CN113695695A - 用于半导体芯片焊接锡膏的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于半导体芯片焊接锡膏的方法，包括：确定锡膏参数、判断PCB板的尺寸、绘制锡膏特性曲线、印刷焊膏、第一回流焊、去除助焊剂、涂覆助焊剂、第二回流焊和取出PCB板，完成半导体芯片焊接。本发明所述的用于半导体芯片焊接锡膏的方法，通过采用两次回流焊，第一次回流焊接将印刷电路板上锡膏析出的多余助焊剂除去，避免印刷电路板污染，通过在第二次回流焊前涂覆少量树脂型助焊剂，使高压力氮气流动，精准且缓慢地调节回流焊炉温，可减小印刷电路板上的合金焊接层与半导体芯片的引线脚金属接触时产生的表面张力，保证合金焊接层的润湿性，避免半导体芯片和印刷电路板断裂的现象，提高半导体芯片的焊接质量。

Description

用于半导体芯片焊接锡膏的方法
技术领域
本发明涉及半导体芯片焊接技术领域，特别涉及用于半导体芯片焊接锡膏的方法。
背景技术
在电子制造业中，大量的表面组装组件(SMA)采用回流焊工艺进行焊接。回流焊接是表面贴装技术(SurfaceMountedTechnology，简称SMT)特有的重要工艺，也是一种常用的将各部件连接到电路板上的工艺，回流焊接工艺质量的优劣不仅影响正常生产，也会影响最终产品的质量和可靠性。回流焊接是指采用加热设备通过重新熔化预先分配到印制板焊盘上的膏状软钎焊料(锡膏)，实现表面贴装元器件焊端或引脚与印制板焊盘之间机械与电气连接的软钎焊，从而实现具有一定可靠性的电路功能，主要适用于表面贴装元器件与印制板的焊接。
现有的锡膏回流焊接工艺对半导体芯片和印刷电路板进行焊接的过程中，若电路板距离底板两侧边缘距离较小时，容易导致大量助焊剂溢流到底板背面，而高温下助焊剂产生的一些有机物分子会渗进底板的镀镍层中，造成底板表面被污染，且在焊接过程中，温度过高又会造成半导体芯片损伤，升温斜率太快会使半导体芯片和印刷电路板拉裂，影响半导体芯片的焊接质量和可靠性。故此，我们提出了用于半导体芯片焊接锡膏的方法。
发明内容
本发明的主要目的在于提供用于半导体芯片焊接锡膏的方法，可以有效解决背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
用于半导体芯片焊接锡膏的方法，包括以下步骤：
步骤一、确定锡膏参数：包括：预热区的起始温度、升温斜率范围；保温区的温度范围、时间范围；回流区的峰值温度范围、液相态时长范围、锡膏熔点、锡膏凝固点；
步骤二、判断PCB板的尺寸：包括大板、中板和小板；其为大板时，锡膏参数均取上限值，其为中板和小板时，锡膏参数均取上下限的中间值；
步骤三、绘制锡膏特性曲线：根据锡膏特性曲线调节回流焊炉，使PCB生产炉温符合锡膏特性曲线；
步骤四、印刷焊膏：采用钢网接触印刷方式将高温焊膏印刷至印刷电路板一侧的预设表贴半导体芯片的焊位处；
步骤五、第一回流焊：将印置有锡膏的印刷电路板进行回流焊接，在印刷电路板上形成合金焊接层，所述印刷电路板表面上附有锡膏内析出的助焊剂；
步骤六、去除助焊剂：清洗印刷电路板，去除印刷电路板表面上锡膏析出的助焊剂；
步骤七、涂覆助焊剂：在印刷电路板上的合金焊接层表面涂覆助焊剂，将半导体芯片贴装至涂覆有助焊剂的合金焊接层上，半导体芯片的引脚与PCB焊盘的间隙小于5mil；
步骤八、第二回流焊：将进行回流焊接的半导体芯片输送并放置到能够密封的处理室，密封处理室，将被加压到比包含在附着于半导体芯片的助焊剂熔化温度的饱和蒸气压力高的压力的氮气输送到处理室内，使高压力氮气在处理室内流动，将处理室保持在比饱和蒸气压力高的压力，同时将工件加热到回流焊接温度，以保持半导体芯片的温度恒定，熔化附着于半导体芯片的助焊剂，以进行回流焊接，冷却工件以使助焊剂凝固；
步骤九、取出PCB板，完成半导体芯片焊接：待半导体芯片冷却到规定温度以下之后，将处理室内的惰性气体排放到处理室外，打开处理室，并取出PCB板，利用高温回流焊接技术将待表贴半导体芯片焊接固定至涂覆有助焊剂的合金焊接层上。
