CN1110937A - 焊接或锡焊前金属表面的干式焊剂处理方法和所用设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用合金焊接或锡焊前金属表面的干 式焊剂处理方法。按此方法、在接近大气压的压力 下，用包含活化的或不稳定的物质和基本上无电荷的 物质的气态处理气氛，处理特焊剂处理的表面，处理 气氛是由主要混合气体(8)和选用的相邻混合气体 (9、10)获得的，主要混合气体在形成活化的或不稳定 的气体物质用的至少一个装置(11、4、12)的出气口 获得，在该装置中，包含惰性气体和/或还原气体和 /或氧化气体的初始混合气体(7)被转换，相邻气体 不通过该装置。

Description

本发明涉及电子工业中通常包括的焊接或锡焊操作前的金属表面焊剂的处理，特别涉及下列操作前包括的焊剂处理：

-电子元件焊接到电路上（包括插入元件和表面组装的元件两种情况）;

-连接带焊接到电子支撑件上，使其有可能将该支撑件连接到其它支撑件上（这里所述的，可能是例如混合电路，或用这些连接带插入印刷电路的印刷电路，或其它可以用其连接边缘插入连接件的混合电路或印刷电路）;

-电路焊接到外壳底板上（这些电路的封装过程中所包括的焊接）;

-封装过程中的焊接;

-裸露芯片焊接到如印刷电路，混合电路，或其它如称之为MCM（多芯片组件）基片的多层互连基片上;

-电子元件引线的锡焊。

焊剂的作用是清洁待焊接或锡焊的金属表面（去油，除去氧化物、净化吸附层等），以便使这些表面随后易于被焊料浸润。

该焊剂处理通常是采用在树脂基料中加入特定的酸性化合物制成的化学焊剂进行的口焊接后，工件上残留有剩余焊剂。通常要求制造者进行清洁处理，最常用的清洁剂是氯化溶剂，该溶剂清洁处理表明在裸片清洁处理中存在很大问题，因为裸片易碎，而且更严重的问题是，在“蒙特利尔条约”的条款中严格规定，甚至在某些国家完全禁止，使用这类氯化溶剂。

焊接操作用的两种最通用的方法是称之为“波峰焊”和“回流焊”。

在第一种情况下（波峰焊机），波峰焊机应设计成待焊接或锡焊的工件应进入与一个或多个液体焊料波接触，而焊料波是通过喷嘴在容器中产生焊料浴循环来获得的。

工件（例如，已将元件搭接在其上的电路或待锡焊的元件）通常在焊机的前端区中用预焊剂喷雾或焊泡泡沫进行焊剂预处理，焊剂处理之后进行预热处理，使预先淀积在电路上的焊剂活化，并使电路或元件到达焊区之前预热。有一个传输系统将工件从焊机的一个区送至另一个区。

这些焊机通常是曝露于环境气氛的。

在第二种方法中（回流焊），它是使用多项技术完成的，其中不再使用液体焊料浴，而是使用含有焊料合金的焊膏（焊膏组分中包括焊剂），焊膏附着在支撑件上（装上元件之前的电路，待封装的包封壳的边缘，或包封壳底），并给它加一定的热量，使它可以熔化金属合金。通常在连续炉内进行该热传输。

在这两种情况（波峰焊或回流焊）下，都存在上述的焊接之后的清洁处理问题，通常使用的氯化溶剂是蒙特利尔条约及其随后的修定文本中严格限制的。

因而，该问题促使全世界范围内在过去几年里进行了大量研究工作，企图找出代替这些化合物的溶剂。

在关注的各种溶剂中，认为在焊接之前可以用等离子清洁，从而避免使用化学焊剂，因而避免随后的清洁处理的实际需要。在所使用的混合物中特别关注氢。

在这领域，作过说明的文献有EP-A-0427020，它提出用处理气体的等离子处理待焊的组件，建议用低压进行该处理，“以避免对组件造成热损坏”。提供的全部实例，结合所提供的附图，表明压力条件的变化范围是30-100Pa。

在有关的文献EP-A-0371693中做了同样的说明，该文献涉及了用含氢的微波等离子在焊接前清洁金属表面的方法。这里再次建议（并通过实例说明），用低压“以便有可能限制等离子中的剩余氧量”。

