專利名稱：用來通過焊料回流釬焊電子元件的方法及其釬焊裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用來把電子元件回流釬焊到基片(例如印刷電路板)上的過程，并且還涉及用來實現這樣一種過程的釬焊設備。
用來進行釬焊操作的最常用的兩種方法是“波峰釬焊”和“回流釬焊”。
在第一種情況下，就是說波峰釬焊，釬焊包括使攜帶要釬焊的電子元件的板與液態(tài)焊料合金的一個或多個波接觸，這些波通過借助于一個噴嘴使包含在一個槽中的焊料池循環(huán)而得到。一般地說，在上游區(qū)域中使用焊劑噴射或焊劑泡沫預涂基片，并且然后預加熱從而活化先前沉積的焊劑，從而清理要釬焊的表面，以便除去氧化物、有機污染物等。
在第二種“回流”釬焊技術中，在電路上連接元件的點處使用一定量的焊料合金，例如在把要釬焊的元件沉積到印刷電路上之前，通過把包含金屬合金和焊劑混合物的焊料膏網印在印刷電路上。
另一種最新技術包括把焊料合金一次或多次預沉積到基片上連接元件的點處，回流(“回流”)預沉積焊點，這一般接著弄平以前回流的預沉積焊點(“凸起點”的形成-參照工業(yè)適用的SIPADTM或OPTIPADTM過程)的表面的操作，或者甚至通過在某些元件的情況下把焊料合金預沉積到實際元件的終端上的事實。
然后僅進行定位在基片上的元件的操作。
然后把裝有元件的基片插入到一個回流爐中，從而提供使金屬合金回流和使包含在膏或預沉積材料中的熔解元素活化所必需的熱量。
如在波峰釬焊情況下那樣，該技術需要焊劑的使用，從而清理要釬焊的表面。這些焊劑的使用有一定數量的缺陷，特別是因為其成本和他們留在板上的殘余物，這往往引起如此設計的電子板的可靠性問題。因此對于這些技術，必須在釬焊后提供清理板的輔助步驟，該步驟通常采用其用途往往受到當前有效法規(guī)的很大限制的氯化物溶劑。而且，該輔助清理步驟往往顯著增大制造電路的成本。
況且，在微電子工業(yè)中有向小型化和向電路上的極高集成度(在元件上的輸入/輸出數量)發(fā)展的強烈趨勢，特別是隨著具有非常大數量的連接和用來連接到電路上的復雜幾何形狀的新型元件的出現，如在該領域中叫做BGA或Flip Chip(倒裝片)的出現。
例如，已知BGA的性能對工業(yè)極有吸引力，但這些元件特別是由于焊料連接和接合不沿元件側(不以常規(guī)引線的形式)而是位于元件下面的事實，也具有一定數量的缺陷，使得它很難清理和進行任何修理)。
關于這些新元件和新焊料沉積技術，參考期刊“先進封裝(Advanced Packaging)”7月/8月1997年。
本申請者名義下的文件EP-658,391和EP-747,159提出了用于干燥熔解的過程和設備，在釬焊或鍍錫之前使用包含活化或不穩(wěn)定化學物類且基本上無起電物類的氣體混合物。
由本申請者完成的研究已經表明，在回流釬焊的情況下這些過程能進一步改進，特別是以便允許改進用于新幾代元件的回流條件。
本發(fā)明的目的特別在于，提供對上述技術問題的回答。
本發(fā)明的目的因此在于一種用于電子元件對基片的回流釬焊的過程，在該過程期間-使用一定量的焊料合金，-把元件放置在對基片的連接點處，-使用所述焊料合金通過基片的熱處理進行釬焊元件的實際操作，其特征在于如下步驟的組合實現
-根據如下方法的一種或多種使用所述焊料合金i)把焊料合金一次或多次預沉積在基片上元件連接的一些點處，然后使預沉積焊點經受回流操作；j)把焊料合金一次或多次預沉積在實際元件上的點/終端處，然后使預沉積焊點經受回流操作；-在沉積元件的步驟之前，把一些可熟化粘合劑沉積在粘合基片的點處，并且然后熟化所述粘合劑，從而把元件在粘合點處粘合到基片上；-在釬焊操作之前，進行干燥熔解操作，其中通過在接近大氣壓的壓力下使該基片與熔解氣氛相接觸而熔解基片，所述熔解氣氛包含活化或不穩(wěn)定物類而基本上沒有起電物類。
