专利名称：一种精密焊球的高效制备方法
技术领域：
本发明涉及一种精密焊球的高效制备方法，具体而言，指BGA(球栅阵列)及 CSP(芯片级)封装过程中使用的精密焊球(锡球、BGA球)的高效制备方法。本发明制成 的焊球主要用于集成电路连接，也用于半导体芯片封装。
背景技术：
随着工业和消费类电子产品市场对电子产品小型化、高性能、高可靠性、高安全性 和电磁兼容性能的要求，片式元件不断向小型化、多层化、大容量、耐高压、集成化和高性能 化的方向发展。目前，消费类电子产品如数码相机、移动电话、笔记本电脑等产品中也广泛 采用BGA封装形式，BGA封装的出现成为CPU、图形芯片、南北桥、VLSI芯片等高密度高性能 芯片封装的最佳选择。为了防止在更细间距的BGA或Flip Chip封装方式的电子连接过程 中的桥联等问题的出现，利用焊球在熔化过程中的"自对准效应"，BGA封装采用的焊球，具 有相当高的尺寸及外形精度要求。 目前，制备焊球已有多种发明技术，按原理可以分为1)直接浇注法(US 5338327 和US 5381848)，存在的问题是浇注工艺难以保证，焊球球形度及粒度难以保证；2)切丝重 熔法(US 4661192和US 3380155 ;中国专利00133617. 7)，其过程是将焊锡拉成均匀的细 丝，然后等长切断，将分段在熔化介质中重熔得到形态优良的焊球，其缺点是设备要求高， 生产效率低下，对较难拉拔成焊丝的焊锡，很难制备出合格的焊球；3)焊膏印刷回流法(US 5024732和US 5133495)，将焊膏涂布在一定的模板上，经过回流熔化在焊盘上形成焊球， 该法工艺复杂，设备昂贵，效率低下；4)切片重熔法(JP 4-262895)，与切丝方法类似，将焊 料制备成均匀质量的切片，而后重熔成均匀的焊球，其生产工艺复杂，效率低下，实用化时 有一定的缺点；5)射流断裂法(中国专利ZL02132882.X)，该法以一定形式气压差作用于焊 料液体射流，射流在介质中通过断裂成球，该法制备效率高，但是粒度分散较宽，给后期筛 分工作带来较大难度，影响合格产品产率。6)压电振动法(CN1899732A和CN2808366A)，该 法以瑞利射流断裂理论为依据，以压电振动激励金属液体射流从而使得液体断裂成分散性 较为集中的焊球，该法效率高、焊球质量好，但是所制备的焊球仍需经过精密筛分及选形操 作，难度较高。 因此，提供一种工艺简单、球形度好、粒度分散窄的精密BGA锡球的高效制备方法 及设备就成为该技术领域需要解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工艺简单、球形度好、粒度分散窄的精密BGA锡球的 高效率生产方法，具有投入低、效率高、一次性成功率高的特点，适用于大批量焊球的低成 本高效率生产用。 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案
—种精密焊球的高效制备方法，包括如下步骤
(1)在熔炼坩埚中装入焊料，安装振动器装置，并密封熔炼坩埚，将气源分别通过 气压控制器接入熔炼坩埚及球化室； (2)保持熔炼坩埚及球化室内部的压力相同，然后开始加热熔化焊料，启动球化室 温度控制器并对球化室内介质加热，待球化室内介质温度满足球化温度场后，设定振动参 数，启动振动器装置，工作10到20分钟； (3)然后，通过调节气压或使用机械方式，使熔炼坩埚与球化室内部产生压力差， 大小随流嘴孔径大小调整，熔化的焊料从流嘴进入球化室，形成焊料射流，在球化室内部焊 料射流断裂成均匀的液滴，液滴在球化介质中凝固形成均匀的微球并富集在球化室底部；
