一种高铅焊球批量植球装置及工艺方法与流程

本发明涉及微组装，尤其涉及一种高铅焊球批量植球装置及工艺方法。

背景技术：

1、随着微电子技术的飞速发展，系统级封装（sip）作为可以实现将多个功能芯片和无源元件集成的先进技术，逐渐成为电子产品小型化、高性能化的重要解决方案。在sip封装工艺中，互连技术的可靠性直接决定了整个封装器件的性能与寿命。特别是航空、航天等高可靠性要求的领域，高铅焊球因其优异的耐热性能和机械强度，常被用作sip封装的关键互连材料。然而，高铅焊球具有熔点高、表面易氧化以及润湿性差等特点，在sip封装中的高铅球的植球工艺面临着极大的挑战。

2、随着sip封装的互连密度越来越高，集成的芯片类型越来越多，现有的植球技术面临以下挑战：首先，sip封装基板通常结构复杂，且由于多层布线及材料热膨胀系数的差异，在焊接受热过程中容易产生翘曲变形，采用激光逐个焊接时，若无法实时补偿基板表面的高度起伏，会导致激光焦距偏移，使得不同焊点处的激光能量密度不一致，从而出现虚焊、连焊等缺陷。其次，高铅焊料在高温空气环境下极易生成致密的氧化层，现有的激光焊接工艺往往难以有效破除该氧化膜，阻碍了高铅球与焊盘之间的润湿。此外，针对微小尺寸的高铅焊球，现有供球系统在连续作业过程中容易出现卡球、漏球或定位偏移的问题，影响了供球稳定性与定位精度。

3、综上所述，针对sip封装中高铅焊球的植球需求，现有技术在适应基板形变、克服材料氧化以及实现精密批量焊接方面仍存在局限，亟需开发一种高效、稳定的高铅焊球批量植球装置及工艺。

4、这里的陈述仅提供与本发明有关的背景技术，而并不必然地构成现有技术。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种高铅焊球批量植球装置及工艺方法，可解决现有植球装置及工艺在适应基板形变、克服材料氧化以及实现精密批量焊接方面的问题。

2、为达到上述目的，本发明提供了一种高铅焊球批量植球装置，包括：

3、运动平台，其底部连接承载平台，其顶部共轴连接供球系统、激光焊接机构和动态定位模块；

4、所述承载平台上设有多个容置腔，每一容置腔内均对应设有一个待植球基板，所述待植球基板用于进行植球作业；每一所述容置腔内可拆卸地设有一阵列钢网，该阵列钢网位于所述待植球基板的上方；

5、所述待植球基板的上表面设有阵列焊盘单元，该阵列焊盘单元包含多个以矩形阵列方式排布的焊盘；所述阵列钢网的中心区域设有贯穿于其上、下表面的高铅焊球限位孔阵列，该高铅焊球限位孔阵列包含多个高铅焊球限位孔；所述焊盘与所述高铅焊球限位孔的开设位置一一对应；

6、所述供球系统用于批量地将高铅焊球送入承载平台的阵列钢网的高铅焊球限位孔内；

7、所述激光焊接机构，包含焊接头，其用于发射正对于所述高铅焊球的激光光束，以将高铅焊球焊接在对应的焊盘上；

8、所述动态定位模块用于采集各个待植球基板的水平面位置信息和高度信息，并将该水平面位置信息和高度信息反馈给所述激光焊接机构，以动态调节激光焊接机构在焊接每一待植球基板的每一焊盘前的中心位置及z向高度。

9、可选的，所述运动平台的顶部通过多向移动机构共轴连接供球系统、激光焊接机构和动态定位模块。

10、可选的，所述供球系统包含分球盘、喷嘴及气流控制组件；

11、所述喷嘴的第一入口连接分球盘的出口，所述喷嘴的第二入口连接气流控制组件；

12、分球盘的出口设有限位孔，能够通过震动及旋转的方式分离单颗高铅焊球，而后依次进入喷嘴的第一入口；

13、所述气流控制组件产生可控气流，并通过喷嘴的第二入口作用于进入喷嘴内的高铅焊球，并将高铅焊球吹送至承载平台的阵列钢网的高铅焊球限位孔内。

14、可选的，所述高铅焊球限位孔的孔径比高铅焊球的直径大10%。

15、可选的，所述容置腔的至少一侧的侧壁设有多个沿该侧壁等间隔分布的弹簧顶针，该弹簧顶针的一端弹性抵接待植球基板，以装夹与定位待植球基板。

16、可选的，当所述阵列钢网正对待植球基板以使所述高铅焊球限位孔阵列完全对应所述阵列焊盘单元时，所述阵列钢网的中心区域正好覆盖待植球基板，所述阵列钢网的外围区域则超出于所述待植球基板的外轮廓；

