TW201822930A

TW201822930A - 雷射回流焊方法

Info

Publication number: TW201822930A
Application number: TW106121203A
Authority: TW
Inventors: 崔在濬; 金基錫; 李渶振; 金秉祿
Original assignee: 科泰機械股份有限公司
Priority date: 2016-12-28
Filing date: 2017-06-26
Publication date: 2018-07-01
Also published as: WO2018124411A1; KR20180076544A

Abstract

根據本發明的雷射回流焊方法包括以下步驟：溫度上升(ramp-up)步驟(a)，向安裝在印刷電路基板的電子元件或裝置照射均勻的雷射光束，來使溫度上升至用於使上述焊料部熔融的峰值溫度；溫度保持(dwell)步驟(b)，在上述焊料部達到峰值溫度之後，以使焊接溫度保持規定時間的方式照射均勻的雷射光束；以及冷卻(cooling down)步驟(c)，在上述溫度保持步驟之後，迅速使已熔融的焊料部得到冷卻。

Description

雷射回流焊方法

本發明涉及雷射回流焊方法，更具體地，涉及能夠照射均勻的雷射光束、能夠容易地調節照射區域、能夠獲得耐久性優秀的焊接結果的雷射回流焊方法。

通常，為了在印刷電路基板附著包括如半導體晶片等的電子元件或積體電路(integrated circuit，IC)、電晶體(TR)、電阻元件(R)及電容器(C)的裝置，而使用回流焊裝置。目前，回流焊裝置大體分為批量回流焊(mass reflow)裝置和雷射回流焊裝置。

在批量回流焊裝置中，在輸送帶中安裝附著有如焊球、焊盤或焊膏等的焊接材料的多個基板之後，驅動輸送帶。基板沿著驅動的輸送帶經由設置有紅外線加熱器(infrared heater)或陶瓷加熱器的加熱區間。此時，紅外線加熱器具備在輸送帶的上側和下側，並且紅外線加熱器對基板上的焊球進行加熱，來使半導體元件附著於基板。

根據批量回流焊裝置，電子元件或裝置在約50℃溫度，最大約230~290℃之間的高溫下，受到約210秒鐘(sec)的熱應力。因此，電子元件或裝置可能會受熱損傷，由此存在電子元件或裝置的特性或壽命降低的問題。而且，由於紅外線加熱器在通過加熱焊球而在基板上與電子元件或裝置相結合時需要3~10分鐘(min)的時間，因此存在缺乏經濟效益的問題。並且，在批量回流焊工序中，因對附著於基板的元件中的對易受熱的元件中也會施加熱，而可能會產生缺陷，而且，由於對整個基板進行加熱，因此存在導致基板的熱變形問題。

雷射回流焊裝置利用多個透鏡，將從輸出光束的雷射振盪器和雷射振盪器中通過光導纖維來傳達的光斑(spot)形狀的雷射光束轉變為表面形態的雷射光束之後，包括用於照射變換的雷射光束的雷射光束照射部。

通常，從雷射振盪器輸出的雷射光束形成從照射區域中心產生最高能量，且越遠離照射區域中心，能量就越迅速減少的高斯函數(Gaussian function)分佈。因此，雷射光束的能量在具有高斯函數分佈的狀態下適用回流焊工序時，照射區域的中心因受到過多能量而產生熱變形，並越遠離照射區域能量就越不足，從而半導體晶片未能夠固定於基板。已公開有通過多個透鏡來將這種雷射光束轉換為表面形態的雷射光束的裝置。

在韓國核准專利第10-1012959號(以下，稱為「現有文獻1」)中公開了照射裝置，上述雷射照射裝置包括：透鏡陣列，向規定方向分割雷射光束；第一凸圓筒透鏡，用於合成被透鏡陣列分割分雷射光束；光波導，向規定方向對雷射光束的強度分佈進行均一化處理；以及第二凸圓筒透鏡，設置於光波導和照射面之間，第一凸圓筒透鏡排列成被分割的雷射光束聚光在第一凸圓筒透鏡和光波導之間的多個點。根據現有文獻1，可通過變形光波導的縱向或橫向的寬度，來形成正方形形狀的雷射光束或矩形形狀的雷射光束。

