专利名称：经过改进的用于分配焊料的装置和方法
技术领域：
本发明涉及电子工业的模片结合技术。特别是涉及软焊料线分配器及其使用方法。
在美国专利5,878,939中，公开了一种通过在分配装置内将固体材料加热到液体状态的位置稳定的温度转换。液体焊料然后被喷入限定了液体焊料浸湿的表面的模具空腔。然而，在分配设备内的焊料材料的熔化需要提供适合的结构，以直到分配开始为止保持液体焊料。为了这个目的，公开了细小和狭窄的出口。然而，这个复杂设计需要精确的加工，从而增加了设备的加工成本。此外，为了保持液体分配设备所需的适当温度，需要复杂的加热和冷却系统，因而进一步增加了成本。
发明内容
因此，本发明在一个方面提供了一种用于将焊料准确地分配到基底的指定表面上的装置。焊料直接从固体线或杆分配。该装置包括带有输送通道并由降低机构控制的分配部件。输送通道包括供固体焊料通过的接收端和焊料固体从其分配的分配端。分配端将固体焊料直接引导到指定表面，并具有向指定表面固定的定位设备。定位设备包括连接到后开口的前空腔。空腔具有带有边的前开口，这个边用于在分配操作中和指定表面直接接触，以形成封闭的空腔。后开口将定位设备连接到所述分配部件的分配端，这样在分配操作过程中，焊料固体可以从输送通道经过空腔分配并分配到指定表面上。分配部件保持在低于焊料材料的熔化温度的温度，这样焊料材料直到和指定表面接触前保持为固体状态。
在另一方面，根据本发明的方法包括将基底加热到等于或高于焊料材料的熔化温度的温度。固体焊料线或杆的顶端然后直接由定位设备在需要液体焊料点的指定表面上定位。焊料线然后被向前推进，直到它和加热的指定表面直接接触。热量熔化了焊料线，并且通过使用定位设备，液体焊料在指定表面的一个预定区域和预定位置上形成了一个点。前开口的边和空腔在指定表面上方形成了密封区域。液体焊料的体积由线的推进距离控制。当分配部件和定位设备被抬起时，预定体积的点不受干扰，并保持在预定位置。
在较佳实施例中，上述装置和方法被应用到用来将模片固定到基底的软焊料模片结合中，这里的基底例如是电子工业中的用于集成电路(IC)芯片的引导架。在这个过程中，引导架在炉内被加热到高于焊料材料的熔化温度的温度。然而，焊料线本身保持为固体状态，直到被分配到引导架的指定表面上并和其有直接接触为止。本发明还提供了一个校正系统，以将定位设备的前开口的边定位在指定位置上。固体焊料线的顶端然后被推进，直到和引导架有直接接触并熔化成液体点为止。这个点再次被限定在由空腔的前开口密封的指定表面内。分配部件和定位设备然后被移开，而不会干扰点。在被冷却以和引导架结合之前，模片或芯片然后被直接放置在焊料点上。这种方法的优点在于本发明的装置所需的加工简单，而同样能达到定位精度(这是用于改进模片固定质量的主要先决条件)。此外，焊料点的小表面面积使本技术对环境的敏感程度，例如暴露在会导致形成氧化层的大气中的氧气，以及导致金属间相生长的引导架的连接，达到最小。
图2A显示了根据本发明的一个较佳实施例的连接到校正机构和定位设备的分配部件的纵向剖面。
图2B是和图2A同样的结构但是通过线B-B剖切的剖视图。
图2C是根据较佳实施例的分配部件的纵向剖视图。还显示了接收端(c44a)、配合区(c44c)和分配端(c44b)的横向剖视图。
图2D是较佳实施例的沿线A-A的剖视图。
图2E是较佳实施例中安装支架、校正块、定位设备、设备架和分配部件的分配端的分解图。
图3是根据本发明的软焊料分配系统的示意图。
图4是根据本发明的另一个实施例的分配和定位装置的示意剖视图。
图5A是根据本发明的又一个实施例的分配部件和定位设备的纵向剖视图。
图5B是和图5A所示的同一个实施例的剖视图，只是剖切是从图5A旋转90度的纵向平面进行的。
图6A和图6B分别显示了固定到分配工具的其侧壁位于完全伸展和完全收缩位置的定位设备的放大视图。
