专利名称：用于在电子元件的金属球和电路的接纳垫之间产生焊接接头的方法和用于实施此方法的 ...的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子元件的安装。具体地说，本发明尤其涉及表面封装的安装，该表面封装具有在印刷电路上的BGA(球栅阵列封装，ball grid array)型或CSP(芯片级封装，chip-scale package)型的矩阵型外围输出和FCOB(板上倒装片，flip chip on board)型的矩阵型外围输出，本发明还涉及这些封装自身的装配。
背景技术：
这些封装包括一个硅片—集成电路，并且这些封装要被安装在一些卡上，而这些卡然后被装进电子设备中。目前这些卡优选的大规模应用是用于先进技术GSM便携式电话中。而在上代封装中，与印刷电路的连接是通过位于封装外围周围的垫(焊盘)提供，例如QFP(四方扁平封装)型或类似类型的封装，为此，BGA、微型BGA或CSP封装包括球形的接触元件，所述球由含63％的锡和37％的铅的Sn/Pb共晶合金(183℃的共晶合金；可选地，可向此共晶合金中添加少量百分比的银)制成。所述封装被通过所述球的回熔焊接与所述卡的其他元件同时装配到印刷电路。
多层印刷电路通常由一叠层构成，每层上都具有通过互相连接的通路连接的铜制导电轨，并且这些层被沉积在例如由环氧树脂/玻璃纤维制成的绝缘衬底上。所述印刷电路在其外侧上还包括用于接纳要被焊接元件的铜制垫，当所述封装通过定位机器定位时，每个接纳垫接触所述封装的一个球。所述铜制接纳垫已经被电路制造商涂上了一层外涂层，形成一个平的并且可焊接的顶面，所述外涂层包括一个5至10μm厚的镍底层和一个用于抗氧化的500至1000厚的表面金膜。
应注意到，如果镍已由化学方法(因此是无电的)沉积上，则所述镍包含可达10 at％(原子百分数)的磷，因为这种元素与用于化学沉积镍的镍溶液的配方有关。所述封装通过在一个回熔炉中焊接而连接到所述印刷电路。为此，在所述印刷电路上要被焊接的区域附着少量的焊膏，所述少量的焊膏包括成分与所述封装的所述球的成分相同的锡/铅合金的微球、焊剂以及各种有机添加剂、激活剂和晶体结构剂。在丝网印刷所述焊膏和然后将所述封装设置在所述印刷电路上之后，使所述卡通过输送机上的炉，以便根据精确的温度/时间曲线(分布)，在氮气气氛或在空气中，在一次通过中即可在所述炉中的施行焊接。所述焊膏和所述合金球在几个步骤中被加热到220/230℃，即共晶温度以上的温度，其加热速率典型地为大约1.2或3℃/s。处于液态的时间总体上典型地在40s至90s之间变化。最大温度是回熔峰值，在此回熔峰值之后冷却开始。所述冷却通常以不超过2℃/s，一般为1至2℃/s的速率进行。例如，移除所述炉中的热氮并使所述热氮流过一个“冷箱”，所述“冷箱”还用来捕集来自所述焊剂的水蒸汽，并且所述“冷箱”通过10℃的水的循环冷却。为了冷却所述卡，在达到所述回熔峰值时，将此除去焊剂的冷却的氮重新注入所述炉中。
在焊接操作之后生成的焊接接头形成了一个机械和电连接，该连接稳定和耐用，它包括几个相继的(接连的)层—所述印刷电路的接纳垫的铜层；—一个镍层，如果所述镍源自于化学方法，则所述镍层包含磷；—一个锡/镍/磷金属间化合物层(厚度大约为1μm数量级)；和—所述63/37锡/铅合金。
因为所述金在焊接过程中被所述锡/铅合金溶解，所以所述金在处理中不再起任何作用。
还应注意到，BGA封装自身中的锡/铅合金的植入被在一系列非常类似的操作中执行，包括所述相同的冶金操作。树脂封装底部具有涂有镍/金外涂层的铜垫，每个垫上都设置有粘结焊剂，然后锡/铅合金球被放在所述粘结焊剂上。然后为了将所述球回熔焊接到所述接纳垫上，将整个组件放入一个炉中。
