本发明发现，通过由赋予钎料膏适印性的焊剂形成钎料膏，并利 用自由基气体进行回流钎焊，而完成传统上由焊剂完成的还原反应， 可以完成回流钎焊，而不形成有害的焊剂残留物，同时可以通过印刷 将钎料膏涂布在部件上。
因此，本发明提供了一种用于形成钎料凸起而不留有焊剂残留物 的方法。
本发明还提供了一种在电路板上安装电子元件而不留有焊剂残留 物的方法。
根据本发明的一种形式，一种钎焊方法，包括对部件涂布包含钎 料粉末和焊剂的钎料膏，在非氧化性气氛中，优选是在还原气氛中， 加热部件上的钎料膏，使钎料膏回流，并使至少钎料膏中焊剂的活性 组分蒸发。在一优选实施方案中，钎料膏暴露于自由基气体中而加热。
自由基气体是一种含有自由基的气体，所述自由基可以对钎料膏 和待钎焊的部件施加还原作用。在优选实施方案中，所述自由基气体 包含从氢等离子体中得到的氢基气体。
所述钎料粉末不限于任何特定的类型，但优选的是无铅钎料粉末。
在优选实施方案中，钎料膏通过印刷涂布在部件上。
涂布到部件上的钎料膏的回流可以使钎料膏在部件上形成凸起， 且不会使所述部件与其他部件连接，或者所述回流可以通过钎料将所 述部件与其他部件连接。例如，回流可用于在基底上安装电子元件。
附图简要说明
图1是采用适用于本发明的等离子体的回流钎焊设备示例的剖面 示意图。
图2是在本发明的示例中经过回流的8英寸晶片的平面示意图。
图3是在图2的晶片上形成的芯片图案的放大全图。
优选实施例的详细描述
用于本发明钎焊方法的钎料膏包含钎料粉末和焊剂。在本发明中， 焊剂的主要目的是赋予钎料粉末适印性，并且通常由焊剂活性组分实 现的还原作用代之以主要由气态等离子体形成的自由基气体实现。所 以，焊剂将包括一种或多种赋予钎料膏适印性的成分，但对所述焊剂 而言不必包括任何实现还原作用的活性组分(活性剂)。然而，在自 由基气体的还原作用不充分的情况下，焊剂可包括一或多种用于实现 还原作用的活性组分(活性剂)，这些活性剂在钎料膏的钎料粉末回 流温度下基本上完全汽化，但允许少量的焊剂成分如焊剂的0.5％或更 少的触变剂在钎焊后保留，只要这些焊剂成分不形成有害焊剂残留物 并且不影响自由基气体的还原作用。
基本上，焊剂的所有成分在钎料膏的钎料粉末回流温度下都汽化。
在回流温度下汽化且适用于本发明的赋予钎料膏适印性的组分示 例是可以起分离抑制剂的所有类型的触变剂。适当触变剂的具体示例 是硬化的蓖麻油、硬脂酰胺和双对甲基亚苄基山梨糖醇。
在回流温度下汽化并可以包含在用于本发明的焊剂中的活性组分 (活性剂)的某些示例是有机酸比如丁苯甲酸和己二酸，和胺盐比如 丁二酸单乙醇胺盐。
本发明的钎料膏也可包含溶剂。如同普通的钎料膏一样，在回流 过程中溶剂容易蒸发。在普通钎料膏中采用的任何类型的溶剂都可以 用于本发明。从获得更好的适印性的观点出发，具有较高粘度且容易 溶解焊剂中的任何活性组分的溶剂是优选的。优选溶剂的示例是醇， 比如三羟甲基丙烷、异冰片基环己醇和三水缩四乙二醇中的一种或多 种。也可以使用二甘醇-单丁基醚和三水缩四乙二醇。
在本发明中使用的钎料膏的钎料粉末成分没有具体的限制。从健 康和环境的观点出发，无铅钎料粉末是优选的，但含铅钎料粉末也可 以。钎料粉末可包含一或多种金属元素粉末，一或多种钎料合金粉末， 或元素和合金粉末的混合物。钎料粉末的颗粒尺寸和其他特征可以根 据钎料膏的预期应用、所需钎焊温度和其他要求进行选择。
钎料粉末和焊剂可以通过标准技术混合，而形成具有所需粘度的 钎料膏。钎料膏可以通过标准的印刷技术涂布到进行钎料膏回流的部 件上。
本发明的回流钎焊方法可以使用任何能将上有钎料膏的部件暴露 于自由基气体并将所述部件和钎料膏加热到回流温度的设备实现。适 用于本发明的回流钎焊设备的一个示例是日本的未审查专利申请2001 -58259中公开的设备，且在图1的剖面图中示出。因为该设备在所述 公报中详细描述，所以下面仅简要地描述。
在图1所示的设备中，由未示出的磁控管或其他适于产生微波的装 置产生的2.45GHz的微波10穿过矩形波导12，然后穿过隙缝天线14和 石英窗16，进入真空室18。
氢气形式的工艺气体从未示出的气源导入真空室18的等离子体产 生部分22中。入射在等离子体产生部分22中的氢气上的微波产生表面 波等离子体。
在所示设备中，微波的最大功率通常为3kw，真空室18内的气体 压力为50-250Pa，可以获得稳定的高密度等离子体。
