CN114433971B - 一种使用磁振颗粒辅助进行堆叠焊接的方法 - Google Patents

一种使用磁振颗粒辅助进行堆叠焊接的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种使用磁振颗粒辅助进行堆叠焊接的装置及方法，包括磁场控制器、上磁场发生器、下磁场发生器、加热控制器、上加热器、下加热器和承载板，所述上加热器和下加热器平行设置且均与加热控制器连接，所述上加热器上方设有上磁场发生器，所述下加热器下方设有下磁场发生器，所述上磁场发生器和下磁场发生器均与磁场控制器连接，所述磁场控制器控制上磁场发生器和下磁场发生器产生交变磁场，所述下加热器上方设有承载板，在承载板上通过焊球以及焊球内部的磁振颗粒对上层器件和下层电路板进行堆叠焊接。

Description

一种使用磁振颗粒辅助进行堆叠焊接的方法
技术领域
本发明属于微电子封装技术领域，具体涉及一种使用磁振颗粒辅助进行堆叠焊接的装置及方法。
背景技术
在***级封装中，PCB基板、陶瓷封装基板、硅基板、玻璃基板等电路板及封装器件的三维堆叠，通常使用软钎料焊球实现电气互连和机械互连。典型的焊接方法如下：首先，将焊球预植到BGA封装器件或电路板上，常用的植球工艺有化学电镀法、激光植球法、模板印刷法和真空植球法等；然后，将BGA封装器件或电路板加热焊接在另一块电路板上，常用的焊接方法有热风枪加热、热台加热、真空红外加热和热风回流加热等。在焊接过程中，需要使用助焊剂破除焊料氧化层，以保证焊接过程顺利进行；由于助焊剂一般具有腐蚀性，在焊接后需将其清洗干净。堆叠的电路板/器件通常结构复杂，使助焊剂清洗溶液的流通和交换变得困难，清洗后容易残留助焊剂，残留助焊剂本身的腐蚀性会影响产品的长期可靠性。
叠层焊接方法，在业内已有诸多报道。三星电子株式会社的娄敏毅在中国专利CN102672665 A中提出了一种焊球及其制造方法，该焊球为可用于感应加热的具备热壳结构的无铅焊球，通过磁场使焊球中的铁磁内核发生感应加热，熔化焊球完成元器件和基板的微连接。该方法实现了焊球的局部加热，可有效减少或防止基板翘曲的出现，同时可减轻或防止高温对芯片的损伤。但是该方法在加热焊接时需要使用助焊剂去除焊球中焊料金属的氧化层，存在残留助焊剂影响产品长期可靠性问题。扬州船用电子仪器研究所的韦炜等在中国专利CN 112466864A中提出了一种基于高温共烧陶瓷的三维堆叠微波组件，其中提到了使用带铜芯焊球完成焊接母板、陶瓷基座的堆叠回流焊接方法，该方法及组件具有焊接可靠性高、调试过程方便、维修性好等优势，但回流焊接需要使用助焊剂去除焊球中焊料金属的氧化层，同样存在堆叠焊接的助焊剂残留问题。西安微电子技术研究所的汤姝莉等人在中国专利CN 112366181 A中提出了一种多芯片/硅转接板组件的倒装焊叠层组装方法，通过真空回流焊完成倒装芯片或硅转接板的植球及叠层焊接，组装效率高、兼容不同厚度及尺寸的倒装芯片，但在组装过程中依靠造价较高的真空***，且多次使用助焊剂，同样存在堆叠焊接的助焊剂残留问题。
发明内容
本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了一种使用磁振颗粒辅助进行堆叠焊接的装置及方法。
本发明目的通过下述技术方案来实现：一种使用磁振颗粒辅助进行堆叠焊接的装置，包括磁场控制器、上磁场发生器、下磁场发生器、加热控制器、上加热器、下加热器和承载板，所述上加热器和下加热器平行设置且均与加热控制器连接，所述上加热器上方设有上磁场发生器，所述下加热器下方设有下磁场发生器，所述上磁场发生器和下磁场发生器均与磁场控制器连接，所述磁场控制器控制上磁场发生器和下磁场发生器产生交变磁场，所述下加热器上方设有承载板，在承载板上通过焊球以及焊球内部的磁振颗粒对上层器件和下层电路板进行堆叠焊接。
进一步地：所述交变磁场的切换周期为0.1s～20s，磁场强度为1Gs～1000Gs，所述交变磁场的磁力线垂直于被焊电路板或器件的焊盘，所述磁力线偏移垂线的角度范围为0～25度，所述交变磁场的径向分布范围为5mm～500mm。
