一种用于银焊膏连接的表面贴装装置及方法与流程

本发明涉及一种用于银焊膏连接的表面贴装装置及方法，具体涉及一种为利用银焊膏实现芯片与基板互连过程中，降低银焊膏连接层空洞率，进而提高银焊膏连接可靠性的表面贴装装置及方法。

背景技术：

芯片互连材料在电子元器件工作中通常起电/热导通、物理保护及机械支撑等作用，是大功率集成电路的重要组成部分。而随着第三代半导体材料的发展，传统的低熔点钎料合金已不能满足大功率电子元器件的高温应用。低温烧结银焊膏，作为一种新型焊料替代合金，具有较高的连接强度，以及优于无铅焊料和导电胶3-5倍的电、热导率。此外，具有多孔微观结构的烧结银表现出相对低的弹性模量(约9gpa)，可用于减轻由于热膨胀系数不匹配产生的热-机械应力。同时较高的熔点使得烧结银接头表现出优秀的耐高温蠕变能力。这些使得银焊膏成为电子封装领域的研究热点。

钎料通常是在高于其熔点的工艺温度下，熔化润湿基板实现冶金粘接。而银焊膏是纳/微米级银颗粒与有机物组成的混合物，借助于低尺寸效应，在远低于块状银熔点下，通过原子间扩散实现固相烧结。烧结初期，颗粒间的颈联可导致颗粒间距离减小，颗粒间的气孔连通。随着致密化过程的进行，晶粒长大，气孔相互独立，但烧结层实为致密度要小于块状银的多孔结构。

当银焊膏应用于芯片互连时，在丝网印刷和贴装芯片的过程中，空气不可避免地残留在焊膏层中，通过在贴装芯片的过程中施加一定的压力可排除部分空气。但由于银焊膏在挤压过程中不易变形，致使一定量的空气困在焊膏层中，形成气泡或空洞，同时增大了颗粒间的孔隙。并且这些空洞或孔隙会随着半导体模块的工作时长而不断增大，而空气的热导率不足焊料的千分之一，不仅将严重影响功率模块的散热性能，同时由于空洞处容易引起应力集中产生微裂纹，降低剪切强度，最终加速模块的失效。为此需要对芯片贴装过程进行优化，减小焊膏连接层的空洞率，提高接头的连接质量。

目前常见的表面贴装装置只能实现芯片与基板间的准确安装，及在z轴方向上对连接层挤压的功能，不能明显降低焊膏层的空洞率。

技术实现要素：

本发明的目的是需要发明新的表面贴装装置和方法，优化贴装工艺，通过提高焊膏层的变形程度和流动性，尽可能排除困在焊膏层中的空气，减小空洞率，从而实现功率芯片和基板的可靠连接。

本发明的技术方案如下:

一种用于银焊膏连接的表面贴装装置，包括光学调整机架(1)及固定在机架(1)上的视觉对中系统(2)；所述视觉对中系统(2)下方的底盘(3)上设置有精密移动平台(4)；所述精密移动平台(4)在水平面沿x、y轴方向上分别设置有高精度微分头(5)；所述精密移动平台(4)上设置试样台(6)；所述试样台(6)正上方设置真空吸嘴(7)，真空吸嘴(7)上方通过密封管路(8)可与真空泵相连，真空吸嘴(7)和位移调节旋钮(9)都固定在光学调整机架(1)上；光学调整机架(1)固定在底盘(3)上。

所述光学调整机架(1)上装有视觉对中系统(2)，可观察x、y和z轴的移动过程，对芯片和基板进行精确定位。

所述精密移动平台(4)在水平面沿x、y轴方向上分别设有高精度微分头(5)，移动量为0-50mm，移动精量为0.01mm，采用硬质合金测量面，非旋转心轴快速进给，可实现精细调整和定位；通过旋转微调钮，可实现基板在水平面的精密移动，重复定位精度高，进一步探索芯片与基板间最佳的相对位移量。

