CN1874654A - 焊接方法、电子部件和部件调换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于通过回流焊接将电子部件焊接在衬底上的焊接方法，该方法包括以下步骤：将焊膏施加在衬底上；通过利用焊膏将电子部件安装在衬底上；将热容增强构件部署在电子部件上，该热容增强构件包括能够增强电子部件的热容的凝胶状材料；以及在热容增强构件被施加在其上的情况下，通过回流焊接将电子部件焊接到衬底上。

Description

焊接方法、电子部件和部件调换方法
技术领域
本发明涉及焊接方法、电子部件和部件调换方法，具体涉及适用于利用无铅焊料进行焊接的焊接方法、电子部件和部件调换方法。
背景技术
最近及以后的几年中，随着电子设备的紧凑性和高性能的进一步发展，在安装在电子设备中的电子部件的紧凑性、用于在衬底上安装电子部件的安装设备以及安装方法上，已经获得了重大技术进步。特别地，作为通过焊接在衬底上安装电子部件的技术，回流焊接技术常被用于以高密度在衬底上安装电子部件。关于此技术，例如可参看日本早期公开专利申请No.2003-188522。
在回流焊接技术中，焊膏被施加在衬底上将要焊接电子部件的位置处。接下来，要安装的部件的连接端被临时固定在焊膏上，并且焊膏通过加热而被融化。这样，外部连接端被焊接在衬底上，从而，电子部件被安装在衬底的表面。
此回流焊接技术对于表面安装有用，并且适用于以高密度安装。此外，在此技术中，在电子熔炉中加热被用来进行加热。此外，焊接温度是基于焊料的融化温度和安装在电路板上的多个电子部件的耐热度来适当指定的。
但是，在最近和以后的几年中，无铅焊料被越来越多地用于取代相关技术的含铅的焊料。无铅焊料具有高于含铅焊料的融化温度；因此，符合传统标准的电子部件的耐热度变得与无铅焊料的融化温度大致相等，或者低于此融化温度。由于此原因，在回流过程中不易控制加热温度，并且难以利用无铅焊料来安装电子部件。
此外，在电子部件被安装后，如果发现电子部件有故障，则此电子部件被调换。在调换电子部件时，类似地，安装在衬底上的电子部件被加热，以便融化焊接位置处的焊料。因此，在调换过程中发生与原始安装过程中相同的问题。
发明内容
本发明的一般目的是解决相关技术的一个或多个问题。
本发明的更具体的目的是提供一种焊接方法，该方法能够防止对通过利用具有高融化温度的无铅焊料安装的电子部件发生热损坏，以及提供该电子部件和一种部件调换方法。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于通过回流焊接将电子部件焊接在衬底上的焊接方法，包括以下步骤：将焊膏施加在衬底上；通过利用焊膏将电子部件安装在衬底上；将热容增强构件部署在电子部件上，该热容增强构件包括能够增强电子部件的热容的凝胶状材料；以及在热容增强构件被施加在电子部件上的情况下，通过回流焊接将电子部件焊接到衬底上。
根据本发明，包括能够增强电子部件的热容的凝胶状材料的热容增强构件，被部署在电子部件上。从而，当通过回流焊接将电子部件焊接在衬底上时，即使电子部件被加热，由于电子部件的热容被热容增强构件所增强，因此电子部件也能被大热容所保护。这样，即使当电子部件被加热到等于或高于电子部件的耐热度的温度时，电子部件的热损坏也不会发生，并且可以防止由不充分加热引起的衬底上电子部件的不可靠安装。
作为一个实施例，在将凝胶状热容增强构件部署在电子部件上的步骤中，该热容增强构件的比热、导热率、体积和厚度被根据电子部件的形状和耐热温度分布而改变。
根据本发明，因为热容增强构件的体积和厚度可根据电子部件的形状和耐热温度而改变，因此热容增强构件可根据电子部件的焊接温度和耐热温度来适当改变；从而，可以增强设置焊接温度的自由度。
