感應加熱釺焊的磁性柱狀焊盤結構及焊接方法

2023-04-22 22:16:31

專利名稱：感應加熱釺焊的磁性柱狀焊盤結構及焊接方法
技術領域：
本發明涉及一種新型的封裝焊盤設計，尤其涉及一種能使晶片在封裝過程採取感應加熱方法進行局部加熱的結構以及材料的設計。
背景技術：
現有技術如圖1所示，印刷電路板1和印刷電路板2為需要通過釺焊進行互聯的印刷電路板，阻焊層3設置在印刷電路板的上部，阻焊層3的內部設置有在印刷電路板的表面上的焊盤4，在印刷電路板1的焊盤4上具有可焊保護層8，其作用是保護焊盤並提供良好的潤溼性，用以完成焊料與焊盤之間的聯接，可焊保護層8在印刷電路板製作完成後就存在，在焊接過程當中，可焊保護層8擴散熔融於焊料中(如圖IB所示，可焊保護層8消失)。環氧樹脂塑封料6內側有晶片7。釺焊料5的主要成分為錫(Sn)。常規電路板1、2 之間通過釺焊料5進行連接。主要成分為Sn的釺焊料5通過回流焊設備的腔體後，充分熔融，且和兩側的焊盤 4之間形成金屬間化合物，從而實現印刷電路板1、2之間的電互聯。在釺焊料通過回流焊腔體的過程中，封裝體以及電路板所有部分，均會經過高溫的熱衝擊，原本不需要額外加熱的部位同時受到熱衝擊。在電子行業曰益高密度以及薄層化的趨勢下，不必要的熱衝擊會對焊盤焊球之外的其它部分造成不良的影響，尤其會對對溫度敏感的晶片和基板造成損壞或不良的影響。

發明內容
本發明的目的在於提供一種利用感應加熱方法局部加熱來實現回流焊接的焊盤設計以及其工藝方法。為了實現上述目的，根據本發明的示例性實施例提供了一種焊盤，一種焊盤，其中，該焊盤上設置有柱狀結構，該柱狀結構包含磁性材料，所述柱狀結構用於對焊料進行加熱。其中，所述柱狀結構從焊盤表面突出並高於焊盤所在的電路板的最外端表面。其中，所述柱狀結構由磁性材料構成，或者通過將磁性材料覆蓋於非磁材料的柱體表面來形成。其中，所述磁性材料為鐵磁性材料。其中，鐵磁性材料的居裡溫度高於焊接所需的最高溫度。其中，所述磁性材料有足夠高的磁導率，以確保磁力線在柱狀結構中富集。其中，磁性材料的厚度大於等於焊盤在焊接過程中被施加的高頻磁場所形成渦流的趨膚深度。其中，在所述磁性材料的外側設置阻擋及可焊保護層。其中，阻擋及可焊保護層包括阻擋層和可焊保護層。其中，可焊保護層為金屬保護層或有機可焊層。
其中，所述柱狀結構與焊料接觸。 其中，在柱狀結構與焊盤之間設置有阻擋粘結層。根據本發明的示例性實施例還提供了一種製造如上所述的焊盤的方法，其中，所述方法包括以下步驟在焊盤上設置金屬柱；在金屬柱的表面覆蓋磁性層，該磁性層由磁性金屬材料形成，該金屬柱與磁性層構成柱狀結構；在柱狀結構的外側設置阻擋及可焊保護層。根據本發明的示例性實施例還提供了一種製造如上所述的焊盤的方法，其中，所述方法包括以下步驟在焊盤上設置阻擋粘結層；在阻擋粘結層上設置由磁性金屬材料形成的柱狀結構；在磁性層的外側設置阻擋及可焊保護層。其中，所述磁性金屬材料為鐵磁性金屬材料。所述阻擋及可焊保護層包括阻擋層以及可焊保護層，其中，可焊保護層用於保護焊盤並在焊接過程中提供良好的潤溼性，阻擋層用於阻止或減輕可焊保護層與內層金屬之間的相互擴散，並且阻擋層還用於與焊料作用，通過擴散來形成金屬間化合物。其中，所述阻擋層位於所述可焊保護層內側。其中，在焊盤上設置金屬柱的步驟是通過電鍍或化學鍍來完成的。其中，在阻擋粘結層上設置金屬柱的步驟是通過電鍍或化學鍍來完成的。其中，在柱狀結構的外側設置阻擋及可焊保護層是通過電鍍或者化學鍍來完成的。