CN100457365C - 具有焊球测试的自动化球安装工艺和系统 - Google Patents

Abstract

一种自动化焊球安装系统，包括焊剂分配组件；球分配组件，位置靠近所述焊剂分配组件；和测试组件，位置靠近所述球分配组件，所述测试组件可操作为自动测试输入到所述球分配组件中的焊球，以通过将被测试的焊球加热到铅锡的共熔温度和无铅焊球的熔化温度之间的温度并确定所述被测试的焊球是否已熔化，来确定所述被测试的焊球是否是无铅的。所述测试组件还包括板，具有一个或多个贯穿该板的开口；加热装置，位置靠近所述板，用于加热放置在所述板上的焊球；真空系统，耦合到所述板，用于从所述板上移走熔化的焊球；和探测系统，用于确定所述板上是否存在焊球。

Description

具有焊球测试的自动化球安装工艺和系统

技术领域

本发明涉及半导体器件领域。更为具体地，本发明涉及焊球安装工艺和系统。

背景技术

已研发了快速且准确将焊球贴附到衬底上的自动化焊球安装系统。这些系统中最常用的焊球类型为标准焊球。标准焊球由铅锡合金形成。然而，由于环境原因，已经增加对使用无铅焊球的需求。

制造设施既能够贴附标准焊球又能够贴附无铅焊球的需求迫使一些制造设施购买额外的专用球安装系统来安装无铅焊球。然而，当在同一制造设施中既使用标准焊球又使用无铅焊球时，工人偶尔会将错误类型的焊球放入焊球安装系统。这会导致在问题发现之前制造大量有缺陷的产品。

为了最小化由于贴附错误的焊球类型而引起有缺陷的产品的潜在可能，在生产开始之前，制造样品部件并将其送到实验室去分析。典型地，这些实验室利用指示锡含量的x射线荧光设备来确定焊球类型。实验室测试延迟了生产的启动，降低了设备利用率并降低了效率。此外，虽然生产启动之前的测试确保了生产工艺将以正确的焊球类型开始，但是在生产期间工人还是有可能将错误类型的焊球输入到球安装系统中。

因此，需要能最小化或消除由于使用错误的焊球类型而引起的产品缺陷的自动化球安装工艺和系统。而且，需要满足上述需要并既能安装标准焊球又能安装无铅焊球的方法和设备。本发明满足上述需要。

发明内容

本发明提供了一种自动化焊球安装工艺和系统，其中测试焊球类型以确保正在使用的焊球为正确类型。这减少了停机时间并降低了缺陷率。

公开了一种自动化焊球安装工艺和自动化球安装系统，其中测试焊球以确定焊球的类型。当执行该测试并正在使用错误的焊球类型时，显示出错信息并停止焊球安装工艺。这防止了由于使用错误的焊球类型而引起的产品缺陷。另外，可以使用单个焊球安装系统来贴附标准焊球和无铅焊球，同时防止由于使用错误的焊球类型而引起的产品缺陷。使用单个系统代替两个专用系统，与对标准焊球使用一个专用系统和对无铅焊球使用第二个专用系统的现有技术的工艺相比较，显著地节约了成本。

通过防止贴附错误的焊球类型，本发明的方法和设备减少了产品缺陷。此外，本发明的方法和设备允许更快地启动制造工艺，因为不需要将焊球样品送去测试实验室并等待测试结果。

对于本领域普通技术人员来讲，在阅读完下述在各个附图中图示的优选实施例的详细说明之后，本发明的这些和其他优点无疑地变得显而易见。

附图说明

合并入并形成本说明书一部分的附图示出本发明的实施例，并与下述说明一起用以阐释本发明的原理。

图1是示出根据本发明一个实施例的其中测试焊球以确定它们为标准焊球还是无铅焊球的自动化球安装工艺的流程图。

图2是示出根据本发明一个实施例的自动化球安装系统的图。

图3是示出根据本发明一个实施例的焊球测试组件的部件以及测试块的前横截面视图的图。

图4是示出根据本发明一个实施例的图3的测试块的顶视图的图。

图5是示出根据本发明一个实施例的沿图3的截面A-A的测试块的侧横截面视图的图。

图6A和6B是示出根据本发明一个实施例的用于测试焊球以确定焊球类型的工艺的流程图。

应该理解本说明书的附图并未按比例绘制。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的优选实施例，其实例在附图中示出。虽然将结合优选实施例描述本发明，但是应理解它们并不旨在将本发明限制于这些实施例。相反，本发明旨在覆盖落入由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的替选方案、修改和等同设置。此外，在本发明的下述详细描述中，阐述大量的特定细节，以提供对本发明透彻的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见地，可以不利用这些特定细节来实践本发明。在其它实例中，没有详细地描述公知的方法、工序、部件和电路，以便于不必要地使本发明的诸方面不突出。

