CN106992127B - 一种极少产生焊料表面悬浮氧化物颗粒的共晶贴片方法 - Google Patents

一种极少产生焊料表面悬浮氧化物颗粒的共晶贴片方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种极少产生焊料表面悬浮氧化物颗粒的共晶贴片方法，针对高可靠封装领域中的共晶贴片过程中，需要对共晶贴片过程产生的焊料表面悬浮氧化物颗粒进行有效控制的场合。本发明通过一种简单有效的氮气流动方式，实现了小型半密封腔体的局部高纯氮气环境，基于高速流动的惰性气体保护下焊料表面氧化膜破裂融入内部理论，使焊料本身存在的自然氧化表面，及共晶贴片过程中产生的氧化物悬浮颗粒融入焊料内部，形成新的光亮圆润的焊料表面，在共晶贴片后的焊料表面极少产生悬浮氧化物颗粒，防止在封装腔体中形成可动颗粒而导致器件失效。该方法简单有效，无可燃性氢气的引入，工艺过程安全可靠。

Description

一种极少产生焊料表面悬浮氧化物颗粒的共晶贴片方法
技术领域
本发明属于高可靠半导体封装领域，涉及一种极少产生焊料表面悬浮氧化物颗粒的共晶贴片方法。
背景技术
高可靠陶瓷或金属封装的电子元器件对封装有十分严格的要求，其中，PIND检测试验(粒子碰撞噪声检测，GJB548B-2005，方法2020.1)是军用电子元器件检测的重要要求之一。封装腔体中的可动颗粒物，可能在电路使用过程中，因发射、震动而随机移动，碰撞损伤芯片表面或键合引线，造成电路短路、断路等误动作，具有极大的危害性。研究表明，Sn基焊料因其本身极易氧化形成Sn2O、SnO2等氧化物，在空气中表面已自然氧化而形成极薄的氧化膜，在后续的共晶贴片过程中，氧化膜破裂堆积在焊料表面，所以，封装体内部可动颗粒的主要来源之一是共晶贴片过程中产生的焊料悬浮氧化物颗粒。
国内外对控制该悬浮氧化物颗粒也采取了一定的方法，如在共晶贴片过程中引入助焊剂，但助焊剂的引入，可能对芯片表面及侧面造成不可预计的沾污，同时，助焊剂对封装体内部的气氛也有极大的影响，可能造成封装腔体内水汽等气氛含量超标而使器件失效。第二种方法是在共晶贴片过程中使用N2/H2混合气体，但氢气是易燃气体，对安全生产提出了更高的要求，亦不适用于批量生产加工过程。第三种方法是使用氮气作为保护气体，但普通的氮气腔体，或为全密封状态，氮气不能高速流动，且无法实现分步骤放置管壳、焊料、持芯片共晶摩擦等过程，或为半敞开状态，氮气在流动的过程中附带空气混杂而使其纯度不高，未能实现共晶区域的局部高纯氮气环境，或不能快速流过焊料表面而使焊料表面本身的氧化膜无法破裂，无法形成新的无氧化表面，或加热器功率不足，无法迅速补偿由于快速热对流造成的热量损失，未能达到共晶贴片后焊料表面形成新的光亮圆润的表面的目的。以上方法，均未能从根本上解决共晶贴片过程中产生的焊料悬浮氧化物颗粒问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种极少产生焊料表面悬浮氧化物颗粒的共晶贴片方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
1.一种极少产生焊料表面悬浮氧化物颗粒的共晶贴片方法，所述方法包括以下步骤：
(a)将小型半密闭共晶贴片装置中的加热板通电预热，温度达到200℃并稳定后，从小型半密闭腔体侧面氮气进气口通入氮气30秒，将管壳置于加热板上，盖上中心有边长为8～12mm正方形开孔的平板上盖，在管壳上放置焊料片，用共晶吸头抓取芯片按压于焊料片上，施加80g-100g的压力使芯片底面通过焊料片与管壳紧密接触；
(b)保持连续通入氮气，使加热板迅速升温至360℃±10℃，用共晶吸头携带芯片与焊料片施加在管壳水平横向和纵向的摩擦，共晶贴片结束后，直至加热板冷却至200℃以下，关闭氮气，共晶吸头离开芯片表面，共晶贴片过程完成。
进一步，所述氮气纯度须≥99.999％。
进一步，所述通入氮气的流速20L/min以上，且流经熔化后的焊料表面。
进一步，使加热板迅速升温至360℃±10℃，升温速率不低于100℃/秒。
进一步，其特征在于，加热板的功率≥1000W。
进一步，其特征在于，所述焊料片的组分为Pb92.5Sn5Ag2.5。
