焊球形成裝置和焊球形成方法與流程

本發明涉及半導體技術領域，特別涉及一種焊球形成裝置和焊球形成方法。

背景技術：

隨著我國電子產品向高性能、微小型化方向發展，為減小電路模塊體積、提高高頻特性，會越來越多的用到焊球陣列封裝(bga)、芯片尺寸封裝(csp)、多芯片組件(mcm)、微電子機械(mems)和系統級芯片(soc)等先進器件和組件。所以，凸點芯片倒裝焊接技術必將成為芯片互連的主流工藝技術。

與傳統的線連接與載帶連接相比，倒裝芯片技術有明顯的優點：封裝密度最高；具有良好的電和熱性能；可靠性好；成本低。因此倒裝芯片是一種能夠適應未來電子封裝發展要求的技術。凸點芯片倒裝焊接技術主要特點是：(1)基板上直接安裝芯片：(2)對應的互連位置必須有凸起的焊點-凸點：(3)基板和芯片的焊點成鏡像對稱；(4)同時實現電氣和機械連接。可見，在倒芯片封裝過程中，凸點形成是其工藝過程的關鍵。

現有技術通常采用模板印刷方法形成焊球，通過涂刷器和模板，將焊料涂刷在焊盤上。影響模板印刷工藝質量的因素很多，工藝非常復雜。

技術實現要素：

本發明解決的問題是提供一種焊球形成裝置和形成方法，使得焊球的形成過程簡單，易于操作。

為解決上述問題，本發明提供一種焊球形成裝置，包括：一種焊球形成裝置，其特征在于，包括：載臺，所述載臺用于放置芯片；控制單元和與所述控制單元連接的三維移動裝置，通過所述控制單元控制所述三維移動裝置在水平方向和垂直方向移動；噴嘴，所述噴嘴固定于三維移動裝置上；焊料源，所述焊料源與所述噴嘴連接，用于向所述噴嘴提供熔融狀態的焊料；壓 力調整單元，所述壓力調整單元與所述噴嘴連接，用于調整所述噴嘴內的焊料受到的壓力；冷卻裝置，用于使焊料冷卻凝固。

可選的，所述噴嘴材料包括：鎢、鎢合金、鎳、鎳合金或陶瓷。

可選的，還包括加熱元件，用于對噴嘴進行加熱，所述加熱元件位于噴嘴外壁。

可選的，所述加熱元件為鎳鉻加熱絲。

可選的，所述壓力調整單元包括：施壓氣體源、位于施壓氣體源與噴嘴之間的調節閥。

可選的，所述施壓氣體源包括加熱裝置，用于對所述施壓氣體進行加熱。

可選的，對所述施壓氣體進行加熱的溫度為200℃～300℃。

可選的，所述調節閥具有雙向氣壓調節功能，用于調整向所述噴嘴內施加的壓力為正壓或負壓。

可選的，所述調節閥包括與施壓氣體源和噴嘴連接的流量閥、與噴嘴連接的真空泵。

可選的，所述冷卻裝置包括冷卻氣體源和與所述冷卻氣體源連接的冷卻噴頭。

可選的，所述冷卻噴頭固定于三維移動裝置上。

可選的，所述冷卻氣體源是n2源。

為解決上述問題，本發明的實施例還提供一種采用上述焊球形成裝置的焊球形成方法，包括：提供上述焊球形成裝置；提供待形成焊球的芯片，所述芯片上形成有金屬連線和覆蓋所述金屬連線的具有多個開口的聚合物層，所具開口位于金屬連線表面；采集所述芯片上的開口的位置和尺寸信息，并錄入控制單元；所述控制單元根據所述開口的位置和尺寸信息，控制三維移動裝置移動，使得噴嘴移動至其中一開口上方；焊料源向噴嘴內提供焊料，同時通過壓力調整單元向噴嘴內的焊料施加壓力，通過噴嘴另一端流出，形成焊料液滴，逐滴進入開口，直至所述焊料液滴填滿所述開口并溢出；通過冷卻裝置對進入開口的焊料進行冷卻，使開口內焊料凝固，最終形成焊球； 所述控制單元根據所述開口的位置和尺寸信息，繼續控制三維移動裝置移動，使得噴嘴移動至另一開口上方，并按上述方法，依次在其他開口內形成焊球。

可選的，通過加熱元件對噴嘴進行加熱，以確保所述焊料在噴嘴內為熔融狀態；所述加熱元件對噴嘴進行加熱的加熱溫度為200℃～300℃。

可選的，所述三維移動裝置在水平方向和垂直方向上移動，其中，在水平方向上的移動速率為10μm/s～300mm/s，在垂直方向上的移動速率為10μm/s～100mm/s。

