CN1443622A - 在基底上分配焊料的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在基底上分配焊料的方法和装置，为了在基底(1)上分配焊料，将焊丝(7)和加热到预定温度的合成气体供应到一两件式喷嘴(4)的混合腔(6)中，以便在该混合腔(6)内使焊料熔化掉并携带进所述气流中。从所述两件式喷嘴(4)吹出的焊料沉降到上述基底(1)上。所述两件式喷嘴(4)相对所述基底(1)移动或旋转，以便使上述被吹出的焊料沉积到所述基底(1)的预定区域。

Description

在基底上分配焊料的方法和装置
技术领域
本发明涉及在基底上分配焊料的方法和装置。
背景技术
这种类型的焊接方法通常、但并不唯一地用于将半导体芯片安装在称之为焊接框架的金属基底上。原则上，半导体粉末大部分利用软焊料连接至基底，基底通常由铜构成，这样相比粘结方法的安装而言，能确保制造所产生的热损失更有效地通过焊接连接散发。但是，首先由于粉末密度增加，就要求焊接连接有更高的同质性，也就是要求焊接层在整个芯片表面有确定的密度、一致的分布和最佳的浸湿、以及完全没有气泡和焊接连接的纯度；另一方面，焊料必须不能渗出焊点，也不能紧接于芯片展开，这就再次要求焊接部分准确地定量和定位。
在芯片组件的应用区域，在实践中广泛应用的一种方法是将焊丝接触到已被加热到焊料熔点温度以上的基底，以便熔化一部分焊丝。由于其简便且灵活，这种方法非常适于大量生产。但是，这种熔化方法，最重要的是焊接部位的体积和定位，完全依赖于基底材料的组合和表面特性，也就是，将被熔化的各个焊料的数量和位置会发生相当的变化。另外，所产生的大致圆形的浸湿区域并不理想地适于矩形或方形的芯片。此外，借助从US 6 056 184获知的一种定型印记(formingstamp)，可将沉积在基底上的焊接部位制成一种适于芯片形状的平坦且长方形的形状。
从US 5 878 939获知一种方法，可将液态焊料注射进形成在上述定型印记和基底之间的一个空腔中。
这些已知的方法具有几个缺点。或者所沉积焊料的形状为圆形，或者必须为每个矩形制出一个特定的定型印记。这样一个定型印记所具有的侧壁将占据一部分基底。因此，焊料将不能施加到用于接收芯片的芯片岛的边缘。另外，基底必须被加热到焊料熔化温度之上，所沉积的焊料从施加开始直到沉积到半导体芯片上必须要保持在液态。另外的缺点是与液态焊料相接触的部分必须被规则地清洗，为此就必须中断生产。
从US 4 577 398和US 4 709 849中获知一种方法，可利用该方法制成由焊接金属制成的扁平体，即所谓的“焊剂预成型坯(solderpreform)”，其尺寸适用于芯片。这些焊剂预成型坯随后会被放置到基底并由此熔化，以便形成具有所需尺寸的焊接层。但是由于对焊剂预成型坯的必要制造以及额外的组装操作，这种方法非常昂贵且并不灵活。
发明内容
本发明的目的是发展一种不再具有上述缺点的、用于在基底上分配焊料的方法。
本发明具备如权利要求1所述的特征。
根据本发明，用于在基底上分配焊料的方法在于，将焊丝和加热到预定温度的合成气体供应到两件式喷嘴的混合腔中，以便在该混合腔内使焊料熔化掉并携带进气流中。从两件式喷嘴吹出的焊料沉降到基底上。所述两件式喷嘴相对基底移动或旋转，以便使上述被吹出的焊料沉积到芯片岛的预定区域内。焊丝最好被输送到位于冷却引导管中的混合腔内。为中断焊料的熔化，最好拉回焊丝，这样焊丝就会就位在引导管内。
本发明实现了无接触地将焊料施加到基底上，这样在基底上不会产生任何划痕。另外，沉积焊料的图案能自由地编排设计，焊料也能施加到芯片岛的边缘处。在基底不再需要被加热到焊料熔化温度的情况下，使焊料沉积。沉积焊料在基底上的分布因此能通过照相机得到控制，而不会让与热相关的波浪状毁坏或污损图案。
