專利名稱：在基板上分配焊料的方法和安裝半導(dǎo)體芯片的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一方面涉及在基板上分配焊料的方法，并且另一方面涉及在分配的焊料上安裝半導(dǎo)體芯片的方法。
背景技術(shù)：
這種焊接方法通常但并不唯一地用于將半導(dǎo)體芯片安裝在稱之為引線框架的金屬基板上。與利用粘合劑進(jìn)行安裝相比，功率半導(dǎo)體器件通常主要利用軟焊料與基板相連接，基板通常由銅組成，以便確保半導(dǎo)體芯片的熱損失通過焊接接頭更有效地散發(fā)。尤其是在功率密度增加的情況下，對焊接接頭的同質(zhì)性的要求較高，即，要求焊料層在整個芯片區(qū)域上有限定的厚度、均勻的分布和理想的浸濕以及完全沒有氣泡和焊接接頭的純度。另一方面，焊料必須不能橫向地滲出焊接間隙，并且不能緊接于半導(dǎo)體芯片散布，這就再次要求對焊料部分的精確定量和定位。
在安裝半導(dǎo)體芯片的領(lǐng)域中，在實際使用中廣泛應(yīng)用的一種方法是，將焊絲的端部接觸已被加熱至焊料熔化溫度以上的基板，以便熔化一部分焊絲。由于其簡便且靈活，這種方法一般非常適于大量生產(chǎn)。然而，所獲得的近似圓形的浸濕表面并不理想地適于矩形或方形的半導(dǎo)體芯片。此外，借助從美國專利US6, 056，184獲知的一種落料模(punchingdie)，可將沉積在基板上的焊料部分制成一種適于矩形半導(dǎo)體芯片的平坦形狀。還獲知的是，用寫頭(writing head)沿著特定路徑移動焊接金屬絲的端部，使得受熱的基板持續(xù)熔化焊料。焊料軌跡從而沉積在基板上。從US5，878，939獲知一種方法，其中可將液態(tài)焊料注射進(jìn)形成在成型模和基板之間的腔中。這些已知的方法具有幾個缺點?；蛘咚练e焊料的形狀為圓形，或者必須為每個矩形制出特定的落料模。這樣的落料模包括側(cè)壁，所述側(cè)壁將占據(jù)基板的一部分。因此，焊料不能被施加到芯片島的邊緣，所述芯片島容納半導(dǎo)體芯片。另外，基板必須被加熱到焊料的熔化溫度之上，并且所沉積的焊料從施加開始直到沉積到半導(dǎo)體芯片上必須保持在液態(tài)。另外的缺點是，必須定期地清洗與液態(tài)焊料相接觸的部位，為此目的就必須中斷生產(chǎn)。從美國專利US4，577，398和美國專利US4，709, 849中獲知一種方法，在該方法中預(yù)制由焊接金屬制成的扁平預(yù)成型坯(所謂的“焊料預(yù)成型坯”)，這種坯的尺寸適用于半導(dǎo)體芯片。焊料預(yù)成形坯隨后會被放置在基板上并且被基板熔化，以便形成具有所需尺寸的焊接層。由于對焊料預(yù)成型坯的必要預(yù)制以及額外的安裝操作，這種方法相對昂貴并且不靈活。從US2009145950獲知通過焊料分配器的寫頭引導(dǎo)焊絲的方法和裝置，當(dāng)施加焊料時，將焊絲與受熱的基板相接觸，使得焊料在焊絲的端部處熔化，并且寫頭沿著平行于基板的表面的預(yù)定路徑移動。焊料分配器以這種方式在基板上寫出焊料軌跡。這種方法中的缺點是，基板僅能被不充分地浸濕，而未預(yù)先清洗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是開發(fā)一種不再表現(xiàn)出上述缺點的用于對基板施加焊料的方法。根據(jù)本發(fā)明的在基板上分配焊料的方法包括如下步驟A)將基板加熱至位于焊料的熔化溫度以上的溫度；B)將至少一個焊料部分分配在基板的表面上；C)將引腳降低到焊料部分中，直到引腳接觸基板的表面為止；D)對引腳施加預(yù)定力，使得引腳壓靠基板；E)對引腳施加超聲，使得在引腳中產(chǎn)生超聲波，超聲波被取向成相對于基板的表面垂直或成角度；F)沿著預(yù)定路徑移動引腳，所述預(yù)定路徑延伸平行于基板的所述表面，以及·G)提升引腳，直到引腳從焊料部分分離為止。優(yōu)選地，該方法進(jìn)一步包括將引腳冷卻到如下溫度該溫度比焊料的熔化溫度低至少IOK并且位于焊料的固相線溫度之上?？商娲?，該方法進(jìn)一步包括在步驟C至F期間將引腳保持在如下溫度該溫度比焊料的熔化溫度低至少IOK并且位于焊料的固相線溫度之上。如果在步驟B中將焊料分配在基板上，則所述沿著預(yù)定路徑移動引腳包括至少部分地沿著基板場所(substrate place)的邊緣移動引腳,引腳的接觸表面伸到基板場所之外并且因此僅部分地接觸基板場所。在單個焊料部分被分配在基板場所上的情況下，引腳的直徑小于焊料部分的平均直徑。除上面描述的將焊料部分分配在基板上的步驟之外，在基板上安裝半導(dǎo)體芯片的方法另外包括將半導(dǎo)體芯片放置在焊料部分上。