作为一个实施例，在焊接步骤中，根据电子部件的表面温度分布，在外围部分中热容增强构件的厚度被设置为较大，并且热容增强部件的内部部分的厚度被设置为小于热容增强构件的外围部分的厚度，所述外围部分具有较高表面温度，所述内部部分具有较低表面温度。
根据本发明，通过根据加热过程中电子部件的表面温度分布来调整热容增强构件的厚度，可以使得加热时电子部件的表面温度分布均匀，这促进了回流焊接期间的温度控制。并且可以防止由于加热引起的电子部件中的缺陷。
作为一个实施例，热容增强构件包括硅胶。
根据本发明，热容增强构件可以是硅胶。因为硅胶即使在加热后也能再被使用，所以这相当经济。
作为一个实施例，在施加焊膏的步骤中，焊膏包括无铅焊料。
根据本发明，使用了无铅焊料，并且无铅焊料的使用可提高对人体和环境的安全级别。
作为一个实施例，在部署凝胶状热容增强构件的步骤中，配料器被用于将凝胶状热容增强构件部署在电子部件上。
根据本发明，因为配料器被用于将凝胶状热容增强构件部署在电子部件上，所以可以高效地将凝胶状热容增强构件部署在电子部件上。
作为一个实施例，热容增强构件在被部署之前，被形成为片状；并且，热容增强构件片被部署在电子部件上。
根据本发明的第二方面，提供了一种电子部件，其具有被焊接到设备上的外部连接端，包括：部署在电子部件上的热容增强构件，所述热容增强构件包括能够增强电子部件的热容的凝胶状材料。
根据本发明，即使电子部件被加热，当电子部件被安装时，也可以防止设备中的电子元件被加热，从而增强电子部件的可靠性。
作为一个实施例，在外围部分中热容增强构件的厚度被设置为较大，并且热容增强构件的内部部分的厚度被设置为小于热容增强构件的外围部分的厚度。
根据本发明，可以使得加热时电子部件的表面温度分布均匀，这促进了回流焊接期间的温度控制；此外，可以防止由于加热引起的电子部件中的缺陷。
根据本发明的第三方面，提供了一种部件调换方法，用于调换安装在衬底上的至少一个电子部件，多个电子部件被安装在该衬底的表面上，该方法包括以下步骤：将热容增强构件部署在要调换的电子部件周围的多个电子部件上，所述热容增强构件包括能够增强电子部件的热容的凝胶状材料；以及加热要调换的电子部件，并将要调换的电子部件从衬底上移除。
根据本发明，当加热要调换的电子部件时，因为热容增强构件被部署在要调换的电子部件周围的多个电子部件上，因此可以防止当调换该电子部件时对这些电子部件造成热损坏。
作为一个实施例，热容增强构件包括硅胶。作为另一个实施例，热容增强构件也被部署在要调换的电子部件上。
从以下参考附图给出的对优选实施例的详细描述中，将更明显地看出本发明的这些和其他目的、特征和优点。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施例的焊接方法的流程图；
图2A至图2C是用于说明根据本实施例在衬底上印刷焊膏的步骤S10的截面图；
图3A至图3C是用于说明根据本实施例在衬底上安装电子部件的步骤S12的截面图；
图4A至图4C是用于说明根据本实施例在电子部件上部署硅胶的步骤S14的截面图；
图5A至图5C是用于说明根据本实施例进行回流焊接的步骤S16的截面图；
图6A至图6C是用于说明根据本实施例剥除硅胶18的步骤S18的截面图；
图7A至图7C是示出半导体器件12A、12B和12C的表面温度的分布的截面图和曲线图，该分布取决于硅胶18存在与否或者在回流焊接过程中部署硅胶18的方法；
图8是提供QFP型半导体器件、BGA型半导体器件和LQFP型半导体器件的表面温度、接合端温度和衬底温度的数据的表，这些数据是在通过利用本实施例的焊接方法来焊接半导体器件时在回流焊接过程中测量的；
