以高橫向精度焊接電子組件的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種使用瞬間液相焊接以高精度將電子組件（3）焊接到襯底（1）的方法。利用操縱工具將組件（3）準(zhǔn)確地定位在襯底（1）上方，放置在熔化的焊料（2）中并且抵靠襯底（1）按壓。然后釋放組件（3）并且允許焊料（2）凝固。由于所使用的焊料（2）具有僅在較低熔點(diǎn)的熔化的第一金屬或金屬合金中部分地溶解的足夠高量的較高熔點(diǎn)的第二金屬或金屬合金，因此在液相焊接期間形成固體框架，其阻止所放置的組件（3）在焊接期間的橫向移動(dòng)。由于使用襯底（1）上的準(zhǔn)確參考特征做出組件（3）的定位，因此整個(gè)焊接工藝導(dǎo)致所焊接的組件的高度精確的橫向定位。
【專利說明】以高橫向精度焊接電子組件的方法
[0001]【技術(shù)領(lǐng)域】和

【背景技術(shù)】
本發(fā)明涉及通過瞬間液相焊接將電子組件焊接到襯底的方法，其中將焊料膏沉積和熔化在襯底上，通過操縱工具將電子組件置于熔化的焊料中，并且允許熔化的焊料凝固。
[0002]在將電子組件焊接到襯底時(shí)，在其中需要將組件非常精確地放置在襯底上的光電子或其它應(yīng)用的領(lǐng)域中會(huì)出現(xiàn)問題。例如LED的發(fā)光表面的光學(xué)中心必須關(guān)于襯底或板的參考特征非常精確地定位以使得能夠?qū)崿F(xiàn)劃算且精確的頭燈組裝，即初級(jí)和次級(jí)光學(xué)器件的組裝。在許多應(yīng)用中，PCB板(PCB:印刷電路板)被用作必須將電子組件焊接到的襯底。相比于在10 μ m的范圍中的光電子要求而言，PCB產(chǎn)業(yè)上的容差是大的，其典型地在100 μ m的量級(jí)。例如參考特征到墊、回流焊接、載體的頂部到底部特征容差的容差鏈加起來(lái)超過100 μ m0
[0003]基于標(biāo)準(zhǔn)SAC膏(SAC =SnAgCu)的瞬間液相(TLP)焊料膏目前處于發(fā)展之中以形成用于高溫應(yīng)用的高可靠鍵合。TLP焊接一般具有以下優(yōu)點(diǎn):焊接接合在低溫下形成但是在明顯更高的溫度下再熔，即焊料在焊接工藝期間凝固。對(duì)于許多光電子應(yīng)用(例如機(jī)動(dòng)車的低和高波束模塊)而言，要求非常高的焊接后精度，即在1ym的范圍中。標(biāo)準(zhǔn)回流工藝不能達(dá)到這樣高的精度，因?yàn)榛亓鞴に嚤旧砭哂腥莶?標(biāo)準(zhǔn)偏差5到10 μπι)并且此外焊接墊與板上的參考結(jié)構(gòu)之間的容差也在50 μπι的量級(jí)。因此，電子組件在液體焊料表面上的自對(duì)準(zhǔn)的已知工藝不允許電子組件的準(zhǔn)確定位。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種將電子組件焊接到襯底的方法，所述方法允許滿足光電子應(yīng)用的要求的高定位精度。
[0005]該目的利用根據(jù)權(quán)利要求1的方法實(shí)現(xiàn)。該方法的有利實(shí)施例是從屬權(quán)利要求的主題或者在描述和實(shí)施例的以下部分中描述。
