CN101194541A - 模块基板的钎焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模块基板的钎焊方法，随着BGA·CSP的普及，在刚性印刷线路板上钎焊模块基板的工序增多。但是，由于印刷基板因反流加热而翘曲，故即使在充分超过了焊料合金融点的温度下进行安装，CSP·BGA等模块基板的焊料补片和安装膏、或引线部件和焊料膏也不能融合，从而存在引起导通不良这样的融合不良现象。在刚性印刷线路板上钎焊模块基板时，在安装前的模块基板上涂敷钎剂后，在刚性印刷线路板上涂敷焊料膏，从而对模块基板进行钎焊。

Description

模块基板的钎焊方法

技术领域

本发明涉及一种钎焊方法，防止将搭载有采用了无铅焊料合金封装部件、尤其是作为引线部件以焊料补片(vamp)的BGA、CSP为代表的电子部件的模块基板对钢性印刷线路板进行安装·加热溶解接合时，因熔合不良而发生的连接不良。

背景技术

模块基板、刚性印刷线路板是在经济产业部的生产动态统计调查中也使用的电子部件的用语。所谓刚性印刷线路板是指装入各种电子部件而构成电子电路，通常在一个机器上只有一个，其被称为主板。与之相对，所谓模块基板是指将一个半导体元件用焊料球补片形成的被称为单芯片的BGA(Ball Grid Array)、CSP(Chip Size Package)基板和配置有多个芯片的MCM(Multi-Chip Module)基板等，相应地也称为辅助基板。

作为在刚性印刷线路板上安装的封装部件，有引线部件的BGA、CSP、晶片补片等部件存在。其中，对于CSP和BGA等引线部件(以下称为BGA等)，利用焊料补片形成电极。即，在BGA等中，预先在模块基板的电极上形成焊料补片，在向印刷基板安装时，将模块基板设置于刚性印刷线路板的钎焊部。

而且，当用回流炉那样的加热装置进行加热时，在模块基板上形成焊料补片和在刚性印刷线路板上印刷的焊料膏熔融、熔合，将模块基板和刚性印刷线路板的钎焊部这两者间进行钎焊使之导通。

作为在BGA等模块基板上形成焊料补片的方法，通常使用焊料球或焊料膏。

现有的补片形成用焊料合金是Pb-Sn类焊料合金，Pb-Sn类焊料合金多用于作为上述BGA等及晶片的焊料补片用的焊料球、或焊料膏。该Pb-Sn类焊料合金的钎焊性优异，因此，在进行工件和印刷基板的钎焊时，进行钎焊不良的发生少的这样的可靠性优异的钎焊。

用Pb-Sn类焊料合金钎焊的电子器件在发生老朽化和故障时，几乎都被废弃处理。在废弃处理的电子器件的构成材料中，将构架金属、壳体的塑料、显示的玻璃等进行回收再使用，但由于印刷基板不能再利用，故大多进行填埋处理。这是由于，就印刷基板而言，是将树脂和铜箔粘接，另外，在铜箔上金属性接合焊料，从而不能将它们进行分离。

当该填埋处理的印刷基板与侵入地下的酸性雨接触时，焊料中的Pb因酸性雨而溶出，含有Pb成分的酸性雨再一次侵入地下而混入地下水。若人和家畜长年饮用含有该Pb成分的地下水，则Pb积蓄在体内，最终引起Pb中毒。因此，在世界范围内限制Pb的使用，开始使用不含Pb的所谓“无铅焊料”。

所谓无铅焊料是以Sn为主要成分，此外适当添加Ag、Bi、Cu、Sb、In、Ni、Zn等焊料。

目前，作为无铅焊料，有以Sn为主要成分的Sn-Cu、Sn-Sb、Sn-Bi、Sn-Zn、Sn-Ag等二元合金和在该二元合金中添加了其它元素的多元类的无铅焊料。通常，Sn-Cu、Sn-Sb无铅焊料由于焊料合金的融点高，因此，在同样条件下，与现有的Sb-Sn焊料相比，其钎焊性显著劣化。