进一步地：所述加热控制器控制上加热器和下加热器提供室温～400℃的加热温度，所述承载板能耐受400℃以上的高温，并能实现交变磁场的穿透和热量的快速传导。
进一步地：所述焊球的材料为Sn、Sn-Ag、Sn-Au、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu、Sn-Bi、Sn-Bi-Ag、Sn-Zn、Sn-In、Sn-Pb、In、In-Pb、In-Ag中的至少1种。
进一步地：所述焊球的熔点为100℃～400℃，典型尺寸为0.2mm～1.5mm。
进一步地：所述磁振颗粒为圆形颗粒，单个焊球、单个通孔内磁振颗粒的数量为1个或多个。
进一步地：所述磁振颗粒材料为Fe、Co、Ni的单一材料或合金材料，所述合金材料为软磁材料，如柯伐合金、低碳钢、铁硅合金、铁铝合金、纯铁、铁镍合金、低碳钢、硅钢合金、铁钴合金、铁铝合金、锰锌铁氧体。
进一步地：所述磁振颗粒的居里温度为350℃～2000℃，典型尺寸为0.02mm～0.8mm。
进一步地：所述磁振颗粒的表面材料为Au、In、Sn、Ag、Ni、Ni-Pd-Au、Sn-Ag、Sn-Au、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu、Sn-Bi、Sn-Bi-Ag、Sn-Zn、Sn-In、Sn-Pb、In、In-Pb、In-Ag中的至少1种，满足磁振颗粒与焊料相润湿的焊接工艺需求，所述磁振颗粒表面材料通过电镀、溅射、化镀、滚镀或搪锡工艺制备。
一种使用磁振颗粒辅助进行堆叠焊接的方法，包括以下步骤：
S1：提供所述装置进行堆叠焊接所需要的焊料、磁振颗粒；
S2：提供待堆叠焊接的电路片或器件；
S3：将定制的网版与上层电路板/器件的上焊盘对准、压紧，其对位误差不超过10%；
S4：将的磁振颗粒放入网版的通孔中，在上层电路板/器件背面放置永磁铁，避免磁振颗粒移动或弹出通孔；
S5：通过焊膏印刷工艺，将软钎焊料印刷入通孔中，使焊膏包覆磁振颗粒，并与上焊盘紧密接触，完成焊膏印刷后拆卸网板，所述焊膏的材料与所述焊球的材料一致；
S6：使用热风回流焊接工艺，使得印刷得到的焊膏融化，得到焊球，完成植球过程；
S7：将植球后的上层电路板或器件的焊球与下层电路板或器件的焊盘对准，形成组合体；
S8：将电路板或器件的组合体，放置于所述承载板上；
S9：使用所述的上加热器、下加热器和加热控制器加热至焊料熔点；同时，使用所述的上磁场发生器、下磁场发生器和磁场控制器产生交变磁场，使焊料中的磁振颗粒往复运动撞击焊料并破除焊料氧化层；
S10：冷却，完成不依赖于还原气氛或真空环境的无助焊剂的堆叠焊接过程；
S11：重复上述过程，实现多层电路板/器件的三维堆叠焊接。
前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
本发明的有益效果：本发明提供了一种使用磁振颗粒辅助进行堆叠焊接的装置及方法，通过交变磁场下焊料内磁振颗粒的往复运动撞击焊料并破除焊料氧化层，实现在堆叠焊接时不依赖于还原气氛、真空环境和助焊剂，简化了焊接工艺，避免了助焊剂残留导致的器件失效风险，有利于实现高可靠、高密度三维***级封装的堆叠焊接。
附图说明
图1是本发明装置示意图；
图2是本发明装置使用示意图。
其中，1、磁场控制器，2、上磁场发生器，3、下磁场发生器，4、加热控制器，5、上加热器，6、下加热器，7、承载板，8、焊球，9、磁振颗粒，10、上层器件，11、上层器件焊盘，12、下层电路板，13、下层电路板焊盘。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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。
