專(zhuān)利名稱(chēng)：一種微球焊料的制備方法及所用微噴射裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子用的焊接材料，具體地說(shuō)是一種微球焊料的制備方法及所用微噴射裝置。
背景技術(shù)：
隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，使現(xiàn)代電子產(chǎn)品的發(fā)展方向具有多功能、高可靠性、小型化、輕量化、以及低成本等特點(diǎn)。而滿(mǎn)足這些要求的基礎(chǔ)與核心是集成度越來(lái)越高的半導(dǎo)體芯片技術(shù)及與之相關(guān)的電子封裝技術(shù)。
隨著集成電路(Integrated Circuit，縮寫(xiě)IC)特征尺寸不斷減小以及集成度的不斷提高，IC發(fā)展到了超大規(guī)模IC(Very Large Scale Integration，縮寫(xiě)VLSI)階段，可集成門(mén)電路高達(dá)百萬(wàn)以至數(shù)千萬(wàn)只/芯片，其中輸入/輸出(Input/Output，I/O)數(shù)已達(dá)到數(shù)百個(gè)，最高已超過(guò)1000個(gè)。這樣，原來(lái)四邊扁平封裝(Quad Flat Package，縮寫(xiě)QFP)及其他類(lèi)型的電子封裝，盡管引線間距一再縮小(例如QFP已達(dá)到0.3mm的工藝技術(shù)極限)也不能滿(mǎn)足封裝VLSI的要求。電子封裝引線由周邊型發(fā)展成面陣型，如針柵陣列封裝(Pin Grid Array，縮寫(xiě)PGA)。然而，用PGA封裝低I/O數(shù)的LSI(無(wú)中文)尚有優(yōu)勢(shì)，而當(dāng)它封裝高I/O的VISI就無(wú)能為力了。一是體積大又太重；二是制作工藝復(fù)雜而成本高；三是不能使用表面貼裝技術(shù)(Surface mount Technology，縮寫(xiě)SMT)進(jìn)行表面貼裝，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。綜合了QFP和PGA的優(yōu)點(diǎn)，于九十年代初終于研制開(kāi)發(fā)出新一代微電子封裝技術(shù)-球柵陣列(Ball Grid Array，縮寫(xiě)B(tài)GA)封裝。至此，多年來(lái)一直大大滯后芯片發(fā)展的微電子封裝，由于BGA的開(kāi)發(fā)成功而終于能夠適應(yīng)芯片發(fā)展的步伐。
所謂BGA通常使用許多以陣列排列的焊球在芯片與基板(或印刷電路板)之間建立連接。比較典型的是陣列焊球位于電子封裝件的金屬化焊盤(pán)與基板上的金屬化焊盤(pán)之間。當(dāng)將封裝件與基板正確對(duì)準(zhǔn)并相對(duì)固定后，就用再流焊的方法將焊球熔化，并利用金屬焊料與金屬焊盤(pán)之間的界面潤(rùn)濕力，進(jìn)行精確的位置校正，冷卻以后在封裝件與基板之間形成精確而可靠連接。
基于上述BGA技術(shù)的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，這項(xiàng)技術(shù)中的關(guān)鍵性電子材料是一種單尺寸的合金焊球。
