CN1854659A - 在可变温度下可控地加热混合物的炉体 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于硬化或回流物体，例如引线框或其他衬底上混合物的炉体，其包括：加热室；加热组件，其以和该加热室进行热交换的方式安装，藉此提供热量；以及支撑组件，用于在该加热室中支撑该物体以进行加热；其中，该加热组件和支撑组件被配置来相互相对移动，以在相对于该加热组件距离可变的位置处可控地定位该物体。虽然其在加热过程中是单一的加热区段，但是在相对于该加热组件不同的距离处以不同的温度定位该物体而提供物体可控的加热，从而根据加热曲线实现物体的加热。

Description

在可变温度下可控地加热混合物的炉体

技术领域

本发明涉及一种用于加热包含于或设置于电子元件的混合物(compounds)的硬化炉(curing oven)，当此处的硬化炉也适合来用于回流处理时，术语“硬化炉”应包括回流炉(reflow oven)。

背景技术

硬化炉被应用于半导体装配中以设置被引入到电子元件上的混合物，例如环氧树脂、封装模塑料。这些混合物通常以流体的形式被引入到电子元件上。它们也适合于回流。基于这些混合物的特性，在硬化或回流处理的过程中，它们可能不得不按照特定的加热曲线被加热。

尤其，硬化炉的一种应用更具体是在应用于晶粒焊接领域中环氧树脂的硬化或者焊料的回流。通常，使用环氧树脂或焊料作为粘合剂，将半导体晶粒焊接键合到衬底，如引线框上。首先，在键合位置将环氧树脂以流体形式引入到衬底上，同时在该键合位置处将晶粒放置于该环氧树脂上。然后，以加热的方式将环氧树脂或焊料硬化或回流，以固化该键合。

使用炉体将环氧树脂硬化或回流通常根据特定的加热曲线完成，这样在该硬化或回流处理过程中该环氧树脂被暴露到各种不同的温度中。图7所示为用于环氧树脂硬化和回流过程的典型加热曲线，其中该环氧树脂或焊料应该以可变的温度可控地被加热。对于环氧树脂硬化，该环氧树脂可被预热到一个硬化温度，以该硬化温度加热一段特定的时间，然后被允许来冷却。对于焊料回流，该焊料被预热到一个焊剂激活(flux activation)温度，以该焊剂激活温度加热一段特定的时间，然后被进一步加热到一个回流温度，在此该加热温度以该回流温度保持一段特定的时间。此后，该焊料被允许来冷却。对于不同类型的环氧树脂或焊料，该加热曲线可能会不同。

现有的硬化炉的一个通用特征是：如果环氧树脂或焊料混合物以不同的温度将被加热时，该硬化炉必须具有多个加热区(thermalzones)。因此，硬化炉通常包含有多个加热区，其中每个加热区被保持在单一温度下。当衬底移动通过这些不同的加热区时，根据特定的加热曲线加热该衬底。

需要多个加热区以进行如此加热的硬化炉的使用具有几个不足。

一个不足之处是：由于需要具有多个加热区导致硬化炉所占用的空间相对较大。其结构也相对复杂，因为不同的温度区域必须被保持，而且衬底必须被传送通过所有不同的温度区域。因此硬化炉的成本很高。对于具有小规模生产量和/或空间限制的硬化炉应用而言，这种现有的硬化炉是不经济的或成本不是有效的。

而且，由于这种现有的硬化炉的大尺寸和其结构的复杂性，其部件的封装密封是困难的。因此，在该炉体中需要氮气或者合成气体(forming gas)以维持低水平的氧气容量和防止衬底氧化的地方，大量的这种气体必须被持续地泵入到该硬化炉以补偿渗漏。

另外，硬化处理过程中不同加热区的接口中的干扰在衬底上引入了不稳定性。最终的硬化结果可能因此受到相反影响。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种适合于根据预定的加热曲线加热待处理的混合物的硬化炉，而避免在上述传统的硬化炉中存在的使用多个加热区段的方法。

