CN101072654A - 回流期间焊料的超声波搅动 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种通过在衬底100的导电位置102上提供焊料而形成的焊块104。使焊料回流以在衬底上提供焊块。在回流的至少一部分期间对焊料进行超声波搅动以至少部分地缓和空洞在焊块中的形成。

Description

回流期间焊料的超声波搅动
技术领域
本发明大体而言涉及电子装置封装；且更具体而言涉及用于在衬底上回流焊料的方法和设备。
背景技术
现代电子装置利用许多集成电路。这些集成电路可通常彼此电气连接或连接至其它电子组件。将集成电路连接至电子组件的一种方法是利用区域阵列电子封装，如球栅格阵列(BGA)封装或覆晶封装。对于BGA封装，集成电路的各种输入和输出端口通常通过焊线连接至BGA封装的接触焊垫。BGA封装的接触焊垫上形成的焊块用于完成对另一电子组件(如印刷电路板(PCB))的连接。
可使用各种方法来形成焊块，如经由模板或遮罩对焊膏进行印刷、电镀、蒸发以及对预形成焊球或球体进行机械转移。虽然电镀、经由模板或遮罩对焊膏进行印刷、以及蒸发技术通常一直用于在集成电路上形成焊块，然而BGA通常利用焊膏印刷和预形成焊球的机械转移来形成焊块。随后可对转移至接触焊垫的焊膏和焊球进行热回流以形成焊块，所述焊块是以治金方式结合至接触焊垫。
该回流焊接工艺可在焊料本身内潜在地造成气泡或气袋的引入。这些气泡或气袋可维持陷获在焊料内并且一旦焊料硬化，变会形成缺陷，如空洞或裂纹。这些缺陷在焊块内是不希望有的，因为其起电绝缘体和热绝缘体两种作用并且由此同时增加焊块的电气阻抗和热阻抗。
发明内容
本发明涉及用于在衬底表面上的导电位置上形成多个排成阵列的焊块的方法及设备。
所述方法包含：通过在每一接触焊垫上提供部分焊料而在衬底的接触焊垫上形成焊块，并且接着回流焊料以将焊料结合至接触焊垫上。焊料可包含使用助焊剂或焊膏粘附于接触焊垫上的预形成焊球。或者，焊料可包含焊膏。在至少部分回流期间，对焊料进行超声波搅动，以减少空洞在焊块中的形成。在回流期间对焊料的超声波搅动可至少可部分地缓和气泡或气袋的陷获以及在焊料硬化时空洞或裂纹的形成。空洞数量降低的焊块与具有较多空洞的焊块相比较，具有改良的电气和热特性。
所述设备包含：用于移动衬底的输送带，该衬底在一个导电位置上具有焊料；加热器，其经过配置和并适于回流焊料，以在输送带移动焊料时在衬底上提供焊块；以及搅动器，其经过配置并适于在至少一部分回流期间对焊料进行超声波搅动。在一实施例中，该搅动器经过配置并适于对输送带进行超声波振动，且该输送带经过配置并适于在搅动器如此振动时对衬底进行超声波振动。
附图说明
在参照附图阅读上文说明之后，本发明的前述和其它方面对于所属领域的技术人员将变得显而易知，其中：
图1是根据本发明一实例性实施例的衬底的示意性剖面图，所述衬底具有多个已附着有焊球的接触焊垫；
图2是图1的衬底在一回流工艺期间的示意性剖面图；
图3是图2的结构在焊球已回流而形成焊块之后的示意性剖面图；
图4是根据本发明另一实例性实施例的衬底的示意性剖面图，所述衬底具有多个已附着有部分焊膏的接触焊垫；
图5是图2的衬底在一回流工艺期间的示意性剖面图；以及
图6是根据本发明的一个方面可执行回流工艺的实例性回流系统的示意图。
具体实施方式
下文在一种用于在衬底表面的导电位置上形成多个排成阵列的焊块的改良方法的实例性实施例来说明本发明的原理。术语「衬底」在本文中在广泛性的一般意义上用于包含任何半导体装置，包括晶片或已封装或未封装的裸晶粒、以及用于形成球栅格阵列(BGA)封装的传统衬底。本发明的方法可应用于在任何导电位置上形成焊块，不论该导电位置(例如接触焊垫)凸出衬底或凹入衬底。术语“导电位置”和“接触焊垫”在本文中通用地指代任何可形成焊块的位置。
图1-3图解说明根据本发明用于在一球栅格阵列封装上形成多个导电焊块的实例性方法。在该方法中，所述多个焊块是由多个设置于衬底表面上的预形成焊球形成。