制造微小焊球已有多種發(fā)明技術(shù)。代表性的技術(shù)包括1)直接澆鑄法(美國(guó)專(zhuān)利，申請(qǐng)?zhí)?,388,327和5,381,848)，存在的問(wèn)題是澆鑄工藝很難控制，球形圓度不理想；2)部分截?cái)鄬?dǎo)線熔化法(美國(guó)專(zhuān)利，申請(qǐng)?zhí)?,661,192和3,380,155)，其工藝是先將原料拉成絲，再截成小段，然后將段型料加熱熔化，使其在表面張力作用下變成球型，其主要不足是要求焊料合金有良好的拉絲形變能力，否則如果焊料合金本身塑性不足，如錫鉍共晶焊料，則拉絲困難，該工藝就無(wú)法進(jìn)行；3)焊膏印刷回流法(美國(guó)專(zhuān)利，申請(qǐng)?zhí)?024,372和5,133,495)，焊球的形成是在已準(zhǔn)備好的陣列焊盤(pán)上，用模版將一定量焊膏涂布后，經(jīng)再流焊爐加熱熔化，在表面張力作用下在焊盤(pán)上形成局部凸點(diǎn)，這種技術(shù)的缺點(diǎn)是工藝過(guò)程復(fù)雜，要求昂貴的設(shè)備；4)切片重熔法，將金屬薄片切成一定尺寸的碎片，并將每個(gè)小片放置在具有可聚集熔融金屬微球的凹口的陶瓷夾具上加熱重熔，使之成球的方法(日本專(zhuān)利，申請(qǐng)?zhí)?-262895)，這種技術(shù)的主要缺點(diǎn)是工藝過(guò)程十分復(fù)雜，且生產(chǎn)效率很低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供了一種工藝簡(jiǎn)單、球形圓度好、可大批生產(chǎn)，適用于微電子球柵陣列封裝用的微球焊料制備方法及所用微噴射裝置。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下制備方法采用微噴射技術(shù)，在保護(hù)性介質(zhì)中用高壓氣體直接噴射已加熱熔化的液態(tài)金屬或合金原料，制備窄尺寸分布的金屬或合金球形焊料，具體為對(duì)金屬或合金原料加熱至金屬或合金熔點(diǎn)以上5℃～50℃，噴射壓力為10psi～80psi，在保護(hù)性介質(zhì)中噴射液態(tài)金屬或合金原料，在噴射過(guò)程中持續(xù)控制壓力和溫度；采用的噴頭噴孔直徑為φ0.01～φ0.8mm，在噴頭深徑比變化范圍為0.5～30條件下，獲得窄尺寸分布的金屬或合金微形球形焊料；冷卻后，取出微球；所述施加噴射壓力可以是連續(xù)的或間歇的，后者采用的噴射周期為0.001～1s；所述保護(hù)性介質(zhì)可以是Ar或N2，也可以為有機(jī)溶劑；所述有機(jī)溶劑為動(dòng)植物油或礦物油；其微噴射裝置安裝在一支架上，主要由氣源系統(tǒng)、密閉爐腔，坩鍋、溫度控制器、加熱爐、噴頭、收集管、收集箱組成，其中封閉的收集管為工作區(qū)，內(nèi)部充以保護(hù)性介質(zhì)，其上半部外側(cè)設(shè)有加熱爐，加熱爐與溫度控制器相連；金屬或合金原料裝在坩堝中，坩鍋位于密閉爐腔內(nèi)，密閉爐腔下端裝有一噴頭，插入收集管內(nèi)，密閉爐腔上端通過(guò)氣體導(dǎo)管與氣源系統(tǒng)連接；氣體控制系統(tǒng)由高壓氣源、氣閥、壓力控制儀組成，其中高壓氣源通過(guò)氣閥進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制將壓力氣體輸出至壓力控制儀；氣源系統(tǒng)的供氣壓力為10～80psi，根據(jù)制備焊料金屬或合金球的尺寸，選擇不同的噴孔直徑，所述噴頭上具有至少一個(gè)噴孔，噴頭上噴孔的直徑為φ0.01～φ0.8mm，噴孔形狀可以是圓形、方形、三角形或多邊形；噴頭噴孔的深徑比變化范圍為0.5～30。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)在單尺寸BGA焊球的工業(yè)制備技術(shù)中，與現(xiàn)有技術(shù)中方法比較，采用本發(fā)明方法具有工藝簡(jiǎn)便，容易控制，球徑可調(diào)，球形圓度好(對(duì)球的直徑在各直徑方向上的偏差測(cè)量結(jié)果為其偏差小于3％)，其尺寸分布窄，表面光潔，并由于采用塊狀合金，使制造成本低，對(duì)合金成分適應(yīng)性廣，可大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，適用于現(xiàn)代電子封裝(BGA)工藝的需要。


