CN102218577B - 感应加热钎焊的磁性柱状焊盘结构及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种感应加热钎焊的磁性柱状焊盘结构及焊接方法。焊盘上设置有柱状结构，该柱状结构包含磁性材料，所述柱状结构用于深入到焊料内部。其制造方法为在焊盘上设置金属柱，在金属柱的表面覆盖磁性层，该磁性层由磁性金属材料形成，该金属柱与磁性层构成柱状结构；或者直接在焊盘上设置磁性柱状结构。在柱状结构的外侧设置阻挡及可焊保护层。焊接的方法包括进行焊料的印刷，使焊料包裹所述柱状结构；将需要形成互联的两块电路板对准放置；将两块电路板的整体置于高频交流磁场中。柱状结构实现了对焊料由内外的加热，有利于避免焊料内空洞的产生，同时柱状结构可对板级的互联结构进行支撑，而其它不需要进行加热的部位则避免了热冲击。

Description

感应加热钎焊的磁性柱状焊盘结构及焊接方法

技术领域

本发明涉及一种新型的封装焊盘设计，尤其涉及一种能使芯片在封装过程采取感应加热方法进行局部加热的结构以及材料的设计。

背景技术

现有技术如图1所示，印刷电路板1和印刷电路板2为需要通过钎焊进行互联的印刷电路板，阻焊层3设置在印刷电路板的上部，阻焊层3的内部设置有在印刷电路板的表面上的焊盘4，在印刷电路板1的焊盘4上具有可焊保护层8，其作用是保护焊盘并提供良好的润湿性，用以完成焊料与焊盘之间的联接，可焊保护层8在印刷电路板制作完成后就存在，在焊接过程当中，可焊保护层8扩散熔融于焊料中(如图1B所示，可焊保护层8消失)。环氧树脂塑封料6内侧有芯片7。钎焊料5的主要成分为锡(Sn)。常规电路板1、2之间通过钎焊料5进行连接。

主要成分为Sn的钎焊料5通过回流焊设备的腔体后，充分熔融，且和两侧的焊盘4之间形成金属间化合物，从而实现印刷电路板1、2之间的电互联。

在钎焊料通过回流焊腔体的过程中，封装体以及电路板所有部分，均会经过高温的热冲击，原本不需要额外加热的部位同时受到热冲击。在电子行业曰益高密度以及薄层化的趋势下，不必要的热冲击会对焊盘焊球之外的其它部分造成不良的影响，尤其会对对温度敏感的芯片和基板造成损坏或不良的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用感应加热方法局部加热来实现回流焊接的焊盘设计以及其工艺方法。

为了实现上述目的，根据本发明的示例性实施例提供了一种焊盘，一种焊盘，其中，该焊盘上设置有柱状结构，该柱状结构包含磁性材料，所述柱状结构用于对焊料进行加热。

其中，所述柱状结构从焊盘表面突出并高于焊盘所在的电路板的最外端表面。

其中，所述柱状结构由磁性材料构成，或者通过将磁性材料覆盖于非磁材料的柱体表面来形成。

其中，所述磁性材料为铁磁性材料。

其中，铁磁性材料的居里温度高于焊接所需的最高温度。

其中，所述磁性材料有足够高的磁导率，以确保磁力线在柱状结构中富集。

其中，磁性材料的厚度大于等于焊盘在焊接过程中被施加的高频磁场所形成涡流的趋肤深度。

其中，在所述磁性材料的外侧设置阻挡及可焊保护层。

其中，阻挡及可焊保护层包括阻挡层和可焊保护层。

其中，可焊保护层为金属保护层或有机可焊层。

其中，所述柱状结构与焊料接触。

其中，在柱状结构与焊盘之间设置有阻挡粘结层。

根据本发明的示例性实施例还提供了一种制造如上所述的焊盘的方法，其中，所述方法包括以下步骤：在焊盘上设置金属柱；在金属柱的表面覆盖磁性层，该磁性层由磁性金属材料形成，该金属柱与磁性层构成柱状结构；在柱状结构的外侧设置阻挡及可焊保护层。