图7A显示了本发明的又一个实施例的剖视图。
图7B是图7A所示实施例沿线W-W的剖视图。
图7C是图7A中圆Y所示的区域的放大视图。
具体实施例方式
在下面的论述中，以及在权利要求中，“包括”、“具有”和“由......组成”的词语是以开放形式使用的，因此应当被认为是“包括但不局限于......”的意思。基底指的是在其上可以施加焊料点的任何物体。特别的例子包括在电子工业中的支持结构，例如用于IC设备的金属引导架。
首先参考
图1，本发明提供了输送机构22和分配机构24。分配机构包括一个分配工具26和定位工具30。分配工具26更适宜于是一个伸长的喷嘴的形状，其中提供有通道28。它具有一个接收端26a和一个分配端26b。定位工具30连接到分配端26b。来自线轴34的一根焊料线32通过输送机构穿入分配工具的接收端。输送机构包括一组连接到电机(未示出)的推进滚轮38，和一组连接到编码器(未示出)的编码器滚轮36。
现在参考图2A至图2E，本发明的特定较佳实施例包括连接到一个分配部件44的一个校正机构42。分配部件44是一个包括轴向设置的狭窄通道46的一个伸长杆。它可以被分为接收端44a、分配端44b以及位于它们之间的配合区44c。在较佳实施例中，接收端c44a和分配端c44b的横向剖面形状是圆柱形，而配合区c44c的形状为非圆柱形，其一个轴的长度L1大于垂直轴的长度L2。L1还等于分配部件在接收端的外径。
校正机构42包括一个连接到块支架60的校正块48。在所示的较佳实施例中，校正块48是带有圆角48a的六面体。提供了其直径等于长度L1的Z轴通道50，以通过其纵向接收分配部件。在横穿Z轴通道50提供了带有入口52a和出口52b的十字通道52。入口52a包括一个螺纹轴环52c。块支架60包括分开的两部分，这两部分可以用螺丝或者其它可以用来自动夹紧的安装设备将它们紧紧夹紧并放置到校正块48上。块支架60还包括一组支柱62，每一个支柱62具有面向支架中心的光滑弓形表面62a。光滑弓形表面62a被制造成和块支架60的圆角配合的形状，这样当块支架不是紧固地螺纹连接在校正块上时在它们之间可以有滑动。当螺纹紧固时，支柱62防止在分配部件和块支架之间有进一步的移动。
定位设备70包括一个后开口70b和带有一个前开口70a的空腔72。在特定较佳实施例中，空腔72通过一个连接通道74连接到后开口70b(见图2E)，并且使用安装支架76和设备架78刚性地固定在分配部件的分配端46a上。空腔72最好是半圆弧形，前开口70a为平面圆形。
分配部件44、校正块48和安装支架76在实心黑色楔形90所示的位置通过铜焊被永久地固定在一起。这些焊接接头最好是不漏气的。两个狭窄的通风管道84a和84b(见图2D)在装配时产生。进气管道84a连接到十字通道52的入口侧52a，排气管道84b连接到十字通道52的出口侧52b。进气管道84a和排气管道84b通过在安装支架76的前端内产生的通道79连接。这个通道是由配合区和分配区之间的横截面形状的差异而产生的。设备架78的后端78b是内螺纹，而安装支架76的前端76a是外螺纹，这样允许设备架78固定在安装支架上。设备架的前端78a还包含一个定位设备70通过其延伸的开口78c。在装配过程中最好在安装支架76和定位设备之间插入一个超程弹簧82。这一设计允许定位设备可以方便地拆卸。结果，很容易地更换例如具有不同尺寸空腔的相似的定位设备变得可能，这样可以在没有进一步修改的情况下用同样的设备容易地制造出用于不同情况的不同尺寸的焊料点。
在焊料分配操作开始之前，操作员可以调整分配部件44和定位设备70的校正，这样定位设备的前开口70a的边和焊料在其上分配的基底表面形成了焊料液体密封。这是通过首先将定位设备紧固在分配部件之上以形成一个刚性结构完成的。下压校正块上的支柱62的弹簧64通过手动或者自动系统被松开。这允许校正块(也就是包括分配部件和定位设备)在块支架60的支柱内自由移动。同时，装配部分被降低到基底上，这样定位设备的前开口70a沿着基底表面被弄平。为了在剩下的操作中以该角度保持定位设备，然后将弹簧再次固紧，以防止校正块的进一步移动。
