陷，提供了一種可控銅
線對接釬焊平臺，本平臺在釬焊過程中可精確控制兩銅線間距，可釬焊BGA 焊球和焊膏，同時還可固定升溫、降溫曲線，使得每次釬焊后界面處金屬間 化合物長度分布保持在固定值(小于10微米)。
為了達到上述目的，本發明采取了如下技術方案。按從上到下的位置關 系主要包括有三部分，上部包括有顯微成像和拍攝裝置，中部包括有冷卻風 扇12、 X-Y-Z三維移動平臺7、模具8和放置在模具8內的銅線9、釬料10， 下部包括有用于給模具8加熱的加熱板3、用于控制模具8表面溫度的控溫儀 4和記溫儀6，其中，模具8放置在加熱板3的上表面，加熱板3與控溫儀4 相連接，熱電偶5的一端連接在控溫儀4和控溫儀6上，另一端直接與模具8 的表面相接觸。在模具8的U型槽23內放置有兩支銅線9，在兩支銅線9之 間放置有釬料IO，右側的銅線9的右端與X-Y-Z三維移動平臺7相連接；在 模具8的右上方設置有冷卻風扇12;在模具8的正上方按從下到上的順序依 次設置有顯微鏡物鏡15、顯微鏡目鏡14，在顯微鏡目鏡14的正上方放置有 與計算機16相連接的攝像頭13。
在模具8的上表面和顯微鏡物鏡15之間放置有石英片17。
在加熱板3的下部設置有散熱風扇11。
本發明中的X-Y-Z三維移動平臺7是確保銅線間距的關鍵，因此需具備 以下功能1)精確調節，最小移動距離為O.Olmm; 2)調節過程中要保持整
體穩定，避免微振動對距離調節的影響；3)由于釬焊銅線一端通過螺釘22 與三維移動平臺7相連接，兩者間有緊密機械結合強度。
模具8是釬焊銅線9、釬料10的主要載體，模具8采用了與釬料不潤濕 的材料；在其中間位置開有U型槽23，槽的尺寸需要依據銅線直徑而定。模 具8上方有兩塊擋板25，擋板25通過螺釘24與模具8相連接。
加熱板3具有以下特點尺寸小，加熱速度快，無明火，不易觸電，安 全性高。
控溫儀4與模具8通過熱電偶5相連，同時又與加熱板3相連接，該系 統主要工作原理是由控溫儀4的加熱板3將試樣(銅線9、釬料10)加熱 到預定溫度，熱電偶5將試樣的實際溫度傳遞給控溫儀4，通過控溫儀4將試 樣溫度限定在預定溫度范圍內，從而固定熱量輸入，避免試樣在釬焊過程中氧化。
冷卻風扇12的主要作用是為釬焊后的接頭提供快速的降溫速率，該過 程類似于電路板在回流焊中的風冷階段。冷卻風扇12固定了降溫速率，縮短 降溫時間，避免接頭界面處金屬間化合物29生長過大。
顯微成像和拍攝裝置由攝像頭13、計算機16、顯微鏡目鏡14及物鏡15 構成。該工作方式如下攝像頭13通過顯微鏡目鏡14采集釬焊過程的圖像， 并將圖像顯示在計算機屏幕16上，操作者可以通過計算機屏幕16來調節兩 銅線之間的距離。
記溫儀6具有定時采集溫度數據的功能，其連接方式如下熱電偶5 — 端連在記溫儀6上，另一端置于模具8表面，以獲取升溫和降溫階段的溫度 數據。散熱風扇11可散發加熱板3對顯微鏡產生的熱量，避免顯微鏡溫度過 高。物鏡正下方石英片17主要用于保護鏡頭，阻斷加熱板產生的熱量接觸到 物鏡15。
本發明的優點在于可以精確控制微小尺寸對接接頭的釬焊間隙，通過控 制熱輸入，固定界面處金屬間化合物的厚度；釬料的使用不在拘泥于焊球，
焊膏也可以用來釬焊對接接頭；相對于采用光刻技術制作的硅片V型槽，本 發明鋁制U型槽成本低。
圖l:搭接接頭主視圖 圖2:搭接接頭俯視圖
圖3:可控銅線對接釬焊平臺部件關系示意圖 圖4:可控釬焊平臺主視圖 圖5:模具主視圖 圖6:模具俯視圖 圖7:模具左視圖
圖8: X-Y-Z三維移動平臺結構示意圖
圖9:對接接頭結構示意圖
圖10:升溫、降溫曲線
圖ll:光學顯微鏡圖
圖12:掃描電子顯微鏡圖
圖13:力學拉伸實驗曲線
圖中1-銅片，2-釬焊面積，3-加熱板，4-控溫儀，5-熱電偶，6-記溫儀， 7-X-Y-Z三維移動平臺，8-模具，9-銅線，10-釬料，11-散熱風扇，12-冷卻 風扇，13-攝像頭，14-顯微鏡目鏡，15-體式顯微鏡物鏡，16-計算機，17-石 英片，18-固定石英片支架，19-固定風扇支架，20-顯微鏡支架，21-顯微鏡 底座，22-固定銅線螺釘，23-U型槽，24-固定擋板螺釘，25-擋板，26-X軸 螺旋手柄，27-Y軸螺旋手柄，28-Z軸螺旋手柄，29-界面處的金屬間化合物。
