CN101119827B - 用于具有不同基板的热可靠封装的方法和配置 - Google Patents

Abstract

一种减少不同材料的基板之间的应力的方法(80)包括步骤，将焊料(16)施加(82)在第一基板(14)上，在第一基板上回流焊接(84)焊料，以形成覆层基板(30)，在第二基板(42)上施加(85)诸如焊剂或焊料的介质，第二基板具有基本上不同于第一基板的热膨胀系数，将覆层基板安置(86)在第二基板上，并且回流焊接(88)覆层基板和第二基板，由此第一和第二基板之间的基本上不同的热膨胀系数引起的热应力受到了限制，直至温度大致达到低于第一基板上的焊料的固相线温度。

Description

用于具有不同基板的热可靠封装的方法和配置

技术领域

本发明通常涉及在基板之间施加焊料，并且更具体地，涉及一种使用不同的基板的封装及其组装和制造，其不易受到热应力的影响。

背景技术

包括具有不同基板材料的基板的焊接模块经受由于各个基板之间的不同的热膨胀系数(CTE)引起的热应力。例如，在回流焊接工艺过程中，在尝试将陶瓷基板焊接到诸如FR4的印刷电路板(PCB)材料时，由于CTE失配，出现了焊料中的以及可能的其他位置(基板自身)的裂缝。

基板之间的不同的CTE通常还被称为CTE失配。典型的PCB材料可以具有15PPM/℃的CTE，而陶瓷基板可以具有6PPM/℃的CTE。因此，在(回流焊接工艺的)冷却工艺过程中，随着PCB和陶瓷之间的焊料材料凝固，同时PCB和陶瓷未完全处于稳定状态，开始出现裂缝。应当注意，当PCB和陶瓷随着温度的降低仍然以不同的速率收缩时，无Pb焊膏(95.5％Sn-3.8％Ag-0.7％Cu)凝固或者具有217℃的固相线温度。结果，在陶瓷中形成了裂缝，并且在焊料中也可能形成裂缝。在高固相线温度的焊膏(95.5％Sn-3.8％Ag-0.7％Cu)凝固之后的长时间后，陶瓷和PCB板停止以不同的速率收缩。

应当注意，术语“固相线”、“液相线”和“熔点”之间存在差异。如冶金学家使用的术语“熔点”通常应用于纯净金属，其在单一温度下熔化。合金相比于其纯净形式，具有非常不同的熔化特性。大部分合金不具有单一的熔化温度或熔点，但是它们具有熔化范围。该范围的上限被称为液相线温度，而该范围的下限被称为固相线温度。因此，大部分冶金学家称纯净金属具有熔点，而合金(钎料)具有熔化范围。在加热过程中，固相线是合金开始熔化的温度。在固相线和液相线温度之间，合金将是固相和液相的混合物。在恰好高于固相线的温度下，混合物主要是固体，具有某些液相。在恰好低于液相线的温度下，混合物主要是液体，具有某些固相。液相线是这样的温度，在高于该温度下，合金完全熔化。换言之，当合金超过液相线温度时，不存在固相。合金完全熔化并流动。数种特殊的合金组分具有类似于纯净金属的特定熔点，换言之，固相线和液相线是相同的温度。该类型的合金被称为“共熔组分”，并且熔点被称为共熔点。

发明内容

根据本发明的实施例说明了一种形成具有至少两个基板的模块的配置和方法，该至少两个基板具有不同的材料，其在回流焊接工艺的过程之中和之后，基本上保持没有裂缝。

在本发明的第一方面中，一种减少不同材料的基板之间的应力的方法包括步骤，将焊料(诸如无铅焊料)施加在第一基板上，回流焊接第一基板上的焊料，以形成覆层基板，在第二基板上施加介质，将覆层基板安置在第二基板上，第二基板具有基本上不同于第一基板的热膨胀系数，并且回流焊接覆层基板和第二基板，由此第一和第二基板之间的基本上不同的热膨胀系数引起的热应力受到了限制，直至温度大致达到低于第一基板上使用的焊料的固相线温度。该无铅焊料可以具有低于217℃的固相线温度，并且可以包括许多不同的无铅焊料，诸如具有139℃的固相线温度的57％Bi，42％Sn，1％Ag或者具有144℃的固相线温度的43％Sn，43％Pb，14％Bi。第一基板可以是陶瓷基板，其具有例如6PPM/℃的热膨胀系数。第二基板可由印刷电路板材料制成，其具有例如15PPM/℃的热膨胀系数。该介质可以是定位介质，诸如焊剂或焊料。该介质可以具有高于施加到第一基板的焊料的固相线温度的固相线温度。可选地，将焊料施加到第一基板的步骤可以包括，将焊料施加到第一基板的第一面，并且该方法可以进一步包括步骤，将元件安置在第一基板的相反面上，并且回流焊接该相反面和元件。应当注意，第一和第二基板之间的基本上不同的热膨胀系数引起的热应力受到了限制，直至温度大致达到低于由第一基板上使用的焊料和第二基板上使用的焊料形成的复合焊料合金的固相线温度。而且，应当注意，复合焊料合金的固相线温度主要由第一基板上使用的焊料的固相线温度支配。