合并到該說明書中并且構(gòu)成該說明書的一部分的附圖示出了本發(fā)明的一個或更多個實施例，并且與詳細(xì)描述一起用于解釋本發(fā)明的原理和實施。附圖不按比例。在附圖中圖1-4示出根據(jù)本發(fā)明的用于將焊料施加到基板的方法，并且圖5示出根據(jù)本發(fā)明的方法的特定實施例。
具體實施例方式在實踐中，半導(dǎo)體芯片需被焊接到基板上，基板的邊緣尺寸從亞毫米范圍達(dá)到厘米范圍。因此，根據(jù)本發(fā)明的方法以最適合于半導(dǎo)體芯片的大小和本申請所需的連接質(zhì)量的方式被實施。半導(dǎo)體芯片的安裝借助已知為軟焊料芯片焊接機的自動裝配機發(fā)生。將基板以周期方式供應(yīng)給分配站(dispensing station),然后供應(yīng)給結(jié)合站,其中焊料在分配站處被施加到基板，半導(dǎo)體芯片在結(jié)合站處被放置在焊料部分上。對于這兩個過程，將基板保持在位于焊料的熔化溫度之上的溫度并且通常在惰性氣體環(huán)境中。圖I至圖4示出根據(jù)本發(fā)明的用于將焊料施加到基板I的方法，該方法基于隨后將中等尺寸或大尺寸的半導(dǎo)體芯片放置在焊料上的實例。該方法包括如下操作
A)將基板I加熱至位于焊料的熔化溫度以上的溫度。B)將至少一個焊料部分3分配到基板I上。該步驟以已知的方式發(fā)生。圖IA(側(cè)視圖)和圖IB(俯視圖)示出了在該步驟之后的狀態(tài)。C)降低引腳5并將其浸到焊料中，引腳5的直徑小于焊料部分3的平均直徑D。引腳5將被降低直到引腳5的接觸表面6接觸基板I為止，并且施加力，使得引腳5壓靠基板
I。圖2中示出了在該步驟之后的狀態(tài)。引腳5被緊固到頭部4，一方面頭部4可提升且可降低并且能平行于基板I的表面2移動，并且另一方面頭部4被構(gòu)造成用以對引腳5施加超聲，使得在引腳5中產(chǎn)生通常被取向成相對于基板I的表面2垂直的超聲波。 D)對引腳5施加超聲。E)沿著預(yù)定路徑移動引腳5，所述預(yù)定路徑平行于基板I的表面2延伸。圖3示出該方法步驟。由引腳5中的超聲波所引起的振動方向用箭頭7指示。超聲將通過引腳5傳輸?shù)交錓上，并且通過空化現(xiàn)象使得破壞和除去形成在基板的表面2上的任何氧化層，從而改進(jìn)了應(yīng)當(dāng)被焊料覆蓋的表面的可濕性。在沿著預(yù)定路徑移動引腳5的同時，一方面基板I的表面2將如所描述的被局部清洗，并且待用焊料涂布的區(qū)域上的表面2的可濕性將被改進(jìn)，并且另一方面焊料被分布在該區(qū)域上。F)提升引腳5直到它從焊料部分3分離為止。圖4A(側(cè)視圖)和圖4B(俯視圖)示出了在該步驟之后的狀態(tài)。焊料部分3現(xiàn)在已經(jīng)均勻地分布在期望的區(qū)域上。步驟C)和步驟D)能夠交換。對引腳5施加超聲能夠在步驟F)之前或之后終止。通過所描述的方法在引腳5中所產(chǎn)生的超聲波是就引腳5的縱軸線而言的縱向超聲波，該縱向超聲波垂直于基板I的表面2延伸。超聲波的頻率優(yōu)選地位于40kHz至200kHz范圍內(nèi)，通常在大約60kHz。用超聲對基板I的處理局部地改進(jìn)了焊料被期望在其上的區(qū)域上的可濕性，從而減少了焊料的不良流出，這種不良流出在本領(lǐng)域中被稱為“焊料流跡”。優(yōu)選地，引腳5被取向成垂直于對象I的表面2 ;引腳5也可以相對于基板I的表面2以成角度的方式即在預(yù)定的角度下取向。