多温度梯级焊接电子微组件的工艺方法

专利名称：多温度梯级焊接电子微组件的工艺方法
技术领域：
本发明涉及一种多温度梯级焊接电子微组件的工艺方法，尤其是需要高精度温度控制焊接电子微组件集成为电子组件的微组装工艺方法。
背景技术：
在多功能电子组件的微组装过程中，焊接涉及到产品的可靠性和质量，直接影响到产品的电性能指标和产品环境适应性考核验收审查。此外，由于电子组件朝着轻、薄、小的方向快速发展，提出了一系列焊接工艺难题，为此，整机电子装备制造厂家围绕电子组件特别是TR组件焊接工艺展开了激烈的竞争，旨在进一步提高焊接质量，克服焊接中存在的焊接空洞率变化、虚焊等缺陷。目前，最广泛使用的电子TR组件微组装焊接工艺主要是在需要焊接的电子微组件表面先电镀金或电镀银作为可焊性镀层，然后在镀层表面装夹软钎 料，连同夹具一起放入指定的炉中进行钎焊，焊接最常用的焊料是共晶锡铅合金锡63%;铅37%，常规的焊接工艺设计是高于合金液体温度183°C以上30°C 40°C，保持一段时间后降温取出。常规工艺组件焊接面常用金、银镀层，焊接时与熔融焊料间有一个液固相界面原子扩散的浸润过程，焊料成份与温度微小变化会影响扩散，易发生缺陷；如果不使用单一熔点温度的共晶锡铅合金焊接而采用多熔点焊料，其它熔点焊料在镀金或镀银表面的浸润能力随着温度的变化差异很大，各种不同熔点焊料焊接的空洞率只靠金银镀层表面、焊料表面、助焊剂、夹具等综合控制，控制因素多，操作复杂，焊接最终结果随机性大，不能满足产品不断提升的高可靠性要求。随着新一代电子产品朝着微型化、轻型化、多功能、高集成、高可靠方向发展，一个TR组件中需要在五个甚至六个安装面上集成多个不同功能和输入/输出接口的微电子组件从而实现多通道、多功能的功能应用需要。由于产品要满足功能与环境适应性要求，从安装强度、微组件传热及TR组件的散热等设计综合考虑，焊接工艺是优选方案。产品使用中还要承受高振动量级，长期温度交变循环的考验，对焊接技术提出了更高的要求。产品轻量化，意味着一个TR组件内大量存在热膨胀系数相差较大的轻质合金材料焊接组合，焊接面存在疲劳损害的风险。我们的研究结果表明采用低熔点焊料能够实现差异热膨胀系数材料之间的可靠性焊接，可有效缓解焊后残余应力，并且能够满足电子TR组件的使用要求。随着小型化、多功能化、轻量化的要求日益增多，在组装电子TR组件过程中开始大量采用电子微组件焊接组装技术代替螺钉紧固连接组装技术，解决组件散热和小型化连接。传统焊接中遇到的首要问题是焊接失效问题。焊接失效原因主要有焊接面可焊性镀层起层；可焊性镀层电镀污染难定量检测，助焊剂清洗效果差；轻质活波金属材料电镀镀层不稳定，限制了应用；焊料与微组件镀层难于组分和原子扩散匹配，可焊性镀层加工难，稳定性差；很多焊料与金银镀层表面在熔点上30°C原子扩散慢，空洞率高；在组件的六个面上焊接电子微组件，焊料厚度紧靠夹持力调节难控制，热膨胀系数失配组件焊接易发生应力开裂等。现代军用装备在环境适应性振动量级要求上呈数量级的递增，为焊接面定量探伤不能逾越很多电子元器件禁用的检验难题。焊接温度梯级大于30°C，可选用的焊料种类急剧减少，限制了微组件的组装集成设计灵活度。高精度温度控制、高一致性和稳定性的焊接工艺已成为制约军事装备向小型化、多功能化、轻量化方向发展的瓶颈。

发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术存在的问题，提供一种简单方便，高效，加工质量稳定可靠，焊接流动性好，焊接空洞少的多温度梯级焊接电子微组件的工艺方法，以解决目前电子TR组件焊接温度梯级少，多功能集成度低，轻质材料因热膨胀失配受限，焊接指标稳定性、一致性差，定量探伤检测难的问题。本发明的上述目的可以通过以下措施来达到一种多温度梯级焊接电子微组件的工艺方法，包括如下步骤 O根据不同焊料熔点可以达到25V ±5°C的温度梯级差，设计焊料温度梯级，分别制作从次高温度段到最低温度段不同温度梯级焊料薄片和焊接面对应熔点温度的焊料镀膜层；