圖1為本發(fā)明所用焊球噴射裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例所制備的焊料微球的直徑分布情況。
圖3為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例所制備的焊料微球的直徑在各直徑方向上的偏差測(cè)量結(jié)果。
圖4為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例所制備的焊料微球的掃描電鏡形貌圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖通過(guò)實(shí)施例詳述本發(fā)明。
實(shí)施例1如附圖1所示，本發(fā)明所用噴射裝置安裝在一鋼支架13上，其結(jié)構(gòu)主要由高壓氣源、密閉爐腔6、坩鍋15、溫度控制器7、加熱爐9、噴頭10、收集管11組成，其中封閉的收集管11作為工作區(qū)，內(nèi)部充以保護(hù)性介質(zhì)，防止金屬表面的氧化，其上半部外側(cè)設(shè)有加熱爐9，加熱爐9與溫度控制器7相連；加熱爐9內(nèi)有密閉爐腔6及坩鍋15，坩鍋15與密閉爐腔6為一體結(jié)構(gòu)，位于密閉爐腔6底部(所述坩鍋15亦可為獨(dú)立結(jié)構(gòu)，另外放置于密閉爐腔6底部)，密閉爐膛6下端裝有一噴頭10，并插入下部的封閉收集管11，密閉爐腔6上端通過(guò)氣體導(dǎo)管4與氣源系統(tǒng)相連，收集管11下端設(shè)一收集箱14；金屬或合金原料8裝在坩堝6中；加熱爐9上設(shè)一溫度計(jì)5；所述氣源系統(tǒng)由高壓氣源1(如氣瓶或氣泵)、氣閥2、壓力控制儀3組成，其中高壓氣1通過(guò)氣閥2進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制將壓力氣體輸出至壓力控制儀3；其中溫度控制器7、壓力控制儀3為市售產(chǎn)品。
所述金屬或合金原料8為低熔點(diǎn)金屬或合金，具體熔點(diǎn)范圍為100℃～350℃，如Sn基合金和Pb基合金，包括Sn、Pb、Sn-Cu合金、Sn-Pb合金、Pb-Sn合金，Sn-Bi合金、Sn-Ag合金和Sn-Ag-Cu合金。
所述噴頭上噴孔的直徑為φ0.01～φ0.8mm，噴孔形狀可以是圓形、方形、三角形或多邊形；噴頭噴孔的深徑比變化范圍為0.5～30。本實(shí)施例中噴頭10上有1個(gè)小噴孔，直徑為φ0.12mm；深徑比為20，噴孔形狀為圓形。
本發(fā)明所述裝置工作過(guò)程首先將金屬或合金原料8裝入坩堝15中，然后將密閉爐腔6上端封閉，并充以惰性氣體或其它保護(hù)介質(zhì)，以防金屬或合金氧化，對(duì)加熱爐9通電加熱，當(dāng)加熱爐9通電時(shí)，坩鍋15中的金屬或合金原料8被加熱熔化，加熱溫度由溫度計(jì)5進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)溫度控制器7進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，使溫度緩慢上升，當(dāng)超過(guò)金屬或合金熔點(diǎn)時(shí)(一般超過(guò)熔點(diǎn)5～50℃)保溫一段時(shí)間，打開(kāi)氣閥2，調(diào)節(jié)好氣體壓力，這時(shí)就有金屬或合金滴12開(kāi)始從噴頭10噴出，金屬或合金滴12從噴頭10噴出后，在收集管11中作自由落體式下降，由于液態(tài)金屬或合金表面張力的作用，形成球液滴，并逐漸降溫冷卻，最后微球開(kāi)始凝固，并沉降到收集管11底部。