专利名称：可控铜线对接钎焊平台的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可控铜线对接钎焊平台，属于材料制备与连接领域，适用于制备微小尺寸(BGA)的微电子用钎焊接头，可以控制钎焊过程中的工艺 参数，便于研究微电子用新型钎料的各种性能，包括显微组织观察和力学性 能测试，为工业界开发微电子用新型钎料提供有力保障。
背景技术：
在微电子封装领域，钎料作为一种重要的连接材料既承载着机械可靠性 又承担着传输电流的作用，在服役过程中，钎焊焊点还要承受冲击、机械振 动和热疲劳等严峻的服役环境。这就造成了 70%电子器件的失效由焊点的失效 所致。针对于此，全世界诸多研究机构对焊点的失效机理展开研究，特别是 2003年2月13日，欧洲议会与欧盟部长会议组织，正式批准WEEE和RoSH的 官方指令生效，强制要求自2006年7月1日起，在欧洲市场上销售的电子产 品必须为无铅电子产品(个别类型电子产品暂时除外)。传统锡铅钎料已有上 百年的使用历史，而无铅钎料仅仅在最近几年才开始使用，其诸多性能还不 被研究人员所知。特别是随着电子产品日益微型化，焊点在尺寸上己经縮减 到几百微米左右，以目前主流BGA封装为例，焊点平均直径为100微米，球 珊阵列中焊点间距为100um，那么可在一个lcmXlcm的芯片上放置 100X100二10，000个焊点。总之微型焊点将会是未来电子封装主要方向之一。 在开发适用微型焊点用材料的过程中，多采用以下两种结构BGA封装， 由于BGA封装中含有高成本硅晶片及逻辑电路，所以开发成本很高，且这种 结构不利于分析开发新材料时所面临的问题，这主要是因为多物理场耦合是 这种封装结构失效的主因，很难确定单一物理场下的影响。另一种结构为， 单剪搭接接头，该接头示意图如图1和图2所示，其中铜片1的厚度0. 1-0. 5鹏，
钎焊面积2 —般为lmm2。但是，该搭接接头的钎焊面积较大，已不能够用于
研究微米级焊点失效过程中出现的新问题，比如电迁移，热迁移等。针对于 此，有必要设计出尺寸更加微型化的接头，除搭接接头外，对接接头也是目
前主流研究对象。美国UCLA大学材料系在开有V型槽硅片上预先放置铜线、
钎料球和助焊剂，随后进行钎焊，该方法制备的微米级对接接头可以取代倒 装芯片来研发新材料，但是此方法需根据钎料球的大小确定两铜线间隙，无 法进行调节，并且该方法不适用于焊膏钎焊。
发明内容
本发明的目的在于克服的现有焊接平台的上述缺陷，提供了一种可控铜
线对接钎焊平台，本平台在钎焊过程中可精确控制两铜线间距，可钎焊BGA 焊球和焊膏，同时还可固定升温、降温曲线，使得每次钎焊后界面处金属间 化合物长度分布保持在固定值(小于10微米)。
为了达到上述目的，本发明采取了如下技术方案。按从上到下的位置关 系主要包括有三部分，上部包括有显微成像和拍摄装置，中部包括有冷却风 扇12、 X-Y-Z三维移动平台7、模具8和放置在模具8内的铜线9、钎料10， 下部包括有用于给模具8加热的加热板3、用于控制模具8表面温度的控温仪 4和记温仪6，其中，模具8放置在加热板3的上表面，加热板3与控温仪4 相连接，热电偶5的一端连接在控温仪4和控温仪6上，另一端直接与模具8 的表面相接触。在模具8的U型槽23内放置有两支铜线9，在两支铜线9之 间放置有钎料IO，右侧的铜线9的右端与X-Y-Z三维移动平台7相连接；在 模具8的右上方设置有冷却风扇12;在模具8的正上方按从下到上的顺序依 次设置有显微镜物镜15、显微镜目镜14，在显微镜目镜14的正上方放置有 与计算机16相连接的摄像头13。
在模具8的上表面和显微镜物镜15之间放置有石英片17。
在加热板3的下部设置有散热风扇11。