优选的，在所述步骤五中第一次回流焊的温度小于或等于70℃。
优选的，在所述步骤七中助焊剂的涂覆面积为焊接层面积的80％～85％。
优选的，在所述步骤七中使用的助焊剂为树脂型助焊剂。
优选的，在所述步骤八中，涂有助焊剂的PCB板在回流焊炉内依次经过预热区、活化区和回流区，PCB板在预热区内的处理时长不超过110s，回流阶段的持续时长不超过10s。
优选的，在预热区内时，待焊半导体芯片依次进入第一升温阶段、振动阶段和第二升温阶段，振动阶段采用超声波使焊膏振动；在第一升温阶段，预热区内的温度以小于或者等于5℃/s的速度上升至85℃～90℃；在第二升温阶段，预热区内的温度以小于或者等于3℃/s的速度上升至140℃。
优选的，在活化区内，待焊半导体芯片依次进入保温阶段和第三升温阶段；在保温阶段，活化区内的温度从第一初始温度以小于或者等于5℃/s的速度上升至180℃；在第三升温阶段，活化区内的温度以小于或者等于3℃/s的速度上升至200℃。
优选的，所述第一初始温度为待焊半导体芯片在预热区内处理结束时，预热区内的温度，保温阶段的持续时长为80s～90s。
优选的，在回流区内，待焊半导体芯片依次进入第四升温阶段、回流阶段和第一降温阶段；其中，在回流阶段，回流区内的温度保持在峰值温度上下5℃的范围内，且回流阶段的持续时长不超过6s；在第四升温阶段，回流区内的温度从第二初始温度以2℃/s的速度上升至峰值温度；在第一降温阶段，回流区内的温度下降20℃～30℃，且第一降温阶段的持续时长为10s～22s。
优选的，所述第二初始温度为待焊半导体芯片在活化区内处理结束时，活化区内的温度。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明采用两次回流焊对半导体芯片件进行焊接，通过第一次回流焊对印置了锡膏的印刷电路板进行回流焊接，目的在于使印刷电路板上形成合金焊接层，并且可以将印刷电路板上锡膏析出的多余助焊剂除去；
2、本发明通过在第二次回流焊前在合金焊接层的表面涂覆少量树脂型助焊剂，由于涂覆的助焊剂量少，在第二次回流焊时涂覆可以使助焊剂全部挥发，不会产生有机物分子对印刷电路板造成污染，且树脂型助焊剂可减小印刷电路板上的合金焊接层与半导体芯片的引线脚金属接触时产生的表面张力，增强表面润湿力，保证合金焊接层的润湿性；
3、本发明通过结合锡膏的各项参数，并根据焊接的印刷电路板的尺寸确定各段曲线，客观的呈现出回流焊接炉温要求，给出回流焊炉温标准，提高回流焊接质量，可以简单快速的找到合适的回流炉温，能够减小印刷电路板在被加热的过程中破裂的可能，提高半导体芯片的焊接质量；
4、本发明通过高压力氮气在处理室内流动，能够削弱断续润湿现象，进而减小了焊膏膜的氧化，保护了焊膏以及半导体芯片的引脚桥接，且通过控制升温持续处于缓慢的速度，能有效限制锡膏沸腾和飞溅，防止形成小锡珠，避免半导体芯片和印刷电路板断裂的现象，提高焊接效果。
附图说明
图1为本发明用于半导体芯片焊接锡膏的方法的焊接流程图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
用于半导体芯片焊接锡膏的方法，包括以下步骤：
步骤一、确定锡膏参数：包括：预热区的起始温度、升温斜率范围；保温区的温度范围、时间范围；回流区的峰值温度范围、液相态时长范围、锡膏熔点、锡膏凝固点；
步骤二、判断PCB板的尺寸：包括大板、中板和小板；其为大板时，锡膏参数均取上限值，其为中板和小板时，锡膏参数均取上下限的中间值；
步骤三、绘制锡膏特性曲线：根据锡膏特性曲线调节回流焊炉，使PCB生产炉温符合锡膏特性曲线；
步骤四、印刷焊膏：采用钢网接触印刷方式将高温焊膏印刷至印刷电路板一侧的预设表贴半导体芯片的焊位处；
步骤五、第一回流焊：将印置有锡膏的印刷电路板进行回流焊接，在印刷电路板上形成合金焊接层，印刷电路板表面上附有锡膏内析出的助焊剂，第一次回流焊的温度小于或等于70℃；