参照图1，提供一球栅格阵列封装的衬底100，其具有多个附着有预形成焊球104的曝露的接触焊垫102。衬底100不需要限定于一特定材料。衬底100可包含实质平整的绝缘材料薄片，如玻璃纤维(例如阻燃玻璃纤维复合衬板)、聚酰亚胺胶带(例如双马来酰亚胺-三嗪树脂(BT树脂))、或陶瓷。或者，衬底100可包含一位于半导体晶粒上的层，如在晶粒上形成的氧化硅(SiO)、氮化硅(Si3N4)、聚酰亚胺、二氧化硅(SiO2)或其它绝缘材料。应了解，其它材料也可用于形成衬底100。
接触焊垫102可包含一种将与所附着的特定类型的焊球104形成治金结合的材料。接触焊垫102也可电气连接至形成于衬底100上或内的导电通路或导电迹线。在本发明的一个方面中，接触焊垫102可由金属形成，例如由铜、铜合金、铝、铝合金、钨、钨合金、金、银、镍、锡、铂、铱、或前述材料的组合来形成。接触焊垫102可例如通过在衬底100的表面106上沉积(例如CVD、无电镀覆和电解镀覆以及蒸发技术)或层压一层金属而形成。接触焊垫104接着可通过对金属层进行图案化(例如微影技术)和蚀刻金属层界定而成。应了解，也可使用其它方法形成接触焊垫102。再者，应了解，虽然将接触焊垫102显示成凸出衬底100的表面106，然而接触焊垫102也可凹入表面106内。
焊球104是使用助焊剂114粘附于相应接触焊垫102的表面112。焊球104实质呈球状且其直径例如可为大约0.3mm至大约1.0mm。虽然将焊球104显示成实质球状，然而焊球104也可具有各种形状，如半球状、半圆顶状以及截锥状。用于形成焊球104的材料可包含铅、锡、铟或银(例如90/10SnPb、63/37SnPb、和63/34.5/2/0.5Sn/Pb/Ag/Sb焊料)的合金。应了解，也可使用其它材料。
在焊球104和衬底100的回流或其它处理之前及期间，助焊剂114使焊球104维持于接触焊垫102的表面112上的位置上。助焊剂114还清理并且准备接触焊垫102的表面112，以便在焊球104与接触焊垫102之间可形成一实质治金结合。助焊剂114可包含在半导体处理中常用于焊球连接的任一类型的助焊剂。可使用的助焊剂的实例包含基于松香的助焊剂(R型)、松香中度活化的助焊剂(RMA型)、松香超活化的助焊剂(RSA型)水溶型助焊剂以及不用清理型的助焊剂。应了解，也可使用其它助焊剂化学品系统并且此仍归属于本发明的范畴内。
可在将焊球104置于接触焊垫102上之前在接触焊垫102直接提供助焊剂114。例如，在一种方法中，可使用一压印系统将助焊剂114放置在接触焊垫102上。在另一方法中，可使用丝网印刷系统将助焊剂114放置在接触焊垫102上。应了解，可在放置焊球104之前使用其它方法将助焊剂114放置在接触焊垫102上。
在将助焊剂114放置在接触焊垫102上之后，可使用各种焊球放置技术将焊球放置在接触焊垫上。例如，在一种技术中，可使用一收集工具将焊球104定位于接触焊垫102上，所述收集工具具有经配置以与接触焊垫102在衬底100上的布置相匹配的多个焊球接纳凹洞。应了解，也可使用其它在接触焊垫上放置焊球104的方法，例如经由在接触焊垫102上对齐的模板中的孔隙对焊球104进行丝网印刷或者在一粘着带上使焊球104对齐以与接触焊垫102相对应并且将粘着带压至衬底100。应进一步了解，可在将焊球104放置于接触焊垫102上之前在焊球104上提供助焊剂114。
图2图解说明经历一回流工艺的焊球104。在回流工艺期间，通过加热器130在一惰性气体氛围中对焊球104加热，以至少部分地熔化焊球104并且润湿接触焊垫102。该惰性气体氛围防止焊球104在回流期间受到氧化和腐蚀。惰性气体氛围可包含如氮气(N2)等惰性气体。然而，应了解，也可使用其它惰性气体(例如氩)以及合成气体。举例而言，加热器130可包含一使用红外线辐射来辐照焊球104的卤素灯，以使焊球104至少部分熔化并润湿接触焊垫102。或者，加热器130可包含对流加热器，其使用加热的气体对焊球104加热，以使焊球104至少部分地熔化并润湿接触焊垫102。还应了解，可使用红外线和对流加热二者来加热焊球104，以及使用其它加热手段。
焊球104可通过加热器130从第一温度加热至峰值温度。该第一温度通常约为室温(例如约25℃)，且该峰值温度是一比第一温度明显更高的温度并且高于焊球104的熔点(例如约225℃)。可控制焊球104从第一温度至峰值温度的加热，以使焊球的温度以一实质恒定的速度上升。该加热的时间周期取决于所使用的焊料并且例如可为大约350至大约450秒。