可選的，在所述三維移動裝置移動時，通過壓力調整單元使噴嘴內保持負壓，避免噴嘴內焊料滴出。

可選的，冷卻裝置包括冷卻氣體源和與所述冷卻氣體源連接的冷卻噴頭，冷卻氣體從冷卻噴頭噴出，對開口內焊料進行冷卻；調整所述冷卻氣體的流速，調整焊料的凝固速率。

可選的，調整所述噴嘴內壓力大小，使噴嘴內流出的焊料液滴直徑小于開口寬度。

可選的，所述噴嘴與開口底部之間的距離小于開口高度的兩倍。

可選的，隨著開口內焊料增多，逐漸增加噴嘴與開口底部之間的距離。

與現有技術相比，本發明的技術方案具有以下優點：

本發明的技術方案提供一種焊球形成裝置，所述焊球的形成裝置包括控制單元和與所述控制單元連接的三維移動裝置，通過所述控制單元控制所述三維移動裝置在水平方向和垂直方向移動；噴嘴固定于三維移動裝置上，所述焊料源與所述噴嘴連接，用于向所述噴嘴提供熔融狀態的焊料；通過壓力調整單元對噴嘴內的焊料施加壓力，使其流出形成焊料液滴；冷卻裝置對焊料進行冷卻，使其凝固在芯片在形成焊球。該裝置可以直接在芯片上形成焊球，不需要進行回流焊等步驟，易于操作。

本發明的技術方案還提供一種采用上述焊球形成裝置的焊球形成方法，通過焊料源向噴嘴內提供焊料，同時通過壓力調整單元向噴嘴內的焊料施加壓力，通過噴嘴另一端流出，形成焊料液滴，逐滴進入芯片上的待形成焊球 處的開口，再通過冷卻裝置對開口內的焊料進行冷卻，使其凝固，形成焊球。焊料液滴填充滿開口后在頂部自然形成球狀，通過冷卻形成焊球，不需要進行回流焊等步驟，工藝步驟簡單，易于操作。

附圖說明

圖1是本發明的實施例的焊球形成裝置的示意圖；

圖2是本發明的實施例的焊球形成裝置中的噴嘴、壓力調整單元以及焊料源的示意圖；

圖3至圖5是本發明的實施例的焊球形成過程的結構示意圖。

具體實施方式

如背景技術中所述，現有技術形成焊球的方法工藝非常復雜，焊球的質量較難控制。

本實施例中，提供一種焊球形成裝置及采用該裝置形成焊球的方法，通過三維(3d)打印的方法形成焊球，方法簡單，操作方便。

為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更為明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施例做詳細的說明。

請參考圖1，為該焊球形成裝置的單元結構示意圖。

所述焊球形成裝置包括：載臺100，所述載臺100用于放置芯片；控制單元200和與所述控制單元200連接的三維移動裝置300，通過所述控制單元200控制所述三維移動裝置300的移動；噴嘴500，所述噴嘴500固定于三維移動裝置300上；焊料源700，所述焊料源700與所述噴嘴500連接，用于向所述噴嘴500提供熔融狀態的焊料；壓力調整單元600，所述壓力調整單元600與所述噴嘴500連接，用于調整所述噴嘴500內的焊料受到的壓力；冷卻裝置400，用于控制焊料的凝固速率。

所述載臺100用于放置待形成焊球的芯片，所述載臺100可以是固定高度和位置的，也可以是可升降和水平移動。

控制單元200內包括圖形處理單元，能夠將輸入的圖形信息，轉變成控制信號，控制所述三維移動裝置300的移動。所述圖形信息包括待形成芯片 上的焊球形成位置的圖形。所述控制單元200還可以包括圖像采集裝置，用于獲取芯片上待形成焊球位置的分布圖形信息。

三維移動裝置300與控制單元200連接，根據控制單元200的控制信號可以在水平面內以及處置方向作3d移動。

噴嘴500固定于三維移動裝置300上，通過三維移動裝置300的移動可以使所述噴嘴300移動至合適位置。噴嘴300垂直與載臺100設置，在形成焊球時，焊料從噴嘴內自上而下滴落。焊料在噴嘴500內為熔融狀態，具有較高的溫度，為了避免噴嘴500在高溫下發生變形等問題，所述噴嘴500的材料為耐高溫材料，包括鎢、鎢合金、鎳、鎳合金或陶瓷等熔點高于焊料熔點的材料。所述噴嘴500的出口處直徑較小，使得焊料從噴嘴內滴落時能夠形成直徑較小的液滴。