另外，本发明要指出的是，本发明中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。
实施例1：
参考图1和图2共同所示，本发明公开了一种使用磁振颗粒辅助进行堆叠焊接的装置，包括磁场控制器、上磁场发生器、下磁场发生器、加热控制器、上加热器、下加热器和承载板，所述上加热器和下加热器平行设置且均与加热控制器连接，所述上加热器上方设有上磁场发生器，所述下加热器下方设有下磁场发生器，所述上磁场发生器和下磁场发生器均与磁场控制器连接，所述磁场控制器控制上磁场发生器和下磁场发生器产生交变磁场，所述下加热器上方设有承载板，在承载板上通过焊球以及焊球内部的磁振颗粒对上层器件和下层电路板进行堆叠焊接。
使用磁场控制器1、上磁场发生器2、下磁场发生器3产生交变磁场。交变磁场的切换周期为0.5s，磁场强度为10Gs。交变磁场的磁力线垂直于待堆叠焊接器件或电路板的焊盘，磁力线偏移垂线的角度范围为0～25度。交变磁场的径向分布范围为30mm。加热控制器4、上加热器5、下加热器6提供的加热温度范围为室温至400℃，上加热器5，下加热器6使用红外辐射方式加热。承载板7能耐受450℃以上高温，并能够实现交变磁场的穿透和热量的快速传导。
使用所述装置进行焊接所需的焊球8材料Sn-Pb，熔点为183℃，典型尺寸为0.6mm。使用所述装置进行焊接所需的磁振颗粒9为圆形颗粒，单个焊球内磁振颗粒的数量为1个，焊球8内部的磁振颗粒9材料为铁镍合金，焊球8内部的磁振颗粒9的居里温度大于450℃，焊球8内部的磁振颗粒9的典型尺寸为0.05mm，焊球8内部的磁振颗粒9表面材料为Ni和Sn-Pb，满足焊球8内部的磁振颗粒9与焊球焊料相润湿的焊接工艺需求。焊球8内部的磁振颗粒9表面材料通过电镀和搪锡工艺制备。
上层器件10为封装器件，封装器件表面布置有用于焊接的上层器件焊盘11；下层电路板12为PCB基板，下层电路板12表面布置有用于焊接的下层电路板焊盘13。
使用所述装置及焊接所需材料，实现封装器件与PCB电路板叠层焊接的步骤包括：
S1：准备所述装置进行堆叠焊接所需要的焊球8、磁振颗粒9。
S2：准备待堆叠焊接的上层器件10、下层电路板12。
S3：将定制的网版与上层器件10的上层器件焊盘11对准、压紧，其对位误差不超过10%。
S4：将S1中所述的磁振颗粒9放入S3中所述网版的通孔中，在上层器件10背面放置永磁铁，避免磁振颗粒9移动。
S5：通过焊膏印刷工艺，将软钎焊料印刷入网版的通孔中，使焊膏包覆S1中所述的磁振颗粒，并与S3中所述的上层器件焊盘11紧密接触，完成焊膏印刷后拆卸网板。所述焊膏的材料与焊球8材料一致。
S6：使用热风回流焊接工艺，使得S5中印刷得到的焊膏融化，得到焊球8，完成植球过程。
S7：将S6中所述的植球后的上层器件10的焊球8与S2中所述下层电路板12的下层电路板焊盘13对准，形成组合体。
S8：将S7得到的组合体放置于承载板7上。
S9：使用加热控制器4、上加热器5、下加热器6将组合体升温至焊球焊料熔点183℃以上；同时，使用磁场控制器1，上磁场发生器2，下磁场发生器3产生交变磁场，使焊球8中的磁振颗粒9往复运动撞击焊料并破除焊料氧化层。
S10：冷却，完成不依赖于还原气氛或真空环境的无助焊剂的堆叠焊接过程。
S11：重复上述过程，可实现多层电路板/器件的三维堆叠焊接。
本实施例描述了一个封装器件在PCB电路板的堆叠焊接，所述装置及方法也可实现封装器件与封装器件的堆叠焊接、PCB电路板与PCB电路板的堆叠焊接，具体实施情况与本实施例类同。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种使用磁振颗粒辅助进行堆叠焊接的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：提供进行堆叠焊接所需要的焊料、磁振颗粒；
S2：提供待堆叠焊接的电路片或器件；
S3：将定制的网板与上层电路板或器件的上焊盘对准、压紧，其对位误差不超过10%；