所述精密移动平台(4)上设有试样台(6)，可用来放置待贴装芯片和基板。

所述试样台(6)正上方为真空吸嘴(7)，通过密封管路(8)可与外部真空泵相连，通过打开真空泵，真空吸嘴(7)可将芯片吸附于吸嘴表面，真空吸嘴(7)真空度不小于500mmhg，可保证拾起不同尺寸和形状的元器件。

所述真空吸嘴(7)为聚胺脂橡胶材质，可减小拾取和施压过程中对芯片表面的冲击力和磨损，且真空吸嘴(7)内部装有压力传感器，可在释放元器件的同时施加反向作用力，实现芯片的软着陆。

所述底盘(3)上固定有光学调整机架(1)，通过调节光学调整机架(1)上的位移调节旋钮(9)，可控制真空吸嘴(7)在z轴方向的移动，进一步控制芯片的位置。

本发明的一种用于银焊膏连接的表面贴装方法，首先，通过丝网印刷或点胶工艺，将银焊膏均匀印刷至基板表面，然后将涂有焊膏的基板和待贴装的芯片分别放置在试样台(6)上。调节高精度微分头(5)并结合视觉对中系统(2)，使芯片平移至真空吸嘴(7)正下方。通过调节位移调节旋钮(9)使真空吸嘴(7)向下移动与芯片接触，打开真空泵，拾取芯片，并通过调节位移调节旋钮(9)将真空吸嘴(7)和芯片抬起。调节高精度微分头(5)并结合视觉对中系统(2)，使凃有焊膏的基板平移至拾取芯片的正下方。调节位移调节旋钮(9)，关闭真空泵，使芯片落下并与焊膏接触。缓慢调节位移调节旋钮(9)，使真空吸嘴(7)向下移动并对芯片施加压力，直至焊膏在芯片四周刚好溢出，此时停止调节位移调节旋钮(9)。旋转高精度微分头(5)上的微调钮，使试样台(6)带动基板在水平面上沿x、y轴方向做往复直线运动。调节位移调节旋钮(9)使真空吸嘴(7)抬起，得到芯片-焊膏层-基板的三明治结构。

本发明的效果如下:

(1)装置通过多轴协调工作，结合视觉对中系统，可实现高精度地将芯片贴装于基板上印刷焊膏的位置；且真空吸嘴可实现高真空。所以适于各种大小、形状的芯片。结构合理，操作简单。

(2)本装置采用不锈钢机架，刚性好、平稳，结构紧凑，整体美观牢固。

(3)装置在表面贴装过程中，真空吸嘴将芯片贴装至印刷焊膏层上以后，通过调节微分头上的微调钮，使基板在水平面上前后左右轻微平移，与芯片间产生相对位移量，均匀搅拌焊膏，增加焊膏流动性，促进焊膏层气泡逸出，并与芯片充分润湿，控制精准。

(4)当基板在x、y轴方向移动距离为±500μm时，接头的空洞率最少，力学和热学性能最好。

附图说明

图1为发明装置的外观结构示意图。

图2为不同安装工艺下焊膏层的x-ray形貌图。

图3为不同安装工艺下接头的强度和热阻。

具体实施方式

如图1所示，本发明用于银焊膏连接的表面贴装装置的操作过程如下：

首先，将银焊膏通过丝网印刷工艺均匀印刷至基板表面。然后将涂有焊膏的基板和待贴装的芯片放置在试样台(6)上，通过视觉对中系统(2)确保试样在合理的视野范围内。调节高精度微分头(5)并结合视觉对中系统(2)，使芯片平移至真空吸嘴(7)正下方，通过调节位移调节旋钮(9)使真空吸嘴(7)落下与芯片接触，打开真空泵，拾取芯片，并通过调节位移调节旋钮(9)将芯片拾起。调节高精度微分头(5)并结合视觉对中系统(2)，使基板的焊膏印刷位置平移至拾取芯片的正下方。调节位移调节旋钮(9)，关闭真空泵，使芯片落下并与焊膏接触。缓慢调节位移调节旋钮(9)，利用真空吸嘴(7)对芯片施加压力，直至焊膏在芯片四周刚好溢出，此时停止调节位移调节旋钮(9)。旋转高精度微分头(5)上的微调钮，使试样台(6)带动基板在水平面上沿x、y轴方向做往复直线运动。调节位移调节旋钮(9)使真空吸嘴(7)抬起，得到芯片-焊膏层-基板的三明治结构。

