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CN1217563C - 高可靠性的封装电子元件的方法、封装结构和金属掩模 - Google Patents

高可靠性的封装电子元件的方法、封装结构和金属掩模 Download PDF

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CN1217563C CN021220271A CN02122027A CN1217563C CN 1217563 C CN1217563 C CN 1217563C CN 021220271 A CN021220271 A CN 021220271A CN 02122027 A CN02122027 A CN 02122027A CN 1217563 C CN1217563 C CN 1217563C
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Abstract

一种带有引线的电子元件通过将引线钎焊到印制电路板的焊接区进行封装，其中相互间距很小的引线上镀有焊料，焊接区在印制电路板上形成与所述引线对应的布置图案。当进行封装时，涂敷到焊接区的钎焊膏的面积要大于焊接区的面积。然后将引线放置在钎焊膏上，钎焊膏通过回流焊将引线焊接到焊接区上。

Description

高可靠性的封装电子元件的方法、封装结构和金属掩模
技术领域
本发明涉及通过钎焊在印制电路板(PCB)上固定各种电子元件的方法，特别地，涉及使用回流焊接方法在PCB上固定电子元件的方法。
背景技术
传统上，钎焊用作在PCB上固定电子元件的方法。下面参考图1，对采用钎焊来固定电子元件的方法加以介绍。这里介绍的示例属于双面回流焊，其中回流焊使焊料施加在印制电路板的两面。
首先将钎焊膏涂敷到设置在印制电路板上的焊接区(步骤101)。大概的涂敷过程在图2A到2C中显示。
在这个过程中，金属掩模13首先放置在印制电路板15上，如图2A所示。与焊接区14的尺寸相同的开口12在金属掩模上形成与印制电路板上的焊接区的布置图案相对应的布置图案。然后设置金属掩模13，使金属掩模13的开口12分别位于印制电路板15的焊接区14之上。
然后用涂刷器10推动焊料11并移动焊料通过金属掩模13，由此，金属掩模13上的开口12充满了焊料11，如图2B所示。在开口12充满焊料11后，金属掩模13从印制电路板15取下，如图2C所示。由此，钎焊膏涂敷在焊接区上。
接下来将封装片尤其是表面安装元件，例如四边扁平封装(QFP)或小外廓封装(SOP)，固定到涂敷的钎焊膏上(步骤102)。图3显示了印制电路板15和固定在印制电路板15上的四边扁平封装QFP。图4显示了印制电路板15上形成有焊接区14的表面的平面图。
四边扁平封装片1上设置了多个相互间距很小的引线2。印制电路板15的焊接区14设置在对应于引线2的位置。焊料11在上述的步骤101中涂敷在焊接区14。焊料11涂敷的区域具有与焊接区14相同的面积，如图4所示。涂敷利用了金属掩模13，如上所述形成的掩模上的开口12具有与焊接区14相同的尺寸。四边扁平封装片1固定成使得各个引线2位于已经涂敷了焊料11的各个区域上。
使已经设置好表面固定件的印制电路板通过高温回流炉，由此钎焊膏熔化，设置的表面安装元件上的引线焊接到印制电路板的焊接区上(步骤103)。工艺步骤到达这点就完成了印制电路板一侧的封装。印制电路板然后翻个，使尚未封装元件的一侧表面朝上(步骤104)。
接下来如步骤101和102一样进行涂敷钎焊膏(步骤105)并设置元件(步骤106)。接下来，设置通孔件(T/H)(步骤107)，通孔件的结构便于固定，引线可穿过在印制电路板上形成的通孔件。然后如步骤103，印制电路板通过回流炉进行元件钎焊(步骤108)。最后，不能承受回流炉高温的元件进行人工焊接(步骤109)，由此完成了将电子元件封装到印制电路板。
