熱-超聲-電磁多場復合再流焊方法
【專利摘要】熱-超聲-電磁多場復合再流焊方法，涉及一種再流焊方法。所述方法步驟如下：將印制電路板置于回流焊加熱板中間位置，回流焊加熱板下方放置磁場線垂直于倒裝PCB組件表面的“山”形磁鐵，在中間磁芯柱位置纏繞耐強電流的線圈；超聲觸頭通過精密光學的對準裝置拾取帶有焊球的芯片元件并與PCB電路板上的焊盤對準；開啟回流焊加熱板，當回流焊加熱板溫度達到保溫區(qū)時，在互連過程中開始施加超聲和磁場，完成再流焊過程。本發(fā)明在熱板-超聲再流焊技術(shù)基礎上施加定向的磁場，通過磁場強度和方向的調(diào)控實現(xiàn)較低溫度下IMCs的定向、擇優(yōu)、快速生長，旨在在較低溫度下快速獲得力學性能優(yōu)異的焊點，以提高電子器件可靠性。
【專利說明】熱-超聲-電磁多場復合再流焊方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種再流焊方法，具體涉及一種熱-超聲-磁場復合條件下的再流焊方法。
【背景技術(shù)】
[0002]為了滿足電子系統(tǒng)的多功能化、高性能、低功率損耗、小尺寸等發(fā)展需求，電子電路表面組裝技術(shù)(SMT, Surface Mount Technology)已成為電子封裝技術(shù)的核心之一，并向著高密度、三維立體、微機電系統(tǒng)一體化的方向發(fā)展。隨著封裝密度的提高，焊點尺寸日益減小，金屬間化合物(Intemetallic Compounds-1MCs)在焊點中所占比例越來越大,界面MCs逐漸成為焊點的主要組成單元，當有限個不同取向的MCs晶粒在微焊點中比重增大到一定程度時，焊點在各種載荷下的力學行為將與原始材料以及相同材料大焊點產(chǎn)生顯著差異，界面MCs成為焊點可靠性主導的趨勢日益彰顯。許多研究表明釬料同焊盤界面的IMCs與焊點可靠性密切相關。IMCs晶體力學性質(zhì)的各向異性，具有不同擇優(yōu)取向IMCs的焊點將表現(xiàn)出不同的力學行為。因此如何獲得力學和物理性能優(yōu)異晶體取向的MCs是對再流焊技術(shù)的挑戰(zhàn)。
[0003]再流焊(亦稱回流焊)是預先在印制電路板(PCB, Printed Circuit Board)焊盤施放適量焊料，貼放表面組裝元器件，如BGA (Ball Grid Array)器件，經(jīng)固化后，在利用外部熱源使焊料再次流動已達到互連目的的一種工藝。
[0004]傳統(tǒng)的表面貼裝再流焊工藝主要有:熱板傳導再流焊、紅外輻射加熱再流焊、熱風對流再流焊、紅外熱風再流焊、氣相加熱再流焊。其中熱板傳導再流焊和熱風對流再流焊最為常用。這些再流焊工藝雖然能夠滿足互連的基本需求，但對于實現(xiàn)焊點界面處金屬間化合物MCs的定向生長的要求，卻遠不能滿足。目前再流焊工藝的區(qū)別主要是加熱方式、力口熱部位和熱傳導方式的不同，但難以控制焊點的微觀組織，特別是焊點界面金屬間化合物IMCs的晶粒取向，具體表現(xiàn)為:
(I)熱板傳導再流焊。該方法是應用最早的再流焊方法。發(fā)熱器件多為塊形板，將電路基板放置在加熱板上，熱量隨后傳送至電路基板，再由焊膏傳至表面貼磚器件，軟釬焊膏受熱熔化，進行器件與電路基板的焊接。該種技術(shù)主要適用于導熱性良好的電路基板的單面貼裝形式。
[0005](2)熱風對流再流焊。熱風對流是利用加熱器和風扇，使爐膛的空氣不斷加熱并進行對流循環(huán)。該種方法具有很高的生產(chǎn)能力，操作成本也較低，但溫度不穩(wěn)定。
[0006](3)熱-超聲再流焊。該方法是在熱板傳導再流焊的基礎上安裝超聲裝置。超聲震動導致焊盤和界面摩擦生熱，促進焊點的熔化，可以在較低的溫度下實現(xiàn)鍵合，從而避免了高溫給元器件帶來熱損傷；超聲有利于原子的擴散，可短時間內(nèi)形成可靠焊點所需的金屬間化合物MCs，縮短工藝時間，提高生產(chǎn)效率。但超聲對于焊點內(nèi)部晶粒取向的作用影響不明顯，有待進一步提聞。
