NL1007949C1

NL1007949C1 - Using laser light to make solder connections

Info

Publication number: NL1007949C1
Application number: NL1007949A
Authority: NL
Inventors: Leonardus Matheus Theodor Voss
Original assignee: Leonardus Matheus Theodor Voss; Berkers Matheus Antonius
Priority date: 1998-01-05
Filing date: 1998-01-05
Publication date: 1999-02-08
Also published as: NL1007949A1

Abstract

A semiconductor component (5) of the Ball Grid Array type is soldered in a grid array (6) on the underside of a printed circuit board (PCB) (1). Instead of heating the whole assembly to the melting point of solder, laser light is directed selectively to form each solder ball (3). Preheating could be used. Laser energy could be pulsed.

Description

-1 - toepassing van laserlicht voor selectief vloeien van balvormige soldeer aansluitingen-1 - application of laser light for selective flow of ball-shaped solder connections

Het idee heeft betrekking op het toepassen van laserlicht bij de eindfabricage van specifieke halfgeleider componenten van een type dat aangeduid wordt met de (Amerikaans) 5 Engelse benaming Ball Grid Array. In fig. 1, onderaanzicht van een reep dragermateriaal, is te zien dat de aansluitingen van deze componenten zich bevinden in een twee dimensionale matrix (Engels: Grid Array) 6 aan de onderzijde van de behuizing 2 en de vorm van een bol (Engels: Ball) hebben.The idea relates to the use of laser light in the final manufacture of specific semiconductor components of a type that is indicated by the (American) 5 English name Ball Grid Array. In fig. 1, bottom view of a strip of carrier material, it can be seen that the connections of these components are located in a two-dimensional matrix (English: Grid Array) 6 at the bottom of the housing 2 and in the form of a sphere (English: Ball).

Het aanbrengen van deze aansluitingen geschiedt in het algemeen als volgt: eeist wordt 10 op elk punt van de matrix 6 de soldeer als voorgevormd bolletje of schijfje geplaatst of in de vorm van een afgepaste hoeveelheid soldeerpasta gedispenseerd. Daarna wordt de aangebrachte soldeer door middel van verhitting vloeibaar gemaakt. Na afkoeling bevindt zich hierdoor op elk punt van de matrix een bolletje soldeer 3 dat aan de zijde van het dragermateriaal 1 een legering heeft gevormd met de daar aanwezige gedrukte bedrading 4 en 15 aldus uiteindelijk direct een elektrisch geleidende verbinding heeft gevormd met het halfgeleider element 5 zelf, dat zich doorgaans aan de andere zijde van het dragermateriaal 1 binnen een beschermende behuizing 2 bevindt.These connections are generally made as follows: at each point of the matrix 6, the solder is usually placed as a preformed bead or disc or dispersed in the form of a metered amount of solder paste. The applied solder is then liquefied by heating. After cooling, a dot of solder 3 is formed at each point of the matrix, which has formed an alloy on the side of the support material 1 with the printed wiring 4 and 15 present therein, and thus has formed an electrically conductive connection directly with the semiconductor element 5 itself, which is usually located on the other side of the support material 1 within a protective housing 2.

