一种静拘束肩钻卡头焊具及摩擦静拘束植柱方法，它涉及一种CGA器件植柱的焊具及方法，以解决现有无模具植柱方法焊球与焊柱间抱紧力低、易剥离、冶金作用不充分等问题。焊具：包括钻卡头运动传动机构、钻卡头夹持组件和静压拘束机构，静压拘束机构及部件通过与钻床主轴轴承盖制成一体的左、右侧带孔固定板固定。方法：一、阵列球冠形钎料焊球的制作；二、确定静压力拘束肩焊柱容纳通孔的直径和深度；三、确定球冠形加压工作面和水平轴肩面的尺寸；四：确定焊柱露出钻卡头卡爪的长度；五、确定钻卡头卡爪与静压力拘束肩的最小装配距离；六、转动操作手柄施加静拘束进行单个及阵列待植柱焊柱的摩擦静拘束植柱。本发明用于CGA器件的植柱。
1.一种静拘束肩钻卡头焊具，其特征在于：所述焊具包括钻卡头夹持钻进机构和静压拘束机构，所述钻卡头夹持钻进机构包括钻卡头运动传动机构和钻卡头夹持组件，所述钻卡头运动传动机构包括钻床主轴(1)、主轴轴承(2)、主轴轴套(3)、主轴轴承盖(4)及其连接螺栓(5‑1)、(5‑2)，所述静压拘束机构包括左侧带孔固定板(6)、右侧带孔固定板(7)、左侧齿轮轴(8)、右侧齿轮轴(9)、左侧齿轮轴轴承(10)、右侧齿轮轴轴承(11)、左齿轮(12‑1)和(12‑2)、右齿轮(13‑1)和(13‑2)、操作手柄(14)、左侧传动齿条(15)、右侧传动齿条(16)、左侧齿条导轨(17)、右侧齿条导轨(18)、缓冲加压弹簧(19)和静压力拘束肩(20)，所述静压力拘束肩(20)的形状类似带凸缘的法兰结构并包括凸缘连接体(20‑1)、焊柱容纳通孔(20‑
2)、球冠形加压工作面(20‑3)和水平轴肩面(20‑4)；所述钻卡头夹持组件同轴装配于钻卡头运动传动机构的下方，所述左侧带孔固定板(6)、右侧带孔固定板(7)分别与主轴轴承盖(4)上下设置且制成一体，左侧带孔固定板(6)、右侧带孔固定板(7)的板面与主轴轴承盖(4)的表面垂直，所述左齿轮(12‑1)、(12‑2)和右齿轮(13‑1)、(13‑2)分别位于左侧带孔固定板(6)和右侧带孔固定板(7)的两侧，所述左侧齿轮轴(8)与左齿轮(12‑1)和(12‑2)、右侧齿轮轴(9)与右齿轮(13‑1)和(13‑2)之间均采用键连接，所述左齿轮(12‑1)与右齿轮(13‑
1)、左齿轮(12‑2)与右齿轮(13‑2)的轮齿之间保持相互啮合的位置关系，所述左齿轮(12‑
1)、(12‑2)和右齿轮(13‑1)、(13‑2)分别与外侧的左侧传动齿条(15)和右侧传动齿条(16)保持相互啮合的位置关系，所述操作手柄(14)与伸出左侧带孔固定板(6)的左侧齿轮轴(8)制成一体；所述左侧传动齿条(15)和右侧传动齿条(16)可分别沿着左侧齿条导轨(17)和右侧齿条导轨(18)的限位孔(17‑1)和(18‑1)上下滑动，所述左侧传动齿条(15)和右侧传动齿条(16)底部均呈“L”形并与下方的缓冲加压弹簧(19)相接触，所述静压力拘束肩(20)与上方的缓冲加压弹簧(19)相接触、并通过连接螺栓(21‑1)、(21‑2)分别与左侧齿条导轨(17)和右侧齿条导轨(18)相连接，所述缓冲加压弹簧(19)套在左侧齿条导轨(17)和右侧齿条导轨(18)的外围，所述焊柱容纳通孔(20‑2)、球冠形加压工作面(20‑3)的中心轴线与钻床主轴(1)的中心轴线同轴。
2.根据权利要求1所述一种静拘束肩钻卡头焊具，其特征在于：所述静压力拘束肩(20)的焊柱容纳通孔(20‑2)的直径为(1+μ)r，静压力拘束肩(20)的焊柱容纳通孔(20‑2)的深度为(1+τ)r，r为待植柱焊柱(23)的半径，μ为0.05～0.20，τ为0～0.50。
3.根据权利要求1所述一种静拘束肩钻卡头焊具，其特征在于：所述静压力拘束肩(20)的球冠形加压工作面(20‑3)的半径为R(1+K)，静压力拘束肩(20)的球冠形加压工作面(20‑
3)的高度为R(1‑S)，静压力拘束肩(20)的水平轴肩面(20‑4)的外径为3.0R～4.0R，R为球冠形钎料焊球(22)的半径，K为0～0.15，S为0.05～0.30。
4.根据权利要求1所述一种静拘束肩钻卡头焊具，其特征在于：所述静压力拘束肩(20)的材质为低碳钢或高速钢。
5.根据权利要求1所述一种静拘束肩钻卡头焊具，其特征在于：所述钻卡头夹持组件的三个卡爪(26)的端部与静压力拘束肩(20)上表面的装配距离为L‑λR+r，L为球冠形钎料焊球(22)的高度，R为球冠形钎料焊球(22)的半径，r为待植柱焊柱(23)的半径，λ为0.10～
6.一种利用权利要求1所述焊具实现摩擦静拘束植柱的方法，其特征在于：所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、阵列球冠形钎料焊球(22)的制作：在阵列排布的焊盘(30)上印刷适量的等量焊锡膏，并通过回流焊在阵列排布的焊盘(30)上形成形状尺寸一致的阵列球冠形钎料焊球(22)，测量球冠形钎料焊球(22)的半径R和高度L；