[0006]在所提出的方法中，通過瞬間液相焊接將電子組件焊接到襯底。至少在電子組件上的對(duì)應(yīng)接觸墊必須被焊接到的接觸墊處將使得能夠?qū)崿F(xiàn)瞬間液相焊接的焊料膏沉積在襯底上。焊料膏可以通過已知工藝沉積，例如通過在襯底上印刷或分配焊料膏。襯底可以是用于電子組件的任何適當(dāng)載體，特別是具有電氣布線的載體板，例如PCBUMS (IMS:絕緣金屬襯底)、模塑互連設(shè)備(MID)。襯底上的焊料膏被熔化以用于瞬間液相焊接，并且電子組件通過適當(dāng)操縱工具(例如鍵合器設(shè)備)定位在襯底上方。用于將小組件鍵合或焊接到襯底的這種鍵合器設(shè)備在本領(lǐng)域中是已知的并且在商業(yè)上可得到。通過使用與襯底上的接觸墊獨(dú)立的襯底上的參考特征或結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)電子組件在襯底之上的準(zhǔn)確橫向定位。這樣的參考特征可以是比如邊緣或鉆孔的機(jī)械特征，其用于在對(duì)應(yīng)應(yīng)用中安裝襯底。參考特征還可以是金屬化或其它標(biāo)記，其滿足針對(duì)對(duì)應(yīng)應(yīng)用的精度要求。利用通常已經(jīng)為操縱工具(例如鍵合器設(shè)備)的一部分的光學(xué)構(gòu)件來(lái)檢測(cè)參考特征。在該準(zhǔn)確定位之后，通過操縱工具將組件在該位置處放置到熔化的焊料膏中并且利用輕微的力抵靠襯底按壓它。當(dāng)通過操縱工具放置和釋放組件時(shí)，焊料膏已經(jīng)立即部分地凝固。與所提出的方法一起使用的焊料膏包含不同金屬和/或一個(gè)或若干金屬合金的顆粒的混合物，至少一個(gè)第一金屬或金屬合金在瞬間液相焊接工藝的期望的低溫下熔化并且至少另一個(gè)第二金屬或金屬合金在較高溫度下熔化。在所提出的方法中，使用幾乎共熔成分的焊料膏，其中在較高溫度下熔化的第二金屬或金屬合金的顆粒以這樣高的量被包括使得在瞬間液相焊接期間這些金屬顆粒的僅一部分溶解在液體焊料中。在其余固體顆粒之間形成金屬間相。這導(dǎo)致在仍為液體的焊料內(nèi)形成固體框架，其阻止被放置在該焊料膏中的組件的橫向移動(dòng)。阻止組件的橫向移動(dòng)允許在組件的放置之后同樣維持利用操縱工具所實(shí)現(xiàn)的高橫向定位精度直到焊料膏凝固為止。
[0007]因此利用所提出的方法，電子組件以適合于光電子應(yīng)用的高定位精度焊接在襯底上。由于已知鍵合器設(shè)備的定位精度在5到10 μπι的范圍中或者甚至更高(高達(dá)I μπι)，因此電子組件可以以類似的精度焊接到襯底。一方面，這歸因于焊料膏的成分，其中電子組件由于固體框架的形成而在放置之后不能在輕微的壓力下橫向移動(dòng)并且因此被焊接在操縱工具已經(jīng)將組件放置于的位置處。另一方面，由于相對(duì)于以高于接觸墊的精度布置的襯底的參考特征進(jìn)行定位，因此整個(gè)工藝實(shí)現(xiàn)期望的精確定位。利用所提出的方法，例如，用于燈的LED封裝可以以光電子應(yīng)用所要求的高精度被焊接到載體襯底。由于LED封裝在放置之后不再移動(dòng)，因此參考用于燈的初級(jí)和次級(jí)光學(xué)器件的組裝的精準(zhǔn)參考特征或結(jié)構(gòu)來(lái)準(zhǔn)確地定位LED。
[0008]在優(yōu)選實(shí)施例中，第二金屬顆粒的一部分是所謂的類型5顆粒，即具有40與60 μ m之間的尺寸(直徑)的金屬球。這些球還可以充當(dāng)托腳(standoffs)并且使得能夠?qū)崿F(xiàn)足夠的鍵合線厚度以形成可靠的焊接接合。
[0009]第二金屬顆粒優(yōu)選地以關(guān)于焊料膏中所存在的所有金屬顆粒的20與40 wt% (重量百分比)之間的比例包括在焊料膏中。利用第二金屬顆粒的這樣的比例，用于形成期望的固體框架的要求得以最佳地滿足。
