CN102800603B - 在基板上分配焊料的方法和安装半导体芯片的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在基板上分配焊料的方法和安装半导体芯片的方法。将基板(1)加热至位于焊料的熔化温度以上的温度，并且施加焊料部分(3)。其后，将引脚(5)浸在焊料部分(3)中，直到引脚(5)接触焊料部分(3)并且压靠基板(1)为止。让引脚(5)经受超声，使得在引脚(5)中产生超声波，超声波被取向成相对于基板(1)的表面(2)垂直或成角度，然后沿着预定路径移动引脚(5)以便分布焊料。用超声进行处理局部地改进了基板(1)的可湿性。引脚(5)的温度优选低于焊料的熔化温度。

Description

在基板上分配焊料的方法和安装半导体芯片的方法

技术领域

本发明一方面涉及在基板上分配焊料的方法，并且另一方面涉及在分配的焊料上安装半导体芯片的方法。

背景技术

这种焊接方法通常但并不唯一地用于将半导体芯片安装在称之为引线框架的金属基板上。与利用粘合剂进行安装相比，功率半导体器件通常主要利用软焊料与基板相连接，基板通常由铜组成，以便确保半导体芯片的热损失通过焊接接头更有效地散发。尤其是在功率密度增加的情况下，对焊接接头的同质性的要求较高，即，要求焊料层在整个芯片区域上有限定的厚度、均匀的分布和理想的浸湿以及完全没有气泡和焊接接头的纯度。另一方面，焊料必须不能横向地渗出焊接间隙，并且不能紧接于半导体芯片散布，这就再次要求对焊料部分的精确定量和定位。

在安装半导体芯片的领域中，在实际使用中广泛应用的一种方法是，将焊丝的端部接触已被加热至焊料熔化温度以上的基板，以便熔化一部分焊丝。由于其简便且灵活，这种方法一般非常适于大量生产。然而，所获得的近似圆形的浸湿表面并不理想地适于矩形或方形的半导体芯片。此外，借助从美国专利US6,056,184获知的一种落料模(punching die)，可将沉积在基板上的焊料部分制成一种适于矩形半导体芯片的平坦形状。还获知的是，用写头(writing head)沿着特定路径移动焊接金属丝的端部，使得受热的基板持续熔化焊料。焊料轨迹从而沉积在基板上。

从US5,878,939获知一种方法，其中可将液态焊料注射进形成在成型模和基板之间的腔中。

这些已知的方法具有几个缺点。或者所沉积焊料的形状为圆形，或者必须为每个矩形制出特定的落料模。这样的落料模包括侧壁，所述侧壁将占据基板的一部分。因此，焊料不能被施加到芯片岛的边缘，所述芯片岛容纳半导体芯片。另外，基板必须被加热到焊料的熔化温度之上，并且所沉积的焊料从施加开始直到沉积到半导体芯片上必须保持在液态。另外的缺点是，必须定期地清洗与液态焊料相接触的部位，为此目的就必须中断生产。

从美国专利US4,577,398和美国专利US4,709,849中获知一种方法，在该方法中预制由焊接金属制成的扁平预成型坯(所谓的“焊料预成型坯”)，这种坯的尺寸适用于半导体芯片。焊料预成形坯随后会被放置在基板上并且被基板熔化，以便形成具有所需尺寸的焊接层。由于对焊料预成型坯的必要预制以及额外的安装操作，这种方法相对昂贵并且不灵活。

从US2009145950获知通过焊料分配器的写头引导焊丝的方法和装置，当施加焊料时，将焊丝与受热的基板相接触，使得焊料在焊丝的端部处熔化，并且写头沿着平行于基板的表面的预定路径移动。焊料分配器以这种方式在基板上写出焊料轨迹。这种方法中的缺点是，基板仅能被不充分地浸湿，而未预先清洗。

发明内容

本发明的目的是开发一种不再表现出上述缺点的用于对基板施加焊料的方法。

根据本发明的在基板上分配焊料的方法包括如下步骤：

A)将基板加热至位于焊料的熔化温度以上的温度；

B)将至少一个焊料部分分配在基板的表面上；

C)将引脚降低到焊料部分中，直到引脚接触基板的表面为止；

D)对引脚施加预定力，使得引脚压靠基板；

E)对引脚施加超声，使得在引脚中产生超声波，超声波被取向成相对于基板的表面垂直或成角度；

F)沿着预定路径移动引脚，所述预定路径延伸平行于基板的所述表面，以及

G)提升引脚，直到引脚从焊料部分分离为止。

优选地，该方法进一步包括将引脚冷却到如下温度：该温度比焊料的熔化温度低至少10K并且位于焊料的固相线温度之上。

可替代地，该方法进一步包括在步骤C至F期间将引脚保持在如下温度：该温度比焊料的熔化温度低至少10K并且位于焊料的固相线温度之上。

如果在步骤B中将焊料分配在基板上，则所述沿着预定路径移动引脚包括至少部分地沿着基板场所(substrate place)的边缘移动引脚，引脚的接触表面伸到基板场所之外并且因此仅部分地接触基板场所。