步骤六、去除助焊剂：清洗印刷电路板，去除印刷电路板表面上锡膏析出的助焊剂；
步骤七、涂覆助焊剂：在印刷电路板上的合金焊接层表面涂覆助焊剂，助焊剂为树脂型助焊剂，助焊剂的涂覆面积为焊接层面积的80％～85％，将半导体芯片贴装至涂覆有助焊剂的合金焊接层上，半导体芯片的引脚与PCB焊盘的间隙小于5mil；
步骤八、第二回流焊：将进行回流焊接的半导体芯片输送并放置到能够密封的处理室，密封处理室，将被加压到比包含在附着于半导体芯片的助焊剂熔化温度的饱和蒸气压力高的压力的氮气输送到处理室内，使高压力氮气在处理室内流动，将处理室保持在比饱和蒸气压力高的压力，同时将工件加热到回流焊接温度，以保持半导体芯片的温度恒定，熔化附着于半导体芯片的助焊剂，以进行回流焊接，冷却工件以使助焊剂凝固；涂有助焊剂的PCB板在回流焊炉内依次经过预热区、活化区和回流区，PCB板在预热区内的处理时长不超过110s，回流阶段的持续时长不超过10s，在预热区内时，待焊半导体芯片依次进入第一升温阶段、振动阶段和第二升温阶段，振动阶段采用超声波使焊膏振动；在第一升温阶段，预热区内的温度以小于或者等于5℃/s的速度上升至85℃～90℃；在第二升温阶段，预热区内的温度以小于或者等于3℃/s的速度上升至140℃；在活化区内，待焊半导体芯片依次进入保温阶段和第三升温阶段；在保温阶段，活化区内的温度从第一初始温度以小于或者等于5℃/s的速度上升至180℃；在第三升温阶段，活化区内的温度以小于或者等于3℃/s的速度上升至200℃，第一初始温度为待焊半导体芯片在预热区内处理结束时，预热区内的温度，保温阶段的持续时长为80s～90s；在回流区内，待焊半导体芯片依次进入第四升温阶段、回流阶段和第一降温阶段；其中，在回流阶段，回流区内的温度保持在峰值温度上下5℃的范围内，且回流阶段的持续时长不超过6s；在第四升温阶段，回流区内的温度从第二初始温度以2℃/s的速度上升至峰值温度；在第一降温阶段，回流区内的温度下降20℃～30℃，且第一降温阶段的持续时长为10s～22s；第二初始温度为待焊半导体芯片在活化区内处理结束时，活化区内的温度；
步骤九、取出PCB板，完成半导体芯片焊接：待半导体芯片冷却到规定温度以下之后，将处理室内的惰性气体排放到处理室外，打开处理室，并取出PCB板，利用高温回流焊接技术将待表贴半导体芯片焊接固定至涂覆有助焊剂的合金焊接层上。
本发明采用两次回流焊对半导体芯片件进行焊接，通过第一次回流焊对印置了锡膏的印刷电路板进行回流焊接，目的在于使印刷电路板上形成合金焊接层，并且可以将印刷电路板上锡膏析出的多余助焊剂除去；通过在第二次回流焊前在合金焊接层的表面涂覆少量树脂型助焊剂，由于涂覆的助焊剂量少，在第二次回流焊时涂覆可以使助焊剂全部挥发，不会产生有机物分子对印刷电路板造成污染，且树脂型助焊剂可减小印刷电路板上的合金焊接层与半导体芯片的引线脚金属接触时产生的表面张力，增强表面润湿力，保证合金焊接层的润湿性；通过结合锡膏的各项参数，并根据焊接的印刷电路板的尺寸确定各段曲线，客观的呈现出回流焊接炉温要求，给出回流焊炉温标准，提高回流焊接质量，可以简单快速的找到合适的回流炉温，能够减小印刷电路板在被加热的过程中破裂的可能，提高半导体芯片的焊接质量；通过高压力氮气在处理室内流动，能够削弱断续润湿现象，进而减小了焊膏膜的氧化，保护了焊膏以及半导体芯片的引脚桥接，且通过控制升温持续处于缓慢的速度，能有效限制锡膏沸腾和飞溅，防止形成小锡珠，避免半导体芯片和印刷电路板断裂的现象，提高焊接效果。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.用于半导体芯片焊接锡膏的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、确定锡膏参数：包括：预热区的起始温度、升温斜率范围；保温区的温度范围、时间范围；回流区的峰值温度范围、液相态时长范围、锡膏熔点、锡膏凝固点；