导入等离子体产生部分22中的氢气的流速通常调整到10ml/min至 500ml/min的范围内。真空室18内的压力可以通过调节导入氢气的流 速，并调节连接于未示出的真空泵的排出阀38而调节。
在其下部，真空室18包含加热器32，在回流钎焊过程中进行回流 钎焊的部件可以放在上面。部件30可以通过输送臂36从未示出的加载 闸(lock)送入真空室18中，且部件30可以通过多个提升销34下降而 落在加热器32上或上升到加热器32上方。
氢气等离子体包含氢自由基和氢离子。通过气相沉积而形成Ni膜 的基底暴露于氢离子中，即使较短的时间(比如1分钟)，也可能导致 Ni膜剥离。所以，为了防止等离子体中的氢离子到达位于加热器32上 的部件30，在等离子体产生部分22和部件30之间跨过真空室18设置一 电接地屏蔽件24，该屏蔽件包含穿孔的金属板、金属网或其他适当的 构件。因为屏蔽件24电接地，所以在等离子体中形成的氢离子被屏蔽 件24捕获，而不能到达部件30，而氢分子和氢自由基可以穿过屏蔽件 24，进入包围部件30的空间中。当存在屏蔽件时，即使当上有Ni膜的 部件在加热器32上放置20分钟，且在等离子体产生部分22中产生等离 子体时，也看不出部件30上的Ni膜有变化。
本发明的回流钎焊方法不限于采用任何特定的自由基气体，但由 氢等离子体产生的氢自由基气体是优选的，因为它不具有腐蚀性。为 了形成等离子体，供应到真空室18的工艺气体可以包含一种以上的物 质。例如，当等离子体产生部分22中形成的等离子体是氢等离子体时， 工艺气体可包括除氢气之外的惰性气体。
在本发明的回流钎焊方法中的步骤可以类似于其中部件暴露于自 由基气体下的普通回流钎焊方法中的步骤，比如上述的日本未审查专 利申请2001-58259描述的方法。下面简要描述使用图1的设备实现本 发明的回流方法的工序示例。
在真空室18已经通过未示出的真空泵而排空时，氢气导入真空室 18，并将真空室18内的气体压力调整到例如50-250Pa范围内的规定 值。加热器32工作，而使被处理的部件30的温度保持在对应于所述压 力的规定值，比如225-230℃。
通过输送臂36将已经涂布钎料膏的部件30从未示出的加载闸送入 真空室18，并放在提升销34上，使已经涂布了钎料膏的部件30的表面 面向上。
通过提升销34使部件30下降，直到它停在加热器32上。当部件30 的上表面的温度足够高时，等离子体部分22中的氢气被来自波导12的 微波照射，而开始产生等离子体。当经过规定的时间时，停止微波照 射和等离子体产生部分22的氢气供应，终止等离子体的产生，并开始 冷却部件30。此时，提升销34升高而使所述部件30升离加热器32，将 所述部件30移动到输送臂32，冷却部件30，且部件30由输送臂36支撑。
作为冷却的结果，回流的钎料固化为连接在部件30上的钎料凸起。 因为钎料膏已经通过印刷涂布在部件30上，所以产生的钎料凸起非常 均匀且尺寸精度高。随后钎料凸起可以用于通过回流钎焊将部件30(或 部件30的部分)连接于其他部件。当部件30是上有集成电路的半导体 晶片时，通常通过本发明的方法在集成电路焊盘上形成钎料凸起。在 凸起形成之后，部件30可以切(切块)成单个芯片，每一芯片上有多 个钎料凸起。然后每一芯片可以通过钎料凸起的回流钎焊连接于基底。 回流钎焊可以在类似于最初形成钎料凸起的设备的、采用自由基气体 的设备中进行，而不需焊剂。
本发明的回流钎焊方法也可用于互相连接两个部件，而不必在每 一部件上首先形成钎料凸起。在本发明的这种形式中，钎料膏通过印 刷涂布在部件之一或两个部件上，然后将部件相对放置，使钎料膏夹 在两部件之间。然后将两部件放在采用自由基气体的回流钎焊设备中， 该设备可以具有与上述用于形成钎料凸起的回流钎焊设备相同的结 构。使钎料膏在回流钎焊设备中回流，在钎料膏中的钎料合金固化之 后，由钎料合金将两部件互相连接。
实施例
下面通过实施例详细描述本发明。
实施例1
利用两种钎料膏(膏1和膏2)由图1所示的回流钎焊设备进行回流。 每种钎料膏包含钎料合金颗粒和焊剂。每种钎料膏的焊剂成分在表1 中示出。