2)用轻质两性金属合金材料作基座组件、组件腔体11或电磁屏蔽隔板10的焊接面；将电子微组件上功能基板和过渡母板分为不同温度梯级焊料的焊接面，焊接面直接采用溅射镀膜涂覆一层焊料镀膜层；在电子组件焊接面上布设至少三点或以上更多点多边形布局的焊料厚度控制销，且焊接后焊料厚度=焊料厚度控制销设计厚度；
3)按电子微组件(I)、焊料薄片(3)、基座组件(5)顺序叠层，焊料薄片与焊接面镀膜层材料紧贴，放入有复进压力保持机构的夹具中进炉真空焊接，必要时通入甲酸气体作为还原气氛；
4)首先完成高温梯级焊接，形成一个初级电子微组件，再保护其基座组件下一温度梯级焊接不使用的其它表面，在焊接面溅射镀膜涂覆一层下一个温度梯级的焊料镀膜层(2)，按上述步骤3)形成电子微组件；然后逐级从次高温度梯级到最低温度梯级焊接，重复上述步骤，直到完成组装的全部焊接形成TR组件的基础结构，再微组装完成电路互连。本发明与现有多功能TR组件工艺相比较，具有如下技术效果
本发明在焊接面有厚度控制销的焊接工艺方法，采用在焊接面上设置厚度控制销4，分别在不同温度要求的焊接面溅射镀膜一定厚度的相应熔点温度的焊料镀膜层，两个焊接面焊接时还要在焊接面间填充一层或两层焊料薄片3，焊料薄片3应避开焊料厚度控制销4并紧贴焊接面，之间涂刷助焊剂，放入有复进压力保持机构的夹具中焊接，首先焊接所有使用最高温度梯级焊料的焊接面，其次再焊接所有使用第二级次高温度阶梯焊料的焊接面，如此反复，直到毫米波组件电子微组件组装完成。焊接面直接采用溅射镀膜涂覆一层焊料镀膜层，代替电镀镀涂工艺形成可焊性镀层，可以使用轻质两性金属合金材料，没有腐蚀发生；溅射镀膜设备特有镀膜面溅射清洗功能，可以有效除去轻质活波金属表面在工件转移过程中形成的氧化膜；溅射环境为无氧真空环境，轻质活波金属表面在溅射清洗后处于绝氧惰性气体环境，不会再氧化；采用高能短时原子轰击溅射镀膜，焊料原子在金属镀膜面中有一定深度，附着力大于在金属镀膜表面原子转换的电镀镀层附着力。干法工艺，几乎零排放，没有废水排放限制。焊接面不需要进行复杂的焊接面表面电镀镀层处理。电镀层为了附着可靠需要实施的多镀种多镀层的电镀处理工艺，溅射工艺减少了溅射镀层起层脱落的几率；溅射镀膜层的基底表面充分利用了设备特有的基底表面镀前清洗功能，最大限度地减小了镀层因污染起层的问题；溅射镀膜层在初始镀膜时采用短时高能量，提高了溅射原子在焊接面的冲击速率，形成了一定的金属焊料原子在组件焊接面的嵌入深度，有利于后期焊接的焊接原子扩散形成共价键或化合物。溅射镀膜是物理原子动能迁移过程，不会改变焊料镀膜层2的组成成分；如果电子微组装金属与焊料金属成份没有可焊性，可用过渡金属作为捆绑层，拥绑层材料有钦、鹤、钦鹤合金、慑、镇络合金等，常用钦、鹤、钦鹤合金，厚度为IOOOnm 1500nm，在捆绑层上用溅射形成焊料金属膜层；焊接过程中焊料原子是在同种组分材料金属的液相融合，焊接面形成金属键的均匀性和一致性远好，厚度控制销4设计解决了焊接后焊料厚度控制难题，提高了组件金属因热膨胀系数失配产生剪切应力的消除能力；工艺过程为干法工艺，所用工艺介质为无毒无臭的惰性气体，极低排放，环境污染小。本发明采用真空焊接，焊接流动性好，焊接空洞少；使用空气炉中焊，焊接前应充 分除潮并使用助焊剂；用同种组分焊料材质对同一温度段的焊接面实施镀膜，焊接时在焊接面填充薄焊料，可以同时实施在立方体六个面上同时焊接，且保持焊料的厚度满足设计要求；焊料厚度控制销4设计，可以在焊接前通过精密测量记录焊料厚度，并且有很高一致性和稳定性，避免了焊接后焊料厚度的检测难题；镀膜时靶材温度要升高，为了避免低温靶材熔化，应采用高能短时工艺完成底层镀膜，再降低能量和间断冷却完成镀膜厚度；焊料镀膜在隔绝氧气和潮气的环境中可以保存40天；夹具可以是弓形夹等工装，但在施力点下要增加橡胶、弹簧等弹性体保持焊接面复进压力；无论组装焊接的温度梯级如何设计，都可以对有温度上限要求的焊接面实施高精度焊接温度控制，特别适合采用无铅焊料，在传统焊接工艺上无铅焊料因异种组分金属表面润湿能力弱应用受限制。并具有