步骤二、确定静压力拘束肩(20)的焊柱容纳通孔(20‑2)的直径和深度：为减少植柱期间塑性流动钎料从焊柱容纳通孔(20‑2)与焊柱(23)之间的间隙溢出，根据待植柱焊柱(23)的半径r确定焊柱容纳通孔(20‑2)的直径为(1+μ)r，μ为0.05～0.20，根据静压力拘束肩(20)的刚度需求，确定焊柱容纳通孔(20‑2)的深度为(1+τ)r，τ为0～0.50，通过精密加工形成上述形状尺寸的焊柱容纳通孔(20‑2)；
步骤三：确定静压力拘束肩(20)的球冠形加压工作面(20‑3)和水平轴肩面(20‑4)的尺寸：根据球冠形钎料焊球(22)的半径R及其加压后所需的变形程度，确定静压力拘束肩(20)的球冠形加压工作面(20‑3)的半径为R(1+K)，K为0～0.15，球冠形加压工作面(20‑3)的高度为R(1‑S)，S为0.05～0.30，通过精密加工形成上述形状尺寸的球冠形加压工作面(20‑3)并抛光处理；水平轴肩面(20‑4)为非工作面，考虑结构的刚度需求，确定静压力拘束肩(20)的水平轴肩面(20‑4)的外径为3.0R～4.0R，R为球冠形钎料焊球22的半径；
步骤四：确定待植柱焊柱(23)露出钻卡头夹持组件三个卡爪(26)的长度：根据球冠形钎料焊球(22)的半径R、待植柱焊柱(23)的半径r和待植柱焊柱(23)所需植入深度L‑λR，λ为
0.10～0.30，确定待植柱焊柱(23)露出钻卡头夹持组件三个卡爪(26)的长度为L‑λR+(2+τ)r，λ为0.10～0.30，τ为0～0.50；
步骤五：确定钻卡头夹持组件的三个卡爪(26)端部与静压力拘束肩(20)上表面的装配距离：根据球冠形钎料焊球(22)的半径R、待植柱焊柱(23)的半径r和待植柱焊柱(23)所需植入深度L‑λR，λ为0.10～0.30，确定钻卡头夹持组件的三个卡爪(26)的端部与静压力拘束肩(20)上表面的装配距离为L‑λR+r，λ为0.10～0.30，设计和调试左侧齿条导轨(17)和右侧齿条导轨(18)的长度及缓冲加压弹簧(19)的高度，组装静压拘束机构形成符合上述形状尺寸要求的静拘束肩钻卡头焊具；
将标准形状尺寸的待植柱焊柱(23)装卡于钻卡头夹持组件的三个卡爪(26)中，调整待植柱焊柱(23)露出端长度使之满足步骤四的尺寸要求，此时待植柱焊柱(23)的端头刚好穿透静压力拘束肩(20)的焊柱容纳通孔(20‑2)，通过程序控制待植柱焊盘(30)所在的基板(31)运动，使待植柱焊柱(23)位于待植柱焊盘(30)的上方并与焊盘(30)的中心对中，利用钻床主轴(1)带动待植柱焊柱(23)沿主轴轴线下压的同时，静压力拘束肩(20)通过静压拘束机构保持与钻床主轴同步的轴向运动，因此使得静压力拘束肩(20)的球冠形加压工作面(20‑3)逐渐接触并局部包覆下方焊盘(30)上的球冠形钎料焊球(22)；
小幅逆时针缓慢转动静压拘束机构的操作手柄(14)使左侧齿轮轴(8)转动并且带动相互啮合的左齿轮(12‑1)、(12‑2)和右齿轮(13‑1)、(13‑2)同步转动，进而带动左侧传动齿条(15)和右侧传动齿条(16)分别相对左侧齿条导轨(17)和右侧齿条导轨(18)向下滑动，进而引起下方的缓冲加压弹簧(19)的压缩，缓冲加压弹簧(19)驱动静压力拘束肩(20)的球冠形加压工作面(20‑3)对与其接触的球冠形钎料焊球(22)施加一定程度的静压拘束作用，静压拘束机构的操作手柄(14)逆时针转动角度越大，球冠形加压工作面(20‑3)的静压拘束作用越大，球冠形钎料焊球(22)内部压力越大，球冠形钎料焊球(22)肩部发生预定程度的变形(静压力拘束肩(20)下压位移不大于0.02倍的球冠形钎料焊球高度L)后停止静压拘束机构操作手柄(14)的逆时针转动；
利用钻床主轴(1)带动待植柱焊柱(23)以5000转/分钟～8000转/分钟的速度旋转下压并钻入球冠形钎料焊球(22)内部，此时静压力拘束肩(20)不再保持与钻床主轴(1)同步的轴向运动，在钻进深度为球冠形钎料焊球(22)高度L的十分之一和三分之一时分别停止待植柱焊柱(23)的轴向进给预热3秒，随后待植柱焊柱(23)继续轴向进给和钻进，随着轴向钻进深度的增加，待植柱焊柱(23)底部和侧面钎料发生热软化和变形，待植柱焊柱(23)底部钎料向侧面塑性流动，在球冠形加压工作面(20‑3)的静压拘束作用下球冠形钎料焊球(22)内部压力增加，待植柱焊柱(23)与局部软化的球冠形钎料焊球(22)紧密接触和压实，促进了待植柱焊柱(23)/球冠形钎料焊球(22)界面的温度升高、原子互扩散和可靠连接；待植柱焊柱(23)以30微米/秒～50微米/秒的进给速度钻入球冠形钎料焊球(22)内部预定深度L‑λR后，停止待植柱焊柱(23)的轴向进给和转动，立刻逆时针小幅转动静压拘束机构的操作手柄(14)再次对焊柱(23)/球冠形钎料焊球(22)结构施加静压拘束，随后待植柱焊柱(23)保持静止直至球冠形钎料焊球(22)冷却至室温；待植柱焊柱(23)镶嵌并连接到球冠形钎料焊球(22)当中；