图9A至图9D是示出根据本发明的实施例的调换部件的方法的截面图；以及
图10是示出调换部件的方法的截面图，作为对图9A至图9D所示的方法的修改。
具体实施方式
以下将参考附图说明本发明的优选实施例。
图1是示出根据本发明的实施例的焊接方法的流程图。
如图1所示，本实施例的焊接方法包括在衬底上印刷焊膏的步骤(S10)，将电子部件安装在衬底上的步骤(S12)，将硅胶部署在电子部件上的步骤(S14)，回流焊接步骤(S16)以及硅胶分离步骤(S18)。
以下参考图2至图6说明图1所示的焊接方法。
注意在图2A、图3A、图4A、图5A和图6A中，QFP型半导体器件被用作电子部件的示例，液体硅胶18A被用作硅胶18的示例；在图2B、图3B、图4B、图5B和图6B中，QFP型半导体器件被用作电子部件的示例，硅胶片18B被用作硅胶18的示例；而在图2C、图3C、图4C、图5C和图6C中，BGA型半导体器件被用作电子部件的示例，硅胶片18B被用作硅胶18的示例。
图2A至图2C是用于说明根据本实施例在衬底上印刷焊膏的步骤S10的截面图。
在分别示出焊接QFP型半导体器件12A和12B的过程(参见图3A和图3B)的图2A和图2B中，焊膏11被印刷在衬底10上。
在示出焊接BGA型半导体器件12C的过程(参见图3C)的图2C中，焊膏11A被印刷在衬底10上。
印刷焊膏的步骤S10例如可通过丝网印刷来执行。这里，焊膏11或11A中包含的焊料是无铅焊料。使用无铅焊料提高了对人体和环境的安全级别。无铅焊料的特征在于其融化温度高于相关技术中的锡铅共晶焊料的融化温度。
图3A至图3C是用于说明根据本实施例在衬底上安装电子部件的步骤S12的截面图。
在印刷焊膏的步骤S10之后，执行步骤S12以将电子部件安装在衬底上。
图3A和图3B分别示出安装QFP型半导体器件12A和12B的过程。在图3A和图3B中，导线13就像鸥翅那样从密封树脂14A或14B的外围伸出。导线13刺入印刷在衬底10上的焊膏11中，从而，半导体器件12A或12B被暂时固定在衬底10上。
图3C示出安装BGA型半导体器件12C的过程。在图3C的半导体器件12C中，半导体元件被放置在形成于插入式衬底15的上面部分之上的密封树脂14C中，焊料球16被形成在插入式衬底15的下面部分之上，以充当外部连接端。当印刷在衬底上的焊膏11A被压到焊料球16之间时，半导体器件12C被暂时固定到衬底10上。
这里，用于形成焊料球16的焊料是无铅焊料。
图4A至图4C是用于说明根据本实施例在电子部件上部署硅胶的步骤S14的截面图。
在安装电子部件的步骤S12之后，执行步骤S14以在电子部件上部署硅胶。
在图4A、图4B和图4C中，硅胶18(例如液体硅胶18A或硅胶片18B)被部署在半导体器件12A、12B、12C中的每一个之上。硅胶18是热容增强构件的一个示例。
如图4A所示，配料器17被用于在半导体器件12A中的密封树脂14A上部署液体硅胶18A，而在图4B和图4C中，硅胶片18B分别被粘贴到半导体器件12B和12C中的密封树脂14B和14C上。
这里硅胶18(例如液体硅胶18A和硅胶片18B)，是具有高耐热度的硅材料，并且是通过在硅中包含进氧化硅来形成的。硅胶18处于凝胶状态，从而具有良好的弹性、粘着性、可剥除性以及耐热性。此外，由于氧化硅包含物是可变的，因此硅胶18的热容是可调整的。
在本实施例中，硅胶18的热容被调整为大于半导体器件12A、12B和12C的热容，这些半导体器件是被安装在衬底10上的电子部件。此外，由于良好的耐热度，硅胶甚至在被加热后都还能被再次使用。