(I)简单方便，高效，加工质量稳定可靠，采用溅射干法镀膜工艺，镀膜层厚度均匀性比电镀高，镀膜层金属表面工艺污染小。基底表面可以做到无氧化层、无杂质污染的纯金属表面，镀层原子通过高速轰击，在基底上有一定深度。镀膜均匀性好，批次膜厚均匀性< 4%。镀膜层结合力强，在经受了 +95°C，-55°C，保温30分钟，转换时间< I分钟，温度循环冲击15次后，镀膜层面能经受20N/cm的胶带垂直拉力，不起泡、不脱落。( 2 )焊接后焊料厚度一致性稳定性好，可以测量量化。在焊接面设计了焊料厚度控制销4，使焊接面在焊接时只能下降到控制销高度，其间焊料靠自身张力保持，多余焊料挤出。在焊接组装前测量控制销厚度，即知焊料厚度，避免了焊接后焊料厚度测量的难度。(3)焊接温度的高精度控制性。由于焊接面表面镀层材料与焊料为同种材料，且组成成份几乎不变，因此在熔点以上的原子扩散深度和速度理论为100%，远大于传统电镀的异种金属原子扩散速率。电镀合金容易发生成份改变，在焊接工艺中常发生焊料浸润问题，难于事前防范。(4)容易实现选择性镀膜层。溅射镀膜方向性强，是物理轰击镀膜，可以实现选择性保护，在镀膜完成后拆除保护层，实现选择性镀膜，不会产生焊接后其它外观表面的焊料污染。本发明解决了目前多温度梯级焊接难于高精度温度控制的微组装工艺方法难题。本发明适用于多温度梯级焊接需要高精度温度控制的微组装工艺。


图I是本发明多温度梯级焊接高精度温度控制的工艺方法流程图。图2是电子微组件焊接面溅射镀膜层的形成示意图。图3是焊料厚度控制销4分布示意图。图4是电子微组件焊接叠层的装配分解示意图。图5是图4的俯视图。图6是焊接前的可见断面的分解示意图。·
图7是焊接后的可见断面的分解示意图。图8是电子组件的组成示意图。图中1电子微组件，2焊料镀膜层，3焊料薄片，4厚度控制销，5基座组件、6焊接面、7过渡微带、8靶材、9焊料、10电磁屏蔽隔板、11组件腔体、12电子组件。
具体实施例方式参阅图I。靶材8是物理镀膜物质的来源，不同靶材材料有不同熔点温度、组成成份，形成的焊接面镀膜层2的熔点与对应熔点温度的焊料薄片3材料熔点、成份完全一样。采用电子微组件I焊接面镀膜层和焊料薄片3均是同一种组份材料。最高温度焊接因无升温上限限制，可以提高温度解决可焊性问题。基座组件5是相对概念，对微电子组件12，它是与TR组件腔体11连接的纽带，对TR组件，是指整个组件的最后封装壳体；焊料薄片3的形状与焊接面形状完全一致，由于焊料厚度控制销4的凸点存在，焊料薄片3剪裁应避开凸点的位置。焊接工艺流程可按下述步骤进行。(I)设计焊料温度梯级。根据不同焊料熔点可以达到25°C ±5°C熔点温度差，设计焊料温度梯级，分别制作从次高温度段到最低温度段相应温度不同梯级焊料薄片3、焊接面对应熔点温度的焊料镀膜层2和对应焊料靶材8。根据设计确定焊接温度梯级和焊接面形状，在焊接面的现对容易加工面设计布设焊料厚度控制销4并与焊接一起加工成型。在电子组件12焊接面上布设至少三点或以上更多点多边形布局的焊料厚度控制销4 ;齐套焊接组件，完成必要的清洗工作，使焊接面清洁。用轻质两性金属合金材料作基座组件、组件腔体11或电磁屏蔽隔板10的焊接面；
(2)成型焊料薄片。按焊接面形状成型焊料薄片3，焊料薄片3厚度比设计厚度控制销4厚O. 04mm O. 06mm,形状与焊接面一致且避开厚度控制销4。( 3 )成型焊料控制销。在每一对焊接面中的其中一面成型厚度控制销，厚度控制销