另外，就Sn-Bi类而言，由于焊料变脆，故当对钎焊部作用冲击时，其容易破坏，而且，在引线部件中，当由镀敷混入少量的Pb时有时产生上升。而且，就Sn-Zn类而言，由于Zn是贱金属，因此在作为焊料膏时，存在因经时变化而不能进行印刷涂敷，或者在钎焊后与钎焊部之间引起电腐蚀的问题。

因此，作为以Sn为主要成分的无铅焊料，Sn-Ag类与其它二元类无铅焊料相比，在机械特性和融点方面优异，从而最好使用在此中添加了Cu的Sn-Ag-Cu焊料。

在使用BGA等的安装中，通常采用如下工序，在安装基板上印刷焊料合金粉末，例如由Sn-Ag-Cu合金粉末和焊剂构成的焊料膏，在BGA等上装载形成有Sn-Ag-Cu类的焊料合金补片的电子部件，通过进行加热溶解，进行钎焊。

最近，在该工序中，存在即使在充分超过了焊料合金的融点的温度下进行安装时，CSP·BGA等模块基板的焊料补片和焊料膏、或引线部件和焊料膏也不能融合，从而引起导通不良这样的融合不良现象的问题。不用说也引起导通不良，从二不能满足作为电子机械制品的机能，根据情况，可能发展成为市场缺陷。模块基板和刚性印刷线路板的钎焊的特征是，和刚性印刷线路板和翘曲少的芯片部件的钎焊不同，模块基板和刚性印刷线路板都因回流炉的加热而发生大的翘曲。该现象在部件电极进行无铅化以前也已被确认，但是，由于在部件电极的无铅化的发生已被更多地确认，故今后成为主流的无铅钎焊电极的对策成为当务之急。

融合不良现象是以相对于BGA等模块基板的焊料补片表面的腐蚀的影响、基板或部件的翘曲为主要因素而作用的。尤其是在补片形成焊料补片表面时所使用的焊剂的清洗不良、部件暴露在高温高湿下的情况等中，在补片表面生成坚固的氧化皮膜。本来承担清洗该表面氧化皮膜的作用的是用表面安装法印刷于刚性印刷线路板上的焊料膏中的焊剂。但是，不仅上述的表面氧化皮膜坚固，表面难以还原的状态，而且在加热安装时基板或部件产生翘曲的情况下，印刷的焊料膏和部件的焊料补片有时也分离，从而融合不良发生的可能性提高。该发生率在市场报告中被称作ppm水平，与之相对，在实验性地将球表面暴露于腐蚀球表面的高温高湿的情况下，确认也上升至50～70％水平。

作为融合不良的对策，考虑部件及安装基板都不产生翘曲、提高焊料膏的活性等措施。但是，在现在的技术中，没有基板翘曲在现实中是不可能的，焊料膏中焊剂的活性化促进与焊料粉末的反应，因此，从经时变化方面考虑可能会损害膏的可靠性，故这是困难的，没有有效的融合不良的对策。

本发明者们对具有以Sn为主要成分的无铅焊料电极的电子部件安装时的融合不良发生的防止方法重复进行了锐意的探讨，其结果是法线，通过事前在BGA等模块基板的焊料补片上涂敷钎剂，降低该融合不良的发生率，从而完成本发明。