在上面介绍的封装电子元件的现有技术方法中，锡铅(Sn-Pb)焊料通常用作焊料11。然而，这种锡铅焊料含有铅，铅是一种有毒的重金属，这就带来了由于不适当地抛弃用过的电子设备导致的破坏全球环境的问题。对于解决这个问题的方法，近年来使用无铅的焊料已经成为首选以防止环境污染。
锡银(Ag)焊料是众知的一种无铅焊料。由于银具有稳定的性质，取代锡铅焊料而使用这种锡银焊料来封装电子元件可在封装电子元件的同时保持与现有技术水平相同的可靠性。然而，锡银焊料的熔点在大约220℃，这要比锡铅焊料的熔点约183℃高很多。由于这个原因，简单地使用锡银焊料进行原来是用锡铅焊料的封装会有很多问题。另外简单和不加改进地使用原来是使用锡铅焊料进行封装的设备来进行锡银焊料的封装也有很多问题。特别地，当在回流炉中熔化熔点为220℃的锡银焊料进行钎焊时，电子元件的温度在有些情况下可以超过240℃。而一般电子元件能够耐受的温度是大约230℃。因此，当锡银焊料用于封装电子元件时，必然存在各种电子元件耐热温度的问题。
除了高熔点的锡银焊料外，锡锌(Sn-Zn)焊料也是众知的无铅焊料。锡锌焊料的熔点为大约197℃，因而锡锌焊料可用于封装现有技术的电子元件而不必改进现有技术的设备。
当无铅的锡锌焊料用作焊料11时，如果所用的电子元件带有镀有无铅材料的引线的话，焊料的连接部分的强度可以足够大。
另一方面，如果带有镀了含铅焊料的引线的电子元件通过无铅的锡锌焊料封装到印制电路板上时，尤其是，如果待封装的电子元件带有间距很小的引线，比如QFP或SOP，用于电镀的焊料中含有的铅在回流工艺中在焊接区的界面上析出。当封装相对的表面再一次进行回流过程时该析出会进一步加强。通过这种方式析出的铅在焊接区的界面上形成了低强度层。
由于存在该低强度层，当在后续的制造等过程中印制电路板15发生弯曲和扭曲时，电子元件引线的焊接强度降低，会促进引线的脱离。应力倾向于集中在位于电子元件角部的引线上，在这些区域内钎焊强度降低很多，导致引线具有更大的脱离倾向。
如上所述，当现有技术的电子元件，比如QFP或SOP，设有相互间距很小的引线并镀有含有铅的焊料，和当使用无铅的焊料作为钎焊膏将电子元件封装到印制电路板上时，难以得到满意的连接强度。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种封装电子元件的方法，当使用无铅焊料来封装设置了相互间距很小并镀有含铅焊料的引线的电子元件时可以有效地增加焊料连接部分的强度。本发明的另一个目的是有效地增加焊料连接部分的强度，以便防止引线的钎焊强度的损失或引线的脱离，特别是在电子元件角部的引线；并高可靠性地封装电子元件。
为了实现这些目的，本发明采用了一种金属掩模，其中至少一个涂敷钎焊膏的开口的面积大于对应的焊接区的面积。结果是，充填在面积增大的开口中的钎焊膏的数量得到增加。因此，即使钎焊到与扩大的开口对应的焊接区的引线镀有含铅焊料，这些铅应当熔化在连接部分中，可以减少铅与钎焊引线的焊料总量的比例。因此，根据本发明的封装电子元件的方法减轻了由含有铅的低强度层所造成的影响，并且可以防止电子元件引线的钎焊强度下降和防止引线脱离。
根据上面的介绍，应力倾向于集中在电子元件角部的引线上，即，接近角部的端部的引线。扩大与引线钎焊的焊接区对应的开口可以有效地提高封装电子元件的可靠性，因此是最优的。特别是，仅扩大与端部的引线对应的焊接区相对应的开口可防止引线之间发生钎接桥，因此是最优的。
另外，当金属掩模的开口扩大，钎焊膏涂敷的面积也相应地扩大。扩大与这些开口对应的焊接区可以没有任何问题地并容易地增加钎焊膏涂敷的面积，因此是最优的。