顺时针转动静压拘束机构的操作手柄(14)，释放静压力拘束肩(20)及其球冠形加压工作面(20‑3)对焊柱(23)/球冠形钎料焊球(22)结构的静压拘束，打开并提起钻卡头夹持组件的三个卡爪(26)，使待植柱焊柱(23)留在焊盘(30)上的球冠形钎料焊球(22)中，同时，静压力拘束肩(20)及其球冠形加压工作面(20‑3)也被向上提起，完成单个待植柱焊柱(23)的摩擦静拘束植柱过程；
以相同尺寸参数和工艺参数重复上述步骤六的过程，逐个实现每个阵列排布的焊盘(30)上的待植柱焊柱(23)的摩擦静拘束植柱过程，并保证植柱后阵列焊柱露出端共面。
7.根据权利要求6所述摩擦静拘束植柱的方法，其特征在于：步骤二中焊柱容纳通孔(20‑2)的直径为(1+μ)r，焊柱容纳通孔(20‑2)的深度为(1+τ)r，μ为0.15，τ为0.30，r为待植柱焊柱(23)的半径。
8.根据权利要求6所述摩擦静拘束植柱的方法，其特征在于：步骤三中静压力拘束肩(20)的球冠形加压工作面(20‑3)的半径为R(1+K)，静压力拘束肩(20)的球冠形加压工作面(20‑3)的球冠高度为R(1‑S)，静压力拘束肩(20)的水平轴肩面(20‑4)的外径为3.6R，K为
0.10，S为0.15，R为球冠形钎料焊球(22)的半径。
9.根据权利要求6所述摩擦静拘束植柱的方法，其特征在于：步骤四中所述待植柱焊柱(23)露出钻卡头夹持组件三个卡爪(26)的长度为L‑λR+(2+τ)r，λ为0.20，τ为0.25，L为球冠形钎料焊球(22)的高度，R为球冠形钎料焊球(22)的半径，r为待植柱焊柱(23)的半径。
10.根据权利要求6所述摩擦静拘束植柱的方法，其特征在于：步骤五中钻卡头夹持组件的三个卡爪(26)的端部与静压力拘束肩(20)上表面的装配距离为L‑λR+r，λ为0.20，L为球冠形钎料焊球(22)的高度，R为球冠形钎料焊球(22)的半径，r为待植柱焊柱(23)的半径。
一种静拘束肩钻卡头焊具及摩擦静拘束植柱方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种CGA器件植柱的焊具及方法，具体涉及一种静拘束肩钻卡头焊具及摩擦静拘束植柱方法，涉及微电子封装技术领域。
背景技术
[0002] 柱栅阵列(Column Grid Array，CGA)封装作为一种高频率、高功率、高I/O、大芯片器件的首选封装技术，自问世以来，因高度更高的焊柱可有效提高热循环期间器件的散热能力、并有效缓解芯片载体基板与印刷电路板之间热膨胀系数差异引起的应力，具有极高的热疲劳可靠性，在航空航天、通讯、军工、汽车电子等领域得到广泛应用。但长径比大、稳定性差的焊柱的阵列排布定位及连接的难度极大，目前采用的模具定位阵列铜柱、回流焊连接的传统方法存在精密模具成本高、模具通用性差、焊后拆卸模具易刮伤焊柱、焊接过程中模具的存在影响焊接热源热量的有效传递及焊膏中助焊剂气体的散发、气孔率高、润湿性差等问题。
[0003] 2017年一种用于CuCGA器件的植柱方法被提出，该方法采用微型精密钻床装卡铜柱并使之与基板阵列焊盘上的钎料焊球对中，使铜柱以特定转速旋转并下压钻入钎料焊球内预定深度，借助期间铜柱与钎料焊球之间的摩擦热‑力作用来实现铜柱的定位与连接，以期达到无模具辅助植柱的目的。该无模具植柱方法不存在为每种阵列规格的器件定制一套高精度模具，成本大大降低，并适于多种规格的CGA器件的生产；该方法工艺温度远低于回流焊、且易于实现自动化；该方法不需要在阵列焊柱之间设置定位模具，故不存在焊接过程中因模具的存在影响回流焊热源热量的有效传递及焊膏中助焊剂气体散发而引发的气孔问题和焊点润湿不良问题；也不存在因焊后模具拆卸导致的焊柱刮伤和弯曲等破坏焊柱共面性的问题。但随着研究的深入，发现该方法存在以下问题：
[0004] (1)铜柱和钎料焊球之间的连接属于异种材料连接，铜和钎料的热物理、力学性能差异较大，导致植柱期间摩擦热‑力作用下二者之间存在较大的热物理状态差异，焊球的近界面区钎料易于软化变形和流动，容易引起钎料焊球与铜柱之间黏附力和抱紧力偏低、发生局部剥离等问题，连接强度的进一步提高受此局限；
[0005] (2)铜柱和钎料焊球之间的连接属于异种材料连接，铜和钎料的热物理、力学性能差异较大，植柱期间铜柱易因摩擦阻力影响而产生轻微振动、又因焊球的近界面区钎料易因摩擦热而软化，导致铜柱/钎料焊球之间相互约束和镶嵌作用减弱、抱紧力偏低、甚至发生局部剥离等问题，连接强度的进一步提高受此局限；
