[发明专利]一种约束加压钻卡头焊具及摩擦动压焊植柱方法

说明书

一种约束加压钻卡头焊具及摩擦动压焊植柱方法，它涉及一种CGA器件植柱的焊具及方法，以解决现有无模具植柱方法受界面区钎料软化变形影响、钎料焊球与铜柱之间黏附力和抱紧力偏低、易剥离和形成飞边、界面冶金作用不充分引起的强度受限问题。焊具：包括钻卡头本体和外壳、分体式螺圈、约束加压卡爪，约束加压卡爪包括螺纹传动体、接触闭合体、焊柱夹持体和动压约束轴肩且由上至下设置成一体，与钻床主轴呈θ角的约束加压内圆锥面为加压工作面。方法：一、阵列球冠形钎料焊球的制作；二、确定动压约束轴肩的形状尺寸；三、确定焊柱夹持体圆柱形内腔的半径和长度；四、单个及阵列焊柱的摩擦动压焊植柱。本发明用于CGA器件焊柱的植柱。

技术领域

本发明涉及一种CGA器件植柱的焊具及方法，具体涉及一种约束加压钻卡头焊具及摩擦动压焊植柱方法，涉及微电子封装技术领域。

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，目前采用的模具定位阵列铜柱、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焊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回流焊热源热量的有效传递及焊膏中助焊剂气体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焊柱共面性的问题。但随着研究的深入，发现该方法存在以下问题：

(1)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，导致植柱期间摩擦热-力作用下二者之间存在较大的热物理状态差异，焊球的近界面区钎料易于软化变形和流动，因而容易引起钎料焊球与铜柱之间黏附力和抱紧力偏低、甚至焊接后期钎料焊球与铜柱之间发生剥离等问题，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，植柱期间铜柱易因摩擦阻力影响而产生轻微振动、又因焊球的近界面区钎料易因摩擦热而软化，导致铜柱/钎料焊球之间相互约束镶嵌作用减弱、抱紧力偏低、甚至发生剥离等问题，连接强度的进一步提高受此局限；

(3)植柱期间铜柱底部钎料在压力作用下沿铜柱/钎料界面向上塑性流动，在钎料焊球的上方形成一定尺寸的飞边，飞边在降低连接面积的同时，服役过程中飞边的缺口容易成为裂纹源，影响接头的疲劳性能。

(4)植柱后期，焊球的近界面区钎料易因摩擦热而软化，导致植柱后期铜柱和钎料焊球之间的接触和约束不紧密，摩擦热-力作用减小，不利于界面热量的累积、界面原子的充分互扩散和界面连接层的形成及长厚，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植柱装置及其采用的无模具植柱方法因受焊柱轻微振动、植柱后期近界面区钎料软化变形和流动的影响，钎料焊球与铜柱之间黏附力和抱紧力偏低、易剥离、易形成飞边降低连接面积、异质界面冶金作用不充分而引起的连接强度受限的问题。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：