TW200404636A - Reflow soldering method - Google Patents

Description

200404636 (1) 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種回流焊接法，且特別是關於使用焊 劑的回流焊接法，這種焊劑在焊接之後不需要移除熔渣。 【先前技術】 由於消費者經常要求電子設備在尺寸與重量上能越來 越小’所以針對此項需求，必須將電子設備內的零件尺寸 予以減少，且增加這些零件的封裝密度。因此，對於安裝 電子零件所用的倒裝片技術（flip chip technology)就有了 更新的發展。 在倒裝片技術中，首先開始發展於1 960年代，將一 半導體晶片面朝下放置在一基板（例如印刷電路板）上，且 在此晶片下表面上的許多終端則被電氣連接到基板的上表 面。用以將倒裝片電氣連接至基板上的一般方法是在晶片 上形成焊料隆起，且使焊料產生回流而藉此將晶片與基板 連結在一起。 以前，藉由電鍍方式產生焊料隆起。然而，當焊料隆 起的尺寸變小時，尤其是無鉛焊料，則由於電鍍成本高以 及難以藉由電鍍形成具有均勻合金組成的大量焊料隆起， 因此很難藉由電鍍以工業大量方式形成焊料隆起。 可以想到的取代電鍍之方式爲將一焊劑藉由印刷塗敷 在一構件上，且然後使焊劑回流而形成焊料隆起。印刷方 式比較經濟，且能形成高度均勻的隆起。用於這種印刷方 (2) (2)200404636 式的典型焊劑包含焊粉及助焊劑，此助焊劑能使焊劑產生 可印刷性，且含有一或多種活性成分（活化劑），用以減少 焊料或欲被焊接的構件之表面上的氧化物，且用以增加焊 料的濕潤性與散佈性。 由於加入許多助焊劑，所以在完成焊接時會在欲被焊 接的構件上殘留熔渣。熔渣中的活性成分一般都具有腐蝕 性，所以必須淸除熔渣，以防止它破壞欲焊接的構件。過 去，通常使用含有氟氯烴溶劑的淸潔液來除掉熔渣，但由 於這種溶劑會影響臭氧層所以被限制使用。因此，以現在 的要求來說，移除熔渣就比過去更具挑戰性。而且，當在 基板上的焊接成分之間的間隔與成分與基板之間的間隔都 極小之情形下，特別是倒裝片的情形，不管使用何種的淸 潔液，都很難以完全將熔渣從基板上除掉。 於是，爲了形成能夠適用於倒裝片上且符合經濟效益 與工業產量規格之焊料隆起，因此能藉由印刷將焊劑塗在 〜構件上而不會在回流焊接之後留下熔渣是很重要的。爲 此，目前許多硏究都著重於無助焊劑的焊接。 已經提出的一種無助焊劑焊接之方法，包含以下步 驟：將一無助焊劑的焊料藉由電鍍或蒸鍍法塗在一基板 上，然後將焊料產生回流使得焊料形成隆起，將焊料暴露 於電漿，例如氫電漿。這樣的方法可如日本先行公開專利 申請案第He i 11-163036號案中所揭示。在電漿中的自由 _會對於焊料中的氧化物產生還原作用，且可以因此作爲 習知助焊劑中的活性成分之用。由於焊料不含有助焊劑， (3) (3)200404636 所以不會形成熔渣，因此也不需要在焊接之後執行淸潔來 移除熔澄。然而，藉由電鍍或蒸鍍塗敷焊料之程序會使此 方法變得很不經濟，且難以均勻塗上焊料，致使無法在工 業上成爲貫用的方法。直至目前爲止，並無任何使用電獎 的方法能同時允許焊料藉由印刷法塗敷到表面上。 【發明內容】 本案發明人發現到一項事實，就是利用能使焊劑產生 可印刷性的助焊劑，從該助焊劑形成焊劑，且使用自由基 氣體執行回流焊接，來執行習知技術中助焊劑所執行的還 原作用，就可以實現回流焊接而不會形成有害的熔渣，且 同時能藉由印刷將溶劑塗敷到構件上。 