尽管存在获得这种压力在费用上的缺陷，或其他关于生产线中的基础设施中存在的困难，但人们一致的意见还是建议用低压条件进行这种等离子清洁处理，这毫无疑问地要涉及技术和工艺上的困难，即在大气压下获得性能可与低压下按传统方法获得的比拟的等离子的困难。

本文中，引入属于申请人公司的，文献FR-A2697456中的内容，作为参考。最近提出的焊接前用等离子焊剂处理金属表面的方法，为了在大气压下产生等离子，使用微波源或电晕放电，这是通过设置在待处理工件上的电介质层中的适当位置的狭缝传输的，微波源或其他电晕放电。尽管该申请提供了一种解决该问题的有益的方法。申请人公司建议所提出的方法可以改善。特别对下述各方面改进：

-它的效率（产生等离子的输入功率与同待处理支撑件之间的实际反应的生成物质密度之比），或其他所获得的功率密度（辉光放电情况下，每单位电介质表面积只达到几瓦），假若增大功率密度则可缩短处理时间，

-并有“几何”因素限制：辉光放电中，电极与样品之间的距离要求很严格，而且，必须保持在很小，它可能在基片表面结构是相对盘旋的情况下出问题，微波放电情况下，会形成等离子产生的亮斑，亮斑的大小由等离子源限定。

-而且，本文献中包括的，所产生的等离子，由于清晰度、离子物质和电子（和带电荷物质），使其它难于用在电子元件上。

同样，申请人公司最近提出的，文献FR-A-2692730中的内容已包括在这里作为参考，产生活化的或不稳定的气体分子的设备主要在大气压力力下操作，并提供改善的能量密度。

本文中的发明目的是，提出一种焊接或锡焊前金属表面干式焊剂处理的改进方法，并使其可能：

-基本上在大气压下操作;

-待处理工件与实施该处理用的设备之间的距离有很大的伸缩性;

-避免工件与带电荷物质接触;

-提供改善的功率密度，使其有可能获得高的处理速度。

为实现该目的，根据本发明，用合金焊接或锡焊前的金属表面的干式焊剂处理方法，其特征是，在接近大气压的压力下，用含活化的或不稳定的物质，和基本上不带电荷物质的气态处理气氛，处理待焊剂处理表面。

根据本发明，术语“金属表面”是指那些可以焊接或锡焊的任何类型的金属表面，例如，无论是钢、铜、铝、锡、铝、锡/铅、锡/铅/银，或其它合金，例如柯伐合金，当然，这里所列的材料只是一些代表，但并不受此限制。

根据本发明的焊接或锡焊“合金”可以由任何组分构成，它们可以是这些操作（例如回流焊或在波峰焊机中，或其它波锡焊中）中适用的组分，例如锡-铅、锡-铅-银、铅-锢等。

根据本发明，“接近大气压的压力”是指压力范围最好是[0.1×10⁵pa-3×10⁵pa]。

根据本发明，术语“带电荷物质”是指离子或电子。根据本发明的处理气氛与传统的等离子气氛不同，传统的气氛基本上是不带电荷的物质，也就是说它不是离子或电子。

处理气氛最好是由主要混合气体及选用的相邻混合气体获得，主要混合气体是在至少一个形成活化的或不稳定气态物质的装置的气体出口处获得的，在该装置中转换包括惰性气体和/或还原气体和/或氧化气体的初始混合气体，相邻混合气体来通过设备。

该结构可以称为“后放电”，因为，包括活化的或不稳定的气态物质的处理气氛的主要初组分，是在装置的出口处获得的，这就保证在该主要初组分中基本上没有任何带电荷物质。未通过该装置的处理气氛的相邻组分更不必说，它没有这些物质。

而且，这种结构，使其有可能将气氛的主要组分的产生位置与它的使用位置明显地分开，对装置的污染而言，有明显的好处（防止表面焊剂处理中产生的各种排放物，对那些在设备中未处理的工件造成最后的污染，例如在电极之间放电），可从上述的“距离”的较好伸缩性中获益。