所述精密移动平台(4)在水平面沿x、y轴方向上分别设有高精度微分头(5)，移动量为0-50mm，移动精量为0.01mm，采用硬质合金测量面，非旋转心轴快速进给，可实现精细调整和定位；通过旋转微调钮，可实现基板在水平面的精密移动，重复定位精度高，进一步探索芯片与基板间最佳的相对位移量。

所述精密移动平台(4)上设有试样台(6)，可用来放置待贴装芯片和基板。

所述试样台(6)正上方为真空吸嘴(7)，通过密封管路(8)可与外部真空泵相连，通过打开真空泵，真空吸嘴(7)可将芯片吸附于吸嘴表面，真空吸嘴(7)真空度不小于500mmhg，可保证拾起不同尺寸和形状的元器件。

所述真空吸嘴(7)为聚胺脂橡胶材质，可减小拾取和施压过程中对芯片表面的冲击力和磨损，且真空吸嘴(7)内部装有压力传感器，可在释放元器件的同时施加反向作用力，实现芯片的软着陆。

所述底盘(3)上固定有光学调整机架(1)，通过调节光学调整机架(1)上的位移调节旋钮(9)，可控制真空吸嘴(7)在z轴方向的移动，进一步控制芯片的位置。

实施例

1、制样：通过丝网印刷，将银焊膏均匀印刷至基板表面，保证表面平整光滑。

2、放样：将涂有焊膏的基板和待贴装的芯片分别放置在试样台(6)上，并通过光学显微镜(2)确保试样在合理的视野范围内。

3、拾取：调节高精度微分头(5)并结合视觉对中系统(2)，使芯片平移至真空吸嘴(7)正下方，通过调节位移调节旋钮(9)使真空吸嘴(7)落下与芯片接触，打开真空泵，拾取芯片，并通过调节位移调节旋钮(9)将芯片拾起。

3、定位：调节高精度微分头(5)并结合视觉对中系统(2)，使基板的焊膏印刷位置平移至拾取芯片的正下方。

4、放置：调节位移调节旋钮(9)，关闭真空泵，使芯片落下并与焊膏接触。

5、施压：缓慢调节位移调节旋钮(9)，利用真空吸嘴(7)对芯片施加压力，直至焊膏在芯片四周刚好溢出，此时停止调节位移调节旋钮(9)。

6、搅拌：旋转高精度微分头(5)上的微调钮，使试样台(6)带动基板在水平面上沿x、y轴方向做往复直线运动，与芯片间产生相对位移。

7、完成：调节位移调节旋钮(9)使真空吸嘴(7)抬起，得到芯片-焊膏层-基板的三明治结构。

按照上述实施方式，通过基板与芯片间产生相对位移，来优化表面贴装工艺，进一步提高的焊膏的流动性。如图2、3所示，相对与只有施压的优化前的安装工艺，采用优化后的安装工艺，接头的空洞率明显降低，力学和热学性能明显提高；且接头的平均剪切强度都大于45mpa，完全可以满足电力电子领域的力学性能要求。并且当基板在x、y轴方向移动距离为±500μm时，接头的空洞率最少，力学和热学性能最好。

以上只是对本发明进行了示例性说明，本发明的具体实现方式并不局限于此。任何采用本发明的构思和技术方案进行的非实质性修改，均在本发明的保护范围之内。