4一般设计厚度在O. OlOmm O. 095mm之间，测量控制销高度，记录。(4)焊料镀膜层镀涂。将电子微组件I上功能基板和过渡母板分为不同温度梯级焊料的焊接面，焊接面直接采用溅射镀膜涂覆一层焊料镀膜层2，此时焊料厚度控制销4应与焊接面其它部位一样镀上焊料镀膜层2 ;焊料镀膜层2的形成工艺先采用高能短时原子轰击镀膜，完成底层镀膜，再降低能量和间断冷却完成镀膜厚度；当一个电子微组件I的两面或多面有不同温度焊料的焊接要求时，应先溅镀次高温度梯级焊料镀膜层2。当次高温度梯级焊接实施后，再镀涂下一个温度梯级焊料镀膜层2。镀涂焊料镀膜层2厚度>0. 8 μ m。(5)焊料薄片装夹。在同一焊接温度梯度的两个焊接面之间填充焊料薄片3。(6)焊接件的装夹。按微电子组件I、焊料薄片3、基座组件5顺序叠层，放入有复进功能夹具中，固定。放入有复进压力保持机构的夹具中进炉真空焊接，焊料薄片3与焊接面镀膜层材料紧贴，两者之间刷涂助焊剂。(7)焊接。将焊接件的装夹夹具，放入超过焊接温度梯度熔点25°C ±5°C的真空炉中，完成当前温度梯级焊接面焊接。(8)清理焊接边缘。将焊接后挤出的多余焊料清理干净。(9)保护。只裸露下一梯级焊接表面。( 10)焊料镀膜层镀涂。焊接面溅射镀涂即将焊接的下一温度梯级焊料镀膜层2。(11)首先完成高温梯级焊接，形成一个初级电子微组件1，再保护其焊基座组件5下一温度梯级焊接不使用的其它表面，在焊接面溅射镀膜涂覆一层下一个温度梯级的焊料 镀膜层2，形成电子微组件I后逐级从次高温度梯级到最低温度梯级焊接，直到完成组装的全部焊接形成TR组件的基础结构，再微组装完成电路互连。重复上述步骤，直到完成组装的全部焊接形成TR组件的基础结构，再微组装完成电路互连。重复从5至9的步骤，逐级从次高温度梯级到最低温度梯级，完成焊接。(12) X射线探伤检测。检查焊接内部的意外缺陷，及时消除隐患。(13)转微组装电路互连。进行重要的芯片组装与电路键合等互连工作。参阅图2。电子微组件I的焊接面6与焊料镀膜层2的外形状一致。如果焊接面6金属成分与焊料金属成份没有可焊性，可用过渡金属作为捆绑层，捆绑层材料有钛、钨、钛钨合金、镊、镍铬合金等，常用钛、钨、钛钨合金。在捆绑金属层上再溅射焊料金属镀膜层，则金属镀膜层是两种金属的复合镀膜层。所有溅射镀膜层金属由靶材8提供。图中厚度控制销4以矩形分布的方式，布局在微电子组件焊接面6四周边缘，厚度控制销4形状多为圆锥台或圆柱形状，可以是三点、四点和多点分布状态，点数设计以保证焊接时夹紧后焊接面厚度一致为准。参阅图3。图中厚度控制销4以对称分布的方式，布局在微电子组件焊接面6四周边缘，厚度控制销4形状多为圆锥台形状，可以是三点、四点和多点分布状态，点数设计以保证焊接时夹紧后焊接面厚度一致为准。参阅图4、图5。微电子组件是独立功能的信道电路，可以是焊接在基座组件5上的多层电路板等形式。基座组件5可以是过渡板或电路母板。基座组件5提供了向下一级连接的空间，基座组件5示意在这一级是基座组件5，在下一级仅是这个微电子组件的焊接面。在微电子组件I的下表面6和基座组件5的上、下表面均镀有焊料镀膜层2，厚度控制销4设置在基座组件5上表面焊料镀膜层2焊接面的边缘，厚度控制销4示意只在一个焊接面设置即可。在基座组件5的一侧直角边还设有除焊料镀膜层2外，还有其它方向的镀膜层2。焊料薄片3位于微电子组件与基座组件5之间组成焊接叠层。俯视图表明多通道不同高度的电子微组件I焊接后的组合示意图，伸出的过渡微带7还要与其它组件焊接。