当金属间化合物是镍/锡/磷三元混合物时，所述金属间化合物层的存在引起一个问题，因为这种混合物具有易碎型的机械性能。这个固有的易碎性使封装/印刷电路粘结或球/封装粘结对冲击敏感，当球/芯片接触区域的实际几何结构导致这个接触区域中的应力集中时尤其如此。当所述卡所集成进的封装或设备遭受到一个冲击时，与微裂纹的迅速蔓延相关的称为脆性断裂的断裂模式因此尤其易于发生于其中。这种现象尤其会在测试过程中发生，所述测试是从一个预定高度使一个设备(例如便携式电话)下落几次(所述测试通常称为“下落测试”)。
在卡/封装粘结的情况下，通常通过这样的方法设法校正所述问题，即在焊接之后向所述封装下的所述球的底部注入树脂而加强所述机械粘结(称为“下填充”)。该树脂还具有这样的优点，即它可以吸收与系统各种材料之间的热膨胀系数的差别有关的机械应力。但是，该应用需要一个附加的制造步骤，而此步骤使所述卡的制造变得复杂，同时也增加了所述卡的制造成本。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种装配一个卡的方法，所述卡包括至少一个表面封装，该表面封装具有BGA型或CSP型或类似类型的球，这种方法能够获得具有比已知产品更高可靠性的产品，尤其从所述产品冲击强度的角度来说，从而不再需要使用加强树脂。本发明另一个目的在于提供一种用于将所述球装配到具有相同可靠性的所述封装上的方法。
为此，本发明的主题在于一种在形成或要形成BGA型或CSP型或类似类型的封装的一部分的金属球和属于附着在一个衬底上的印刷电路或属于包含在所述封装中的集成电路的接纳垫之间形成一个焊接接头的方法，其中—焊膏或粘结焊剂被附着在所述接纳垫上；—所述球被放在所述接纳垫上；—整个组件被放入一个回熔焊接炉中，以便将所述金属球加热到它们的熔点之上，其特征在于，所述衬底和/或封装被强制冷却以便缩短所述球在液态的滞留时间，其中施加在所述球上的冷却速率至少为5℃/s。
施加在所述球上的冷却速率最好在5和10℃/s之间。
在冷却过程中，所述球在液态的滞留时间可以大约在3和6s之间。
所述金属球在液态的总滞留时间可以在20s和65s之间。
在实现本发明的一个优选实施例中，所述接纳垫具有由含磷的镍构成的外涂层，可能地覆有金膜，并且所述金属球由基于锡和铅的合金制成。
在这些条件下，所述金属球和所述焊膏最好经受一个温度、一个在液态的滞留时间和一个冷却速率以便在所述球/接纳垫界面处形成具有最大厚度为0.5μm的锡/镍/磷金属间层。
本发明的主题还在于—一种具有至少一个附着在一个衬底上的印刷电路和至少一个包含在BGA型或CSP型或类似类型的封装中的集成电路的卡，其特征在于，所述卡可以通过上述方法获得；—一种BGA型或CSP型或类似类型的封装，其特征在于，所述封装可以通过上述方法获得。
最后，本发明的一个主题在于一种回熔焊接炉，它用于一种卡的装配—其中该卡具有至少一个附着在一个衬底上的印刷电路和至少一个包含在一个BGA型或CSP型或类似类型的封装中的集成电路，或者用于这种封装的制造，其特征在于，它在所述焊接区的末端包括用于强制冷却所述卡的所述衬底和/或所述封装的装置，使得能够以至少5℃/s的冷却速率冷却所述球。
所述强制冷却装置可以包括至少一个喷射器，用于向所述卡的所述衬底的下侧上和/或向所述封装上喷吹气流。
所述炉因此可以包括用于使所述气体在被所述喷射器喷吹之前冷却的装置。
所述气体可以是具有高热导率的气体或气体混合物，例如氢或氦。
