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1、(10)申请公布号 CN 102357697 A (43)申请公布日 2012.02.22 CN 102357697 A *CN102357697A* (21)申请号 201110291344.9 (22)申请日 2011.09.29 B23K 1/008(2006.01) B23K 35/34(2006.01) (71)申请人 北京时代民芯科技有限公司 地址 100076 北京市丰台区东高地四营门北 路 2 号 申请人 中国航天科技集团公司第九研究院 第七七二研究所 (72)发明人 林鹏荣 黄颖卓 练滨浩 曹玉生 姚全斌 (74)专利代理机构 中国航天科技专利中心 11009 代理人 范晓毅。
2、 (54) 发明名称 一种提高 CBGA/CCGA 封装植球 / 柱回流焊后 焊点熔点的方法 (57) 摘要 本发明涉及一种提高 CBGA/CCGA 封装植球 / 柱回流焊后焊点熔点的方法， 在进行 CBGA/CCGA 封装器件植球 / 柱时， 在 63Sn37Pb 焊膏中添加 Pd 或 Pb 金属粉末， 通过加热将掺入一定量的 Pd 或 Pb 金属粉末的低熔点焊膏熔化， 使之与陶瓷外壳 上的金属焊盘及高熔点焊球 / 柱形成冶金连接， 形成可靠的 CBGA/CCGA 焊球 / 柱凸点， 而回流焊 后焊点的熔点较之前焊膏的熔点有显著提高， 该 方法能够避免 CBGA/CCGA 封装器件在表面组装。
3、回 流焊过程中焊点发生再次熔化的问题， 从而保证 CBGA/CCGA 封装器件使用的可靠性。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 CN 102357707 A1/1 页 2 1. 一种提高 CBGA/CCGA 封装植球 / 柱回流焊后焊点熔点的方法， 其特征在于 ： 包括如 下步骤 ： (1) 在 63Sn37Pb 焊膏内掺入一定量的 Pd 金属粉末， 并进行充分搅拌 ； (2)采用丝网印刷方式将含有Pd金属的63Sn37Pb焊膏移印至陶瓷基板的金属焊盘上， 再将高熔点的 90Pb10Sn 焊球 。
4、/ 柱放置于所述焊膏的正上方， 最终放入回流炉中进行加热， 所述焊膏在加热过程中熔化形成焊点， 实现焊球 / 柱与陶瓷基板的互连 ； 其中回流温度曲线与 63Sn37Pb 焊膏回流温度曲线一致。 2. 一种提高 CBGA/CCGA 封装植球 / 柱回流焊后焊点熔点的方法， 其特征在于 ： 包括如 下步骤 ： (1) 在 63Sn37Pb 焊膏内掺入一定量的 Pb 金属粉末， 并进行充分搅拌 ； (2)采用丝网印刷方式将含有Pb金属的63Sn37Pb焊膏移印至陶瓷基板的金属焊盘上， 再将高熔点的 90Pb10Sn 焊球 / 柱放置于所述焊膏的正上方， 最终放入回流炉中进行加热， 所述焊膏在加热过。
5、程中熔化形成焊点， 实现焊球 / 柱与陶瓷基板的互连 ； 其中回流温度曲线与 63Sn37Pb 焊膏回流温度曲线一致。 3. 根据权利要求 1 所述的一种提高 CBGA/CCGA 封装植球 / 柱回流焊后焊点熔点的方 法， 其特征在于 ： 所述步骤 (1) 中掺入的 Pd 金属粉末的质量百分含量为 0.5 1.2， 纯 度在 99.95以上。 4. 根据权利要求 1 所述的一种提高 CBGA/CCGA 封装植球 / 柱回流焊后焊点熔点的方 法， 其特征在于 ： 所述步骤 (1) 中掺入的 Pd 金属粉末的颗粒尺寸为 25 45m。 5. 根据权利要求 2 所述的一种提高 CBGA/CCGA 封。