在单个焊料部分被分配在基板场所上的情况下，引脚的直径小于焊料部分的平均直径。

除上面描述的将焊料部分分配在基板上的步骤之外，在基板上安装半导体芯片的方法另外包括将半导体芯片放置在焊料部分上。

附图说明

合并到该说明书中并且构成该说明书的一部分的附图示出了本发明的一个或更多个实施例，并且与详细描述一起用于解释本发明的原理和实施。附图不按比例。在附图中：

图1-4示出根据本发明的用于将焊料施加到基板的方法，并且

图5示出根据本发明的方法的特定实施例。

具体实施方式

在实践中，半导体芯片需被焊接到基板上，基板的边缘尺寸从亚毫米范围达到厘米范围。因此，根据本发明的方法以最适合于半导体芯片的大小和本申请所需的连接质量的方式被实施。半导体芯片的安装借助已知为软焊料芯片焊接机的自动装配机发生。将基板以周期方式供应给分配站(dispensing station)，然后供应给结合站，其中焊料在分配站处被施加到基板，半导体芯片在结合站处被放置在焊料部分上。对于这两个过程，将基板保持在位于焊料的熔化温度之上的温度并且通常在惰性气体环境中。

图1至图4示出根据本发明的用于将焊料施加到基板1的方法，该方法基于随后将中等尺寸或大尺寸的半导体芯片放置在焊料上的实例。该方法包括如下操作：

A)将基板1加热至位于焊料的熔化温度以上的温度。

B)将至少一个焊料部分3分配到基板1上。

该步骤以已知的方式发生。图1A(侧视图)和图1B(俯视图)示出了在该步骤之后的状态。

C)降低引脚5并将其浸到焊料中，引脚5的直径小于焊料部分3的平均直径D。引脚5将被降低直到引脚5的接触表面6接触基板1为止，并且施加力，使得引脚5压靠基板1。图2中示出了在该步骤之后的状态。

引脚5被紧固到头部4，一方面头部4可提升且可降低并且能平行于基板1的表面2移动，并且另一方面头部4被构造成用以对引脚5施加超声，使得在引脚5中产生通常被取向成相对于基板1的表面2垂直的超声波。

D)对引脚5施加超声。

E)沿着预定路径移动引脚5，所述预定路径平行于基板1的表面2延伸。

图3示出该方法步骤。由引脚5中的超声波所引起的振动方向用箭头7指示。超声将通过引脚5传输到基板1上，并且通过空化现象使得破坏和除去形成在基板的表面2上的任何氧化层，从而改进了应当被焊料覆盖的表面的可湿性。在沿着预定路径移动引脚5的同时，一方面基板1的表面2将如所描述的被局部清洗，并且待用焊料涂布的区域上的表面2的可湿性将被改进，并且另一方面焊料被分布在该区域上。

F)提升引脚5直到它从焊料部分3分离为止。

图4A(侧视图)和图4B(俯视图)示出了在该步骤之后的状态。焊料部分3现在已经均匀地分布在期望的区域上。

步骤C)和步骤D)能够交换。对引脚5施加超声能够在步骤F)之前或之后终止。

通过所描述的方法在引脚5中所产生的超声波是就引脚5的纵轴线而言的纵向超声波，该纵向超声波垂直于基板1的表面2延伸。超声波的频率优选地位于40kHz至200kHz范围内，通常在大约60kHz。用超声对基板1的处理局部地改进了焊料被期望在其上的区域上的可湿性，从而减少了焊料的不良流出，这种不良流出在本领域中被称为“焊料流迹”。

优选地，引脚5被取向成垂直于对象1的表面2；引脚5也可以相对于基板1的表面2以成角度的方式即在预定的角度下取向。因此，超声波被取向成相对于基板1的表面2大体上垂直或至少成角度。

根据预定分布改变超声波的强度和频率是可能的，具体地，能够使用单独的或几个超声脉冲。

头部4能够装在平衡架上和/或以弹性方式被保持，使得基板1的任何不平坦或倾斜能够得到补偿。将引脚5压靠基板1的力比较低，因为超声波所需的功率随着增加的力而增加。该力能够例如通过引脚5在头部4上的弹性支承(resilient bearing)而产生。

一旦已经对基板1施加了焊料部分3，基板1将被传送到结合站，在结合站处半导体芯片将被放置在焊料部分3上。

经本发明人研究已经表明，在某些焊料中，在处理引脚5期间当焊料的温度位于其熔化温度之下时是有利的。这尤其适用于在它们的熔化温度下具有低粘性的焊料，低粘性导致如下后果：在基板上分布焊料期间，会产生飞溅。因此，优势是在这样的焊料中增加粘性。在这种情况下，根据下列变型中的一个有利地改进根据本发明的方法：

