专利名称：焊剂配方及相应的焊接方法
技术领域：
本发明涉及一种焊剂的配方及相应的焊接方法，如将半导体芯片或芯片载体组件焊接到印刷电路板的方法。
在将电子元件装配到印刷电路卡和印刷电路板(下文通称印刷电路板或PCB)所用的工艺过程中，焊剂起着一种重要作用。例如，一种半导体集成电路器件(下文称半导体芯片，或简称芯片)直接装配到PCB上的方法，例如是在带有电路的芯片表面上的接触焊盘上形成焊料层，或焊料球。在PCB上的对应接触焊盘上也形成此种焊料层。然后将焊剂涂到芯片上的焊层上和/或涂到PCB上的对应接触焊盘和/或对相的焊层上，以除掉可能在焊层和接触焊盘上已形成的氧化层并达到接触焊盘被焊层完全浸润。然后，让含电路的芯片表面面对PCB，使芯片上的焊球与PCB上的对应接触焊盘或焊球接触，加热所得组合物，以便熔化因而回流芯片和/或PCB上的焊球。在冷却再固化后，一般用封装材料如环氧树脂灌封所得的芯片和PCB之间焊料连接点，以缓解可能由PCB和芯片间的热膨胀系数(CTE)之差所引起的应变。
按一种类似于上述的方式，将一承载半导体芯片(下文称芯片载体组件或只称组件)的组件，如有机组件或陶瓷组件装配到PCB上的方法包括在组件不含芯片的表面的接触焊盘上形成如网印焊料层。将焊剂涂到组件上的焊料层上，和/或涂到PCB上的对相接触焊盘和/或对相焊料层上。然后，将组件的不含芯片的表面面对PCB，使组件上的焊球与PCB上的对应接触焊盘和焊球接解，加热所得组合体，以便熔化并回流芯片和PCB上的焊料层。一般，组件和PCB间的热膨胀系数(CTE)之差的幅度是比较小的，所以所得的组件与PCB间的焊点无需用封装材料灌封。
如果合用的组件具有从组件的不含芯片的表面伸出的导电针脚，例如首先将组件放在印刷电路板的顶表面(含电路)，将导电针脚插入对应的镀铜的通孔(PTH)，穿过PCB的厚度。然后，将PCB和组件放到传送带上，让PCB和组件通过焊剂射流或焊剂喷洒器，使液体焊剂喷射到PCB的底表面上和通孔内。焊剂被吸到通孔内，就这样将焊剂涂到通孔的内壁和伸入通孔内的针脚。然后，传送带使PCB和组件通过焊料射流，使液体焊料喷射到PCB的底表和通孔之内。液体焊料也被吸到通孔内，填入通孔，当冷却、固化后，将针脚包封在通孔内。
上述的芯片装配和组件装配工艺过程的最重要环节之一是焊剂的选取。即，如上所述，焊剂的作用在于除掉可能在焊料层、接触焊盘上，针脚上或通孔内形成的任何氧化层，并增加接触焊盘被焊球的浸润。在大多数的情况下，在焊接工艺完成时，使用普通的现有的焊剂导致离子残渣留在焊区、接触焊盘、针脚或通孔上。这类离子残渣是有害的，因为这些残渣会引发电路的锈蚀和短路。所以，倘若形成，必须除掉这类离子残渣，如在完成焊接工艺后，用水清洗。
在芯片和PCB之间或在无脚组件和PCB之间所形成的焊料连接，如上所述，其高度较小，如4密耳，因而芯片或无脚组件与其PCB之间的间隔是应相的小。这是值得注意的，因为这暗示着，在完成焊接工艺后，从焊区和/或接触焊盘上清洗掉任何离子残渣，若非不可能，也是很困难的。此外，在插脚组件的情况下，当相当的离子残渣容易用水清洗时，人们必须应付由所得的污染的水所造成的对环境的公害。
值得注意，从事开发将芯片和组件装配到PCB上的焊剂和焊接工艺的技术人员曾设想，至今进展甚微，在完成相应的焊接工艺时，在焊区、接触焊盘、针脚或通孔上基本不留离子残渣的焊剂。
本发明包括一种新的焊剂配方，在将电子元件，诸如芯片和芯片载体组件装配到PCB上所用的常规焊接工艺完成时，基本上不留离子残渣。值得注意，该配方包括庚二酸(HOOC(CM2)5CO6H)作为主要活性组分，即作为主要焊剂。此外，该配方包括两种有机溶剂第一种有机溶剂的挥发温度较低，如82.4℃，最好是异丙醇(异丙基醇类)。第二种有机溶剂的挥发温度较高，如约170℃，最好是丙二醇单丁基醚(亦称N—丁基丙烯甘醇酰)。虽然不是必要的，但配方最好还包括比较少量的水，最好是去离子水。
