一种快速制备均匀核壳式合金焊球的方法
【专利摘要】本发明公开了一种快速均匀核壳式合金焊球的制备方法，按照下述步骤进行：将适当比例的Cu，Sn和Bi合金称重并放入坩埚内，密闭坩埚与真空腔室；加热使金属熔化；将熔融的金属从坩埚底部的小孔喷射出去，在压电振荡器的振荡下，射流断裂成为均匀小液滴；均匀液滴进入液氮螺旋冷却装置，形成核壳式焊球。本发明通过一步法制备的核壳式焊球，具有均匀性好，成品率高的特点。改善了原本制备工艺复杂，颗粒不均匀的缺陷。能够满足当前集成电路电子封装的需求，并提高了焊点连接的可靠性，具有很好的应用及推广前景。
【专利说明】一种快速制备均匀核壳式合金焊球的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于合金金属粉末制备【技术领域】，更加具体地说，涉及一种新型核壳式复合合金焊球制备方法。
【背景技术】
[0002]现在电子工业中，球栅阵列封装(BGA封装)已逐渐成为电子封装技术的主流，该技术就是采用合金焊球代替以往的引脚来满足电子元器件之间的机械互连及电信号传输要求的电子封装方式，其核心技术就是高质量合金焊球的制备。然而，该技术在封装过程中存在着共面性难以控制的缺点，容易在焊点中形成应力并造成其短路或断路。
[0003]核壳式焊球能很好的解决BGA焊点共面性差的问题。核壳式焊球是由中心为Cu核，外层由焊料合金组成的复合式焊点。由于中心的Cu核在焊接过程中不会熔化，从而保证了共面性。并且由于Cu具有更好的电学，热学和机械性能，从而使得核壳式焊点拥有更加良好的可靠性。但是传统工艺过程较复杂，要先制备Cu微粒，然后在外层电镀焊料。王翠萍等人研究发现，特定成分的Cu-Sn-Bi合金存在着液相分层的现象，并且在凝固过程中，在Marangoni运动下,富Cu相向合金焊球的中心移动，富Sn-Bi相向合金焊球的外围移动，从而形成核壳式结构。然而王翠萍等人使用的气雾化方法存在着成品率低，颗粒尺寸不均勻的问题[C.P.Wang, X.J.Liu, 1.0hnuma, et al., Science, 297-9 (2002) 990]。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种快速制备均匀核壳式焊球的方法，这种焊球相对于传统的焊球具有更加优良的电，热和机械性能。并且本方法减少了工艺步骤和成本，提高了焊球的均匀性和成品率。
[0005]本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现:
[0006]一种快速均匀核壳式合金焊球的制备方法，按照下述步骤进行:
[0007]I)将适当比例的Cu，Sn和Bi合金称重并放入坩埚内，密闭坩埚与真空腔室；
[0008]2)对坩埚和真空腔室抽真空，并充入保护性Ar气；
[0009]3)加热使金属熔化；
[0010]4)关闭坩埚与真空腔室间的气阀，向坩埚中冲入保护性Ar气，控制其流速以达到坩埚与真空腔室的稳定压差，从而将熔融的金属从坩埚底部的小孔喷射出去；与此同时，在压电振荡器的振荡下，射流断裂成为均匀小液滴，并在通过下方的加电极板时带上同等电量的电荷，防止其粘连；
[0011]5)均匀液滴进入液氮螺旋冷却装置，形成核壳式焊球。
[0012]在上述技术方案中，射流的断裂是通过的陶瓷振荡杆完成的，其振荡频率为5-20KHz。
[0013]在上述技术方案中，通过图像监视系统观察液滴的尺寸及流速，从而反馈调节气压差和振荡频率，获得尺寸均匀的液滴。
[0014]在上述技术方案中，坩埚与真空腔室的压力差为0.5_2Pa。
[0015]在上述技术方案中，坩埚底部的小孔与冷却装置的距离为lOmm-lOOmm。
[0016]在上述技术方案中，液滴凝固成为核壳式焊球所需要的过冷度是通过液氮螺旋冷却装置提供的。
