CN1065798C - 焊剂配方及相应的焊接方法 - Google Patents

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Abstract

公开一种新的焊剂配方及相应的将电子元件焊接到印刷电路板的方法。该新的焊剂配方包括庚二酸和两种有机溶剂。值得注意，在电子元件装配到印刷电路板上所用的焊接工艺完成后，该新的焊剂配方基本上不留下离子残渣。

Description

焊剂配方及相应的焊接方法
本发明涉及一种焊剂的配方及相应的焊接方法，如将半导体芯片或芯片载体组件焊接到印刷电路板的方法。
在将电子元件装配到印刷电路卡和印刷电路板(下文通称印刷电路板或PCB)所用的工艺过程中，焊剂起着一种重要作用。例如，一种半导体集成电路器件(下文称半导体芯片，或简称芯片)直接装配到PCB上的方法，例如是在带有电路的芯片表面上的接触焊盘上形成焊料层，或焊料球。在PCB上的对应接触焊盘上也形成此种焊料层。然后将焊剂涂到芯片上的焊层上和／或涂到PCB上的对应接触焊盘和／或对应的焊层上，以除掉可能在焊层和接触焊盘上已形成的氧化层并达到接触焊盘被焊层完全浸润。然后，让含电路的芯片表面面对PCB，使芯片上的焊球与PCB上的对应接触焊盘或焊球接触，加热所得组合物，以便熔化因而回流芯片和／或PCB上的焊球。在冷却再固化后，一般用封装材料如环氧树脂灌封所得的芯片和PCB之间焊料连接点，以缓解可能由PCB和芯片间的热膨胀系数(CTE)之差所引起的应变。
按一种类似于上述的方式，将一承载半导体芯片(下文称芯片载体组件或只称组件)的组件，如有机组件或陶瓷组件装配到PCB上的方法包括在组件不含芯片的表面的接触焊盘上形成如网印焊料层。将焊剂涂到组件上的焊料层上，和／或涂到PCB上的对相接触焊盘和／或对相焊料层上。然后，将组件的不含芯片的表面面对PCB，使组件上的焊球与PCB上的对应接触焊盘和焊球接触，加热所得组合体，以便熔化并回流芯片和PCB上的焊料层。一般，组件和PCB间的热膨胀系数(CTE)之差的幅度是比较小的，所以所得的组件与PCB间的焊点无需用封装材料灌封。
如果合用的组件具有从组件的不含芯片的表面伸出的导电针脚，例如首先将组件放在印刷电路板的顶表面(含电路)，将导电针脚插入对应的镀铜的通孔(PTH)，穿过PCB的厚度。然后，将PCB和组件放到传送带上，让PCB和组件通过焊剂射流或焊剂喷洒器，使液体焊剂喷射到PCB的底表面上和通孔内。焊剂被吸到通孔内，就这样将焊剂涂到通孔的内壁和伸入通孔内的针脚。然后，传送带使PCB和组件通过焊料射流，使液体焊料喷射到PCB的底表和通孔之内。液体焊料也被吸到通孔内，填入通孔，当冷却、固化后，将针脚包封在通孔内。
上述的芯片装配和组件装配工艺过程的最重要环节之一是焊剂的选取。即，如上所述，焊剂的作用在于除掉可能在焊料层、接触焊盘上，针脚上或通孔内形成的任何氧化层，并增加接触焊盘被焊球的浸润。在大多数的情况下，在焊接工艺完成时，使用普通的现有的焊剂导致离子残渣留在焊区、接触焊盘、针脚或通孔上。这类离子残渣是有害的，因为这些残渣会引发电路的锈蚀和短路。所以，倘若形成，必须除掉这类离子残渣，如在完成焊接工艺后，用水清洗。
在芯片和PCB之间或在无脚组件和PCB之间所形成的焊料连接，如上所述，其高度较小，如4密耳，因而芯片或无脚组件与其PCB之间的间隔是应相当的小。这是值得注意的，因为这暗示着，在完成焊接工艺后，从焊区和／或接触焊盘上清洗掉任何离子残渣，若非不可能，也是很困难的。此外，在插脚组件的情况下，当相当的离子残渣容易用水清洗时，人们必须应付由所得的污染的水所造成的对环境的公害。