标准焊球由大约63％的锡(Sn)和37％的铅(Pb)的铅锡合金组成。共熔温度为在其下两种材料的混合物将熔化的最低温度。标准焊球在为180摄氏度的铅锡的共熔温度下熔化。该温度显著小于只有铅的熔化温度(327摄氏度)和只有锡的熔化温度(231摄氏度)。

无铅焊球的熔化温度典型地比铅锡的共熔温度高很多。一种常用类型的无铅焊球具有96.5％的Sn、3％的银(Ag)和5％的铜(Cu)(下文中称之为Sn/Ag/Cu无铅焊球)，其在217至219摄氏度下熔化。另一种常用的无铅焊球包括96.5％的Sn、2％的Ag、0.75％的Cu和3％的铋(Bi)(下文中称之为Sn/Ag/Cu/Bi无铅焊球)，其在210至216摄氏度下熔化。

本发明的方法和设备通过将焊球加热到大于铅锡的共熔温度并小于无铅焊球的熔化温度的温度来利用标准焊球的熔化温度与无铅焊球的熔化温度之间的差。如果焊球熔化，则它们为标准焊球。如果它们不熔化，则它们为无铅焊球。

图1示出其中确定焊球类型的自动化球安装工艺100。现在参考步骤101-102，在该自动化工艺中接纳衬底和焊球。所接纳的衬底依次前进通过步骤103-105的工艺，如步骤103所示将焊剂分配到每一衬底上，并如步骤104所示将焊球分配到每一衬底上。然后如步骤105所示将贴附有焊球阵列的衬底输出。然后可以将这些衬底装载到烤炉中以使焊球软熔(reflow)。

现在参考步骤106，测试被输入到该自动化工艺中的焊球中的一些，以确定所测试的焊球是否为无铅的。该测试在自动化球安装工艺期间自动执行并且无需将待被测试的焊球从球安装系统中移走。如步骤107-109所示，当工艺需要无铅焊球时且当测试表明所测试的焊球不是无铅的时，向操作者提供错误指示，并通过停止自动化球安装工艺来中断生产。

相似地，如步骤107和109-110所示，当工艺不需要无铅焊球且当测试表明焊球为无铅焊球时，产生错误指示，并通过停止自动化球安装工艺来中断生产。

当在启动时根据步骤109探测到错误时，决不开始步骤103-105的工艺，防止制造有缺陷的产品。当在步骤103-105的生产工艺期间根据步骤109探测到错误时，停止步骤103-105的工艺，并产生错误指示以防止制造有缺陷的产品。

如步骤107-108和111所示，当工艺需要无铅焊球且当测试表明所测试的焊球为无铅焊球时，生产开始或继续。相似地，如步骤107和110-111所示，当工艺需要标准焊球且当测试表明所测试的焊球为标准焊球时，生产开始或继续。更为具体地，当在开始时根据步骤111探测到匹配时，开始步骤103-105的工艺，开始生产工艺。当在步骤103-105的生产工艺期间根据步骤111探测到匹配时，继续步骤103-105的工艺。在本实施例中，步骤106-111的工艺以全自动化的方式执行而完全不需要操作者干涉，导致了生产工艺的自动停止运转、启动或继续。

现在参考图2，公开了一种可以用于执行工艺100的自动化球安装系统20。自动化球安装系统20在输入料斗1a-d处接纳衬底(步骤101)。在本实施例中，输入料斗1a-d为可以接纳带状球栅阵列(BGA)衬底的有槽料斗。BGA衬底可以为陶瓷球栅阵列(CBGA)衬底、塑料球栅阵列(BGA)衬底或者适合于接纳焊球阵列的任何其它类型的衬底。BGA衬底从有槽料斗1a-d前进到焊剂分配组件2，在其中将焊剂分配到每一BGA衬底上。