相应地，本发明提供一种用于硬化或回流物体上混合物的炉体，其包括：加热室；加热组件，其以和该加热室进行热交换的方式安装，藉此提供热量；以及支撑组件，用于在该加热室中支撑该物体以进行加热；其中，该加热组件和支撑组件被配置来相互相对移动，以在相对于该加热组件距离可变的位置处可控地定位该物体，藉此在相对于该加热组件不同的距离处以不同的温度向该物体提供可控的加热。

参阅后附的描述本发明实施例的附图，随后来详细描述本发明是很方便的。附图和相关的描述不能理解成是对本发明的限制，本发明的特点限定在权利要求书中。

附图说明

根据本发明硬化炉的实例将参考附图加以描述，其中：

图1所示为根据本发明较佳实施例一种使用单个区域概念的硬化炉10的侧视剖面示意图；

图2是沿着图1剖面线A-A所视，图1中硬化炉的侧视剖面示意图；

图3是排出板的平面示意图，其贴附于上加热组件；

图4是下加热组件的冷却板的平面示意图；

图5是适合来和下加热组件相连的衬底支撑组件的侧视示意图；

图6是从图5的C方向所视，衬底支撑组件的侧视示意图；

图7表明了用于环氧树脂硬化和回流处理的典型加热曲线示意图。

具体实施方式

图1所示为根据本发明较佳实施例一种使用单个区域概念的硬化炉10的侧视剖面示意图。该硬化炉10通常包括上加热组件12和下加热组件14。将该上加热组件12和下加热组件14以和一加热室16进行热交换的方式安装，在该加热室中一个物体，如带着待硬化混合物的衬底(图中未示)，将被加热。较合适地，该上加热组件12和下加热组件14相互面对面地被安装到该加热室16的内侧表面，并被分别设置在该衬底的上方和下方。该上加热组件12的周围区域被上部绝热壁18所围绕，而该下加热组件14的周围区域被下部绝热壁20所围绕，这样以致于该加热室16的侧边基本完全被封闭。在现有技术中，需要设置开口来和其他的加热区进行交换，这样以致于该加热室完全没有被封闭。

当衬底在该加热室16中被加热时，为了防止衬底被氧化，相对的惰性气体，如氮气或其他的合成气体(forming gas)通过氮气输入通道22被引入到硬化炉10中。使用后的氮气被允许来通过排出系统(exhaust system)从该硬化炉退出，该排出系统可能是内置于该硬化炉10的上部绝热层25中的氮气排出通道24的形式。该上加热组件12中的上部加热器块(heater block)26用来提供热量给加热室16。气体释放通道，如安装到上部加热器块26的氮气排出板28使得通过从氮气输入通道22引导气体导入到加热室16中变得容易。

在所描述的本实施例中，在氮气被散布进入形成于上部加热器块26中的氮气通道54以前，氮气通过氮气输入通道22被引入到硬化炉10，同时被引导通过氮气输入管(inlet duct)50。装配于上部加热器块26的氮气排出板28具有多个氮气排出孔52。氮气从氮气通道54移动通过氮气排出孔52进入加热室16。

然后，使用后的氮气通过多个排出通道56流入排泄板27。自该排泄板27，氮气通过氮气排出通道24从硬化炉10中退出。

氮气同样也通过和下加热组件14相连的氮气输入喷嘴30被引入进入该硬化炉10中。冷却板36被安装于该下部加热器块34上，以便于通过将衬底暴露于该下加热组件14附近而使该衬底的温度更加可控。加热装置，如该下加热组件14中的下部加热器块34，提供热量给冷却板36和加热室16。正如下面更详细的描述，冷却板36包含有大量的支撑导线槽73，以用于接收容纳位于该冷却板36上表面下方能被降低的支撑线。

同时，和下加热组件14相连有冷却装置，例如压缩气体输入喷嘴32，其可用来引入冷却压缩气体到该下加热组件14上，以便于降低该冷却板36和该下加热组件14周围区域中的温度。如有必要，内置于下部加热器块34的压缩气体通道76有助于冷却该加热器块34和冷却板36，以便于迅速地抵消来自下加热器块34的加热影响。安装板40将该下加热组件14装配于该硬化炉10，并且其还封盖有底部绝热层42。加热器导线架74设置于该下部加热器块34的侧边，以防护用来操作该下部加热器块34的线缆。