惰性气体可以是，例如氮、氩、氦、或这些惰性气体混合物。还原气体可以是，例如氢，CH₄或其它氨，或这些还原气体的混合物。氧化气体可以是，就它的成分而言，例如氧、或CO₂、或其他N₂O、H₂O、或这些氧化气体的混合物。当然，所列的各种气体仅仅是代表，并不受此限制。

根据本发明的装置，是这样构成的它可“活化”初始混合气体，以便在所述装置的出气口，获取包括不稳定的或活化的物质的另一种混合气体，而后一种混合气体基本上是不带电荷的物质。这种活化，例如可以用放电、用辉光放电获得。

正如本领域的普通技术人员将要清楚地看到的，根据本发明的焊剂处理方法使其有可能用单个装置的气体出口处获得的主要混合气体进行处理，或用在待处理工件的宽度范围内并排设置的多个装置处理，或用在串连设置的多个装置的气体出口处获得的主要混合气体进行连续处理。

同样，正如本领域的普通技术人员将会清楚地看到的，根据本发明的方法可以根据用户提出的要求，可以对待处理工件的单面处理，也可以对待处理工件的需焊剂处理的两面处理。后一种情况下，要将所需的设备安排在工件的各个表面前方。

根据本发明的相邻气体可以由任何气体或混合气体组成，例如惰性气体或有可能按需要保持的惰性气体混合物，在样品周围的保护气体，或其它的还原气体或氧化气体，或三种所列气体之一的一种气体混合物。

根据本发明的一个方案，相邻混合气体包括碳烷SiH₄。这种含硅烷的相邻混合气体的存在有利于还原待处理工件表面上存在的某些金属氧化物，而且，根据所用的初始混合气体，还用作如氧“除气剂”（或收集阱），也就是说对与待处理工件上存在的气氛中的剩余氧之间的相互作用有利，其目的是使这种剩余氧量减到最小。

根据本发明的另一方案，对待处理的表面加热，使其温度在环境温度与随后进行焊接或锡焊所用合金的熔化温度之间。该温度上限由所用合金确定，例如，在通常使用锡63-铅37或锡62-铅36-银2的合金情况下，上限温度在180℃左右。

根据本发明的一个方案，把有金属表面或待处理表面的工件送入装置的气体出口前，也可选择，送入在工件宽度范围内并排设置的多个装置的气体出口前，和/或连续地送入串连设置的多个装置的气体出口前，利用传输系统通过由复盖结构确定的内部空间（例如隧道或一组单个的罩），复盖结构并与周围环境隔绝，所述结构以密封方式连接到所述装置或包括其所述装置。

上述说明同样适用于此处有关的双面处理（工件各面前用的设备数量和配置这里也足够了）。

根据本发明的一个实施例，转换所述初始混合气体的装置是位于第一电极与第二电极之间产生放电的位置，在至少一个电极面对另一电极的表面上设置电介质材料层，初始混合气体通过与电极垂直的放电。

设备中使用的功率，按每单位表面积的电介质的标称值最好是大于1w/cm²，优选的是大于10w/cm²。

根据本发明的一个实施例，与待处理工件沿传输带连续地相遇的处理气氛按下述方式分成区段：

a）至少有一台形成活化的或不稳定气体物质用的装置对所述结构中的前级装置所转换过的不同的初始混合气体进行转换，和/或

b）在至少一台形成活化的或不稳定的气体物质用的设备的级别中所用的相邻混合气体与所述设施的前级设备所用的气体不同。

根据本发明的一个实施例，上述步骤a）和b）可以用一个装置和同样的另个装置进行。

因此，有可能用混合气体，降低从一台到其它装置增大的功率。

根据本发明的一个方案，离开所述结构，工件进入焊接和锡焊工件的焊机内，如果需要，在工件从所述结构中出来到进入所述焊机之间工件应保持在保护气氛中。所称的保护气氛在这种情况下主要是惰性气氛，其中的剩余氧含量不超过几百ppm，甚至是100ppm。