於是，本發明能提供一種方法，用以形成焊料隆起而 不會留下熔渣。 本發明進一步提供一種方法，用以在電路板上安裝電 子零件而不會留下熔渣。 根據本發明的一型態，此焊接方包含以下步驟：將一 焊劑塗敷在一構件上’該焊劑包含焊粉與助焊劑；在非氧 化性氣體環境中加熱該構件上的焊劑’以使該焊劑產生回 流，最好是在還原性氣體中；然後至少將焊劑中的活性成 分予以蒸發。在一較佳實施例中，加熱焊劑而同時暴露在 一自由基氣體內。 自由基氣體是一種含有許多自由基的氣體，這些自由 基可以對焊劑與欲被焊接的構件產生還原作用。在較佳的 -10- (4) (4)200404636 實施例中，自由基氣體包含從氫電獎獲得的氫基氣體。 焊粉並未侷限於任何特定形式，但最好是無給焊粉。 在較佳的實施例中，焊劑是藉由印刷法而塗敷到構件 - 上。 . 塗敷到構件上的焊劑之回流會使焊劑形成焊料隆起， 而不會使構件彼此相連，或者此回流會藉由焊料而使構件 互相連接。例如，此回流可用以將電子零件安裝在一基板 上。 · 【實施方式】 用於本發明的焊接法之焊劑包含焊粉與助焊劑。在本 發明中，助焊劑的主要用途是使焊劑產生可印刷性，且習 知助焊劑中的活性元素施加到焊劑上的還原作用則主要由 氣體電漿所形成的自由基氣體而取代。因此，助焊劑將包 括一或多種成分，以便使焊劑產生可印刷性，但焊料卻不 需要含有能產生還原作用的任何活性成分（活化劑）。然 鲁 而，在其中自由基氣體的還原作用不足的情形時，則助焊 劑可以包含一或多種活性成分（活化劑），以便產生還原作 用’並且這些活性成分在達到焊劑中焊粉的回流溫度時就 · 會大致上完全蒸發，但也可以允許有少量的助焊劑成分， 例如在焊接之後助焊劑中仍殘留有〇 . 5 %或更少的搖溶劑 (thixotropic agent)，只要此助焊劑成分不會形成有害的熔 '渣’且不會影響自由基氣體的還原作用即可。 助焊劑的所有成分均會在達到焊劑中焊粉的回流溫度 -11 - (5) (5)200404636 時就會大致上完全蒸發。 適用於本發明中，能夠使焊劑產生可印刷性且又能在 回流溫度時蒸發之成分可以是所有種類的搖溶劑’這些搖 溶劑可以作爲分離抑制劑。適合的搖溶劑範例爲硬化蓽麻 油、硬脂酸胺及對伸苯甲基山梨糖醇。 能夠在回流溫度蒸發且因此可用於本發明助焊劑中的 活性成分（活化劑）之範例爲有機酸，例如丁基苯甲酸與己 二酸，以及例如琥珀酸單乙醇胺鹽等類的胺鹽。 本發明的焊劑可以包含一溶劑。對於習知焊劑來說， 在回流期間，其溶劑會輕易地蒸發掉，所以任何習知焊劑 中所使用的溶劑均可以用於本發明。但如果從欲獲得良好 的可印刷性之角度來看，則最好選擇具有高黏性且容易將 助焊劑中的活性成分予以溶解的溶劑，上述較佳溶劑的範 例爲醇類，例如三羥甲基丙烷、異冰片基環己醇及四乙二 醇等一或多種醇類。當然也可以使用二甘醇單丁醚與四乙 二醇。 在本發明所使用的焊劑中之焊粉組成並無特別的限 制。從健康與環保的角度來看，最好是選擇無鉛焊粉，但 是也可以使用含鉛的焊粉。焊粉可以包含一或多種元素金 屬粉末，一或多種焊料合金粉末，或是元素與合金粉末的 混合物。可以根據焊料的用途、想要的焊接溫度及其他要 求而選擇焊粉的顆粒大小與其他特性。 焊粉與助焊劑可以藉由一般標準技術而混合在一起， 以便形成具有想要黏性的焊劑。