焊料液体密封涉及在定位设备的前开口和指定表面之间非常临近，这样在焊料被熔化和在空腔内所需体积内形成的短暂时期内，出现了最小的液体焊料的扩散，并且当定位设备移开时，形成了预定位置的预定体积的焊料点。在其他参数中，前开口的边和指定表面之间的间隙取决于空腔内表面、指定表面和焊料材料的湿润特性。作为非限制的示例，对于在铜表面上形成铅焊料点并且在空腔内依然保持焊料液体密封，这个间隙可能是5-10μm。
在操作过程中，焊料线(为了方便展示未示出)被送入分配部件44的通道46。通过入口52a泵入装置的冷却空气使焊料线保持在低于其熔化温度的温度。冷却空气通过十字通道52的入口侧52a被压入。该冷却空气沿着进气通道84a朝分配部件44的分配端向下运动。该气体然后通过空间79压入并进入排气通道84b，在排气通道84b中它向下运动并沿着十字通道52的出口52b释放。
定位设备被降低到加热的基底上的指定位置上，这样前开口70a的平面圆边和基底平面形成了焊料液体密封。超程弹簧82允许定位设备在没有刮擦或损坏的情况下弹性地和紧密地邻接在指定表面上。焊料线的顶端然后通过定位设备的连接通道74被推进到空腔72，并最终和基底表面直接接触。来自基底的热量被传导到线的端部，使焊料线熔化，产生一小滴或一点液体焊料。所需总量的线然后由输送机构向下传送到基底上。熔化后的液体焊料限定在分配工具的空腔72内，并且一旦熔化了足够焊料，线和定位工具被抬起，而不干扰点的位置。因此，液体焊料的点的位置和体积得到了控制。
图3显示了本发明是如何应用到将软焊料分配到用于IC设备或数字集成电路元件的引导架，例如，将富铅焊料分配在裸铜引导架上。在这个实施例中，带有软焊料分配位置90a、结合位置90b和标定性能的炉90设置在分配站92的下方。该站具有支持台94。一个分配臂96可滑动地安装在支持台94上，它可以在Z方向移动。也可以通过在支持台94下方提供的X-Y毫米台在X和Y方向手动调节定位设备70相对于基底的位置。为了处理矩阵应用和/或多片应用，这两个轴都可以机械化，这里为了到达不同的分配位置，组件的自动化的X/Y移动是必要的。包括分配部件44、校正块48和定位设备70的分配装置通过使用一对夹具98被安装在分配臂96上。输送机构91包括带有滚轮100的电机、编码器102和用来检测是否有线的传感器(未示出)。输送机构91和焊料线轴106上的焊料线104相互作用，以进行线的分配。
在上一个实施例中，首先校正装置，这样定位设备能和下方的基底形成焊料液体密封。操作员然后紧固分配臂96和校正块48之间的安装装置，这可以通过手动或使用相应软件和控制系统来进行。焊料线104在电机滚轮100之间输送，并随着滚轮向前滚动而推进。编码器102检查线的实际推进距离。这产生一个用于输送正确数量焊料的闭环调节机构。然后使用传感器检测线的存在，这是由软件来实现的，从而能够实现完全自动化的输送过程。引导架被传送进炉90，并向分配位置90a引导。定位设备70然后被降低到指定表面上，以形成液体紧固密封。线然后被继续推进，直到和加热的引导架具有直接接触并且正确数量的线已经向下传送为止，这样在定位设备的空腔内形成了一个液体焊料点。分配装置然后被抬起，引导架被指引向下一个位置。当引导架到达结合位置时，一个模片放置在每一个焊料点上。由于本机器的能够准确定位各个焊料点的能力，在不需要复杂视觉和位置控制的情况下将模片精确地放置在焊料点的上端变得可能。结果，和标准线分配技术相比，本方法形成了模片固定层(模片倾斜)的分布不均匀性更低的焊料结合技术。