进一步，其特征在于，所述摩擦的次数为10-15次。
2.一种极少产生焊料表面悬浮氧化物颗粒的共晶贴片方法使用的小型半密闭共晶贴片装置，其特征在于，小型半密闭腔体(1)无顶部，中心有边长为8～12mm正方形开孔的平板上盖(2)可覆盖在小型半密闭腔体(1)上，小型半密闭腔体(1)侧面设有氮气进气口(3)，加热板(4)安装在腔体底部。
本发明的有益效果在于：基于高速流动的惰性气体保护下焊料表面氧化膜破裂融入内部理论，本发明所提供的一种极少形成产生焊料表面悬浮氧化物颗粒的共晶贴片方法，能够实现在共晶贴片过程中，有效地使焊料表面形成新的洁净、光亮、圆润的表面，焊料表面无悬浮氧化物颗粒堆积或粘附，不会造成封装腔体中的可动颗粒物而使器件失效，同时满足GJB548B-2005中，方法2019.2，芯片剪切强度测试要求，和GJB548B-2005中，方法2012.2，X射线照相测试的要求，一方面，极大的提升了封装成品率，减少筛选不合格率，另一方面，极大地提升器件可靠性。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为小型半密闭共晶贴片装置及共晶贴片方法示意图；其中1为小型半密闭腔体，2为中心有边长为8～12mm正方形开孔的平板上盖，3为氮气进气口，4为加热板，5为镀金管壳底座，6为芯片，7为共晶吸头；
图2为实施例1陶瓷镀金管壳共晶贴片后焊料表面形貌图；
图3为氮气流量低于20L/min的陶瓷镀金管壳共晶贴片后焊料表面形貌图；
图4是实施例2金属镀金管壳共晶贴片后焊料表面形貌图；
图5是氮气流量低于20L/min的金属镀金管壳共晶贴片后焊料表面形貌图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
实施例1陶瓷镀金管壳共晶贴片
图1为小型半密闭共晶贴片装置及共晶贴片方法示意图，小型半密闭腔体1顶部为中心有边长为8～12mm正方形开孔的平板上盖2(可取下)，在小型半密闭腔体1上制作氮气进气口3，腔体内有功率≥1000W的加热板4，将安装在小型半密封共晶腔体中的加热板4通电使其预热温度达到200℃并稳定后，从腔体侧面连续通入氮气纯度≥99.999％的高纯氮气30秒，氮气流量大于20L/min，以通过置换的方法排除腔体中的空气，将陶瓷镀金管壳5置于加热板4上，盖上中心有边长为8～12mm正方形开孔的平板上盖2，在管壳底座上放置Pb92.5Sn5Ag2.5焊料片，用共晶吸头7抓取芯片6后，按压于焊料片上，施加80g-100g的压力使芯片底面通过焊料片与管壳底座紧密接触。保持连续通入高纯氮气，同时通过温控器控制，使加热板以不低于100℃/秒的升温速率迅速升温至360℃±10℃，用共晶吸头携带芯片与管壳底座上的焊料片施加以沿陶瓷镀金管壳水平横向、纵向的摩擦10-15次，共晶贴片结束后，直至加热板冷却至200℃以下，再关闭氮气，共晶吸头离开芯片表面，共晶贴片过程完成。
图2为本实施例陶瓷镀金管壳共晶贴片后光亮圆润无颗粒堆积的焊料表面形貌，图3为同样操作步骤下氮气流量为18L/min的共晶贴片后凹凸不平氧化物颗粒堆积的焊料表面形貌。由图2、图3对比可知，在小型密闭腔体通入20L/min流量的氮气以保证氮气快速流过焊料表面，使共晶贴片过程中产生的氧化物悬浮颗粒融入焊料内部，形成新的光亮圆润的焊料表面，对共晶贴片过程产生的焊料表面悬浮氧化物颗粒能实现有效的控制，防止在封装腔体中形成可动颗粒而导致器件失效；而图3显示在低速的氮气下，密闭腔体中，氮气无高速流动，一方面腔体中气体置换速率不足，不足以形成共晶贴片区域的局部高纯氮气环境，另一方面，氮气不能快速流过焊料表面而使焊料表面本身的氧化膜破裂并形成新的无氧化表面，在共晶贴片的过程中，焊料表面本身的氧化膜，以及二次生成的氧化物沿焊料表面逐渐悬浮堆积，最终形成贴片后凹凸不平氧化物颗粒堆积的焊料表面。
