[发明专利]一种提高CGA器件无模具植柱连接质量的方法

说明书

一种提高CGA器件无模具植柱连接质量的方法，涉及微电子封装技术领域，为解决CGA器件铜柱无模具植柱受连接期间界面化合物被不断打磨、残余界面连接层过薄和不连续而引起的连接强度受限问题。本发明在焊柱表面制作含锡涂层后低温时效，在焊柱/含锡涂层界面形成化合物层；在阵列排布的焊盘上印刷焊锡膏，加热形成阵列球冠形钎料焊球；将含锡涂层焊柱装卡于高精度钻床的卡头中，旋转焊柱并使其端部缓慢下压钻入与之对中的球冠形钎料焊球内预定深度后停止进给和转动，冷却后打开并提起钻床卡头，完成单个含锡涂层焊柱的植柱；以相同参数逐个实现阵列排布焊盘上含锡涂层焊柱的植柱，并保证其露出端共面。本发明用于CGA器件的植柱。

技术领域

本发明涉及微电子封装技术领域，具体涉及一种提高CGA器件无模具植柱连接质量的方法。

背景技术

柱栅阵列(Column Grid Array，CGA)封装作为一种高频率、高功率、高I/O、大芯片器件的首选封装技术，自问世以来，因高度更高的焊柱可以有效提高热循环期间器件的散热能力、并有效缓解芯片载体基板与印刷电路板之间热膨胀系数差异引起的应力，具有极高的热疲劳可靠性，在航空航天、通讯、军工、汽车电子等领域得到广泛应用。但长径比大、稳定性差的焊柱的阵列排布定位及连接的难度极大，采用模具定位铜柱、回流焊连接的传统方法，存在精密模具成本高、模具通用性差、焊后拆卸模具易刮伤焊柱、焊接过程中模具的存在影响热源热量的有效传递及焊膏中助焊剂气体的散发、气孔率高、润湿性差等问题。

2017年一种用于CuCGA器件的植柱方法被提出，该方法采用微型精密钻床装卡铜柱并使之与基板阵列焊盘上的钎料焊球对中，使铜柱以特定转速旋转并下压钻入钎料焊球内预定深度，借助期间铜柱与钎料焊球之间的摩擦热-力作用来实现铜柱的定位与连接，以期达到无模具辅助植柱的目的。该无模具辅助的植柱方法不存在为每种阵列规格的器件定制一套高精度模具，成本大大降低，并适于多种规格的CGA器件的生产；该方法工艺温度远低于回流焊、且易于实现自动化；该方法不需要在阵列铜柱之间设置定位模具，故不存在焊接过程中因模具的存在影响热源热量的有效传递及焊膏中助焊剂气体的散发而引发的气孔问题和焊点润湿不良问题；也不存在因焊后模具拆卸导致的焊柱刮伤和弯曲等破坏铜柱共面性的问题。但随着研究的深入，发现该方法存在以下问题：

(1)连接期间铜柱/钎料焊球界面原子互扩散形成的扇贝状界面连接层被不断打磨掉，焊后残余的界面连接层过薄且不连续，连接强度的进一步提高受此局限；

(2)铜柱和钎料焊球之间的连接属于异种材料连接，铜和钎料的热物理、力学性能差异较大，导致植柱期间二者之间存在较大的热物理状态差异，发生塑性变形的钎料对铜柱的黏附力不强，连接强度的进一步提高受此局限；

(3)铜柱和钎料焊球之间的连接属于异种材料连接，铜和钎料的热物理、力学性能差异较大，植柱期间铜柱易发生振动、焊球的近界面钎料易于软化、铜柱/钎料焊球之间的弹性抱紧力偏低，连接强度的进一步提高受此局限。

发明内容

本发明为了解决现有CGA器件阵列铜柱无模具辅助植柱的连接质量受连接期间界面扇贝状金属间化合物被不断打磨掉、残余界面连接层过薄和不连续的影响而引起的连接强度受限的问题，以及受铜柱和钎料焊球性能悬殊、连接期间所处热物理状态差异悬殊、黏附力和抱紧力不强的影响而引起的连接强度受限的问题。

一种提高CGA器件无模具植柱连接质量的方法，包括以下步骤：

步骤1、焊柱表面含锡涂层的制作：

采用热浸锡或电镀等方法在标准尺寸的焊柱表面形成含锡涂层，随后进行必要的清洗工艺避免含锡涂层表面残留影响后续连接的物质。

步骤2、对含锡涂层焊柱进行低温时效处理，以使焊柱/含锡涂层的界面形成连续的、具有合适厚度及形貌的金属间化合物层；

步骤3、在阵列排布的焊盘上印刷适量的焊锡膏；