在如图4所示的本发明的一个可替换的实施例中，分配部件和定位设备形成了一个单独部件。该分配和定位装置的单独部件可以像图4所示的圆柱形118一样简单，它带有一个适于和指定表面形成焊料液体密封的分配端120。在此实施例中，分配部件是圆柱的接收端122，定位设备是圆柱的分配端120。分配通道124具有一个扩大的内径，它可以延伸所有向下到圆柱的分配端的通路。因此，通道124的接收端124a相当于图2C所示的通道46，通道124的分配端124b相当于图2E中的空腔72a。在图4中，还显示了焊料点126，以展示此实施例可以如何操作。
现在参考图5A和图5B，本发明的一个进一步的实施例包括和自校正机构一起提供的定位设备，这样在前面实施例说明的预操作校正将变得不必要。在此实施例中，分配部件140提供有具有入口142和出口(未示出)以及固体焊料通过其分配的通道146的气体流通系统。还参考图6A和图6B，定位设备148连接到分配部件140。分配部件中的连接元件是短喷嘴150的形式，它的一个轴向通道152连接到分配部件的通道146。在此实施例中，短喷嘴150永久地连接到分配部件的下端部分140a。分配部件140的下端部分140a通过螺母140b螺纹连接在上端部分上，以和不同的定位设备方便互换。
再次参考图6A和图6B，在定位设备148中提供了侧壁154，侧壁154用于和短喷嘴150相互作用，以定义其中的空腔156。侧壁在一端(被称为配合端)提供有一个凸缘154a，在另一端(被称为密封端)提供有一个直边154b。一个螺旋弹簧158共轴地安装在短喷嘴150的外部，并向侧壁施加一个向下的推力。在没有任何压力的情况下，弹簧158使侧壁保持为完全伸展的位置。在分配操作中，降低机构将装置降低到引导架上。随着侧壁的边154b压向引导架，压力(图6B中箭头160所示)推动弹簧158，使侧壁缩进。侧壁的不同部分的缩进量取决于侧壁相对于引导架的校正。因此，即使定位设备和引导架以倾斜角度接触，侧壁和引导架接触的部分首先自动使整个侧壁进行枢轴移动，直到达到了良好的校正为止。
此外，根据向下移动的距离，这将相应减小空腔156的高度。在较佳实施例中，喷嘴150的端部被放大，以形成突出表面150b，衬垫150a在其下延伸。突出表面可以用来提供附加和可选的冲压功能。在此方法中，焊料点首先被分配到引导架的指定表面上，并位于空腔156产生的包围之内。空腔的高度由处于完全或部分伸展位置的侧壁所决定。定位设备然后被下压，这样侧壁进一步缩进，喷嘴的突出表面压在包围的空腔内部的液体焊料点上，使液体焊料形成焊料图案。可以提供衬垫150a以使空腔的高度(也就是所需图案的高度)最小。
图7A至图7C显示了本发明的一个进一步的实施例。在此实施例中，不仅预定的焊料液体的位置，而且其形状都可以预先定义。分配器212的通道217提供有自校正分配工具210。分配工具210连接到分配器212的顶端，用于确定液体焊料的形状。分配器提供有冷却装置，它使固体焊料线直到和加热的基底表面接触并开始熔化之前保持固体状态。焊料液体的定形是通过位于工具的分配端并限制熔化焊料的流动的外围214所完成的。(在图7B所示的图中，外围是用虚线表示的并且显示得相对比较大。这是为了展示的方便，并且应当得到重视的是外围的高度是可变的，并且可以根据用户的需要而确定。)外围包括适于使焊料到外部的扩散最小的侧壁214a。分配工具的顶端具有带有一个喷嘴210a，在其中轴向设置了管道210b。在工具的上端设置了套筒216，分配器中的通道217具有带有和套筒配合的槽口220的凸缘218，这样工具可以通过一个简单的插入和缠绕机构可逆地安装在分配器上。因此，工具简单地“悬挂”在凸缘上。在凸缘的上方提供了充足的空间222，以允许工具相对于凸缘在存在向上的力的情况下向上移动。弹簧224用来在凸缘上压套筒。通道壁被设计为相对于垂直轴具有轻微的向外倾斜225(也就是，通道的内壁的直径稍微大于工具外壁的直径)，这样工具从凸缘自由地悬挂。因此由于弹簧224使工具在基底上保持垂直位置，在分配过程中工具和通道壁之间没有摩擦配合。焊料线直到和基底表面有直接接触前保持为冷却和固体状态。