(4)降低熔炼坩埚内部的气体压力使它低于球化室内部的压力，焊料射流中止，关 闭振动器装置，由球化室底部取出，得到焊球。 —种优选的技术方案，其特征在于所述的焊料为有铅焊料或无铅焊料。
—种优选的技术方案，其特征在于所述的焊料为Sn-Pb或Sn-Ag-Cu焊料。
—种优选的技术方案，其特征在于所述的振动器装置为电磁振动发生器，振动参 数为波形正弦波，频率300Hz至440Hz 。 —种优选的技术方案，其特征在于步骤(1)所述的接入熔炼坩埚的气源为惰性 气体，还可以一定成分的熔体覆盖在熔融焊料上，使得焊料受到保护。惰性气体起到在球化 室中形成一定温度场的工作氛围，可以是氦气、也可以是高纯度氮气，从而有效控制制备焊 球的氧含量。
—种优选的技术方案，其特征在于步骤(2)所述的加热熔化焊料的温度保持在
高于焊料熔点3(TC至5(TC之间，允许存在0. 5t:的温度波动；所述的球化温度场的上部温 度高于焊料熔点l(TC至50°C，中部温度低于焊料熔点l(TC至50°C。 —种优选的技术方案，其特征在于步骤(3)所述的压力差范围在0.4Mpa至 0.7Mpa。 —种优选的技术方案，其特征在于步骤(4)所述的焊料射流中止5-10分钟后，关 闭振动器装置。 —种优选的技术方案，其特征在于步骤(4)所述焊球的尺寸为0. 76mm-0. 10mm。
该方法用于制备各种直径的BGA及CSP封装用的焊球(锡球、BGA球)，常见的 尺寸是0. 76mm、0. 70mm、0. 65mm、0. 60mm、0. 55mm、0. 50mm、0. 45mm、0. 40mm、0. 35mm、0. 30mm、 0. 25mm、0. 20mm等。该方法可用于生产有铅焊料成分的焊球(锡球、BGA球)，以及生产无 铅焊料成分的焊球(锡球、BGA球)。 本发明通过坩埚内外压力差实现射流，利用电磁振动发生器产生的轴向振动作用 在射流束上，通过调整专用信号发生器产生信号的频率、振幅、波形，使得作用在射流束上 的表面波受到适当的调节，从而形成射流断裂所需要的均匀稳定断裂过程，产生粒度均匀 的焊料颗粒。射流流嘴3为整个装备的核心部件，该流嘴纵截面呈满足一定数学公式条件 的流线性，可以控制射流呈稳定无紊流状态，有利于射流断裂的发生；该方法射流束是通过 压力差及一特殊设计的流嘴实现，流嘴流孔可以是圆形，也可以是椭圆及正多边形形状，沿 轴向可以是等面积，或者是变面积形状设计。本发明的成球过程在球化室中进行，球化室 必须具有特定温度梯度，该温度梯度可是由液态介质产生，也可以由气体介质产生。断裂后 的金属液滴在球化室中受到具有特定温度梯度冷凝介质的冷却作用，收縮形成分布粒度均匀、表面质量优良的精密锡球。
制备方法利用电磁振动原理，设计振动频率适合瑞利射流断裂的电磁振动器，
该振动器具有振动频率、振幅、振动波形可调的特点，保证在生产过程中适时跟踪参数的变
化。电磁振动作用于射流液体并对之产生一定规律的激励，该受激焊料液体在一定压力作
用下通过一定长径比的特制喷嘴形成平滑流射流，该射流具有低紊动、无飞溅的特点，其在
激励作用下在球化介质中断裂形成粒度分散优良、球形度及表面质量优异的焊球。 推动焊料液体射流的压力可以是气体、也可以是机械作用或其它方式引起的射
流，但是在射流过程中必须保证射流压力稳定。保护性介质可以是液体，也可以是惰性气
