CN102357697A - 一种提高cbga/ccga封装植球/柱回流焊后焊点熔点的方法 - Google Patents
一种提高cbga/ccga封装植球/柱回流焊后焊点熔点的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种提高CBGA/CCGA封装植球/柱回流焊后焊点熔点的方法，在进行CBGA/CCGA封装器件植球/柱时，在63Sn37Pb焊膏中添加Pd或Pb金属粉末，通过加热将掺入一定量的Pd或Pb金属粉末的低熔点焊膏熔化，使之与陶瓷外壳上的金属焊盘及高熔点焊球/柱形成冶金连接，形成可靠的CBGA/CCGA焊球/柱凸点，而回流焊后焊点的熔点较之前焊膏的熔点有显著提高，该方法能够避免CBGA/CCGA封装器件在表面组装回流焊过程中焊点发生再次熔化的问题，从而保证CBGA/CCGA封装器件使用的可靠性。
Description
技术领域：
本发明涉及一种提高CBGA/CCGA封装植球/柱回流焊后焊点熔点的方法，属于超大规模集成电路封装领域，适用于航空航天用高可靠电子元器件CBGA/CCGA封装植球/柱工艺。
背景技术
当前我国航天工程和新一代武器装备使用的超大规模集成电路的集成度越来越高，I/O引脚数越来越多，工作频率越来越高，采用传统的封装形式(如DIP、CLCC、CQFP、CPGA等)已无法满足需求。而陶瓷球栅阵列封装(CBGA，ceramic ball grid array)和陶瓷柱栅阵列封装(CCGA，ceramic column gridarray)则是高密度、多引脚、高可靠集成电路封装的最佳替代方式之一。CBGA/CCGA封装与以往通常采用的外围阵列排布方式不同，它采用了面阵列的排布方式，大大提高了封装的效率(接近100％)，使得在相同的外形尺寸下能够分布更多的引脚。此外，CBGA/CCGA封装还具有传输路径短、信号延迟小、电性能优异的特点，因此更加适用于高频、高速集成电路封装领域。
CBGA/CCGA封装通常采用高铅焊球/柱作为互连材料，在一定温度下，通过63Sn37Pb共晶焊膏熔化将封装外壳上的金属焊盘与高铅焊球/柱形成冶金连接。在此过程中，高铅焊球/柱不熔化。采用高铅焊球/柱的目的是为了提高CBGA/CCGA封装器件表贴后的抗疲劳性能。而CBGA/CCGA器件的板级组装同样采用的是63Sn37Pb共晶焊膏，通过回流焊使焊膏熔化实现PCB板上的金属焊盘与陶瓷器件上的高铅焊球/柱的冶金连接。由于植球/柱工艺与表贴工艺采用的焊膏合金成份相同，在板级组装的回流焊过程中，CBGA/CCGA器件一端的焊点容易发生再次熔化，使得陶瓷基板与高铅焊球/柱位置发生偏移、焊料再次铺展等现象，并且PCB板回流过程中易发生翘曲等行为，从而导致表面组装后CBGA/CCGA器件一端的焊点发生断路、焊点外观异常等焊接不良问题，最终无法满足使用要求。而对于航天工程和武器装备用的超大规模集成电路，器件表面组装后的高可靠性必须得到保障。因此，在板级组装过程中应该避免CBGA/CCGA器件一端的焊点回流过程中发生再次熔化。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种提高CBGA/CCGA封装植球/柱回流焊后焊点熔点的方法，该方法能够避免CBGA/CCGA封装器件在表面组装回流焊过程中焊点发生再次熔化的问题，从而保证CBGA/CCGA封装器件使用的可靠性。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
一种提高CBGA/CCGA封装植球/柱回流焊后焊点熔点的方法，包括如下步骤：
(1)在63Sn37Pb焊膏内掺入一定量的Pd金属粉末，并进行充分搅拌；
