RU2812158C1 - Способ вакуумной пайки припойных шариков на выводные площадки металлокерамических корпусов матричного типа - Google Patents

Способ вакуумной пайки припойных шариков на выводные площадки металлокерамических корпусов матричного типа Download PDF

Info

Publication number
RU2812158C1
RU2812158C1 RU2022132790A RU2022132790A RU2812158C1 RU 2812158 C1 RU2812158 C1 RU 2812158C1 RU 2022132790 A RU2022132790 A RU 2022132790A RU 2022132790 A RU2022132790 A RU 2022132790A RU 2812158 C1 RU2812158 C1 RU 2812158C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
solder balls
solder
chamber
soldering
metal
Prior art date
Application number
RU2022132790A
Other languages
English (en)
Inventor
Виталий Владимирович Побединский
Александр Валерьевич Рябов
Евгений Вячеславович Лаврентьев
Original Assignee
Акционерное общество "Научно-исследовательский институт электронной техники" (АО "НИИЭТ")
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Научно-исследовательский институт электронной техники" (АО "НИИЭТ") filed Critical Акционерное общество "Научно-исследовательский институт электронной техники" (АО "НИИЭТ")
Application granted granted Critical
Publication of RU2812158C1 publication Critical patent/RU2812158C1/ru

Links

Images

Abstract

Изобретение относится к технологии вакуумной пайки электронной техники и предназначено для монтажа припойных шариков на выводные площадки металлокерамических корпусов матричного типа. Выводные площадки металлокерамического корпуса перед нанесением паяльной пасты обрабатывают с использованием низкотемпературной газоразрядной плазмы. Оплавление шариков припоя осуществляют в вакуумной печи. Камеру печи вакуумируют с последующим заполнением ее азотом, затем производят предварительный нагрев металлокерамического корпуса в камере с подачей в нее паров муравьиной кислоты. После стабилизирующей выдержки нагревают до температуры оплавления шариков припоя. Создают в камере разрежение для удаления из паяного соединения газов и заполнения образующихся пустот припоем. Заполняют камеру азотом до давления окружающей среды и проводят охлаждение. Изобретение позволяет осуществлять пайку без применения флюса на поверхности припойных шариков с полным заполнением дамплов выводных площадок микросхемы паяльной пастой, минимизирует рост оксидных пленок на поверхности калиброванных припойных шариков. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Предлагаемое изобретение относится к технологии вакуумной пайки компонентов электронной техники и предназначено для монтажа припойных шариков на выводные площадки металлокерамических корпусов 8 типа [1].
В настоящее время в современном производстве одним из наиболее проблемных является соединение корпуса интегральной микросхемы (ИМС) с контактной площадкой подложки. Надежное соединение микросхемы с подложкой является ключевым условием для бесперебойной работы изделия в целом.
Керамические корпуса с шариковыми выводами на плоскости основания - C-BGA (англ. Ceramic Ball Grid Array - массив шариковых выводов на керамическом основании), (далее C-BGA), способны обеспечить необходимую надежность и представляют собой тип поверхностно-монтируемых интегральных схем. Одной из разновидностей корпусов типа C-BGA являются керамические корпуса с углубленными выводными площадками - D-BGA (англ. Dimpled Ball Grid Array - массив шариковых выводов на керамическом основании, контактные площадки которых углублены в дамплы), (далее D-BGA), [2]. Одной из целей, стоящих перед предприятиями-изготовителями изделий электронной техники ответственного применения, является создание приборов, имеющих запас прочности на длительный промежуток времени при экстремальных нагрузках.
Применение корпусов типа D-BGA является приоритетным направлением корпусирования изделий электронной техники ответственного применения. Модернизация классического керамического корпуса типа C-BGA в части введения дамплов для выводных площадок позволила повысить надежность керамического корпуса матричного типа и защитить место пайки шариков от деформации во время термоциклирования. Увеличилась способность самоцентрирования микросхемы при монтаже, что позволяет паять корпуса типа D-BGA к печатной плате вместе с пассивными элементами.
Важной особенностью микросхем ответственного применения в корпусах типа D-BGA является то, что к ним применяются жесткие требования к пустотам в припойном шарике, дампле и месте соединения с выводной площадкой корпуса.