附图描述
以下参照附图以实施例的形式对本发明加以描述，其中附图并未按比例示出。
附图中，图1是具有两件式喷嘴并用于在基底上分配焊料的装置；
图2是两件式喷嘴的第一实施例；图3是两件式喷嘴的第二实施例。
具体实施方式
图1示出用于在基底1上分配焊料的装置。该基底1例如是一个具有几个用于接纳半导体芯片的芯片岛2的带状金属基底，即所谓的焊接框架，或者是一个用于接纳单个半导体芯片的单位置基底。该基底1在箭头3的方向内被逐步输送。该装置具有一两件式喷嘴4，该两件式喷嘴4具有一个出口通道5和一个混合腔6，向该混合腔6供应焊丝7形式的焊料和加热到一预定温度的合成气体。该混合腔6也能仅仅作为出口通道5的起始部分。它标志着热合成气体从焊丝7上熔化掉焊料的区域。所述合成气体最好是富含氢H2的氮N2。氢只占一些比例，用于减少可能存在的氧O2。卷绕在线轴8上的焊丝7通过一个引导管9被输送到两件式喷嘴4的混合腔6，并通过驱动器10向前输送。合成气体通过气体通道11输送到混合腔6。气体通道11具有一个用于控制合成气体流速的阀12和用于将合成气体加热一预定温度的加热器13。利用安装在气体通道11内的温度传感器14来检测合成气体的温度。该温度传感器14、加热器13和一个电路15以公知的方式形成一个用于控制合成气体温度的控制回路。当流出两件式喷嘴4的出口通道5的合成气体作用到基底1时，携带在合成气体中的焊料将沉降在基底1上。
两件式喷嘴4的出口的尺寸通常要小于沉积在基底1上的焊料区域16所应该具有的尺寸。在将焊料施加在基底的过程中，流出两件式喷嘴4的气流因此必须在所希望区域16上进行书写运动(writingmovement)时被前后引导。因此本发明的装置具有一个驱动机构17，以便驱使两件式喷嘴4或者在平行于基底1表面的两个不同方向内运动或者在平行于基底1表面的两个预定轴线内旋转。
很有可能允许供应焊料以便使焊料沉积到基底表面，并中断供应，以便向前将基底1输送到下一个半导体芯片2。为了沉积焊料，由驱动器10以一预定速度向前输送焊丝7。流过混合腔6内焊丝7的合成气体持续熔化焊料并将其沉积到基底1上。为了停止焊料在混合腔6内的熔化，要停止向前输送焊丝7。最好的是，焊丝7被驱动器10正好拉回一段预定距离D。这样就无需中断供应合成气体。
向前输送焊丝7的驱动器10最好包括一个步进电动机，该步进电动机驱动一个驱动轮18和压力轮19，该压力轮会将焊丝7压紧在驱动轮18上。所述压力轮19具有一个解码器，通过该解码器，就能控制焊丝7的向前输送和向后运动。
沉积到基底1上的焊料数量以及由焊料所占据的区域16是由工艺所决定和给出的变量。通常，也给出为沉积焊接部位的可利用时间τ。该时间τ通常等于几百毫秒，例如300毫秒。首先确定一些在准备阶段中与方法相关的参数：
1.焊丝7的所需长度L是由所要沉积的焊料数量ML和焊丝7的横截面面积A计算出的：L＝ML/A；
2.向前输送焊丝的速度v是由焊丝长度L和可利用时间τ计算出的：v＝L/τ；
3.所需的焊料沉积速度r是由所要沉积的焊料数量ML和可利用时间τ计算出的：r＝ML/τ；
4.沉积速度r是温度T和合成气体流速φ的函数：r＝f(T，φ)；现在确定的温度TP和流速φP满足如下条件：ML/τ＝f(TP，φP)。
合成气体的温度TP必须在焊料的熔化温度之上。通常，它在400℃和600℃之间。流速φP同样要大于一个预定的最小值。
最好，引导管9要被冷却到一个预定温度。这样当焊丝7在受控的情况下发生熔化时，就提高了方法的稳定性。
在开始生产操作时，阀12打开并被设定成可使合成气体的流速达到φP。合成气体的温度被控制到值TP。焊丝的尖端就位于引导管9的预定位置S。两件式喷嘴4就位于初始位置。在第一个芯片岛2已经呈现出后用于施加焊料，根据如下方法施加该焊料：