本发明中的X-Y-Z三维移动平台7是确保铜线间距的关键，因此需具备 以下功能1)精确调节，最小移动距离为O.Olmm; 2)调节过程中要保持整
体稳定，避免微振动对距离调节的影响；3)由于钎焊铜线一端通过螺钉22 与三维移动平台7相连接，两者间有紧密机械结合强度。
模具8是钎焊铜线9、钎料10的主要载体，模具8采用了与钎料不润湿 的材料；在其中间位置开有U型槽23，槽的尺寸需要依据铜线直径而定。模 具8上方有两块挡板25，挡板25通过螺钉24与模具8相连接。
加热板3具有以下特点尺寸小，加热速度快，无明火，不易触电，安 全性高。
控温仪4与模具8通过热电偶5相连，同时又与加热板3相连接，该系 统主要工作原理是由控温仪4的加热板3将试样(铜线9、钎料10)加热 到预定温度，热电偶5将试样的实际温度传递给控温仪4，通过控温仪4将试 样温度限定在预定温度范围内，从而固定热量输入，避免试样在钎焊过程中氧化。
冷却风扇12的主要作用是为钎焊后的接头提供快速的降温速率，该过 程类似于电路板在回流焊中的风冷阶段。冷却风扇12固定了降温速率，縮短 降温时间，避免接头界面处金属间化合物29生长过大。
显微成像和拍摄装置由摄像头13、计算机16、显微镜目镜14及物镜15 构成。该工作方式如下摄像头13通过显微镜目镜14采集钎焊过程的图像， 并将图像显示在计算机屏幕16上，操作者可以通过计算机屏幕16来调节两 铜线之间的距离。
记温仪6具有定时采集温度数据的功能，其连接方式如下热电偶5 — 端连在记温仪6上，另一端置于模具8表面，以获取升温和降温阶段的温度 数据。散热风扇11可散发加热板3对显微镜产生的热量，避免显微镜温度过 高。物镜正下方石英片17主要用于保护镜头，阻断加热板产生的热量接触到 物镜15。
本发明的优点在于可以精确控制微小尺寸对接接头的钎焊间隙，通过控 制热输入，固定界面处金属间化合物的厚度；钎料的使用不在拘泥于焊球，
焊膏也可以用来钎焊对接接头；相对于采用光刻技术制作的硅片V型槽，本 发明铝制U型槽成本低。
图l:搭接接头主视图 图2:搭接接头俯视图
图3:可控铜线对接钎焊平台部件关系示意图 图4:可控钎焊平台主视图 图5:模具主视图 图6:模具俯视图 图7:模具左视图
图8: X-Y-Z三维移动平台结构示意图
图9:对接接头结构示意图
图10:升温、降温曲线
图ll:光学显微镜图
图12:扫描电子显微镜图
图13:力学拉伸实验曲线
图中1-铜片，2-钎焊面积，3-加热板，4-控温仪，5-热电偶，6-记温仪， 7-X-Y-Z三维移动平台，8-模具，9-铜线，10-钎料，11-散热风扇，12-冷却 风扇，13-摄像头，14-显微镜目镜，15-体式显微镜物镜，16-计算机，17-石 英片，18-固定石英片支架，19-固定风扇支架，20-显微镜支架，21-显微镜 底座，22-固定铜线螺钉，23-U型槽，24-固定挡板螺钉，25-挡板，26-X轴 螺旋手柄，27-Y轴螺旋手柄，28-Z轴螺旋手柄，29-界面处的金属间化合物。
具体实施例方式
下面结合图1 图13对本发明的具体实例进行描述。 本平台中的使用的铜线9为0. 3ram或0. 5mm的漆包线，市售漆包线一 般由高纯度铜和绝缘漆构成，其中外围的绝缘漆可起到阻焊的作用。在钎焊
之前，需要对漆包线进行预处理，包括端面磨平和滚直两个步骤。处理后的
漆包线一端固定在模具U型槽23内，通过螺钉24和挡板25卡紧。本装置可 以将适量焊膏直接放于U型槽23内进行钎焊，同时也可以进行微米级BGA焊 球钎焊，漆包线的另一端固定在X-Y-Z三维移动平台7上，本装置采用桌立 汉光ASM25-XYZ-1型精密平移台，如图8所示，通过X轴26、 Y轴27、 Z轴 28的螺旋手柄将其移动到U型槽23内，随后加盖挡板25。