17、所述阵列钢网的所述外围区域设有多个对称于其中心线的钢网定位孔；每一所述钢网定位孔内均设置钢网定位柱，以将所述阵列钢网可调节地设置于所述待植球基板的上方。

18、可选的，所述激光焊接机构与气流控制组件相连通，在激光焊接过程中，所述气流控制组件向激光焊接机构通入保护气体。

19、可选的，所述动态定位模块包含图像采集单元和z向位移检测单元；所述图像采集单元用于采集每一待植球基板及其内的每一焊盘的水平面位置信息；

20、所述z向位移检测单元用于检测每一待植球基板内的每一焊盘的高度信息。

21、可选的，所述运动平台还包含位置处理控制器、数据存储和处理单元；

22、所述数据存储和处理单元与所述图像采集单元通信连接，以在接收所述水平面位置信息后，处理该信息并形成针对于每一待植球基板及其阵列焊盘单元的坐标系；

23、所述位置处理控制器与数据存储和处理单元、所述多向移动机构通信连接，所述位置处理控制器根据形成的所述坐标系控制多向移动机构在x、y方向移动，进而带动焊接头移动到某一焊盘的中心位置；

24、所述位置处理控制器还与所述z向位移检测单元通信连接，以在接收所述焊盘的高度信息后，控制多向移动机构在z方向移动，进而调整焊接头相对于每一焊盘的z向高度。

25、本发明还提供了一种通过高铅焊球批量植球装置实现批量植球的工艺方法，包含如下步骤：

26、步骤s1，将所有待植球基板装夹至承载平台的对应容置腔内，并通过动态定位模块依次采集每一待植球基板及其阵列焊盘单元的水平面位置信息和高度信息，并根据水平面位置信息在运动平台的数据存储及处理单元内依次建立每一待植球基板及其阵列焊盘单元的坐标系；

27、步骤s2，将阵列钢网固定在待植球基板上方的预设高度，并使得所述阵列钢网上的高铅焊球限位孔阵列与待植球基板上的阵列焊盘单元对准；通过供球系统批量将高铅焊球植入到所有的阵列钢网的高铅焊球限位孔内，所述高铅焊球沿着高铅焊球限位孔进入到每一待植球基板的阵列焊盘单元的焊盘上；

28、步骤s3，当所有待植球基板的各个焊盘上均填入高铅焊球后，根据步骤s1建立的某一待植球基板及其阵列焊盘单元的坐标系的信息，运动平台控制激光焊接机构的焊接头移动到该待植球基板的某一焊盘的中心位置；并根据步骤s1采集到的该焊盘的高度信息，通过运动平台调整激光焊接机构的焊接头与该待植球基板的高度距离，以确保激光光斑中心严格对准焊盘中心，以及确保焊接头与待植球基板达到预设高度距离；

29、步骤s4，激光焊接机构按照预设的双脉冲模式对该焊盘上的高铅焊球进行激光焊接；在激光焊接的同时，气流控制组件通过喷嘴持续输出保护气体，以形成焊接保护；

30、步骤s5，待该点焊接完成后，运动平台控制焊接头快速移动至该待植球基板的下一焊点，重复步骤s3~s4，直至完成该待植球基板上的所有高铅焊球的焊接作业；

31、步骤s6，焊接头转移至下一待植球基板，多次重复步骤s3~s5，直至完成所有待植球基板上的所有高铅焊球的焊接作业。

32、综上所述，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

33、1、本发明提供的一种高铅焊球批量植球装置及工艺方法，通过气流控制组件喷射氮气结合阵列钢网上的高铅焊球限位孔，实现了高铅焊球的快速批量填入和预定位，相较于传统的单颗逐个吸取放置方式，显著提高了植球效率，解决了微小焊球供球稳定性差的问题；

34、2、本发明提供的一种高铅焊球批量植球装置及工艺方法，通过集成动态定位模块与z向位移检测单元，实时监测并补偿基板的翘曲变形和位置偏差，确保了激光焦距的实时准确性，保证了不同高度焊点处的能量密度一致，有效避免了因基板变形导致的虚焊、连焊缺陷；

35、3、本发明提供的一种高铅焊球批量植球装置及工艺方法，采用双脉冲激光焊接模式，预热脉冲有效去除了高铅焊球表面致密的氧化层，熔接脉冲在氮气保护下完成熔融连接，既缩小了热影响区，又提升了焊点的机械强度和电气性能，适用于高可靠性要求的sip封装应用场景。