本发明还包括新焊剂配方在把诸如芯片、芯片载体组件、电阻、电容等电子元件装配到PCB上所用的焊接工艺中的应用。
参照唯一的未按比例绘制附图，称为
图1，描述本发明，为方便起见，绘出根据本发明的包括按俗称的倒扣结构将一半导体芯中装配到PCB上的工艺步骤。
本发明包括一种新的焊剂配方，在将电子元件装配到PCB上所用的常规焊接工艺完成后，基本上不留离子残渣。因而，在焊接工艺完成时，无需用水清洗这类离子残渣，也就无需应付由离子残渣所污染的水所造成的对环境之公害。
本发明还包括新焊剂配方在把芯片、芯片载体组件、电阻、电容等电子元件装置到PCB上所用的焊接工艺中的应用。
值得注意，新焊剂配方包括庚二酸(HOOC(CH2)5COOH)作为主要的活化组分，即作为主要焊剂。(应该指出，在室温下庚二酸是固体，其熔化温度大约是105℃)此外，该新的焊剂配方还包括两种有机溶剂，第一种溶剂挥发温度比较低，如82.4℃，而第二种溶剂挥发温度比较高，如170℃。虽然不是必不可少的，新焊剂配方最好还包括比较少量的水，最好是去离子水。应予指出，庚二酸、第二有机溶剂和水是溶于第一有机溶剂的。
第一有机溶剂最好是异丙醇(异丙基醇类其挥发温度为82.4℃。合用的异丙醇的替代物包括n—丙烯和苄基醇。如上所述庚二酸、第二有机溶剂(下面描述)。和水(若有的话)是溶于第一有机溶剂的。
第二种有机溶剂最好是丙二醇单丁基醚(亦称N—丁基丙烯甘醇醚)，其挥发温度大约170℃。丙二醇单丁基醚的合用替代物包括丙二醇单丙基醚和二甘醇单乙基醚，应予指出，当在下述的焊接工艺过程中第一种有机溶剂挥发时，则庚二酸(及水，若有的话)基本上溶于第二有机溶剂，直至在焊接工艺中第二有机溶剂挥发掉。
本发明的焊剂配方中的庚二酸的相对量大约在1wt％～6wt％的范围。若本发明的焊剂配方是比如用于半导体芯与PCB的焊接，则庚二酸的相对量最好是4.5wt％。庚二酸小于1wt％的相对量是不好的，因为这可以导致不充分的和/或不适当的焊剂作用，即除掉氧化层不充分和/或不适当和焊料表面张力减小得不充分。庚二酸的相对量大于6wt％也是不好的，因为这可导致，在常规焊接工艺完成后留下大量的有害的残渣。
第一有机溶剂，如异丙醇，在本发明中的相对量在大约25wt％～75wt％的范围。若本发明的焊剂配方是，比如用于半导体对PCB的焊接中，则第一有机溶剂的相对量最好是70.9wt％。
第一有机溶剂的相对量小于25wt％是不好的，因为相应的焊剂配方可能不是单相系，使用这些配方可能导致庚二酸的不良的非均匀分布。第一有机溶剂的相对量大于75wt％也是不好的，因为庚二酸的相应浓度已低得不可接受，因而相应的焊剂反应不充分。
第二种有机溶液，如丙二醇单丁基醚在本发明的焊剂配方中相对量大约在10wt％～35wt％的范围。若本发明的焊剂配方是，比如用于半导体芯对PCB的焊接，则第二有机溶剂的相对量最好是23.6wt％。第二有机溶剂的相对量小于10wt％是不好的，因为庚二酸有从溶液中脱溶的趋势，导致庚二酸不良的非均匀分布。第二有机溶剂的相对量大于35wt％也不好，因为庚二酸的相应浓度已低得不可接受，而相应的焊剂反应也不充分。
水，若用的话，在本发明的焊剂配方中的相对量在大约0％～2wt％的范围。水的作用，若用的话，在于提供带正电的离子，以加速起初的庚二酸的焊剂反应。若本发明的焊剂配方是，比如用于半导体对PCB的焊接，水的相对量最好是0.9wt％。水的相对量大于2是不好的，因为这会大大增加使用本发明的焊剂配方留下离子的可能性。
举例来说，将4.8g的庚二酸、25g的丙二醇单丁基醚和1.0g的去离子水溶于75g的异丙醇中容易形成本发明的焊剂配方的一个用于半导体对PCB焊接的实施例。