當(dāng)收集管11底部的收集箱14積累了足夠量的微球以后，將其取出，進(jìn)行篩分或用其他方法分級(jí)，這樣就可以得到一定尺寸的圓度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的低熔點(diǎn)金屬或合金微球。
其制備方法采用微噴射技術(shù)，在保護(hù)性介質(zhì)中直接噴射液態(tài)金屬或合金原料8，制備窄尺寸分布的金屬或合金球形焊料，具體為采用配制好的Pb-Sn(Sn63％，Pb37％)合金原料，熔點(diǎn)為183℃，將合金加入坩堝15中，收集管11中保護(hù)性介質(zhì)為10號(hào)機(jī)油，裝料后，將密閉爐腔6上端封閉，并接入高壓氣源；通過(guò)溫度控制器7、加熱爐9對(duì)合金進(jìn)行加熱至210℃，升溫速度為6℃/分，加熱完畢，保持該溫度15分鐘，打開(kāi)氣閥2，本實(shí)施例用氣體壓力控制儀3調(diào)節(jié)壓力，將壓力調(diào)節(jié)為15psi(所述噴射壓力的施加為連續(xù)方式)，這時(shí)在保護(hù)性介質(zhì)中，噴頭10的噴孔處開(kāi)始有小球噴出，噴射過(guò)程中持續(xù)所述控制壓力和溫度，使其保持一致?tīng)顟B(tài)，獲得所希望尺寸的金屬液滴，這些金屬液滴落入油中冷卻并在重力作用下向下降落，同時(shí)在液體表面張力的自然作用下，形成外形良好的球滴，最終凝固形成微型焊料球，當(dāng)合金原料8完全噴完后，停加熱爐9、自然降溫，把收集管11中獲得的不同尺寸的合金微球從收集箱14中取出。
所述“微球”所指的是直徑為100μm～1000μm的金屬或合金球。本發(fā)明工藝過(guò)程制造的微球具有一定的球徑分布，若需要單一尺寸的球，則需要進(jìn)行篩分或采用其他方法進(jìn)行分級(jí)。分級(jí)的技術(shù)不包括在本發(fā)明之內(nèi)。
本實(shí)施例測(cè)得球徑分布為700μm～840μm，微球有一定范圍的球徑分布，微球的直徑分布情況參見(jiàn)圖2，得到的微球可進(jìn)行篩分或用其他方法分級(jí)。對(duì)微球的直徑在各直徑方向上的偏差進(jìn)行了測(cè)量，其結(jié)果參見(jiàn)圖3，可以看出其偏差小于3％。微球的掃描電鏡形貌圖示于圖4。
實(shí)施例2與實(shí)施例1不同之處在于將配制好的Sn-Ag-Cu(Sn95.6％，Ag3.5％，Cu0.9％，熔點(diǎn)為218℃)合金制成塊狀加入坩堝15中，密閉爐腔6底部裝有噴頭10，噴頭10上有15個(gè)0.05mm方形小噴孔，噴頭10深徑比為4，收集管11中保護(hù)性氣體為氬氣，裝料后，密閉爐腔6上端與氣源系統(tǒng)連接，控制溫度控制器7溫度對(duì)合金加熱，加熱到250℃，升溫速度為21℃/分，保持所述溫度25分鐘后，打開(kāi)氣閥2，將氣體壓力調(diào)節(jié)到20psi，所述施加噴射壓力方式為間歇方式，噴射周期為0.1s；這時(shí)在噴頭10處有合金微球噴出，一直控制壓力和溫度，使其保持一致?tīng)顟B(tài)。小球噴完后停電降溫，冷卻后，取出微球，進(jìn)行篩分測(cè)量，其球徑分布在400～500μm之間，球形圓度良好。