根据本发明的示例性实施例还提供了一种制造如上所述的焊盘的方法，其中，所述方法包括以下步骤：在焊盘上设置阻挡粘结层；在阻挡粘结层上设置由磁性金属材料形成的柱状结构；在磁性层的外侧设置阻挡及可焊保护层。

其中，所述磁性金属材料为铁磁性金属材料。

所述阻挡及可焊保护层包括阻挡层以及可焊保护层，其中，可焊保护层用于保护焊盘并在焊接过程中提供良好的润湿性，阻挡层用于阻止或减轻可焊保护层与内层金属之间的相互扩散，并且阻挡层还用于与焊料作用，通过扩散来形成金属间化合物。

其中，所述阻挡层位于所述可焊保护层内侧。

其中，在焊盘上设置金属柱的步骤是通过电镀或化学镀来完成的。

其中，在阻挡粘结层上设置金属柱的步骤是通过电镀或化学镀来完成的。

其中，在柱状结构的外侧设置阻挡及可焊保护层是通过电镀或者化学镀来完成的。

根据本发明的示例性实施例还提供了一种焊接电路板的方法，其中，所述方法包括以下步骤：

在一个电路板上制作出如上所述的设置有柱状结构的焊盘；进行焊料的印刷，使焊料包裹所述柱状结构；将需要形成互联的两块电路板对准放置；将两块电路板的整体置于高频交流磁场中，从而在柱状结构上感生出涡流，由内而外对焊料进行加热。

其中，通过变换高频交流磁场的频率、强度和/或施加于器件的角度来改变涡流的大小，从而实现焊盘区域温度的变化，使焊接区域温度贴合回流焊接中需要的温度曲线。

通过改变高频磁场施加的方向，可以获得不同的涡流强度，来改变产生温度的高低。

通过焊盘内部事先制作的磁性柱状结构，配合高频交流磁场，在柱状结构产生涡流对焊盘上的钎焊料进行加热，实现回流焊。柱状结构实现了对焊料由内外的加热，有利于避免焊料内空洞的产生，同时柱状结构可对板级的互联结构进行支撑，而其它不需要进行加热的部位则避免了热冲击。

附图说明

通过下面结合示例性地示出一例的附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1A和图1B是示意性示出现有技术的钎焊工艺的示图；

图2A和图2B是制造根据本发明的示例实施例的两种焊盘结构的工艺流程的示图。

图3示出了利用图2A和图2B示出的焊盘结构进行感应加热钎焊的工艺。

具体实施方式

以下，将参照附图来详细说明本发明的实施例。

图2A和图2B是制造根据本发明的示例实施例的两种焊盘结构的工艺流程的示图。图2A所示的第一种工艺流程是在传统焊盘上制作表面覆盖磁性镀层的金属柱，图2B所示的另一种工艺流程是在传统焊盘上直接制作出磁性的柱状结构。

如图2A所示，在传统焊盘4(即在印刷电路板的表面通过阻焊层的间隙裸露的焊盘)上通过电镀、化学镀或其他方法制作出一个金属柱9(例如，铜柱)，然后在金属柱9的表面覆盖有一定厚度的磁性层10，该磁性层10由磁性金属材料形成，金属柱9和磁性层10两者构成了柱状结构13′。在柱状结构13′的外表面(即，磁性层10的外侧)通过电镀或者化学镀等方法设置有阻挡及可焊保护层11，阻挡及可焊保护层11可以包括两层，例如，阻挡及可焊保护层11可以包括阻挡层和可焊保护层，阻挡层可位于可焊保护层内侧。其中，可焊保护层的作用是保护焊盘并在焊接过程中提供良好的润湿性，用以完成焊料与焊盘之间的联接。举例来说，所述可焊保护层可以为金属保护层或有机可焊层。阻挡层主要起两种作用，首先，阻挡层用于阻止或减轻可焊保护层与内层金属之间的相互扩散，实现可以信赖的保护；其次，阻挡层用于与焊料作用，扩散而形成金属间化合物，形成联接。