[0006] (3)植柱期间铜柱底部钎料在压力作用下沿铜柱/钎料界面向上塑性流动，在钎料焊球的上方形成一定尺寸的飞边，飞边在降低连接面积的同时，服役过程中飞边的缺口更容易成为裂纹源，影响结构的疲劳性能。
[0007] (4)植柱后期，焊球的近界面区钎料易因摩擦热而软化，导致植柱后期铜柱和钎料焊球之间的接触和约束不紧密，摩擦热‑力作用减小，不利于界面热量的累积、界面原子的互扩散和界面连接层的形成及长厚，不充分的冶金作用导致连接强度的进一步提高受限。
[0008] (5)利用动拘束肩钻卡头焊具可以实现植柱期间铜柱/钎料焊球之间的约束加压，提高铜柱/钎料焊球之间的黏附力和抱紧力、减少剥离和飞边的发生率，但新增的动拘束肩/钎料焊球摩擦副的产热易导致大面积的焊球钎料软化变形、部分钎料易粘附于动拘束肩上，导致焊点外观变差、连接面积和连接强度也不稳定。
发明内容
[0009] 本发明为了解决现有植柱装置及其采用的无模具植柱方法的钎料焊球与铜柱之间黏附力和抱紧力偏低、易剥离、易形成飞边降低连接面积、异质界面冶金作用不充分、动拘束肩/钎料焊球摩擦副产热导致焊球钎料软化并部分粘附于动拘束肩上等问题而引发的连接强度受限问题。
[0010] 本发明为解决上述问题采取的技术方案是：
[0011] 本发明静拘束肩钻卡头焊具包括钻卡头夹持钻进机构和静压拘束机构，所述钻卡头夹持钻进机构包括钻卡头运动传动机构和钻卡头夹持组件，所述钻卡头运动传动机构包括钻床主轴、主轴轴承、主轴轴套、主轴轴承盖及其连接螺栓，所述静压拘束机构包括左侧带孔固定板、右侧带孔固定板、左侧齿轮轴、右侧齿轮轴、左侧齿轮轴轴承、右侧齿轮轴轴承、2个左齿轮、2个右齿轮、操作手柄、左侧传动齿条、右侧传动齿条、左侧齿条导轨、右侧齿条导轨、缓冲加压弹簧和静压力拘束肩，所述静压力拘束肩的形状类似带凸缘的法兰结构并包括凸缘连接体、焊柱容纳通孔、球冠形加压工作面和水平轴肩面；所述钻卡头夹持组件同轴装配于钻卡头运动传动机构的下方，所述左侧带孔固定板、右侧带孔固定板分别与主轴轴承盖上下设置且制成一体，左侧带孔固定板、右侧带孔固定板的板面与主轴轴承盖表面垂直，所述2个左齿轮和2个右齿轮分别位于左侧带孔固定板和右侧带孔固定板的两侧，所述左侧齿轮轴与2个左齿轮、右侧齿轮轴与2个右齿轮之间均采用键连接，所述2个左齿轮与2个右齿轮的轮齿之间保持两两相互啮合的位置关系，所述2个左齿轮和2个右齿轮分别与外侧的左侧传动齿条和右侧传动齿条保持相互啮合的位置关系，所述操作手柄与伸出左侧带孔固定板的左侧齿轮轴制成一体；所述左侧传动齿条和右侧传动齿条可分别沿着左侧齿条导轨和右侧齿条导轨的限位孔上下滑动，所述左侧传动齿条和右侧传动齿条底部均呈“L”形并与下方的缓冲加压弹簧相接触，所述静压力拘束肩与上方的缓冲加压弹簧相接触、并通过连接螺栓分别与左侧齿条导轨和右侧齿条导轨相连接，所述缓冲加压弹簧套在左侧齿条导轨和右侧齿条导轨的外围，所述焊柱容纳通孔、球冠形加压工作面的中心轴线与钻床主轴的中心轴线同轴。
[0012] 本发明的摩擦静拘束植柱方法是通过以下步骤实现的：
[0013] 步骤一、阵列球冠形钎料焊球的制作：在阵列排布的焊盘上印刷适量的等量焊锡膏，并通过回流焊在阵列排布的焊盘上形成形状尺寸一致的阵列球冠形钎料焊球，测量球冠形钎料焊球的半径R和高度L；
[0014] 步骤二、确定静压力拘束肩的焊柱容纳通孔的直径和深度：为减少植柱期间塑性流动钎料从焊柱容纳通孔与焊柱之间的间隙溢出，根据待植柱焊柱的半径r确定焊柱容纳通孔的直径为(1+μ)r，μ为0.05～0.20，根据静压力拘束肩的刚度需求，确定焊柱容纳通孔的深度为(1+τ)r，τ为0～0.50，通过精密加工形成上述形状尺寸的焊柱容纳通孔；
[0015] 步骤三、确定静压力拘束肩的球冠形加压工作面和水平轴肩面的尺寸：根据球冠形钎料焊球的半径R及其加压后所需的变形程度，确定静压力拘束肩的球冠形加压工作面的半径为R(1+K)，K为0～0.15，加压工作面的球冠高度为R(1‑S)，S为0.05～0.30，通过精密加工形成上述形状尺寸的球冠形加压工作面并抛光处理；水平轴肩面为非工作面，考虑结构的刚度需求，确定静压力拘束肩的水平轴肩面的外径为3.0R～4.0R，R为球冠形钎料焊球的半径；
[0016] 步骤四、确定待植柱焊柱露出钻卡头夹持组件三个卡爪的长度：根据球冠形钎料焊球的半径R、待植柱焊柱的半径r和待植柱焊柱所需植入深度L‑λR，λ为0.10～0.30，确定待植柱焊柱露出钻卡头夹持组件三个卡爪的长度为L‑λR+(2+τ)r，λ为0.10～0.30，τ为0～0.50；
[0017] 步骤五、确定钻卡头夹持组件三个卡爪端部与静压力拘束肩上表面的装配距离：根据球冠形钎料焊球的半径R、待植柱焊柱的半径r和待植柱焊柱所需植入深度L‑λR，λ为
0.10～0.30，确定钻卡头夹持组件的三个卡爪端部与静压力拘束肩上表面的装配距离为L‑λR+r，λ为0.10～0.30，设计和调试左侧齿条导轨和右侧齿条导轨的长度及缓冲加压弹簧的高度，组装静压拘束机构形成符合上述形状尺寸要求的静拘束肩钻卡头焊具；