发明内容

本发明提供一种模块基板的钎焊方法，对于模块基板的焊料补片，事前在安装模块基板前的焊料补片上涂敷钎剂(post flux)，之后涂敷焊料膏，对模块基板进行钎焊。

如上所述，作为具有以Sn为主要成分的无铅焊料电极的模块基板安装时的融合不良现象的对策方法，可以考虑如下等：

1)采用加热时完全不发生翘曲的Tg值高的印刷线路板。

2)大量添加焊料膏的活性成分，将活性力提高至极限。

3)采用低氧化浓度的N2回流炉。

但存在如下等问题：

1)、加热时完全不发生翘曲的Tg值高的印刷线路板未开发。

2)、考虑到电子部件及印刷基板的腐蚀等可靠性而不优选。

3)、提高了设备成本、运转成本。

于是，作为低成本且高可靠性、可以简单地实施的方法被开发的是本发明的钎焊方法。

根据本发明者的见解，具有本发明的无铅焊料电极的电子部件安装时的融合不良对策的机理如下所述。

1、在加热时完全没有翘曲的理想的印刷线路板的情况中，焊料膏中的焊剂在焊料补片表面完全扩散，完全覆盖钎焊部分，但实际上那样的印刷线路板未开发。另外，模块基板的刚性印刷线路板由于彼此发生翘曲，因而不能完全覆盖钎焊部分。

2、当在模块基板的焊料补片部分预先涂敷钎剂时，在钎焊部分已完全覆盖了焊剂，在加热中将刚性印刷线路板的氧化膜、腐蚀膜完全还原溶解，调整开始金属反应的准备。

3、当在模块基板的焊料补片部分预先涂敷钎剂时，加快焊料的濡湿速度，在基板因反流时的加热而翘曲前，焊料被濡湿，因此，难以引起安装时的不良情况。

以上为考察的因素。

通过使用本发明的钎焊方法，CSP·BGA等模块基板的焊料补片和焊料膏、或引线部件和焊料膏不会融合，从而不会发生引起导通不良这样的融合不良，因而能够得到可靠性高的钎焊部。

附图说明

图1是实施例3的未发生熔合不良的情况；

图2是比较例4发生了熔合不良的情况。

具体实施方式

本发明中采用的钎剂，其主要成分用松香类树脂构成。作为钎剂，有由卤化金属盐构成的无机类焊剂或使用了水溶性树脂的水溶性焊剂，但是这些因水的存在而电解，从而对电子部件和基板发生腐蚀。在采用本发明中使用的松香类焊剂时，松香具有将水自腐蚀性的物质遮断的效果，因此，即使在高温、加湿下等水存在的情况下也不发生腐蚀。这在模块基板的焊料补片的表面状态变得更严酷时发挥了其效果。

本发明的钎剂中，为实现相对于焊料补片活性效果，理想的是根据需要含有卤化酸盐及有机酸这样的活性剂。另外，也需要在焊料补片上进行均匀的涂敷，因此根据操作环境含有适当的溶剂。

一直以来，焊剂因使用目的而分为用于钎焊前的印刷电路板的保护的预焊剂、用于印刷电路板钎焊的钎剂。该预焊剂为了防止接合部件Cu电极的表面劣化而实施，在钎焊工序中，由于在接合部件的氧化膜除去上没起作用，因此即使在BGA等的焊料补片表面实施也没有氧化膜的还原作用。

即，预焊剂是以防止基板表面氧化等的保护为目的，因此，不含有卤化酸盐和有机酸这样的活性剂。另外，由于焊料镀敷后的焊料补片具有防止表面氧化的效果，故不再考虑在焊料镀敷上使用预焊剂。

在本发明中，涂敷于焊料补片的焊剂的效果以利用还原作用除去焊料补片表面氧化膜为目的，与具有防锈作用的预焊剂的效果不同。

在模块基板(CSP基板)上，在形成焊料补片后，通过在保管阶段负载85℃、85％RH的高温高湿条件，制作容易引起熔合不良的试样。用其中一部分的部件，在装载前的焊料补片上涂敷焊剂，且进行温风干燥。经由装载机将该模块基板搭载于印刷了焊料膏的安装基板上，用回流炉加热溶解。下面表示详细的试验方法。另外，表1表示试验结果。