[0010]在另外的優(yōu)選實(shí)施例中，焊料膏是包括作為金屬顆粒的SnAgCu合金的SAC焊料膏。除SnAgCu合金中的低量(0.5 wt%)的Cu之外，通過添加純銅球?qū)u部分提升到明顯更高的量以使得大部分Cu在熔化的Sn中不溶解并且形成期望的固體框架。由于CuSn金屬間化合物的形成，從組件的接觸墊到襯底的接觸墊形成固體鍵合。由于銅球在放置組件之后與兩種墊接觸，因此組件在放置之后不再移動(dòng)并且被焊接在期望的位置處，這是因?yàn)閺囊r底墊到組件墊建立起固體框架的緣故。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]以下通過示例的方式結(jié)合附圖描述所提出的方法，而不限制如權(quán)利要求所限定的保護(hù)范圍。各圖示出:
圖1示意性地示出所提出的方法的第一工藝步驟；
圖2示意性地示出所提出的方法的第二工藝步驟；以及圖3示意性地示出所提出的方法的第三工藝步驟。

【具體實(shí)施方式】
[0012]在下文中使用SnAgCu焊料膏來(lái)描述所提出的方法。該膏基于商業(yè)上可得到的SAC膏來(lái)制備，其典型地包含96 wt%的Sn、3.5 wt%的Ag和0.5 wt%的Cu。向這樣的膏添加具有40到60 μ m的直徑的固體銅球以及可選的還有具有10和25 μ m之間的直徑的小球。調(diào)節(jié)銅球的比率使得在回流期間銅球仍被液體Sn基質(zhì)圍繞(10至15%的銅球體積，35至40%的SnAg體積和50%焊劑體積)。
[0013]所制備的焊料膏2被印刷在組件3要焊接到的板I上。焊料2在230°C和260°C之間的溫度下在組裝機(jī)中熔化。組件3然后如圖1中指示的那樣定位在板I上方。組件I與參考特征(在圖中未示出)而不是焊接墊對(duì)準(zhǔn)，以便實(shí)現(xiàn)期望的準(zhǔn)確定位。圖1還示意性地示出鍵合器設(shè)備(組裝機(jī))的抓取或鍵合工具4，其抓取和定位組件3。參考特征取決于組件的應(yīng)用。將特征選擇成確保組件關(guān)于應(yīng)用的其它特征(比如板稍后將安裝于其中的初級(jí)光學(xué)器件)的期望定位精度。
[0014]在定位之后，以10g-200g (0.1N-20N)的小力將組件按壓到膏狀焊料中，即焊料2包括具有固體顆粒的液相。為此，以如圖2中利用箭頭所示的受控力使鍵合工具4向下移動(dòng)。焊料2中的銅顆粒被擠壓在一起并且建立起包括Cu和CuSn相的固體基質(zhì)。固體基質(zhì)被液體焊料圍繞。為了實(shí)現(xiàn)接觸墊的正確定位，這些接觸墊是尺寸過大的，即被設(shè)計(jì)有足夠大的墊面積，這是因?yàn)橥ǔＲ缘投ㄎ痪茸龀鰤|在板上的沉積。
[0015]當(dāng)組件被放置在液體焊料中時(shí)，球仍可以移動(dòng)。在放置期間焊料被擠壓在一起。當(dāng)?shù)挚堪遢p微按壓組件時(shí)，在組件墊與板墊之間形成固體基質(zhì)。此時(shí)，所放置的組件在放置之后不再能移動(dòng)，這是由于固體框架由其余Cu顆粒和金屬間相形成的緣故。鍵合工具4然后可以釋放組件并且焊料凝固而沒有組件的任何進(jìn)一步移動(dòng)(圖3)。利用該工藝形成高度精確和高度可靠的界面。
[0016]該工藝可以應(yīng)用在高功率LED架構(gòu)中，例如用于機(jī)動(dòng)車前向照明，而且同樣用于其中必須以高橫向精度執(zhí)行電子組件的焊接的任何其它應(yīng)用。