另一方面，在韓國核准專利第10-0777575號(以下，稱為「現有文獻2」)中公開了利用雷射來與包括平板顯示裝置的玻璃基板或薄膜的表面的電子晶片的電子部件相連接的技術。根據現有文獻2，包括：第一步驟，產生規定波長的雷射光束；第二步驟，相互加壓基板和電子部件；以及第三步驟，向基板和電子部件照射在第一步驟產生的雷射光束，來熔融連接介質並進行加壓，並通過連接介質的熔融連接來以具有導電性的狀態來實現基板與電子部件之間的連接。在第一步驟或第三步驟中所使用的雷射光束以線束或區域束的形態來所使用，在第三步驟中達到連接介質的固化溫度之後，將雷射的輸出從連續驅動轉換為脈衝形式，來控制溫度的上升，以能夠保持一定的固化溫度。

但是，在現有文獻2中，僅公開了如下技術方案，即，在基板和電子部件之間放置各向異性導電性黏結劑之後，以雷射照射面積大於電子部件的面積且小於各向異性導電性黏結劑的面積的方式向各向異性導電性黏結劑照射雷射。

當在印刷電路基板焊接包括如半導體晶片等的電子元件或積體電路、電晶體、電阻元件及電容器的裝置時，雷射回流焊裝置應該能夠獲得耐久性優秀的焊接結果。尤其，在印刷電路基板為柔性基板的情況下，當在印刷電路基板上施加有反復性的熱應力時，存在焊接在印刷電路基板的電子元件或裝置被破損或脫離的問題。

本發明在如上所述的背景下而提出，其目的在於，提供當在印刷電路基板焊接包括如半導體晶片等的電子元件或積體電路、電晶體、電阻元件及電容器的裝置時，能夠獲得耐久性優秀的焊接結果的雷射回流焊裝置。

並且，本發明的目的在於，提供在進行焊接後即使在印刷電路基板施加反復性的熱應力，也在導電凸點(bump)和焊料部之間的介面中不會經常引起破損的雷射回流焊方法。

並且，本發明的目的在於，提供可通過縮短在基板焊接電子元件或裝置的時間，來提高製造效率的雷射回流焊方法。

可通過對以下的實施例進行的說明而易於理解本發明的其他目的。

為了達到如上所述的目的，根據本發明的雷射回流焊方法包括：溫度上升步驟(a)，向電子元件模具照射均勻的雷射光束，來使溫度上升至用於使上述焊料部熔融的峰值溫度；溫度保持步驟(b)，在上述焊料部達到峰值溫度之後以使焊接溫度保持規定時間的方式照射均勻的雷射光束；以及冷卻步驟(c)，在上述溫度保持步驟之後，迅速使已熔融的焊料部得到冷卻。

並且，根據本發明的雷射回流焊方法包括：溫度上升步驟(a)，向裝置照射均勻的雷射光束，來使溫度上升至用於使上述焊料部熔融的峰值溫度；溫度保持步驟(b)，在上述焊料部達到峰值溫度之後，以使焊接溫度保持規定時間的方式照射均勻的雷射光束；以及冷卻步驟(c)，在上述溫度保持步驟之後，迅速使已熔融的焊料部得到冷卻。

並且，根據本發明的雷射回流焊方法而向裝置照射均勻的雷射光束，來使溫度上升至用於使上述焊料部熔融的峰值溫度的溫度上升步驟(a)，還包括用於預熱印刷電路基板的預熱(Preheating)步驟。

並且，根據本發明的雷射回流焊方法，在上述冷卻步驟(c)之後，形成在電子元件模具(die)的導電凸點的焊料部或形成在上述裝置的接腳(PIN)的焊料部從高溫的焊接溫度迅速被冷卻，來形成多晶結構(Multi Grain)。

