一种铜带缠绕型焊柱的制备方法与流程

本发明涉及电子元器件封装领域，具体涉及一种铜带缠绕型焊柱的制备方法。

背景技术：

随着电子信息技术的快速发展，半导体元器件的集成度和复杂程度越来越高，相应地，电子封装工艺中涉及的引脚数量、引脚密度、工作频率以及功耗的不断增加，使得传统封装技术面临着新的挑战。这种趋势在军事、航空航天等特殊工况下服役的逻辑和微处理上尤为显著。传统的封装方法在电性能、热性能以及力学性能等方面已经越来越不能满足电子器件连接的可靠性需求。

为了应对上述问题，美国ibm公司和raychem公司分别成功研制了90pb10sn材质的“铸造型焊柱”和80pb20sn材质的“铜带缠绕型焊柱”，应用于新型的陶瓷柱状栅格阵列（ceramiccolumngridarray，ccga）封装技术中，实现了多层陶瓷材料与电路板的高可靠性连接。其中，“铜带缠绕型焊柱”以其更为优异的抗热冲击性能，更高的可靠性得到了广泛的应用。

近年来，我国在包括军工科技、航天技术等多个高精尖领域取得了长足的进步，ccga技术的使用率也随之飞速提升。然而，需要指出的是，国内ccga行业的科研人员把更多的精力集中在了ccga阵列结构的研制、焊柱加固、打磨以及自动植柱等辅助ccga封装工艺领域，而ccga焊柱制备的核心技术则长期被发达国家垄断。目前我国军用的ccga焊柱全部从美国进口。研究发现，制备合格铜带缠绕型焊柱的核心技术问题在于：由于焊柱芯部（简称焊芯，为pb-sn合金）与缠绕于焊芯外侧的铜带之间具有孔隙，这些孔隙的存在会提高铜带与焊芯在高功耗服役和热冲击条件下的剥离倾向，一旦两者产生剥离，焊柱的可靠性会大大降低，甚至引发整个电子器件的失效。因此，降低焊柱制备过程中产生的孔隙率是延长封装寿命，提升焊点可靠性的技术关键。美国航空航天局（nasa）制定的ccga相关标准规定，铜带与焊芯之间的孔隙率必须严格控制在5%以下。这一标准也获得了世界各国ccga行业的认可，成为了衡量铜带缠绕型焊柱合格与否的通行标准。

对于铜带缠绕型焊柱涉及的纯sn的同质连接，即焊芯外表面sn镀层与铜带内表面sn镀层），目前广泛采用的方法为单热源加热，即回流焊。即在可控气氛下升温，使sn软化甚至熔化，发生sn-sn界面交互作用，从而形成连接的技术。回流焊工艺虽然在气氛、控温等方面表现优异，但是在ccga焊柱的制备过程中却存在诸多困难。一方面，如果熔焊时温度较低，会导致sn-sn界面的润湿性和粘性金属的流动性较差，界面的气相吸附容易被sn熔体包裹且难以排除，致使冷却后在界面结合处形成孔隙，造成孔隙率过高；另一方面，如果熔焊时温度较高，则会使焊芯的pb-sn合金发生变形，甚至流出，直接导致焊柱报废。而由于芯部pb-sn合金的熔点（通常低于210℃）总是低于镀层sn的熔点（232℃），因此，整体热加工产生的工艺缺陷几乎不可避免。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述不足，本发明在于解决现有的铜带缠绕型焊柱采用回流焊工艺导致的孔隙率过高的问题，和由于焊芯的熔点低于镀层的熔点导致在焊接过程中焊芯发生变形甚至流出导致焊柱报废率高的问题，提供一种铜带缠绕型焊柱的制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种铜带缠绕型焊柱的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1焊芯的预处理