不仅可通过调整硅胶18中的氧化硅包含物从而调整其比热和导热率，还可通过更改硅胶18的体积，来调整硅胶18的热容。当降低硅胶18的导热率时，可以实现与半导体器件12A、12B和12C相关的绝热效果，即防止热传递。因此，当将硅胶18部署到半导体器件12A、12B和12C上时，可根据电子部件的耐热温度分布来适当调整硅胶18的体积和厚度，以便相对于半导体器件12A、12B和12C，硅胶18的热容具有最优值。例如，硅胶18的最优热容确保在半导体器件12A、12B和12C中不发生热损坏。因此，可以增强以下回流焊接步骤S16中设置焊接温度的自由度。
如图4A所示，由于液体硅胶18A是利用配料器17来部署在半导体器件12A上的，因此液体硅胶18A可被更高效地部署在半导体器件12A上。
此外，如图4B和图4C所示，因为硅胶片18B被预先形成，然后硅胶片18B被粘贴到半导体器件12B或12C上，因此硅胶18更易操作，并且硅胶18可以很容易地被部署在半导体器件12B或12C上。
图5A至图5C是用于说明根据本实施例的回流焊接步骤S16的截面图。
在将硅胶部署到半导体器件12A、12B或12C的步骤S14之后，执行步骤S16以执行回流焊接。
如图5A、图5B和图5C所示，半导体器件12A、12B或12C被设置在回流炉19中。
如上所述，在本实施例中，在执行回流焊接之前，硅胶18(例如液体硅胶18A或硅胶片18B)被部署在半导体器件12A、12B或12C上。这样，即使在被加热时，半导体器件12A、12B或12C也被硅胶18的大热容所保护。
由于此原因，即使当半导体器件12A、12B或12C被加热到无铅焊料可能融化的温度，即等于或高于半导体器件12A、12B或12C的耐热度的温度时，由于硅胶18的存在，可防止对半导体器件12A、12B或12C的热传递。因此，半导体器件12A、12B或12C的热损坏不发生，并且可以防止由于不充分加热可引起的半导体器件12A、12B或12C在衬底10上的不可靠安装。
图6A至图6C是用于说明根据本实施例剥除硅胶18的步骤S18的截面图。
在半导体器件12A、12B或12C上的回流焊接的步骤S16之后，执行步骤18以从衬底10上剥除硅胶18。
如图6A、图6B和图6C所示，硅胶18(例如液体硅胶18A和硅胶片18B)被从半导体器件12A、12B或12C上剥除。
在硅胶18被剥除后，焊膏11或11A中包含的有机成分被蒸发，并且半导体器件12A或12B的导线13被焊料20接合到衬底10，或者半导体器件12C被焊料球16接合到衬底10。
从半导体器件12A、12B或12C上剥除的硅胶18即使在被加热后也可被再次使用，因为硅胶18具有良好的耐热度，这降低了本实施例的焊接方法的运行成本。
图7A至图7C是示出半导体器件12A、12B和12C的表面温度的分布的截面图和曲线图，该分布取决于硅胶18存在与否或者在回流焊接过程中部署硅胶18的方法。
注意在图7A至7C中，BGA型半导体器件12C被用作电子部件的示例。
图7A示出在回流焊接过程中不部署硅胶18的情况下密封树脂14C的表面温度分布。如图7A所示，半导体器件12C的外围部分处的表面温度高于半导体器件12C的中心部分处的表面温度。
图7B示出在回流焊接过程中具有均匀厚度的硅胶片18C被部署在半导体器件12C上的情况下，密封树脂14C的表面温度分布。如图7B所示，与不存在硅胶18的图7A中的情况相比，密封树脂14C的表面温度整体降低了。但是，半导体器件12C的外围部分处的表面温度仍高于半导体器件12C的中心部分处的表面温度。
图7C示出半导体器件12D上的回流焊接过程中半导体器件12D的表面温度分布，其中硅胶片18C具有已调节的非均匀厚度。这里，硅胶片18C的厚度是根据已经预先在回流焊接过程中测量的裸露半导体器件12D的表面温度分布来调节的。具体而言，因为预期外围部分的温度将会较高，因此硅胶片18C的外围部分18C-1的厚度被设置为较大；因为预期内部部分的表面温度将会较低，因此硅胶片18C的内部部分18C-2的厚度被设置为小于外围部分18C-1的厚度。