Существуют различные способы монтажа припойных шариков на выводные площадки металлокерамических корпусов. Например, известен способ пайки потоком горячего воздуха, который основан на переносе тепловой энергии нагретым воздухом. Для нагрева воздух пропускается через нагревательный элемент с помощью конвекторов. Нагретый воздух позволяет расплавить припой и произвести пайку. [3]
Недостатком известного способа является возможность термоудара ввиду неконтролируемости процесса нагрева, т.к. контроль температуры воздуха осуществляется лишь на выходе насадки, а не на самом корпусе микросхемы, кроме того поток воздуха может сдувать и/или сдвигать припойные шарики при пайке.
Известен способ пайки методом оплавления припоя с использованием инфракрасного (далее ИК) излучения. В соответствии с данным способом микросхема последовательно проходит через зоны предварительного нагрева и пайки с последующим охлаждением. Отличительной особенностью известного способа является то, что в зоне предварительного нагрева и охлаждения изделие находится в движении, а во время пайки - неподвижно. Контроль температуры изделия во время пайки осуществляется ИК-датчиком. [4]. Данное техническое решение принято за прототип.
Недостатком известного способа является то, что ИК-нагреватель обладает большой тепловой инертностью как при нагреве, так и при охлаждении. Контроль температуры ИК-датчиком усложняет настройку и контроль термопрофиля и, как следствие, вызывает проблемы с повторяемостью процесса, что приводит к снижению качества пайки и уменьшению выхода годных изделий.
Известен также способ парофазной пайки, в процессе которой в герметичной камере находится жидкость «медиум» (переносчик) при температуре кипения равной температуре плавления припоя. В процессе кипения жидкости создается пар в который помещается изделие с установленными компонентами. Пары конденсируются, отдавая теплоту парообразования, тем самым нагревая подложку. Когда температура изделия достигает температуры пара, процесс конденсации прекращается и нагрев заканчивается. В результате нанесенная паяльная паста оплавляется [5]. Данное техническое решение принято за прототип.
Недостатком этого способа пайки является повреждение припойных шариков (эффект попкорна), а также отсутствие отечественных производителей жидкости - «медиума».
При традиционном подходе монтаж внешних шариковых выводов представляет собой типовую последовательность технологических операций: нанесение флюса, нанесение припойных шариков, предварительный нагрев, смачивание (стабилизация), оплавление, охлаждение, отмывка остатков флюса и сушка.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по созданию нового способа пайки припойных шариков на корпуса типа D-BGA, который обеспечил бы получение следующих результатов:
- простая настройка технологического процесса оплавления;
- динамическое профилирование, позволяющее каждому соединению достигать температуры пайки;
- минимизация дефектов пайки;
- мониторинг и прослеживаемость режимов.
Указанный технический результат достигается при проведении поэтапных операций:
- плазменная обработка выводных площадок металлокерамических корпусов;
- нанесение паяльной пасты в дамплы корпусов типа D-BGA;
- нанесение калиброванных припойных шариков;
- оплавление в вакуумной печи паяльной пасты и припойных шариков;
- отмывка мест пайки;
- сушка корпусов микросхем;
- проведение визуально-оптического и рентгенографического контроля смонтированных припойных шариковых выводов.
В начале процесса выводные площадки микросхем очищают от возможных загрязнений с одновременной активацией поверхности в низкотемпературной газоразрядной плазме, после чего на выводные площадки микросхемы наносят припойную пасту методом трафаретной печати. Контроль заполнения дамплов осуществляется визуально. На нанесенную с помощью трафарета паяльную пасту размещают калиброванные припойные шарики, затем в вакуумной печи проводят одновременное оплавление паяльной пасты и калиброванных припойных шариков, после чего производят отмывку мест пайки в У3-ванне и сушку корпусов микросхем. В заключение с целью контроля качества пайки и анализа возможных пустот, образованных в процессе оплавления, осуществляют визуально-оптический и рентгенографический контроль.
Новый способ позволяет обеспечить ряд преимуществ по сравнению с альтернативными методами монтажа припойных шариков:
- обеспечить однозначный контроль стадий температурного профиля (предварительный нагрев, смачивание (стабилизация), оплавление, охлаждение);
- минимизировать разницу температур на корпусе микросхемы, исключить возможность перегрева;
- контролировать рост интерметаллических соединений;
