CN117340490A - 一种微波等离子辅助的共晶回流焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波等离子辅助的共晶回流焊接方法，包括如下步骤：1）将基板、元件放置在工作台上，并在元件与基板之间放置焊料；2）对焊接炉进行抽真空，然后通入惰性气体；3）对炉内进行加热至第一设定温度后，再次对焊接炉抽真空，然后通入含氢气体；4）启动微波等离子源，持续通入含氢气体达到设定时间之后，关闭微波等离子源，并停止通入含氢气体；5）继续加热至第二设定温度，使焊料与基板及元件充分润湿结合；再次对焊接炉抽真空；6）对工作台及基板、焊料和元件进行降温冷却，完成焊接。本发明能够实现低温焊接，并有效进行还原，且无残留腐蚀，且降低空洞率，从而高效、稳定地进行芯片等元器件的焊接加工。

Description

一种微波等离子辅助的共晶回流焊接方法

技术领域

本发明涉及芯片焊接技术领域，尤其涉及一种用于大面积芯片、多芯片等焊接的微波等离子辅助的共晶回流焊接方法。

背景技术

共晶是指在相对较低的温度下共晶焊料发生共晶物熔合的现象。真空共晶主要是利用真空共晶炉的真空技术，有效控制炉内气氛，大致通过预热、排气、真空、加温、降温、充气等过程，设置出相应的温度、气体控制曲线，从而实现共晶的全过程。通过真空共晶炉制造真空环境，阻止了焊料氧化，减少了焊接空洞；还能实现多芯片同时共晶。使得真空共晶已成为大面积芯片、高功率芯片、多芯片高可靠共晶焊接的首选方法。

现有的真空共晶回流焊接技术中，焊接后，通常需要通入还原气体进行还原反应，从而去除氧化物；而还原反应通常需要在高温（300度以上）下完成，这对于不耐高温的元件则无法使用（部分特定元件不耐高温）；另外，对于多次焊接的工序，本次焊接的温度不能高于上一次焊接的温度，也对还原温度的控制要求较高；否则会对元件造成损伤，从而破坏元件及芯片整体的性能。对于其他的还原方式，如使用氢气进行还原，但该方式又不能低温焊接，且易燃易爆；采用氮气焊接，虽然实现了低温焊接，但是不能进行还原发应；采用甲酸焊接，又容易存在酸残留，腐蚀元件等。

因此，如何规避以上问题，提供一种能够实现低温焊接，有效进行还原，且无残留腐蚀，能降低空洞率的焊接方法，并保证芯片的可靠性和稳定性，已成为本领域技术人员继续解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于解决现有真空共晶回流焊技术无法同时兼顾低温焊接和氧化还原，易造成焊接存在空洞，元件可靠性低、稳定性差的问题，提供一种微波等离子辅助的共晶回流焊接方法，能够实现低温焊接，并有效进行还原，且无残留腐蚀，且降低空洞率，从而高效、稳定地进行芯片等元器件的焊接加工。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：一种微波等离子辅助的共晶回流焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）将基板、元件装配好放置在焊接炉内的工作台上，并在元件与基板的焊接部位之间放置焊料，然后关闭焊接炉；

2）对焊接炉进行抽真空，然后通入惰性气体；重复本步骤若干次，使惰性气体将炉内空气置换；

3）通过焊接炉对炉内进行加热，将基板、焊料及元件加热至第一设定温度（第一设定温度低于焊料熔点温度）后，再次对焊接炉抽真空，然后通入含氢气体，并使焊接炉内的气压维持在0.1—1000Pa；

4）启动微波等离子源，通过微波能量激发含氢气体，形成高活性的等离子体；在启动微波等离子源后，在第一设定温度下，持续通入含氢气体达到设定时间之后，关闭微波等离子源，并停止通入含氢气体；