然后每一BGA衬底前进到球分配组件3，在其中将焊球分配到每一BGA衬底上。在本实施例中，球分配组件3包括球放置工具和球构图工具，其包括将焊球喷射到每一BGA衬底上以便于形成所需要的BGA图案的喷射销。可选择地，球分配组件3可以使用丝网印刷或用于将焊球分配到BGA衬底上的任何其他方法。

在本实施例中，球分配组件3包括接纳被输入到自动化球安装系统20中的焊球的焊球罐。焊球罐可以着色以表示其应该容纳的焊球的类型。在本实施例中，用于接受无铅焊球的焊球罐为绿色的，而用于接受标准焊球的焊球罐为不同的颜色。

在本实施例中，球分配组件3可快速且容易地从分配一种类型的焊球转换为分配不同类型的焊球。这可以通过移走焊球罐和球分配组件3中的任何剩余的焊球并用不同类型的焊球罐来替换该焊球罐来实现。例如，从分配无铅焊球到分配标准焊球的转换通过移走无铅焊球罐、移走分配组件3中任何剩余的无铅焊球并安装标准焊球罐来完成。相似地，从分配标准焊球到分配无铅焊球的转换通过移走标准焊球罐、移走分配组件3中的任何剩余的标准焊球并安装无铅焊球罐来完成。这允许利用同一个自动化球安装系统20来贴附无铅焊球和标准焊球。

在本实施例中，自动化球安装系统20包括耦合到控制单元6的传送系统7。传送系统7可操作为将BGA衬底移动到球安装系统20内的不同站。在本实施例中，传送系统7包括一个或多个传送带，该传送带将BGA衬底从输入料斗1a-d移动到焊剂分配组件2、球分配组件3并输出贴附有焊球阵列的衬底。

自动化球安装系统20包括电耦合到控制单元6的成像系统8。成像系统8在球安装系统20内的各个位置处产生传送到控制单元6的图像。控制单元6可操作为控制自动化球安装系统20的一些或全部部件的操作。在本实施例中，控制单元6为包括处理器、存储器、一个或多个数据输入器件和一个或多个数据输出器件的计算装置。

通过控制单元6的操作，操作者可以控制自动化球安装系统20的每一个部件的操作。在本实施例中，控制单元6可操作为一旦从成像系统8中接收到图像就分析所接收的图像。控制单元6中的控制逻辑利用图像的分析和来自部件1a-d、2-3、5和7-8的输入来控制自动化球安装系统20的操作。

焊球测试组件5可操作用于确定球分配组件3中的焊球类型。在图3-5中示出的实施例中，焊球测试组件5包括拾取和放置机构56，该机构可操作为将待测试的焊球从球分配组件3移动到测试块40。在本实施例中，拾取和放置机构56将焊球直接从安装于球分配组件3中的焊球罐中移走并将它们移动到测试块40上。

现在参考图3-5，焊球测试组件5包括板41，在板41的顶表面内有用于接纳焊球的凹槽43。开口42在每一凹槽42的下方贯穿板41。托盘49在开口42的下方延伸以保留熔化的焊球材料。在图3-5示出的实施例中，板41为扁平金属片。然而，可选择地，板41可以为可以容纳一个或多个焊球且可以允许从其中移走熔化的焊球材料和未熔化的焊球的任何类型的容器。

通过加热器块45将加热装置46热耦合到板41。在本实施例中，板41和加热器块45由导热材料形成，使得来自加热装置46的热量被传送通过加热器块45并通过板41以便加热放置在凹槽43中的任何焊球。加热器块45可以为金属或任何其它容易传送热量的材料。陶瓷块48贴附到加热器块45以便将加热器块45与球安装系统20的其它部件热绝缘。

热电偶47可操作为确定加热块45内的温度。在本实施例中，热电偶47和加热器46电耦合到控制单元6。控制单元6内的控制逻辑可操作为按照需要接通和关断加热装置46以将板41的温度维持在给定温度范围内。