- исключить окисление паяного соединения;
- минимизировать количество пустот.
Максимальное содержание пустот в паяном соединении не должно превышать 10% общей площади соединения [6]. Более жесткие требования к пустотам отражены в [7], где до 50% шариков могут иметь пустоты, максимальный размер пустоты в любом шарике составляет 5% его площади (22% диаметра изображения).
Сущность изобретения поясняется иллюстрациями, на которых схематично изображены этапы технологического процесса монтажа калиброванных шариков методом вакуумной пайки:
на фиг. 1 - схема кассеты с набором трафаретов для нанесения паяльной пасты и установки припойных шариков;
на фиг. 2 - фрагмент схемы сборки кассеты и металлокерамического корпуса с установленным трафаретом для нанесения паяльной пасты;
на фиг. 3 - фрагмент схемы сборки кассеты и металлокерамического корпуса с дамплами, заполненными паяльной пастой;
на фиг. 4 - фрагмент схемы сборки кассеты и металлокерамического корпуса с дамплами, заполненными паяльной пастой и нанесенными припойными шариками;
на фиг. 5 - фрагмент микросхемы с припойными шариками после оплавления;
на фиг. 6 - технологическая схема монтажа калиброванных припойных шариков на металлокерамические корпуса 8 типа.
Предлагаемое изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
С целью очистки поверхности от загрязнений, возникших в процессе транспортировки и хранения, металлокерамический корпус микросхемы с золотой (Au) металлизацией выводных площадок обрабатывают в низкотемпературной газоразрядной плазме с диодной системой возбуждения заряда в среде смеси газов аргон-водород (Ar90%+Н210%) в течении 10 минут; (мощность, подаваемая на питающий электрод, - 450 Вт; давление в реакционно-разрядной камере - 120 мТорр). Затем металлокерамический корпус микросхемы 1 (фиг. 1) укладывают в кассету 2 выводными площадками 3 вверх и накрывают трафаретом 4 заданной толщины, при этом апертуры трафарета должны быть совмещены с выводными площадками корпуса. Толщину трафарета выбирают в зависимости от геометрических размеров дампла (глубины и диаметра). На трафарет 4 (фиг. 2) наносят паяльную пасту 5 на основе состава Sn62/Pb36/Ag2, которую затирают ракелем 6 в выводные площадки 3 микросхемы 1 уложенную в кассету 2 в двух направлениях. Контроль заполнения дамплов осуществляется с помощью микроскопа с увеличением не менее 16×. Допускается добавлять припойную пасту иголкой в единичные дамплы выводных площадок корпуса микросхемы. После заполнения дамплов трафарет 4 снимается с кассеты 2, при этом дамплы выводных площадок 3 микросхемы 1 остаются заполнены паяльной пастой 5 (фиг. 3). Затем на кассету 2 помещается трафарет для установки калиброванных припойных шариков 7 на трафарет наносят калиброванные припойные шарики 8 и распределяют их таким образом, чтобы в одной апертуре 9 трафарета 7 находился один припойный шарик 8 (фиг. 4). Толщину трафарета выбирают исходя из геометрических размеров припойных шариков, при этом она должна быть не менее 50% от их диаметра. Трафарет 7 снимается с кассеты 2 после чего микросхему 1 с нанесенными припойными шариками 8 помещают в камеру вакуумной печи. Оплавление состоит из нескольких технологических стадий. После запуска процесса оплавления происходит вакуумирование камеры до 10 mbar с последующим напуском в рабочий объем камеры азота (N) со скоростью 10 ppm/s для удаления кислорода из камеры и, как следствие, исключения окисления в процессе пайки, при этом давление в камере на 100 mbar ниже атмосферного. После создания среды азота в камере происходит предварительный нагрев корпуса микросхемы до температуры 150°С. Во избежания температурного удара и ранней активации флюса, содержащегося в паяльной пасте, скорость предварительного нагрева контролируется и не превышает 2°С/сек. Параллельно с нагревом происходит подача паров муравьиной кислоты (НСООН) со скоростью 10 ppm/s, которая позволяет убрать окисление с поверхности припойных шариков и подготавливает их к пайке. Следующей технологической стадией оплавления является стабилизация - выдержка микросхемы при температуре предварительного нагрева в течении 120 секунд с целью выравнивания температурного градиента на корпусе и включения активирующих свойств флюса, содержащегося в паяльной пасте. После завершения стадии стабилизации начинается стадия оплавления, в ходе которой происходит увеличение температуры до 235°С с выдержкой на пике 60 секунд, затем включается вакуумный насос и создается разряжение 5 mbar, что приводит к увеличению размера пустоты до размера, достаточного для