根據本發(fā)明的過程可以進一步包括如下步驟的一個或多個-通過使初始熔解氣體經過放電得到熔解氣氛；-初始熔解氣體包括包含氫的還原氣體混合物；-在用來形成活化或不穩(wěn)定物類的裝置的氣體出口處得到熔解氣氛，在該裝置中已經轉換初始熔解氣體；-在沉積粘合劑之前或之后進行熔解基片的所述操作；-在把元件已經沉積在基片上之后進行熔解基片的所述操作；-該過程隨所述基片的熱處理繼續(xù)，以便使用所述焊料合金、通過使基片與處理氣氛相接觸、在接近大氣壓的壓力下進行元件的所述釬焊，所述處理氣氛包含活化或不穩(wěn)定化學物類并且基本上沒有起電物類，該氣氛通過使初始處理氣體經過放電得到，而基片的熱處理借助于在放電作用下如此加熱的化學物類得到；-初始處理氣體包括包含氫的還原氣體混合物；-在用來形成活化或不穩(wěn)定物類的裝置的氣體出口處得到處理氣氛，在該裝置中已經轉換初始處理氣體；-在基片的兩個大表面上進行放置元件和釬焊的步驟，借助于用來形成活化或不穩(wěn)定化學物類兩個裝置進行所述熔解操作，每個裝置相對著基片表面之一；
-在基片的兩個大表面上進行放置元件和釬焊的步驟，借助于用來形成活化或不穩(wěn)定化學物類的兩個裝置進行所述處理操作，每個裝置相對著基片表面之一；-該過程進一步包括在釬焊之后通過使基片經過包含惰性氣體的冷卻氣氛冷卻基片的步驟；-合金預沉積在回流之后經受弄平其表面的操作。
本發(fā)明的目的還在于一種用于使用焊料合金把電子元件回流釬焊到支撐上、用于實現上述過程的設備，其特征在于，它包括一個用來輸送基片的件，這些基片在其表面[sic]的至少一個上攜帶要釬焊在連接基片的點處的元件，該輸送件傳送基片通過允許在粘合基片點處存在的粘合劑焊點熟化的第一裝置，并且通過包括用來形成包含活化或不穩(wěn)定化學物類且基本上沒有起電物類的熔解氣氛的至少一個裝置的第二裝置，該熔解氣氛能在接近大氣壓的壓力下使用，以便使基片經受干燥熔解。
根據本發(fā)明實施例之一，第二裝置位于第一裝置的上游。
根據本發(fā)明實施例的另一個，第二裝置位于第一裝置的下游。
便利的是，該設備沿輸送件在第一和第二裝置的下游包括用來形成包含活化或不穩(wěn)定化學物類且基本上沒有起電物類的處理氣氛的至少一個裝置，該處理氣氛的溫度使得它可用來進行基片的熱處理，以便進行元件的實際釬焊。
說法“接近大氣壓”根據本發(fā)明應該理解成是指便利地位于范圍
的壓力。
如閱讀上文已經理解的那樣，對其釬焊根據本發(fā)明的元件的“基片”可以依據電子工業(yè)中使用的各種基片在特性上變化很大，并且當然也同樣適用于要釬焊的電子元件。作為說明，基片可以是印刷電路型的(不管基表面狀態(tài)或成品怎樣)，或者例如是諸如混合電路之類的金屬陶瓷基片，或者甚至是對其必須在整體封裝過程中釬焊電路的外殼底部。
同樣，涉及的元件變化極大，從常規(guī)無源或有源電子元件至較復雜和難以處理的元件，不管他們是封裝的還是裸露芯片的元件(BGA、MCM、Flip Chip等)。根據本發(fā)明的“元件”也可以包括必須在封裝之前釬焊到另一個基片上或釬焊到外殼底部上的電路。
從僅作為例子給出和參照附圖的如下描述將顯現另外的特征和優(yōu)點，在附圖中-

圖1是用于實現根據本發(fā)明的過程的釬焊設備的視圖；-圖2是在圖1中的設備組成中使用的用來形成活化或不穩(wěn)定化學物類的模塊的例子的剖視圖。
圖1表示適用于實施根據本發(fā)明的過程的回流釬焊設備的概要。
該設備包括一個帶有一條皮帶12的輸送件10，皮帶12以虛線表示，放置在殼體14中，及在驅動其至少一個的兩個導向輥16與18之間延伸。
如可以在該圖中看到的那樣，一組印刷電路基片，如20，放置在皮帶12上，在這些基片的大表面的至少一個上，放置必須要釬焊的一組電子元件，如22。