並且，根據本發明的雷射回流焊方法的特徵在於，上述溫度上升步驟(a)至上述冷卻步驟(c)的總雷射回流焊時間為0.5秒鐘(sec)以上、10秒鐘以下。

本發明的雷射回流焊方法具有如下優點。

第一，通過總雷射回流焊工序時間被體現為0.5秒鐘以上、10秒鐘以下，而可以縮短在基板焊接電子元件或裝置，進而可以提高製造效率。

第二，形成在電子元件模具的導電凸點的焊料部或形成在裝置的接腳的焊料部從高溫的焊接溫度迅速被冷卻，來形成多晶結構。相反，通過以往批量回流焊方法來焊料部具有單晶結構(Single Grain)。即，根據本發明的雷射回流焊方法，與以往的批量回流焊方法相比，電子元件模具或裝置的接腳與印刷電路基板之間的黏結力高。由此，在進行焊接之後，即使對印刷電路基板施加反復性的熱應力，也在導電凸點和焊料部的介面上不會經常引起破損。

210‧‧‧電子元件模具

220‧‧‧導電凸點

230‧‧‧焊料部

240‧‧‧焊劑

300‧‧‧印刷電路基板

圖1顯示本發明的一實施例的雷射回流焊方法。

圖2為用於說明電子元件模具的導電凸點和焊料部的的示意圖。

圖3為用於說明在本發明的雷射回流焊方法中在電子元件照射均勻的雷射光束的實施例的示意圖。

圖4為用於比較說明本發明的雷射回流焊工序和以往批量回流焊工序的示意圖。

以下，參照附圖說明本發明。但是，本發明能夠以多種不同形式來實現，因此，不限定於在這裡說明的實施例。而且，為了明確說明本發明，在附圖中省略了與說明無關的部分，在整個說明書中，對類似的部分使用了類似的元件符號。

本說明書中所使用的術語僅為了說明特定的實施例而被使用，並非意圖限定本發明。若在文脈上沒有明顯不同的意思，則單數形式表述包括複數形式表述。在本說明書中，「包括」或「具有」等術語是指在說明書中所記載的特徵、數目、步驟、動作、結構要素、部件或它們的組合的存在，而應理解為不預先排除一個或一個以上的其他特徵、數目、步驟、動作、結構要素、部件或它們的組合的存在或附加功能性。

如圖1所示，本發明的一實施例的雷射回流焊方法可以包括溫度上升步驟S111、溫度保持步驟S112、冷卻步驟S113、不良焊接照射步驟S114。

本發明的一實施例的雷射回流焊方法，根據各客戶公司的電子元件模具和導電凸點的種類，而且根據裝置的種類，雷射光束輸出強度及雷射光束的大小不同，並且，根據溫度上升步驟S111和溫度保持步驟S112，照射均勻的雷射光束的時間有所不同。

首先，溫度上升步驟S111是指通過照射0.1秒鐘以上、4秒鐘下的均勻的雷射光束，來使電子元件或裝置的溫度上升至熔融焊料部的峰值溫度，例如使溫度上升至約210℃至350℃的步驟。

溫度上升步驟S111為了在焊接過程中防止電子元件或裝置的焊料部彈出，而還可包括使印刷電路基板得到預熱的預熱(Preheating)步驟。作為一例，在半導體的情況下，當印刷電路基板安裝在臺階部時，可在預熱步驟中對臺階起到升溫(Heat-up)作用。作為其他例，在預熱步驟中，可通過照射以0.5秒鐘以上、1秒鐘以下的雷射光束，來以約60℃以上、170℃以下的條件來預熱電子元件或裝置。

如圖2所示，形成在電子元件模具210的導電凸點220的焊料部230安裝在印刷電路基板300。在焊料部230可以形成有焊劑(flux)240。如圖3所示，通過在電子元件模具210照射均勻的雷射光束來進行焊接。