体，其必须满足焊料液滴球化的条件，保证获得的焊球的球形度及表面质量。 射流断裂装置射流断裂制球装置主要由调频调幅微振发生器、熔炼坩埚、无紊
流圆柱喷嘴、颗粒均匀化控制器、球化室及结构支撑等部分组成。其中熔炼坩埚含温度控
制器、恒压保护气氛供给器等构件，无紊流圆柱喷嘴安装在其底部，温度控制器含精确温度
测量的热电偶及可编程温控表，控制加热器将焊料中熔炼坩埚熔化并保持在一定的温度范
围。恒压保护气氛供给器含高压气源、气阀、气压传感器、压控仪表及相应控制电路构成，
高压气体经过减压后稳定的供给给熔炼坩埚，起到保护熔炼焊料及推动液态焊料射流的作
用，根据焊球的规格及材质的不同，坩埚内的保护气体压力有所差别。颗粒均匀化控制器由
特制高压发生器控制，在适当条件下给射流断裂液滴带上均匀电荷。球化室由温度梯度控
制系统(温度传感器及温度控制器等)构成，其内充满一种或多种冷却介质，根据制备焊
球的规格及成分，适当控制冷却介质的温度梯度，保证焊球的表面质量及球形度、粒度等参数。
本发明具有如下优点 1.制备原理属于射流断裂法，相比直接浇注法、切丝重熔法、焊膏印刷回流法、切 片重熔法，具有生产效率高、焊球球形度成型质量好、表面质量优异，设备投入经费低、成本 低、流程短的特点。 2.相比普通射流断裂法，该发明属于均匀液滴射流断裂的制球方法，具有制备焊 球颗粒度单分散特性，即一次性合格粒度焊球数目比例远远高于普通射流断裂法，减少粒 度选分的工作量，提高生产效率。 3.相比压电射流均匀断裂法，该发明具有激振供给方便可调的特点，在制备过程 中能稳定保持在一定频率及振动强度，解决压电振动制球过程中频率及振幅调节及保持不 宜实施，容易出现频率漂移以及振幅波动现象的难题，同时，很大程度降低工作噪音，改善 工作环境。 下面通过附图和具体实施方式
对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保 护范围的限制。
图1本发明采用的焊球射流断裂发生装置主体机构示意图。 图2本发明实施例1制备焊球的外形轮廓图。 图3本发明实施例1制备焊球的粒度分布图。 图4本发明实施例1制备焊球的表面扫描电镜形貌图。
图5本发明实施例2制备焊球的外形轮廓图。 图6本发明实施例2制备焊球的粒度分布图。 图7本发明实施例2制备焊球的球形度分布图。 图8本发明实施例3制备焊球的外形轮廓图。 图9本发明实施例3制备焊球的粒度分布图。 图10本发明实例3制备焊球球的形度分布图。 图11本发明实施例4制备焊球的外形轮廓图。 图12本发明实施例4制备焊球的粒度分布图。 图13本发明实施例4制备焊球的球形度分布图。
具体实施方式
实施例1 图1为本发明采用的焊球射流断裂发生装置主体机构示意图。如图1所示，本发 明装置安装在一钢支架7上，其结构主要由如下部分构成气源8、气源10、密闭的熔炼坩埚 2、熔炼坩埚温度加热器4及熔炼坩埚温度控制器12、球化室5、球化室温度加热器6、球化 室温度控制器13及流嘴3、电磁振动发生器1。核心部分是流嘴3，其中球化室5作为成球 工作区，内部充入球化介质，这里采用的是惰性气体，起到在球化室中形成一定温度梯度的 工作氛围，同时惰性气体可以是氦气，也可以是高纯度氮气，可以有效控制制备焊球的氧含 量。球化室外部是温度加热器6，其在温度控制器的调控下可以对球化室内部的球化介质加 热并形成适当温度梯度。