一旦焊球104的温度已达到峰值温度(例如大约225℃)以及焊球104已至少部分地熔化，则可使焊球104在峰值温度的大约5℃以内维持一短暂的时间周期(例如大约10至大约25秒)。焊球104处于液相线以上的总时间(亦即处于使焊料完全熔化并且流动的温度以上的总时间)是有效地使焊球104再成形并润湿接触焊垫102的时间量。然后以一实质均匀的速率将焊球104冷却至室温，以使焊球104固化并且治金地结合至接触焊垫102。
在回流工艺的至少一部分期间，通过超声波产生器140对焊球104进行超声波搅动，以减少空洞在经过回流的焊球104中的形成。焊球在回流期间的超声波搅动有助于排出在将助焊剂或焊膏加热至峰值温度时形成的气体；并且由此至少部分地缓和气袋或气泡在经过回流的焊球内的形成。通过至少部分地缓和气袋或气泡在经过回流的焊球内的形成，可降低空洞在经过回流的焊球内的形成。
超声波产生器140可通过施加振动(或声)能至焊球104而在回流期间对焊球进行超声波搅动。该振动能的频率可大于约20kHz(亦即超声波频率)。在本发明的一个方面中，超声波振动频率可为大约50kHz至大约90kHz。频率约为50kHz至约90kHz的超声波振动能有效地在回流期间从焊球104中排出气体并且至少部分地缓和气袋或气洞的形成。声能或振动能可经由衬底100施加至焊球(与直接施加至焊球104形成对比)以避免球变形。
超声波产生器140可在回流期间经由一超声波传输媒体对衬底100并从而对焊球104施加超声波振动。该超声波传输媒体可包含气体，如介于超声波产生器140与衬底100之间的惰性气体。例如，该惰性气体可包含超声波产生器140与衬底100之间的环境气体。或者，超声波传输媒体可包含与衬底100接触的机械媒体。在一个方面中，如图6所示，超声波传输媒体可包含一上面可放置衬底的输送带总成。
超声波产生器140可包含一能够将电能转换成超声波能的超声波换能器，所述超声波能可通过超声波传输媒体施加至焊球。举例而言，超声波换能器可包含超声波产生器，例如具有振荡源和电源的振荡器。当振荡器受到驱动时，超声波产生器传播具有频率的声波或振动波，该声波或振动波可通过超声波传输媒体进行传输。
根据本发明的超声波搅动可在焊球104至少部分熔化时的回流工艺期间施加达一能有效地缓和气泡或气袋在经过回流的焊球104中的形成的持续时间。在本发明的一个方面中，超声波搅动是在高于焊球液相线的时间期间施加至焊球104达一大约50秒至大约150秒的持续时间。所属领域的技术人员将了解，根据用于形成焊球104的特定焊料以及回流温度曲线或参数而定，持续时间可更长或更短。
图3图解说明在结合至接触焊垫102以形成多个实质球状焊块150时的经过回流与超声波搅动的焊球104。焊块150具有可附着其它装置(例如印刷电路板)的顶面152以及与接触焊垫102接触的底面154。如此形成的焊块150具有数量减少的空洞。焊块150内空洞数量的减少使焊块150具有改良的电与热特性，此有利于例如与印刷电路板互连。
图4和5图解说明一种根据本发明另一实例性实施例在一球栅格阵列封装的衬底上形成多个导电焊块的方法。在本方法中，所述焊块是由涂敷至衬底的导电位置的焊膏来形成。如上述方法一样，应了解，该方法也可用于在晶片或者已封装或未封装的裸半导体晶粒上形成焊块。
参考图4，提供球栅格阵列封装的衬底200，其具有涂敷有若干部分焊膏的多个曝露的接触焊垫202。衬底200可为任何衬底材料，如前面结合衬底100所述的任何一种材料。接触焊垫202可包含一将与焊膏形成治金结合的材料，并且也可电气连接至形成于衬底200中或上的导电通路或导电迹线。接触焊垫202可形成于衬底206上、凸出衬底206、或凹入衬底206，并且可为任何适当的材料，例如前面结合接触焊垫102所述的材料。