s11对pb-sn合金焊芯进行电镀cu处理，使焊芯表面均匀镀覆cu层；

s12对镀覆cu层的焊芯进一步进行电镀sn处理，在cu层外再镀覆一层均匀的sn层；

s13将上述处理后的焊芯浸入中性助焊剂中，使助焊剂充分附着于s12制备的焊芯外表面，得到焊芯预制体；

s2焊柱预制体的制备

s21选用宽度适宜的铜带，对铜带进行单面电镀sn处理；

s22将所述铜带的镀sn面与s13制备的焊芯预制体外表面接触，采用电动绕丝机将铜带均匀缠绕在焊芯预制体外表面，制得焊柱预制体；

s3焊柱的焊接处理

s31将步骤s22制得的焊柱预制体在电流场耦合的电阻加热炉中，其具体装置方式为：首先，将焊柱两端装夹在直流电回路中，电极的一端接焊芯，另一端电极接铜带，然后将装夹焊柱预制体的部分置入电阻加热炉中；其次，调控电炉温度为170-195℃然后调节电流场参数，用双温双控直流电源调节回路中的电流和电压强度，使铜带与焊芯固-固接触的部分获得额外的局部焦耳热源；通过电炉和电流场两个热源联合控制熔焊过程，制备铜带缠绕型焊柱；

s32将铜带缠绕型焊柱切割成标准尺寸。

进一步，所述步骤s1中的焊芯预制体的直径为0.3-0.4mm。

进一步，所述步骤s2中，所述铜带的宽度为0.3±0.1mm，缠绕的铜带之间的距离为0.23±0.05mm。

进一步，所述步骤s3中，电阻加热炉的加热温度低于pb-sn合金焊芯的熔点5~20℃。

进一步，所述步骤s3中，所述直流电源调节回路中的电流强度5±3a。

进一步，所述步骤s3中，所述直流电源调节回路中的通电时间5±3min。

本发明能够降低ccga焊柱孔隙率的机理是：针对回流焊工艺熔焊中期（保温阶段）焊芯与sn-sn界面存在氧化导致的粘附功较低、润湿性差以及熔焊后期（降温阶段）金属流动性变差导致的凝固后孔隙的问题，利用本发明提供的低温整体加热和直流电场局部加热工艺，能够有效地加以解决。首先，在熔焊的保温阶段，金属sn-sn界面受到氧化的影响润湿性较差；低的粘附力导致了界面间隙的产生，在冷却至室温后形成孔隙，而直流电的施加能够有效地破除金属表面氧化膜，从而减少界面间隙的产生。其次，在熔焊的降温阶段，接近熔融态的金属流动性变差，界面材料冷却收缩时，周围金属难以“补缩”，也会引发孔隙的产生。而对焊柱预制体施加直流电流时，由于整体温度在界面sn熔点以下，铜带与焊芯形成的固相接触电阻很大，因此，只要施以足够的电压和电流，就能够使接触界面处的焦耳热量在短时间内显著提升。接触界面温度的提升能够使该部位的金属流动性增强，获得充分“补缩”的能力，由于这种热效应只发生在焊柱微局部，大大削弱了芯部pb-sn合金熔化、流出致使工件报废的倾向。第三，在“补缩”完成、界面形成高质量熔焊以后，“固相接触不良，导致界面电阻率高”的效应会自动随之消失，直流电流不再起到局部加热的作用，焊柱整体温度重新回到合金熔点以下，从而进一步避免了熔焊过程中的过热失效。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明能够有效改善回流焊导致的焊柱孔隙率高，焊芯液化失效等工艺缺陷，实现了铜带与pb-sn焊芯的高质量熔焊，降低了铜带缠绕型焊柱的报废率。由于对焊芯和铜带采用电阻加热炉整体加热和电流场局部加热的加热方式，先通过电阻加热炉对焊柱预制体整体加热，并将加热温度控制在低于pb-sn合金的熔点的温度，再将焊柱两端装夹在直流电回路中；这样，有效避免了采用单热源加热（回流焊）导致的焊柱孔隙率高，焊芯液化失效等工艺缺陷，实现了铜带与pb-sn焊芯的高质量熔焊，保持了焊柱组织的整体固相的稳定性。

2、本发明解决了熔焊需要的温度大于焊芯的熔点的矛盾，将其转化为在低于焊芯熔点的温度下保温，再施加电流场参数控制。由于接触界面电阻率高的现象会随着熔焊完成而自行消失，因此，电流辅助熔焊避免了熔焊时间对熔焊质量的影响，简化了工艺，增加了工艺的可调控性，同时提高了参数调整的容错率。

3、本发明采用的电流场局部加热方式，降低了熔焊的功耗成本，并有效地缩短了焊柱制备的时间，在实现制备高质量铜带缠绕型焊柱的同时，降低了制造成本。

附图说明

图1为本发明一种铜带缠绕型焊柱的电流场局部加热工艺及原理示意图：(a)电流场局部加热工艺图；(b)熔焊过程中的界面电流线分布示意图；(c)熔焊完成(界面完全熔合)后的电流线分布示意图。