根據本發明的示例性實施例還提供了一種焊接電路板的方法，其中，所述方法包括以下步驟在一個電路板上製作出如上所述的設置有柱狀結構的焊盤；進行焊料的印刷，使焊料包裹所述柱狀結構；將需要形成互聯的兩塊電路板對準放置；將兩塊電路板的整體置於高頻交流磁場中，從而在柱狀結構上感生出渦流，由內而外對焊料進行加熱。其中，通過變換高頻交流磁場的頻率、強度和/或施加於器件的角度來改變渦流的大小，從而實現焊盤區域溫度的變化，使焊接區域溫度貼合回流焊接中需要的溫度曲線。通過改變高頻磁場施加的方向，可以獲得不同的渦流強度，來改變產生溫度的高低。通過焊盤內部事先製作的磁性柱狀結構，配合高頻交流磁場，在柱狀結構產生渦流對焊盤上的釺焊料進行加熱，實現回流焊。柱狀結構實現了對焊料由內外的加熱，有利於避免焊料內空洞的產生，同時柱狀結構可對板級的互聯結構進行支撐，而其它不需要進行加熱的部位則避免了熱衝擊。


通過下面結合示例性地示出一例的附圖進行的描述，本發明的上述和其他目的和特點將會變得更加清楚，其中圖IA和圖IB是示意性示出現有技術的釺焊工藝的示圖；圖2A和圖2B是製造根據本發明的示例實施例的兩種焊盤結構的工藝流程的示圖。圖3示出了利用圖2A和圖2B示出的焊盤結構進行感應加熱釺焊的工藝。
具體實施例方式以下，將參照附圖來詳細說明本發明的實施例。圖2A和圖2B是製造根據本發明的示例實施例的兩種焊盤結構的工藝流程的示圖。圖2A所示的第一種工藝流程是在傳統焊盤上製作表面覆蓋磁性鍍層的金屬柱，圖2B 所示的另一種工藝流程是在傳統焊盤上直接製作出磁性的柱狀結構。如圖2A所示，在傳統焊盤4(即在印刷電路板的表面通過阻焊層的間隙裸露的焊盤)上通過電鍍、化學鍍或其他方法製作出一個金屬柱9 (例如，銅柱)，然後在金屬柱9的表面覆蓋有一定厚度的磁性層10，該磁性層10由磁性金屬材料形成，金屬柱9和磁性層10 兩者構成了柱狀結構13'。在柱狀結構13'的外表面(即，磁性層10的外側)通過電鍍或者化學鍍等方法設置有阻擋及可焊保護層11，阻擋及可焊保護層11可以包括兩層，例如， 阻擋及可焊保護層11可以包括阻擋層和可焊保護層，阻擋層可位於可焊保護層內側。其中，可焊保護層的作用是保護焊盤並在焊接過程中提供良好的潤溼性，用以完成焊料與焊盤之間的聯接。舉例來說，所述可焊保護層可以為金屬保護層或有機可焊層。阻擋層主要起兩種作用，首先，阻擋層用於阻止或減輕可焊保護層與內層金屬之間的相互擴散，實現可以信賴的保護；其次，阻擋層用於與焊料作用，擴散而形成金屬間化合物，形成聯接。如圖2B所示，在傳統焊盤4(即在印刷電路板的表面通過阻焊層的間隙裸露的焊盤)上設置阻擋粘結層12，在阻擋粘結層12上設置磁性柱狀結構13。阻擋粘結層12是用於阻擋磁性柱狀結構13與焊盤4之間的材料擴散，並且用於粘結磁性柱狀結構13和焊盤 4。阻擋及粘結層可以由同時具有上述兩種功能的一層材料組成，也可以由分別具有上述兩種功能的兩層材料組成。柱狀結構13是通過在阻擋粘結層12上通過電鍍、化學鍍或其他方法製作而成，該柱狀結構13由磁性金屬材料形成。在柱狀結構13的外表面通過電鍍或者化學鍍等方法設置阻擋及可焊保護層11，阻擋及可焊保護層11可以包括兩層，例如，阻擋及可焊保護層11可以包括阻擋層和可焊保護層，阻擋層可位於可焊保護層內側。其中， 可焊保護層的作用是保護焊盤並在焊接過程中提供良好的潤溼性，用以完成焊料與焊盤之間的聯接。舉例來說，所述可焊保護層可以為金屬保護層或有機可焊層。