当衬底在加热室16中被加热时，同样存在一个衬底支撑组件以用于支撑衬底，该衬底支撑组件包括安装于支撑座体46上的支撑杆44。该衬底支撑组件被配置来相对于上加热组件和下加热组件14移动，以便于在相对于该上加热组件和下加热组件12、14距离可变的位置处可控地定位该物体。这将使得在相对于该上加热组件和下加热组件12、14不同距离的位置处以不同的温度加热衬底成为可能。

图2是沿着图1剖面线A-A所视，图1中硬化炉10的侧视剖面示意图。通过氮气输入喷嘴30，氮气被引入下加热组件14进入形成于下部加热器块34中的氮气室70。从该氮气室70，该氮气进入一系列刚好设置于该冷却板36下方的氮气腔72(nitrogen gas pockets)中。然后，氮气从该氮气腔72通过冷却板36被送至加热室16。

通过压缩气体喷嘴32将压缩气体引入到下加热组件14，其进入了形成于下加热器块34中压缩气体通道76的网络。该压缩气体能被用来冷却该下加热组件14，并通过下部加热器块34抵消加热。压缩气体通道76最好是分布于整个下部加热器块34以在该下加热组件14中散布气体，其可包括一层或多层相连的通道。

图3是排泄板27的平面示意图，其贴附于图1中的上加热组件。该排泄板27具有多个排出通道58，其通过设置于排出通道58末端的排出通道输入孔60从加热室16中接收使用后的氮气。氮气被引导通过排出通道58进入氮气室62。设置有一个气体管道64以接收氮气输入管50和其他供给硬化炉10的管形材料以及电缆。一系列安装孔66被提供来将排泄板27安装到上加热组件12。

图4是下加热组件14的冷却板36的平面示意图。该冷却板36具有一系列支撑线槽73的平行线，其布置于通长的冷却板36。这些支撑线槽73的位置和包含于衬底支撑组件中的支持线的位置相对应。当衬底有必要和冷却板36相接触时，这允许支撑线缩回到该冷却板36上表面的下方。一系列平行的氮气排泄缝80较佳地是和支撑线槽73垂直设置。这些氮气排泄缝80和设置于冷却板36下方的氮气腔72相连通，以便于氮气从此流入加热室16。多个安装螺孔82被提供来将冷却板安装到下加热组件14。

图5是适合来和下加热组件14相连的衬底支撑组件的侧视示意图。该衬底支撑组件包含有安装于支撑座体46上的支撑杆44。通过该支撑杆44运载一支撑平台，其可能是多根支撑线86的形式，每根支撑线被安装到一对支撑杆44上。驱动该支撑座体46和支撑杆44一起相对于下加热组件14上下移动，以便于由支撑杆44所支撑的衬底实现相应的移动。在根据加热曲线加热衬底的过程中，支撑线86上所支撑的衬底朝向或者背离上加热组件12移动。较合适地讲，该支撑线86设置在加热室16的内部，而支撑座体46设置于加热室16的外侧。支撑杆44从支撑座体46延伸通过加热室16的外壳，如图1所示的底部绝热层42，进入加热室16。

图6是从图5的C方向所视，衬底支撑组件的侧视示意图。其表明了多个安装于支撑座体46上的支撑杆44。在每个支撑杆44的最上端，具有支撑线安装孔88以安装支撑线86。该安装于支撑杆44上的支撑线86延伸并安装到相对的支撑杆44上，如图5所示。在每个支撑杆44中形成有多个绝热孔90，以便于减少通过支撑杆44传递到支撑座体46上的热量传递。这些绝热孔90可能填充或者没有填充绝热材料。