通过以这种方式调节硅胶片18C的厚度，并且通过将这样的硅胶片18C部署到半导体器件12D上，在半导体器件12D的回流焊接过程中，如图7C所示，半导体器件12D的表面温度基本上是均匀的。这样，易于控制回流过程中的加热温度，并且可以防止由于加热引起的半导体器件12D的缺陷。
图8是提供所测量的QFP型半导体器件、BGA型半导体器件和LQFP型半导体器件的表面温度、接合端温度和衬底温度的数据的表，这些数据是在通过利用本实施例的焊接方法来焊接半导体器件时在回流焊接过程中测量的。
如图8的表中的第四列所示，在QFP型半导体器件和BGA型半导体器件中，当部署3毫米厚的硅胶18时，表面温度降低约10℃。此外，在LQFP型半导体器件中，当部署3毫米厚的硅胶18时，表面温度降低约9℃，并且表面温度变成225℃。但是，此实验中的LQFP型半导体器件具有等于(225℃±5℃)的耐热温度，此耐热温度是相对较低的；因此，即使在225℃下，也不能保证LQFP型半导体器件的可靠性。
如图8的表的第五列所示，当部署5毫米厚的硅胶18时，LQFP表面温度又再降低约5℃，并且LQFP型半导体器件的表面温度降低到204℃。
换句话说，根据本实施例的焊接方法，即使电子部件的耐热度较低时，也可以执行回流焊接过程，同时将电子部件的温度保持在某个值以下。
对于具有被安排在平面中的接合端的BGA型半导体器件，外围部分处的接合温度通常与内部部分处的接合温度相当不同。例如，考虑具有354个引脚的塑料BGA型半导体器件，外围部分与内部部分之间的温度差约为6℃。此温度差也可通过调节硅胶18的厚度来消除，以使得温度分布均匀。
图9A至图9D是示出根据本发明的实施例的调换部件的方法的截面图。
在图9A至图9D所示的部件调换方法中，通过焊接安装的电子部件(在此例中是半导体器件12E)被从衬底10上移除。当在通过焊接安装到衬底10上的半导体器件12E中发现缺陷，并且有必要调换半导体器件12E时，执行此移除过程。
如图9A所示，除了半导体器件12E外，许多其他电子部件21也被安装在衬底10上。当调换半导体器件12E时，要求只从衬底10上移除半导体器件12E，而不对其他电子部件21造成损坏。
在本实施例的部件调换方法中，如图9B所示，硅胶18被部署在其他电子部件21上，这些电子部件应该保持在其位置处。硅胶18被选择成由热容大于电子部件21的热容的材料形成。此外，硅胶18是在加热12E以便调换时部署的，并且只被部署到其温度将会由于此加热而升高的被安排在半导体器件12E周围的其他电子部件21上。
在硅胶18被部署到其他电子部件21上之后，如图9C所示，热空气喷嘴22被附接到半导体器件12E上。热空气喷嘴22能够向内吹入加热后的空气。在吹的过程中，热空气喷嘴22内的温度被设置为足够高，以便融化将半导体器件12E固定到衬底10的焊料。随着焊料被融化，半导体器件12E被从衬底10上移除。
如图9D所示，半导体器件12E被从衬底10上移除。
如上所述，当加热半导体器件12E以便调换它时，硅胶18被部署在被安排在要移除的半导体器件12E周围的其他电子部件21上，并且硅胶18的热容被选择为高于电子部件21的热容。这样，可以防止在加热半导体器件12E以便将半导体器件12E从衬底10上移除时，对这些电子部件21造成热损坏。
在半导体器件12E被从衬底10上称除之后，接下来，硅胶18被从其他电子部件21上剥除。如上所述，硅胶18可被再次使用。
图10是示出调换部件的方法的截面图，作为对图9A至图9D所示的方法的修改。