具體實施例方式
下面結合圖1 圖13對本發明的具體實例進行描述。 本平臺中的使用的銅線9為0. 3ram或0. 5mm的漆包線，市售漆包線一 般由高純度銅和絕緣漆構成，其中外圍的絕緣漆可起到阻焊的作用。在釬焊
之前，需要對漆包線進行預處理，包括端面磨平和滾直兩個步驟。處理后的
漆包線一端固定在模具U型槽23內，通過螺釘24和擋板25卡緊。本裝置可 以將適量焊膏直接放于U型槽23內進行釬焊，同時也可以進行微米級BGA焊 球釬焊，漆包線的另一端固定在X-Y-Z三維移動平臺7上，本裝置采用桌立 漢光ASM25-XYZ-1型精密平移臺，如圖8所示，通過X軸26、 Y軸27、 Z軸 28的螺旋手柄將其移動到U型槽23內，隨后加蓋擋板25。
在電子元器件與PCB (Print Circuit Board)板釬焊過程中， 一般采用回 流焊機，回流焊機包含有多個升溫區和降溫區，升溫速率和降溫速率對焊點 界面處金屬間化合物生長有至關重要的影響，工業界通常規定界面金屬間化 合物29長度不超過10微米。本釬焊平臺可有效控制升溫速率和降溫速率， 通過遠紅外陶瓷加熱板提供熱源，該裝置固定在顯微鏡底座21上，加熱板3 與顯微鏡底座21之間墊有石棉，以免大量的熱直接傳遞到體式顯微鏡上，與 此同時，底座21內部裝有一散熱風扇11，該風扇功率12W、 6V，通過DELIXI BK-50與220V電壓相連，裝置中采用加熱板為額定電壓220V，功率400W，規 格120mmX120mm，此種加熱板3的優點是加熱速度快，在開放式條件下可以 在短時間內使周圍溫度達到150度，并且無明火，安全性高，此外，與普通 的電阻絲相比，由于加熱絲埋入陶瓷內部，不易觸電，便于操作。為了避免 加熱板溫度過高，外部連有控溫系統，該裝置采用了 XMTD數顯控溫儀、DELIXI CDC1交流接觸器和鎳絡鉻-鎳硅熱電偶，其中，控溫儀4與交流接觸器與遠紅 外陶瓷加熱板3相連接，熱電偶5置于模具8表面，由于加熱板3的熱量通 過模具8傳遞給釬焊接頭，所以實際所需控制的溫度應該以模具8表面溫度 為準，此外，另一個記溫儀6的熱電偶5接觸在模具8表面，該儀器主要用 于記錄溫度數據，通過此數據繪制升溫、降溫曲線，如圖10所示，從中可以 得知，較之隨爐冷，風冷可有效加快降溫速度。
在整個釬焊過程，可以通過肉眼在顯微鏡10倍目鏡14上觀測，也可以通 過計算機屏幕16觀測，這主要是通過10倍目鏡14和攝像頭13將圖像采集
到電腦屏幕16并顯示。圖像采集可用市售普通30萬像素攝像頭即可達到清 晰觀測的目的，由于釬焊溫度較高，要在顯微鏡目鏡前加放石英片17，隨著 加熱板3溫度升高，釬料10從固態變為液態，因釬料10僅與銅線9端面潤 濕，此時的釬料10會在鋁制U型槽23中自動聚集成一光亮球體。當釬料10 變為光亮液態后，通過X-Y-Z三維移動移動平臺7的X軸螺旋旋鈕26進行兩 銅線間距調節，即銅線端面間的距離調節要在釬料變為液態時完成，螺旋旋 鈕的最小移動距離為IO微米，具體的間距大小需要根據實驗人員的要求而定。 調節距離時應避免操作時間過長，這主要是防止界面金屬間化合物生長過快 和釬料表面的氧化。
距離調節完成后，要關閉加熱板電源，打開冷卻風扇12，冷卻風扇為兩組 12W、 6V風扇，通過DELIXI BK-50控制變壓器與220V電壓相連，且由支架 19支撐。當模具8表面溫度降到釬料熔點以下，即可將模具8從加熱臺上取 下，完成微米級漆包線對接釬焊。釬焊后的銅線對接接頭結構示意圖如圖9 所示，左右為漆包線9，中間為釬料IO。
實例錫鉛共晶釬料對接接頭的制作。
實施步驟如下
1) 前處理
市售漆包線一般以巻的形式出售，因此要把彎曲的漆包線變直，以便放入
U型模具23之中，該步驟需要兩塊大小適中的陶瓷板，將彎曲的漆包線放置 于中間，使上面的陶瓷板往復運動，將彎曲漆包線搟直。
由于漆包線在經過電工鉗剪斷后的端面是V型，需要將此V型面磨平，將 剪斷后的漆包線至于模具中卡緊，V型面暴露在卡具外，通過SiC400號砂紙 打磨成平面。打磨后的端面要用丙酮或乙醇進行清洗，去除端面污物。
2) 裝配試樣