步骤二、判断PCB板的尺寸：包括大板、中板和小板；其为大板时，锡膏参数均取上限值，其为中板和小板时，锡膏参数均取上下限的中间值；
步骤三、绘制锡膏特性曲线：根据锡膏特性曲线调节回流焊炉，使PCB生产炉温符合锡膏特性曲线；
步骤四、印刷焊膏：采用钢网接触印刷方式将高温焊膏印刷至印刷电路板一侧的预设表贴半导体芯片的焊位处；
步骤五、第一回流焊：将印置有锡膏的印刷电路板进行回流焊接，在印刷电路板上形成合金焊接层，所述印刷电路板表面上附有锡膏内析出的助焊剂；
步骤六、去除助焊剂：清洗印刷电路板，去除印刷电路板表面上锡膏析出的助焊剂；
步骤七、涂覆助焊剂：在印刷电路板上的合金焊接层表面涂覆助焊剂，将半导体芯片贴装至涂覆有助焊剂的合金焊接层上，半导体芯片的引脚与PCB焊盘的间隙小于5mil；
步骤八、第二回流焊：将进行回流焊接的半导体芯片输送并放置到能够密封的处理室，密封处理室，将被加压到比包含在附着于半导体芯片的助焊剂熔化温度的饱和蒸气压力高的压力的氮气输送到处理室内，使高压力氮气在处理室内流动，将处理室保持在比饱和蒸气压力高的压力，同时将工件加热到回流焊接温度，以保持半导体芯片的温度恒定，熔化附着于半导体芯片的助焊剂，以进行回流焊接，冷却工件以使助焊剂凝固；
步骤九、取出PCB板，完成半导体芯片焊接：待半导体芯片冷却到规定温度以下之后，将处理室内的惰性气体排放到处理室外，打开处理室，并取出PCB板，利用高温回流焊接技术将待表贴半导体芯片焊接固定至涂覆有助焊剂的合金焊接层上。
2.根据权利要求1所述的用于半导体芯片焊接锡膏的方法，其特征在于：在所述步骤五中第一次回流焊的温度小于或等于70℃。
3.根据权利要求1所述的用于半导体芯片焊接锡膏的方法，其特征在于：在所述步骤七中助焊剂的涂覆面积为焊接层面积的80％～85％。
4.根据权利要求1所述的用于半导体芯片焊接锡膏的方法，其特征在于：在所述步骤七中使用的助焊剂为树脂型助焊剂。
5.根据权利要求1所述的用于半导体芯片焊接锡膏的方法，其特征在于：在所述步骤八中，涂有助焊剂的PCB板在回流焊炉内依次经过预热区、活化区和回流区，PCB板在预热区内的处理时长不超过110s，回流阶段的持续时长不超过10s。
6.根据权利要求5所述的用于半导体芯片焊接锡膏的方法，其特征在于：在预热区内时，待焊半导体芯片依次进入第一升温阶段、振动阶段和第二升温阶段，振动阶段采用超声波使焊膏振动；在第一升温阶段，预热区内的温度以小于或者等于5℃/s的速度上升至85℃～90℃；在第二升温阶段，预热区内的温度以小于或者等于3℃/s的速度上升至140℃。
7.根据权利要求5所述的用于半导体芯片焊接锡膏的方法，其特征在于：在活化区内，待焊半导体芯片依次进入保温阶段和第三升温阶段；在保温阶段，活化区内的温度从第一初始温度以小于或者等于5℃/s的速度上升至180℃；在第三升温阶段，活化区内的温度以小于或者等于3℃/s的速度上升至200℃。
8.根据权利要求7所述的用于半导体芯片焊接锡膏的方法，其特征在于：所述第一初始温度为待焊半导体芯片在预热区内处理结束时，预热区内的温度，保温阶段的持续时长为80s～90s。
9.根据权利要求5所述的用于半导体芯片焊接锡膏的方法，其特征在于：在回流区内，待焊半导体芯片依次进入第四升温阶段、回流阶段和第一降温阶段；其中，在回流阶段，回流区内的温度保持在峰值温度上下5℃的范围内，且回流阶段的持续时长不超过6s；在第四升温阶段，回流区内的温度从第二初始温度以2℃/s的速度上升至峰值温度；在第一降温阶段，回流区内的温度下降20℃～30℃，且第一降温阶段的持续时长为10s～22s。
10.根据权利要求9所述的用于半导体芯片焊接锡膏的方法，其特征在于：所述第二初始温度为待焊半导体芯片在活化区内处理结束时，活化区内的温度。
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