在本发明的实施例的第二方面中，一种减少不同材料的基板之间的应力的方法包括步骤，在由第一材料制成的第一基板上施加具有第一固相线温度(诸如低于217℃)的焊料，回流焊接该焊料和第一基板，以提供覆层板，在第二基板上施加介质，将覆层板安置在由第二材料制成的第二基板上，第二材料具有第二热膨胀系数，并且回流焊接覆层板和第二基板，由此第一热膨胀系数同第二热膨胀系数之间的任何失配引起的热应力受到了限制，直至温度达到低于第一基板上的焊料的第一固相线温度。焊料可以是具有低于217℃的固相线温度的无铅焊料，诸如具有139℃的固相线温度的57％Bi，42％Sn，1％Ag或者具有144℃的固相线温度的43％Sn，43％Pb，14％Bi。基板可以是陶瓷基板，其具有6PPM/℃的热膨胀系数。第二基板的第二材料可由印刷电路板材料制成，其具有例如15PPM/℃的热膨胀系数。该介质可以是焊料，其具有高于施加到第一基板的焊料的第一固相线温度的固相线温度，诸如在回流焊接覆层板和第二基板之前，与来自覆层板的焊料配合的第二基板部分上的具有217℃的或高于217℃的固相线温度的焊料。在另一替换方案中，向第一基板施加焊料的步骤可以包括，将焊料施加到第一基板的第一面，并且该方法可以进一步包括将元件安置在第一基板的相反面上并且回流焊接该相反面和元件的步骤。

在第三实施例中，一种模块可以包括，第一基板，其由第一材料制成；至少第二基板，其由至少第二材料制成，该第二材料具有基本上不同于第一基板的热膨胀系数的热膨胀系数；和低固相线温度焊料，其在回流焊接工艺过程中安置在第一基板和至少第二基板之间，由此第一和第二基板之间的基本上不同的热膨胀系数引起的热应力受到限制，直至温度达到低于低固相线温度焊料的固相线温度。低固相线温度焊料的固相线温度可以是144℃或者低于144℃。应当注意，作为回流焊接工艺的结果，在第一基板和至少第二基板中不存在裂缝。而且，应当注意，第一基板可由陶瓷材料制成，并且第二基板可由印刷电路板材料制成。应当注意，第一和第二基板之间的低固相线温度焊料形成为合金，其来自于在回流焊接工艺过程中覆于第一基板的低熔点焊料以及施加到第二基板的较高固相线温度的焊料，其中该合金具有主要由低固相线温度焊料支配的固相线温度。