(2)采用丝网印刷方式将含有Pd金属的63Sn37Pb焊膏移印至陶瓷基板的金属焊盘上，再将高熔点的90Pb10Sn焊球/柱放置于所述焊膏的正上方，最终放入回流炉中进行加热，所述焊膏在加热过程中熔化形成焊点，实现焊球/柱与陶瓷基板的互连；
其中回流温度曲线与63Sn37Pb焊膏回流温度曲线一致。
在上述提高CBGA/CCGA封装植球/柱回流焊后焊点熔点的方法中，步骤(1)中掺入的Pd金属粉末的质量百分含量为0.5％～1.2％，纯度在99.95％以上。
在上述提高CBGA/CCGA封装植球/柱回流焊后焊点熔点的方法中，步骤(1)中掺入的Pd金属粉末的颗粒尺寸为25～45μm。
在上述提高CBGA/CCGA封装植球/柱回流焊后焊点熔点的方法中，步骤(2)中回流焊的峰值温度设定为215～225℃，回流时间设定为30～60s。
一种提高CBGA/CCGA封装植球/柱回流焊后焊点熔点的方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)在63Sn37Pb焊膏内掺入一定量的Pb金属粉末，并进行充分搅拌；
(2)采用丝网印刷方式将含有Pb金属的63Sn37Pb焊膏移印至陶瓷基板的金属焊盘上，再将高熔点的90Pb10Sn焊球/柱放置于所述焊膏的正上方，最终放入回流炉中进行加热，所述焊膏在加热过程中熔化形成焊点，实现焊球/柱与陶瓷基板的互连；
其中回流温度曲线与63Sn37Pb焊膏回流温度曲线一致。
在上述提高CBGA/CCGA封装植球/柱回流焊后焊点熔点的方法中，步骤(1)中掺入的Pb金属粉末的质量百分含量为8％～13％，纯度在99.95％以上。
在上述提高CBGA/CCGA封装植球/柱回流焊后焊点熔点的方法中，步骤(1)中掺入的Pb金属粉末的颗粒尺寸为25～45μm。
在上述提高CBGA/CCGA封装植球/柱回流焊后焊点熔点的方法中，步骤(2)中回流焊的峰值温度设定为215～225℃，回流时间设定为30～60s。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明采用在63Sn37Pb焊膏中添加Pd金属粉末或Pb金属粉末，能够有效提高焊膏一次回流后的熔点，从而避免了CBGA/CCGA器件植球/柱后形成的焊点在表面组装过程中发生再次熔化，保证了CBGA/CCGA器件组装后接头的可靠性；
(2)本发明采用在63Sn37Pb焊膏中添加Pd金属粉末，加热过程中仅63Sn37Pb焊膏熔化，Pd金属粉末不熔化，而是部分熔解于熔化的63Sn37Pb焊料中，一次回流后，Pd金属与63Sn37Pb焊料形成金属间化合物，并且改变了原始的焊料合金成份，形成三元合金，使得焊料的熔点显著升高；
(3)本发明采用在63Sn37Pb焊膏中添加Pb金属粉末，加热过程中仅63Sn37Pb焊膏熔化，Pb金属粉末不熔化，而是部分熔解于熔化的63Sn37Pb焊料中，一次回流后，Pb金属充分熔解于63Sn37Pb焊料中，原始焊料内的Pb含量显著提高，使得整体焊料的熔点显著提高；
(4)本发明通过大量实验确定了63Sn37Pb焊膏中添加Pd或Pb金属粉末的最佳掺入量和最佳颗粒尺寸，在此条件下使得植球/柱后焊点熔点显著提高，从而保证了二次焊接的质量；
(5)本发明采用在63Sn37Pb焊膏中添加Pd或Pb金属粉末后进行焊接，回流温度曲线与常规63Sn37Pb焊膏回流温度曲线一致，不改变任何工艺条件，该方法是在保证整个CBGA/CCGA植球/柱工艺不变的情况下提高植球/柱后焊点熔点的一种最佳解决途径之一，具有非常广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明63Sn37Pb焊膏中掺入Pd金属粉末焊接的CBGA结构示意图；
图2为本发明63Sn37Pb焊膏中掺入Pd金属粉末焊接的CCGA结构示意图；