如上所述，本发明不仅包括新的焊剂配方本身，而且包括将新焊剂配方应于将电子元件装配到PCB上所用的焊接工艺。例如，在将半导体元件10(参见图1(a))，按俗称的倒扣芯片结构装配到PCB50(参见图1(b))芯片结构10的含电路的表面20上为焊料层，即焊料球40设置了接触焊盘30。这些焊料层40所具有的组分包括，比如，90at％的铅(Pb)和10at％的锡(Sn)。值得注意，这种焊料层的熔化温度为281℃，在下述的焊接工艺过程中不熔化。
如图1(b)所示，在芯片10焊到PCB 50之前，在PCB 50的含有电路的表面60上为比较小的焊料层，即比较小的焊料球80设置了接触焊盘70。这些较小的焊料层80通过移画印花图案容易转移到堆放在接触焊盘70上。与芯片10所用焊料层40相对照，焊料层80所具有的组分包括37at％的Pb和63at％的Sn。这些焊料层80的熔化温度为183℃，在下述的焊接工艺过程中不熔化。
在芯片10对PCB 50焊接之前，将本发明的焊剂配方涂到焊料层80和/或焊料层40，和/或PCB 50上的接触焊盘70，和/或芯片10上的接触焊盘30上。这一点，比如使用一喷射器或一毛刷均容易做到。
将本发明的焊剂配方涂在有关的焊料区和/或接触焊盘上，如图1(c)所绘，使芯片10与PCB相对放置，以使焊料层40与焊料层80接触。所以，这些接合的焊料层实质上已从芯片的接触焊盘30延伸到PCB的接触焊盘70。
当焊料层40和80相互接触时，将芯片10/PCB 50组合体放入，比如烘箱内加热，在加热过程中，烘箱的温度先升至约183℃，随后升至250℃。然后使烘箱温度下降至183℃，之后再降至室温。因此，焊料层80经受熔化并在焊料层40周围流动，在芯片10和印刷电路板50之间形成连续的冶金和电学的连接。然而清除这些连续的连接将是极为困难的，或许甚至是不可能的，没有必要做这样的清除，因为在完成焊接工艺时，基本上没有离子残渣留下。
在完成上述的焊接工艺时，最好用常规的技术，将PCB 50和芯片10间的连续焊料连接包封在环氧树脂内。
若待装配到PCB上的电学元件，比如是个(无脚)芯片载体组件，含有至少一个半导体芯片，那么该组件很容易通过网印焊料层，装配到组件的无芯片的表面上的接触焊盘上。然后，将本发明的焊剂配方用一比如喷洒器或一毛刷涂到焊料层和/或组件接触焊盘和/或PCB接触焊盘上。然后，将组件与PCB相对放置，使组件接触焊盘的焊料层与PCB接触焊盘的焊料层接触。这样，这些接合的焊料层基本上从组件接触焊盘伸展到PCB接触焊盘。然后让组件焊料层接触PCB焊料层，比如在烘箱中加热组件/PCB组合体，以熔化组件焊料层和/或PCB焊料层。
与上述对照，若待装配到PCB上的电子元件，比如说是一插脚芯片载体组件，含有至少一个半导体芯，首先将本发明焊剂配方涂到组件针脚和/或PCB内对应通孔的内壁上，则容易装配该组件。这一点，在组件针脚插入通孔之前、在组件针脚插入通孔之时，或在组件针脚插入通孔之后，均容易作到。最好，在将组件针脚插入通孔之后，比如通过把组件/PCB组合体放在传送带上，让组合体通过焊剂射流或焊剂喷洒器来实现这一点。这种焊剂射流或焊剂喷洒器使本发明的焊剂配方喷射到PCB的底表面上及通孔内。射上的焊剂被吸到通孔之内，这样就使本发明的焊剂配方涂到通孔的内壁及组件的针脚上。然后，最好用传送带使组件/PCB组合件通过焊料射流。将流体焊料射到PCB的底表面及通孔之内。该液体焊料也被吸入通孔，填充通孔，在冷却和固化后，使针脚包封在通孔之内。
若待装配到PCB上的电子元件，比如是分离的无源电子元件，如电阻或电容，针脚代之以引线，则这种电子元件容易用与插脚芯片载体组件所用的工序几乎相同工序装配。唯一的差别在于，分离无源电子元件的引线不放在通孔之内。而是使这些引线放在通孔附近，如使这些引线与通孔周围的焊区接触。因而，当元件/PCB组合体通过焊剂射流或焊剂喷洒器时，本发明的焊剂配方被吸到通孔内，引线上及引线的底部。类似地，当元件/PCB组合体通过焊料射流、液体焊料被吸到通孔之内，通孔四周的焊区及引线的底部。
虽然参照优选实施例具体地表明和描述了本发明，但对本领域的技求人员应当明了，在脱离本发明的精神和范畴的前提下，可以做出各式各样的形式上的和细节上的变化。