[0007]為此，許多研究表明:在再流焊過程中施加定向磁場，可有效的改變MCs的形貌相貌和生長方式，使其定向擇優(yōu)生長，從而改善微互連焊點的力學性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是提供一種熱-超聲-電磁多場復合再流焊方法，在熱板-超聲再流焊技術(shù)基礎上施加定向的磁場，通過磁場強度和方向的調(diào)控實現(xiàn)較低溫度下IMCs的定向、擇優(yōu)、快速生長，旨在在較低溫度下快速獲得力學性能優(yōu)異的焊點，以提高電子器件可靠性。
[0009]本發(fā)明的熱-超聲-電磁多場復合再流焊方法的工藝過程如下:
第一步、放置PCB電路基板:
將印制電路板置于回流焊加熱板中間位置，回流焊加熱板下方放置磁場線垂直于倒裝PCB組件表面的“山”形磁鐵，在中間磁芯柱位置纏繞耐強電流的線圈；
第二步、拾取、對準芯片元件:
超聲觸頭通過精密光學的對準裝置拾取帶有焊球的芯片元件并與PCB電路板上的焊盤對準；
第三步、熱-超聲-磁場再流焊:
開啟回流焊加熱板，當回流焊加熱板溫度達到保溫區(qū)時，在互連過程中開始施加超聲和磁場，加載超聲的時間為I?5s,超聲頻率在20?65kHz,加載磁場的時間為I?30s,磁場強度的范圍在0.1?40T，完成再流焊過程。
[0010]本發(fā)明提供的熱-超聲-磁場復合條件下再流焊技術(shù)是基于現(xiàn)有的熱-超聲再流焊基礎上施加磁場，以此改變再流焊工藝時間和改善焊點組織、性能的方法。在再流焊過程中施加磁場主要基于以下兩方面原理:強磁場可以將高強度的能量無接觸的傳遞到材料的原子尺度，改變原子排列、匹配和遷移等行為，進而改變材料的組織、結(jié)構(gòu)和性能。磁場在材料的制備中主要有兩大作用:一是磁場取向，二是磁場控制流體的流動。利用磁場有可能控制微焊點重熔后結(jié)晶過程中晶體生長的形態(tài)、大小、分布和取向等，從而控制微焊點的組織，最后中獲得力學和物理性能優(yōu)異的焊點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為“山”形磁芯通電螺旋管磁場線分布示意圖；
圖2為回流焊加熱板剖面圖；
圖3為熱-超聲-電磁復合再流焊工藝整體示意圖；
圖4為超聲觸頭下倒裝PCB組件示意圖；
圖5為超聲觸頭下倒裝PCB組件剖面圖；
圖中，1-紅外測溫儀:監(jiān)測再流焊過程中焊點的溫度，通過數(shù)據(jù)光纖傳輸至電腦；2_回流焊加熱板:為再流焊工藝提供熱源，通過預設程序可設置預熱區(qū)、再流區(qū)、冷卻區(qū)三個過程的溫度曲線；3- “山”形磁鐵:引導磁場線分布；4_超聲觸頭:為再流焊過程中提供不同功率的超聲，通過預設程序改變超聲觸頭的頻率、振動方向(橫向和縱向)，真空吸嘴吸附芯片元器件并與PCB板對準，通過超聲壓頭施加壓力；5-線圈:纏繞于“山”形磁鐵中間磁芯，形成通電螺旋管產(chǎn)生豎直方向的磁場，不同的線圈匝數(shù)可調(diào)節(jié)磁場強度；6_倒裝PCB組件:將帶有BGA凸點的元器件組裝到PCB板上；7_特斯拉計:根據(jù)霍爾效應制成的測量磁感應強度的儀器，可測量倒裝PCB組件部位的磁場強度；8_直流電源:為線圈提供不同方向的穩(wěn)定的直流電；9-導線:輸送電流；10-芯片元件，Il-BGA焊球，12-PCB焊盤，13-PCB基板；14-導熱基板；15_高溫加熱膜；16_隔熱基板。
【具體實施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍中。
[0013]本發(fā)明的熱-超聲-電磁多場復合再流焊方法的工藝過程如下:
第一步、放置PCB電路基板:
將PCB基板13置于回流焊加熱板2中間位置，回流焊加熱板2的加熱溫度范圍為50^4000C?；亓骱讣訜岚?下方放置磁場線垂直于倒裝PCB組件6表面的“山”形磁鐵3，在中間磁芯柱位置纏繞耐強電流的線圈5 (例如紫銅線圈、超導材質(zhì)線圈)，以便獲得大范圍的磁場強度，磁場強度范圍在0.1-40Τ.