对衬底而言，该上加热组件12是主要的热源。该下加热组件14可能是一种被配置用作恒温块的工具，并且其温度最好是低于该上加热组件12的温度。在本实施例中，在通过向衬底传递热量或者从衬底吸取热量而对衬底进行加热和/或冷却的时候，该下加热组件14被用来提供温度控制。这能通过热量传导来完成，例如通过使用安装于该下加热组件14上的冷却板36。

相应地，值得注意的是，在本实施例中，该上加热组件12周围区域的温度被设定高于该下加热组件14周围区域的温度，加热装置和冷却装置均包含于该下加热组件中，以如有必要相对迅速地保持、提高或降低冷却板36和/或加热室16下部区域的温度。

加热室16被如此设置，以致于该上加热组件12在加热室16中可有效地产生不同的等温线，该温度线位于自该上加热组件12距离不同的位置处。因此，在加热室中建立了多个等温线，虽然其必不可少的仅仅包含有一个加热区。不同的等温线具有不同的等温线值。因此，衬底通过将其定位在不同的等温线位置能以不同的温度被加热。

主要通过调整该上加热组件12和衬底之间的相对距离，加热曲线被产生。较不重要的是，该加热曲线能通过调整该下加热组件14和衬底之间的相对距离来获得。该上加热组件12向衬底提供对流和辐射热。由于传递给衬底的总热量随着该衬底和该上加热组件12之间的分隔距离而变化，因此分隔距离越大，传递给衬底的总热量越低。

该硬化炉10应该具有足够的区间深度，以便于在加热室16中提供充分的温度变化，以根据特定的加热曲线加热衬底。衬底支撑组件应该具有最小的在加热室16中提升或降低衬底到特定位置的热质量(thermal mass)，以便于在硬化处理过程中以特定的次数设置期望的等温线，而不影响其温度。根据所需的加热曲线，该衬底支撑组件被编程以在自上加热组件12特定的距离处定位该衬底一段确定的时间。

使用中，该系统应该明确自上加热组件12距离不同的位置处的加热温度，以便于根据所需的加热曲线精确地控制衬底的加热。用于完成它的较佳方法是根据上加热组件12、下加热组件14的预定温度和预定的氮气流速速率，预测定硬化炉10以得到表示加热室16中自上加热组件12分隔距离不同的位置处的温度曲线图。在加热期间，通过参考测定期间产生的所述曲线图，该衬底能以不同的温度进行定位加热。而且，更可取的是，温度传感器(图中未示)在相邻于衬底、且和衬底自上加热组件12距离相同或类似的位置处被安装到衬底支撑部件，以实时确定衬底所曝露的温度。这样得到了更精确的加热温度的在线确定。

在上面所描述的本发明较佳实施例中，从而该硬化炉10包括：位于顶部的基本温度控制加热部件12，和位于底部的温度控制加热部件14。由于在上加热组件和下加热组件上的特定温度控制，和在加热曲线的每个区段提供独立的时间间隔的能力，如图7所示这样的不同加热曲线能够实现。由于该硬化炉能够提供任意的加热曲线，所以硬化炉能被用作其他的加热处理，如用于焊料回流。值得注意的是，在底部没有温度控制加热部件14的情形下，硬化炉同样也起作用。而且，具有下加热组件14的优点是稳定加热室内部的环境温度，以提供强大的加热处理。除了顶部的热源之外，其同样也提供了在使用热传导加热和冷却处理方面的灵活性。

同样值得注意的是，热源其他的位置也是可能的，例如在硬化炉10的底部而不是顶部设置基本加热组件。而且，使用合适的传送机构，将温度控制加热组件放置于加热室16的边侧和控制通过改变衬底相对于加热组件的距离来实现加热衬底的温度同样也是可行的。通过保持衬底静止而移动温度控制加热源来取代移动衬底，或者相互相对移动二者也是可能的。

本发明较佳实施例的优点是：其采用单一区域的概念，其中在该单独的加热区域中产生衬底的加热曲线。因此，该硬化炉的大小和构造的复杂性得以完全减小。这对于小规模的生产装置而言尤其是有益的，在那里存在空间限制来阻止传统的多区域硬化炉的安装使用。

