专利名称：一种微球焊料的制备方法及所用微喷射装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子用的焊接材料，具体地说是一种微球焊料的制备方法及所用微喷射装置。
背景技术：
随着微电子技术的飞速发展，使现代电子产品的发展方向具有多功能、高可靠性、小型化、轻量化、以及低成本等特点。而满足这些要求的基础与核心是集成度越来越高的半导体芯片技术及与之相关的电子封装技术。
随着集成电路(Integrated Circuit，缩写IC)特征尺寸不断减小以及集成度的不断提高，IC发展到了超大规模IC(Very Large Scale Integration，缩写VLSI)阶段，可集成门电路高达百万以至数千万只/芯片，其中输入/输出(Input/Output，I/O)数已达到数百个，最高已超过1000个。这样，原来四边扁平封装(Quad Flat Package，缩写QFP)及其他类型的电子封装，尽管引线间距一再缩小(例如QFP已达到0.3mm的工艺技术极限)也不能满足封装VLSI的要求。电子封装引线由周边型发展成面阵型，如针栅阵列封装(Pin Grid Array，缩写PGA)。然而，用PGA封装低I/O数的LSI(无中文)尚有优势，而当它封装高I/O的VISI就无能为力了。一是体积大又太重；二是制作工艺复杂而成本高；三是不能使用表面贴装技术(Surface mount Technology，缩写SMT)进行表面贴装，难以实现工业化规模生产。综合了QFP和PGA的优点，于九十年代初终于研制开发出新一代微电子封装技术-球栅阵列(Ball Grid Array，缩写BGA)封装。至此，多年来一直大大滞后芯片发展的微电子封装，由于BGA的开发成功而终于能够适应芯片发展的步伐。
所谓BGA通常使用许多以阵列排列的焊球在芯片与基板(或印刷电路板)之间建立连接。比较典型的是阵列焊球位于电子封装件的金属化焊盘与基板上的金属化焊盘之间。当将封装件与基板正确对准并相对固定后，就用再流焊的方法将焊球熔化，并利用金属焊料与金属焊盘之间的界面润湿力，进行精确的位置校正，冷却以后在封装件与基板之间形成精确而可靠连接。
基于上述BGA技术的大规模工业应用，这项技术中的关键性电子材料是一种单尺寸的合金焊球。
制造微小焊球已有多种发明技术。代表性的技术包括1)直接浇铸法(美国专利，申请号5,388,327和5,381,848)，存在的问题是浇铸工艺很难控制，球形圆度不理想；2)部分截断导线熔化法(美国专利，申请号4,661,192和3,380,155)，其工艺是先将原料拉成丝，再截成小段，然后将段型料加热熔化，使其在表面张力作用下变成球型，其主要不足是要求焊料合金有良好的拉丝形变能力，否则如果焊料合金本身塑性不足，如锡铋共晶焊料，则拉丝困难，该工艺就无法进行；3)焊膏印刷回流法(美国专利，申请号5024,372和5,133,495)，焊球的形成是在已准备好的阵列焊盘上，用模版将一定量焊膏涂布后，经再流焊炉加热熔化，在表面张力作用下在焊盘上形成局部凸点，这种技术的缺点是工艺过程复杂，要求昂贵的设备；4)切片重熔法，将金属薄片切成一定尺寸的碎片，并将每个小片放置在具有可聚集熔融金属微球的凹口的陶瓷夹具上加热重熔，使之成球的方法(日本专利，申请号4-262895)，这种技术的主要缺点是工艺过程十分复杂，且生产效率很低。
发明内容
本发明的目的是提供了一种工艺简单、球形圆度好、可大批生产，适用于微电子球栅阵列封装用的微球焊料制备方法及所用微喷射装置。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下制备方法采用微喷射技术，在保护性介质中用高压气体直接喷射已加热熔化的液态金属或合金原料，制备窄尺寸分布的金属或合金球形焊料，具体为对金属或合金原料加热至金属或合金熔点以上5℃～50℃，喷射压力为10psi～80psi，在保护性介质中喷射液态金属或合金原料，在喷射过程中持续控制压力和温度；采用的喷头喷孔直径为φ0.01～φ0.8mm，在喷头深径比变化范围为0.5～30条件下，获得窄尺寸分布的金属或合金微形球形焊料；冷却后，取出微球；所述施加喷射压力可以是连续的或间歇的，后者采用的喷射周期为0.001～1s；所述保护性介质可以是Ar或N2，也可以为有机溶剂；所述有机溶剂为动植物油或矿物油；其微喷射装置安装在一支架上，主要由气源系统、密闭炉腔，坩锅、温度控制器、加