[0018] 步骤六、单个待植柱焊柱的摩擦静拘束植柱：
[0019] 将标准形状尺寸的待植柱焊柱装卡于钻卡头夹持组件的三个卡爪中，调整待植柱焊柱露出端长度使之满足步骤四的尺寸要求，此时待植柱焊柱的端头刚好穿透静压力拘束肩的焊柱容纳通孔，通过程序控制待植柱焊盘所在的基板运动，使待植柱焊柱位于待植柱焊盘的上方并与焊盘的中心对中，利用钻床主轴带动待植柱焊柱沿主轴轴线下压的同时，静压力拘束肩通过静压拘束机构保持与钻床主轴同步的轴向运动，因此使得静压力拘束肩的球冠形加压工作面逐渐接触并局部包覆下方焊盘上的球冠形钎料焊球；
[0020] 小幅逆时针缓慢转动静压拘束机构的操作手柄使左侧齿轮轴转动并且带动两两相互啮合的2个左齿轮和2个右齿轮同步转动，进而带动左侧传动齿条和右侧传动齿条分别相对左侧齿条导轨和右侧齿条导轨向下滑动，进而引起下方的缓冲加压弹簧的压缩，缓冲加压弹簧驱动静压力拘束肩的球冠形加压工作面对与其接触的球冠形钎料焊球施加一定程度的静压拘束作用，静压拘束机构的操作手柄逆时针转动角度越大，球冠形加压工作面的静压拘束作用越大，球冠形钎料焊球内部压力越大，球冠形钎料焊球肩部发生预定程度的变形(静压力拘束肩下压位移不大于0.02倍的球冠形钎料焊球高度L)后停止静压拘束机构操作手柄的逆时针转动；
[0021] 利用钻床主轴带动待植柱焊柱以5000转/分钟～8000转/分钟的速度旋转下压并钻入球冠形钎料焊球内部，此时静压力拘束肩不再保持与钻床主轴同步的轴向运动，在钻进深度约为球冠形钎料焊球高度L的十分之一和三分之一时分别停止待植柱焊柱的轴向进给预热3秒，随后待植柱焊柱继续轴向进给和钻进，随着轴向钻进深度的增加，待植柱焊柱底部和侧面钎料发生热软化和变形，待植柱焊柱底部钎料向侧面塑性流动，在球冠形加压工作面的静压拘束作用下球冠形钎料焊球内部压力增加，待植柱焊柱与局部软化的球冠形钎料焊球紧密接触和压实，促进了待植柱焊柱/球冠形钎料焊球界面的温度升高、原子互扩散和可靠连接。待植柱焊柱以30微米/秒～50微米/秒的进给速度钻入球冠形钎料焊球内部预定深度L‑λR后，停止待植柱焊柱的轴向进给和转动，立刻逆时针小幅转动静压拘束机构的操作手柄再次对焊柱/球冠形钎料焊球结构施加静压拘束，随后待植柱焊柱保持静止直至球冠形钎料焊球冷却至室温；待植柱焊柱镶嵌并连接到球冠形钎料焊球当中；
[0022] 顺时针转动静压拘束机构的操作手柄，释放静压力拘束肩及其球冠形加压工作面对焊柱/球冠形钎料焊球结构的静压拘束，打开并提起钻卡头夹持组件的三个卡爪，使待植柱焊柱留在焊盘上的球冠形钎料焊球中，同时，静压力拘束肩及其球冠形加压工作面也被向上提起，完成单个待植柱焊柱的摩擦静拘束植柱过程；
[0023] 步骤七、阵列待植柱焊柱的摩擦静拘束植柱：
[0024] 以相同尺寸参数和工艺参数重复上述步骤六的过程，逐个实现每个阵列排布的焊盘上的待植柱焊柱的摩擦静拘束植柱过程，并保证植柱后阵列焊柱露出端共面。
[0025] 本发明具有以下有益效果：
[0026] 第一，本发明的一种静拘束肩钻卡头焊具及摩擦静拘束植柱方法，在植柱期间静压力拘束肩的球冠形加压工作面作用于球冠形钎料焊球肩部，能够使焊柱和球冠形钎料焊球之间保持紧密接触、摩擦和压实，故不存在现有CGA器件阵列铜柱无模具辅助植柱连接的“焊球近界面区钎料软化变形和流动引起的钎料焊球与铜柱之间黏附力和抱紧力偏低、钎料焊球与铜柱之间发生剥离”的问题，连接强度得到进一步提高。
[0027] 第二，本发明的一种静拘束肩钻卡头焊具及摩擦静拘束植柱方法，植柱期间即使焊柱发生轻微振动，也会因植柱期间静压力拘束肩的球冠形加压工作面始终对焊柱/球冠形钎料焊球结构施加静压拘束而确保球冠形钎料焊球与焊柱的紧密接触和压实，故不存在现有CGA器件阵列铜柱无模具辅助植柱连接的“球冠形钎料焊球与铜柱之间因铜柱振动和焊球的近界面区钎料软化而导致相互约束和镶嵌作用减弱、抱紧力偏低、甚至发生局部剥离”的问题，连接强度得到进一步提高。
[0028] 第三，本发明的一种静拘束肩钻卡头焊具及摩擦静拘束植柱方法，植柱期间静压力拘束肩的球冠形加压工作面倾斜作用于球冠形钎料焊球肩部，导致焊柱底部、沿焊柱/钎料界面向上塑性流动的软化钎料被堵截和压实，故不存在现有CGA器件阵列铜柱无模具辅助植柱连接的“钎料焊球的上方形成一定尺寸的飞边、飞边缺口降低连接面积并作为裂纹源影响接头的疲劳性能”的问题，静压力拘束肩的焊柱容纳通孔与焊柱之间微小间隙处形成薄层钎料/焊柱连接，接头性能得到进一步提高。