6、装植球 / 柱回流焊后焊点熔点的方 法， 其特征在于 ： 所述步骤(1)中掺入的Pb金属粉末的质量百分含量为813， 纯度在 99.95以上。 6. 根据权利求 2 所述的一种提高 CBGA/CCGA 封装植球 / 柱回流焊后焊点熔点的方法， 其特征在于 ： 所述步骤 (1) 中掺入的 Pb 金属粉末的颗粒尺寸为 25 45m。 7.根据权利要求1或2所述的一种提高CBGA/CCGA封装植球/柱回流焊后焊点熔点的 方法， 其特征在于 ： 所述步骤 (2) 中回流焊的峰值温度设定为 215 225， 回流时间设定 为 30 60s。 权 利 要 求 书 CN 102357697 A CN 102。
7、357707 A1/4 页 3 一种提高 CBGA/CCGA 封装植球 / 柱回流焊后焊点熔点的方 法 技术领域 0001 本发明涉及一种提高 CBGA/CCGA 封装植球 / 柱回流焊后焊点熔点的方法， 属于超 大规模集成电路封装领域， 适用于航空航天用高可靠电子元器件 CBGA/CCGA 封装植球 / 柱 工艺。 背景技术 0002 当前我国航天工程和新一代武器装备使用的超大规模集成电路的集成度越来越 高， I/O 引脚数越来越多， 工作频率越来越高， 采用传统的封装形式 ( 如 DIP、 CLCC、 CQFP、 CPGA 等 ) 已无法满足需求。而陶瓷球栅阵列封装 (CBGA， cera。
8、mic ball grid array) 和陶 瓷柱栅阵列封装(CCGA， ceramic column gridarray)则是高密度、 多引脚、 高可靠集成电路 封装的最佳替代方式之一。 CBGA/CCGA封装与以往通常采用的外围阵列排布方式不同， 它采 用了面阵列的排布方式， 大大提高了封装的效率 ( 接近 100 )， 使得在相同的外形尺寸下 能够分布更多的引脚。此外， CBGA/CCGA 封装还具有传输路径短、 信号延迟小、 电性能优异 的特点， 因此更加适用于高频、 高速集成电路封装领域。 0003 CBGA/CCGA 封装通常采用高铅焊球 / 柱作为互连材料， 在一定温度下， 通。
9、过 63Sn37Pb 共晶焊膏熔化将封装外壳上的金属焊盘与高铅焊球 / 柱形成冶金连接。在此过 程中， 高铅焊球 / 柱不熔化。采用高铅焊球 / 柱的目的是为了提高 CBGA/CCGA 封装器件表 贴后的抗疲劳性能。而 CBGA/CCGA 器件的板级组装同样采用的是 63Sn37Pb 共晶焊膏， 通过 回流焊使焊膏熔化实现 PCB 板上的金属焊盘与陶瓷器件上的高铅焊球 / 柱的冶金连接。由 于植球 / 柱工艺与表贴工艺采用的焊膏合金成份相同， 在板级组装的回流焊过程中， CBGA/ CCGA 器件一端的焊点容易发生再次熔化， 使得陶瓷基板与高铅焊球 / 柱位置发生偏移、 焊 料再次铺展等现象，。
10、 并且 PCB 板回流过程中易发生翘曲等行为， 从而导致表面组装后 CBGA/ CCGA器件一端的焊点发生断路、 焊点外观异常等焊接不良问题， 最终无法满足使用要求。 而 对于航天工程和武器装备用的超大规模集成电路， 器件表面组装后的高可靠性必须得到保 障。因此， 在板级组装过程中应该避免 CBGA/CCGA 器件一端的焊点回流过程中发生再次熔 化。 发明内容 0004 本发明的目的在于克服现有技术的上述不足， 提供一种提高 CBGA/CCGA 封装植球 / 柱回流焊后焊点熔点的方法， 该方法能够避免 CBGA/CCGA 封装器件在表面组装回流焊过 程中焊点发生再次熔化的问题， 从而保证 CB。
11、GA/CCGA 封装器件使用的可靠性。 0005 本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的 ： 0006 一种提高 CBGA/CCGA 封装植球 / 柱回流焊后焊点熔点的方法， 包括如下步骤 ： 0007 (1) 在 63Sn37Pb 焊膏内掺入一定量的 Pd 金属粉末， 并进行充分搅拌 ； 0008 (2) 采用丝网印刷方式将含有 Pd 金属的 63Sn37Pb 焊膏移印至陶瓷基板的金属焊 说 明 书 CN 102357697 A CN 102357707 A2/4 页 4 盘上， 再将高熔点的 90Pb10Sn 焊球 / 柱放置于所述焊膏的正上方， 最终放入回流炉中进行 加热， 所述焊。