附图说明

图1说明了根据本发明的实施例的基板的侧面剖视图。

图2说明了根据本发明的实施例的，进一步在图1的基板上面施加了无铅低熔点焊料的侧面剖视图。

图3说明了根据本发明的实施例的，图2的基板经过回流焊接以提供覆层板的侧面剖视图。

图4说明了根据本发明的实施例的，图3的覆层板进一步包括覆层的相反面上的元件的侧面剖视图。

图5说明了根据本发明的另一实施例的，诸如印刷电路板的第二基板的侧面剖视图，其具有介质，该介质施加在图4的覆层板的覆层部分与第二基板的焊盘配合的区域上。

图6是根据本发明的实施例的，通过将覆层板安置到第二基板上形成的回流焊接之前的模块的侧面剖视图。

图7示出了根据本发明的实施例的，回流焊接之后的图7的模块的侧面剖视图。

图8是根据本发明的实施例说明了减少不同材料的基板之间的应力的方法的流程图。

具体实施方式

尽管说明书的结论是限定了被视为新颖的本发明的特征的权利要求，但是可以认为，通过结合附图考虑下面的描述，将更好地理解本发明，在附图中，通篇使用相同的参考标号。

参考图1-5，示出了模块50通过制造模块50的工艺中的数个步骤的侧面剖视图。在图1中，经预处理的陶瓷板10可以包括陶瓷基板14，其具有多个焊盘12。在图2中，可以将焊料16施加到多个焊盘12。焊料16可以是低熔点焊料，并且还可以是无铅的。例如，焊料16可以具有由58％Bi/42％Sn组成的低熔点膏的形式，其被印刷到焊盘12上。在施加焊料16之后，可以将陶瓷板安置在回流焊炉中，以提供具有覆层16A的覆层板30。可选地，如图4中示出的，可以将元件18安置在覆层16A的相反面上。然后可以在该相反面上回流焊接元件，以形成组件40，其是热可靠封装。该热可靠封装不同于现有的陶瓷封装，现有的陶瓷封装在安置到诸如印刷电路板的另一个板上之前，不包括覆层(以及相反面上的元件)。然后可以将组件40安置(如图6中所示)在如图5中示出的经处理的印刷电路板45上，该印刷电路板可以包括具有包括焊盘44的传导区域的印刷电路板(PCB)42。经处理的PCB 45可以进一步包括介质46，诸如焊盘44上的定位介质。介质46可以是焊剂，或者可替换地，其可以是焊料。如果介质46是焊料，则可以通过多种方法将其施加到PCB 42，其包括，但不限于，丝网印刷。在将组件40安置在经处理的PCB 45上之后，如图6中所示，形成组件50，可以对其回流焊接，由此覆层16A同介质46形成了复合合金焊料55。如果介质46是高固相线温度焊料，则根据此处的实施例的回流焊接工艺应使覆层16A和介质46均达到液相线温度，并且形成复合合金焊料55，其固相线温度主要由覆层16A的较低的固相线温度决定或支配。再一次地，这不同于现有技术，现有技术典型地采用未覆层的板，并且仅在陶瓷基板和PCB之间印刷高熔点(或高固相线温度)的焊料。

尽管上文讨论的焊料可以具有任何形式(诸如预制件或膏)，但是还可以使用具有适当特性的焊球。用于使陶瓷基板覆层的焊料16可以是例如，低熔点的焊料凸起、膏或预制件，其具有57％Bi，42％Sn，1％Ag的组分，可以在139℃凝固。如果使用焊料预制件或膏，则低熔点焊料可替换地由43％Sn，43％Pb，14％Bi组成，其可以在144℃凝固。介质46可以是较高熔点(或者较高固相线温度)的焊料，诸如具有95.5％Sn，3.8％Ag，and 0.7％Cu的组分的无铅焊料凸点、焊膏或者焊料预制件。该特定的组合物在217℃凝固。当然，这些焊料组合物仅是示例性的，并且不应被解释为以任何方式限制本发明的范围。如上文提及的，所施加的不同的焊料组合物也可以具有不同的形式，诸如焊球、焊膏、焊料预制件或者任何其他的公知焊料形式。

在图6和7中示出的示例中，通过将熔点或固相线温度较低的焊料(16)施加到第一基板，并且回流焊接第一基板以提供具有覆层16A的覆层板，减少了模块50上的热应力。固相线温度较低的覆层16A将典型地支配或决定在回流焊接工艺过程中与固相线温度较高的焊料形成的任何合金的新的固相线温度。这样，其中存在基板之间的CTE失配的温度范围减小，并且由回流焊接工艺引起的焊料和基板(特别是陶瓷基板)中的裂缝将减少或被消除。例如，通过将复合焊料的固相线温度从217℃减小到144℃或139℃，随着基板在回流焊接工艺工程中收缩，基板上的应力在更低的温度(144或139℃)下开始出现。结果，陶瓷或者模块中的其他元件上的应力显著减小。在回流焊接模块50之后，形成了完成的封装。

参考图8，示出了说明减少不同材料的基板之间的应力的方法80的流程图。方法80可以包括，在步骤82中，将焊料(诸如无铅焊料)施加在第一基板上；在步骤84中，回流焊接第一基板上的焊料，以形成覆层基板；在步骤85中，在第二基板上施加介质，诸如焊剂或焊料；并且在步骤86中，将覆层基板安置在第二基板上，第二基板具有基本上不同于第一基板的热膨胀系数。方法80可以进一步包括步骤88，在步骤88中，回流焊接覆层基板和第二基板，由此第一和第二基板之间的基本上不同的热膨胀系数引起的热应力受到了限制，直至温度达到低于焊料的固相线温度(或者在第二基板上的介质是焊料的情况中，低于复合焊料的固相线温度)。尽管根据此处的实施例，可以使用含铅焊料用于覆层基板，但是覆层基板上使用的焊料的固相线温度应低于用作第二基板的介质的任何的焊料的固相线温度。用于覆层基板的无铅焊料例如，可以具有低于217℃的固相线温度，并且可以包括许多不同的无铅焊料，诸如具有139℃的固相线温度的57％Bi，42％Sn，1％Ag或者具有144℃的固相线温度的43％Sn，43％Pb，14％Bi。第一基板可以是陶瓷基板，其具有例如6PPM/℃的热膨胀系数。第二基板可由印刷电路板材料制成，诸如FR4，其具有例如15PPM/℃的热膨胀系数。可选地，方法80可以进一步包括将焊料施加到第一基板的步骤，通过在步骤90中将焊料施加到第一基板的第一面，并且将元件安置在第一基板的相反面上，并且回流焊接该相反面和元件。方法80可以进一步包括步骤92，在步骤92中，施加固相线温度高于第一或覆层基板上使用的焊料的固相线温度的不同焊料。例如，如果在覆层基板上使用固相线温度低于217℃的焊料，则在回流焊接覆层板和第二基板之前，可以在与来自覆层板的焊料配合的第二基板部分上，使用217℃或高于217℃的焊料。这样，在回流焊接工艺的冷却部分过程中，由第一和第二基板之间的基本上不同的热膨胀系数引起的热应力受到了限制，直至温度达到低于其中第一和第二基板之间存在焊料的部分上的复合焊料的固相线温度。该复合焊料(在回流焊接过程中具有合金的形式)的固相线温度将主要由固相线温度较低的焊料(或者第一基板上的覆层)的固相线温度决定或支配。