阻擋層主要起兩種作用，首先，阻擋層用於阻止或減輕可焊保護層與內層金屬之間的相互擴散，實現可以信賴的保護；其次，阻擋層用於與焊料作用，擴散而形成金屬間化合物，形成聯接。圖3示出了利用圖2A和圖2B示出的焊盤結構進行感應加熱釺焊的工藝。如圖 3所示，進行焊膏的印刷，這需要形成互聯的兩塊電路板對準放置，使焊料包裹柱狀結構13 或13'，然後將兩塊電路板的整體置於高頻交流磁場中。高頻變化的磁力線富集於磁導率高的鐵磁性材料(即柱狀結構13'的磁性層10或者磁性柱狀結構13)，從而快速變化的磁力線在柱狀結構中感生出渦流，渦流的熱效應產生於焊盤4上的柱狀結構13或13'，由內而外對釺焊料進行加熱，通過變換高頻交流磁場的頻率、強度以及施加於器件的角度來改變渦流的大小，從而實現焊盤區域溫度的變化，使焊接區域溫度貼合回流焊接中需要的溫度曲線。通過焊盤內部事先製作的磁性柱狀結構，配合高頻交流磁場，在柱狀結構產生渦流對焊盤上的釺焊料進行加熱，實現回流焊。柱狀結構實現了對焊料由內外的加熱，有利於避免焊料內空洞的產生，同時柱狀結構可對板級的互聯結構進行支撐，加大了兩個釺焊件之間的結合強度。而且柱狀結構將感應產生的熱限制在焊盤上的焊料所在的區域內，將產生熱的區域限制得非常小，將對其他不需要進行加熱的部分的熱衝擊降低到最低程度。上面所使用的磁性金屬材料的居裡溫度高於回流焊所需的最高溫度，此處，「回流焊所需的最高溫度」是指回流焊溫度曲線中溫度最高的部分。居裡溫度是指材料可以在鐵磁體和順磁體之間改變的溫度，即鐵電體從鐵電相轉變成順電相引的相變溫度。也可以說是發生二級相變的轉變溫度。低於居裡溫度時該物質成為鐵磁體，此時和材料有關的磁場很難改變。當溫度高於居裡點溫度時，該物質成為順磁體，磁體的磁場很容易隨周圍磁場的改變而改變。因此，當所使用的磁性金屬材料的居裡溫度高於回流焊所需的最高溫度時，可以確保磁性材料的磁性在回流焊過程中不至於失去，從而可以持續的保持高的磁通，產生渦流。磁性材料(磁性層10或磁性柱狀結構13)具有一定的厚度，其厚度優選為大於等於高頻磁場的所形成渦流的趨膚深度。其目的在於使磁性材料充分加熱，即，如果該厚度小於趨膚深度，無法獲得最大的渦流，從而無法充分加熱釺焊料。理論上，磁性材料的磁導率越高越好，高的磁導率可以獲得大的磁力線的集中度， 從而產生更大的渦流。磁性材料為鐵磁性磁性材料。本發明的柱狀結構不一定必須全部由磁性材料構成，也不一定是在金屬柱的最外層形成磁性層，而是只要在柱狀結構中部含有若干磁性層即可。雖然上面順序描述了各個步驟，但是本發明不限於此，各個步驟並非嚴格按描述的順序執行，除非上下文明顯矛盾。雖然已經參照本發明的示例性實施例具體示出並描述了根據本發明的實施例的感應加熱釺焊的磁性柱狀焊盤結構及焊接方法，但是本領域技術人員將理解的是，在不脫離如權利要求限定的本發明的精神和範圍的情況下，可以在這裡做出形式和細節上的各種改變。
權利要求
1.一種焊盤，其中，該焊盤上設置有柱狀結構，該柱狀結構包含磁性材料，所述柱狀結構用於對焊料進行加熱。
2.根據權利要求1所述的焊盤，其中，所述柱狀結構從焊盤表面突出並高於焊盤所在的電路板的最外端表面。
3.根據權利要求1所述的焊盤，其中，所述柱狀結構由磁性材料構成，或者通過將磁性材料覆蓋於非磁材料的柱體表面來形成。
4.根據權利要求3所述的焊盤，其中，所述磁性材料為鐵磁性材料。
5.根據權利要求4所述的焊盤，其中，鐵磁性材料的居裡溫度高於焊接所需的最高溫度。
6.根據權利要求3所述的焊盤，其中，所述磁性材料有足夠高的磁導率，以確保磁力線在柱狀結構中富集。