变型1

在步骤B之后并且在步骤C之前：降低基板1的温度至如下水平：位于熔化温度之下至少几开尔文例如10k通常至少20K至30K或更多，但是位于焊料的固相线温度之上。

在步骤E或步骤F之后，基板1的温度能够再次增加到焊料的熔化温度之上，以便其后将半导体芯片施加在结合站中。

变型2

将引脚5冷却至如下温度：位于熔化温度之下至少几开尔文例如10k通常至少20K至30K或更多，但是位于焊料的固相线温度之上。

对引脚5的冷却确保在步骤C到步骤E期间引脚5从焊料部分3带走热量，使得在引脚5的环境中的焊料部分3的温度至少局部地下降，并且因此增加焊料部分的粘性。即使基板1被保持在位于焊料的熔化温度范围内较高的温度处，情况也是这样。

在许多应用中，半导体芯片被安装在基板场所8上，该基板场所的尺寸大约等于半导体芯片的尺寸。基板通常是所谓的引线框架。基板场所8经由薄板(thin webs)(未示出)与引线框架的框架相连接。大部分情况是，焊料部分必须覆盖整个基板场所8。为了该目的，有利的是，沿着路径9移动引脚5，路径9至少部分地沿着基板场所8的边缘10引导并且被设置成使得引脚5的接触表面6突出到边缘10之外并且因此仅部分地接触基板场所8。图5中示出了这种情况。其中引脚5的接触表面6突出到边缘10之外的路径9的一部分通过实心箭头示出，并且路径9的剩余部分通过虚线箭头示出。在该实例中，路径9最初从焊料部分3的中心引导至基板场所8的角部，然后沿着基板场所8的边缘10引导，并且然后沿着布置在基板场所8的内部中的路径段引导。还能够对单独的路径段的顺序作出不同的选择。路径9在这里仅通过举例方式示出；它还能够由其它路径段构成。引脚5的接触面积6在该实例中是方形的，但是它还能够是矩形的或圆形的或具有任何其它所需的形状。

当安装相对较大的半导体芯片时，可能有利的是，将几个焊料部分分配到基板上并且之后对焊料部分分布引脚。在这种情况下，引脚5的直径也可以大于单独的焊料部分的平均直径。

虽然已经示出并且描述了本发明的实施例和应用，但是，对本领域的技术人员来说将明显的是，在不脱离此处的发明概念的情况下，具有比以上描述更多修改的本公开的有益效果是可能的。因此，本发明将不受到除所附权利要求和其等同物之外的限制。

Claims (10)

1.一种在基板上分配焊料的方法，所述方法包括：

A)将基板(1)加热至位于所述焊料的熔化温度以上的温度；

B)在所述基板(1)的表面(2)上分配至少一个焊料部分(3)；

C)将引脚(5)降低到所述焊料部分(3)中，直到所述引脚(5)接触所述基板(1)的所述表面(2)为止；

D)对所述引脚(5)施加预定力，使得所述引脚(5)压靠所述基板(1)；

E)对所述引脚(5)施加超声，使得在所述引脚(5)中产生超声波，所述超声波被取向成相对于所述基板(1)的所述表面(2)垂直或成角度；

F)沿着预定路径(9)移动所述引脚(5)，所述预定路径平行于所述基板(1)的所述表面(2)延伸；以及

G)提升所述引脚(5)，直到所述引脚(5)已经从所述焊料部分(3)分离为止。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将所述引脚(5)冷却到比所述焊料的所述熔化温度低至少10K且位于所述焊料的固相线温度以上的温度。

3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述步骤C至所述步骤F期间将所述基板(1)保持在比所述焊料的所述熔化温度低至少10K且位于所述焊料的固相线温度以上的温度。

4.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤B中将所述焊料分配在基板场所(8)上，并且其中所述沿着预定路径(9)移动所述引脚(5)包括至少部分地沿着所述基板场所(8)的边缘(10)移动所述引脚(5)，所述引脚(5)的接触表面(6)突出到所述基板场所(8)之外并由此仅部分地接触所述基板场所(8)。

5.根据权利要求2所述的方法，其中在步骤B中将所述焊料分配在基板场所(8)上，并且其中所述沿着预定路径(9)移动所述引脚(5)包括至少部分地沿着所述基板场所(8)的边缘(10)移动所述引脚(5)，所述引脚(5)的接触表面(6)突出到所述基板场所(8)之外并由此仅部分地接触所述基板场所(8)。

6.根据权利要求3所述的方法，其中在步骤B中将所述焊料分配在基板场所(8)上，并且其中所述沿着预定路径(9)移动所述引脚(5)包括至少部分地沿着所述基板场所(8)的边缘(10)移动所述引脚(5)，所述引脚(5)的接触表面(6)突出到所述基板场所(8)之外并由此仅部分地接触所述基板场所(8)。

7.根据权利要求1所述的方法，其中在单个焊料部分的情况下，所述引脚(5)的直径小于所述焊料部分(3)的平均直径。

8.根据权利要求2所述的方法，其中在单个焊料部分的情况下，所述引脚(5)的直径小于所述焊料部分(3)的平均直径。

9.根据权利要求3所述的方法，其中在单个焊料部分的情况下，所述引脚(5)的直径小于所述焊料部分(3)的平均直径。

10.一种在基板上安装半导体芯片的方法，所述方法包括：

根据权利要求1至9中任一项在所述基板(1)上分配焊料部分(3)；以及

将半导体芯片放置在所述焊料部分(3)上。