所述强制冷却装置还可以包括用于向所述卡的所述衬底上和/或所述封装上喷吹致冷介质的装置，所述致冷介质例如是气/液或气/固二相流，例如通过气态氮输送的液氮滴悬浮体，或者通过CO2输送的干冰悬浮体。
所述用于向所述卡的所述衬底上和/或所述封装上喷吹气/液或气/固二相流的装置可以包括一个或多个垂直于所述卡或所述封装移动的喷嘴，或者一个或多个固定的喷嘴，用于当所述封装从所述一个固定喷嘴或所述多个固定喷嘴旁通过时选择性地向所述封装喷射。
根据本发明的所述炉最好包括惰性化装置，用于至少在焊接区域的焊接和冷却发生区中防止空气的出现。
所述用于喷吹气/液二相流的装置最好通过真空隔绝管道连接到一个液化气源。
如果使用气态CO2中的干冰悬浮体，所述喷吹装置最好通过一条隔绝管道和一个膨胀室连接到一个加压的液体CO2源。
可以理解，本发明在于向制造所述卡或所述封装的常规步骤中增加一个所述卡或所述封装的剧烈强制冷却步骤，以便使在焊接过程中与所述焊膏或所述粘结焊剂形成的所述金属球和所述混合物在达到所述回熔峰值之后在液态中仅滞留短时间。该剧烈强制冷却能够控制所述金属间化合物层的生长。
具体实施例方式
通过阅读下列详细描述本发明一个非限制性例子的内容将更加清楚地理解本发明。在此例子中，目的是在一个FR4(环氧树脂/玻璃纤维)衬底和一个标准BGA型(尺寸为27mm×27mm，重量为2.62g，总厚为2.4mm；并且具有256个直径为0.5mm的球，间距为1.27mm)表面封装上安装一个卡，该卡具有一个由铜轨和接纳垫构成的印刷电路。
常规上，所述具有25μm厚的铜轨的印刷电路的接纳垫表面上涂有一层5μm厚的镍外涂层，该外涂层化学地沉积上。因此，在所述镍层内包括有几个百分比(可达10％)的磷原子。一个500至1000厚的浸渍涂覆的金层覆盖在所述镍层上，用于防止其氧化。还在常规上，所述封装的接触元件由锡/铅(63/37％)共晶合金球构成，在共晶合金中可能地还包含少量的银(占2％的质量)。
根据已知的操作方法，基于锡和铅的焊膏被通过丝网印刷方法附着在所述印刷电路上那些要焊接的区域，所述焊膏的焊剂、激活剂以及各种有机添加剂用以帮助去除氧化物和清洁那些与所述焊膏接触的要被焊接的金属表面。然后，所述封装被置于所述印刷电路上，并且将因此形成的组件放入辐射的、对流的或混合类型的回熔焊接炉中，所述组件通过所述炉以1m/min数量级的速率在所述回熔焊接炉的入口和出口之间移动。
常规上，所述卡通过所述炉的一个第一区域，该卡在此区域中被以0.6至2℃/s的速率预热，所述卡的温度被升高到大约150℃。然后，在所述炉的一个第二区域中，所述卡以150至180℃的温度保持45至90s。也就是在这个阶段期间，所述焊剂完成了去除氧化物和清洁要被焊接表面的功能。
实际焊接发生在第三步骤中，在所述第三步骤中，所述锡/铅合金球和所述焊膏在大约200至225℃的最大温度(所述回熔峰值)时转化成液态时融合。在此已知方法中，为了实现1至2℃/s的冷却速率，通过冷水(10℃)交换器冷却的氮被注入所述回熔峰值区中，所述球在液态保持总共45至90s。
与此相反，在根据本发明的方法中，通过在所述炉的焊接区的末端向所述焊接提供剧烈强制冷却而限制所述焊接在液态的滞留时间，典型地是所述回熔峰值一达到，所述冷却就开始。所述焊接在液态的总滞留时间必须足够长到使所述金膜溶解，以便所述镍涂层表面可以被锡/铅合金很好地浸润和以便所述锡表面地扩散进所述镍中，从而可以确保由于所述金属间扩散层的形成而形成一个优质的焊接接头。
在所述回熔峰值达到之后提供剧烈强制冷却能够减小在所述镍/球界面处形成的锡/镍/磷金属间化合物层的厚度。与常规方法比较，所述焊接接头的其他特征还可保留。
