[发明专利]通过涉及电子附着的无助焊剂方法去除表面氧化物的装置和方法

说明书

 

相关申请的交叉引用

本申请要求以下美国临时申请号的优先权：2011年8月3日提交的61/514,615；和2011年11月23日提交的61/563,112。本申请是2012年2月2日提交的美国申请号13/364,925的继续申请，该申请要求2011年2月9日提交的美国临时申请号61/441,053的优先权。所有上述申请通过全文引用并入本文。

发明背景

本发明总的涉及用于去除表面氧化物的无助焊剂工艺。更特别的，本发明涉及一种包括上述工艺的装置和方法，其用于在环境（如非真空）压力下涉及电子附着和场发射的无助焊剂回流和钎焊。

在电子部件装配中，回流和钎焊对于制造焊接点是重要的工艺步骤。本文使用的术语“回流”是指利用能源如热能后使预先涂覆在基片上的焊料熔化并流动的工艺。本文使用的术语“钎焊”是指让熔化的焊料连接至少两个金属基片的工艺。电子设备装配中，会使用许多不同的回流和钎焊工艺，例如但不限于，用于晶片凸点形成（wafer bumping）的焊料凸点回流，用于表面安装电子部件的装配中的回流钎焊，和用于插入安装部件的装配中的波动钎焊。

回流钎焊是一种用于表面安装部件的外部引线接合的工艺，其中将具有在适当位置的引线的芯片传递给下一级表面安装封装。回流钎焊工艺中，部件安装在电路板的相应痕迹区域上，电路板上预先印制焊膏。这样形成的钎焊零件随后放入回流炉中，并通过加热区和冷却区。焊膏经过熔化、润湿和凝固，形成电路板上部件引线和焊区之间的焊接点。为确保连接表面上熔融焊料良好的润湿性，焊膏中通常含有有机助焊剂，用来去除焊料和基底金属二者的最初表面氧化物，并保持凝固前表面处于清洁状态。助焊剂大部分在钎焊时蒸发为气相；但是，助焊剂的挥发物会引发一些问题，如在焊接点中形成气孔和污染回流炉。钎焊后，助焊剂残余物仍留在电路板上，会引起腐蚀和短路。

波动钎焊也用于外部引线接合，如用于装配传统插入安装部件。它也可以通过在钎焊前用粘合剂将部件临时接合在电路板上而用于表面安装部件。对于这两种情况，具有插入或临时接合的部件的电路板，都必须使用液态助焊剂清洁，以去除部件引线和焊区上的氧化物，而后通过高温熔融的焊料浴。熔融焊料自动润湿待钎焊的金属表面，由此形成焊接点。浴中的熔融焊料极易被氧化，形成焊料渣。因此，焊料浴表面必须经常通过机械除渣来清洁，这增加操作成本和焊料消耗。钎焊后，助焊剂残余物留在电路板上，带来本文对回流钎焊所述的同样的问题。

晶片凸点形成是在芯片接合焊盘(pad)上制造用于内部引线接合的厚金属凸点的工艺。凸点通常是通过在焊盘上沉积焊料而形成，然后回流（本文指第一次回流）以进行合金化，并改变焊料凸点形状，将其从蘑菇形变为半球形。将具有第一次回流凸点的芯片“倒装”以对应基片上焊料可润湿端子的印迹，然后进行第二次回流以形成焊接点。这些焊接点在本文中指内部引线接合。高熔点焊料（如＞300℃）通常用在晶片凸点形成工艺中，这是因为其使得接下来的装配步骤，如外部引线接合，得以使用低熔点焊料（如＜230℃）进行，而不破坏内部引线接合。

第一次回流后的焊料凸点形状是关键的。例如，优选凸点高度大，以便更好的接合和更高的抗疲劳性。此外，形成的凸点应优选基本一致以确保平面性。基本一致的具有相对较大凸点高度的焊料凸点，被认为与在第一次回流期间无氧化物的凸点表面有关。在第一次回流期间去除形成焊料凸点的晶片的焊料氧化物的一种方式是在沉积的焊料凸点上或在已经印制在晶片上形成凸点的焊膏混合物中施加有机助焊剂，然后在惰性环境中将凸点回流，因此，助焊剂可有效去除焊料表面上最初的氧化物。但这种方式有它的缺点。由于助焊剂的分解，在钎焊凸点内会形成小气孔。这些气孔不仅会降低形成的焊接点的电性能和机械性能，而且会破坏形成焊料凸点的晶片的共平面性，影响接下来的芯片接合过程。分解的助焊剂挥发物还会污染回流炉，这可增加维护成本。另外，助焊剂残余物经常遗留在晶片上，这可引起腐蚀并降低组装件性能。

为从上述回流和钎焊工艺去除助焊剂残余物，可采用使用含氯氟烃（CFC）作为清洁剂的后清洁工艺。但是，后清洁增加了额外的工艺步骤，并增加了制造加工时间。此外，由于对地球的保护性臭氧层的潜在破坏，含氯氟烃（CFC）用作清洁剂是禁止的。尽管已经开发了通过使用少量活化剂降低残余物的免清洁助焊剂，但在助焊剂的残余物量和助焊剂的活性的损益之间有折衷。