1.向前输送焊丝7一个预定距离D。焊丝7的尖端现在就位于混合腔6内，这样成型气体将会随熔化的焊料流动并携带上熔化的焊料。
2.在时间τ内，焊丝7持续以速度v向前输送。流出两件式喷嘴4的气流在基底1上由驱动机构17引导，由此它将超过基底1上沉积成连续线的焊料。该连续线例如为波浪形。两件式喷嘴4通过驱动机构17的书写运动而与焊丝7的向前输送同步，并受到控制，这样就能在上述可利用时间内书写出上述的给定连续线。
3.在时间τ结束后，将焊丝7向后拉回上述的预定距离D。
现在总结对焊料的施加。两件式喷嘴4进入其初始位置，随后呈现出下一个芯片岛。
为处理不同的产品，合成气体的流速φP最好保持恒定，例如为每小时200升；在准备步骤4中，合成气体的温度T适于各自的所需沉积速度r。
以下将更详细地描述两件式喷嘴4设计的两个不同实施例：
实施例1
图2示出一个两件式喷嘴4，如图所示，在垂直方向内，引导管9和出口通道5与两件式喷嘴4共轴。气体通道11共轴地通向引导管9，并在该引导管9的末端以一个由气体通道11的一个壁20所限定的进口角开口进上述出口通道5的各侧。利用这个实施例，混合腔6作为出口通道5的一部分。它是由出口通道5中合成气体和熔化焊料发生混合的上部区域所限定的。上述进口角基本上影响到焊丝7的端部几何形状。当进口角等于或大于约60°时，随后焊丝7的端部是球形的。当进口角如图所示小于约60°时，随后焊丝7的端部是锥形的。锥体21的长度依赖于角度。当锥体21的长度大于一定数量时，锥体21会有时无法控制地发生折断。气体通道11的横截面确定了合成气体在一进入出口通道5时的速度。在预定流速φP的情况下，气体通道11的横截面越小，进口速度将越大。
实施例2
在图3所示的实施例中，气体通道11和出口通道5共轴。焊丝7的引导管9水平地延伸，这样焊丝就在侧面伸入到出口通道5内。气体通道11的横截面面积小于出口通道5的横截面面积。在从气体通道11转变成出口通道5时，两件式喷嘴的横截面将变宽，其变宽的位置直接位于引导管9进入出口通道5的位置的上方。在这个实施例中，混合腔6同样是出口通道5的一部分。

Claims (5)

1.一种在基底(1)上分配焊料的方法，其特征在于：将焊丝(7)和加热到预定温度的合成气体供应到一两件式喷嘴(4)的混合腔(6)中，以便在该混合腔(6)内使焊料熔化掉并携带进所述气流中，所述两件式喷嘴(4)相对于所述基底(1)移动或旋转，由此从所述两件式喷嘴(4)吹出的焊料将沉积到所述基底(1)上。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：上述焊丝(7)被输送到位于一引导管(9)中的上述混合腔(6)中，以便中断焊料的沉积，向后拉回上述焊丝(7)，这样该焊丝(7)就会就位在上述引导管(9)内。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：将上述引导管(9)冷却到预定温度。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：将上述引导管(9)冷却到预定温度。
5.一种在基底(1)上分配焊料的装置，包括：
一具有混合腔(6)的两件式喷嘴(4)；
一用于向上述混合腔(6)供应焊丝(7)的引导管(9)；
一用于向上述混合腔(6)供应合成气体的气体通道(11)，该气体通道(11)包括一个用于控制上述合成气体流速的阀(12)和一个用于将上述合成气体加热到一预定温度的加热器(13)；以及
一用于使上述两件式喷嘴(4)相对于上述基底(1)移动或旋转的驱动机构(17)。
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