在本实施例中，将板41维持在铅锡的共熔温度(180摄氏度)与无铅焊球的熔化温度之间的温度。术语“无铅焊球的熔化温度”可以为单种类型的无铅焊球的熔化温度，或者可以为两种或更多不同类型的无铅焊球的最低熔化温度。更为具体地，当制造工艺仅使用一种类型的无铅焊球时，所使用的温度将为该特定类型的焊球的熔化温度。例如，Sn/Ag/Cu无铅焊球的熔化温度为217摄氏度。Sn/Ag/Cu/Bi无铅焊球的熔化温度为210摄氏度。当工艺使用多种不同类型的无铅焊球时，无铅焊球的熔化温度将为所使用的任何不同类型的无铅焊球的最低熔化温度。当无铅焊球可为Sn/Ag/Cu无铅焊球或者Sn/Ag/Cu/Bi焊球时，熔化温度将为210摄氏度。

由于无铅焊球可以由不同的材料制成且可以使用不同百分比的各种合金，所以在一个实施例中，使用180-210摄氏度的温度范围。这会从熔化温度大于210摄氏度的Sn/Ag/Cu无铅焊球、Sn/Ag/Cu/Bi焊球以及任何其它类型的无铅焊球中区分出标准焊球。

在另一实施例中，使用180-200摄氏度的温度范围。这会从熔化温度大于200摄氏度的Sn/Ag/Cu无铅焊球、Sn/Ag/Cu/Bi焊球以及任何其它类型的无铅焊球中区分出标准焊球。

在一个特定实施例中，使用185-195摄氏度的温度范围。这会从熔化温度大于195摄氏度的任何无铅焊球中区分出标准焊球。

虽然本实施例使用热耦合到板41的加热装置46，但是可选择地，可以使用位置靠近板41的加热装置来加热放置在板41上的焊球。例如，可以使用位于板41上方的加热装置，其提供辐射热以便于直接加热放置在板41上的任意焊球。此外，应理解加热装置46可以利用电、天然气或者任何其他燃料源来产生热量，并且能够通过包括热或微波辐射的直接或间接辐射、直接接触来传送该热量。

真空系统52耦合到板41以将熔化的焊球从板41移走。在本实施例中，真空系统41通过软管51耦合到板41下的腔50使得真空系统52可以向开口42施加吸力。

拾取和放置机构56的位置靠近板41且靠近球分配组件3。在本实施例中，拾取和放置机构56可操作为从安装于球分配组件3中的焊球罐中拾取焊球并将它们放置到凹槽43中。而且，拾取和放置机构56可操作为移走未熔化的焊球并将它们放置到垃圾容器中。

相机54可操作为产生板41顶部的图像。在本实施例中，相机54电耦合到控制单元6，使得相机54的操作产生被控制单元6解释的图像以确定在凹槽43中是否存在焊球。在本实施例中，相机54和控制单元6构成探测系统，该系统可操作为确定在凹槽43中是否存在焊球。然而，可选择地，附加的计算装置可以包含在焊球测试组件5中，用于分析来自相机54的图像以确定是否存在焊球。

图6示出用于测试焊球以确定焊球类型的工艺200，其中使用图3-5的测试块40来确定焊球类型。首先，如步骤201所示，加热板41。更为具体地，接通加热装置46，并监视热电偶47以确定板41是否已经达到所需要的温度范围。参考步骤202-203，如果板41的温度在所需要的操作范围内，则工艺前进到步骤203。如果板41的温度不在所需要的温度范围内，则如步骤202和216所示，已发生系统故障并向操作者提供错误指示。

如步骤203所示，一旦板41已达到所需要的温度范围，就清洁板41。更为具体地，如果热电偶47指示已达到正确的工作温度，则启动相机53以产生板41顶部的图像。通过控制单元6来分析这些图像以确定未熔化的焊球位于板41上何处。如果探测到任何未熔化的焊球，则用拾取和放置机构56将它们移走。

现在参考步骤204，系统然后检查以确定板41的顶部是否清洁。在本实施例中，从相机54中产生显示出板41顶部的图像。控制单元6分析图像以确定在板41的顶表面上是否存在任何焊球。如果板41顶部清洁(不存在焊球)，则将待测试的焊球移动到板41上，如步骤205所示。在本实施例中，将焊球从球分配组件3移动到凹槽43。在一个实施例中，所有的凹槽43填充有焊球。可选择地，仅凹槽43中的一些填充有焊球。在本实施例中，控制单元6可编程，使得可以根据具体的工艺调度和质量控制需求来改变待测试的焊球数量。