電子元件放置在已經預沉積焊料例如錫和鉛合金焊點的連接點處，焊點在其回流之后弄平。況且，適于預計用途的可熟化粘合劑的焊點已經沉積在粘合基片(例如在印刷電路的聚合物表面上，在兩個連接點之間)的適當點處，保證元件在其以后釬焊期間保持到位。
皮帶12保證傳送攜帶元件22的印刷電路基片20通過一個由傳熱(例如通過輻射)熟化沉積的粘合劑的第一站24，并且然后通過一個用來干燥熔解基片的第二站26。
最后，皮帶12保證在第二站26下游把基片20傳送到其中把基片放置在氮型氣氛中的一個冷卻站30。
如可以在該圖1中看到的那樣，可以考慮把第二熔解站26與一個處理站28合并，兩個站由一個模塊32組成，以便形成一種包括活化或不穩(wěn)定化學物類且基本上無起電物類的處理和熔解氣體。
在該圖1中，假定元件22放置在基片20的大表面之一上，用來形成活化或不穩(wěn)定物類的模塊32指向該表面。
對于本專業(yè)的技術人員顯而易見，如果把元件22放置在每個基片20的兩個相對大表面上，則設備可以包括兩個用來形成活化或不穩(wěn)定化學物類的兩個模塊32，每一個面對著基片20的表面之一放置。
模塊32的功能是，使一種便利地包括例如基于氮和氫如果需要則對其已經添加水蒸汽的還原氣體混合物的初始熔解氣體通過放電，在這種放電中轉換初始氣體，從而在模塊的氣體出口處，產生包含活化或不穩(wěn)定化學物類并且基本上無起電物類(遠離等離子體飽和)的熔解氣氛。
圖2表示能夠產生這種化學物類的模塊32的一個例子的剖視圖。
該圖表示模塊32包括一個第一管狀電極34，第一管狀電極34例如由一個金屬塊36的內表面形成，并且其中同心放置一個由介電材料例如陶瓷制成的管38形成的組件，在管38的內表面上通過噴鍍金屬沉積一個第二電極40，為清楚起見在圖2中夸大了第二電極40的厚度。
介電管38和第二電極40、與第一電極34一起，限定一個管狀氣體通道42，并且在內部限定一個其中冷卻劑循環(huán)的內部體積44。
塊36帶有兩個徑向相對的縱向槽46和48，縱向槽46和48分別形成用于要在通道42中轉換(活化)的初始處理氣體的進口、和用于包含活化或不穩(wěn)定氣態(tài)物類而基本上無起電物類的處理或熔解氣氛的流動出口。
槽46和48在空腔42的整個軸向長度上延伸。
塊36進一步在第一電極34的圓周周圍便利地包括多個用于冷卻劑例如水的流動的導管，如50。
圖2還表示氣體進口縫隙46與一個均勻化腔室52連通，均勻化腔室52形成在連接到塊36上的一個殼體54中，并且?guī)в幸桓脕砉┙o初始氣體的管56。
模塊由一個設計成在流入氣體通道42中的氣體混合物中產生放電的高壓高頻發(fā)電機58完成，從而通過電離活化組成氣體混合物的氣體分子，并因而產生活化或不穩(wěn)定化學物類，特別是H+或H2+基，這些化學物類去氧和去污印刷電路基片20的表面(圖1)。
這里然后按如下方式執(zhí)行根據本發(fā)明的把電子元件釬焊到基片上的過程。
在下面假定，使用在其上在連接元件的點處已經預沉積，回流及然后弄平焊料合金的基片20。
如上所述，根據本發(fā)明，粘合劑的焊點沉積在粘合基片的點處，從而保證在釬焊期間把元件保持到位。
其次，把元件放置在連接點處，并且然后把如此制備的基片放置在輸送件上，特別是皮帶12上。
后者然后把板從加載站傳送到用來熟化粘合劑的第一站24，并因而預加熱電路。
在下一階段期間，把基片傳送到用來形成活化或不穩(wěn)定化學物類的模塊32，以上參照圖2描述了該模塊，并且其中基片一方面由于由模塊32輸送的化學物類的作用經受熔解操作，而另一方面由于通過放電效應傳到這些活化物類上的熱量的作用，把元件釬焊到基片上。
該過程由于輸送到冷卻站30的氮氣流的作用繼續(xù)伴隨有冷卻步驟。
在參照圖1描述的說明例中，一直假定借助于特定站24執(zhí)行基片的熟化熱處理和預加熱的第一步驟。