12、膏在加热过程中熔化形成焊点， 实现焊球 / 柱与陶瓷基板的互连 ； 0009 其中回流温度曲线与 63Sn37Pb 焊膏回流温度曲线一致。 0010 在上述提高 CBGA/CCGA 封装植球 / 柱回流焊后焊点熔点的方法中， 步骤 (1) 中掺 入的 Pd 金属粉末的质量百分含量为 0.5 1.2， 纯度在 99.95以上。 0011 在上述提高 CBGA/CCGA 封装植球 / 柱回流焊后焊点熔点的方法中， 步骤 (1) 中掺 入的 Pd 金属粉末的颗粒尺寸为 25 45m。 0012 在上述提高 CBGA/CCGA 封装植球 / 柱回流焊后焊点熔点的方法中， 步骤 (2) 中回 流焊的峰值。
13、温度设定为 215 225， 回流时间设定为 30 60s。 0013 一种提高CBGA/CCGA封装植球/柱回流焊后焊点熔点的方法， 其特征在于 ： 包括如 下步骤 ： 0014 (1) 在 63Sn37Pb 焊膏内掺入一定量的 Pb 金属粉末， 并进行充分搅拌 ； 0015 (2) 采用丝网印刷方式将含有 Pb 金属的 63Sn37Pb 焊膏移印至陶瓷基板的金属焊 盘上， 再将高熔点的 90Pb10Sn 焊球 / 柱放置于所述焊膏的正上方， 最终放入回流炉中进行 加热， 所述焊膏在加热过程中熔化形成焊点， 实现焊球 / 柱与陶瓷基板的互连 ； 0016 其中回流温度曲线与 63Sn37Pb。
14、 焊膏回流温度曲线一致。 0017 在上述提高 CBGA/CCGA 封装植球 / 柱回流焊后焊点熔点的方法中， 步骤 (1) 中掺 入的 Pb 金属粉末的质量百分含量为 8 13， 纯度在 99.95以上。 0018 在上述提高 CBGA/CCGA 封装植球 / 柱回流焊后焊点熔点的方法中， 步骤 (1) 中掺 入的 Pb 金属粉末的颗粒尺寸为 25 45m。 0019 在上述提高 CBGA/CCGA 封装植球 / 柱回流焊后焊点熔点的方法中， 步骤 (2) 中回 流焊的峰值温度设定为 215 225， 回流时间设定为 30 60s。 0020 本发明与现有技术相比具有如下有益效果 ： 002。
15、1 (1) 本发明采用在 63Sn37Pb 焊膏中添加 Pd 金属粉末或 Pb 金属粉末， 能够有效提 高焊膏一次回流后的熔点， 从而避免了 CBGA/CCGA 器件植球 / 柱后形成的焊点在表面组装 过程中发生再次熔化， 保证了 CBGA/CCGA 器件组装后接头的可靠性 ； 0022 (2) 本发明采用在 63Sn37Pb 焊膏中添加 Pd 金属粉末， 加热过程中仅 63Sn37Pb 焊 膏熔化， Pd金属粉末不熔化， 而是部分熔解于熔化的63Sn37Pb焊料中， 一次回流后， Pd金属 与 63Sn37Pb 焊料形成金属间化合物， 并且改变了原始的焊料合金成份， 形成三元合金， 使 得焊。
16、料的熔点显著升高 ； 0023 (3) 本发明采用在 63Sn37Pb 焊膏中添加 Pb 金属粉末， 加热过程中仅 63Sn37Pb 焊 膏熔化， Pb金属粉末不熔化， 而是部分熔解于熔化的63Sn37Pb焊料中， 一次回流后， Pb金属 充分熔解于63Sn37Pb焊料中， 原始焊料内的Pb含量显著提高， 使得整体焊料的熔点显著提 高 ； 0024 (4)本发明通过大量实验确定了63Sn37Pb焊膏中添加Pd或Pb金属粉末的最佳掺 入量和最佳颗粒尺寸， 在此条件下使得植球 / 柱后焊点熔点显著提高， 从而保证了二次焊 接的质量 ； 0025 (5) 本发明采用在 63Sn37Pb 焊膏中添加 。