以上所述的仅是本发明的优选实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变形和改进，比如，可以将溅射镀膜改为真空蒸发镀膜、手工搪焊料镀涂等，这些变更和改变应视为属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种多温度梯级焊接电子微组件的工艺方法，包括如下步骤 1)根据不同焊料熔点可以达到25°c±5°C的温度梯级差，设计焊料温度梯级，分别制作从次高温度段到最低温度段不同温度梯级焊料薄片和焊接面对应熔点温度的焊料镀膜层； 2)用轻质两性金属合金材料作基座组件、组件腔体(11)或电磁屏蔽隔板(10)的焊接面；将电子微组件上功能基板和过渡母板分为不同温度梯级焊料的焊接面，焊接面直接采用溅射镀膜涂覆一层焊料镀膜层；在电子组件焊接面上布设至少三点或以上更多点多边形布局的焊料厚度控制销，且焊接后焊料厚度=焊料厚度控制销设计厚度； 3)按电子微组件(I)、焊料薄片(3)、基座组件(5)顺序叠层，焊料薄片与焊接面镀膜层材料紧贴，放入有复进压力保持机构的夹具中进炉真空焊接，必要时通入甲酸气体作为还原气氛； 4)首先完成高温梯级焊接，形成一个初级电子微组件，再保护其基座组件下一温度梯级焊接不使用的其它表面，在焊接面溅射镀膜涂覆一层下一个温度梯级的焊料镀膜层(2)，按上述步骤3)形成电子微组件；然后逐级从次高温度梯级到最低温度梯级焊接，重复上述步骤，直到完成组装的全部焊接形成TR组件的基础结构，再微组装完成电路互连。
2.如权利要求I所述的多温度梯级焊接电子微组件的工艺方法，其特征在于，焊料镀膜层的形成工艺先采用高能短时原子轰击溅射镀膜，完成底层镀膜，再降低能量和间断冷却完成镀膜厚度。
3.如权利要求I所述的多温度梯级焊接电子微组件的工艺方法，其特征在于，焊料薄片(3)厚度比设计厚度控制销(4)厚O. 04mm O. 06mm,形状与焊接面一致且避开厚度控制销⑷。
4.如权利要求I所述的多温度梯级焊接电子微组件的工艺方法，其特征在于，当一个电子微组件的两面或多面有不同温度焊料的焊接要求时，先镀次高温度焊料镀膜层(2)，当次高温度熔点梯级焊接实施后，再镀涂下一熔点温度梯级的焊料镀膜层(2)。
5.如权利要求I所述的多温度梯级焊接电子微组件的工艺方法，其特征在于，焊接面溅射镀膜镀涂焊料镀膜层厚度> O. 8 μ m。
6.如权利要求I所述的多温度梯级焊接电子微组件的工艺方法，其特征在于，焊料薄片(3)夹持紧贴在有同种熔点镀膜层的两个焊接面之间，放入有复进压力保持机构的夹具中焊接。
7.如权利要求I所述的多温度梯级焊接电子微组件的工艺方法，其特征在于，首先完成高温梯级焊接，形成一个初级电子微组件，再保护其它基座组件下一温度梯级焊接不使用的其它表面，在焊接面溅射镀膜涂覆一层下一个温度梯级的焊料镀膜层(2)，装配叠加焊接后形成电子组件。
8.如权利要求I所述的多温度梯级焊接电子微组件的工艺方法，其特征在于，厚度控制销设计为锥台形状，使其表面与焊接面同时镀膜，有利于焊料浸润。
9.如权利要求I所述的多温度梯级焊接电子微组件的工艺方法，其特征在于，焊接面镀膜层金属材料与焊料为同种焊接材料，有完全相同的熔点和成分。
全文摘要
本发明提出的一种多温度梯级焊接电子微组件的工艺方法，简单方便，高效，加工质量稳定可靠，焊接流动性好，焊接空洞少。本发明通过下述技术方案予以实现根据不同焊料熔点设计焊料温度梯级，分别制作从次高温度段到最低温度段不同温度梯级焊料薄片；将电子微组件上功能基板和过渡母板分为不同温度梯级焊料的焊接面，焊接面直接采用溅射镀膜涂覆一层焊料镀膜层；在电子组件焊接面上布设更多点的焊料厚度控制销；按电子微组件(1)、焊料薄片(3)、基座组件(5)顺序叠层，放入有复进压力保持机构的夹具中进炉真空焊接；首先完成高温梯级焊接，再保护基座组件下一温度梯级焊接不使用的其它表面，在焊接面溅射镀膜涂覆一层下一个温度梯级的焊料镀膜层。
文档编号B23K1/008GK102950350SQ20121037627
公开日2013年3月6日 申请日期2012年10月5日 优先权日2012年10月5日
发明者詹为宇 申请人:中国电子科技集团公司第十研究所