如图2B所示，在传统焊盘4(即在印刷电路板的表面通过阻焊层的间隙裸露的焊盘)上设置阻挡粘结层12，在阻挡粘结层12上设置磁性柱状结构13。阻挡粘结层12是用于阻挡磁性柱状结构13与焊盘4之间的材料扩散，并且用于粘结磁性柱状结构13和焊盘4。阻挡及粘结层可以由同时具有上述两种功能的一层材料组成，也可以由分别具有上述两种功能的两层材料组成。柱状结构13是通过在阻挡粘结层12上通过电镀、化学镀或其他方法制作而成，该柱状结构13由磁性金属材料形成。在柱状结构13的外表面通过电镀或者化学镀等方法设置阻挡及可焊保护层11，阻挡及可焊保护层11可以包括两层，例如，阻挡及可焊保护层11可以包括阻挡层和可焊保护层，阻挡层可位于可焊保护层内侧。其中，可焊保护层的作用是保护焊盘并在焊接过程中提供良好的润湿性，用以完成焊料与焊盘之间的联接。举例来说，所述可焊保护层可以为金属保护层或有机可焊层。阻挡层主要起两种作用，首先，阻挡层用于阻止或减轻可焊保护层与内层金属之间的相互扩散，实现可以信赖的保护；其次，阻挡层用于与焊料作用，扩散而形成金属间化合物，形成联接。

图3示出了利用图2A和图2B示出的焊盘结构进行感应加热钎焊的工艺。如图3所示，进行焊膏的印刷，这需要形成互联的两块电路板对准放置，使焊料包裹柱状结构13或13′，然后将两块电路板的整体置于高频交流磁场中。高频变化的磁力线富集于磁导率高的铁磁性材料(即柱状结构13′的磁性层10或者磁性柱状结构13)，从而快速变化的磁力线在柱状结构中感生出涡流，涡流的热效应产生于焊盘4上的柱状结构13或13′，由内而外对钎焊料进行加热，通过变换高频交流磁场的频率、强度以及施加于器件的角度来改变涡流的大小，从而实现焊盘区域温度的变化，使焊接区域温度贴合回流焊接中需要的温度曲线。

通过焊盘内部事先制作的磁性柱状结构，配合高频交流磁场，在柱状结构产生涡流对焊盘上的钎焊料进行加热，实现回流焊。柱状结构实现了对焊料由内外的加热，有利于避免焊料内空洞的产生，同时柱状结构可对板级的互联结构进行支撑，加大了两个钎焊件之间的结合强度。而且柱状结构将感应产生的热限制在焊盘上的焊料所在的区域内，将产生热的区域限制得非常小，将对其他不需要进行加热的部分的热冲击降低到最低程度。

上面所使用的磁性金属材料的居里温度高于回流焊所需的最高温度，此处，“回流焊所需的最高温度”是指回流焊温度曲线中温度最高的部分。居里温度是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度，即铁电体从铁电相转变成顺电相引的相变温度。也可以说是发生二级相变的转变温度。低于居里温度时该物质成为铁磁体，此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里点温度时，该物质成为顺磁体，磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。因此，当所使用的磁性金属材料的居里温度高于回流焊所需的最高温度时，可以确保磁性材料的磁性在回流焊过程中不至于失去，从而可以持续的保持高的磁通，产生涡流。

磁性材料(磁性层10或磁性柱状结构13)具有一定的厚度，其厚度优选为大于等于高频磁场的所形成涡流的趋肤深度。其目的在于使磁性材料充分加热，即，如果该厚度小于趋肤深度，无法获得最大的涡流，从而无法充分加热钎焊料。

理论上，磁性材料的磁导率越高越好，高的磁导率可以获得大的磁力线的集中度，从而产生更大的涡流。磁性材料为铁磁性磁性材料。

本发明的柱状结构不一定必须全部由磁性材料构成，也不一定是在金属柱的最外层形成磁性层，而是只要在柱状结构中部含有若干磁性层即可。

虽然上面顺序描述了各个步骤，但是本发明不限于此，各个步骤并非严格按描述的顺序执行，除非上下文明显矛盾。

虽然已经参照本发明的示例性实施例具体示出并描述了根据本发明的实施例的感应加热钎焊的磁性柱状焊盘结构及焊接方法，但是本领域技术人员将理解的是，在不脱离如权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在这里做出形式和细节上的各种改变。