熔炼坩埚2作为另一个重要工作区，其作用主要将焊料熔化并保 证焊料具有稳定的表面张力、粘性力等流动特性，其内部充入的保护介质不仅在熔炼时保 护焊球不被氧化，同时在射流断裂成球过程中可以产生适当的压力，推动焊料液体射流，保 护气体介质可以是氦气，也可以是高纯氮气，其通过气源8、 10及气压控制器9、 11作用于密 闭坩埚。电磁振动发生器1通过一延长振子安装在流嘴3的正上方一定距离，在振动器的 带动下按照一定形式产生振动，振动型式可以是正弦波、也可以是脉冲式振动，在本发明中 该振动工作在脉冲方式下。流嘴3作为核心部件，该流嘴纵截面呈满足一定数学公式条件 的流线性，可以控制射流呈稳定无紊流状态，利于射流断裂发生过程。
本发明装置工作过程 运用上述设备制备Sn-Pb(Sn 63%， Pb37X，熔点183°C ) 550 y m焊球，流嘴采用 直径0. 175mm的圆柱流嘴，流嘴流孔为圆形。在熔炼坩埚2中装入适量Sn-Pb焊料，将电磁 振动发生器1安装密封熔炼坩埚，给将气源8、10分别通过气压控制器9与11分别接入熔 炼坩埚2及球化室5，开始熔炼焊料时，熔炼坩埚及球化室内部保持相同的压力0. 3MPa，在 焊料熔化后，由于表面张力作用，阻止焊料流过流嘴。待焊料加热稳定保持在预定加热温度 233°C (高于熔点50°C )时(允许存在0. 5度的温度波动)，启动球化室温度控制器13并 对球化室内介质加热，当介质上部温度为233°C (高于熔点50°C )，中部为173°C (低于熔 点10°C )后，设置电磁振动信号频率为315Hz，波形是正弦波，启动电磁振动发生器l，工作 10分钟后，调节熔炼坩埚2及球化室5内部压力、使熔炼坩埚2及球化室5内压力分别取 0. 7MPa及0. 3MPa，压力差为0. 4Mpa。此时，焊料射流形成，在球化室5内部，焊料射流将断 裂成均匀的液滴，液滴在球化介质中凝固形成均匀的微粒并富集在球化室5底部。当坩埚2和球化室5压力相同时，射流结束，降低熔炼坩埚2内部的气体压力，使其低于0. 3MPa，5 分钟后关闭振动器，由球化室5底部取出制备的焊料微球。 图2为本实施例制备焊球的外形轮廓图，对大批量焊球进行粒度分布测试，结果 如图3所示，为本实施例制备焊球的粒度分布图，图4为本实施例制备焊球的表面扫描电镜 形貌图。由图2-4可以看出，本实施例制备的微球具有优良的球形度及粒度分布，微球表面
形貌优良。 实施例2 运用本发明的设备制备Sn-Ag-Cu (Sn 96. 5 % ， Ag3. 0 % ， CuO. 5 % ，熔点 217°C )650iim焊球，流嘴采用0. 215mm圆柱流嘴，在熔炼坩埚2中装入适量Sn-Ag-Cu焊 料，将电磁振动发生器1安装密封熔炼坩埚，给将气源8、10分别通过气压控制器9与11 分别接入熔炼坩埚2及球化室5，开始熔炼焊料时，熔炼坩埚及球化室内部保持相同的压力 0. 3MPa，在焊料熔化后，由于表面张力作用，阻止焊料流过流嘴。待焊料加热稳定保持在预 定加热温度247°C (高于熔点30°C )时(允许存在0. 5度的温度波动)，启动球化室温度控 制器13并对球化室内介质加热，当上部温度球化温度为227°C (高于熔点l(TC )，中部为 167°C (低于熔点5(TC)后，设置电磁振动信号频率为315Hz，波形是正弦波，启动电磁振动 发生器l，工作10分钟后，调节熔炼坩埚及球化室内部压力、使熔炼坩埚及球化室内压力分 别取1. OMPa及0. 3MPa，压力差为0. 7Mpa。此时，焊料射流形成，在球化室内部，焊料射流将 断裂成均匀的液滴，液滴在球化介质中凝固形成均匀的微粒并富集在球化室底部。当坩埚2 和球化室5压力相同时，射流结束。降低熔炼坩埚内部的气体压力，使其低于0. 3Mpa，5分 钟后关闭振动发生器，由球化室底部取出制备的焊料微球。 图5为本实施例制备焊球的外形轮廓图，图6为本实施例制备焊球的粒度分布图， 图7为本实施例制备焊球的球形度分布图。经过分析测量，焊球形貌优良，氧含量测试结果 为62. 74PPm，粒度分布、球形度分布优良。