17、Pd 或 Pb 金属粉末后进行焊接， 回流温度 曲线与常规 63Sn37Pb 焊膏回流温度曲线一致， 不改变任何工艺条件， 该方法是在保证整个 说 明 书 CN 102357697 A CN 102357707 A3/4 页 5 CBGA/CCGA植球/柱工艺不变的情况下提高植球/柱后焊点熔点的一种最佳解决途径之一， 具有非常广阔的应用前景。 附图说明 0026 图 1 为本发明 63Sn37Pb 焊膏中掺入 Pd 金属粉末焊接的 CBGA 结构示意图 ； 0027 图 2 为本发明 63Sn37Pb 焊膏中掺入 Pd 金属粉末焊接的 CCGA 结构示意图 ； 0028 图 3 为本发明 CC。
18、GA 焊点处成份面扫描分析图。 具体实施方式 0029 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述 ： 0030 在 CBGA(ceramic ball grid array， 陶瓷球栅阵列 )/CCGA(ceramic columngrid array， 陶瓷柱栅阵列 ) 植球 / 柱前， 将 63Sn37Pb 焊膏从冷藏室中取出， 放置 3 4h 直至焊 膏完全达到室温， 然后在焊膏中掺入一定量的 Pd 或 Pb 金属粉末， 充分搅拌， 最终应使 Pd 金 属粉末含量达到 0.5 1.2， 或者 Pb 金属粉末含量达到 8 13。经过一次回流过 程后， Pd、 Pb 金属粉末充分溶。
19、解到 63Sn37Pb 焊料中， 从而改变了初始 63Sn37Pb 焊料的合金 成份， 起到提高初始熔点的作用。 0031 CBGA 植球 / 柱 /CCGA 植柱的具体方法如下 ： 首先， 通过具有一定厚度和网孔直径 的网板通过印刷的方式将 63Sn37Pb 焊膏印刷到陶瓷外壳的金属焊盘上 ； 然后， 在已经印刷 好的金属焊盘上通过网板准确的放置高铅焊球 / 柱 ； 最后， 确认焊球 / 柱放置无问题后， 将 陶瓷外壳放入回流炉中， 在设定好的回流温度曲线下进行回流， 一般经过预热、 活化、 回流 和冷却四个阶段， 峰值温度通常在210235范围内， 回流温度曲线与常规63Sn37Pb焊 膏。
20、回流温度曲线一致， 最终焊膏熔化与金属焊盘及高铅焊球 / 柱均形成可靠的冶金结合， 图 1 为本发明 63Sn37Pb 焊膏中掺入 Pd 金属粉末焊接的 CBGA 结构示意图， 图 2 为本发明 63Sn37Pb 焊膏中掺入 Pd 金属粉末焊接的 CCGA 结构示意图。 0032 实施例 1 0033 进行 CCGA 植柱的陶瓷器件为 CCGA256， 外形尺寸为长 21mm， 宽 21mm， 厚度 2.3mm， 金属焊盘直径为 0.70mm， 金属焊盘镀层结构为 Ni/Au， Au 层厚度为 0.03 0.2m。将已完 成解冻的免清洗共晶焊膏 ( 成份为 63Sn37Pb) 打开， 掺入质量。
21、百分含量为 1的 Pd 金属粉 末， Pd 金属粉末的纯度为 99.95以上， 并充分搅拌 ( 至少半小时 )， 直至均匀。然后， 采用 网板印刷的方式， 网板的网孔与金属焊盘一一对准后， 将搅拌均匀的焊膏在刮刀的压力作 用下印刷至金属焊盘上方， 网板的孔径为 0.75mm， 网板的厚度为 0.2mm。随后， 将印刷好焊 膏的陶瓷器件倒置， 并与已预置好焊柱的模具进行精确对准后， 将器件放置于焊柱上方， 焊 柱成份为 90Pb10Sn， 焊柱直径为 0.55mm， 焊柱高度为 2.2mm。最后， 将其放置于回流炉中进 行回流焊， 使焊膏熔化实现焊柱与金属焊盘的冶金连接， 见图 2。回流焊的峰值。