值得注意，从事开发将芯片和组件装配到PCB上的焊剂和焊接工艺的技术人员曾设想，至今进展甚微，在完成相应的焊接工艺时，在焊区、接触焊盘、针脚或通孔上基本不留离子残渣的焊剂。
具体而言，US专利4，940，498公开了一种由较大重量比的一元醇和较少重量比的水不溶混聚亚烷基二醇二烷基或二芳基醚组成的混合物，作为非腐蚀性焊剂材料的溶剂，以避免当焊接电子元件时(如在生产印刷电路元件中)形成不合适的焊剂残余物。同时，US专利4，940，498披露了将该溶剂混合物用于配制其中非腐蚀性焊剂材料为脂族羧酸的液态焊剂组合物时，获得有利结果，所述脂族羧酸可以为一元酸如丙酸，或优选二元羧酸如草酸、丁二酸、己二酸、癸二酸或苹果酸。但是，US专利4，940，498完全未涉及庚二酸。
本发明人已发现通过将庚二酸与两种有机溶剂混合可获得最有利的结果。此发现基于庚二酸不同于US专利4，940，498中披露的其它二元羧酸：即庚二酸具有较低的熔点(即约105℃)，并且在常规焊接方法涉及的温度下(如温度等于或大于约180℃)不分解。前一性能意味着庚二酸在较低的温度下开始助溶作用，而后一性能意味着这种助溶作用继续至进行焊接时的温度。后一性能同样重要，因为，若庚二酸在低于进行焊接时的温度下分解，则这将导致形成离子残余物。
与庚二酸相反，US专利4，940，498中给出的其它二元羧酸具有较高的熔化温度和／或在较低的温度下分解，因此导致形成离子残余物。例如，己二酸的熔化温度为153℃(参见化学和物理手册，第63版，CRC Press，p．C-81)，而丙二酸的熔化温度为135．6℃(参见Handbook of Chemistry andPhysics，第63版，CRC Press，p．C-364)。此外，丙二酸在温度140℃下分解(出处同上)，因此在常规焊接方法中使用丙二酸作为焊剂必然会导致形成离子残余物。
由于US专利4，940，498未给出各种二元羧酸之间的区别，因此US专利4，940，498中给出的二元羧酸很可能导致形成离子残余物，这正是本发明人试图避免的问题。
本发明涉及一种新的焊剂配方，在将电子元件，诸如芯片和芯片载体组件装配到PCB上所用的常规焊接工艺完成时，基本上不留离子残渣。值得注意，该配方包括庚二酸(HOOC(CM2)5CO6H)作为主要活性组分，即作为主要焊剂。此外，该配方包括两种有机溶剂第一种有机溶剂的挥发温度较低，如82．4℃，最好是异丙醇(异丙基醇类)。第二种有机溶剂的挥发温度较高，如约170℃，最好是丙二醇单丁基醚(亦称N-丁基丙烯甘醇酰)。虽然不是必要的，但配方最好还包括比较少量的水，最好是去离子水。
本发明目的是提供一种通过将庚二酸与两种有机溶剂混合获得不会导致形成离子残余物的新的焊剂组合物。
本发明的另一目的是提供一种包括庚二酸和两种有机溶剂的新焊剂组合物，该组合物不会导致形成离子残余物。
本发明的再一目的是提供一种通过用这种包括庚二酸和两种有机溶剂的新焊剂组合物，将电子元件装配到印刷电路板上的方法。
本发明还涉及新焊剂配方在把诸如芯片、芯片载体组件、电阻、电容等电子元件装配到PCB上所用的焊接工艺中的应用。
一种焊剂组合物，包括焊剂及第一种、第二种有机溶剂和水，其特征在于：
(a)所述焊剂为庚二酸，其存在量为1至6wt％；
(b)所述第一种有机溶剂的存在量为25wt％至75wt％；
(c)所述第二种有机溶剂的存在量为10wt％至35wt％，所述第二种有机溶剂具有比所述第一种有机溶剂更高的蒸发温度，所述第二种有机溶剂(ⅰ)可溶于所述第一种有机溶剂中，(ⅱ)在所述第一种有机溶剂从组合物中蒸发时能够将庚二酸基本上溶于所述组合物中；