S4：将磁振颗粒放入网板的通孔中，在上层电路板或器件背面放置永磁铁，避免磁振颗粒移动或弹出通孔；
S5：通过焊膏印刷工艺，将软钎焊料印刷入通孔中，使焊膏包覆磁振颗粒，并与上焊盘紧密接触，完成焊膏印刷后拆卸网板，所述焊膏的材料与焊球的材料一致；
S6：使用热风回流焊接工艺，使得印刷得到的焊膏融化，得到焊球，完成植球过程；
S7：将植球后的上层电路板或器件的焊球与下层电路板或器件的焊盘对准，形成组合体；
S8：将电路板或器件的组合体，放置于承载板上；
S9：使用上加热器、下加热器和加热控制器加热至焊料熔点；同时，使用上磁场发生器、下磁场发生器和磁场控制器产生交变磁场，使焊料中的磁振颗粒往复运动撞击焊料并破除焊料氧化层；
S10：冷却，完成不依赖于还原气氛或真空环境的无助焊剂的堆叠焊接过程；
S11：重复上述过程，实现多层电路板或器件的三维堆叠焊接；
所述使用磁振颗粒辅助进行堆叠焊接的方法所使用的装置包括磁场控制器、上磁场发生器、下磁场发生器、加热控制器、上加热器、下加热器和承载板，所述上加热器和下加热器平行设置且均与加热控制器连接，所述上加热器上方设有上磁场发生器，所述下加热器下方设有下磁场发生器，所述上磁场发生器和下磁场发生器均与磁场控制器连接，所述磁场控制器控制上磁场发生器和下磁场发生器产生交变磁场，所述下加热器上方设有承载板，在承载板上通过焊球以及焊球内部的磁振颗粒对上层器件和下层电路板进行堆叠焊接。
2.根据权利要求1所述的使用磁振颗粒辅助进行堆叠焊接的方法，其特征在于，所述交变磁场的切换周期为0.1s～20s，磁场强度为1Gs～1000Gs，所述交变磁场的磁力线垂直于被焊电路板或器件的焊盘，所述磁力线偏移垂线的角度范围为0～25度，所述交变磁场的径向分布范围为5mm～500mm。
3.根据权利要求1所述的使用磁振颗粒辅助进行堆叠焊接的方法，其特征在于，所述加热控制器控制上加热器和下加热器提供室温～400℃的加热温度，所述承载板能耐受400℃以上的高温，并能实现交变磁场的穿透和热量的快速传导。
4.根据权利要求1所述的使用磁振颗粒辅助进行堆叠焊接的方法，其特征在于，所述焊球的材料为Sn、Sn-Ag、Sn-Au、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu、Sn-Bi、Sn-Bi-Ag、Sn-Zn、Sn-In、Sn-Pb、In、In-Pb、In-Ag中的至少1种。
5.根据权利要求1所述的使用磁振颗粒辅助进行堆叠焊接的方法，其特征在于，所述焊球的熔点为100℃～400℃，典型尺寸为0.2mm～1.5mm。
6.根据权利要求1所述的使用磁振颗粒辅助进行堆叠焊接的方法，其特征在于，所述磁振颗粒为圆形颗粒，单个焊球、单个通孔内磁振颗粒的数量为1个或多个。
7.根据权利要求1所述的使用磁振颗粒辅助进行堆叠焊接的方法，其特征在于，所述磁振颗粒材料为Fe、Co、Ni的单一材料或合金材料，所述合金材料为软磁材料。
8.根据权利要求7所述的使用磁振颗粒辅助进行堆叠焊接的方法，其特征在于，所述软磁材料为柯伐合金、低碳钢、铁硅合金、铁铝合金、纯铁、铁镍合金、硅钢合金、铁钴合金、锰锌铁氧体。
9.根据权利要求1所述的使用磁振颗粒辅助进行堆叠焊接的方法，其特征在于，所述磁振颗粒的居里温度为350℃～2000℃，典型尺寸为0.02mm～0.8mm。
10.根据权利要求1所述的使用磁振颗粒辅助进行堆叠焊接的方法，其特征在于，所述磁振颗粒的表面材料为Au、In、Sn、Ag、Ni、Ni-Pd-Au、Sn-Ag、Sn-Au、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu、Sn-Bi、Sn-Bi-Ag、Sn-Zn、Sn-In、Sn-Pb、In-Pb、In-Ag中的至少1种，满足磁振颗粒与焊料相润湿的焊接工艺需求，所述磁振颗粒表面材料通过电镀、溅射、化镀、滚镀或搪锡工艺制备。
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