Het idee heeft met name op de wijze van verhitting betrekking: tot nu toe toegepaste manieren zijn voornamelijk verhitting door convectie middels een warm gas (in een convectie 20 oven), een zich in de dampfase bevindende vloeistof (damp fase oven) of door bestraling met licht uit het infrarood gebied (infrarood ovens). Al deze processen hebben echter als eigenschap dat het om een continu proces gaat waarbij een enkel of een reeks van deze componenten achter elkaar en in zijn geheel verwarmd wordt tot een temperatuur ruim boven het smeltpunt van het gebruikte soldeer, doorgaans 220 of 230 graden Celsius. Hierdoor worden gedurende een 25 bepaalde tijd (meestal enkele minuten) de soldeer bolletjes 3 maar ook de halfgeleider componenten 5 zelf, him behuizing 2, de drager 1 met de gedrukte bedrading 4 blootgesteld aan een vrij hoge temperatuur. Bekende nadelen van dit proces zijn het ontstaan van spanningen, scheuren en andere defecten door de verschillende uitzetting- en temperatuurgeleiding coëfficiënten van de samengestelde onderdelen alsmede een extra warmtecyclus voor het 30 dragermateriaal 1 dat vaak een beperkt aantal van deze cycli kan doorstaan. Bovendien neemt het proces doorgaans veel ruimte in en is het energie intensief, terwijl een groot gedeelte van deze energie ondoelmatig gebruikt wordt. Het idee waarop deze aanvraag betrekking heeft, heft deze nadelige gevolgen en bijwerking geheel of voor een groot deel op. Door namelijk de 1 0 ü 7 9 4 9 -2- soldeer op elk punt van de matrix 6 selectief te verhitten met behulp van een precies te positioneren bundel laserlicht welke qua grootte en energie inhoud is afgestemd op de vorm en inhoudelijke massa van de bolletjes, is het mogelijk alleen de soldeermassa zelf tot boven de smelttemperatuur te verhitten. Het continue proces is daarmee vervangen door een diskreet 5 proces dat in principe voor elk individueel bolletje afgestemd kan worden. Hetzij als een gesloten lus met behulp van een optische terugkoppeling, hetzij zonder deze terugkoppeling op basis van een bekende hoeveelheid ingestraalde warmte per bolletje. Het dragermateriaal 1 en de behuizing 2 worden hierdoor aanzienlijk minder aan warmte blootgesteld. Desgewenst kan dit verder verbeterd worden door de verhitting in een aantal kortere dosis te laten plaatsvinden: 10 de bundel gaat dan een aantal malen pulserend over het hele array, maar alleen op die plaatsen waar daadwerkelijk soldeer aanwezig is. Zodoende wordt de warmte langzamer toegediend en krijgt beter de gelegenheid zich goed door de gehele massa te verspreiden, middels warmtegeleiding. Ook is het mogelijk tot op een bepaald, onschadelijk, niveau voorverwarming toe te passen.The idea mainly relates to the method of heating: hitherto applied ways have mainly been heating by convection by a hot gas (in a convection oven), a liquid in the vapor phase (vapor phase oven) or by irradiation with infrared light (infrared ovens). However, all these processes have the property of being a continuous process in which a single or series of these components is heated consecutively and in its entirety to a temperature well above the melting point of the solder used, usually 220 or 230 degrees Celsius. As a result, the solder balls 3, but also the semiconductor components 5 themselves, the housing 2, the carrier 1 with the printed wiring 4 are exposed to a fairly high temperature for a certain period of time (usually a few minutes). Known disadvantages of this process are the occurrence of stresses, cracks and other defects due to the different expansion and temperature conduction coefficients of the composite parts, as well as an extra heat cycle for the support material 1, which can often withstand a limited number of these cycles. Moreover, the process usually takes up a lot of space and is energy intensive, while a large part of this energy is used inefficiently. The idea to which this application refers eliminates all or some of these adverse effects and side effects. Namely, by selectively heating the 1 0 ü 7 9 4 9 -2 solder at each point of the matrix 6 using a precisely positioned beam of laser light which, in terms of size and energy content, is attuned to the shape and content mass of the balls , it is possible to heat only the solder mass itself above the melting temperature. The continuous process has thus been replaced by a discrete process that can in principle be tuned for each individual bulb. Either as a closed loop by means of an optical feedback or without this feedback on the basis of a known amount of radiated heat per sphere. The carrier material 1 and the housing 2 are hereby exposed considerably less to heat. If desired, this can be further improved by allowing the heating to take place in a number of shorter doses: the beam then pulses a number of times over the entire array, but only in those places where actual solder is present. In this way, the heat is applied more slowly and has better opportunity to spread well throughout the entire mass, by means of heat conduction. It is also possible to apply preheating up to a certain, harmless level.

15 Door gebruik te maken van nieuw ontwikkelde diode lasers, is tevens een aanzienlijke kostenbesparing op aanschaf, onderhoud en energie te verwezenlijken. Bijkomend voordeel is dat bij een vergelijkbare produktiecapaciteit, het benodigde vloeroppervlak aanzienlijk kleiner is.15 By using newly developed diode lasers, considerable cost savings can also be achieved on purchase, maintenance and energy. An additional advantage is that with a comparable production capacity, the required floor space is considerably smaller.

1007949 i1007949 i

Claims

1. Idea for selectively and controlled flow of the solder on the array of terminals in a Ball Grid Array semiconductor to form 5 spherical terminals using energy from laser light.

Idea according to claim 1, characterized in that use is also made of preheating from a supporting heat source, in order to shorten the time required for heating to above the melting point. 10 ------- 1007949