根据本发明的封装电子元件的方法非常适合于一种使用不含铅的锡锌焊料用作钎焊膏的封装方法。另外本发明特别适合于一种对设有间距很小的引线的电子元件如QFP和SOP进行封装的方法。
具体地说，本发明提供一种封装电子元件到印制电路板上的方法，其中，间距很小并镀有含铅焊料的引线被钎焊到所述印制电路板的焊接区上，这些焊接区在印制电路板上形成与这些引线对应的布置图案，所述方法包括步骤：制备金属掩模，其上的多个开口形成与这些焊接区对应的布置图案；将所述金属掩模设置在所述印制电路板上，使多个所述开口分别位于这些焊接区之上；用钎焊膏充填多个所述开口；移走所述金属掩模；将所述电子元件固定到所述印制电路板上，使各个所述引线固定在所述钎焊膏上；所述钎焊膏通过回流焊将这些引线钎焊到各个所述焊接区上；其中，所述金属掩模的多个所述开口中的至少一个开口具有大于对应的一个所述焊接区的面积，并且，通过调节多个所述开口的面积，将从这些引线熔化出来的铅与将这些引线钎焊到这些焊接区上的焊料总量之比控制在适当的范围里。
在本发明的方法中，采用这样的金属掩模，其中，接近所述电子元件的角部的端部的多个所述引线被钎焊到一些所述焊接区上，而与这些焊接区对应的多个所述开口的面积大于对应的这些焊接区的面积。或者，采用这样的印制电路板，其中，一个所述电子元件的多个所述引线被钎焊到多个所述焊接区中的至少一个焊接区上，而所述至少一个焊接区的面积大于其它的所述焊接区的面积。不含铅的锡锌焊料被用作所述钎焊膏。所述电子元件是四边扁平封装。所述电子元件是小外廓封装。
本发明还提供一种封装结构，其包括：印制电路板，其表面设有一些焊接区，钎焊膏涂敷在这些焊接区上；带有引线的电子元件，在相互间距很小的这些引线上镀有含铅焊料，这些引线通过所述钎焊膏被钎焊到所述印制电路板的这些焊接区上；其中，涂敷在这些焊接区中的至少一个焊接区上的所述钎焊膏的面积大于对应的一个所述焊接区的面积，并且，通过调节所述钎焊膏的面积，从这些引线熔化出来的铅与将这些引线钎焊到这些焊接区上的焊料总量之比被控制在适当的范围里。
在上述封装结构中，接近所述电子元件的角部的端部的多个所述引线被钎焊到一些所述焊接区上，而涂敷在这些焊接区上的所述钎焊膏的面积大于对应的这些焊接区的面积。此外，一个所述电子元件的多个所述引线被钎焊到这些焊接区中的至少一个焊接区上，而所述的至少一个焊接区的面积大于其它的所述焊接区的面积。所述钎焊膏是不含铅的锡锌焊料。该电子元件是四边扁平封装。所述电子元件是小外廓封装。
本发明还提供一种用于封装电子元件到印制电路板上的金属掩模，在该电子元件上的镀有含铅焊料的引线之间的间距很小，在所述印制电路板上形成的焊接区对应于所述引线，这些引线通过钎焊被连接到这些焊接区上，所述金属掩模用于将钎焊膏涂敷到与所述印制电路板上的这些焊接区对应的图案中；其中，在所述金属掩模上形成了多个开口，当所述金属掩模设置在所述印制电路板上时，多个所述开口用于填充钎焊膏到这些焊接区上；
其中，多个所述开口中的至少一个开口的面积大于对应的一个所述焊接区的面积，通过调节多个所述开口的面积，从这些引线熔化出来的铅与将所述引线钎焊到这些焊接区上的焊料总量之比被控制在适当的范围里。
在上述金属掩模中，接近所述电子元件的角部的端部的一些所述引线被钎焊到一些焊接区上，而在对应于这些焊接区的位置上形成的多个所述开口的面积大于这些焊接区的面积。
本发明的上述和其它目的、特征和优点将从下面的说明并参考显示了本发明示例的附图得到更好的了解。
附图说明。
图1是封装电子元件方法的一个示例的流程图，其中采用钎焊来封装电子元件；
图2A到2C是显示向印制电路板上的焊接区涂敷钎焊膏过程的示意图；
图3是当将QFP固定到印制电路板时，即将固定到印制电路板的QFP片和印制电路板的透视图；
