СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ МАТРИЧНО РАСПОЛОЖЕННЫХ ШАРИКОВЫХ ВЫВОДОВ МИКРОСХЕМ ИЗ БЕССВИНЦОВОГО ПРИПОЯ В ОЛОВЯННО-СВИНЦОВЫЕ ОКОЛОЭВТЕКТИЧЕСКОГО СОСТАВА И ПРИПОЙНАЯ ПАСТА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF CONVERTING MATRIX-ARRANGED MICROCIRCUIT BALL LEADS MADE OF LEAD-FREE SOLDER INTO TIN-LEAD LEADS OF NEAR-EUTECTIC COMPOSITION AND SOLDER PASTE THEREFOR

Предложение относится к радиоэлектронике и может быть использовано для преобразования матрично расположенных шариковых выводов микросхем из бессвинцового припоя в оловянно-свинцовые околоэвтектического состава при дальнейшем поверхностном монтаже электрорадиоэлементов и интегральных схем на печатные платы и формирования надежных и качественных паяных соединений, предназначенных для работы в жестких условиях эксплуатации.
Известен способ снятия матрично расположенных шариковых выводов из припоя микросхем в корпусе BGA механическим способом по патенту KR 200443484 (Y1) от 12.02.2009 г., МПК H01L 21/02, «Brush for Reballing Pre-treatment Removing Lead and Other Material of Ball Grid Array Package» («Кисть для снятия свинца и других материалов с BGA в процессе предварительной стадии реболлинга») - [1].
Недостатком известного механического снятия шариковых выводов из припоя [1] является сложность и трудоемкость процесса, впоследствии которого существенно снижается надежность самой микросхемы из-за механических воздействий, приводящих к повреждениям контактных площадок BGA.
Известны способы замены матрично расположенных шариковых выводов микросхем из припоя на новые шариковые выводы из припоя другого состава термомеханическим способом по патентам:
- JP 2001345401 (А) от 14.12.2001 г., МПК H01L 21/60, H01L 23/12, «Ball alignment junction method» («Метод совмещения при присоединении шаров») - [2];
- KR 20030070364 (А) от 30.08.2003 г., МПК H01L 21/6, «Method for fabricating repairing and reballing ball grid array package» («Метод для производства, ремонта и реболлинга BGA») - [3];
- KR 20090078417 (А) от 20.07.2009 г., МПК H01L 21/60; H01L 23/48; Н05К 3/34, «Reballing method of ball grid array» («Метод реболлинга BGA») - [4].
Недостатком известных термомеханических способов замены шариковых выводов из припоя по [2, 3 и 4] является многостадийность процесса, которая включает
- тепловой разогрев до температуры плавления старых шариковых выводов;
- механическое удаление расплавленных шариков припоя;
- охлаждение микросхемы;
- установка (предварительное закрепление) новых шариковых выводов из припоя другого состава, например, эвтектического оловянно-свинцового припоя, на место удаленных;
- нагрев до температуры плавления новых шаров (образование, например, оловянно-свинцовых выводов) с последующим охлаждением микросхемы.
Такая многостадийность процесса сложна и трудоемка, и кроме механического воздействия на микросхему требует ее двукратный нагрев, что существенно снижает надежность микросхемы и делает ее малопригодной для монтажа в устройствах, предназначенных для работы в жестких условиях эксплуатации.
Известны устройства для осуществления способов по [2, 3 и 4], например:
- KR 100831167 (В1) от 26.05.2008 г., МПК H01L 21/60, H01L 23/48, «Solder ball reballing device for BGA type sub-strate» («Устройство для реболлинга шариков припоя с подложки компонентов типа BGA») - [5];
- KR 100860944 (В1) от 29.09.2008 г., МПК H01L 21/60, «Solder ball re-balling device for BGA type sub-strate» («Устройство для реболлинга шариков припоя с подложки компонентов типа BGA») - [6];
- KR 20100008409 (U) от 25.08.2010 г., МПК H01L 21/60, Н05К 3/34, «Apparatus For Solder Ball Reballing» («Аппарат для реболлинга шаров припоя») - [7].
Недостатком устройств по [5, 6 и 7] является их сложность и высокая стоимость. Кроме этого на данных устройствах производят только установку новых шариковых выводов из припоя, а снятие старых шаров не предусмотрено.