5）继续加热至第二设定温度，使焊料与基板及元件充分润湿结合；再次对焊接炉抽真空，使熔化状态的焊料内的气泡消除；

6）对工作台及基板、焊料和元件进行降温冷却，使熔化的焊料凝固，并继续降温至室温或安全温度，完成焊接。

进一步地，步骤1）中的元件为芯片、无源电子器件、半导体器件或电路基；基板为电路基板、半导体器件、无源电子器件、芯片等各式元器件。

进一步地，步骤2）中，所述惰性气体可为氮气、氩气或氦气。

进一步地，步骤3）中，所述含氢气体为氢气、氢气和氩气的混合气体或氢气和氮气的混合气体。

进一步地，所述微波等离子源位于焊接炉内，并位于工作台上方，在微波等离子源与工作台之间设有金属网，该金属网的四周分别与焊接炉的四周相连。

进一步地，步骤6）中，冷却方式包括但不限于向焊接炉内通入低温惰性气体冷却、对工作台通水或其他冷媒冷却。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、利用惰性气体置换焊接炉内的空气，使焊接腔室内保持惰性气氛，能有效避免残余空气在后续加热过程中氧化焊料、基板及元件。

2、通过微波等离子源激发含氢气体，形成的高活性（能量相当于3000K温度以上的活性粒子）的等离子体，能在不同温度段去除有机污染物和还原氧化物，在熔化回流阶段提高焊料与基板及元件的浸润性。

3、通过设置法拉第网，约束了等离子体内带电粒子（如离子、电子）的活动范围，使它们不易接触到元件和基板，而等离子体内的高活性自由基（不带电粒子）可以通过扩散作用到达元件、基板和焊料，并去除有机污染物和还原表面氧化物。

4、在整个过程中，无需进行高温还原操作，惰性气体保护，降低焊接过程的氧化概率，从而能够稳定可靠的进行不耐高温的元器件的焊接加工。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例：一种微波等离子辅助的共晶回流焊接方法，包括如下步骤：

1）将基板、元件装配好放置在焊接炉内（焊接腔室）的工作台上，并在元件与基板的焊接部位之间放置焊料，然后关闭焊接炉；其中，元件为芯片、无源电子器件、半导体器件或电路基；基板为电路基板（如陶瓷基板、高性能聚合基板、金属框架基板等）、半导体器件、无源电子器件、芯片等各式元器件。

2）对焊接炉进行抽真空，然后通入惰性气体；重复本步骤若干次，使惰性气体将炉内空气置换；为提高操作过程中的稳定性，在焊接炉上还设有与炉内相连通的真空规和/或气压计，以确保每次操作的稳定性和一致性，从而能更好地排除炉内的空气。其中，所述惰性气体可为氮气、氩气或氦气。

3）通过焊接炉对炉内进行加热；实施时，炉内加热采用（红光）灯管热辐射加热、电加热、气体传导加热等，将基板、焊料及元件加热至第一设定温度（即对基板、焊料及元件进行预热，且该第一设定温度小于焊料的熔化温度）后，再次对焊接炉抽真空，其中，第一设定温度根据选择的焊接材料来确定；如采用锡银铜焊料，第一设定温度通常小于180度，优选为140-160度；然后通入含氢气体，并使焊接炉内的气压维持在0.1—1000Pa，以为微波等离子活动提供良好的气压环境。所述含氢气体为氢气、氢气和氩气的混合气体或氢气和氮气的混合气体。

4）启动微波等离子源，并将微波等离子源产生的等离子体（气体）通入炉内，通过微波能量激发含氢气体，形成高活性（即：能量相当于3000K温度以上的活性粒子）的等离子体。在启动微波等离子源后，在第一设定温度下，持续通入含氢气体达到设定时间（通常为60-120s）之后，关闭微波等离子源，并停止通入含氢气体。