此焊劑然後可以藉由一般 -12- (6) (6)200404636 標準印刷法而塗敷在焊劑欲回流的構件上。 可以使用任何設備來執行本發明的回流焊接法，只要 這些設備能夠將上面塗有焊劑的構件暴露於自由基氣體且 將此構件與焊劑加熱至回流溫度即可。適用於本發明的回 _ 流焊接設備之一範例爲日本先行公開專利申請案第200 1 -5 8 2 5 9號案中所揭示的設備，其槪略如圖1之剖面圖所 示。由於此種設備在上述專利文件中早已詳細說明，因此 僅簡述如下。 φ 在圖1所示的設備中，藉由一般磁電管或其他適合的 裝置來產生微波，所產生的微波10具有2.45GHz，然後 通過一矩形波導1 2，再通過一槽形天線1 4與一石英窗1 6 而進入一真空室18。 可以將氫氣形式的處理氣體從一未顯示的來源引入真 空室22的電漿產生部22內，射入到電漿產生部22中的 氫氣上之微波會因此產生一表面波電漿。 在所顯示的設備中，微波最大的功率一般是3 kw，且 泰 真空室18的氣體壓力爲5 0-2 5 OPa，則可以獲得穩定的高 密度。 將引入到電漿產生部22內的氫氣流速予以調節，以 . 落在10ml/min到500ml/min的範圍內。真空室18內的壓 力可以藉由調整氫氣引入的流速及調整一排放閥3 8來進 行調整，此排放閥是被連接至一未顯示的真空泵上。 在其下部中，真空室丨8包含一加熱器3 2，在回流焊 接期間，可以在此加熱器上面放置一欲接收回流焊接的構 -13- (7) (7)200404636 件3 0。此構件可以藉由輸送臂3 6而從一未顯示的負載鎖 而引入至真空室18內，且此構件30可以藉由多數上升銷 34而下降或抬舉到加熱器32上。 氫氣電漿含有氫基與氫離子。將一以蒸鍍法表面形成 鎳膜的基板暴露於氫離子內，即使很短的時間（例如一分 鐘），都可以使鎳膜產生剝落。因此，爲了防止電漿中的 氫離子接觸加熱器3 2上所放置的構件3 0 ’則會在設置一 電氣接地擋板24，此擋板包含一穿孔金屬板、一金屬網 或其他適合的結構，將此擋板放置在電漿產生部22與構 件3 0之間且跨過真空室1 8。因爲擋板24是電氣接地， 所以在電漿中形成的氫離子會被此擋板24捕捉，且無法 抵達構件3 0，但氫分子與氫基則仍然可以通過擋板24而 進入構件3 0周圍的空間。當存在有一擋板時，即使當表 面形成有鎳膜的一構件放置在加熱器32上二十分鐘，且 在電漿產生部22中形成有電漿，則在構件3 0上的鎳膜也 不會有任何變化。 本發明的回流焊接法並未侷限於使用任何特定的自由 基氣體，但最好是由氫氣電漿所形成的氫基氣體，因爲它 不具腐蝕性。供應到真空室1 8內以便形成電漿的處理氣 體可以包含一種以上的物質。例如，當在電漿產生部22 中形成的電漿是氫氣電漿時，則除了氫氣之外，處理氣體 也可以包含惰性氣體。 本發明的回流焊接法之步驟可以類似於習知將構件暴 露於自由基氣體的回流焊接法之步驟，例如上述日本先行 -14- (8) (8)200404636 公開專利申請案第2〇0 1 -5 825 9號案中所揭示的一樣。使 用圖1所示的設備而實施本發明的回流焊接法之程序漿簡 述如下： 在真空室18已經藉由真空泵的操作而形成真空之 · 後’氫氣則被引入到真空室1 8內，且在真空室1 8內的氣 體壓力被調整成5 0 - 2 5 0 P a範圍內的預定値。操作加熱器 3 2，以便維持構件3 0的溫度，而在對應壓力的預定溫度 値中進行處理，例如2 2 5 - 2 3 0 ° C。 _ 已經塗有焊劑的構件3 0藉由輸送臂3 6從一未顯示的 負載鎖引進真空室18內，且放置在上升銷34上面，且塗 敷有焊劑的構件3 0表面是朝上放置。 構件30藉由上升銷34下降至其放置在加熱器32上 面爲止。當構件3 0的上表面之溫度夠高時，則以微波從 波導1 2照射電漿產生部22中的氫氣，藉此開始產生電 漿。當經過了預定的時間，則停止照射微波且停止供應氫 氣到電漿產生部22內，如此便終止電漿的生成，然後進 胃 行構件3 0的冷卻。此時，上升銷3 4將構件3 0抬舉離開 加熱器3 2，則構件3 0移動至輸送臂3 6，且在藉由支撐臂 3 6支撐構件3 0的同時進行構件的冷卻。 、 由於冷卻的關係，所以回流的焊料會凝固形成焊料隆 起而黏著在構件3 0上。因爲焊劑已經藉由印刷而塗敷到 構件3 0上，所以產生的焊料隆起就會相當均勻且尺寸也 會很精確。這樣的焊料隆起可以在回流焊接時將構件 3 〇 (或是構件3 0的一部份）連結至其他的構件上。當構件 -15- (9) (9)200404636 3 0是一半導體晶圓且其上面具有積體電路時，則一般會 以本發明的方法在積體電路的襯墊上形成焊料隆起。在形 成了隆起之後，構件3 0可以被切割成個別的晶片，每個 — 上面均形成有多數焊料隆起。每個晶片然後均藉由焊料隆 · 起的回流焊接而連接到一基板上，此回流焊接可以在一使 用自由基氣體的設備中實施而不需要助焊劑，並且此設備 可以類似於起初形成焊料隆起的設備。 本發明的回流焊接法可以將兩個構件彼此連接起來， · 而不需要先在兩構件任一上形成焊料隆起。在本發明的此 形式中，藉由印刷法將一焊劑塗在構件之一或兩者上，且 這些構件然後彼此相對放置，致使焊劑會夾在此兩個構件 中間。然後，將這兩個構件放置在使用自由基氣體的回流 焊接設備中，此設備的結構與上述用以形成焊料隆起的回 流焊接設備相同。焊劑在回流焊接設備中被產生回流，且 在焊劑中的焊料合金凝固之後，此兩個構件會藉由焊料合 金而連結在一起。 Φ 實施範例 將藉由以下的範例詳細說明本發明： 範例1 使用兩種焊劑（焊劑1與焊劑2)，藉由圖1所示的回 流焊接設備來實施回流。每種焊劑均包含焊料合金與助焊 劑，每種焊劑的助焊劑之成分則如表i所示： -16 - (10) 200404636 表1 助焊劑 的成分 成分的組成 成分（質量百分比） 焊劑1 焊齊U 2 溶劑（醇 類爲主的 溶劑） 含有三羊至甲基丙烷、異 冰片基環己醇及四乙二醇 之混合溶劑 8 7.5% 8 3.8% 活性成分 有機酸：丁基苯甲酸 10% 有機酸的胺鹽（低溫*):琥 珀酸單乙醇胺鹽 2% 6% 分離抑 制劑 搖溶劑（高溫*):對伸苯甲 基山梨糖醇 0.5% 0.2 % 搖溶劑（低溫*):硬脂酸胺 10% (註）：*高溫與低溫的意義分別表示一物質蒸發的溫度是 高於或低於焊劑中的焊粉之熔點。

各焊劑中焊料合金顆粒的直徑爲5 - 1 5 // m且組成爲 511-3.0人§-0.5<：11(質量百分比）。就強度與熱疲勞特性來 說，這樣的合金組成會比S η · P b合金的組成來得優良。 助焊劑佔焊劑的9.5-10.5 % (質量百分比），大約體積 的一半。作爲活性成分，含有有機酸的胺鹽之助焊劑，以 及在焊劑1中的有機酸均具有很低的活性。 上面形成有晶片圖案的8英吋晶圓是被用以作爲形成 隆起的基板。