Известны также способы установки шариковых выводов из припоя по патентам и заявке:
- KR 20050011454 (А) от 29.01.2005 г., МПК H01L 21/60, «Reballing method using smd print manner for reducing contact failure between flux and solder ball and arranging exactly solder balls» («Метод реболлинга с применением трафаретного принтера для уменьшения плохого контакта между флюсом и шариком припоя и установки непосредственно шариков припоя») - [8];
- US 2005189402 (А1) от 01.09.2005 г., МПК В23К 1/00, В23К 3/06, Н05К 3/34, «Area array and leaded SMT component stenciling apparatus and area array reballing method» («Трафарет для компонентов с матричным расположением выводов и метод реболлинга») - [9];
- Заявка WO 2011006482 (А1) от 20.01.2011 г., МПК Н05К 3/34, «Device for heating smd components for reballing» («Устройство нагрева поверхностно-монтируемых компонентов при реболлинге») - [10].
Однако в материалах [8, 9 и 10] не описаны способы снятия шаров припоя, что также предусматривает многостадийность процесса замены с механическими воздействиями и двукратным тепловым нагревом, что приводит к недостаткам способов [2, 3 и 4].
Прототипом заявляемого технического решения (способа) является способ по патенту US 2011132972 (А1) от 09.06.2011 г., МПК В23К 31/02, «Manual method for reballing using a solder preform» («Ручной способ реболлинга с использованием паяльного приспособления») - [11].
Способ [11] ручного повторного присоединения шариков припоя на матрично расположенные контактные площадки микросхемы, заключающийся в следующем:
сначала новые шары из оловянно-свинцового припоя могут устанавливать в отверстия приспособления, выполненные в точном соответствии с матрично расположенными контактными площадками микросхемы, с которой предварительно уже сняты старые шары из бессвинцового припоя. Шары фиксируются в приспособлении с помощью клеевого слоя, находящегося в приспособлении.
Далее на контактные площадки микросхемы могут наносить припойную пасту или флюс-гель, и производят совмещение и соединение шаров в приспособлении с контактными площадками микросхемы. Затем производят нагрев до плавления припойной пасты и/или шариков припоя и далее производят охлаждение с образованием шариковых выводов микросхемы. В дальнейшем приспособление снимается, шариковые выводы микросхемы очищают от остатков клея и флюса.
Недостатки способа прототипа такие же, как и аналогов [2, 3, 4, 8, 9 и 10].
Указанные недостатки аналогов и прототипа ставят задачу существенного снижения технологических воздействий на микросхему в корпусе BGA (CSP) - микросхему с матрично расположенными шариковыми выводами за счет исключения предварительной операции снятия шаров из бессвинцового припоя и создания способа преобразования тех же матрично расположенных шариковых выводов микросхем из бессвинцового припоя в оловянно-свинцовые околоэвтектического состава за один цикл теплового воздействия (низкотемпературного, с температурой плавления околоэвтектического припоя) на микросхему, для сохранения ее полной работоспособности после преобразования.