而且，当硬化炉的尺寸相对小时，密封变得较为容易，并且因此用来维持防止氧化的低水平的氧气含量的氮气或者合成气体的消耗也相应地降低。单一区域的概念也消除了区间的相互作用和其引起的不稳定性的需要。藉此，在硬化处理中一个热量更加稳定的环境被提供给衬底。

另外，不同于多区段的炉体，该多区段的炉体在不同的区段中衬底和加热设备之间分隔距离不同，该差别可能导致不均匀的加热，而根据本发明较佳实施例的硬化炉由于衬底离该加热设备的距离是可控的，所以其能够提供一个持续均匀的温度变化和区间深度。

此处描述的本发明在所具体描述的内容基础上很容易产生变化、修正和/或补充，可以理解的是所有这些变化、修正和/或补充都包括在本发明的上述描述的精神和范围内。

Claims (18)

1、一种用于硬化或回流物体上混合物的炉体，其包括：

加热室；

加热组件，其以和该加热室进行热交换的方式安装，藉此提供热量；以及

支撑组件，用于在该加热室中支撑该物体以进行加热；

其中，该加热组件和支撑组件被配置来相互相对移动，以在相对于该加热组件距离可变的位置处可控地定位该物体，藉此在相对于该加热组件不同的距离处以不同的温度向该物体提供可控的加热。

2、如权利要求1所述的炉体，其中该加热组件在该加热室中有效地产生不同的等温线，该等温线位于自该加热组件距离不同的位置处。

3、如权利要求1所述的炉体，其中该加热组件被安装到该加热室的内侧表面上。

4、如权利要求1所述的炉体，其还包含有绝热壁，以基本封闭该加热室的侧边。

5、如权利要求1所述的炉体，其中该加热组件还包含有：

气体输入通道和气体释放通道，以引导惰性气体进入该加热室；

排出系统，以从该加热室移除该惰性气体。

6、如权利要求5所述的炉体，其中该气体输入通道包括形成于该加热组件中的气体通道，该气体通道和包含于装配到该加热组件上的该气体释放通道的气体释放孔进行交换，以释放惰性气体进入该加热室。

7、如权利要求1所述的炉体，其中该支撑组件可被驱动来相对于该加热组件移动该物体。

8、如权利要求7所述的炉体，其中该支撑组件包含有在其一端承载支撑平台的支撑杆，以支撑该物体，而该支撑杆在其另一端被安装到可被驱动的支撑座体上。

9、如权利要求8所述的炉体，其中该支撑平台设置在该加热室内部，该支撑座体设置于该加热室外部，并且该支撑杆自该支撑座体延伸通过该加热室的封盖进入该加热室中。

10、如权利要求9所述的炉体，该支撑平台包含有安装在该支撑杆末端的支撑线。

11、如权利要求1所述的炉体，其还包括：第二加热组件，其以和该加热室进行热交换的方式安装，以致于该物体能在该第一加热组件和第二加热组件之间移动而进行该物体的可控加热。

12、如权利要求11所述的炉体，其中该第一和第二加热组件相互面对面安装，并且该物体在随着该第一和第二加热组件位于该物体相对两侧的使用中被定位。

13、如权利要求11所述的炉体，其中该第二加热组件被设置来保持一个恒定的温度。

14、如权利要求11所述的炉体，其中该第二加热组件保持的温度低于该第一加热组件。

15、如权利要求11所述的炉体，其中该第二加热组件包含有加热装置和与之相连的冷却装置。

16、如权利要求15所述的炉体，其中该冷却装置包含有引入到该第二加热组件的压缩气体。

17、如权利要求16所述的炉体，其包含有形成于该第二加热组件的压缩气体通道网络，以在该第二加热组件中散布压缩气体。

18、如权利要求15所述的炉体，其还包含有安装于第二加热组件上的传导板，该传导板和该加热装置、冷却装置进行热交换，并当放置该物体接近那里时该传导板被设置来向该物体传导热量或者从该物体带走热量。

Images