现在参考步骤206，系统检查以确定焊球位于板41上何处。如果板41上不存在焊球，则出现故障，如步骤206和216所示，并向操作者提供错误指示。在一个实施例中，在将焊球放置到凹槽43中之后并在焊球有机会熔化之前从相机54中产生图像。该图像可以在将每一焊球放置到凹槽43中之后即刻产生。然而，可选择地，在已放置所有焊球之后产生单个图像。控制单元6可操作为分析图像以便确定在每一凹槽43中是否存在焊球。该步骤防止如果落下或错放焊球而引起的错误。

一旦所有的焊球被移动并且被确定存在于板41上，就起动计时器。参考步骤207-208，在经过预定时间段之后，启动真空系统52以便向每一个开口42施加真空。如果焊球熔化，则吸力将通过开口42抽取焊球材料，且其将落入托盘49中。在本实施例中，该时间段可编程并且是足以使标准焊球熔化的时间。

现在参考步骤209，图像从相机54中产生并被分析以确定在步骤206中被确定存在的焊球是否已熔化。如果图像指示焊球仍存在于板41上，则焊球为无铅的，如步骤209和213所示。如步骤209-210所示，如果图像指示在步骤206被确定存在的焊球不再存在于板41上，则该焊球为熔化的标准焊球。如果焊球保留在板上，则可以启动焊球移动工序以便移走板41上所有剩余的焊球。可选择地，焊球可以留在板41上并且可以在下述测试的步骤203中被清除。

现在参考步骤211和214，当焊球的类型与工艺所需要的焊球类型不匹配时，则产生错误指示，如步骤215所示，并停止生产。更为具体地，如果工艺需要无铅焊球而测试表明焊球为标准焊球，则产生错误指示，如步骤210-211和215所示，并停止生产工艺。错误指示可以为可由操作者感知到的任何可视或可听的输出，诸如铃声、报警声或其它声音和/或在显示器上可视的错误消息。

相似地，当工艺需要标准焊球而测试表明焊球为无铅时，产生错误指示，如步骤215所示，并停止生产工艺。参考步骤210-212，如果工艺需要无铅焊球，且测试表明焊球为无铅的，则在所测试的焊球与工艺需求之间存在匹配，且生产将开始(如果在生产起动时执行测试)或者继续(如果在生产期间执行测试)。相似地，如步骤212-214中所示，当工艺需要标准焊球且测试表明焊球为标准焊球时，在所测试的焊球之间存在匹配，且生产将开始(如果在生产起动时执行测试)或者继续(如果在生产期间执行测试)。

在本实施例中，焊球测试组件5的操作为全自动的，使得焊球测试组件5按照需求通过其编程自动地执行测试。而且，控制单元6内的控制逻辑可操作为自动地起动测试工序。在本实施例中，系统20为完全可编程的并且使得测试的时序可改变以适应调度和质量控制需要。

在本实施例中，每次起动焊球贴附工艺，自动执行测试，以便于确保在制造任何产品之前使用正确类型的焊球。而且，在整个焊球贴附工艺期间，定时性地执行测试。在本实施例中，在起动焊球贴附工艺之后以预定的时间间隔来执行测试。在一个实施例中，球分配组件3包括探测焊球罐何时为低的传感器，且测试还在每次传感器指示罐已被填充时执行。

在本实施例中，自动化球安装系统20为全自动的且由控制单元6来控制以自动执行根据产品需求安装焊球和测试焊球所需的所有步骤。在一个实施例中，自动化球安装系统20的所有部件容纳在单个集成单元中，该单元包括封装了自动化球安装系统20的所有部件的外壳。

本发明的工艺和设备允许自动且快速地确定焊球类型，防止可能由于使用错误的焊球类型而引起的产品缺陷。另外，可以使用单个焊球安装系统来贴附标准焊球和无铅焊球，同时防止可能由于使用错误的焊球类型而引起的产品缺陷。使用单个系统取代两个专用系统，与对标准焊球使用一个专用系统和对无铅焊球使用第二个专用系统的现有技术工艺相比较，显著地节约成本。另外，本发明的工艺和设备允许更快地启动制造工艺，因为不需要将焊球样品送去测试实验室并等待测试结果。