создания вентиляционного канала. За счет избыточного давления пустота выходит из припоя, окружающее давление стремится к вакууму, давление с пустотой выравнивается, силы поверхностного натяжения заполняют место пустоты припоем. В результате образованные в процессе заполнения дампла пустоты и газы флюса полностью удаляются из паяного соединения. После завершения процесса вакуумирования происходит наполнение камеры азотом (N) до давления окружающей среды. Завершающей стадией процесса является охлаждение корпуса микросхемы до температуры 50°С со скоростью не выше 4°С/сек., при этом расплавленный припой переходит в твердое состояние. После завершения оплавления микросхема 1 с оплавленными шариковыми выводами 10 (фиг. 5) подвергается отмывке в ультразвуковой ванне в деионизованной воде, подогретой до температуры 60°С. Длительность обработки 10 минут, частота У3-генератора 35 кГц с последующей сушкой в сушильном шкафу при температуре 80°С в течении 10 минут.
В дальнейшем смонтированные припойные шарики подвергаются визуально-оптическому контролю на наличие дефектов внешнего вида, в ходе которого контролируются габаритные размеры и качество поверхности припойных шариков. Заключительной операцией технологического процесса является рентгенографический контроль, в ходе которого припойные шарики проверяются на наличие следующих дефектов:
- трещины и разрывы в зоне соединения припойного шарика с выводной площадкой;
- отсутствие смачивания выводных площадок микросхемы;
- пустоты в паяном соединении.
Таким образом, предлагаемая технологическая схема монтажа калиброванных припойных шариков на металлокерамические корпуса 8 типа [1], представляет собой последовательность технологических операций (фиг. 6): 11 Плазменная обработка выводных площадок корпусов → 12 Нанесение паяльной пасты → 13 Визуально-оптический контроль → 14 Установка шариковых выводов → 15 Оплавление → 16 Отмывка мест пайки → 17 Сушка → 18 Визуально-оптический контроль → 19 Рентгенографический контроль.
Разработанный технологический цикл монтажа припойных шариков хорошо зарекомендовал себя в опытном производстве. Однако в связи с тем, что конструкция вакуумной печи и технологические стадии оплавления не позволяют получить высокую производительность процесса, применять его можно в лабораторном и мелкосерийном производстве.
В результате разработки способа вакуумной пайки припойных шариков на металлокерамические корпуса 8 типа [1], в АО «НИИЭТ» были получены следующие результаты:
1. Низкотемпературная плазменная обработка выводных площадок микросхемы позволяет определенным образом активировать/модифицировать поверхность, что позволяет уменьшить угол смачивания и, как следствие, улучшить заполнение дамплов выводных площадок микросхемы паяльной пастой;
2. Применение вакуумной печи позволяет получить возможность динамического профилирования, обеспечить воспроизводимость и прослеживаемость технологического процесса, как следствие, контролируемый рост интерметаллических соединений;
3. Удаление кислорода из рабочей камеры и продувка азотом уменьшает содержание кислорода до 10-15 ppm, что обеспечивает минимальный рост оксидных пленок на поверхности калиброванных припойных шариков;
4. Оплавление припойных шариков в парах муравьиной кислоты позволяет осуществлять пайку без применения флюса;
5. При рентгенографическом контроле более 200 тысяч смонтированных припойных шариков 100% припойных шариков не имели дефектов паяного соединения, включая пустоты, превышающие 5% его площади (22% диаметра изображения), что соответствует передовым критериям качества мирового уровня.
Источники информации
1. ГОСТ Р 54844-2011. МИКРОСХЕМЫ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ. Основные размеры, Москва, Стандартинформ, 2014.
2. Shingo Sato, Noriyuki Shimizu, Shin Matsuda, Shoji Uegaki and Sachio Ninomiya. 2nd LEVEL INTERCONNECT RELIABILITY OF CEREMIC AREA ARRAY PACKAGES, Keyocera Corporation, Kyoto, Japan, Presented at semicon Taiwan on 9/23/97.
3. А. Кантер, Фокусная инфракрасная пайка - ремонт BGA-микросхем с превосходным качеством. Технологии в электронной промышленности, с. 10-12, №5, 2015.
4. С.М. Доровских. Способ сборки гибридно-интегральных микросхем, Патент Российской Федерации (19) RU (ID 2315392 (13) С1 (51) H01L 21/98 (2006.01) с приоритетом от 28.06.2006.
5. А. Серегин, М. Антонов, Инновационные технологии пайки: парофазная пайка. Современная электроника, с. 8-9, №6, 2010.
6. MIL-STD-883G. Test method standard microcircuits.
7. IPC-7095B Design and Assembly Process Implementation for BGAs, March 2008.