[0017]在上述技术方案中，所述Cu，Sn和Bi的质量比为24:16:80。
[0018]在上述技术方案中，使用的设备如下包括:
[0019]I) 一个真空腔室，通过带有真空阀的输气管与真空泵相连。
[0020]2) 一个带有感应加热系统的石英坩埚，位于真空腔室的上方。
[0021]3) 一个图像监测系统，包括一个闪频器，一个摄像机和一个微机控制系统。
[0022]4)两个带有气压控制阀的保护性Ar气输送系统，分别连接坩埚，真空腔室和大气。
[0023]5) 一个压电振荡系统，其中陶瓷振荡杆距离坩埚底部距离为0.3_2mm。
[0024]6) 一个加电极板，位于坩埚喷嘴的下方，并在正对喷嘴的位置留有开口，以便液滴通过。
[0025]7) 一个液氮螺旋冷却收集装置，使得液滴在该装置中冷却形成核壳式焊球。
[0026]8) 一个挡板，阻挡稳定前的液滴进入冷却装置。
[0027]本发明通过一步法制备的核壳式焊球，具有均匀性好，成品率高的特点。改善了原本制备工艺复杂，颗粒不均匀的缺陷。能够满足当前集成电路电子封装的需求，并提高了焊点连接的可靠性，具有很好的应用及推广前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1为本发明使用的制备核壳式焊球的装置，其中I为石英坩埚，2为真空腔室，3为感应加热系统,4为压电振荡系统,5为加电极板,6为液氮螺旋冷却收集装置,7为真空泵，8为挡板，9为图像监测系统，10为连接坩埚的保护性气体输送系统，11为连接真空腔室的保护性气体输送系统。
[0029]图2是利用本发明方案制备的合金焊球的剖面背散射图片(BSED)。
【具体实施方式】
[0030]下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
[0031]如附图1所示，本发明使用的制备核壳式焊球的装置，其中I为石英坩埚，2为真空腔室，3为感应加热系统，4为压电振荡系统，5为加电极板，6为液氮螺旋冷却收集装置，7为真空泵，8为挡板，9为图像监测系统，10为连接坩埚的保护性气体输送系统，11为连接真空腔室的保护性气体输送系统。
[0032]使用的设备如下包括:
[0033]I) 一个真空腔室，通过带有真空阀的输气管与真空泵相连。
[0034]2) 一个带有感应加热系统的石英坩埚，位于真空腔室的上方。
[0035]3) 一个图像监测系统，包括一个闪频器，一个摄像机和一个微机控制系统。
[0036]4)两个带有气压控制阀的保护性Ar气输送系统，分别连接坩埚，真空腔室和大气。
[0037]5) 一个压电振荡系统，其中陶瓷振荡杆距离坩埚底部距离为0.3_2mm。
[0038]6) 一个加电极板，位于坩埚喷嘴的下方，并在正对喷嘴的位置留有开口，以便液滴通过。
[0039]7) 一个液氮螺旋冷却收集装置，使得液滴在该装置中冷却形成核壳式焊球。
[0040]8) 一个挡板，阻挡稳定前的液滴进入冷却装置。
[0041]在进行制备时，按照下述步骤进行:
[0042]I)检查圆柱形内螺旋冷却装置的气密性，并向液氮存储装置中添加液氮；
[0043]2)打开坩埚上盖，在坩埚中加入需熔炼的合金材料，并密封；
[0044]3)密封真空腔室，并检查真空腔室的气密性；
[0045]4)对真空腔室抽真空，并对坩埚和真空腔室充入惰性保护气体；
[0046]5)加热熔化坩埚内的金属合金材料，Cu，Sn和Bi的质量比为24:16:80 ；
[0047]6)打开压电振荡器，给加电极板加上电压，向坩埚内输入惰性保护气体，利用压力控制器使坩埚与真空腔室之间达到稳定压差，从而使熔融金属合金从坩埚底部的微孔以层流射流的形式射出，在压电振荡器振动头的作用下，流出的金属合金射流断裂为均匀的液滴，在通过加电极板中间开口时每个液滴都带上等量电荷；
[0048]7)利用监控系统获得液滴的直径，反馈调节冷却装置中液氮的流速和振荡器频率，从而获得均匀液滴。