图3为本发明CCGA焊点处成份面扫描分析图。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
在CBGA(ceramic ball grid array，陶瓷球栅阵列)/CCGA(ceramic columngrid array，陶瓷柱栅阵列)植球/柱前，将63Sn37Pb焊膏从冷藏室中取出，放置3～4h直至焊膏完全达到室温，然后在焊膏中掺入一定量的Pd或Pb金属粉末，充分搅拌，最终应使Pd金属粉末含量达到0.5％～1.2％，或者Pb金属粉末含量达到8％～13％。经过一次回流过程后，Pd、Pb金属粉末充分溶解到63Sn37Pb焊料中，从而改变了初始63Sn37Pb焊料的合金成份，起到提高初始熔点的作用。
CBGA植球/柱/CCGA植柱的具体方法如下：首先，通过具有一定厚度和网孔直径的网板通过印刷的方式将63Sn37Pb焊膏印刷到陶瓷外壳的金属焊盘上；然后，在已经印刷好的金属焊盘上通过网板准确的放置高铅焊球/柱；最后，确认焊球/柱放置无问题后，将陶瓷外壳放入回流炉中，在设定好的回流温度曲线下进行回流，一般经过预热、活化、回流和冷却四个阶段，峰值温度通常在210℃～235℃范围内，回流温度曲线与常规63Sn37Pb焊膏回流温度曲线一致，最终焊膏熔化与金属焊盘及高铅焊球/柱均形成可靠的冶金结合，图1为本发明63Sn37Pb焊膏中掺入Pd金属粉末焊接的CBGA结构示意图，图2为本发明63Sn37Pb焊膏中掺入Pd金属粉末焊接的CCGA结构示意图。
实施例1
进行CCGA植柱的陶瓷器件为CCGA256，外形尺寸为长21mm，宽21mm，厚度2.3mm，金属焊盘直径为0.70mm，金属焊盘镀层结构为Ni/Au，Au层厚度为0.03～0.2μm。将已完成解冻的免清洗共晶焊膏(成份为63Sn37Pb)打开，掺入质量百分含量为1％的Pd金属粉末，Pd金属粉末的纯度为99.95％以上，并充分搅拌(至少半小时)，直至均匀。然后，采用网板印刷的方式，网板的网孔与金属焊盘一一对准后，将搅拌均匀的焊膏在刮刀的压力作用下印刷至金属焊盘上方，网板的孔径为0.75mm，网板的厚度为0.2mm。随后，将印刷好焊膏的陶瓷器件倒置，并与已预置好焊柱的模具进行精确对准后，将器件放置于焊柱上方，焊柱成份为90Pb10Sn，焊柱直径为0.55mm，焊柱高度为2.2mm。最后，将其放置于回流炉中进行回流焊，使焊膏熔化实现焊柱与金属焊盘的冶金连接，见图2。回流焊的峰值温度设定为215～225℃，回流时间设定为30～60s。
上述掺入Pd粉的焊膏，加热过程中仅63Sn37Pb焊膏熔化，Pd金属粉末不熔化，而是部分熔解于熔化的63Sn37Pb焊料中，一次回流后，Pd金属与63Sn37Pb焊料形成金属间化合物，并且改变了原始的焊料合金成份，形成三元合金，焊料的熔点显著升高。
回流焊后，采用水基溶剂对助焊剂进行清洗。如图3所示为本发明CCGA焊点处成份面扫描分析结果图，如下表1为经面扫描分析得到的各金属元素百分含量，从中可以看出，Pd已均匀溶解于熔融的PbSn共晶焊料当中。
将该器件放置于回流炉中进行二次回流，峰值温度调整为245～255℃，发现焊点并未发生二次熔化。这说明Pd金属粉末的添加提高了PbSn焊料的熔点。
表1
| 元素 | 重量 | 原子 | |
| 百分比 | 百分比 | ||
| Pd L | 0.58 | 0.84 | |
| Sn L | 47.32 | 60.81 | |
| Pb M | 52.10 | 38.36 | |
| 总量 | 100.00 |
实施例2