[0029] 第四，本发明的一种静拘束肩钻卡头焊具及摩擦静拘束植柱方法，植柱期间静压力拘束肩的球冠形加压工作面倾斜作用于球冠形钎料焊球肩部，能够使焊柱和球冠形钎料焊球之间保持紧密接触、摩擦和压实，故不存在现有CGA器件阵列铜柱无模具辅助植柱连接的“铜柱和焊球近界面区软化钎料之间的接触和约束不紧密、摩擦热‑力作用减小、界面热量累积少、界面原子的互扩散不充分、界面连接层不易形成及长厚”的问题，接头性能得到进一步提高。
[0030] 第五，本发明的一种静拘束肩钻卡头焊具及摩擦静拘束植柱方法，与微电子封装技术领域采用的模具定位铜柱、回流焊连接的传统方法相比，可以节约昂贵的阵列焊柱定位用精密模具的制造成本；与现有CGA器件阵列铜柱无模具辅助植柱连接方法相比，植柱连接强度平均增加了36.5％，连接质量得到显著提高。
[0031] 第六，本发明的一种静拘束肩钻卡头焊具及摩擦静拘束植柱方法，与采用动拘束肩钻卡头焊具植柱相比，为钎料球提供了持续稳定的压实作用的同时，还避免了“动拘束肩/球冠形钎料焊球之间摩擦副的产生及该摩擦副产热导致的大面积焊球钎料软化变形、部分钎料易粘附于动拘束肩上，导致焊点外观变差、连接面积和连接强度也不稳定”的问题。
[0032] 第七，本发明尤其适用于CGA器件金属及合金焊柱的植柱。
附图说明
[0033] 图1是本发明的约束加压钻卡头焊具的整体结构示意图；
[0034] 图2是静压拘束机构左、右侧齿轮轴所在截面的横切面示意图；
[0035] 图3是钻卡头夹持组件的结构示意图；
[0036] 图4是摩擦静拘束植柱前、后单个互连结构的纵切面示意图。
具体实施方式
[0037] 具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式静拘束肩钻卡头焊具包括钻卡头夹持钻进机构和静压拘束机构，所述钻卡头夹持钻进机构包括钻卡头运动传动机构和钻卡头夹持组件，所述钻卡头运动传动机构包括钻床主轴1、主轴轴承2、主轴轴套3、主轴轴承盖4及其连接螺栓5‑1、5‑2，所述静压拘束机构包括左侧带孔固定板6、右侧带孔固定板7、左侧齿轮轴8、右侧齿轮轴9、左侧齿轮轴轴承10、右侧齿轮轴轴承11、左齿轮12‑1和12‑2、右齿轮13‑1和13‑2、操作手柄14、左侧传动齿条15、右侧传动齿条16、左侧齿条导轨
17、右侧齿条导轨18、缓冲加压弹簧19和静压力拘束肩20，所述静压力拘束肩20的形状类似带凸缘的法兰结构并包括凸缘连接体20‑1、焊柱容纳通孔20‑2、球冠形加压工作面20‑3和水平轴肩面20‑4；所述钻卡头夹持组件同轴装配于钻卡头运动传动机构的下方，所述左侧带孔固定板6、右侧带孔固定板7分别与主轴轴承盖4上下设置且制成一体，左侧带孔固定板
6、右侧带孔固定板7的板面与主轴轴承盖4的表面垂直，所述左齿轮12‑1、12‑2和右齿轮13‑
1、13‑2分别位于左侧带孔固定板6和右侧带孔固定板7的两侧，所述左侧齿轮轴8与左齿轮
12‑1和12‑2、右侧齿轮轴9与右齿轮13‑1和13‑2之间均采用键连接，所述左齿轮12‑1与右齿轮13‑1、左齿轮12‑2与右齿轮13‑2的轮齿之间保持相互啮合的位置关系，所述左齿轮12‑1、
12‑2和右齿轮13‑1、13‑2分别与外侧的左侧传动齿条15和右侧传动齿条16保持相互啮合的位置关系，所述操作手柄14与伸出左侧带孔固定板6的左侧齿轮轴8制成一体；所述左侧传动齿条15和右侧传动齿条16可分别沿着左侧齿条导轨17和右侧齿条导轨18的限位孔17‑1和18‑1上下滑动，所述左侧传动齿条15和右侧传动齿条16底部均呈“L”形并与下方的缓冲加压弹簧19相接触，所述静压力拘束肩20与上方的缓冲加压弹簧19相接触、并通过连接螺栓21‑1、21‑2分别与左侧齿条导轨17和右侧齿条导轨18相连接，所述缓冲加压弹簧19套在左侧齿条导轨17和右侧齿条导轨18的外围，所述焊柱容纳通孔20‑2、球冠形加压工作面20‑
3的中心轴线与钻床主轴1的中心轴线同轴。
[0038] 具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的静压力拘束肩20的焊柱容纳通孔20‑2的直径为(1+μ)r，静压力拘束肩20的焊柱容纳通孔20‑2的深度为(1+τ)r，r为待植柱焊柱23的半径，μ为0.05～0.20，τ为0～0.50。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
[0039] 具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的静压力拘束肩20的球冠形加压工作面20‑3的半径为R(1+K)，静压力拘束肩20的球冠形加压工作面20‑3的高度为R(1‑S)，静压力拘束肩20的水平轴肩面20‑4的外径为3.0R～4.0R，R为球冠形钎料焊球22的半径，K为0～0.15，S为0.05～0.30。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