如圖2所示，每個晶圓50均具有104個晶 -17- (11) (11)200404636 片圖案，每個圖案的尺寸爲 9.6 X 9.6mm，且如圖3所 示，每個晶片圖案上均具有1 8 X 1 8 = 3 2 4個用以形成隆 起的襯墊5 2。因此，可以在每個晶圓5 0上形成1 04 X 324 = 34992 個隆起。 藉由印刷法，使用日本Tani Denki Kougyou所製造 的TD-442 1型印刷機，將表1的焊劑塗敷在晶圓上，然後 將這些晶圓藉由以下的程序施以回流： 每個晶圓被放置在回流設備的真空室1 8內側，且在 上升銷3 4上，然後藉由上升銷3 4將晶圓下降至加熱器 32上面。操作加熱器以便使晶圓維持在22 5 -2 3 0°C的溫 度，且在氫氣壓力爲50-200Pa的壓力下實施回流。 在晶圓5 0安裝在加熱器3 2上過了三分鐘之後，則以 2.5 kw功率的微波照射氫氣，以便形成表面波電漿。 從形成電漿開始到經過了 1 5秒至一分鐘之後，則停 止氫基的供應，抬起上升銷3 4，使得晶圓5 0移動至輸送 臂3 6上而產生冷卻。 作爲一比較例，晶圓5 0在氫氣中加熱而未暴露在氫 基中。 表2記錄了本發明與上述比較例的結果。由於對於焊 劑1與焊劑2來說，這兩種例子的結果大致相同，所以表 2僅顯示使用焊劑1的結果。在表2的結果攔中，結果 「良好」是指晶圓的所有襯墊上形成了隆起卻無任何熔 渣’而結果「尙可」則指有很少數的隆起會不成功地形成 在晶圓的局部襯墊上。 -18- (12) 200404636 表2 回流氣 體環境 回流期間 的壓力 晶圓溫度 加熱 時間 電漿產 生時間 結果 氫基氣體 50Pa 225-230°C 3分鐘 1分鐘 良好 1 OOPa 200Pa 氫氣 200Pa 22 5 -23 0°C 15分鐘 〇分鐘 尙可 335-340°C 尙可

爲了估算濕潤性，焊劑被塗敷到一晶圓的襯墊上，且 執行回流以便形成1 〇 X 1 〇陣列的隆起，這些隆起各具有 2 10m的間距及 160m的直徑。可藉由在氮氣環境中以加 熱法，或是根據本發明使用電漿的方法執行回流。對於焊 劑1與焊劑2來說，其結果大致相同，分別記錄在表3 中。結果「良好」是指藉由焊劑能使襯墊產生適當的潮 濕，而結果「差」則是指焊劑使襯墊產生潮濕的情形無法 觀察出來。

-19- (13) (13)200404636 表3 回流氣 體環境 回流期間 的壓力 晶圓溫度 加熱 時間 電漿產 生時間 結果 氮氣氣 體環境 大氣壓力 225-230°C 5分鐘 0分鐘 差 氫基氣體 200Pa 2 2 5 - 2 3 0 ° C 3分鐘 1分鐘 良好

爲了展現出本發明方法所形成的焊料隆起在後續的回 流操作中之能力，所以將一側尺寸爲6 m m且上面以範例 1中所示的程序形成焊料隆起之半導體晶片，在圖1所示 的回流焊接設備中施以回流處理。在設備中氫氣氣體環境 的壓力是200Pa，且藉由形成氫氣電漿而將氫基供應至晶 片上一分鐘，如此一來焊料隆起會產生令人滿意的熔化。 範例2 範例1的每個焊劑是分別被印刷在襯墊、半導體晶片 與印刷電路板上。晶片被放置在印刷電路板上且使焊劑被 夾在晶片與印刷電路板之間，晶片與印刷電路板則放置在 如圖1所示的一回流焊接設備中，且被加熱至回流溫度而 同時暴露在氫基氣體內。爲了對比，以相同方式上面放置 晶片的另一塊印刷電路板則在相同的回流焊接設備中加熱 至一回流溫度，且暴露於氫氣中但是卻未形成氫氣電漿。 當加熱焊劑且暴露於氫基氣體內時，晶片會藉由焊料 -20- (14) (14)200404636 而穩固地連接到刷電路板上。