表1

	保管条件	氧化膜厚(nm)	焊剂		熔合不良发生率(％)
						有无	涂敷方法
			实施例1	85℃、85％RH 72小时				34	液状(固形物15％)	喷雾式	0
实施例2	85℃、85％RH 72小时	34			液状(固形物9％)	喷雾式	0
			实施例3	85℃、85％RH 72小时				34	液状(固形物35％)	毛刷涂敷	0
实施例4	85℃、85％RH 72小时	34			糊状	转印	0
			实施例5	85℃、85％RH 96小时				46	液状(含有活性剂)	毛刷涂敷	0
比较例1	真空保管	7			无	----------	0
			比较例2	85℃、85％RH 24小时				28	无	----------	5
比较例3	85℃、85％RH 48小时	32			无	----------	14
			比较例4	85℃、85％RH 72小时				34	无	----------	76

1、未熔合发生验证试验：在形成焊料补片后，在刚性印刷线路板(FR-4)上安装暴露在不同保管条件下的CSP基板(装入了串联电路)，并将其加热溶解。在焊料正常溶解·熔合时，确认通电。验证试验工序如下。

(验证试验工序)

1、在大小8×8mm、96个电极的CSP基板上印刷焊剂、载置直径0.3mm的焊料球。

2、用回流炉加热载置了焊料球的CSP基板，在电极上形成焊料补片。

3、将形成有焊料补片的CSP基板分为在高温高湿中放置、在高温放置、在真空保管条件中放置。

4、对于上述试样分为在补片表面涂敷焊剂的、及涂敷焊料膏的、未处理的试样。

5、在170×142×0.8(mm)的刚性印刷线路板上装载上述试样的CSP基板，用回流炉加热，在刚性印刷线路板上钎焊CSP基板。

6、在钎焊好的刚性印刷线路板上，将确认通过CSP基板的电阻值判断为良好，并数其个数。

7、将良好的试样从全部200个中扣除，除以测定的全部数，算出次品率。

表1的各项目如下。

1、保管条件：在恒温恒湿槽中进行湿度负荷处理的条件及时间。

2、氧化膜厚：采用X线光电分析装置(XPS)测定各条件的氧化膜平均值。

3、焊剂：树脂类焊剂的种类和涂敷方法。

4、熔合不良发生率：将熔合不良发生数除以测定试样全部数，用百分数表示。

图1是在实施例3的85℃、85％RH、72小时的保管条件下将模块基板氧化后，进行了钎剂处理的熔合不良未发生的例子。图2是在比较例4的85℃、85％RH、72小时的保管条件下将模块基板氧化后，未进行钎剂处理的熔合不良发生的例。

事先在本发明实施例的模块基板上涂敷钎剂，且在刚性印刷线路板上进行钎焊时，熔合不良不发生，但在比较例的模块基板上不涂敷钎剂时，熔合不良发生。

产业上的可利用性

本发明的树脂类焊剂涂敷的融合不良的控制方法与引线部件无关，认为与LGA(Land Grid Array)、SOP(Small Outline Package)、QFP(QuadFlat Package)等带引线部件的融合不良也可以对应。

另外，树脂类焊剂的涂敷形态也可以通过涂敷膏状焊剂、焊料合金粉末和混炼的焊料膏进行。

作为涂敷方法，也可以为如下焊剂涂敷方法，在采用液状焊剂时，根据固形物量，用喷射或刷毛预先在补片表面进行涂敷焊剂的方法适合，在采用膏状时，转印后涂敷的方法适合。

Claims (4)

1.一种模块基板的钎焊方法，对模块基板和刚性印刷线路板进行钎焊，其特征在于，在安装前的模块基板的焊料补片上涂敷钎剂，并且，在装载有模块基板的刚性印刷线路板上涂敷焊料膏后，将模块基板安放在刚性印刷线路板上进行加热。

2.如权利要求1所述的模块基板的钎焊方法，其特征在于，在所述模块基板上用焊料球形成焊料补片。

3.如权利要求1或2所述的模块基板的钎焊方法，其特征在于，所述涂敷在安装前的模块基板上的钎剂是由含有松香、活性剂、溶剂的成分构成的液状焊剂。

4.一种印刷线路板，在刚性印刷线路板上钎焊模块基板时，在安装前的模块基板上涂敷钎剂后，在刚性印刷线路板上涂敷焊料膏而将模块基板进行钎焊。