图4是图3所示的已经形成焊接区的印制电路板一部分的平面图；
图5是根据本发明一个实施例的封装电子元件方法中当将QFP片固定到印制电路板上时印制电路板上已经形成焊接区的一部分的平面图。
具体实施方式
下面将参考附图介绍根据本发明的一个实施例的封装电子元件的方法。
在这个实施例中，QFP封装到印制电路板上。该QFP设有多个相互间距为0.4到0.8毫米的引线。各个引线镀有含铅的焊料。印制电路板上的焊接区事先形成了与QFP的引线对应的布置图案。
在封装的过程中，其上形成有开口的金属掩模用于钎焊膏涂敷到印制电路板上，所述开口形成了与焊接区对应的布置图案。这时，无铅锡锌焊料用作钎焊膏。对于所使用的金属掩模，开口的尺寸大于焊接区。
图5是涂敷有焊料11的印制电路板的平面图，显示了形成有焊接区14的一部分。由于金属掩模的开口的尺寸大于焊接区的尺寸，如上所介绍的，焊料11涂敷的区域大于焊接区14。
更具体地讲，如图5所清楚显示的，金属掩模的各开口的长度要比焊接区在离开QFP的方向上长0.1到0.2毫米，这个方向与引线在QFP的各侧面对齐的方向正交，因此这个方向与印制电路板上对应的焊接区14对齐的方向正交。另外，在与位于接近QFP角部的端部的引线，即位于角部的引线，连接的焊接区14上设置的金属掩模的开口，其在焊接区14对齐方向上的宽度在朝向QFP角部的方向上要比其它的焊接区14的0.2到0.4毫米的宽度大0.1到0.25毫米。
然后，QFP以这种方式固定到焊料11已经涂敷好的印制电路板上，然后将该组件通过回流炉将QFP钎焊到印制电路板。
如上面所介绍的，在本实施例的封装电子元件的方法中，使与位于角部的引线对应的金属掩模的开口面积大于焊接区的面积增加了填充在开口中的钎焊膏的数量。因此，即使含有铅的焊料被镀到引线2上，并在回流过程中熔化并混合到钎接部分，这个方法也能减少铅与钎焊引线2的焊料总量的比例。根据这个实施例的封装电子元件的方法因此可减轻含有铅的低强度层的影响，并因此防止了在QFP的角部的引线的钎焊强度的减少和引线的脱落。
金属掩模的开口面积最好根据镀在引线上的焊料中含有的铅含量来适当地决定。具体地讲，所决定的金属掩模的开口面积最好可使铅与焊料总量之比例为不大于1.0％，最好是不大于0.9％。
另外，如上面所介绍的，增加不仅对应于在QFP角部的引线，而且对应于QFP的其它引线的金属掩模的开口面积可以增加引线连接部分的强度，因此是最优的。然而，因为应力倾向于集中在QFP角部的引线上，且因为对应于角部引线的涂敷焊料11的面积容易扩大，最好只是扩大与QFP角部的引线对应的金属掩模的开口面积。
设置有开口的金属掩模的面积必须在允许的范围内，该范围是根据印制电路板上的其它构成来决定的，并且不允许相邻的焊接区14之间出现钎接桥。为了实现这个目的，金属掩模的开口最好不在相邻焊接区14的方向上延伸，而是在另一个方向上延伸。具体地讲，如前面所介绍的，金属掩模上的开口最好在与焊接区14对齐的方向正交的方向上延伸，对于在角部的开口，最好是朝角部延伸。
另外，在根据本实施例的封装电子元件方法中，焊接到QFP的至少一个引线的焊接区14面积要大于其它焊接区14的面积。通过这种方式使位于QFP角部的焊接区14的面积大于其它焊接区14的面积，没有任何问题地允许对应于QFP角部的金属掩模的开口面积更加扩大。在QFP角部的焊料的用量因此可以进一步增加，从而使得增强连接部分的作用得到增加。
最后，根据本发明的封装电子元件的方法可以简单地应用于待钎接的电子元件是SOP的情况。
虽然本发明的优选实施例已经使用专用名词进行了介绍，这种介绍仅是为了说明的目的，应当清楚认识到在不脱离下面的权利要求的实质和范围的情况下可以进行变化和改进。

Claims (14)