[0040] 具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的静压力拘束肩20的材质为低碳钢或高速钢。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
[0041] 具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的钻卡头夹持组件的三个卡爪26的端部与静压力拘束肩20上表面的装配距离为L‑λR+r，L为球冠形钎料焊球22的高度，R为球冠形钎料焊球22的半径，r为待植柱焊柱23的半径，λ为0.10～0.30。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
[0042] 具体实施方式六：结合图1至图4具体说明本实施方式的实现步骤：
[0043] 步骤一、阵列球冠形钎料焊球22的制作：在阵列排布的焊盘30上印刷适量的等量焊锡膏，并通过回流焊在阵列排布的焊盘30上形成形状尺寸一致的阵列球冠形钎料焊球22，测量球冠形钎料焊球22的半径R和高度L；
[0044] 步骤二、确定静压力拘束肩20的焊柱容纳通孔20‑2的直径和深度：为减少植柱期间塑性流动钎料从焊柱容纳通孔20‑2与焊柱23之间的间隙溢出，根据待植柱焊柱23的半径r确定焊柱容纳通孔20‑2的直径为(1+μ)r，μ为0.05～0.20，根据静压力拘束肩20的刚度需求，确定焊柱容纳通孔20‑2的深度为(1+τ)r，τ为0～0.50，通过精密加工形成上述形状尺寸的焊柱容纳通孔20‑2；
[0045] 步骤三、确定静压力拘束肩20的球冠形加压工作面20‑3和水平轴肩面20‑4的尺寸：根据球冠形钎料焊球22的半径R及其加压后所需的变形程度，确定静压力拘束肩20的球冠形加压工作面20‑3的半径为R(1+K)，K为0～0.15，球冠形加压工作面20‑3的高度为R(1‑S)，S为0.05～0.30，通过精密加工形成上述形状尺寸的球冠形加压工作面20‑3并抛光处理；水平轴肩面20‑4为非工作面，考虑结构的刚度需求，确定静压力拘束肩20的水平轴肩面20‑4的外径为3.0R～4.0R，R为球冠形钎料焊球22的半径；
[0046] 步骤四、确定待植柱焊柱23露出钻卡头夹持组件三个卡爪26的长度：根据球冠形钎料焊球22的半径R、待植柱焊柱23的半径r和待植柱焊柱23所需植入深度L‑λR，λ为0.10～0.30，确定待植柱焊柱23露出钻卡头夹持组件三个卡爪26的长度为L‑λR+(2+τ)r，λ为0.10～0.30，τ为0～0.50；
[0047] 步骤五、确定钻卡头夹持组件的三个卡爪26端部与静压力拘束肩20上表面的装配距离：根据球冠形钎料焊球22的半径R、待植柱焊柱23的半径r和待植柱焊柱23所需植入深度L‑λR，λ为0.10～0.30，确定钻卡头夹持组件的三个卡爪26的端部与静压力拘束肩20上表面的装配距离为L‑λR+r，λ为0.10～0.30，设计和调试左侧齿条导轨17和右侧齿条导轨18的长度及缓冲加压弹簧19的高度，组装静压拘束机构形成符合上述形状尺寸要求的静拘束肩钻卡头焊具；
[0048] 步骤六、单个待植柱焊柱23的摩擦静拘束植柱：
[0049] 将标准形状尺寸的待植柱焊柱23装卡于钻卡头夹持组件的三个卡爪26中，调整待植柱焊柱23露出端长度使之满足步骤四的尺寸要求，此时待植柱焊柱23的端头刚好穿透静压力拘束肩20的焊柱容纳通孔20‑2，通过程序控制待植柱焊盘30所在的基板31运动，使待植柱焊柱23位于待植柱焊盘30的上方并与焊盘30的中心对中，利用钻床主轴1带动待植柱焊柱23沿主轴轴线下压的同时，静压力拘束肩20通过静压拘束机构保持与钻床主轴同步的轴向运动，因此使得静压力拘束肩20的球冠形加压工作面20‑3逐渐接触并局部包覆下方焊盘30上的球冠形钎料焊球22；
[0050] 小幅逆时针缓慢转动静压拘束机构的操作手柄14使左侧齿轮轴8转动并且带动相互啮合的左齿轮12‑1、12‑2和右齿轮13‑1、13‑2同步转动，进而带动左侧传动齿条15和右侧传动齿条16分别相对左侧齿条导轨17和右侧齿条导轨18向下滑动，进而引起下方的缓冲加压弹簧19的压缩，缓冲加压弹簧19驱动静压力拘束肩20的球冠形加压工作面20‑3对与其接触的球冠形钎料焊球22施加一定程度的静压拘束作用，静压拘束机构的操作手柄14逆时针转动角度越大，球冠形加压工作面20‑3的静压拘束作用越大，球冠形钎料焊球22内部压力越大，球冠形钎料焊球22肩部发生预定程度的变形(静压力拘束肩20下压位移不大于0.02倍的球冠形钎料焊球高度L)后停止静压拘束机构操作手柄14的逆时针转动；