在分配过程中，固体焊料线通过分配器的通道217和工具的通道210b输送。在分配动作的向下冲击过程中，分配端210c被降低在基底上。使用一个超程动作以确保外围的分配边得到适当校正并且平行于基底表面。分配器的倾斜通道壁225允许工具为了适当校正在任何方向的倾斜的充足空间。弹簧224进一步提供了移动的自由，包括对于工具的轴向移动。一旦通过超程动作达到了适当校正，焊料线被向前推进，直到和加热的基底的表面之间具有直接接触。
虽然具体参考图1到图7C重点在以用于IC设备的软焊料模片结合的系统上介绍了本发明，但是应当理解图只是用于展示目的，而不用于作为对发明的限制。另外，很清楚本发明的方法和装置在用到材料分配的多种应用情况下都是有效的。可以预期在不背离所介绍的发明精神和范围的情况下，本领域的技术人员可以进行许多改变和修正。
上面介绍的校正机构是对于低成本机器有用的机械解决方案。很清楚，还可以使用其他的机械或电子校正方法确保定位工具的空腔和基底的指定表面之间的液体紧固密封。此外，在较佳实施例中介绍的冷却装置使用通过由形状不同的各种元件产生的一组管道和通道分配的冷却空气或气体。很清楚也可以使用其它的冷却方法。如果在本发明中使用了适当的散热材料，冷却机构可以是材料特性本身。作为另一个示例，可以使用带有在其内密封的热传导液体的加热管来提供冷却。空腔的内表面最好由不易粘附在焊料材料之上的材料制成，例如钛或钛合金。空腔设计为限制焊料在其上浸湿的引导架的面积。空腔的理想直径至少是自然浸湿面积的尺寸，这取决于点的材料和尺寸。在分配步骤中的空腔的高度最好大于最终形成的焊料点的高度。可以提供具有不同尺寸和形状空腔的不同定位设备，以适合宽范围的点的尺寸。例如，空腔的形状可以是圆弧形或者四边形。此外，侧壁可以具有任何所需形状的周边，诸如矩形或圆形。在图2A至图2E中介绍的较佳实施例中的将定位设备固定到分配部件的简单方法，允许在不改变整个分配机构的情况下进行快速和方便的替换。其他等价的结构包括，但不局限于，具有作为非连接片的分配机构和定位设备，各个片的定位是分别进行的。例如，焊料分配装置可以用两组夹具或臂来操作，其中一个臂控制定位设备的定位，而另一个臂控制分配机构的定位。
权利要求
1.一种用于以线或杆的形式将焊料分配到基底上的装置，包括一个用于在抬起的备用位置和降低的分配位置之间移动所述装置的降低机构；一个具有所述焊料固体经其通过的一个输送通道的分配部件，所述输送通道具有一个用于通过其接收所述固体焊料的接收端，和一个用来将所述焊料固体向所述基底的指定表面引导的分配端，所述分配部件进一步保持在低于所述焊料固体的熔化温度的温度；和一个包括连接到后开口的一个前空腔的定位设备，所述空腔具有一个前开口，当所述装置位于分配位置时，所述前开口的边适于和所述指定表面直接接触，以形成一个封闭空腔；和所述后开口连接到所述分配部件的所述分配端，这样在分配操作中，所述焊料固体可以通过所述空腔分配并分配到所述指定表面上。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述定位设备进一步包括一个具有用于远端和近端之间的连接的一个通道的连接元件，所述近端包括所述后开口，并且安装在所述分配部件上，这样所述焊料固体可以从所述远端通过到所述近端；和一个可滑动地和所述连接元件的远端配合的侧壁，以定义其中的所述空腔；和一个和所述侧壁配合的支持机构，用于向所述侧壁提供枢轴移动，这样当所述装置被降低到分配位置时形成一个焊料液体紧固密封。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述侧壁可以进一步在延伸位置和缩进位置之间移动，这样所述延伸位置中的所述空腔的高度大于所述缩进位置中的所述空腔的高度。