5）继续加热至第二设定温度（即：焊料熔化回流温度）；其中，第二设定温度根据选择的焊接材料来确定；如采用锡银铜焊料，该第二设定温度为210度；使焊料与基板及元件充分润湿结合。保持第二设定温度，再次对焊接炉抽真空，使熔化状态的焊料内的气泡消除，其中，抽真空时长通常为30-120s。

6）对工作台及基板、焊料和元件进行降温冷却，使熔化的焊料凝固，并继续降温至室温或安全温度，完成焊接。具体冷却过程中，其方式包括但不限于向焊接炉内通入低温惰性气体冷却、对工作台通水进行水冷或其他冷媒冷却。

所述微波等离子源位于焊接炉内，并位于工作台上方，在微波等离子源与工作台之间设有金属网，该金属网的四周分别与焊接炉的四周相连。该金属网与焊接炉相连，焊接炉接地，这样，该金属网形成法拉第网，约束了等离子体内带电粒子（如离子、电子）的活动范围，使它们不易接触到元件和基板，而等离子体内的高活性自由基（不带电粒子）可以通过扩散作用到达元件、基板和焊料，并去除有机污染物和还原表面氧化物。

本方案先利用惰性气体置换焊接炉内的空气，使焊接腔室内保持惰性气氛，能有效避免残余空气在后续加热过程中氧化焊料、基板及元件。然后通过微波等离子源激发含氢气体，形成的高活性（能量相当于3000K温度以上的活性粒子）的等离子体，能在不同温度段去除有机污染物和还原氧化物，在熔化回流阶段提高焊料与基板及元件的浸润性。在整个过程中，实时降低焊接过程的氧化概率，这样，无需进行还原操作，从而能够稳定可靠地进行不耐高温的元器件的焊接加工。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种微波等离子辅助的共晶回流焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）将基板、元件装配好放置在焊接炉内的工作台上，并在元件与基板的焊接部位之间放置焊料，然后关闭焊接炉；

2）对焊接炉进行抽真空，然后通入惰性气体；重复本步骤若干次，使惰性气体将炉内空气置换；

3）通过焊接炉对炉内进行加热，将基板、焊料及元件加热至第一设定温度后，再次对焊接炉抽真空，然后通入含氢气体，并使焊接炉内的气压维持在0.1—1000Pa；

4）启动微波等离子源，通过微波能量激发含氢气体，形成高活性的等离子体；在启动微波等离子源后，在第一设定温度下，持续通入含氢气体达到设定时间之后，关闭微波等离子源，并停止通入含氢气体；

5）继续加热至第二设定温度，使焊料与基板及元件充分润湿结合；再次对焊接炉抽真空，使熔化状态的焊料内的气泡消除；

6）对工作台及基板、焊料和元件进行降温冷却，使熔化的焊料凝固，并继续降温至室温或安全温度，完成焊接。

2.根据权利要求1所述的一种微波等离子辅助的共晶回流焊接方法，其特征在于，步骤1）中的元件为芯片、无源电子器件、半导体器件或电路基；基板为电路基板、半导体器件、无源电子器件、芯片等各式元器件。

3.根据权利要求1所述的一种微波等离子辅助的共晶回流焊接方法，其特征在于，步骤2）中，所述惰性气体可为氮气、氩气或氦气。

4.根据权利要求1所述的一种微波等离子辅助的共晶回流焊接方法，其特征在于，步骤3）中，所述含氢气体为氢气、氢气和氩气的混合气体或氢气和氮气的混合气体。

5.根据权利要求1所述的一种微波等离子辅助的共晶回流焊接方法，其特征在于，所述微波等离子源位于焊接炉内，并位于工作台上方，在微波等离子源与工作台之间设有金属网，该金属网的四周分别与焊接炉的四周相连。

6.根据权利要求1所述的一种微波等离子辅助的共晶回流焊接方法，其特征在于，步骤6）中，冷却方式包括但不限于向焊接炉内通入低温惰性气体冷却、对工作台通水或其他冷媒冷却。