在电子元器件与PCB (Print Circuit Board)板钎焊过程中， 一般采用回 流焊机，回流焊机包含有多个升温区和降温区，升温速率和降温速率对焊点 界面处金属间化合物生长有至关重要的影响，工业界通常规定界面金属间化 合物29长度不超过10微米。本钎焊平台可有效控制升温速率和降温速率， 通过远红外陶瓷加热板提供热源，该装置固定在显微镜底座21上，加热板3 与显微镜底座21之间垫有石棉，以免大量的热直接传递到体式显微镜上，与 此同时，底座21内部装有一散热风扇11，该风扇功率12W、 6V，通过DELIXI BK-50与220V电压相连，装置中采用加热板为额定电压220V，功率400W，规 格120mmX120mm，此种加热板3的优点是加热速度快，在开放式条件下可以 在短时间内使周围温度达到150度，并且无明火，安全性高，此外，与普通 的电阻丝相比，由于加热丝埋入陶瓷内部，不易触电，便于操作。为了避免 加热板温度过高，外部连有控温系统，该装置采用了 XMTD数显控温仪、DELIXI CDC1交流接触器和镍络鉻-镍硅热电偶，其中，控温仪4与交流接触器与远红 外陶瓷加热板3相连接，热电偶5置于模具8表面，由于加热板3的热量通 过模具8传递给钎焊接头，所以实际所需控制的温度应该以模具8表面温度 为准，此外，另一个记温仪6的热电偶5接触在模具8表面，该仪器主要用 于记录温度数据，通过此数据绘制升温、降温曲线，如图10所示，从中可以 得知，较之随炉冷，风冷可有效加快降温速度。
在整个钎焊过程，可以通过肉眼在显微镜10倍目镜14上观测，也可以通 过计算机屏幕16观测，这主要是通过10倍目镜14和摄像头13将图像采集
到电脑屏幕16并显示。图像采集可用市售普通30万像素摄像头即可达到清 晰观测的目的，由于钎焊温度较高，要在显微镜目镜前加放石英片17，随着 加热板3温度升高，钎料10从固态变为液态，因钎料10仅与铜线9端面润 湿，此时的钎料10会在铝制U型槽23中自动聚集成一光亮球体。当钎料10 变为光亮液态后，通过X-Y-Z三维移动移动平台7的X轴螺旋旋钮26进行两 铜线间距调节，即铜线端面间的距离调节要在钎料变为液态时完成，螺旋旋 钮的最小移动距离为IO微米，具体的间距大小需要根据实验人员的要求而定。 调节距离时应避免操作时间过长，这主要是防止界面金属间化合物生长过快 和钎料表面的氧化。
距离调节完成后，要关闭加热板电源，打开冷却风扇12，冷却风扇为两组 12W、 6V风扇，通过DELIXI BK-50控制变压器与220V电压相连，且由支架 19支撑。当模具8表面温度降到钎料熔点以下，即可将模具8从加热台上取 下，完成微米级漆包线对接钎焊。钎焊后的铜线对接接头结构示意图如图9 所示，左右为漆包线9，中间为钎料IO。
实例锡铅共晶钎料对接接头的制作。
实施步骤如下
1) 前处理
市售漆包线一般以巻的形式出售，因此要把弯曲的漆包线变直，以便放入
U型模具23之中，该步骤需要两块大小适中的陶瓷板，将弯曲的漆包线放置 于中间，使上面的陶瓷板往复运动，将弯曲漆包线擀直。
由于漆包线在经过电工钳剪断后的端面是V型，需要将此V型面磨平，将 剪断后的漆包线至于模具中卡紧，V型面暴露在卡具外，通过SiC400号砂纸 打磨成平面。打磨后的端面要用丙酮或乙醇进行清洗，去除端面污物。
2) 装配试样
将前处理后的一根漆包线置于模具U型槽23中，通过螺钉24和挡板25 将其固定于U槽23内，随后添加钎料IO，通过丝网印刷的方式，可确定钎料
量的多少，本实验采用直径0.5mm，厚度0.1,铜制丝网。丝网印刷操作具体 如下将丝网置于一平面物体之上，取适量焊膏在丝网上，利用刮板将焊膏 挂至直径0.5ram孔中，拿去丝网，在将钎料转移至模具的U型槽23中。将模 具放置在加热板3上，打开体式显微镜14，使焊点中心位置置于镜头中央。 将另外一铜线9固定于X-Y-Z三维移动平台7之上，通过X轴26、 Y轴27、 Z 轴28旋钮将铜线移动至U型槽23中，在上面加盖挡板25。完成试样装配。