1.一种封装电子元件到印制电路板上的方法，其中，间距很小并镀有含铅焊料的引线被钎焊到所述印制电路板的焊接区上，这些焊接区在该印制电路板上形成与这些引线对应的布置图案，所述方法包括以下步骤：
制备金属掩模，其上的多个开口形成与这些焊接区对应的布置图案；
将所述金属掩模设置在所述印制电路板上，使多个所述开口分别位于这些焊接区之上；
用钎焊膏充填多个所述开口；
移走所述金属掩模；
将所述电子元件固定到所述印制电路板上，使各个所述引线固定在所述钎焊膏上；
所述钎焊膏通过回流焊将这些引线钎焊到各个所述焊接区上；
其中，所述金属掩模的多个所述开口中的至少一个开口具有大于对应的一个所述焊接区的面积，并且，通过调节多个所述开口的面积，将从这些引线熔化出来的铅与将这些引线钎焊到这些焊接区上的焊料总量之比控制在适当的范围里。
2.根据权利要求1所述的封装电子元件的方法，其特征在于，采用这样的金属掩模作为所述金属掩模，其中，接近所述电子元件的角部的端部的多个所述引线被钎焊到一些所述焊接区上，与这些焊接区对应的多个所述开口的面积大于对应的这些焊接区的面积。
3.根据权利要求1所述的封装电子元件的方法，其特征在于，采用这样的印制电路板作为所述印制电路板，其中，一个所述电子元件的多个所述引线被钎焊到多个所述焊接区中的至少一个焊接区上，而所述至少一个焊接区的面积大于其它的所述焊接区的面积。
4.根据权利要求1所述封装电子元件的方法，其特征在于，不含铅的锡锌焊料被用作所述钎焊膏。
5.根据权利要求1所述封装电子元件的方法，其特征在于，所述电子元件是四边扁平封装。
6.根据权利要求1所述封装电子元件的方法，其特征在于，所述电子元件是小外廓封装。
7.一种封装结构，其包括：
印制电路板，其表面设有一些焊接区，钎焊膏涂敷在这些焊接区上；
带有引线的电子元件，在相互间距很小的这些引线上镀有含铅焊料，这些引线通过所述钎焊膏被钎焊到所述印制电路板的这些焊接区上；
其中，涂敷在这些焊接区中的至少一个焊接区上的所述钎焊膏的面积大于对应的一个所述焊接区的面积，并且，通过调节所述钎焊膏的面积，从这些引线熔化出来的铅与将这些引线钎焊到这些焊接区上的焊料总量之比被控制在适当的范围里。
8.根据权利要求7所述的封装结构，其特征在于，接近所述电子元件的角部的端部的多个所述引线被钎焊到一些所述焊接区上，而涂敷在这些焊接区上的所述钎焊膏的面积大于对应的这些焊接区的面积。
9.根据权利要求7所述的封装结构，其特征在于，一个所述电子元件的多个所述引线被钎焊到这些焊接区中的至少一个焊接区上，而所述至少一个焊接区的面积大于其它的所述焊接区的面积。
10.根据权利要求7所述的封装结构，其特征在于，所述钎焊膏是不含铅的锡锌焊料。
11.根据权利要求7所述的封装结构，其特征在于，所述电子元件是四边扁平封装。
12.根据权利要求7所述的封装结构，其特征在于，所述电子元件是小外廓封装。
13.一种用于封装电子元件到印制电路板上的金属掩模，在该电子元件上的镀有含铅焊料的引线之间的间距很小，在所述印制电路板上形成的一些焊接区对应于这些引线，这些引线通过钎焊连接到这些焊接区上，所述金属掩模用于使钎焊膏涂敷到与所述印制电路板上的这些焊接区对应的图案中；
其中，在所述金属掩模上形成的开口，可在所述金属掩模设置在所述印制电路板上时，用于填充钎焊膏到这些焊接区上；
其中，多个所述开口中的至少一个开口的面积大于对应的一个所述焊接区的面积，通过调节多个所述开口的面积，从这些引线熔化出来的铅与将这些引线钎焊到这些焊接区上的焊料总量之比被控制在适当范围里。
14.根据权利要求13所述的金属掩模，其特征在于，接近所述电子元件的角部的端部的多个所述引线被钎焊到一些所述焊接区上，而在对应于这些焊接区的位置上形成的多个所述开口的面积大于这些焊接区的面积。
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