溫度保持步驟S112是指焊料部達到峰值溫度之後，以使焊接溫度保持規定時間的方式照射0.1秒鐘以上、6秒鐘以下的雷射光束，來使溫度保持一定的焊接溫度。

作為一例，在溫度保持步驟S112中，可通過加壓電子元件和印刷電路基板來照射均勻的雷射光束。當一邊加壓電子元件和印刷電路基板一邊照射均勻的雷射光束時，可縮短溫度保持時間。

冷卻步驟(S113)是指在溫度保持步驟S112之後迅速使已熔融的焊料部得到冷卻的步驟。通過本發明的雷射回流焊工序，形成在導電凸點的焊料部迅速被冷卻，來形成多晶結構。但是，通過以往的批量回流焊工序，形成在導電凸點的焊料部因被冷卻，而比多晶結構，形成更多的單晶結構。焊料部越形成多晶結構，電子元件模具和印刷電路基板之間的黏結力則越強。由此，與以往的批量回流焊工序相比，通過本發明的雷射回流焊工序，即使在焊接有形成在導電凸點的焊料部的印刷電路基板施加反復性的熱應力，也在導電凸點和焊料部之間的介面中不容易引起破損。

圖4為用於比較說明本發明的雷射回流焊工序和以往批量回流焊工序的示意圖。包括本發明的雷射回流焊工序的溫度上升步驟及溫度保持步驟的處理時間如圖3的上側的曲線圖所示，總共顯示8秒鐘，批量回流焊的處理時間總共顯示170.72秒鐘。

並且，通過本發明的雷射回流焊工序的總處理時間與以往批量回流焊工序的總處理時間之間的比較，可見本發明的雷射回流焊工序的總處理時間僅消耗以往批量回流焊工序的總處理時間的極少一部分的時間。

如上所述，本發明的實施方式為用於實施本發明的最佳實施方式。

(產業上之可利用性)

本發明的技術可在雷射回流焊裝置中所使用。

Claims

一種雷射回流焊方法，在向安裝在印刷電路基板的電子元件模具(die)照射均勻的雷射光束，而在上述印刷電路基板焊接形成在電子元件模具的導電凸點(bump)的焊料部的雷射回流焊裝置中執行，其中，包括：溫度上升(ramp-up)步驟(a)，向電子元件模具照射均勻的雷射光束，而使溫度上升至用於使上述焊料部熔融的峰值溫度；溫度保持(dwell)步驟(b)，在上述焊料部達到峰值溫度之後，以使焊接溫度保持規定時間的方式照射均勻的雷射光束；以及冷卻(cooling down)步驟(c)，在上述溫度保持步驟之後，迅速使已熔融的焊料部得到冷卻。
一種雷射回流焊方法，在向包括安裝在印刷電路基板的積體電路(IC)、電晶體(TR)、電阻元件(R)及電容器(C)的裝置照射均勻的雷射光束，而在上述印刷電路基板焊接形成在上述裝置的接腳(PIN)的焊料部的雷射回流焊裝置中執行，其中，包括：溫度上升步驟(a)，向裝置照射均勻的雷射光束，而使溫度上升至用於使上述焊料部熔融的峰值溫度；溫度保持步驟(b)，在上述焊料部達到峰值溫度之後，以使焊接溫度保持規定時間的方式照射均勻的雷射光束；以及冷卻步驟(a)，在上述溫度保持步驟之後，迅速使已熔融的焊料部得到冷卻。
如請求項1或2之雷射回流焊方法，其中，上述溫度上升步驟(a)至上述冷卻步驟(c)的總雷射回流焊時間為0.5秒鐘以上、10秒鐘以下。
如請求項1或2之雷射回流焊方法，其中，在上述冷卻步驟(c)之後，形成在上述電子元件模具的導電凸點的焊料部或形成在上述裝置的接腳的焊料部從高溫的焊接溫度迅速被冷卻，而形成多晶結構。
如請求項1或2之雷射回流焊方法，其中，上述溫度上升步驟(a)還包括用於預熱上述印刷電路基板的預熱步驟。
如請求項1之雷射回流焊方法，其中，上述溫度保持步驟(b)是指一邊加壓上述電子元件和印刷電路基板，一邊照射均勻的雷射光束的步驟。