图2为不同工艺条件下制备的铜带缠绕pb-sn820焊柱显微结构照片：(d)单热源(回流焊)：加热温度225℃，保温20min；(f)电阻加热炉整体加热和电流场局部加热的复合加热：电阻加热炉温度185℃，电流强度0.5a，电压0.35v，保温4min。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例：

参见图1，采用pb-sn合金作为焊芯，纯铜薄带缠绕在焊芯上制作铜带缠绕型焊柱。

首先，焊芯的预处理：取“pb-sn-820”合金作为焊芯，其中pb：80wt%；sn：20wt%。在焊芯的表面进行电镀cu处理，使焊芯表面均匀镀覆cu层；再获得的镀cu的焊芯进行进一步电镀sn处理，在焊芯的cu层外再镀覆一层均匀的sn层。整个焊芯电镀后的直径为0.51±0.05mm。将电镀后的焊芯浸入中性助焊剂中，使助焊剂充分附着于s12制备的焊芯外表面，制得焊芯预制体。

然后，制备焊柱预制体：取宽度为0.3mm的纯铜薄带为缠绕的铜带，对该铜带进行单面电镀sn处理，使铜带的一侧均匀镀覆sn层；将铜带镀覆有sn层的一侧与焊芯预制体的外表面接触，使铜带的sn层与焊芯预制体的sn层相接触。并使用电动绕丝机将铜带均匀缠绕在焊芯预制体外表面，缠绕后铜带之间的距离为0.23mm，得到焊柱预制体。

最后，对焊柱预制体焊合：将焊柱预制体装置在电流场耦合的电阻加热炉中。具体的，首先将焊柱两端装夹在直流电回路中，电极的一端与焊柱一端的焊芯相连，电极的另一端与焊柱另一端的铜带相连，如图1(a)所示。再将焊柱预制体置入电阻加热炉中保温，其中，所述该电阻加热炉的温度为185℃，略低于焊芯的熔点。此时铜带与焊芯的sn-sn固相不良接触界面电阻率很高。将双稳双控直流电源调节至稳流模式，设置电流强度为0.5a，然后打开电流接通开关，记录稳定后的电压强度约为0.35v。通电初期，电流在sn-sn界面局部形成聚集效应，并产生较大的焦耳热量，如图1(b)所示。局部的温度升高为界面金属的流动、排斥孔隙提供了额外的驱动力，促使界面形成较高质量的熔焊。此外，界面形成熔焊以后，由于界面不再形成不良接触，电阻率回落到正常水平，电流聚集效应消失，如图1(c)所示，从而避免了过热的产生。通电4min后，关闭直流电源和电阻炉，冷却后得到熔焊完成的铜带缠绕型焊柱。将得到的铜带缠绕型焊柱浸锡并切割成标准尺寸，即为成品铜带缠绕型焊柱。

将单热源加热（即回流焊工艺，未施加辅助加热的直流电场）获得的铜带缠绕型焊柱与本发明实施例中得到的铜带缠绕型焊柱进行显微组织结构的表征，其中，单热源加热方式的加热温度为225℃，保温时间为20min；本发明实施例采用的复合加热：电阻加热炉温度为185℃，电流强度0.5a，电压0.35v，保温时间为4min。

采用两种工艺制得的铜带缠绕型焊柱的显微组织结构如图2所示。从图2(d)中可以看出，当以回流焊工艺制备缠绕型焊柱时，铜带与焊芯结合部位孔隙较多。应用imagej软件对20个随机的横截面图像进行孔隙的统计分析，发现其孔隙率在8%-16%之间。而从图2(f)中可以看出，采用本发明实施例的复合加热方式制备的铜带缠绕型焊柱，铜带与焊芯间的孔隙则很少，取50个随机的焊柱横截面用上述软件进行统计学分析，获得的孔隙率为1.2-3.4%，符合ccga焊柱的行业使用标准。

此外，本发明涉及的熔焊温度较低（185℃），熔焊时间也更短（4min），在实现铜带与pb-sn焊芯的高质量熔焊，保持了焊柱组织的整体固相的稳定性的同时，大大降低了生产功耗，缩短了制备时间，降低了生产成本，且有效提升了生产效率。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。