权利要求
1.一种焊剂配方，包括庚二酸；以及第一和第二有机溶剂，所说的第二有机溶剂比第一有机溶剂的挥发温度高，所说的庚二酸和所说的第二有机溶剂溶于所说的第一有机溶剂。
2.权利要求1的焊剂配方，其特征在于，还包括水。
3.权利要求2的焊剂配方，其特征在于，所说的水是去离子水。
4.权利要求1的焊剂配方，其特征在于，所说的第一有机溶剂包括异丙醇。
5.权利要求1的焊剂配方，其特征在于，所说的第一有机溶剂包括n—丙醇。
6.权利要求1的焊剂配方，其特征在于，所说的第一有机溶剂包括苄基醇。
7.权利要求1的焊剂配方，其特征在于，所说的第二有机溶剂包括丙二醇单丁基醚。
8.权利要求1的焊剂配方，其特征在于，所说的第二有机溶剂包括丙二醇单丙基醚。
9.权利要求1的焊剂配方，其特征在于，所说的第二有机溶剂包括二甘醇单乙基醚。
10.权利要求1的焊剂配方，其特征在于，所说的庚二酸的相对量大约在1wt％～6wt％。
11.权利要求1的焊剂配方，其特征在于，所说的第一有机溶剂相对量大约在25wt％～75wt％。
12.权利要求1的焊剂配方，其特征在于，所说的第二有机溶剂相对量大约在10wt％～35wt％。
13.权利要求1的焊剂配方，其特征在于，所说的水的相对量小于或等于2wt％。
14.一种将电子元件装配到印刷电路板的方法，其中的电子元件包括含有表面的元件接触焊盘，其中的印刷电路板包括与所说的元件接触焊盘相对应的含表面的板接触焊盘，所说的元件接触焊盘和/或板接触焊盘支撑焊料层，该方法包下列步骤将焊剂配方涂在所说的焊料层和/或所说的元件接触焊盘和/或所说的板接触焊盘上，所说的焊剂配方包括庚二酸和第一、第二有机溶剂，所说的第二有机溶剂比第一有机溶剂的挥发温度高，而所说的庚二酸和所说的第二有机溶剂溶于所说的第一有机溶剂；使所说的电子元件与所说的印刷电路板相对而放置，以使焊料层基本上从所说的元件接触焊盘延展到板的接触焊盘；以及加热，以及所说的焊料层的至少某些部位熔化和回流。
15.权利要求14的方法，其特征在于，所说的焊剂配方还包括水。
16.权利要求14的方法，其特征在于，所说的方法还包括将所说的焊料层包封在灌封剂内。
17.权利要求14的方法，其特征在于，所说的电子元件是一半导体芯片。
18.权利要求14的方法，其特征在于，所说的电子元件是含有至少一半导体芯片的芯片载体组件。在所说的涂焊剂之前，当中或之后，将所说的电子元件放在所说的印刷电路板的第一表面附近，以使所说的导电部件延展到，或放在所说的电镀通孔之内或附近；以及将液体焊料喷射到所说的印刷电路板的第二表面上及所说的电镀通孔之内，因此所说的液体焊料从所说的第二表面经所说的电镀通孔流向所说的第一表面，接触到所说的导电部件。
20.权利要求19的方法，其特征在于，所说的焊剂配方还包括水。
21.权利要求19的方法，其特征在于，所说的电子元件是带有至少一半导体芯片的芯片载体组件及所说的导电部件是导电针脚。
22.权利要求19的方法，其特征在于，所说的电子元件是分离的无源电子元件，而所说的导电部件是导电引线。
23.权利要求22的方法，其特征在于，所说的分离无源电子元件包括电阻。
24.权利要求22的方法，其特征在于，所说的分离无源电子元件包括电容。
全文摘要
公开一种新的焊剂配方及相应的将电子元件焊接到印刷电路板的方法。该新的焊剂配方包括庚二酸和两种有机溶剂。值得注意，在电子元件装、配到印刷电路板上所用的焊接工艺完成后，该新的焊剂配方基本上不留下离子残渣。
文档编号H05K3/34GK1122738SQ9510423
公开日1996年5月22日 申请日期1995年4月26日 优先权日1994年5月31日
发明者罗伊·莱昂·阿尔德, 苏珊·汉奇尔卡·道尼, 哈利·詹姆斯·高登, 伊萨·塞义德·穆哈穆德, 克莱门·阿丁杜·奥科罗, 詹姆斯·斯帕利克 申请人:国际商业机器公司