本發(fā)明所述所述保護(hù)性介質(zhì)也可為氮?dú)饣蛴袡C(jī)介質(zhì)如動(dòng)植物油，其他礦物油；所述噴頭10上噴孔的形狀還可以是三角形或多邊形。
權(quán)利要求
1.一種微球焊料的制備方法，其特征在于采用微噴射技術(shù)，在保護(hù)性介質(zhì)中用高壓氣體直接噴射已加熱熔化的液態(tài)金屬或合金原料，制備窄尺寸分布的金屬或合金球形焊料，具體為對(duì)金屬或合金原料加熱至金屬或合金熔點(diǎn)以上5℃～50℃，噴射壓力為10psi～80psi，在保護(hù)性介質(zhì)中噴射液態(tài)金屬或合金原料，在噴射過(guò)程中持續(xù)控制壓力和溫度；采用的噴孔直徑為φ0.01～φ0.8mm，在噴頭深徑比變化范圍為0.5～30條件下，獲得窄尺寸分布的金屬或合金球形焊料。
2.按照權(quán)利要求1所述微球焊料的制備方法，其特征在于所述施加噴射壓力可以是連續(xù)的或間歇的，后者的噴射周期為0.001～1s。
3.按照權(quán)利要求1所述微球焊料的制備方法，其特征在于所述保護(hù)性介質(zhì)可以是Ar或N2，也可以為有機(jī)溶劑。
4.按照權(quán)利要求3所述微球焊料的制備方法，其特征在于動(dòng)植物油或礦物油。
5.一種按照權(quán)利要求1所述制備方法的所用微噴射裝置，其特征在于安裝在一支架(13)上，主要由高壓氣源、密閉爐腔(6)、坩鍋(15)、溫度控制器(7)、加熱爐(9)、噴頭(10)、收集管(11)、收集箱(14)組成，其中封閉的收集管(11)為工作區(qū)，內(nèi)部充以保護(hù)性介質(zhì)，其上半部外側(cè)設(shè)有加熱爐(9)，加熱爐(9)與溫度控制器(7)相連；坩堝(6)位于密閉爐腔(6)內(nèi)，密閉爐腔(6)下端裝有一噴頭(10)，插入收集管(11)內(nèi)，密閉爐腔(6)上端通過(guò)氣體導(dǎo)管(4)與氣源系統(tǒng)連接；所述噴頭(10)上有至少一個(gè)噴孔；所述收集管(11)下端設(shè)有收集箱(14)；所述金屬或合金原料(8)裝在密封坩堝(6)中。
6.按照權(quán)利要求5所述制備方法的所用微噴射裝置，其特征在于所述氣源系統(tǒng)由高壓氣源(1)、氣閥(2)、壓力控制儀(3)組成，其中高壓氣源(1)通過(guò)氣閥(2)至壓力控制儀(3)；噴射壓力為10psi～80psi。
7.按照權(quán)利要求5所述制備方法的所用微噴射裝置，其特征在于所述噴頭(10)上噴孔的直徑為φ0.01～φ0.8mm，噴孔形狀可以是圓形、方形、三角形或多邊形；噴頭(10)中噴孔的深徑比變化范圍為0.5～30。
全文摘要
本發(fā)明涉及電子封裝用的焊接材料，具體地說(shuō)是一種微球焊料的制備方法及所用微噴射裝置。它是在保護(hù)性介質(zhì)中采用精密?chē)娚浼夹g(shù)，將熔化的金屬或合金直接噴射微小球滴，凝固后制備成球形焊料。采用本發(fā)明技術(shù)制備BGA(球柵陣列)微球焊料球徑適用范圍為0.1mm～1mm，并具有尺寸分布窄，球形度高，表面光潔，生產(chǎn)效率高，適合大批量生產(chǎn)，且制造成本低等多種優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B22F9/08GK1480289SQ0213288
公開(kāi)日2004年3月10日 申請(qǐng)日期2002年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月6日
發(fā)明者冼愛(ài)平, 閔家源, 尚建庫(kù) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所