7.根據權利要求3-6中任一項所述的焊盤，其中，磁性材料的厚度大於等於焊盤在焊接過程中被施加的高頻磁場所形成渦流的趨膚深度。
8.根據權利要求1-6中任一項所述的焊盤，其中，在所述磁性材料的外側設置阻擋及可焊保護層。
9.根據權利要求8所述的焊盤，其中，阻擋及可焊保護層包括阻擋層和可焊保護層。
10.根據權利要求9所述的焊盤，其中，可焊保護層為金屬保護層或有機可焊層。
11.根據權利要求1所述的焊盤，其中，所述柱狀結構與焊料接觸。
12.根據權利要求1-6中任一項所述的焊盤，其中，在柱狀結構與焊盤之間設置有阻擋粘結層。
13.—種製造如權利要求1-11中任一項所述的焊盤的方法，其中，所述方法包括以下步驟在焊盤上設置金屬柱；在金屬柱的表面覆蓋磁性層，該磁性層由磁性金屬材料形成，該金屬柱與磁性層構成柱狀結構；在柱狀結構的外側設置阻擋及可焊保護層。
14.一種製造如權利要求1-12中任一項所述的焊盤的方法，其中，所述方法包括以下步驟在焊盤上設置阻擋粘結層；在阻擋粘結層上設置由磁性金屬材料形成的柱狀結構； 在磁性層的外側設置阻擋及可焊保護層。
15.根據權利要求13或14所述的方法，其中，所述磁性金屬材料為鐵磁性金屬材料。
16.根據權利要求13或14所述的方法，其中，所述阻擋及可焊保護層包括阻擋層以及可焊保護層，其中，可焊保護層用於保護焊盤並在焊接過程中提供良好的潤溼性，阻擋層用於阻止或減輕可焊保護層與內層金屬之間的相互擴散，並且阻擋層還用於與焊料作用，通過擴散來形成金屬間化合物。
17.根據權利要求16所述的方法，其中，所述阻擋層位於所述可焊保護層內側。
18.根據權利要求13所述的方法，其中，在焊盤上設置金屬柱的步驟是通過電鍍或化學鍍來完成的。
19.根據權利要求14所述的方法，其中，在阻擋粘結層上設置金屬柱的步驟是通過電鍍或化學鍍來完成的。
20.根據權利要求13或14所述的方法，其中，在柱狀結構的外側設置阻擋及可焊保護層是通過電鍍或者化學鍍來完成的。
21.一種焊接電路板的方法，其中，所述方法包括以下步驟在一個電路板上製作出如權利要求1-12中任一項所述的設置有柱狀結構的焊盤； 進行焊料的印刷，使焊料包裹所述柱狀結構； 將需要形成互聯的兩塊電路板對準放置；將兩塊電路板的整體置於高頻交流磁場中，從而在柱狀結構上感生出渦流，由內而外對焊料進行加熱。
22.根據權利要求21所述的焊接電路板的方法，其中，通過變換高頻交流磁場的頻率、強度和/或施加於器件的角度來改變渦流的大小，從而實現焊盤區域溫度的變化。
全文摘要
本發明公開了一種感應加熱釺焊的磁性柱狀焊盤結構及焊接方法。焊盤上設置有柱狀結構，該柱狀結構包含磁性材料，所述柱狀結構用於深入到焊料內部。其製造方法為在焊盤上設置金屬柱，在金屬柱的表面覆蓋磁性層，該磁性層由磁性金屬材料形成，該金屬柱與磁性層構成柱狀結構；或者直接在焊盤上設置磁性柱狀結構。在柱狀結構的外側設置阻擋及可焊保護層。焊接的方法包括進行焊料的印刷，使焊料包裹所述柱狀結構；將需要形成互聯的兩塊電路板對準放置；將兩塊電路板的整體置於高頻交流磁場中。柱狀結構實現了對焊料由內外的加熱，有利於避免焊料內空洞的產生，同時柱狀結構可對板級的互聯結構進行支撐，而其它不需要進行加熱的部位則避免了熱衝擊。
文檔編號B23K3/06GK102218577SQ20111012167
公開日2011年10月19日 申請日期2011年5月9日 優先權日2011年5月9日
發明者陳崢嶸 申請人:三星半導體(中國)研究開發有限公司, 三星電子株式會社