[0051] 利用钻床主轴1带动待植柱焊柱23以5000转/分钟～8000转/分钟的速度旋转下压并钻入球冠形钎料焊球22内部，此时静压力拘束肩20不再保持与钻床主轴1同步的轴向运动，在钻进深度约为球冠形钎料焊球22高度L的十分之一和三分之一时分别停止待植柱焊柱23的轴向进给预热3秒，随后待植柱焊柱23继续轴向进给和钻进，随着轴向钻进深度的增加，待植柱焊柱23底部和侧面钎料发生热软化和变形，待植柱焊柱23底部钎料向侧面塑性流动，在球冠形加压工作面20‑3的静压拘束作用下球冠形钎料焊球22内部压力增加，待植柱焊柱23与局部软化的球冠形钎料焊球22紧密接触和压实，促进了待植柱焊柱23/球冠形钎料焊球22界面的温度升高、原子互扩散和可靠连接。待植柱焊柱23以30微米/秒～50微米/秒的进给速度钻入球冠形钎料焊球22内部预定深度L‑λR后，停止待植柱焊柱23的轴向进给和转动，立刻逆时针小幅转动静压拘束机构的操作手柄14再次对焊柱23/球冠形钎料焊球22结构施加静压拘束，随后待植柱焊柱23保持静止直至球冠形钎料焊球22冷却至室温；待植柱焊柱23镶嵌并连接到球冠形钎料焊球22当中；
[0052] 顺时针转动静压拘束机构的操作手柄14，释放静压力拘束肩20及其球冠形加压工作面20‑3对焊柱23/球冠形钎料焊球22结构的静压拘束，打开并提起钻卡头夹持组件的三个卡爪26，使待植柱焊柱23留在焊盘30上的球冠形钎料焊球22中，同时，静压力拘束肩20及其球冠形加压工作面20‑3也被向上提起，完成单个待植柱焊柱23的摩擦静拘束植柱过程；
[0053] 步骤七、阵列待植柱焊柱23的摩擦静拘束植柱：
[0054] 以相同尺寸参数和工艺参数重复上述步骤六的过程，逐个实现每个阵列排布的焊盘30上的待植柱焊柱23的摩擦静拘束植柱过程，并保证植柱后阵列焊柱露出端共面。
[0055] 具体实施方式七：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式的步骤二中焊柱容纳通孔20‑2的直径为(1+μ)r，焊柱容纳通孔20‑2的深度为(1+τ)r，μ为0.15，τ为0.30，r为待植柱焊柱23的半径。其它步骤与具体实施方式六相同。
[0056] 具体实施方式八：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式的步骤三中静压力拘束肩20的球冠形加压工作面20‑3的半径为R(1+K)，静压力拘束肩20的球冠形加压工作面20‑3的球冠高度为R(1‑S)，静压力拘束肩20的水平轴肩面20‑4的外径为3.6R，K为0.10，S为
0.15，R为球冠形钎料焊球22的半径。其它步骤与具体实施方式六相同。
[0057] 具体实施方式九：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式的步骤四中的待植柱焊柱23是植柱前依据标准制备的统一规格尺寸的紫铜、黄铜、铁镍合金或铁镍钴合金材质的焊柱，待植柱焊柱23的直径d不超过焊盘直径D的1/3，且待植柱焊柱23的长径比范围为8～25；本实施方式的步骤四中待植柱焊柱23露出钻卡头夹持组件三个卡爪26的长度为L‑λR+(2+τ)r，λ为0.20，τ为0.25，L为球冠形钎料焊球22的高度，R为球冠形钎料焊球22的半径，r为待植柱焊柱23的半径。其它步骤与具体实施方式六相同。
[0058] 具体实施方式十：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式的步骤五中钻卡头夹持组件的三个卡爪26的端部与静压力拘束肩20上表面的装配距离为L‑λR+r，λ为0.20，L为球冠形钎料焊球22的高度，R为球冠形钎料焊球22的半径，r为待植柱焊柱23的半径。其它步骤与具体实施方式六相同。
[0059] 具体实施方式十一：结合图3说明本实施方式，本实施方式步骤六中的静拘束肩钻卡头焊具的钻卡头夹持组件对待植柱焊柱23的夹持和打开的动作，是通过所述钻夹头外壳24的转动带动所述钻夹头本体25转动、带动所述三个夹爪26转动、带动所述推动螺母27转动，而所述螺纹连接的推动螺母27与推动螺杆28的相对转动引起推动螺母27相对推动螺杆
28轴向向上或向下运动，而所述推动螺母27向下运动会推动所述三个夹爪26在所述V形顶体29、所述推动螺母27内导轨及所述钻夹头本体25的通孔的共同限制下倾斜度减小、夹爪
26打开；相反，当所述推动螺母27相对推动螺杆28向上运动会推动所述三个夹爪26在所述V形顶体29、所述推动螺母27内导轨及所述钻夹头本体25的通孔的共同限制下倾斜度增加、夹爪26闭合；所述钻夹头外壳24的转动可通过手动或数控程序控制实现，从而实现待植柱焊柱23的夹持和打开动作，钻卡头夹持组件的具体结构是目前的公知技术。其它步骤与具体实施方式六相同。
[0060] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