4.根据上述权利要求中任何一项所述的装置，其中所述空腔的前开口的直径大于或等于所述液体焊料点的实际直径。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述定位设备是可以拆卸的。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述分配部件和所述定位设备形成一个单独部件。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述定位设备刚性连接到所述分配部件，所述装置进一步包括一个连接到所述分配部件的校正机构，用来在分配操作中以允许所述前开口和所述指定表面形成焊料液体紧固密封的角度保持所述定位设备的位置。
8.根据权利要求1所述的装置，进一步包括一个用来将所述输送通道内的焊料材料冷却到低于熔化温度的温度的冷却机构。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述定位设备提供有套筒，所述分配部件的所述输送通道提供有凸缘，具有槽口的所述凸缘和所述套筒配合，这样所述定位设备可以由通过所述槽口插入的所述套筒插入到所述通道内，这样所述定位设备可以从所述凸缘悬挂。
10.根据权利要求9所述的装置，进一步包括一个在所述分配部件的所述通道中提供的弹簧，用来在所述套筒上提供向下的压力。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述分配设备的所述通道具有充足空间，以允许工具在所有方向进行稍微的移动。
12.一种在用焊料线进行软焊料分配中控制液体焊料点的定位的方法，包括给一个基底提供一个所述液体焊料点放置在其上的指定表面；将所述基底加热到高于所述焊料材料的熔化温度的温度；将定位设备定位在所述指定表面上的预定位置，所述带有空腔的定位设备和所述指定表面形成一个焊料液体紧固密封；通过所述空腔推进所述固体焊料线，直到所述焊料线直接接触位于所述预定位置的所述指定表面，并且所述焊料线的端部熔化成液体状态；和收回未熔化的固体焊料线，以在所述预定位置产生一个预定体积的液体焊料点。
13.一种用于将一个模片固定到一个引导架的一种软焊料模片结合方法，包括在所述引导架上提供一个所述液体焊料点放置在其上的指定表面；将所述引导架加热到高于所述焊料材料的熔化温度的温度；使用放置在所述指定表面上的预定位置的定位设备直接将固体焊料线或杆定位在所述指定表面上，所述具有一个空腔的定位设备和所述指定表面形成一个焊料液体紧固密封；通过所述空腔推进所述固体焊料线，直到和指定表面直接接触并且所述焊料线的端部被熔化成液体状态；在所述指定表面上的所述预定位置和所述定位设备的所述空腔之内形成一个预定体积的液体焊料点；将所述定位设备和所述分配部件从所述指定位置移开，并且不干扰所述焊料点的位置；将一个模片放置在所述焊料点上；和冷却所述引导架，以在所述模片和所述引导架之间形成焊料连接。
全文摘要
用于将焊料精确地分配到基底的指定表面上的装置，包括一个用于分配固体焊料的输送机构和一个带有输送通道的分配部件。定位设备具有一个前开口，前开口适于在分配操作中和指定表面直接接触，以形成一个封闭空腔。后开口将定位设备连接到所述分配部件的分配端，这样在分配操作中，焊料固体可以从输送通道经过空腔被分配到指定表面上。分配部件保持在低于焊料材料的熔化温度的温度，这样焊料材料直到和指定表面接触之前保持固体状态。
文档编号H01L21/00GK1430542SQ01809905
公开日2003年7月16日 申请日期2001年5月23日 优先权日2000年5月24日
发明者施蒂芬·伊丽莎白·安娜·雷德克 申请人:卡森(亚洲)有限公司