因此，超聲波被取向成相對于基板I的表面2大體上垂直或至少成角度。根據(jù)預(yù)定分布改變超聲波的強度和頻率是可能的，具體地，能夠使用單獨的或幾個超聲脈沖。頭部4能夠裝在平衡架上和/或以彈性方式被保持，使得基板I的任何不平坦或傾斜能夠得到補償。將引腳5壓靠基板I的力比較低，因為超聲波所需的功率隨著增加的力而增加。該力能夠例如通過引腳5在頭部4上的彈性支承(resilient bearing)而產(chǎn)生。一旦已經(jīng)對基板I施加了焊料部分3，基板I將被傳送到結(jié)合站，在結(jié)合站處半導(dǎo)體芯片將被放置在焊料部分3上。經(jīng)本發(fā)明人研究已經(jīng)表明，在某些焊料中，在處理引腳5期間當(dāng)焊料的溫度位于其熔化溫度之下時是有利的。這尤其適用于在它們的熔化溫度下具有低粘性的焊料，低粘性導(dǎo)致如下后果在基板上分布焊料期間，會產(chǎn)生飛濺。因此，優(yōu)勢是在這樣的焊料中增加粘性。在這種情況下，根據(jù)下列變型中的一個有利地改進(jìn)根據(jù)本發(fā)明的方法
變型I在步驟B之后并且在步驟C之前降低基板I的溫度至如下水平位于熔化溫度之下至少幾開爾文例如IOk通常至少20K至30K或更多，但是位于焊料的固相線溫度之上。在步驟E或步驟F之后，基板I的溫度能夠再次增加到焊料的熔化溫度之上，以便其后將半導(dǎo)體芯片施加在結(jié)合站中。變型2將引腳5冷卻至如下溫度位于熔化溫度之下至少幾開爾文例如IOk通常至少20K至30K或更多，但是位于焊料的固相線溫度之上。對引腳5的冷卻確保在步驟C到步驟E期間引腳5從焊料部分3帶走熱量，使得在引腳5的環(huán)境中的焊料部分3的溫度至少局部地下降，并且因此增加焊料部分的粘性。即 使基板I被保持在位于焊料的熔化溫度范圍內(nèi)較高的溫度處，情況也是這樣。在許多應(yīng)用中，半導(dǎo)體芯片被安裝在基板場所8上，該基板場所的尺寸大約等于半導(dǎo)體芯片的尺寸。基板通常是所謂的引線框架。基板場所8經(jīng)由薄板(thin webs)(未示出)與引線框架的框架相連接。大部分情況是，焊料部分必須覆蓋整個基板場所8。為了該目的，有利的是，沿著路徑9移動引腳5，路徑9至少部分地沿著基板場所8的邊緣10引導(dǎo)并且被設(shè)置成使得引腳5的接觸表面6突出到邊緣10之外并且因此僅部分地接觸基板場所8。圖5中示出了這種情況。其中引腳5的接觸表面6突出到邊緣10之外的路徑9的一部分通過實心箭頭示出，并且路徑9的剩余部分通過虛線箭頭示出。在該實例中，路徑9最初從焊料部分3的中心引導(dǎo)至基板場所8的角部，然后沿著基板場所8的邊緣10引導(dǎo)，并且然后沿著布置在基板場所8的內(nèi)部中的路徑段引導(dǎo)。還能夠?qū)为毜穆窂蕉蔚捻樞蜃鞒霾煌倪x擇。路徑9在這里僅通過舉例方式示出；它還能夠由其它路徑段構(gòu)成。引腳5的接觸面積6在該實例中是方形的，但是它還能夠是矩形的或圓形的或具有任何其它所需的形狀。當(dāng)安裝相對較大的半導(dǎo)體芯片時，可能有利的是，將幾個焊料部分分配到基板上并且之后對焊料部分分布引腳。在這種情況下，引腳5的直徑也可以大于單獨的焊料部分的平均直徑。雖然已經(jīng)示出并且描述了本發(fā)明的實施例和應(yīng)用，但是，對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說將明顯的是，在不脫離此處的發(fā)明概念的情況下，具有比以上描述更多修改的本公開的有益效果是可能的。因此，本發(fā)明將不受到除所附權(quán)利要求和其等同物之外的限制。
權(quán)利要求