经验表明，通过剧烈强制冷却将所述锡/铅球在液态的滞留时间相对于其中所述锡/铅球被以1-2℃/s的冷却速率冷却的常规方法减少30-50％可以获得良好的效果。与上述常规方法比较，这意味着所述球在液态的总滞留时间(包括所述加热阶段和所述冷却阶段)大约为20至60s。为了缩短这个滞留时间，所述球被以至少5℃/s例如10℃/s的冷却速率冷却。实际上不必对所述金属淬火(因为这样冷却速率将非常高)，但是需要提供比常规方法更剧烈的受控强制冷却。因此，在冷却过程中，在液态保持的时间大约是3-6s，而该滞留时间通常大约为30s。这样，与常规获得的大约1μm的厚度比较，目的是获得最大厚度为0.5μm的锡-镍-磷金属间化合物层。
为了获得期望的冷却速率，据估计所述冷却措施必须能够执行与所述卡和/或所述封装的热传递，其特征在于，通量密度至少是1W/cm2和直到3W/cm2。
所述要被冷却区域的温度的直接测量或估计可以方便地利用热电偶或光测高温计执行。这样，在所述炉操作期间，就能够检查各种操作参数的设置以便获得必需的冷却速率。
为了获得这个受控冷却，其解决方案的几个例子建议如下。
在第一例子中，一种气体例如氮被以高流速喷吹到所述卡和/或所述封装上。这种气体已经在10℃水的交换器或在产生例如大约-100℃的冷气的液氮交换器中被预先冷却。这种喷吹可以通过一个或多个“喷射器”装置即设置有一个或多个狭槽或圆柱形孔上的喷吹元件执行，通过所述狭槽或圆柱形孔，所述气体被排出，并被吹向要被冷却的区域。尽管在某些情况下喷吹气体到所述卡的下侧上足够获得期望的结果，但是如果所述气体被直接喷吹到所述封装上，可以在所述焊接区域内获得更高的冷却速率。当然，如果必要，为了获得更迅速的冷却，这两种冷却方法可以被结合使用。例如，15Sm3/h的气态氮流率可以被用于在0.30m的宽度上进行的喷射。
在第二例子中，可以通过使用具有高热导率的气体例如纯的氢或氦或这些气体的混合物改善上述操作方法。而使用更加普通的气体，例如氮，所述气体和所述焊接区域之间的热传递实质上通过对流进行，在此第二例子中，对流在热传递中的作用变得很显著，并且如果必要能够实现更迅速的冷却。此外，例如，建议使用50Sm3/h的氢或氦流速用于0.30m宽的喷射。所述氢和氦可以用在一个闭合回路中，只要在它们被注入所述炉中之前将污染它们的氮部分地去除。
这两个例子可以被用于这样的情况，即实现充足冷却速率不意味着以过高的速率将气体喷吹到一种程度的情况，在所述程度具有所述封装由于气体推力的影响而撕裂或称为“芯片”的小元件被撕裂的危险，因为这些“芯片”与所述BGA封装比较在尺寸和质量上都非常小，所以如果气体喷吹太猛烈的话，这些“芯片”会从所述卡上撕裂或移位。
在第三例子中，通过在所述卡上侧的整个宽度上经由垂直于所述卡移动的一个或多个喷嘴喷吹气/液二相流(例如，由气态氮输送的液氮滴悬浮体，按质量比例90％的液体/10％的气体)或气/固二相流(例如，以气态CO2输送的干冰悬浮体，按质量比例55％干冰/45％气体)，所述焊接区域被冷却。在后一布置中，优选使用并排设置的平口喷嘴，这样能够有效地喷射移动中的整个卡。所述期望的冷却例如可以利用每个喷嘴0.21/h的液氮流率来获得。
在这个例子的另一个变型中，使用一个或多个固定的喷嘴，这种结构能够在所述封装从所述一个或多个喷嘴旁通过时选择性地向所述封装上喷吹二相流。所述一个或多个喷嘴的几何结构取决于所述封装的尺寸。
对所述卡上侧的喷射或对所述封装的喷射可以用对所述卡的衬底下侧的喷射代替或补充。