將前處理后的一根漆包線置于模具U型槽23中，通過螺釘24和擋板25 將其固定于U槽23內，隨后添加釬料IO，通過絲網印刷的方式，可確定釬料
量的多少，本實驗采用直徑0.5mm，厚度0.1,銅制絲網。絲網印刷操作具體 如下將絲網置于一平面物體之上，取適量焊膏在絲網上，利用刮板將焊膏 掛至直徑0.5ram孔中，拿去絲網，在將釬料轉移至模具的U型槽23中。將模 具放置在加熱板3上，打開體式顯微鏡14，使焊點中心位置置于鏡頭中央。 將另外一銅線9固定于X-Y-Z三維移動平臺7之上，通過X軸26、 Y軸27、 Z 軸28旋鈕將銅線移動至U型槽23中，在上面加蓋擋板25。完成試樣裝配。
3) 升溫
傳統錫鉛釬料的熔點為180度，因此將控溫儀溫度設定在180度，即模具 8溫度達到180度時，交流接觸器會自動斷開加熱板電源。
4) 間距調節
隨著模具8的溫度升高至錫鉛釬料熔點，焊膏逐漸聚集成一個光亮球體， 此時調節X軸26向旋鈕至兩銅線間距至0. 2mm。
5) 降溫及拆卸
調節好間距后，打開冷卻風扇12進行快速降溫，當記溫儀6顯示的溫度 低于70度時，即可以將模具8從加熱板上取下，同時取下釬焊好的對接接頭。
6) 評估
對接接頭的外觀形貌和顯微組織如圖11和圖12所示，從光學顯微鏡(a) 中可以觀測到，該接頭中兩邊的漆包線9和中間的釬料10在同一水平線上， 且釬料10在水平方向上的長度為0. 2腿。如圖12所示，掃描電子顯微鏡中可 以清晰的觀測到界面處的金屬間化合物，且它們的長度不超過10微米。圖13 是對接接頭的拉伸曲線圖，從中可以得到，當拉伸力增加到10牛頓時，對接 接頭斷開，經過計算可以得知本平臺釬焊的對接接頭，其承受的最大拉伸 應力可達50MP。
本實施例中在實施關于試樣的尺寸、材料類型、元件部分的構形和相對布 置的描述并不意味著將本發明限定在所公開的特定形式，本實施例僅僅是以 示例的方式公開，除非另有特別說明。
權利要求
1、可控銅線對接釬焊平臺，其特征在于按從上到下的順序主要包括有三部分，上部包括有顯微成像和拍攝裝置，中部包括有冷卻風扇(12)、X-Y-Z三維移動平臺(7)、模具(8)和放置在模具(8)內的銅線(9)、釬料(10)，下部包括有用于給模具(8)加熱的加熱板(3)、用于控制模具(8)表面溫度的控溫儀(4)和記溫儀(6)；其中，模具(8)放置在加熱板(3)的上表面，控溫儀(4)與加熱板(3)相連接，熱電偶(5)的一端連接在控溫儀(4)和記溫儀(6)上，另一端直接與模具(8)的表面相接觸；在模具(8)的U型槽(23)內放置有兩支銅線(9)，在兩支銅線(9)之間放置有釬料(10)，右側的銅線(9)的右端與X-Y-Z三維移動平臺(7)相連接；在模具(8)的右上方設置有冷卻風扇(12)；在模具(8)的正上方按從下到上的順序依次設置有顯微鏡物鏡(15)、顯微鏡目鏡(14)，在顯微鏡目鏡(14)的正上方放置有與計算機(16)相連接的攝像頭(13)。
2、 根據權利要求l所述的可控銅線對接釬焊平臺，其特征在于在模具(8) 的上表面和顯微鏡物鏡(15)之間放置有石英片(17)。
3、 根據權利要求1所述的可控銅線對接釬焊平臺，其特征在于在加熱板(3) 的下部設置有散熱風扇(11)。
全文摘要
本發明為可控銅線對接釬焊平臺，屬于材料制備與連接領域。銅線(9)一端置于模具U型槽(23)中，另一端與X-Y-Z三維移動平臺(7)相連接；釬料(10)放置于銅線之間的U型槽(23)內。模具(8)與下方的加熱板(3)直接接觸，加熱板與控溫儀(4)連接。熱電偶(5)一端連在控溫儀(4)和記溫儀(6)上，另一端與模具(8)表面接觸，從而控制和獲得釬焊溫度。通過冷卻風扇(12)為模具及接頭提供快速的降溫速率。通過與目鏡相連的攝像頭(13)采集圖像，并將整個釬焊過程顯示在計算機屏幕(16)上，可方便銅線間距調節。本發明可精確控制釬焊銅線間隙，固定界面金屬間化合物的厚度，釬焊材料即可以是焊球也可以是焊膏。
文檔編號B23K3/047GK101108438SQ200710121180
公開日2008年1月23日 申請日期2007年8月31日 優先權日2007年8月31日
發明者何洪文, 史耀武, 夏至東, 徐廣臣, 福 郭, 雷永平 申請人:北京工業大學