(d)所述水的存在量为0至2wt％；以及
(e)其中，在所述焊剂组合物中所述焊剂，所述第一种有机溶剂、第二种有机溶剂以及所述水的相对含量百分数之和等于100％。
一种将电子元件装配到印刷电路板上的方法，所述电子元件包括支撑表面的元件接触焊盘，所述印刷电路板包括与所述元件接触焊盘相对应的支撑表面的板接触焊盘，所述元件接触焊盘和／或所述板接触焊盘支撑焊料层，其特征在于包括如下步骤：
将焊剂组合物涂于所述焊料层和／或所述元件接触焊盘上和／或所述板接触焊盘上，所述焊剂组合物包括：
(a)1至6wt％的庚二酸；
(b)25wt％至75wt％或更低的第一种有机溶剂；
(c)10wt％至35wt％的第二种有机溶剂，所述第二种有机溶剂具有比所述第一种有机溶剂更高的蒸发温度，所述第二种有机溶剂可溶于所述第一种有机溶剂中，并且在所述第一种有机溶剂从组合物中蒸发时能够将庚二酸基本上溶于所述组合物中；
(d)0至2wt％的水，所述第二种溶剂在所述第一种有机溶剂蒸发时能够将该水溶于所述组合物中；
(e)其中，在所述焊剂所述焊剂组合物中所述第一种有机溶剂、第二种有机溶剂以及所述水的相对含量百分数之和等于100％；
使所述电子元件与所述印刷电路板相对放置，以使所述焊料层基本上从所述的元件接触焊盘延展至所述板接触焊盘；
加热，以使所述焊料层的至少某些部位熔化和流动。
一种将电子元件装配到印刷电路板上的方法，其中电子元件包括从所述电子元件伸出的导电部件，并且印刷电路板包括从所述印刷电路板的第一表面向第二表面延伸的电镀通孔，其特征在于该方法包括如下步骤：
将焊剂组合物涂于所述导电部件和／或所述电镀通孔上，所述焊剂组合物包括：
(a)1至6wt％的庚二酸；
(b)25wt％至75wt％的第一种有机溶剂；和
(c)10wt％至35wt％的第二种有机溶剂，所述第二种有机溶剂具有比所述第一种有机溶剂更高的蒸发温度，所述第二种有机溶剂可溶于所述第一种有机溶剂中，并且在所述第一种有机溶剂从组合物中蒸发时能够将庚二酸基本上溶于所述组合物中；
(d)0至2wt％的水，所述第二种溶剂在所述第一种有机溶剂蒸发时能够将该水溶于所述组合物中；
(e)其中，在所述焊剂组合物中所述焊剂，所述第一种有机溶剂、第二种有机溶剂以及所述水的相对含量百分数之和等于100％；
在所述涂焊剂之前，当中或之后，将所述电子元件放在所述印刷电路板的第一表面附近，以使所述导电部件延展到所述电镀通孔之内，或放在所述的电镀通孔附近；以及
将液体焊料喷涂于所述印刷电路板的第二表面上及所述电镀通孔之内，如此所述的液体焊料从所述第二表面经所述的电镀通孔流向所述第一表面，接触到所述的导电部件。
本发明涉及一种新的焊剂配方，在将电子元件装配到PCB上所用的常规焊接工艺完成后，基本上不留离子残渣。因而，在焊接工艺完成时，无需用水清洗这类离子残渣，也就无需应付由离子残渣所污染的水所造成的对环境之公害。
本发明还涉及新焊剂配方在把芯片、芯片载体组件、电阻、电容等电子元件装置到PCB上所用的焊接工艺中的应用。
参照所附未按比例绘制的图1(a)-1(c)描述本发明。
图1(a)-1(c)示出了根据本发明的将所谓的倒装结构中的一半导体芯片装配到PCB上的工艺步骤。
新焊剂配方包括庚二酸(HOOC(CH2)5COOH)作为主要的活化组分，即作为主要焊剂。(应该指出，在室温下庚二酸是固体，其熔化温度大约是105℃)此外，该新的焊剂配方还包括两种有机溶剂，第一种溶剂挥发温度比较低，如82．4℃，而第二种溶剂挥发温度比较高，如170℃。虽然不是必不可少的，新焊剂配方最好还包括比较少量的水，最好是去离子水。应予指出，庚二酸、第二有机溶剂和水是溶于第一有机溶剂的。