与先前的操作方法比较，这种方法的优点在于不具有所述封装撕裂的危险。例如，可以利用每个喷嘴0.21/h的液氮流率获得期望的冷却，喷嘴数量根据要喷射区域的宽度而变化(尤其是取决于是期望冷却所述卡的整个宽度还是选择性地冷却所述封装)。所述一个或多个喷嘴通过真空隔绝管道连接到3巴压力下的液氮箱，这样能够使液体进入所述炉之前的蒸发损耗减到最小。如果使用液体CO2箱，一个8巴膨胀室被设置在所述喷嘴和所述箱之间，所述箱处在30巴的压力下。所述管道可以仅仅通过有机泡沫隔绝。
在所有情况下，建议提供用于所述焊接炉的气体惰性化的装置，这样能够限制或避免在所述炉内部至少在所述焊接区域的焊接和冷却发生区出现(存在)氧气。这是因为氧气的出现会降低所述镀金镍的浸润性，而这个浸润性在惰性气氛，例如纯氮中良好。用于冷却的气体有助于所述惰性化。
已经针对利用共晶锡/铅合金的铜/镍/锡/铅焊接接头制造所述卡的应用对本发明在本申请的上下文内作了描述，但是，不用说，还可以使用其他用于它们装配的材料制造所述卡，只要求这些材料根据本发明的强制冷却能够限制金属间化合物在其中的形成，如果存在大量的这种金属间化合物，将会使所述焊接接头变脆。尤其是可以使用非共晶锡/铅合金或者甚至是使用基于锡的称为无铅共晶或非共晶合金的合金，为了形成二元、三元或四元合金，后者包括下列金属中一个或两个或三个附加元素，银、铜、锑、铋、锌和铟，如本说明书所述。
也不用说，所述方法还可以用于制造具有几个封装的卡。因此，强制冷却装置的数量和布置将相应地调整。例如，对于两侧均设置有BGA封装的卡，最好仅在第一侧使用本发明，然后为了防止已经焊接的BGA封装在第二通过期间遭受第二次回熔，同时在两侧上使用本发明。
最后，所述方法还能够适用于制造BGA型或类似类型的具有球的封装，在制造期间，所述球通过焊接被固定到所述封装的所述接纳垫。获得所述球和所述接纳垫之间的优质粘结所需的条件与上述相同并且是为了相同的原因，即在所述球/接纳垫界面处获得金属间化合物的薄层。
权利要求
1.一种用于在形成或要形成BGA型或CSP型或类似类型的封装的一部分的金属球和属于附着在一个衬底上的印刷电路或属于包含在所述封装中的集成电路的接纳垫之间产生焊接接头的方法，其中—焊膏或粘结焊剂被附着在所述接纳垫上；—所述金属球被放在所述接纳垫上；—所述组件被放入一个回熔焊接炉中，以便将所述金属球加热到它们的熔点之上，其特征在于，所述衬底和/或所述封装被强制冷却，以便缩短所述球在液态的滞留时间，其中施加在所述球上的冷却速率至少为5℃/s。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，施加在所述球上的冷却速率在5和10℃/s之间。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在冷却过程中，所述球在液态的滞留时间大约在3和6s之间。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述金属球在液态的总滞留时间在20和65s之间。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述接纳垫具有一层由含磷的镍构成的外涂层，可能地涂有一层金膜，并且其中所述金属球由基于锡和铅的合金制成。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述金属球和所述焊膏或所述粘结焊剂经受一个温度、一个在液态的滞留时间和一个冷却速率以便在所述球/接纳垫界面处形成具有最大厚度为0.5μm的锡/镍/磷金属间层。