22、温度设定为 215 225， 回流时间设定为 30 60s。 0034 上述掺入 Pd 粉的焊膏， 加热过程中仅 63Sn37Pb 焊膏熔化， Pd 金属粉末不熔化， 而 是部分熔解于熔化的 63Sn37Pb 焊料中， 一次回流后， Pd 金属与 63Sn37Pb 焊料形成金属间 化合物， 并且改变了原始的焊料合金成份， 形成三元合金， 焊料的熔点显著升高。 0035 回流焊后， 采用水基溶剂对助焊剂进行清洗。如图 3 所示为本发明 CCGA 焊点处成 说 明 书 CN 102357697 A CN 102357707 A4/4 页 6 份面扫描分析结果图， 如下表 1 为经面扫描分析得到的各。
23、金属元素百分含量， 从中可以看 出， Pd 已均匀溶解于熔融的 PbSn 共晶焊料当中。 0036 将该器件放置于回流炉中进行二次回流， 峰值温度调整为 245 255， 发现焊点 并未发生二次熔化。这说明 Pd 金属粉末的添加提高了 PbSn 焊料的熔点。 0037 表 1 0038 元素 重量 原子 百分比 百分比 Pd L 0.58 0.84 Sn L 47.32 60.81 Pb M 52.10 38.36 总量 100.00 0039 实施例 2 0040 进行 CCGA 植柱的陶瓷器件为 CCGA256， 外形尺寸为长 21mm， 宽 21mm， 厚度 2.3mm， 金属焊盘直径为。
24、 0.70mm， 金属焊盘镀层结构为 Ni/Au， Au 层厚度为 0.03 0.2m。将已完 成解冻的免清洗共晶焊膏(成份为63Sn37Pb)打开， 掺入质量百分含量为10的Pb金属粉 末， Pb 金属粉末的纯度为 99.95以上， 并充分搅拌 ( 至少半小时 )， 直至均匀。然后， 采用 网板印刷的方式， 网板的网孔与金属焊盘一一对准后， 将搅拌均匀的焊膏在刮刀的压力作 用下印刷至金属焊盘上方， 网板的孔径为 0.75mm， 网板的厚度为 0.2mm。随后， 将印刷好焊 膏的陶瓷器件倒置， 并与已预置好焊柱的模具进行精确对准后， 将器件放置于焊柱上方， 焊 柱成份为 90Pb10Sn， 焊。
25、柱直径为 0.55mm， 焊柱高度为 2.2mm。最后， 将其放置于回流炉中进 行回流焊， 使焊膏熔化实现焊柱与金属焊盘的冶金连接。回流焊的峰值温度设定为 215 225， 回流时间设定为 30 60s。回流焊后， 采用水基溶剂对助焊剂进行清洗。 0041 上述掺入 Pb 粉的焊膏， 加热过程中仅 63Sn37Pb 焊膏熔化， Pb 金属粉末不熔化， 而 是部分熔解于熔化的 63Sn37Pb 焊料中， 一次回流后， Pb 金属充分熔解于 63Sn37Pb 焊料中， 原始焊料内的 Pb 含量显著提高， 使得整体焊料的熔点显著提高。 0042 将该器件放置于回流炉中进行二次回流， 峰值温度调整为 。
26、245 255， 发现焊点 并未发生二次熔化。这说明 Pb 金属粉末的添加提高了 PbSn 焊料的熔点。 0043 以上所述， 仅为本发明最佳的具体实施方式， 但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内， 可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。 0044 本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。 说 明 书 CN 102357697 A CN 102357707 A1/2 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102357697 A CN 102357707 A2/2 页 8 图 3 说 明 书 附 图 CN 102357697 A 。