根据本发明的另一个方案，所述的焊接或锡焊操作实际是在复盖结构中完成的（例如在隧道中完成的），位于设备的后端区。

本发明还涉及焊接或锡焊前金属表面的干式焊剂处理设备。特别适用于实施本发明的方法，包括，一个复盖结构，它限定了一个内部空间，传输有金属表面或待焊剂处理表面的工件的传输装置通过该内部空间，该结构与环境气氛隔绝，并包括或封闭形成活化的或不稳定的气体物质用的一个或以串连和/或并排方式安装的多个装置，包括至少一个具有中轴并在外电极与内电极之间形成的管形气体通道，至少一个电极在面对另一电极的表面上包复电介质，与高压高频电源连接，包围电介质的外电极，并具有所谓初始气体的入口和所谓主要气体的出口、电极纵向延伸，与中轴平行并基本上相互正对，所述气体出口从所述的复盖结构里边露出，并可选择地装有至少一个喷射装置，由此喷射所述的不通过所述的单个装置或多个装置的相邻气体，如果需要，设备还包括用于加热待处理工件的加热装置。

本发明的其它特征和优点通过以下结合附图对实施例的说明变得更清楚。这些实施例仅仅是为说明发明，而不是对发明的限制。

图1是适用实施本发明的方法的设备示意图。

图2是通用于实施本发明的方法的形成活化的或不稳定的气体物质用的装置剖视图;

图1中示出具有待用焊剂处理的金属表面的工件1，用传送带2将其送入形成活化的或不稳定的气体物质用的装置4的气体出口6之前。

传输系统2通过的内部空间31由隧道3限定的，最好以密封方式连接到装置4。

8处示意地显示出在装置的出口6处获得的原始混合气体。原始混合气体8是由设备的进气口5进入设备的初始混合气体7获得的。

图1中所示实施例还示出有相邻混合气体用的进口9、10。由相邻混合气体9、10和原始混合气体8获得的气态气氛构成本发明的处理气氛30。

图1所示的实施例中没有示出形成活化的或不稳定的气体物质用的附加装置，其位置应在11、12处，与第一个装置4串连，并与工件1连续相遇。

然后，由装在13和29处的其他相邻混合气体入口，完成设备的构成。

如果需要，还可以在设备中安装图1中未标出的对工件1的加热装置。安放在隧道中的红外灯或对流加热（热隧道壁）或使工件放在加热基体夹具上，均可考虑作为加热装置。

如图2所示实施例，该实施例用的装置具有圆筒形几何形状，包括第一管形电极14，例如由金属块体15的内表面构成，其中组合地安装有例如陶瓷的电介质材料管16，与其同心安放第二电极17，为清晰起见，它的厚度在图2中被放大了，而且是通过在电介质管上的金属化来附着的。

组合的电介质16和第二电极17，与第一电极14一起，限定出管状气体通道18及内部空间19，冷却剂在其中循环，冷却剂最好用有负电特性的氟利昂或去离子水。内部气体通道18的轴向距离不足1米，典型地小于50厘米，其径向厚度不超过3毫米，典型地不超过2.5毫米。

金属块作15有两个正对的纵向狭缝20和21，分别形成在通道18中的活化的初始气体的入口和包含活化的或不稳定的气体物质的原始气流的出口。

槽20和21在空腔18的全轴长度上退伸，图2所示实施例的情况下，其高度不超过空腔厚度，典型地与后者相等。金属块体15最好包括设置在第一电极外围上的使冷却剂如水通过的多个管孔22。进气孔与均气室或储气室23连通，储气室23形成在附着于金属块体15的壳体24中，并包括在0.1×10⁵pa与3×10⁵pa之间的压力下供给来自初始气体源26的初始气体的管道25。电极14和17连接到高压高频电源发生器27，电源发生器27最好在15Khz以上的频率下工作，输出功率例如在10KW数量级。电源发生器输出的功率最好按每单位表面积的电介质的标称值来表示。

可以在出气口21处输出的含有活化的物质的气流送入使用站28，例如送入待进行焊剂处理的金属表面。

下面参照图1所述的设备，其中装有一个图2所述的装置，详细说明完成本发明的四个实施例，并提供了两个比较例。

对于第一实施例，将尺寸为0.3×50×50mm的电子级铜样，在热氧化（在200℃下在空气中加热5分钟）之前，首先在含20%的硝酸水溶液中浸泡。该处理氧化会在铜样表面出现变成紫红色的完全不同的一层，氧化前基体是天然的“橙红”色。