宽泛概括地说，本文公开了一种自动化球安装工艺和系统，其中通过将焊球加热到铅锡的共熔温度与无铅焊球的熔化温度之间的温度来测试焊球。如果被加热的焊球熔化，则它们为标准焊球。如果它们不熔化，则它们为无铅焊球。输入到自动化球安装工艺的焊球被自动测试以确定焊球类型。当测试表明使用错误类型的焊球时，指示错误信息并停止焊球安装工艺。

简要概括地说，本文公开了下述内容。公开了自动化球安装工艺和系统，其中通过将焊球加热到铅锡的共熔温度与无铅焊球的熔化温度之间的温度来测试焊球。如果被加热的焊球熔化，则它们为标准焊球。如果它们不熔化，则它们为无铅焊球。输入到自动化球安装工艺的焊球被自动测试以确定焊球类型。当测试表明使用错误类型的焊球时，指示错误信息并停止焊球安装工艺。

由此描述了本发明的优选实施例。虽然已经在具体的实施例中描述了本发明，但是应该意识到本发明不应解释为受这些实施例限制，而是根据下述权利要求来解释。

Claims (12)

1.一种测试组件，包括：

板，具有一个或多个贯穿该板的开口；

加热装置，位置靠近所述板，用于将放置在所述板上的焊球加热到铅锡的共熔温度和无铅焊球的熔化温度之间的温度；

真空系统，耦合到所述板，用于从所述板上移走熔化的焊球；和

探测系统，用于在所述加热装置已加热放置在所述板上的所述焊球之后以及在所述真空系统已从所述板上移走所述熔化的焊球之后，确定所述板上是否存在焊球。

2.权利要求1的测试组件，其中所述加热装置热耦合到所述板，所述加热装置可操作为将所述板加热到铅锡的共熔温度与无铅焊球的熔化温度之间的温度。

3.权利要求1的测试组件，其中所述加热装置热耦合到所述板，所述加热装置可操作为将所述板加热到180摄氏度与210摄氏度之间的温度。

4.权利要求1的测试组件，其中所述板还包括多个适合于接纳所述焊球的凹槽，所述开口在所述凹槽的下方延伸。

5.权利要求1的测试组件，还包括拾取和放置机构，用于将焊球移动到所述板上并用于从所述板上移走未熔化的焊球。

6.一种自动化焊球安装系统，包括：

焊剂分配组件；

球分配组件，位置靠近所述焊剂分配组件；和

测试组件，位置靠近所述球分配组件，所述测试组件可操作为自动测试输入到所述球分配组件中的焊球，以通过将被测试的焊球加热到铅锡的共熔温度和无铅焊球的熔化温度之间的温度并确定所述被测试的焊球是否已熔化，来确定所述被测试的焊球是否是无铅的。

7.权利要求6的自动化焊球安装系统，其中所述测试组件还包括：

板，具有一个或多个贯穿该板的开口；

加热装置，位置靠近所述板，用于加热放置在所述板上的焊球；

真空系统，耦合到所述板，用于从所述板上移走熔化的焊球；和

探测系统，用于确定所述板上是否存在焊球。

8.权利要求7的自动化焊球安装系统，其中所述加热装置热耦合到所述板，所述加热装置可操作为将所述板加热到铅锡的共熔温度与无铅焊球的熔化温度之间的温度。

9.权利要求7的自动化焊球安装系统，其中所述加热装置热耦合到所述板，所述加热装置可操作为将所述板加热到180摄氏度与210摄氏度之间的温度。

10.权利要求8的自动化焊球安装系统，其中所述探测系统包括电耦合到相机的控制单元，所述相机可操作为产生由所述控制单元解释的图像。

11.权利要求9的自动化焊球安装系统，还包括：

传送组件；

拾取和放置机构；和

控制单元，电耦合到所述焊剂分配组件、所述球分配组件、所述传送组件和所述拾取和放置机构，所述控制单元可操作为当所确定的焊球类型与所需要的焊球类型不匹配时自动停止自动化焊球安装工艺。

12.权利要求6的自动化焊球安装系统，其中所述球分配组件适合于容纳无铅焊球罐和标准焊球罐。

Images