进行CCGA植柱的陶瓷器件为CCGA256，外形尺寸为长21mm，宽21mm，厚度2.3mm，金属焊盘直径为0.70mm，金属焊盘镀层结构为Ni/Au，Au层厚度为0.03～0.2μm。将已完成解冻的免清洗共晶焊膏(成份为63Sn37Pb)打开，掺入质量百分含量为10％的Pb金属粉末，Pb金属粉末的纯度为99.95％以上，并充分搅拌(至少半小时)，直至均匀。然后，采用网板印刷的方式，网板的网孔与金属焊盘一一对准后，将搅拌均匀的焊膏在刮刀的压力作用下印刷至金属焊盘上方，网板的孔径为0.75mm，网板的厚度为0.2mm。随后，将印刷好焊膏的陶瓷器件倒置，并与已预置好焊柱的模具进行精确对准后，将器件放置于焊柱上方，焊柱成份为90Pb10Sn，焊柱直径为0.55mm，焊柱高度为2.2mm。最后，将其放置于回流炉中进行回流焊，使焊膏熔化实现焊柱与金属焊盘的冶金连接。回流焊的峰值温度设定为215～225℃，回流时间设定为30～60s。回流焊后，采用水基溶剂对助焊剂进行清洗。
上述掺入Pb粉的焊膏，加热过程中仅63Sn37Pb焊膏熔化，Pb金属粉末不熔化，而是部分熔解于熔化的63Sn37Pb焊料中，一次回流后，Pb金属充分熔解于63Sn37Pb焊料中，原始焊料内的Pb含量显著提高，使得整体焊料的熔点显著提高。
将该器件放置于回流炉中进行二次回流，峰值温度调整为245～255℃，发现焊点并未发生二次熔化。这说明Pb金属粉末的添加提高了PbSn焊料的熔点。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (7)
1.一种提高CBGA/CCGA封装植球/柱回流焊后焊点熔点的方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)在63Sn37Pb焊膏内掺入一定量的Pd金属粉末，并进行充分搅拌；
(2)采用丝网印刷方式将含有Pd金属的63Sn37Pb焊膏移印至陶瓷基板的金属焊盘上，再将高熔点的90Pb10Sn焊球/柱放置于所述焊膏的正上方，最终放入回流炉中进行加热，所述焊膏在加热过程中熔化形成焊点，实现焊球/柱与陶瓷基板的互连；
其中回流温度曲线与63Sn37Pb焊膏回流温度曲线一致。
2.一种提高CBGA/CCGA封装植球/柱回流焊后焊点熔点的方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)在63Sn37Pb焊膏内掺入一定量的Pb金属粉末，并进行充分搅拌；
(2)采用丝网印刷方式将含有Pb金属的63Sn37Pb焊膏移印至陶瓷基板的金属焊盘上，再将高熔点的90Pb10Sn焊球/柱放置于所述焊膏的正上方，最终放入回流炉中进行加热，所述焊膏在加热过程中熔化形成焊点，实现焊球/柱与陶瓷基板的互连；
其中回流温度曲线与63Sn37Pb焊膏回流温度曲线一致。
3.根据权利要求1所述的一种提高CBGA/CCGA封装植球/柱回流焊后焊点熔点的方法，其特征在于：所述步骤(1)中掺入的Pd金属粉末的质量百分含量为0.5％～1.2％，纯度在99.95％以上。
4.根据权利要求1所述的一种提高CBGA/CCGA封装植球/柱回流焊后焊点熔点的方法，其特征在于：所述步骤(1)中掺入的Pd金属粉末的颗粒尺寸为25～45μm。
5.根据权利要求2所述的一种提高CBGA/CCGA封装植球/柱回流焊后焊点熔点的方法，其特征在于：所述步骤(1)中掺入的Pb金属粉末的质量百分含量为8％～13％，纯度在99.95％以上。
6.根据权利求2所述的一种提高CBGA/CCGA封装植球/柱回流焊后焊点熔点的方法，其特征在于：所述步骤(1)中掺入的Pb金属粉末的颗粒尺寸为25～45μm。
7.根据权利要求1或2所述的一种提高CBGA/CCGA封装植球/柱回流焊后焊点熔点的方法，其特征在于：所述步骤(2)中回流焊的峰值温度设定为215～225℃，回流时间设定为30～60s。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120222 |