然而，作為一個變例有可能借助于由用來產生活化化學物類的模塊32輸出的加熱氣體進行這種預先加熱。
況且，借助于由一個在借助于粘合劑涂敷粘合點之前放置的、與模塊32相同的模塊輸送的活化或不穩(wěn)定化學物類，有可能提供熔解基片的步驟。
最后，并且根據一個沒有表示的實施例，仍在本發(fā)明的范圍內，也有可能不借助于一個且相同的模塊32而是借助于兩個連續(xù)分離模塊32，執(zhí)行基片的熔解和釬焊熱處理。
應該理解，剛才描述的本發(fā)明在實際釬焊之前使用干燥熔解步驟，使得有可能顯著提高如此得到的釬焊接合的質量，同時避免使用氯化物溶劑的以后步驟。
可以看到這樣的事實剛才描述的本發(fā)明使得有可能進行回流釬焊，而不用焊劑且不用常規(guī)焊料膏，因而有可能以較大把握避免以后的電路清理操作，更不用說氯化物溶劑的使用-形成焊料接合所必需的焊料合金由在連接基片點處和/或在實際元件上的點/終端處的預沉積焊點供給，這都不存在化學焊劑(預沉積焊點/回流/最好弄平)；-由于焊劑因此在這里不能象通常那樣完成其把元件保持到位的功能，所以在沉積元件的步驟之前，把可熟化粘合劑沉積在粘合基片的點處，并且然后熟化該粘合劑，從而把元件在粘合點處粘合到基片上；-通過在接近大氣壓的壓力下使該基片與包括活化或不穩(wěn)定物類而基本上無起電物類的熔解氣氛相接觸，執(zhí)行干燥熔解基片的操作(在沉積粘合劑之前或之后，或者甚至在把元件沉積在基片上之后)；-便利地，使用熱和活性物類，如從放電輸出得到的那些，執(zhí)行實際回流熱處理(清理、去氧等)，使得有可能在釬焊期間避免任何氧化現象，并因此不僅大大地改進濕潤性能，而且也在該階段緩和線上游的焊劑缺乏。
因此可以看到，本發(fā)明步驟的結合提供對提出問題的有效回答，并因此使得有可能適應在微電子學中希望進一步集成的強烈趨勢，同時保持較高可靠性，而避免與環(huán)境有關的國際協(xié)議嚴格限制的清理步驟-可能想象起來顯得非常難以調和的目標。
盡管關于具體實施例已經描述了本發(fā)明，但由此它決不以任何方式受到限制，而是相反，能夠修改和變更，這在下面權利要求書中的上下文中對于熟悉本專業(yè)的技術人員是顯然的。
因而，盡管在上文中通過在基片的路徑中定位用來形成處理或熔解氣氛的模塊(或甚至每個表面一個模塊)最具體地舉例說明了本發(fā)明，但當然有可能設想串聯和/或并聯幾個模塊的存在，使得有可能得到要求的效果，但也有可能設想這樣的事實(取決于每個用戶現場的情況)通過執(zhí)行連續(xù)通過，通過模塊，相對基片的一個或每個表面僅放置一個模塊(不管對于處理還是對于熔解)，以便得到希望效果。
權利要求
1.用于電子元件(22)對基片(20)的回流釬焊的過程，在其期間-使用一定量的焊料合金，-把元件(22)放置在對基片的連接點處，-使用所述焊料合金通過基片(20)的熱處理進行釬焊元件(22)的實際操作，其特征在于如下步驟的組合實現-根據如下方法的一種或多種使用所述焊料合金i)把焊料合金一次或多次預沉積在基片上與元件連接的一些點處，然后使預沉積焊點經受回流操作；j)把焊料合金一次或多次預沉積在實際元件上的點/終端處，然后使預沉積焊點經受回流操作；-在沉積元件的步驟之前，把一些可熟化粘合劑沉積在粘合基片(20)的點處，并且然后熟化所述粘合劑，從而把元件在粘合點處粘合到基片上；-在釬焊操作之前，進行干燥熔解操作，其中通過在接近大氣壓的壓力下使該基片與熔解氣氛相接觸而熔解該基片，所述熔解氣氛包含活化或不穩(wěn)定物類而基本上沒有起電物類。
2.根據權利要求1所述的過程，其特征在于，通過使初始熔解氣體經過放電得到熔解氣氛。
3.根據權利要求2所述的過程，其特征在于，初始熔解氣體包括包含氫的還原氣體混合物。
4.根據權利要求2和3任一項所述的過程，其特征在于，在用來形成活化或不穩(wěn)定物類的裝置的氣體出口處得到熔解氣氛，在該裝置中已經轉換初始熔解氣體。