这些部分的焊膏204可使用例如丝网印刷方法等焊膏施布方法提供于接触焊垫202上。在使用丝网印刷方法时，焊膏204的平均粒径应约为丝网(未显示)网眼尺寸的三分之一，以使这些部分的焊膏易于通过丝网。通常由不锈钢丝所制成的丝网可在与衬底200平行的平面中稍高于接触焊垫202定位。衬底200的接触焊垫202应与丝网图像精确对齐地布置。然后通过一橡皮辊在丝网上压延焊膏204并且使其穿过丝网，以将各部分焊膏204直接涂敷在每一接触焊垫202上。应了解，其它焊料涂敷方法可用于在接触焊垫上方涂敷焊膏，例如使用模板印刷法。
焊膏204可包含铅、锡、铟或银的合金(例如96.5/3.5Sn/Ag焊料合金)以及一助焊剂。助焊剂可包含在半导体处理中常用于焊膏中的任何类型的助焊剂，例如结合助焊剂114所述的助焊剂材料。
图5图解说明经历一回流工艺的各部分焊膏204，其与上文结合焊球104的回流所述的工艺类似。然而，此处焊膏204是通过加热器210在惰性气体氛围中加热，以至少部分地熔化各部分焊膏204而非焊球104。同样，应了解，可使用红外线和对流加热两者来加热焊膏，以及使用其它加热手段。
如同焊球102的加热一样，各部分焊膏204可通过加热器210以类似方式从第一温度加热至峰值温度。第一温度、峰值温度、温度升高量、以及该加热的时间周期取决于所使用的焊膏，并且例如可遵循与前面对于加热焊球102所述的的类似的参数。一旦焊膏204的温度达到峰值温度以及焊膏204已至少部分熔化，便可使焊膏204维持接近峰值温度一足以使焊膏204再成形并且润湿接触焊垫的短的时间周期。然后使各部分经过回流的焊膏204以一实质均匀的速率冷却至室温，以使各部分经过回流的焊膏204固化并且治金结合至接触焊垫202。
如同焊球实施例一样，在焊膏回流工艺的至少一部分期间，通过超声波产生器202对各部分焊膏204进行超声波搅动，以减少空洞在焊膏204的回流部分中的形成。
超声波产生器220可按与针对在回流期间由超声波产生器140对焊球102施加的超声波搅动所述的相同方式，在回流期间通过施加振动(或声)能至焊膏204来对各部分焊膏进行超声波搅动。振动能的频率可与前面所述的相同，有效地使气体在回流期间从焊膏排出并且至少部分地缓和气袋或气洞的形成。并且如前面所述，可经由衬底200间接地对焊膏204施加能量。
在回流和超声波搅动之后，将各部分焊膏204结合至接触焊垫202，以形成多个可附着有其它装置(例如印刷电路板)的实质球状焊块，例如在图3中所示。如前所述，如此形成的焊块具有数量减少的空洞，藉以使焊块具有改良的电气与热特性。
图6图解说明一根据本发明用于在衬底上回流焊料的系统300的一实例。该系统包含一内含实质惰性氛围的回流室302。该氛围可包含一实质惰性气体(例如N2)或一合成气体(例如95％N2/H2)。应了解，也可使用其它惰性气体。
回流室302具有一输入端304和一输出端306。输入端304和输出端306分别包含环境装载区310和312，环境装载区310和312可向外部环境敞开，以便能够分别将衬底320载入回流室302或从回流室302卸载衬底320。所述环境区提供一气帘，该气帘实质将回流室与外部空气密封隔绝。可载入回流室302或从回流室302卸载的衬底320可包含一具有多个涂敷有若干部分焊料322的曝露的导电位置的球栅格阵列封装的一部分。
回流系统300还包含多个加热区332、334、336、338以及一输送带总成340。输送带总成340经设计以经由回流室302中的多个加热区332、334、336、338移动衬底320。加热区332、334、336、338分别包含单独的加热器350、352、354、356(例如辐射、对流、或传导)，以控制各自加热区332、334、336、338的温度，从而可在衬底320移动经过回流室302时调节衬底320和焊料322的温度。虽然回流室302包含四个单独的加热区332、334、336、338，回流室302也可包含更多(例如五个)或更少(例如一个)加热区。
输送带总成340包含一输入部分360、一搅动部分362以及一输出部分364。输入部分360、搅动部分362以及输出部分364分别包含单独的馈送带370、372、374，馈送带370、372、374可分别使衬底320前移经过回流室302的至少一部分和加热区332、334、336、338。搅动部分362的馈送带372耦接至一超声波产生器380。该超声波产生器可在回流工艺的至少一部分期间对输送带总成340的搅动部分362的馈送带372进行超声波搅动，而馈送带372又可对衬底320和焊料322进行超声波搅动。举例而言，超声波产生器可包含一超声波产生单元382，例如一具有振荡源和电源的振荡器。当振荡器受到驱动时，超声波产生单元传播具有一频率的声波或振动波，所述声波或振动波可通过搅动部分362的馈送带372传输至焊料322。