1.一種在基板上分配焊料的方法，所述方法包括 A)將基板(I)加熱至位于所述焊料的熔化溫度以上的溫度； B)在所述基板(I)的表面(2)上分配至少一個焊料部分(3)； C)將引腳(5)降低到所述焊料部分(3)中，直到所述引腳(5)接觸所述基板(I)的所述表面⑵為止； D)對所述引腳(5)施加預(yù)定力，使得所述引腳(5)壓靠所述基板(I)； E)對所述引腳(5)施加超聲，使得在所述引腳(5)中產(chǎn)生超聲波，所述超聲波被取向成相對于所述基板(I)的所述表面(2)垂直或成角度； F)沿著預(yù)定路徑(2)移動所述引腳(5)，所述預(yù)定路徑平行于所述基板(I)的所述表面(2)延伸；以及 G)提升所述引腳(5)，直到所述引腳(5)已經(jīng)從所述焊料部分(3)分離為止。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，進(jìn)一步包括將所述引腳(5)冷卻到比所述焊料的所述熔化溫度低至少IOK且位于所述焊料的固相線溫度以上的溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，進(jìn)一步包括在所述步驟C至所述步驟F期間將所述基板(I)保持在比所述焊料的所述熔化溫度低至少IOK且位于所述焊料的固相線溫度以上的溫度。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中在步驟B中將所述焊料分配在基板場所(8)上，并且其中所述沿著預(yù)定路徑(9)移動所述引腳(5)包括至少部分地沿著所述基板場所(8)的邊緣(10)移動所述引腳(5)，所述引腳(5)的接觸表面(6)突出到所述基板場所(8)之外并由此僅部分地接觸所述基板場所(8)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中在步驟B中將所述焊料分配在基板場所(8)上，并且其中所述沿著預(yù)定路徑(9)移動所述引腳(5)包括至少部分地沿著所述基板場所(8)的邊緣(10)移動所述引腳(5)，所述引腳(5)的接觸表面(6)突出到所述基板場所(8)之外并由此僅部分地接觸所述基板場所(8)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中在步驟B中將所述焊料分配在基板場所(8)上，并且其中所述沿著預(yù)定路徑(9)移動所述引腳(5)包括至少部分地沿著所述基板場所(8)的邊緣(10)移動所述引腳(5)，所述引腳(5)的接觸表面(6)突出到所述基板場所(8)之外并由此僅部分地接觸所述基板場所(8)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中在單個焊料部分的情況下，所述引腳(5)的直徑小于所述焊料部分(3)的平均直徑。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中在單個焊料部分的情況下，所述引腳(5)的直徑小于所述焊料部分(3)的平均直徑。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中在單個焊料部分的情況下，所述引腳(5)的直徑小于所述焊料部分(3)的平均直徑。
10.一種在基板上安裝半導(dǎo)體芯片的方法，所述方法包括 根據(jù)權(quán)利要求I至9中任一項在所述基板(I)上分配焊料部分(3);以及 將半導(dǎo)體芯片放置在所述焊料部分(3)上。
全文摘要
本發(fā)明涉及在基板上分配焊料的方法和安裝半導(dǎo)體芯片的方法。將基板(1)加熱至位于焊料的熔化溫度以上的溫度，并且施加焊料部分(3)。其后，將引腳(5)浸在焊料部分(3)中，直到引腳(5)接觸焊料部分(3)并且壓靠基板(1)為止。讓引腳(5)經(jīng)受超聲，使得在引腳(5)中產(chǎn)生超聲波，超聲波被取向成相對于基板(1)的表面(2)垂直或成角度，然后沿著預(yù)定路徑移動引腳(5)以便分布焊料。用超聲進(jìn)行處理局部地改進(jìn)了基板(1)的可濕性。引腳(5)的溫度優(yōu)選低于焊料的熔化溫度。
文檔編號H01L21/607GK102800603SQ20121015224
公開日2012年11月28日 申請日期2012年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月23日
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