第一有机溶剂最好是异丙醇(异丙基醇类其挥发温度为82．4℃。合用的异丙醇的替代物包括n-丙烯和苄基醇。如上所述庚二酸、第二有机溶剂(下面描述)。和水(若有的话)是溶于第一有机溶剂的。
第二种有机溶剂最好是丙二醇单丁基醚(亦称N-丁基丙烯甘醇醚)，其挥发温度大约170℃。丙二醇单丁基醚的合用替代物包括丙二醇单丙基醚和二甘醇单乙基醚，应予指出，当在下述的焊接工艺过程中第一种有机溶剂挥发时，则庚二酸(及水，若有的话)基本上溶于第二有机溶剂，直至在焊接工艺中第二有机溶剂挥发掉。
本发明的焊剂配方中的庚二酸的相对量大约在1wt％～6wt％的范围。若本发明的焊剂配方是比如用于半导体芯与PCB的焊接，则庚二酸的相对量最好是4．5wt％。庚二酸小于1wt％的相对量是不好的，因为这可以导致不充分的和／或不适当的焊剂作用，即除掉氧化层不充分和／或不适当和焊料表面张力减小得不充分。庚二酸的相对量大于6wt％也是不好的，因为这可导致，在常规焊接工艺完成后留下大量的有害的残渣。
第一有机溶剂，如异丙醇，在本发明中的相对量在大约25wt％～75wt％的范围。若本发明的焊剂配方是，比如用于半导体对PCB的焊接中，则第一有机溶剂的相对量最好是70．9wt％。
第一有机溶剂的相对量小于25wt％是不好的，因为相应的焊剂配方可能不是单相系，使用这些配方可能导致庚二酸的不良的非均匀分布。第一有机溶剂的相对量大于75wt％也是不好的，因为庚二酸的相应浓度已低得不可接受，因而相应的焊剂反应不充分。
第二种有机溶液，如丙二醇单丁基醚在本发明的焊剂配方中相对量大约在10wt％～35wt％的范围。若本发明的焊剂配方是，比如用于半导体芯对PCB的焊接，则第二有机溶剂的相对量最好是23．6wt％。第二有机溶剂的相对量小于10wt％是不好的，因为庚二酸有从溶液中脱溶的趋势，导致庚二酸不良的非均匀分布。第二有机溶剂的相对量大于35wt％也不好，因为庚二酸的相应浓度已低得不可接受，而相应的焊剂反应也不充分。
水，若用的话，在本发明的焊剂配方中的相对量在大约0％～2wt％的范围。水的作用，若用的话，在于提供带正电的离子，以加速起初的庚二酸的焊剂反应。若本发明的焊剂配方是，比如用于半导体对PCB的焊剂，水的相对量最好是0．9wt％。水的相对量大于2是不好的，因为这会大大增加使用本发明的焊剂配方留下离子的可能性。
举例来说，将4．8g的庚二酸、25g的丙二醇单丁基醚和1．0g的去离子水溶于75g的异丙醇中容易形成本发明的焊剂配方的一个用于半导体对PCB焊接的实施例。
如上所述，本发明不仅涉及新的焊剂配方本身，而且涉及将新焊剂配方应用于将电子元件装配到PCB上所用的焊接工艺。例如，在将半导体元件10(参见图1(a))，按俗称的倒扣芯片结构装配到PCB50(参见图1(b))，芯片结构10的含电路的表面20上为焊料层，即焊料球40设置了接触焊盘30。这些焊料层40所具有的组分包括，比如，90at％的铅(Pb)和10at％的锡(Sn)。值得注意，这种焊料层的熔化温度为281℃，在下述的焊接工艺过程中不熔化。
如图1(b)所示，在芯片10焊到PCB50之前，在PCB50的含有电路的表面60上为比较小的焊料层，即比较小的焊料球80设置了接触焊盘70。这些较小的焊料层80通过移画印花图案容易转移到堆放在接触焊盘70上。与芯片10所用焊料层40相对照，焊料层80所具有的组分包括37at％的Pb和63at％的Sn。这些焊料层80的熔化温度为183℃，在下述的焊接工艺过程中不熔化。