热炉、喷头、收集管、收集箱组成，其中封闭的收集管为工作区，内部充以保护性介质，其上半部外侧设有加热炉，加热炉与温度控制器相连；金属或合金原料装在坩埚中，坩锅位于密闭炉腔内，密闭炉腔下端装有一喷头，插入收集管内，密闭炉腔上端通过气体导管与气源系统连接；气体控制系统由高压气源、气阀、压力控制仪组成，其中高压气源通过气阀进行开关控制将压力气体输出至压力控制仪；气源系统的供气压力为10～80psi，根据制备焊料金属或合金球的尺寸，选择不同的喷孔直径，所述喷头上具有至少一个喷孔，喷头上喷孔的直径为φ0.01～φ0.8mm，喷孔形状可以是圆形、方形、三角形或多边形；喷头喷孔的深径比变化范围为0.5～30。
本发明具有如下优点在单尺寸BGA焊球的工业制备技术中，与现有技术中方法比较，采用本发明方法具有工艺简便，容易控制，球径可调，球形圆度好(对球的直径在各直径方向上的偏差测量结果为其偏差小于3％)，其尺寸分布窄，表面光洁，并由于采用块状合金，使制造成本低，对合金成分适应性广，可大批量生产等特点，适用于现代电子封装(BGA)工艺的需要。
图1为本发明所用焊球喷射装置结构示意图。
图2为本发明一个实施例所制备的焊料微球的直径分布情况。
图3为本发明一个实施例所制备的焊料微球的直径在各直径方向上的偏差测量结果。
图4为本发明一个实施例所制备的焊料微球的扫描电镜形貌图。
具体实施例方式
下面结合附图通过实施例详述本发明。
实施例1如附图1所示，本发明所用喷射装置安装在一钢支架13上，其结构主要由高压气源、密闭炉腔6、坩锅15、温度控制器7、加热炉9、喷头10、收集管11组成，其中封闭的收集管11作为工作区，内部充以保护性介质，防止金属表面的氧化，其上半部外侧设有加热炉9，加热炉9与温度控制器7相连；加热炉9内有密闭炉腔6及坩锅15，坩锅15与密闭炉腔6为一体结构，位于密闭炉腔6底部(所述坩锅15亦可为独立结构，另外放置于密闭炉腔6底部)，密闭炉膛6下端装有一喷头10，并插入下部的封闭收集管11，密闭炉腔6上端通过气体导管4与气源系统相连，收集管11下端设一收集箱14；金属或合金原料8装在坩埚6中；加热炉9上设一温度计5；所述气源系统由高压气源1(如气瓶或气泵)、气阀2、压力控制仪3组成，其中高压气1通过气阀2进行开关控制将压力气体输出至压力控制仪3；其中温度控制器7、压力控制仪3为市售产品。
所述金属或合金原料8为低熔点金属或合金，具体熔点范围为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。
所述喷头上喷孔的直径为φ0.01～φ0.8mm，喷孔形状可以是圆形、方形、三角形或多边形；喷头喷孔的深径比变化范围为0.5～30。本实施例中喷头10上有1个小喷孔，直径为φ0.12mm；深径比为20，喷孔形状为圆形。
本发明所述装置工作过程首先将金属或合金原料8装入坩埚15中，然后将密闭炉腔6上端封闭，并充以惰性气体或其它保护介质，以防金属或合金氧化，对加热炉9通电加热，当加热炉9通电时，坩锅15中的金属或合金原料8被加热熔化，加热温度由温度计5进行测量，并通过温度控制器7进行调节和控制，使温度缓慢上升，当超过金属或合金熔点时(一般超过熔点5～50℃)保温一段时间，打开气阀2，调节好气体压力，这时就有金属或合金滴12开始从喷头10喷出，金属或合金滴12从喷头10喷出后，在收集管11中作自由落体式下降，由于液态金属或合金表面张力的作用，形成球液滴，并逐渐降温冷却，最后微球开始凝固，并沉降到收集管11底部。当收集管11底部的收集箱14积累了足够量的微球以后，将其取出，进行筛分或用其他方法分级，这样就可以得到一定尺寸的圆度达到标准的低熔点金属或合金微球。
其制备方法采用微喷射技术，在保护性介质中直接喷射液态金属或合金原料8，制备窄尺寸分布的金属或合金球形焊料，具体为采用配制好的Pb-Sn(Sn63％，Pb37％)合金原料，熔点为183℃，将合金加入坩埚15中，收集管11中保护性介质为10号机油，装料后，将密闭炉腔6上端封闭，并接入高压气源；通过温度控制器7、加热炉9对合金进行加热至210℃，升温速度为6℃/分，加热完毕，保持该温度15分钟，打开气阀2，本实施例用气体压力控制仪3调节压力，将压力调节为15psi(所述喷射压力的施加为连续方式)，这时在保护性介质中，喷头10的喷孔处开始有小球喷出，喷射过程中持续所述控制压力和温度，使其保持一致状态，获得所希望尺寸的金属液滴，这些金属液滴落入油中冷却并在重力作用下向下降落，同时在液体表面张力的自然作用下，形成外形良好的球滴，最终凝固形成微型焊料球，当合金原料8完全喷完后，停加热炉9、自然降温，把收集管11中获得的不同尺寸的合金微球从收集箱14中取出。