所述噴嘴500與壓力調整單元600、焊料源700連接。焊料源700內具有加熱裝置，用于向噴嘴內提供熔融狀態的焊料，而所述壓力調整單元600用于調整所述噴嘴500內焊料受到壓力，從而調整焊料從噴嘴500下端出口流出的速率。所述焊料可以為錫或鉛錫合金。

請參考圖2，為本實施例的噴嘴500、壓力調整單元600以及焊料源700的示意圖。

本實施例中，所述壓力調整單元600包括：施壓氣體源301、位于施壓氣體源601與噴嘴500之間的調節閥602。

通過向噴嘴500內通入氣體對噴嘴內的焊料施加壓力，所述施壓氣體不會與焊料發生反應。本實施例中，所述施壓氣體源301可以是n2源，在本發明的其他實施例中，所述施壓氣體還可以是ar或he等惰性氣體。

所述調節閥602用于調節噴嘴500內焊料受到的壓力大小。當所述調節閥602關閉時，焊料在噴嘴500內僅受到重力以及噴嘴500壁的阻力，當噴嘴500壁的阻力較大時，焊料將無法從噴嘴500內流出，當噴嘴500壁的阻力較小時，焊料從噴嘴500內緩慢流出；當所述調節閥602開啟時，施壓氣體源301向噴嘴內通入氣體，使得噴嘴500內的焊料受到壓力，向下流動，從噴嘴500下端滴出。

所述施壓氣體源601還包括加熱裝置，用于對所述施壓氣體進行加熱，避免施加氣體由于溫度較低而導致進入噴嘴500內使得噴嘴500內的焊料凝固，無法從噴嘴500流出。具體的，對施壓氣體的加熱溫度可以大于焊料的熔點。在本發明的一個實施例中，所述加熱溫度可以是200℃～300℃。

本實施例中，所述調節閥602具有雙向氣壓調節功能，用于調整向所述噴嘴500內施加的壓力為正壓或負壓，具體的，所述調節閥602包括與施壓氣體源602和噴嘴500連接的流量閥、與噴嘴500連接的真空泵。所述流量閥與真空泵交替工作，當流量閥開啟時，真空泵關閉，向噴嘴500內通入氣體，施加正壓力，使焊料流出；當流量閥關閉時，真空泵開啟，向噴嘴500內施加負壓，避免焊料在重力作用下流出。

本實施例中，為了避免噴嘴500內的焊料在流動過程中凝固，所述焊料形成裝置還包括加熱元件501。所述加熱元件501位于噴嘴500外壁，便于對噴嘴500進行加熱。所述加熱元件501可以是鎳鉻加熱絲，加熱溫度為200℃～300℃。

請繼續參考圖1，所述焊球形成裝置還包括冷卻裝置400，所述冷卻裝置用于對滴落在芯片上的焊料進形冷卻凝固，以形成焊球。本實施例中，所述冷卻裝置400包括冷卻氣體源和與所述冷卻氣體源連接的冷卻噴頭，通過對芯片上的焊料進行氣體吹掃以使其溫度下降而凝固，冷卻氣體的流量越大，焊料凝固速率越快。所述冷卻噴頭固定于三維移動裝置300上，以便與噴嘴500同時移動，及時對滴落在芯片上的焊料液滴進行冷卻。

本實施例中，所述冷卻氣體源是n2源，在本發明的其他實施例中，所述冷卻氣體還可以是ar或he等惰性氣體。

本發明的實施例，還提供一種采用上述焊球形成裝置形成焊球的方法。

請參考圖3，提供待形成焊球的芯片10，所述芯片10上形成有金屬連線20和覆蓋所述金屬連線20的具有多個開口31的聚合物層30，所具開口31位于金屬連線30表面。部分金屬連線20和芯片10表面之間還具有彈性體11。需要在開口31內形成連接金屬連線20的焊球。

本實施例中，所述聚合物層30的材料為聚酰亞胺，具有耐高溫、高絕緣 性能的特點，所述聚合物層30的厚度為0.2mm～0.5mm，所述開口的寬度為0.2mm～0.5mm。

所述開口31的位置及尺寸與具體的芯片相關，采集所述芯片10上的開口31的位置和尺寸信息，并錄入焊球形成裝置的控制單元200(請參考圖1)內，或者直接由所述控制單元200的圖像采集裝置獲取開口的分布圖形信息。