在芯片10对PCB50焊接之前，将本发明的焊剂配方涂到焊料层80和／或焊料层40，和／或PCB50上的接触焊盘70，和／或芯片10上的接触焊盘30上。这一点，比如使用一喷射器或一毛刷均容易做到。
将本发明的焊剂配方涂在有关的焊料区和／或接触焊盘上，如图1(c)所绘，使芯片10与PCB相对放置，以使焊料40与焊料层80接触。所以，这些接合的焊料层实质上已从芯片的接触焊盘30延伸到PCB的接触焊盘70。
当焊料层40和80相互接触时，将芯片10／PCB 50组合体放入，比如烘箱内加热，在加热过程中，烘箱的温度先升至约183℃，随后升至250℃。然后使烘箱温度下降至183℃，之后再降至室温。因此，焊料层80经受熔化并在焊料层40周围流动，在芯片10和印刷电路板50之间形成连续的冶金和电学的连接。然而清除这些连续的连接将是极为困难的，或许甚至是不可能的，没有必要做这样的清除，因为在完成焊接工艺时，基本上没有离子残渣留下。
在完成上述的焊接工艺时，最好用常规的技术，将PCB50和芯片10间的连续焊料连接包封在环氧树脂内。
若待装配到PCB上的电学元件，比如是个(无脚)芯片载体组件，含有至少一个半导体芯片，那么该组件很容易通过网印焊料层，装配到组件的无芯片的表面上的接触焊盘上。然后，将本发明的焊剂配方用一比如喷洒器或一毛刷涂到焊料层和／或组件接触焊盘和／或PCB接触焊盘上。然后，将组件与PCB相对放置，使组件接触焊盘的焊料层与PCB接触焊盘的焊料层接触。这样，这些接合的焊料层基本上从组件接触焊盘伸展到PCB接触焊盘。然后让组件焊料层接触PCB焊料层，比如在烘箱中加热组件／PCB组合体，以熔化组件焊料层和／或PCB焊料层。
与上述对照，若待装配到PCB上的电子元件，比如说是一插脚芯片载体组件，含有至少一个半导体芯，首先将本发明焊剂配方涂到组件针脚和／或PCB内对应通孔的内壁上，则容易装配该组件。这一点，在组件针脚插入通孔之前、在组件针脚插入通孔之时，或在组件针脚插入通孔之后，均容易作到。最好，在将组件针脚插入通孔之后，比如通过把组件／PCB组合体放在传送带上，让组合体通过焊剂射流或焊剂喷洒器来实现这一点。这种焊剂射流或焊剂喷洒器使本发明的焊剂配方喷射到PCB的底表面上及通孔内。射上的焊剂被吸到通孔之内，这样就使本发明的焊剂配方涂到通孔的内壁及组件的针脚上。然后，最好用传送带使组件／PCB组合件通过焊料射流。将流体焊料射到PCB的底表面及通孔之内。该液体焊料也被吸入通孔，填充通孔，在冷却和固化后，使针脚包封在通孔之内。
若待装配到PCB上的电子元件，比如是分离的无源电子元件，如电阻或电容，针脚代之以引线，则这种电子元件容易用与插脚芯片载体组件所用的工序几乎相同工序装配。唯一的差别在于，分离无源电子元件的引线不放在通孔之内。而是使这些引线放在通孔附近，如使这些引线与通孔周围的焊区接触。因而，当元件／PCB组合体通过焊剂射流或焊剂喷洒器时，本发明的焊剂配方被吸到通孔内，引线上及引线的底部。类似地，当元件／PCB组合体通过焊料射流、液体焊料被吸到通孔之内，通孔四周的焊区及引线的底部。
虽然参照优选实施例具体地表明和描述了本发明，但对本领域的技术人员应当明了，在脱离本发明的精神和范畴的前提下，可以做出各式各样的形式上的和细节上的变化。

Claims (9)

1．一种焊剂组合物，包括焊剂及第一种、第二种有机溶剂和水，其特征在于：
(a)所述焊剂为庚二酸，其存在量为1至6wt％；
(b)所述第一种有机溶剂的存在量为25wt％至75wt％；