Claims (2)

1. Способ монтажа припойных шариков на выводные площадки металлокерамического корпуса матричного типа, включающий нанесение паяльной пасты на выводные площадки металлокерамического корпуса, установку калиброванных припойных шариков и их оплавление совместно с паяльной пастой, последующую отмывку мест пайки и сушку, отличающийся тем, что выводные площадки металлокерамического корпуса перед нанесением паяльной пасты обрабатывают с использованием низкотемпературной газоразрядной плазмы, а оплавление шариков припоя осуществляют в вакуумной печи, при этом камеру печи вакуумируют с последующим заполнением ее азотом, затем производят предварительный нагрев металлокерамического корпуса в камере с подачей в нее паров муравьиной кислоты, осуществляют стабилизирующую выдержку и последующий нагрев до температуры оплавления шариков припоя, затем создают в камере разрежение, обеспечивающее удаление из паяного соединения газов флюса и заполнение образующихся пустот припоем, после чего заполняют камеру азотом до давления окружающей среды и проводят охлаждение.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обработку с использованием низкотемпературной газоразрядной плазмы осуществляют в среде, состоящей из аргона и водорода.
RU2022132790A 2022-12-13 Способ вакуумной пайки припойных шариков на выводные площадки металлокерамических корпусов матричного типа RU2812158C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2812158C1 true RU2812158C1 (ru) 2024-01-24