Claims (19)

1.一种焊盘，其中，该焊盘上设置有柱状结构，该柱状结构包含磁性材料，所述柱状结构用于对焊料进行加热，所述柱状结构从焊盘表面突出并高于焊盘所在的电路板的最外端表面，所述柱状结构由磁性材料构成，或者通过将磁性材料覆盖于非磁材料的柱体的整个表面来形成，在所述磁性材料的外侧设置阻挡及可焊保护层。

2.根据权利要求1所述的焊盘，其中，所述磁性材料为铁磁性材料。

3.根据权利要求2所述的焊盘，其中，铁磁性材料的居里温度高于焊接所需的最高温度。

4.根据权利要求1所述的焊盘，其中，所述磁性材料有足够高的磁导率，以确保磁力线在柱状结构中富集。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的焊盘，其中，磁性材料的厚度大于等于焊盘在焊接过程中被施加的高频磁场所形成涡流的趋肤深度。

6.根据权利要求1所述的焊盘，其中，阻挡及可焊保护层包括阻挡层和可焊保护层。

7.根据权利要求6所述的焊盘，其中，可焊保护层为金属保护层或有机可焊层。

8.根据权利要求1所述的焊盘，其中，所述柱状结构与焊料接触。

9.根据权利要求1-4中任一项所述的焊盘，其中，在柱状结构与焊盘之间设置有阻挡粘结层。

10.一种制造焊盘的方法，所述焊盘上设置有柱状结构，该柱状结构包含磁性金属材料，所述柱状结构用于对焊料进行加热，所述柱状结构从焊盘表面突出并高于焊盘所在的电路板的最外端表面，在所述柱状结构的外侧设置阻挡及可焊保护层，其中，所述方法包括以下步骤：

在焊盘上设置金属柱；

在金属柱的整个表面覆盖磁性层，该磁性层由磁性金属材料形成，该金属柱与磁性层构成柱状结构；

在柱状结构的外侧设置阻挡及可焊保护层。

11.一种制造焊盘的方法，所述焊盘上设置有柱状结构，该柱状结构包含磁性金属材料，所述柱状结构用于对焊料进行加热，所述柱状结构从焊盘表面突出并高于焊盘所在的电路板的最外端表面，在所述柱状结构的外侧设置阻挡及可焊保护层，其中，所述方法包括以下步骤：

在焊盘上设置阻挡粘结层；

在阻挡粘结层上设置由磁性金属材料形成的柱状结构；

在所述柱状结构的外侧设置阻挡及可焊保护层。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，所述磁性金属材料为铁磁性金属材料。

13.根据权利要求10或11所述的方法，其中，所述阻挡及可焊保护层包括阻挡层以及可焊保护层，其中，可焊保护层用于保护焊盘并在焊接过程中提供良好的润湿性，阻挡层用于阻止或减轻可焊保护层与内层金属之间的相互扩散，并且阻挡层还用于与焊料作用，通过扩散来形成金属间化合物。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述阻挡层位于所述可焊保护层内侧。

15.根据权利要求10所述的方法，其中，

在焊盘上设置金属柱的步骤是通过电镀或化学镀来完成的。

16.根据权利要求11所述的方法，其中，

在阻挡粘结层上设置金属柱的步骤是通过电镀或化学镀来完成的。

17.根据权利要求10或11所述的方法，其中，

在柱状结构的外侧设置阻挡及可焊保护层是通过电镀或者化学镀来完成的。

18.一种焊接电路板的方法，其中，所述方法包括以下步骤：

在一个电路板上制作出如权利要求1-4、6-8中任一项所述的设置有柱状结构的焊盘；

进行焊料的印刷，使焊料包裹所述柱状结构；

将需要形成互联的两块电路板对准放置；

将两块电路板的整体置于高频交流磁场中，从而在柱状结构上感生出涡流，由内而外对焊料进行加热。

19.根据权利要求18所述的焊接电路板的方法，其中，

通过变换高频交流磁场的频率、强度和/或施加于器件的角度来改变涡流的大小，从而实现焊盘区域温度的变化。