相較之下，當加熱焊劑而僅 暴露於氫氣環境下時，晶片則無法穩固地連接到印刷電路 板上。當在設備中產生氫氣電漿時，電漿中的氫離子會受 到穿孔金屬板24的阻止而無法抵達焊劑，所以顯然能夠 - 藉由電漿中的氫基而在焊劑上產生還原作用。 根據上面的說明，可以知道本發明的回流焊接法能夠 形成微小的隆起或將電子零件連接至一基板上，而不會形 成有害的熔渣，所以不需要在焊接之後執行淸潔步驟來除 φ 到熔渣。而且，本發明的方能構藉由印刷法將焊劑塗敷在 一構件上，所以其效率很高，也能適用於工業產量規格。 【圖式簡單說明】 圖1是一槪略剖面圖，顯示適用於本發明利用電漿之 回流焊接裝置的一範例； 圖2是一槪略平面圖，顯示8英吋晶圓受到本發明的 回流之情形； φ 圖3是一放大圖，顯示在圖2的晶圓上所形成的晶片 圖案。 主要元件對照表 10微波 12波導 1 4槽形天線 16石英窗 -21 - (15) (15)200404636 1 8 真空室 22 電漿產生部 24擋板 ‘ 3 〇構件 3 2加熱器 3 4上升銷 3 6輸送臂 3 8排放閥 籲

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Claims (1)

1. (1) (1)200404636 拾、申請專利範圍 1 . 一種焊接方法，包含以下步驟： 將一焊劑塗敷在一構件上，該焊劑包含焊粉與助焊 劑；及 在一非氧化性氣體環境中加熱該構件上的焊劑，以使 該焊劑產生回流，然後至少將焊劑中的助焊劑之活性成分 予以蒸發。 2.如申請專利範圍第1項之方法，其中尙包括加熱 焊劑而同時暴露在一自由基氣體內之步驟。 3 .如申請專利範圍第1項之方法，其中自由基氣體 是一含有許多氫基的氣體。 4.如申請專利範圍第1項之方法，其中尙包含從一 氣體電漿形成自由基氣體之步驟。 5 .如申請專利範圍第1項之方法，其中尙包含藉由 印刷法將焊劑塗敷到構件上之步驟。 6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中尙包含藉由 使焊劑產生回流而在構件上形成焊料隆起之步驟。 7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中尙包含藉由 使焊劑產生回流而將構件連接至其他構件之步驟。 8. 如申請專利範圍第1項之方法，其中尙包含藉由 印刷法將焊劑塗敷至電子零件與印刷電路板的至少之一’ 使該電子零件與該印刷電路板產生接觸，然後回流焊劑以 便將電子零件連接至印刷電路板上之步驟。 9. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該焊劑是一 -23- (2) 200404636 無鉛焊劑。 10·如申請專利範圍第1項之方法，其中助焊劑包含 一有機酸以作爲活性成分。 - φ 11 ·如申請專利範圍第i 0項之方法，其中該有機酸 是選自丁基苯甲酸與己二酸。 12·如申請專利範圍第1項之方法，其中該助焊劑包 含一胺鹽以作爲活性成分。 13·如申請專利範圍第1項之方法，其中該助焊劑包 · 含琥珀酸單乙醇胺鹽。 14·如申請專利範圍第1項之方法，其中尙包含藉由 印刷法將焊劑塗敷至倒裝片與基板的至少之一，使該倒裝 片與該基板產生接觸，然後回流焊劑以便將倒裝片連接至 基板上之步驟。 -24-