[0014]第二步、拾取、對準芯片元件:
超聲觸頭4通過精密光學的對準裝置(例如，倒扣焊中的光學對準系統(tǒng))拾取帶有焊球的芯片元件10并與PCB基板13上的焊盤12對準。超聲頻率的范圍為20~65kHz。此外，超聲觸頭4也可對已經(jīng)裝配完畢的PCB組件施加壓力，范圍在0-20Ν即可滿足微焊點互連的技術(shù)要求。
[0015]第三步、熱-超聲-磁場再流焊:
首先，開啟回流焊加熱板2開關，回流焊加熱板2經(jīng)預熱后達到保溫溫度(由無鉛焊球材質(zhì)決定，溫度范圍在50~400°C，保溫時間在I~30s)。當溫度達到保溫區(qū)時，開啟超聲和直流電源8開關，在互連過程中開始施加超聲和磁場。加載超聲的時間一般為Hs，超聲頻率可調(diào)，范圍在20~65kHz ;加載磁場的時間為l~30s，磁場強度的范圍在0.1-40Το關閉回流焊加熱板2開關、超聲裝置開關、直流電源8開關完成再流焊過程。
[0016]需特別說明:本發(fā)明中要保證磁場線垂直于倒裝PCB組件6表面，并且磁場強度能夠滿足0.1~40Τ范圍內(nèi)變化。因此，一方面設計了 “山”形磁鐵3 (圖1)，磁阻相對于“柱”形磁芯磁阻小，磁場線容易約束，在相對較小的電流下就可產(chǎn)生足夠強度的磁場；另一方面，采用三明治結(jié)構(gòu)的回流焊加熱板(圖2)，控制其厚度在2~3mm?；亓骱讣訜岚屙攲訛楣饣娴膶峄?4,厚度可控在Imm內(nèi)；中間層為高溫加熱膜(云母片加熱膜)15,厚度可控在1_內(nèi)(溫度范圍在30~500°C);底層貼近磁芯材料，選擇具備隔熱材質(zhì)的隔熱基板16，厚度控制在Imm內(nèi)。此種加熱板制作簡單，加熱速率快，溫度可控，并且經(jīng)磁場線穿透后仍能夠滿足實驗要求。
【權(quán)利要求】
1.熱-超聲-電磁多場復合再流焊方法，其特征在于所述方法步驟如下: 第一步、放置PCB電路基板: 將印制電路板置于回流焊加熱板中間位置，回流焊加熱板下方放置磁場線垂直于倒裝PCB組件表面的“山”形磁鐵，在中間磁芯柱位置纏繞耐強電流的線圈； 第二步、拾取、對準芯片元件: 超聲觸頭通過精密光學的對準裝置拾取帶有焊球的芯片元件并與PCB電路板上的焊盤對準； 第三步、熱-超聲-磁場再流焊: 開啟回流焊加熱板，當回流焊加熱板溫度達到保溫區(qū)時，在互連過程中開始施加超聲和磁場，加載超聲的時間為I?5s,超聲頻率在20?65kHz,加載磁場的時間為I?30s,磁場強度的范圍在0.1?40T，完成再流焊過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱-超聲-電磁多場復合再流焊方法，其特征在于所述回流焊加熱板的保溫區(qū)溫度范圍在50?400°C，保溫時間在I?30s。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱-超聲-電磁多場復合再流焊方法，其特征在于所述線圈為紫銅線圈或超導材質(zhì)線圈。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱-超聲-電磁多場復合再流焊方法，其特征在于所述回流焊加熱板的厚度在2?3mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的熱-超聲-電磁多場復合再流焊方法，其特征在于所述回流焊加熱板為三層結(jié)構(gòu)，頂層為光滑面的導熱基板，中間層為高溫加熱膜，底層為隔熱基板。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熱-超聲-電磁多場復合再流焊方法，其特征在于所述頂層的厚度在Imm內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熱-超聲-電磁多場復合再流焊方法，其特征在于所述中間層的厚度在Imm內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熱-超聲-電磁多場復合再流焊方法，其特征在于所述高溫加熱膜為云母片加熱膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求5或8所述的熱-超聲-電磁多場復合再流焊方法，其特征在于所述高溫加熱膜的溫度范圍在30?500°C。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熱-超聲-電磁多場復合再流焊方法，其特征在于所述底層的厚度在Imm內(nèi)。
【文檔編號】B23K1/00GK103639558SQ201310672744
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月12日
【發(fā)明者】田艷紅, 劉寶磊, 孔令超 申請人:哈爾濱工業(yè)大學