請參考圖4，芯片10至于載臺100(請參考圖1)上，所述控制單元200(請參考圖1)根據所述開口31的位置和尺寸信息，控制三維移動裝置300(請參考圖1)移動，使得噴嘴500移動至其中一開口31上方；焊料源700向噴嘴500內提供焊料，同時通過壓力調整單元600向噴嘴500內的焊料施加壓力，通過噴嘴500另一端流出，形成焊料液滴，逐滴進入開口31，直至所述焊料液滴填滿所述開口31并溢出在開口31頂部形成球狀，通過冷卻裝置對進入開口的焊料進行冷卻，使開口內焊料凝固，最終形成焊球。

所述三維移動裝置300在控制單元200的控制下，可以在水平方向和垂直方向上移動，使得所述噴嘴500和冷卻裝置400隨所述三維移動裝置300移動至開口31上方，使得噴嘴500的下端位于開口31正上方。

所述三維移動裝置300的移動速率不能過快，以便能夠對噴嘴500的位置進行精確調整。本實施例中，所述三維移動裝置300在水平方向上的移動速率為10μm/s～300mm/s，在垂直方向上的移動速率為10μm/s～100mm/s。

焊料源700向噴嘴500內提供熔融狀態的焊料同時，壓力調整單元600向噴嘴500內的焊料施加壓力，使焊料通過噴嘴500另一端流出，形成焊料液滴滴入開口31內。本實施例中，所述壓力調整單元600包括施壓氣體源和調節閥，具體的，打開調節閥，使所述施壓氣體源內的氣體進入噴嘴500內，對噴嘴500內的焊料施加壓力，所述壓力越大，焊料流動速率越快。

當所述噴嘴500的材料為鎳、鎳合金、鎢或鎢合金時，噴嘴500的內壁對焊料形成的阻力較小，所述壓力調整單元600只需施加較小壓力使焊料流出；而所述噴嘴500為陶瓷材料時，噴嘴500的內壁對焊料形成的阻力較大，所述壓力調整單元600需要施加較大壓力使焊料流出。

本實施例中，所述調節閥包括流量閥和真空泵，可以通過所述流量閥調 整進入噴嘴500內的施壓氣體的流量，從而調整所述施壓氣體對焊料施加的壓力，流量越大，壓力越大。并且，調整所述噴嘴500內壓力大小，使噴嘴500內流出的焊料液滴直徑小于開口31寬度。

本實施例中，還可以通過加熱元件501對噴嘴500進行加熱，以確保所述焊料在噴嘴500內為熔融狀態；所述加熱元件501對噴嘴500進行加熱的加熱溫度為200℃～300℃。

所述噴嘴500的下端與開口31底部之間的距離小于開口31高度的兩倍，避免由于噴嘴500與開口31底部之間的距離過大，焊料液滴在進入開口31前在空氣中暴露時間過長而發生凝固，影響焊料在開口31內的填充質量。隨著開口31內焊料增多，可以使三維移動裝置300向上移動，逐漸增加噴嘴500與開口31底部之間的距離。

焊料液滴填充滿開口31并溢出，在開口31上方形成球形之后，停止向噴嘴500內提供焊料，停止焊料液滴形成，并且采用冷卻裝置400對開口31及其上方的焊料進行冷卻，使其凝固，形成焊球。

本實施例中冷卻裝置400包括冷卻氣體源和與所述冷卻氣體源連接的冷卻噴頭，冷卻氣體從冷卻噴頭噴出，對開口31內焊料進行冷卻使其凝固形成焊球。可以通過調整所述冷卻氣體的流速，調整焊料的凝固速率，流速越快，焊料凝固速率越快。

在芯片10上的一處開口31內形成焊球之后，所述控制單元200根據開口31的位置和尺寸信息，繼續控制三維移動裝置300移動，使得噴嘴500移動至另一開口31上方，形成焊球，并按上述方法，依次在其他開口31內形成焊球。請參考圖5，為在所述開口內均形成焊球后的結構示意圖。

在所述三維移動裝置300移動時，停止對噴嘴500內輸入焊料。本實施例中，還可以三維移動裝置300移動時，通過壓力調整單元600使噴嘴500內保持負壓，避免噴嘴500內焊料滴出。所述壓力調整單元600的調節閥包括流量閥和真空泵，關閉流量閥使施壓氣體無法進入噴嘴500內，同時開啟真空泵，抽取噴嘴500內的氣體，使噴嘴500內保持負壓，從而避免焊料滴出。

上述焊球的形成方法，步驟簡單，易于操作。

雖然本發明披露如上，但本發明并非限定于此。任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護范圍應當以權利要求所限定的范圍為準。