[0049]8)使断裂的均匀液滴通过螺旋形冷却装置冷却，凝固成型，最后进收集器。
[0050]9)收集、清洗、干燥
[0051 ] 成型后的卵式复合焊球用超声清洗机清洗3?5次，超声清洗剂为乙醇；然后在温度为50?100°C，真空度为5?1KPa条件下烘干20?40分钟；
[0052]10)筛分、挑选和贴标
[0053]通过筛选机或手工筛网筛选出适当直径的合金焊球，在真空度为2?3KPa条件下密封包装并贴上标签；
[0054]将制备的复合焊球剖开进行背散射电子显微测试，以观察制备的复合焊球内部的相分布情况，使用的电子显微镜型号为美国FEI公司的NovaNanosem430,使用其背散射探头(BSED)，调整真空度(高真空度)、工作距离(4.8mm)、工作电压(15KeV)、束斑直径(3.5)和放大倍数(600X)，结果由附图2所示，图中位于剖面中心的深颜色区域为富铜相(即Cu—rich)，周围浅色区域为富锡铋相【即(Sn，Bi) — rich】，这说明利用本发明的技术方案成功制备复合焊球。
[0055]以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种快速均匀核壳式合金焊球的制备方法，其特征在于，按照下述步骤进行: 1)将适当比例的％和81合金称重并放入坩埚内，密闭坩埚与真空腔室； 2)对坩埚和真空腔室抽真空，并充入保护性紅气； 3)加热使金属熔化； 4)关闭坩埚与真空腔室间的气阀，向坩埚中冲入保护性紅气，控制其流速以达到坩埚与真空腔室的稳定压差，从而将熔融的金属从坩埚底部的小孔喷射出去；与此同时，在压电振荡器的振荡下，射流断裂成为均匀小液滴，并在通过下方的加电极板时带上同等电量的电荷，防止其粘连； 5)均匀液滴进入液氮螺旋冷却装置，形成核壳式焊球。
2.根据权利要求1所述的一种快速均匀核壳式合金焊球的制备方法，其特征在于，射流的断裂是通过的陶瓷振荡杆完成的，其振荡频率为5-201(?%
3.根据权利要求1所述的一种快速均匀核壳式合金焊球的制备方法，其特征在于，通过图像监视系统观察液滴的尺寸及流速，从而反馈调节气压差和振荡频率，获得尺寸均匀的液滴。
4.根据权利要求1所述的一种快速均匀核壳式合金焊球的制备方法，其特征在于，坩埚与真空腔室的压力差为0.5-2？3。
5.根据权利要求1所述的一种快速均匀核壳式合金焊球的制备方法，其特征在于，坩埚底部的小孔与冷却装置的距离为10111111-100111111。
6.根据权利要求1所述的一种快速均匀核壳式合金焊球的制备方法，其特征在于，液滴凝固成为核壳式焊球所需要的过冷度是通过液氮螺旋冷却装置提供的。
7.根据权利要求1所述的一种快速均匀核壳式合金焊球的制备方法，其特征在于，所述01，811和81的质量比为24:16:80。
8.一种实现权利要求1所述方法的装置，其特征在于，包括: 1)一个真空腔室，通过带有真空阀的输气管与真空泵相连； 2)一个带有感应加热系统的石英坩埚，位于真空腔室的上方； 3)一个图像监测系统，包括一个闪频器，一个摄像机和一个微机控制系统； 4)两个带有气压控制阀的保护性紅气输送系统，分别连接坩埚，真空腔室和大气； 5)一个压电振荡系统，其中陶瓷振荡杆距离坩埚底部距离为0.3-2^ ； 6)一个加电极板，位于坩埚喷嘴的下方，并在正对喷嘴的位置留有开口，以便液滴通过； 7)一个液氮螺旋冷却收集装置，使得液滴在该装置中冷却形成核壳式焊球； 8)一个挡板，阻挡稳定前的液滴进入冷却装置。
【文档编号】B22F3/115GK104416161SQ201310395973
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年9月3日 优先权日:2013年9月3日
【发明者】吴萍, 周伟, 穆文凯, 杨中宝, 李宝凌 申请人:天津大学