表1 焊剂组分 组分的成分 含量(质量％) 膏1 膏2 溶剂(醇基溶剂) 包含三羟甲基丙烷、异冰片基 环己醇和三水缩四乙二醇的 混合溶剂 87.5％ 83.8％ 活性成分 有机酸：丁苯甲酸 10％ - 有机酸胺盐(低温*)：丁二 酸单乙醇胺盐 2％ 6％ 分离抑制剂 触变剂(高温*)：双对甲基 亚苄基山梨糖醇 0.5％ 0.2％ 触变剂(低温*)：硬脂酰胺 - 10％
*高温和低温分别指在高于或低于钎料膏中的钎料粉末熔点的温 度下汽化的物质。
每种钎料膏中的钎料合金粉末具有5-15μm的直径和 Sn-3.0Ag-0.5Cu(质量％)的成分。这种合金成分在强度和热疲劳性 能方面优于Sn-Pb钎料合金。
按质量百分比计，焊剂占钎料膏的9.5-10.5％(约50％的体积)。 作为活性组分，焊剂包括有机酸胺盐，且在钎料膏1的情况下，包含有 机酸，两者具有较低的活性。
上有芯片图案的8英寸晶片50用作形成凸起的基底。如图2所示， 每一晶片50上形成104个芯片图案，每一个为9.6×9.6mm，且如图3所 示，每一芯片图案具有18×18＝324个用于形成凸起的焊盘52。所以， 在每一晶片50上可以形成104×324＝34992个凸起。
表1中的钎料膏通过使用日本Tani Denki Kougyou制造的TD- 4421型印刷机印刷而涂布到晶片上。然后晶片通过下述工序回流。
每一晶片放在回流设备的真空室18内的提升销34上，且晶片通过 提升销34下降而落在加热器32上。加热器32工作而使晶片温度保持在 225-230℃，并在50-200Pa的氢气压力下进行回流。
当晶片50安放在加热器32上之后经过3分钟时，氢气被2.5kW的微 波照射，形成表面波等离子体。在从形成等离子体开始经过15秒至1 分钟之后，停止供应氢基，提升销34升高，将晶片50移动到输送臂36 冷却。
作为对比例，晶片50在氢气气氛中加热，而不暴露于氢基下。
本发明的实施例和对比例的结果在表2中示出，因为对分别使用膏 1、2的钎料膏结果基本相同，所以表2示出了使用膏1的钎料膏的结果。 在表2的结果栏中，“好”表示在晶片的所有焊盘上形成凸起，没有任 何明显的焊剂残留物，而“还可以”表示少量的凸起未能成功地在晶 片的一部分焊盘上形成。
表2 回流气氛 回流过程 中的压力 晶片温度 加热时间 等离子体 产生时间 结果 氢基气体 50Pa 225-230℃  3分钟 1分钟 好 100Pa 200Pa 氢气 200Pa 225-230℃  15分钟 0分钟 还可以 335-340℃ 还可以
为了评价润湿性，钎料膏涂布到晶片的焊盘上，进行回流，形成 节距为210μm的10×10的凸起阵列，每一凸起的直径为160μm。通过在 氮气气氛中加热的方法或通过本发明的使用等离子体的方法进行回 流。使用膏1和2的钎焊膏的结果分别基本上相同，并在表3中示出。“好” 表示钎料膏充分润湿焊盘，“差”表示没有观测到钎料膏润湿焊盘。
表3 回流气氛 回流气氛 的压力 晶片温度 加热温度 等离子体 产生时间 结果 氮气气氛 大气压 225-230℃  5分钟 0分钟 差 氢基气体 200Pa 225-230℃  3分钟 1分钟 好
为证明用于后续回流操作的由本发明的方法形成的钎料凸起的性 能，一侧为6mm且上有通过实施例1中所述工序形成的钎料凸起的半导 体芯片在图1所示的回流钎焊设备中进行回流。设备中氢气气氛的压力 为200Pa，通过形成氢等离子体将氢基供应到芯片上，持续一分钟。钎 料凸起满意地熔化。
实施例2
实施例1的每种钎料膏分别印刷在半导体芯片和印刷电路板的焊 盘和焊接区上。芯片放在印刷电路板上，钎料膏夹在芯片和印刷电路 板之间。芯片和印刷电路板放在类似于图1所示的回流钎焊设备中，加 热到回流温度，同时暴露于氢基气体中。为对比起见，上面放置芯片 的另一印刷电路板在同样的回流钎焊设备中以同样的方式加热到回流 温度，同时暴露于氢气，但没有形成氢等离子体。
当暴露于氢基气体中加热钎料膏，芯片通过钎料可靠地连接在印 刷电路板上。相反，当钎料膏仅暴露于氢气气氛中进行加热时，芯片 不能可靠地连接在印刷电路板上。当在所述设备中产生氢等离子体时， 通过穿孔金属板24防止等离子体中的氢离子到达钎料膏，所以显然等 离子体中的氢基对钎料膏实现了还原作用。
从上述可以看出，本发明的回流钎焊方法可以形成微小凸起，或 将电子元件连接在基底上，而不形成有害的焊剂残留物，所以在钎焊 之后无需进行清洗而去除焊剂残留物。而且，本发明通过印刷可以将 钎料膏涂布在部件上，所以效率高，适于大规模应用。