在回流系统工作期间，衬底320经由回流室302的输入端304的环境区310定位于输送带总成340的输入部分360的馈送带370上。馈送带370使衬底320前移经过回流室302的加热区332、334。在前移经过加热区332、334时，衬底320和焊料322通过加热器350、352从大约室温度加热至焊料322的液相线。
然后，输入部分360的馈送带370使衬底320前移至至输送带总成340的搅动部分362的馈送带372。馈送带372进一步使衬底320前移经过加热区336。在由馈送带372前移时，衬底320和焊料322通过加热区336的加热器354而维持于焊料322的液相线处并且承受超声波搅动。所耦接的超声波产生器380施加超声波搅动，以对馈送带372进行超声波振动，馈送带372又会对处于液相线处的衬底320和焊料322进行超声波振动。
馈送带372将衬底320前移至输出部分364的馈送带374。馈送带374进一步将衬底320前移至回流室302的输出端306，其中使衬底320和经过回流的焊料322冷却至经过回流的焊料322的固相线。经过冷却的回流焊料322形成多个治金结合至导电位置的焊块。接着经由环境区312从回流室300中移出衬底320和焊块并且使其冷却至室温。
所属领域的技术人员还将理解及了解，可在形成焊块时利用各处理操作的变化形式。例如，应了解，可取代在接触焊垫上形成焊块，而在导电通路的终点、导电迹线的一部分、或金属互连线的一部分上形成焊块。再者，应了解，助焊剂可使用其它助焊剂施布方法来涂敷。例如，这些其它方法可包含其它助焊剂浸蘸方法以及其它焊助熔剂转移方法。
以上所述包含本发明的实例和实施方案。由于不可能出于说明本发明的目的而说明每一可想到的组件、电路或方法，因而所属领域的技术人员将认识到，本发明可具有进一步的组合和排列。因此，本发明意图包含所有这些变更、修改和变化。

Claims (9)

1、一种形成焊块的方法，所述方法包含：
在衬底的导电位置上提供焊料；
使所述焊料回流，以在所述衬底上提供焊块；以及
在所述回流的至少一部分期间对所述焊料进行超声波搅动。
2、如权利要求1所述的方法，所述回流包含将所述焊料加热至有效地使所述焊料至少部分熔化的温度，在所述焊料至少部分熔化时对所述焊料进行超声波搅动。
3、如权利要求2所述的方法，其中：
在所述衬底的表面上的多个导电位置中的每一位置处提供所述焊料，所述衬底包含球栅格阵列封装的至少一部分；
使所述焊料回流，以形成多个焊块，每一焊块包含连接至所述多个焊料触点中一者的表面；以及
在所述回流的至少一部分期间对所述焊块的材料进行超声波搅动。
4、如权利要求2或3所述的方法，其中通过经由对所述衬底的机械接触所提供的超声波振动而对所述焊料进行超声波搅动。
5、如权利要求4所述的方法，其中在回流期间在输送带总成上提供所述衬底，且对所述输送带总成进行超声波振动，以对所述焊料进行超声波搅动。
6、如权利要求2或3所述的方法，其中以大约50kHz至大约90kHz的频率提供所述超声波搅动。
7、如权利要求2或6所述的方法，其中在所述回流期间提供所述超声波搅动达大约50秒至大约150秒。
8、一种用于形成焊块的设备，所述设备包含：
用于移动衬底的输送带，所述衬底在所述衬底的导电位置上具有焊料；
加热器，其经过配置并适于回流所述焊料，以在所述输送带移动所述焊料时在所述衬底上提供焊块；以及
搅动器，其经过配置并适于在所述回流的至少一部分期间对所述焊料进行超声波搅动。
9、如权利要求8所述的设备，其中所述搅动器经过配置并适于对所述输送带进行超声波振动，且所述输送带经过配置并适于在通过所述搅动器进行如此振动时对所述衬底进行超声波振动。
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