3) 升温
传统锡铅钎料的熔点为180度，因此将控温仪温度设定在180度，即模具 8温度达到180度时，交流接触器会自动断开加热板电源。
4) 间距调节
随着模具8的温度升高至锡铅钎料熔点，焊膏逐渐聚集成一个光亮球体， 此时调节X轴26向旋钮至两铜线间距至0. 2mm。
5) 降温及拆卸
调节好间距后，打开冷却风扇12进行快速降温，当记温仪6显示的温度 低于70度时，即可以将模具8从加热板上取下，同时取下钎焊好的对接接头。
6) 评估
对接接头的外观形貌和显微组织如图11和图12所示，从光学显微镜(a) 中可以观测到，该接头中两边的漆包线9和中间的钎料10在同一水平线上， 且钎料10在水平方向上的长度为0. 2腿。如图12所示，扫描电子显微镜中可 以清晰的观测到界面处的金属间化合物，且它们的长度不超过10微米。图13 是对接接头的拉伸曲线图，从中可以得到，当拉伸力增加到10牛顿时，对接 接头断开，经过计算可以得知本平台钎焊的对接接头，其承受的最大拉伸 应力可达50MP。
本实施例中在实施关于试样的尺寸、材料类型、元件部分的构形和相对布 置的描述并不意味着将本发明限定在所公开的特定形式，本实施例仅仅是以 示例的方式公开，除非另有特别说明。
权利要求
1、可控铜线对接钎焊平台，其特征在于按从上到下的顺序主要包括有三部分，上部包括有显微成像和拍摄装置，中部包括有冷却风扇(12)、X-Y-Z三维移动平台(7)、模具(8)和放置在模具(8)内的铜线(9)、钎料(10)，下部包括有用于给模具(8)加热的加热板(3)、用于控制模具(8)表面温度的控温仪(4)和记温仪(6)；其中，模具(8)放置在加热板(3)的上表面，控温仪(4)与加热板(3)相连接，热电偶(5)的一端连接在控温仪(4)和记温仪(6)上，另一端直接与模具(8)的表面相接触；在模具(8)的U型槽(23)内放置有两支铜线(9)，在两支铜线(9)之间放置有钎料(10)，右侧的铜线(9)的右端与X-Y-Z三维移动平台(7)相连接；在模具(8)的右上方设置有冷却风扇(12)；在模具(8)的正上方按从下到上的顺序依次设置有显微镜物镜(15)、显微镜目镜(14)，在显微镜目镜(14)的正上方放置有与计算机(16)相连接的摄像头(13)。
2、 根据权利要求l所述的可控铜线对接钎焊平台，其特征在于在模具(8) 的上表面和显微镜物镜(15)之间放置有石英片(17)。
3、 根据权利要求1所述的可控铜线对接钎焊平台，其特征在于在加热板(3) 的下部设置有散热风扇(11)。
全文摘要
本发明为可控铜线对接钎焊平台，属于材料制备与连接领域。铜线(9)一端置于模具U型槽(23)中，另一端与X-Y-Z三维移动平台(7)相连接；钎料(10)放置于铜线之间的U型槽(23)内。模具(8)与下方的加热板(3)直接接触，加热板与控温仪(4)连接。热电偶(5)一端连在控温仪(4)和记温仪(6)上，另一端与模具(8)表面接触，从而控制和获得钎焊温度。通过冷却风扇(12)为模具及接头提供快速的降温速率。通过与目镜相连的摄像头(13)采集图像，并将整个钎焊过程显示在计算机屏幕(16)上，可方便铜线间距调节。本发明可精确控制钎焊铜线间隙，固定界面金属间化合物的厚度，钎焊材料即可以是焊球也可以是焊膏。
文档编号B23K3/047GK101108438SQ200710121180
公开日2008年1月23日 申请日期2007年8月31日 优先权日2007年8月31日
发明者何洪文, 史耀武, 夏至东, 徐广臣, 福 郭, 雷永平 申请人:北京工业大学