5.根據以上權利要求之一所述的過程，其特征在于，在沉積粘合劑之前或之后進行熔解基片(20)的所述操作。
6.根據權利要求1至4之一所述的過程，其特征在于，在把元件已經沉積在基片上之后進行熔解基片(20)的所述操作。
7.根據以上權利要求之一所述的過程，其特征在于，該過程隨所述基片的熱處理繼續(xù)，以便使用所述焊料合金、通過使基片與處理氣氛相接觸、在接近大氣壓的壓力下進行元件的所述釬焊，所述處理氣氛包含活化或不穩(wěn)定化學物類并且基本上沒有起電物類，該氣氛通過使初始處理氣體經過放電得到，而基片的熱處理借助于在放電作用下如此加熱的化學物類得到。
8.根據權利要求7所述的過程，其特征在于，初始處理氣體包括包含氫的還原氣體混合物。
9.根據權利要求7或8所述的過程，其特征在于，在用來形成活化或不穩(wěn)定物類的裝置的氣體出口處得到處理氣氛，在該裝置中已經轉換初始處理氣體。
10.根據權利要求4所述的過程，其特征在于，在基片(20)的兩個大表面上進行放置元件和釬焊的步驟，借助于用來形成活化或不穩(wěn)定化學物類兩個裝置(32)進行所述熔解操作，每個裝置相對著基片表面之一。
11.根據權利要求9所述的過程，其特征在于，在基片(20)的兩個大表面上進行放置元件和釬焊的步驟，借助于用來形成活化或不穩(wěn)定化學物類的兩個裝置(32)進行所述處理操作，每個裝置相對著基片表面之一。
12.根據權利要求1至11任一項所述的過程，其特征在于，該它進一步包括在釬焊之后通過使基片經過包含惰性氣體的冷卻氣氛冷卻基片的步驟。
13.根據以上權利要求之一所述的過程，其特征在于，預沉積在沉積元件之前經受弄平其表面的操作。
14.用于使用焊料合金把電子元件(22)回流釬焊到支撐(20)上、用于實現根據權利要求1至13任一項所述的過程的設備，其特征在于，它包括一個用來輸送基片(20)的件(10)，這些基片(20)在其表面[sic]的至少一個上攜帶要釬焊在連接基片的點處的元件(22)，該輸送件(10)傳送基片(20)通過允許在粘合基片(20)的點處存在的粘合劑點熟化的第一裝置(24)，并且通過包括用來形成包含活化或不穩(wěn)定化學物類且基本上沒有起電物類的熔解氣氛的至少一個裝置(28)的第二裝置，該熔解氣氛能在接近大氣壓的壓力下使用，以便使基片經受干燥熔解。
15.根據權利要求14所述的設備，其特征在于，第二裝置位于第一裝置的上游。
16.根據權利要求14所述的設備，其特征在于，第二裝置位于第一裝置的下游。
17.根據權利要求14至16之一所述的設備，其特征在于，它沿輸送件在第一和第二裝置的下游包括用來形成包含活化或不穩(wěn)定化學物類且基本上沒有起電物類的處理氣氛的至少一個裝置(28)，該處理氣氛的溫度使得它可用來在接近大氣壓的壓力下進行基片的熱處理，以便進行元件的實際釬焊。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用來通過焊料回流把電子元件(22)釬焊在一個支撐(20)上的方法,該方法包括:提供一種嚴格說來已經在用來連接元件的支撐位置上經受預沉積和/或已經在元件的位置/終端上經受預沉積的焊料合金;把可熟化粘結劑沉積在支撐(20)粘合位置;及通過使所述支撐與包括基本上沒有起電物類的活化或不穩(wěn)定物類的熔解氣氛相接觸進行支撐的干燥過程熔解。
文檔編號B23K1/008GK1308838SQ99808478
公開日2001年8月15日 申請日期1999年7月8日 優(yōu)先權日1998年7月30日
發(fā)明者克勞德·卡斯卡, 吉萊斯·康納爾, 希爾瑞·辛德齊尼爾 申請人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究有限公司