然后，按下列条件用上述的设备处理样品：

-工作功率（由电源发生器输出）：1000W，对应于15W/cm²的电介质的功率，

-由氮气中含65%的氢组成初始混合气体（用等于10米³/小时的氮流速和18米³/小时的氢流速获得的），

-相邻混合气体：氮气，它使隧道里的氧分压保持在20ppm以下，

-样品加热到150℃，

-在单通道中处理：用传送带2按2毫米/秒的速度移动样品，

-处理主要在大气压下完成，

-待处理样品与装置出气口之间的距离为：10毫米。

观察用该流程的方法处理过的样品发现，有良好的表面状况、样品恢复到它特有的初始橙红色。

对第二个比较例，用申请人公司名下的，上文中引作参考的，文献FR-A-2697456中所述的设备，进行微波放电等离子焊剂处理。同尺寸为0.3×20×20mm的同等级铜样，在硝酸中浸泡并热预氧化之后，在与实施例1相同的条件下用微波等离子放电处理，采用Ar-3%H₂的混合气体以10升/分钟的速度喷射，每个样品加热到150℃，产生等离子用的功率为200瓦。然后，各个样品要求浸泡约2分钟，因而对较小的样品的处理时间比实施例1所用处理时间长。还可以进一步指示，该微波等离子方法还有采用等离子的缺点（以它的名字暗示可知），因而，存在敏感的电子元件时带电荷物质可能造成问题。

对于第三个实施例，除预氧化样品的步骤之外，其余工艺步骤与实施例1的工艺流程相同。此时，遵守以下的电子电路通用污染标准来进行氧化，用所谓的“沸水”法，化学清洁（硝酸中）后，基片浸入沸水中10分钟。这种氧化比热氧化法较为平缓，而且更能代表焊接或锡焊前电子电路上通常受到的氧化程度。

处理后再观察样品发现，样品表面状态良好，样品又恢复到它最初的橙红色。

对于第四个实施例，将实施例3中获得的样品（硝酸清洁处理，沸水预氧化，按本发明处理）在波峰锡焊机中锡-铅焊料浸润，在这些机械的入口处通常具有的化学预焊剂技术处理被特意省略了。然后评价这些样品。

观察在这些条件下进行的焊料附着发现，对在铜上的附着有良好的浸润结果（用一个小连接角表示），有好的附着连续性和好的附着表面质量（用它的镜像外观证明）。

该第四实施例证明，不用焊接后必须进行清洁处理的传统化学预焊剂处理，可以完成这种焊料附着（无论是进行焊接或锡焊）。

对于第五个比较例，对实施例3的样品不再用本发明方法处理，仅用20%的硝酸溶液简单渍泡，这是在沸水预氧化之后，锡焊之前评价这些样品。

所获得的结果不太能令人相信，锡-铅附着不连续（出现岛状），接触角比前面的实例中的接触角大很多，这些结果表明用硝酸浸泡效果比实施例4所述的按本发明方法获得的效果差。

第六个本发明的实施例中，采用环氧印刷电路型电路，这些电路印刷了导电线路，电子元件（电阻元件、电容元件、SOT23和SO类的元件）已用粘接剂滴固定在电路的合适的导电线路上。

首先按本发明对电路进行焊剂处理，如实施例，所述，电路与形成不稳定和活化的气体物质用的装置的出气口之间的距离在10毫米数量级。使电路通过传统的波峰焊机，在这些焊机的入口处进行化学预焊剂处理被故意省略了，进行元件焊接操作（因而，使其电连接），由此评价按本发明进行的焊剂处理。观察离开焊接机后的焊料接触证明，有良好的浸润性，因此确定，有可能进行按发明的干式焊剂处理，避免使用传统的化学焊剂处理，这种化学焊剂处理在电路焊接之后为常需要后继的清洁处理，以除去焊剂残留物。

仅管参照实施例说明了本发明，但本发明不受这些实施例限制。相反，本领域的普通技术人员可以在权利要求书的范围内做出改进和变化。

Claims (14)