(c)所述第二种有机溶剂的存在量为10wt％至35wt％，所述第二种有机溶剂具有比所述第一种有机溶剂更高的蒸发温度，所述第二种有机溶剂(i)可溶于所述第一种有机溶剂中，(ii)在所述第一种有机溶剂从组合物中蒸发时能够将庚二酸基本上溶于所述组合物中；
(d)所述水的存在量为0至2wt％；以及
(e)其中，在所述焊剂组合物中所述焊剂、所述第一种有机溶剂、第二种有机溶剂以及所述水的相对含量百分数之和等于100％。
2．权利要求1的组合物，其特征在于所述第二种溶剂选自丙二醇单丁基醚、丙二醇单丙基醚和二甘醇单乙基醚。
3．权利要求2的组合物，其特征在于所述第一种有机溶剂选自异丙醇、n-丙醇和苄基醇。
4．一种将电子元件装配到印刷电路板上的方法，所述电子元件包括支撑表面的元件接触焊盘，所述印刷电路板包括与所述元件接触焊盘相对应的支撑表面的板接触焊盘，所述元件接触焊盘和／或所述板接触焊盘支撑焊料层，其特征在于包括如下步骤：
将焊剂组合物涂于所述焊料层和／或所述元件接触焊盘上和／或所述板接触焊盘上，所述焊剂组合物包括：
(a)1至6wt％的庚二酸；
(b)25wt％至75wt％或更低的第一种有机溶剂；
(c)10wt％至35wt％的第二种有机溶剂，所述第二种有机溶剂具有比所述第一种有机溶剂更高的蒸发温度，所述第二种有机溶剂可溶于所述第一种有机溶剂中，并且在所述第一种有机溶剂从组合物中蒸发时能够将庚二酸基本上溶于所述组合物中；
(d)0至2wt％的水，所述第二种溶剂在所述第一种有机溶剂蒸发时能够将该水溶于所述组合物中；
(e)其中，在所述焊剂组合物中所述焊剂，所述第一种有机溶剂、第二种有机溶剂以及所述水的相对含量百分数之和等于100％；
使所述电子元件与所述印刷电路板相对放置，以使所述焊料层基本上从所述的元件接触焊盘延展至所述板接触焊盘；
加热，以使所述焊料层的至少某些部位熔化和流动。
5．权利要求4的方法，其特征在于所述第二种有机溶剂选自丙二醇单丁基醚、丙二醇单丙基醚和二甘醇单乙基醚。
6．权利要求5的方法，其特征在于所述第一种有机溶剂选自异丙醇、n-丙醇和苄基醇。
7．一种将电子元件装配到印刷电路板上的方法，其中电子元件包括从所述电子元件伸出的导电部件，并且印刷电路板包括从所述印刷电路板的第一表面向第二表面延伸的电镀通孔，其特征在于该方法包括如下步骤：
将焊剂组合物涂于所述导电部件和／或所述电镀通孔上，所述焊剂组合物包括：
(a)1至6wt％的庚二酸；
(b)25wt％至75wt％的第一种有机溶剂；和
(c)10wt％至35wt％的第二种有机溶剂，所述第二种有机溶剂具有比所述第一种有机溶剂更高的蒸发温度，所述第二种有机溶剂可溶于所述第一种有机溶剂中，并且在所述第一种有机溶剂从组合物中蒸发时能够将庚二酸基本上溶于所述组合物中；
(d)0至2wt％的水，所述第二种溶剂在所述第一种有机溶剂蒸发时能够将该水溶于所述组合物中；
(e)其中，在所述焊剂组合物中所述焊剂，所述第一种有机溶剂、第二种有机溶剂以及所述水的相对含量百分数之和等于100％；
在所述涂焊剂之前，当中或之后，将所述电子元件放在所述印刷电路板的第一表面附近，以使所述导电部件延展到所述电镀通孔之内，或放在所述的电镀通孔附近；以及
将液体焊料喷涂于所述印刷电路板的第二表面上及所述电镀通孔之内，如此所述的液体焊料从所述第二表面经所述的电镀通孔流向所述第一表面，接触到所述的导电部件。
8．权利要求7的方法，其特征在于所述第二种有机溶剂选自丙二醇单丁基醚、丙二醇单丙基醚和二甘醇单乙基醚。
9．权利要求7的方法，其特征在于所述第一种有机溶剂选自异丙醇、n-丙醇和苄基醇。
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