因此，根据本发明的实施例解决了在模块中使用不同的基板时的CTM失配问题。尽管说明和描述了本发明的数个实施例，但是应当理解，实施例不限于此。在不偏离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的前提下，本领域的技术人员将想到许多修改方案、变化方案、替换方案和等效方案。

此外，除非所附权利要求中说明，否则上文的描述仅作为示例，并非以任何方式限制本发明。

Claims (8)

1.一种减少不同材料的基板之间的应力的方法，包括步骤：

将焊料施加在第一基板上；

通过熔化所述第一基板上的焊料以及使得焊料和第一基板冷却来进行回流焊接，以形成覆层基板；

在第二基板上施加介质，其中所述介质具有的固相线温度高于施加到第一基板上的焊料的固相线温度；

将覆层基板安置在第二基板上，所述第二基板具有不同于所述第一基板的热膨胀系数；

回流焊接所述覆层基板和所述第二基板，到达熔化第二基板上所使用的介质的温度；以及

在回流焊接之后冷却所述覆层基板和所述第二基板，由于所述覆层基板和所述第二基板在回流焊接后立即冷却下来，使得在第二基板上介质的固相线温度和第一基板上焊料的固相线温度之间避免了由于所述第一和第二基板之间的不同的热膨胀系数而引起的热应力。

2.如权利要求1所述的方法，其中施加焊料的步骤包括施加固相线温度低于217℃的无铅焊料的步骤。

3.如权利要求1所述的方法，其中施加介质的步骤包括施加焊剂或焊料中的至少一个的步骤，所述焊剂或焊料的固相线温度高于施加到第一基板的焊料的固相线温度。

4.如权利要求3所述的方法，其中，直至温度大致达到低于由所述第一基板上使用的焊料和所述第二基板上使用的焊料形成的复合焊料合金的固相线温度的一个温度时，所述第一和第二基板之间的不同的热膨胀系数引起的热应力受到了限制。

5.如权利要求1所述的方法，其中在第二基板上施加介质的步骤包括在所述第二基板上施加固相线温度高于所述第一基板上使用的焊料的固相线温度的不同焊料的步骤，使得直至温度达到低于由所述第一基板上使用的焊料和所述第二基板上使用的焊料形成的复合焊料合金的固相线温度的一个温度时，所述第一和第二基板之间的不同的热膨胀系数引起的热应力受到了限制，其中所述复合焊料合金的固相线温度主要受所述第一基板上使用的焊料的固相线温度支配。

6.如权利要求1所述的方法，其中将焊料施加到第一基板的步骤包括将焊料施加到所述第一基板的第一面，并且所述方法进一步包括将元件安置在所述第一基板的相反面上并且回流焊接所述相反面和元件的步骤。

7.一种模块，包括：

第一基板，由第一材料组成；

至少第二基板，至少由第二材料组成，所述第二基板具有与第一基板的热膨胀系数不同的热膨胀系数；

复合焊料合金，其由覆于第一基板的第一焊料和覆于第二基板的第二焊料在回流焊接工艺过程中形成在第一基板和第二基板之间，其中，第一焊料的固相线温度低于第二焊料的固相线温度，所述复合焊料合金的固相线温度主要受第一焊料的固相线温度支配，使得直至温度达到低于所述复合焊料合金的固相线温度的一个温度时，所述第一和第二基板之间的不同的热膨胀系数引起的热应力受到了限制。

8.如权利要求7所述的模块，其中所述第一基板由印刷电路板材料组成，并且所述第二基板由陶瓷材料组成。

Images