实施例3 运用本发明的设备制备Sn-Ag-Cu (Sn 96. 5 % ， Ag3. 0 % ， CuO. 5 % ，熔点 217°C )450 ii m焊球，流嘴采用0. 150mm圆柱流嘴，在熔炼坩埚2中装入适量Sn-Ag-Cu焊 料，将电磁振动发生器1安装密封熔炼坩埚，给将气源8、10分别通过气压控制器9与11 分别接入熔炼坩埚2及球化室5，开始熔炼焊料时，熔炼坩埚及球化室内部保持相同的压 力0. 3MPa，在焊料熔化后，由于表面张力作用，阻止焊料流过流嘴。待焊料加热稳定保持在 预定加热温度267°C (高于熔点50°C )时(允许存在0. 5度的温度波动)，启动球化室温 度控制器13并对球化室内介质加热，当介质上部温度为267°C (高于熔点50°C )，中部为 207°C (低于熔点10°C)后，设置电磁振动信号频率为440Hz，波形是正弦波，启动电磁振动 发生器l，工作10分钟后，调节熔炼坩埚及球化室内部压力、使熔炼坩埚及球化室内压力分 别取1. OMPa及0. 3Mpa，压力差0. 7MPa。此时，焊料射流形成，在球化室内部，焊料射流将断 裂成均匀的液滴，液滴在球化介质中凝固形成均匀的微粒并富集在球化室底部。当坩埚2 和球化室5压力相同时，射流结束。降低熔炼坩埚内部的气体压力，使其低于0. 3MPa， 10分 钟后关闭振动发生器，由球化室底部取出制备的焊料微球。 图8为本实施例制备焊球的外形轮廓图，图9为本实施例制备焊球的粒度分布图， 图IO为本实例制备焊球球的形度分布图。经过分析测量，焊球形貌优良，氧含量测试结果为70. 71PPm，粒度分布、球形度分布优良。
实施例4 运用本发明的设备制备Sn-Ag-Cu(Sn 98. 5 %， Agl. 0 %， CuO. 5 %，熔点217 221°C )350iim焊球，流嘴采用0. 115mm圆柱流嘴，在熔炼坩埚2中装入适量Sn-Ag-Cu焊 料，将电磁振动发生器1安装密封熔炼坩埚，给将气源8、10分别通过气压控制器9与11 分别接入熔炼坩埚2及球化室5，开始熔炼焊料时，熔炼坩埚及球化室内部保持相同的压 力0. 3MPa，在焊料熔化后，由于表面张力作用，阻止焊料流过流嘴。待焊料加热稳定保持在 预定加热温度267°C (高于熔点50°C )时(允许存在0. 5度的温度波动)，启动球化室温 度控制器13并对球化室内介质加热，当介质上部温度为227°C (高于熔点l(TC )，中部为 207°C (低于熔点1(TC)后，设置电磁振动信号频率为300Hz，波形是正弦波，启动电磁振动 发生器l，工作10分钟后，调节熔炼坩埚及球化室内部压力、使熔炼坩埚及球化室内压力分 别取0. 8MPa及0. 3MPa，压力差为0. 5Mpa。此时，焊料射流形成，在球化室内部，焊料射流将 断裂成均匀的液滴，液滴在球化介质中凝固形成均匀的微粒并富集在球化室底部。当坩埚 2和球化室5压力相同时，结束射流。降低熔炼坩埚内部的气体压力，使其低于0. 3MPa，中 止焊料液体射流，5分钟后关闭振动发生器，由球化室底部取出制备的焊料微球。