本技术方案的优点：1)、该方法的应用场合为高可靠性封装领域，实现将芯片以共晶贴片的方式固定在管壳或基板的底座；2)该工艺过程使用的气体为高纯氮气(纯度≥99.999％)；3)该方法可通过使用小型半密闭腔体的办法，实现局部高纯度氮气环境；4)该方法共晶过程中，氮气必须高速流动，流速至少达到20L/min；5)该方法过程须使用功率≥1000W的加热器，使氮气流动形成热对流造成的热量损失得以迅速补偿；6)该方法过程中，必须全程开启氮气高速流动保护，氮气快速流过焊料表面；7)在共晶过程中，须对芯片与基板之间施加以10次-15次数的摩擦，使焊料表面本身的氧化膜破裂；8)共晶过程结束后，须将加热板冷却至200℃及以下，再关闭氮气保护。
实施例2金属镀金管壳共晶贴片
图1为小型半密闭共晶贴片装置及共晶贴片方法示意图，1为小型半密闭腔体，小型半密闭腔体1上方为中心有边长为8～12mm正方形开孔的平板上盖2(可取下)，在小型半密闭腔体1上制作氮气进气口3，腔体内有功率≥1000W的加热板4，将安装在小型半密封共晶腔体中的加热板4通电使其预热温度达到200℃并稳定后，从腔体侧面连续通入氮气纯度≥99.999％的高纯氮气30秒，氮气流量大于20L/min，以通过置换的方法排除腔体中的空气，将金属镀金管壳5置于加热板4上，盖上中心有边长为8～12mm正方形开孔的平板上盖2，在金属镀金管壳上放置Pb92.5Sn5Ag2.5焊料片，用共晶吸头7抓取芯片6后，按压于焊料片上，施加80g-100g的压力使芯片底面通过焊料片与管壳底座紧密接触。保持连续通入高纯氮气，同时通过温控器控制，使加热板以不低于100℃/秒的升温速率迅速升温至360℃±10℃，用共晶吸头携带芯片与管壳底座上的焊料片施加以沿金属镀金管壳水平横向和纵向的摩擦10-15次，共晶贴片结束后，直至加热板冷却至200℃以下，再关闭氮气，共晶吸头离开芯片表面，共晶贴片过程完成。
图4为本实施例金属镀金管壳共晶贴片后光亮圆润无颗粒堆积的焊料表面形貌，图5为同样操作步骤下氮气流量为低于20L/min的共晶贴片后凹凸不平氧化物颗粒堆积的焊料表面形貌。
本技术方案所采用小型半密闭共晶贴片装置如图1所示，小型半密闭腔体1腔体底面和侧面均为全密封，顶部为可取下的中心有边长为8～12mm正方形开孔的平板上盖2，以防止因氮气的流动带入空气，氮气从小型半密闭腔体1侧面氮气进气口3进入，当氮气通入时，持续不断向开口的快速流动，实现共晶贴片区域的局部高纯氮气置换，并快速流经熔化后的焊料表面，以使焊料表面产生的氧化物颗粒融入焊料内部，形成新的光亮圆润的焊料表面；加热板4安装在腔体底部，电源与外界相连，电源与腔体用高温胶气密性密封。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种极少产生焊料表面悬浮氧化物颗粒的共晶贴片方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
（a）将小型半密闭共晶贴片装置中的加热板通电预热，温度达到200℃并稳定后，从小型半密闭腔体侧面氮气进气口通入氮气30秒，将管壳置于加热板上，盖上中心有边长为8~12mm正方形开孔的平板上盖，在管壳上放置焊料片，用共晶吸头抓取芯片按压于焊料片上，施加80g-100g的压力使芯片底面通过焊料片与管壳紧密接触，所述通入氮气的流速20L/min以上，且流经熔化后的焊料表面；
（b）保持连续通入氮气，使加热板以不低于100℃/秒的速率升温至360℃±10℃，用共晶吸头携带芯片与焊料片施加在管壳水平横向和纵向的摩擦，共晶贴片结束后，直至加热板冷却至200℃以下，关闭氮气，共晶吸头离开芯片表面，共晶贴片过程完成。
2.如权利要求1所述的共晶贴片方法，其特征在于，所述氮气纯度须≥99.999%。
3.如权利要求1所述的共晶贴片方法，其特征在于，加热板的功率≥1000W。
4.如权利要求1所述的共晶贴片方法，其特征在于，所述焊料片的组分为Pb92.5Sn5Ag2.5。
5.权利要求1所述的共晶贴片方法，其特征在于，所述摩擦的次数为10-15次。
6.权利要求1所述的共晶贴片方法使用的小型半密闭共晶贴片装置，其特征在于，小型半密闭腔体（1）顶部为可取下中心有边长为8~12mm正方形开孔的平板上盖（2），小型半密闭腔体（1）侧面设有氮气进气口（3），加热板（4）安装在腔体底部。
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