所述“微球”所指的是直径为100μm～1000μm的金属或合金球。本发明工艺过程制造的微球具有一定的球径分布，若需要单一尺寸的球，则需要进行筛分或采用其他方法进行分级。分级的技术不包括在本发明之内。
本实施例测得球径分布为700μm～840μm，微球有一定范围的球径分布，微球的直径分布情况参见图2，得到的微球可进行筛分或用其他方法分级。对微球的直径在各直径方向上的偏差进行了测量，其结果参见图3，可以看出其偏差小于3％。微球的扫描电镜形貌图示于图4。
实施例2与实施例1不同之处在于将配制好的Sn-Ag-Cu(Sn95.6％，Ag3.5％，Cu0.9％，熔点为218℃)合金制成块状加入坩埚15中，密闭炉腔6底部装有喷头10，喷头10上有15个0.05mm方形小喷孔，喷头10深径比为4，收集管11中保护性气体为氩气，装料后，密闭炉腔6上端与气源系统连接，控制温度控制器7温度对合金加热，加热到250℃，升温速度为21℃/分，保持所述温度25分钟后，打开气阀2，将气体压力调节到20psi，所述施加喷射压力方式为间歇方式，喷射周期为0.1s；这时在喷头10处有合金微球喷出，一直控制压力和温度，使其保持一致状态。小球喷完后停电降温，冷却后，取出微球，进行筛分测量，其球径分布在400～500μm之间，球形圆度良好。
本发明所述所述保护性介质也可为氮气或有机介质如动植物油，其他矿物油；所述喷头10上喷孔的形状还可以是三角形或多边形。
权利要求
1.一种微球焊料的制备方法，其特征在于采用微喷射技术，在保护性介质中用高压气体直接喷射已加热熔化的液态金属或合金原料，制备窄尺寸分布的金属或合金球形焊料，具体为对金属或合金原料加热至金属或合金熔点以上5℃～50℃，喷射压力为10psi～80psi，在保护性介质中喷射液态金属或合金原料，在喷射过程中持续控制压力和温度；采用的喷孔直径为φ0.01～φ0.8mm，在喷头深径比变化范围为0.5～30条件下，获得窄尺寸分布的金属或合金球形焊料。
2.按照权利要求1所述微球焊料的制备方法，其特征在于所述施加喷射压力可以是连续的或间歇的，后者的喷射周期为0.001～1s。
3.按照权利要求1所述微球焊料的制备方法，其特征在于所述保护性介质可以是Ar或N2，也可以为有机溶剂。
4.按照权利要求3所述微球焊料的制备方法，其特征在于动植物油或矿物油。
5.一种按照权利要求1所述制备方法的所用微喷射装置，其特征在于安装在一支架(13)上，主要由高压气源、密闭炉腔(6)、坩锅(15)、温度控制器(7)、加热炉(9)、喷头(10)、收集管(11)、收集箱(14)组成，其中封闭的收集管(11)为工作区，内部充以保护性介质，其上半部外侧设有加热炉(9)，加热炉(9)与温度控制器(7)相连；坩埚(6)位于密闭炉腔(6)内，密闭炉腔(6)下端装有一喷头(10)，插入收集管(11)内，密闭炉腔(6)上端通过气体导管(4)与气源系统连接；所述喷头(10)上有至少一个喷孔；所述收集管(11)下端设有收集箱(14)；所述金属或合金原料(8)装在密封坩埚(6)中。
6.按照权利要求5所述制备方法的所用微喷射装置，其特征在于所述气源系统由高压气源(1)、气阀(2)、压力控制仪(3)组成，其中高压气源(1)通过气阀(2)至压力控制仪(3)；喷射压力为10psi～80psi。
7.按照权利要求5所述制备方法的所用微喷射装置，其特征在于所述喷头(10)上喷孔的直径为φ0.01～φ0.8mm，喷孔形状可以是圆形、方形、三角形或多边形；喷头(10)中喷孔的深径比变化范围为0.5～30。
全文摘要
本发明涉及电子封装用的焊接材料，具体地说是一种微球焊料的制备方法及所用微喷射装置。它是在保护性介质中采用精密喷射技术，将熔化的金属或合金直接喷射微小球滴，凝固后制备成球形焊料。采用本发明技术制备BGA(球栅阵列)微球焊料球径适用范围为0.1mm～1mm，并具有尺寸分布窄，球形度高，表面光洁，生产效率高，适合大批量生产，且制造成本低等多种优点。
文档编号B22F9/08GK1480289SQ0213288
公开日2004年3月10日 申请日期2002年9月6日 优先权日2002年9月6日
发明者冼爱平, 闵家源, 尚建库 申请人:中国科学院金属研究所