1、在用合金焊接或锡焊前，对金属表面的干式焊剂处理方法，其特征是：

a)使包含惰性气体和/或还原气体和/或氧化气体的初始混合气体(7)通过产生活化的或不稳定的气体物质用的至少一个装置(11、4、12)，在该装置出气口获得主要混合气体(8)；

b)对待焊剂处理的表面，在接近大气压的压力下，利用由所述主要混合气体获得的、包含活化的或不稳定的物质和基本上无电荷的物质的气态处理气氛进行处理。

2、根据权利要求1的方法，其特征是，所述气态处理气氛是由所述主要混合气体和不通过所述装置的相邻混合气体（9、10）获得的。

3、根据权利要求2的方法，其特征是，所述相邻混合气体包含硅烷SiH₄。

4、根据权利要求1至3之一的方法，其特征是，具有待处理金属表面的工件（1）用穿过由复盖结构（30）确定的内部空间（31）的传输系统（2）送入所述装置（4）的出气口（6）前，复盖结构（30）与周围气氛隔绝，并以密闭方式与所述连接或使所述装置包括于其内。

5、根据权利要求1至3之一的方法，其特征是，具有待处理金属表面的工件（1）用穿过由复盖结构（30）确定的内部空间的传输系统（2）送到在工件宽度上并排设置的多个装置的出气口前，和/或依次地送到串连设置的多个装置的出气口前，所述复盖结构（30）与周围气氛隔绝，并以密封方式与所述装置连接或使所述装置包括于其内。

6、根据权利要求4或5的方法，其特征是转换所述初始混合气体的所述装置位于第一电极（14）和第二电极（17）之间产生放电的位置，至少一个电极（17）的对着另一电极的表面上设置了电介质材料层（16），其中所述的初始混合气体通过与电极垂直的放电区。

7、根据权利要求6的方法，其特征是，所述装置中间的功率，按每单位表面积的电介质的标称质，大于1W/cm²，最好是大于10w/cm²。

8、根据与权利要求1相关的权利要求5的方法，其特征是，与待处理工作沿传输带连续地相遇的处理气氛，按下列方式分成区段：至少一个形成活化的或不稳定的气体物质用的装置（11、4、12）对由所述结构（3）中的前级装置转换过的不同初始混合气体（7）进行转换。

9、根据与权利要求2有关的权利要求5的方法，其特征是，与待处理工件沿传输带依次相遇的处理气氛按下列方式分成区段：

a）至少一个形成活化的或不稳定的气体物质的装置（11、4、12）对由所述结构（3）中的前级的装置转换过的不同初始混合气体（7）进行转换，和/或

b）在至少一个形成活化的或不稳定的气体物质用的装置级别处（11、4、12）所用的相邻气体（9、10），与所述结构（3）中的前级装置所用的相邻气体量不同。

10、根据权利要求9的方法，其特征是，步骤a）和b）是在一个装置中或同样的多个装置中进行的。

11、根据权利要求4至10中之一的方法，其特征是，工件离开所述结构后，进入焊机或锡焊焊机中，工件在从所述结构出来进入所述焊机前的时间里保持在保护气氛中。

12、根据权利要求4至10中之一的方法，其特征是，所述焊接或锡焊是在所述的同一结构的后端完成的。

13、焊接或锡焊前金属表面干式焊剂处理用的设备，特别适用于根据权利要求1至12的方法，包括一个复盖结构（3），确定一个内部空间（31），用于传输具有待焊剂处理的金属表面的工件（1）的装置（2）通过其中。该结构与周围气氛隔绝，并以密闭方式包围或连接形成活化的或不稳定气体物质用的单个装置或以串连和/或并排安装的多个装置，包括至少一个有中轴的并形成在外电极（14）和内电极（17）之间的管形气体通道（18），至少有一个电极在其面对另一电极的表面上复盖有电介质层（16），电极连接高压高频电源，外电极（14）环绕电介质（16），并有一个所谓初始气体的入口（20）和所谓主要气体的出口（21），电极纵向延伸，与中轴平行并基本上相互正对，所述气体出口从所述设施里边露出。

14、根据权利要求13的设备、其特征是、所述结构装有至少一个喷射所述不通过所述单个装置或多个装置的相邻气体的喷射装置（9、10、13）。

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