[0017]雖然已經(jīng)在附圖和前述描述中詳細(xì)圖示和描述了本發(fā)明，但是這樣的圖示和描述要被視為是說明性或示例性而非限制性的。本發(fā)明不限于所公開的實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員在實(shí)踐所要求保護(hù)的本發(fā)明時(shí)，通過附圖、公開內(nèi)容和隨附權(quán)利要求的研宄，可以理解和實(shí)現(xiàn)所公開的實(shí)施例的其它變型。在權(quán)利要求中，詞語(yǔ)“包括”不排除其它元件或步驟，并且不定冠詞“一”或“一個(gè)”不排除多個(gè)。在相互不同的從屬權(quán)利要求中陳述某些措施的僅有事實(shí)不指示這些措施的組合不能被用來(lái)獲益。權(quán)利要求中的任何參考標(biāo)記不應(yīng)當(dāng)解釋為限制權(quán)利要求的范圍。
[0018]參考標(biāo)記列表
1板
2焊料膏
3電子組件
4鍵合工具
【權(quán)利要求】
1.一種通過瞬間液相焊接將電子組件(3)焊接到襯底(I)的方法，所述方法包括 -沉積允許所述襯底(I)的接觸墊上的瞬間液相焊接的焊料膏(2)， -在瞬間液相焊接的溫度下熔化所述焊料膏(2)， -利用操縱工具(4)使用所述襯底(I)上的對(duì)準(zhǔn)特征來(lái)將所述組件(3)定位在所述襯底上方， -利用所述操縱工具(4)將所述組件(3 )按壓在熔化的焊料膏(2 )中， -釋放所述組件(3)，以及 -允許熔化的焊料膏(2)凝固， 其中使用包含不同金屬和/或一個(gè)或多個(gè)金屬合金的顆粒的混合物的焊料膏(2)，所述混合物的至少第一金屬或金屬合金在瞬間液相焊接的溫度下熔化并且所述混合物的至少第二金屬或金屬合金在較高溫度下熔化，所述第二金屬或金屬合金的金屬顆粒以這樣高的量包括在所述焊料膏(2)中使得在瞬間液相焊接期間所述第二金屬或金屬合金的這些金屬顆粒的僅一部分溶解在熔化的焊料膏(2)中并且在其余顆粒之間的顆粒表面處與熔化的第一金屬或金屬合金形成金屬間相，從而導(dǎo)致熔化的焊料膏(2)內(nèi)的固體框架的形成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法， 其中所述焊料膏(2)包括作為第一金屬的Sn、作為第二金屬的Cu和作為第三金屬的Ag。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法， 其中所述第二金屬或金屬合金的金屬顆粒的一部分被選擇成包括具有在40與60 μm之間的直徑的金屬球。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法， 其中所述第二金屬或金屬合金的金屬顆粒的比例被選擇成在關(guān)于所述焊料膏(2)中的所有金屬顆粒的20與40 wt%之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的方法， 其中包括具有在40與60 μ m之間的直徑的金屬球的第二金屬或金屬合金的金屬顆粒的所述部分被選擇成大于所述第二金屬或金屬合金的金屬顆粒的50 wt%o
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法， 其中所述組件(3)是發(fā)光二極管封裝。
【文檔編號(hào)】H05K3/34GK104470672SQ201380038019
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2013年7月17日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月18日
【發(fā)明者】P. R. 埃格 G. 申請(qǐng)人:皇家飛利浦有限公司