图11为本实施例制备焊球的外形轮廓图，图12为本实施例制备焊球的粒度分布 图，图13为本实施例制备焊球的球形度分布图。经过分析测量，焊球形貌优良，氧含量测试 结果为90. 65PPm，粒度分布、球形度分布优良。
权利要求
一种精密焊球的高效制备方法，包括如下步骤(1)在熔炼坩埚中装入焊料，安装振动器装置，并密封熔炼坩埚，将气源分别通过气压控制器接入熔炼坩埚及球化室；(2)保持熔炼坩埚及球化室内部的压力相同，然后开始加热熔化焊料，启动球化室温度控制器并对球化室内介质加热，待球化室内介质温度满足球化温度场后，设定振动参数，启动振动器装置，工作10到20分钟；(3)然后，通过调节气压或使用机械方式，使熔炼坩埚与球化室内部产生压力差，大小随流嘴孔径大小调整，熔化的焊料从流嘴进入球化室，形成焊料射流，在球化室内部焊料射流断裂成均匀的液滴，液滴在球化介质中凝固形成均匀的微球并富集在球化室底部；(4)降低熔炼坩埚内部的气体压力使它低于球化室内部的压力，焊料射流中止，关闭振动器装置，由球化室底部取出，得到焊球。
2. 根据权利要求1所述的精密焊球的高效制备方法，其特征在于所述的焊料为有铅 焊料或无铅焊料。
3. 根据权利要求l所述的精密焊球的高效制备方法，其特征在于所述的焊料为Sn-Pb 或Sn-Ag-Cu焊料。
4. 根据权利要求1所述的精密焊球的高效制备方法，其特征在于所述的振动器装置 为电磁振动发生器，振动参数为波形正弦波，频率300Hz至440Hz。
5. 根据权利要求1所述的精密焊球的高效制备方法，其特征在于步骤(1)所述的接入熔炼坩埚的气源为惰性气体。
6. 根据权利要求1所述的精密焊球的高效制备方法，其特征在于步骤(2)所述的加热熔化焊料的温度保持在高于焊料熔点3(TC至5(TC之间，允许存在0. 5t:的温度波动； 所述的球化温度场的上部温度高于焊料熔点1(TC至5(TC，中部温度低于焊料熔点l(TC至 50°C。
7. 根据权利要求1所述的精密焊球的高效制备方法，其特征在于步骤(3)所述的压 力差为O. 4Mpa至0. 7Mpa。
8. 根据权利要求1所述的精密焊球的高效制备方法，其特征在于步骤(4)所述的焊 料射流中止5-10分钟后，关闭振动器装置。
9. 根据权利要求1所述的精密焊球的高效制备方法，其特征在于步骤(4)所述焊球 的尺寸为0. 76mm-0. 10mm。
全文摘要
本发明涉及一种精密焊球的高效制备方法，包括在熔炼坩埚中装入焊料；保持熔炼坩埚及球化室的压力相同，加热熔化，待焊料保持在高于熔点30℃至50℃之间，对球化介质加热，再启动振动发生器及控制器；通过调节气压或使用机械方式，使熔炼坩埚与球化室产生压力差，熔化的焊料从流嘴进入球化室，形成焊料射流，在球化室内部焊料射流断裂成均匀的液滴，液滴在球化介质中凝固形成均匀的微球并富集在球化室底部。本发明可用于制备各种直径的BGA及CSP封装用的焊球(锡球、BGA球)，具有生产效率高、焊球球形度成型质量好、表面质量优异，设备投入经费少，成本低、流程短的特点。
文档编号B23K35/00GK101745763SQ20091024305
公开日2010年6月23日 申请日期2009年12月22日 优先权日2009年12月22日
发明者徐骏, 王志刚, 石启伟, 胡强, 贺会军, 赵朝辉 申请人:北京有色金属研究总院;北京康普锡威焊料有限公司