7.一种具有至少一个附着在一个衬底上的印刷电路和至少一个包含在BGA型或CSP型或类似类型封装中的集成电路的卡，其特征在于，所述卡可以通过根据权利要求1-6中任一项所述的方法获得。
8.一种BGA型或CSP型或类似类型的封装，其特征在于，所述封装可以通过根据权利要求1-6中任一项所述的方法获得。
9.一种回熔焊接炉，它用于一种卡的装配—所述卡具有至少一个附着在一个衬底上的印刷电路和至少一个包含在具有球的BGA型或CSP型或类似类型封装中的集成电路，或用于这种封装的制造，其特征在于，所述炉在所述焊接区域的末端包括用于强制冷却所述卡的衬底和/或所述封装的装置，使得能够以至少5℃/s的冷却速率冷却所述球。
10.根据权利要求9所述的炉，其特征在于，所述强制冷却装置包括至少一个喷射器，用于向所述卡的衬底下侧上和域所述封装上喷吹气流。
11.根据权利要求10所述的炉，其特征在于，所述炉包括用于气体在被所述喷射器喷吹之前使该气体冷却的装置。
12.根据权利要求10或11所述的炉，其特征在于，所述气体是具有高热导率的气体或气体混合物，例如氢或氦。
13.根据权利要求9所述的炉，其特征在于，所述强制冷却装置包括用于将气/液二相流喷吹到所述卡的衬底上和/或所述封装上的装置。
14.根据权利要求13所述的炉，其特征在于，所述气/液二相流是通过气态氮输送的液氮滴悬浮体。
15.根据权利要求9所述的炉，其特征在于，所述强制冷却装置包括用于将气/固二相流喷吹到所述卡的衬底上和/或所述封装上的装置。
16.根据权利要求15所述的炉，其特征在于，所述二相流是通过气态CO2输送的干冰悬浮体。
17.根据权利要求13-16中任一项所述的炉，其特征在于，用于将气/液二相流或气/固二相流喷吹到所述卡的衬底上和/或所述封装上的所述装置包括一个或多个垂直于所述卡或所述封装移动的喷嘴。
18.根据权利要求13-16中任一项所述的炉，其特征在于，用于将气/液二相流或气/固二相流喷吹到所述卡的衬底上和/或所述封装上的所述装置包括一个或多个固定喷嘴，用于在所述封装从所述喷嘴旁通过时选择性地喷射所述封装。
19.根据权利要求9-18中任一项所述的炉，其特征在于，所述炉包括惰性化装置，用于至少在所述焊接区域的焊接和冷却发生区内防止出现空气。
20.根据权利要求13或14所述的炉，其特征在于，用于将气/液二相流喷吹到所述卡的衬底上和/或所述封装上的所述装置通过真空隔绝管道连接到一个液化气源。
21.根据权利要求16所述的炉，其特征在于，用于将气/固二相流喷吹到所述卡的衬底上和/或所述封装上的所述装置通过一条隔绝管道和一个膨胀室连接到一个加压的液体CO2源，其中所述气/固二相流由气态CO2中的干冰悬浮体组成。
全文摘要
本发明涉及一种方法，它用于在形成或要形成BGA型或CSP型或类似类型的封装的一部分的金属球和属于附着在一个载体上的印刷电路或属于包含在所述封装内的集成电路的安装区之间产生焊接。所述方法包括将焊膏或粘结焊剂附着在所述安装区上；将所述金属球放在所述安装区上；和通过再熔将组件引入一个焊接炉中，以便使所述金属球处于它们的熔化温度以上。所述方法的特征在于，在上述步骤之后还包括对所述载体和/或所述封装的强制冷却，其中施加在所述金属球上的冷却速率至少为5℃/s。
文档编号B23K1/20GK1480015SQ01820309
公开日2004年3月3日 申请日期2001年12月10日 优先权日2000年12月11日
发明者C·博内, C 博内 申请人:液体空气乔治洛德方法利用和研究的具有监督和管理委员会的有限公司, 液体空气乔治洛德方法利用和研究的具