在上文中，描述了硅胶18仅被部署在被安排在要移除的半导体器件12E周围的其他电子部件21上。但是，如图10所示，硅胶18也可被部署在要被移除的半导体器件12E上。这样做时，可以在不对半导体器件12E造成损坏的情况下将半导体器件12E从衬底10上移除。例如，当焊料球16与衬底没有良好连接，但是半导体器件12E处于良好状况时，此方法是有用的。
根据本发明，热容增强构件被部署在电子部件上，该热容增强构件包括能够增强电子部件的热容的凝胶状材料。从而，当通过回流焊接将电子部件焊接到衬底上时，即使电子部件被加热，由于电子部件的热容被热容增强构件所增强，电子部件也能被大热容所保护。这样，即使当电子部件被加热到等于或高于电子部件的耐热度的温度时，也不发生对电子部件的热损坏，同时可以防止由不充分加热引起的电子部件对衬底的不可靠安装。
虽然以上参考为了示例目的而选择的特定实施例描述了本发明，但是很清楚，本发明不限于这些实施例，在不脱离本发明的基本概念和范围的情况下，本领域的技术人员可对其做出许多修改。

Claims (13)

1.一种用于通过回流焊接将电子部件焊接在衬底上的焊接方法，包括以下步骤：
将焊膏施加在所述衬底上；
通过利用所述焊膏将所述电子部件安装在所述衬底上；
将热容增强构件部署在所述电子部件上，所述热容增强构件包括能够增强所述电子部件的热容的凝胶状材料；以及
在所述热容增强构件被施加在所述电子部件上的情况下，通过所述回流焊接将所述电子部件焊接到所述衬底上。
2.如权利要求1所述的焊接方法，其中
在将凝胶状热容增强元件部署在所述电子部件上的步骤中，所述热容增强构件的比热、导热率、体积和厚度被根据所述电子部件的形状和耐热温度分布而改变。
3.如权利要求2所述的焊接方法，其中
在焊接步骤中，根据所述电子部件的表面温度分布，在外围部分中所述热容增强构件的厚度被设置为较大，并且所述热容增强构件的内部部分的厚度被设置为小于所述热容增强构件的外围部分的厚度，所述外围部分具有较高表面温度，所述内部部分具有较低表面温度。
4.如权利要求1所述的焊接方法，其中所述热容增强构件包括硅胶。
5.如权利要求1所述的焊接方法，其中
在施加焊膏的步骤中，所述焊膏包括无铅焊料。
6.如权利要求1所述的焊接方法，其中在部署所述凝胶状热容增强构件的步骤中，配料器被用于将所述凝胶状热容增强构件部署在所述电子部件上。
7.如权利要求1所述的焊接方法，其中
在部署所述凝胶状热容增强构件的步骤之前，所述热容增强构件被形成为片状；以及
在部署所述凝胶状热容增强构件的步骤中，所述热容增强构件片被部署在所述电子部件上。
8.一种电子部件，其具有被焊接到设备上的外部连接端，包括：
部署在所述电子部件上的热容增强构件，所述热容增强构件包括能够增强所述电子部件的热容的凝胶状材料。
9.如权利要求8所述的电子部件，在外围部分中所述热容增强构件的厚度被设置为较大，并且所述热容增强构件的内部部分的厚度被设置为小于所述热容增强构件的外围部分的厚度。
10.如权利要求8所述的电子部件，其中所述热容增强构件包括硅胶。
11.一种部件调换方法，用于调换安装在衬底上的至少一个电子部件，多个电子部件被安装在所述衬底的表面上，所述方法包括以下步骤：
将热容增强构件部署在要调换的电子部件周围的多个电子部件上，所述热容增强构件包括能够增强电子部件的热容的凝胶状材料；以及
加热所述要调换的电子部件，并将所述要调换的电子部件从所述衬底上移除。
12.如权利要求11所述的部件调换方法，其中所述热容增强构件包括硅胶。
13.如权利要求11所述的部件调换方法，其中在部署步骤中，所述热容增强构件也被部署在所述要调换的电子部件上。
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