Family

ID=

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2208279C2 (ru) * 1996-10-10 2003-07-10 Берг Электроникс Мэнуфэкчуринг Б.В. Соединитель с высокой плотностью размещения элементов и способ его изготовления
RU2315393C1 (ru) * 2006-03-29 2008-01-20 Виктор Михайлович Головин Лавинный фотоприемник с расширенным спектральным диапазоном регистрации оптического излучения
KR20080062565A (ko) * 2006-12-29 2008-07-03 주식회사 하이닉스반도체 플립 칩 패키지
RU2331993C1 (ru) * 2006-11-29 2008-08-20 ОАО "Завод Компонент" Способ монтажа электронных компонентов с шариковыми выводами
RU2655678C1 (ru) * 2014-09-18 2018-05-29 Интел Корпорейшн Способ встраивания компонентов wlcsp в e-wlb и в e-plb
RU2685692C2 (ru) * 2008-08-18 2019-04-23 Семблант Лимитед Печатная плата и способ ее получения

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2208279C2 (ru) * 1996-10-10 2003-07-10 Берг Электроникс Мэнуфэкчуринг Б.В. Соединитель с высокой плотностью размещения элементов и способ его изготовления
RU2315393C1 (ru) * 2006-03-29 2008-01-20 Виктор Михайлович Головин Лавинный фотоприемник с расширенным спектральным диапазоном регистрации оптического излучения
RU2331993C1 (ru) * 2006-11-29 2008-08-20 ОАО "Завод Компонент" Способ монтажа электронных компонентов с шариковыми выводами
KR20080062565A (ko) * 2006-12-29 2008-07-03 주식회사 하이닉스반도체 플립 칩 패키지
RU2685692C2 (ru) * 2008-08-18 2019-04-23 Семблант Лимитед Печатная плата и способ ее получения
RU2655678C1 (ru) * 2014-09-18 2018-05-29 Интел Корпорейшн Способ встраивания компонентов wlcsp в e-wlb и в e-plb

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5499754A (en) Fluxless soldering sample pretreating system
US20070170227A1 (en) Soldering method
US9338935B2 (en) System for removing an electronic component from a substrate
JP2007125578A (ja) リフロー装置、リフロー方法、および半導体装置の製造方法
KR20030092026A (ko) 무세척 플럭스를 사용한 플립칩 상호 접속
KR100669061B1 (ko) 리플로 납땜 방법
KR100919931B1 (ko) 레이저 솔더링 장치 및 방법과 이를 이용한 전력용 반도체모듈의 제조방법
RU2812158C1 (ru) Способ вакуумной пайки припойных шариков на выводные площадки металлокерамических корпусов матричного типа
US6092714A (en) Method of utilizing a plasma gas mixture containing argon and CF4 to clean and coat a conductor
Yeo et al. Vacuum reflow process optimization for solder void size reduction in semiconductor packaging assembly
US7416969B2 (en) Void free solder arrangement for screen printing semiconductor wafers
KR100810462B1 (ko) 회로 기판으로부터 과잉 땜납의 수직 제거
KR20010053616A (ko) 전자 부품을 기판에 납땜하는 리플로 솔더링 방법 및 장치
Lentz et al. Fill the Void II: An Investigation into Methods of Reducing Voiding
Suppiah et al. A review on solder reflow and flux application for flip chip
JP3753524B2 (ja) 電子部品の製造方法
JP3543573B2 (ja) 電子部品の実装方法およびチップの実装方法
KR100292295B1 (ko) 레이저를 이용한 웨이퍼 레벨의 무플럭스 솔더 접합 장치 및 방법
Chung et al. Rework of BGA components
JPH08242069A (ja) 電子回路基板の製造装置、はんだ付け装置及び製造方法
Johnson et al. Wafer-applied underfill: Flip-chip assembly and reliability
Ramasamy et al. Board Level Life Assessment of Large Body Flip Chip Packages with Smaller Solder ball pitch & Methodologies to improve Board level Reliability
PRIMAVERA REWORK OF BGA COMPONENTS
Yeo et al. Critical Threshold Limit for Effective Solder Void Size Reduction by Vacuum Reflow Process for Power Electronics Packaging
JP2001135666A (ja) 電子回路装置の製造方法および製造装置