62
36
2
63
37
Поставленная задача достигается тем, что (сущность изобретения) предложенный способ преобразования матрично расположенных шариковых выводов микросхемы из бессвинцового припоя в оловянно-свинцовые околоэвтектического состава заключается в том, что микросхему с матрично расположенными шариковыми выводами из бессвинцового припоя на основе олова и серебра (SAC 305, SAC 405 и др.) устанавливают на плоскую подложку из несмачиваемого припоем материала (керамика, стекло, нефольгированный стеклотекстолит и др.), на которую предварительно наносят через металлический трафарет, в точном соответствии с матричным расположением шариковых выводов микросхемы определенные дозы припойной пасты, имеющей в своем составе повышенное содержание свинца (металлическая составляющая такой припойной пасты в своем составе имеет содержание свинца 75…95% по весу). При этом обеспечивают совмещение и контактирование шариковых выводов и доз припойной пасты. Далее производят нагрев до пиковой температуры не более 230°С и последующее охлаждение с выдержкой определенного временного интервала при температуре выше 180°С до образования в процессе кристаллизации новых шариковых выводов большего размера, состоящих из околоэвтектических оловянно-свинцового припоя, близкого по составу к эвтектическому трехкомпонентному сплаву SnPbAg. При температуре 183°С плавится имеющейся в нанесенной припойной пасты эвтектический оловянно-свинцовый припой SnPb, что инициирует процесс контактного плавления шариковых выводов и металлической составляющей нанесенной припойной пасты в зоне их контактирования за счет диффузии олова и свинца в расплавленный припой, ускоряемый в процессе дальнейшего роста температуры. В результате в течение незначительного времени бессвинцовый припой шариковых выводов и входящий в состав нанесенной припойной пасты оловянно-свинцовый припой с большим содержанием свинца переходят из твердого в жидкое состояние, перемешиваются между собой за счет взаимной диффузии олова и свинца в расплаве с образованием при снижении температуры сплава до температуры солидус (около 180°С) в процессе кристаллизации новых шариковых выводов большего размера, имеющих однородную мелкозернистую структуру и состоящих из околоэвтектического оловянно-свинцового припоя. Процесс преобразования завершают снятием микросхемы с подложки, удалением (например, отмывкой) остатков флюса с шариковых выводов микросхемы, сушкой и контролем.
62
36
2
Для матрично расположенных шариковых выводов микросхемы из бессвинцового припоя предварительно определяют массу дозы припойной пасты (с высоким содержанием свинца), состав которой рассчитывают исходя из массо-габаритных размеров (диаметр, высота, объем, масса), химического состава бессвинцового припоя шариковых выводов и шага их матричного расположения на микросхеме. При этом с учетом необходимого и возможного увеличения объема преобразованного шарикового вывода рассчитывают массы свинца, олова и других компонентов, которые должны быть привнесены в бессвинцовый припой вывода (чтобы в процессе преобразования получился шариковый вывод из припоя SnPbAg). Определяют состав и процентное содержание свинца, олова и серебра в металлической составляющей, ее объемную долю в припойной пасте, а также объем и габаритные размеры апертуры металлического трафарета (для качественного нанесения доз припойной пасты), при этом изготовление припойной пасты с высоким содержанием свинца расчетного состава и металлического трафарета с апертурами, имеющими расчетные размеры, учитывающие требования определенного соотношения площади апертуры к площади стенок апертуры, обеспечивает возможность реализации заявляемого способа.
Прототипом припойной пасты служит припойная паста по патенту RU 2450903 С2 от 20.05.2012 г., МПК В23К 35/36, В23К 35/363, В23К 35/26, «Припойная паста» (заявитель ОАО «Авангард») - [12], которая содержит 80…91 мас.% порошка низкотемпературного припоя и 9…20 мас.% флюса-связки, при этом флюс-связка включает компоненты в следующем соотношении, мас.%:
модифицированная канифоль на основе
природных компонентов
30…60
смесь органических растворителей, в
виде жирных кислот и эфиров
35…70
активаторы в виде смеси органических кислот
1…8
Недостатком известной припойной пасты [12] является то, что она в представленном виде без порошка низкотемпературного припоя с высоким содержанием свинца не может быть использована для реализации заявляемого способа.
Припойная паста для преобразования матрично расположенных шариковых выводов микросхемы из бессвинцового припоя в оловянно-свинцовые околоэвтектического состава по вышеизложенному способу состоит из порошка припоя и флюс-связки и содержит порошок низкотемпературного припоя от 88…92 мас.% и флюс-связку 8…12 мас.%, при этом:
порошок низкотемпературного припоя состоит из смеси порошков оловянно-свинцовых припоев и имеет следующее соотношение компонентов, мас.%:
порошок оловянно-свинцового припоя Sn<sub>63</sub>Pb<sub>37</sub> или Sn<sub>62</sub>Pb<sub>36</sub>Ag<sub>2</sub>
1…30
смесь порошков оловянно-свинцовых припоев с высоким содержанием свинца (например, Sn<sub>5</sub>Pb<sub>95</sub>, Sn<sub>10</sub>Pb<sub>90</sub> или других, или один из них)
70…99
а флюс-связка состоит из следующего соотношения компонентов, мас.%:
модифицированная канифоль на основе природных компонентов
30…60
смесь органических растворителей в виде жирных
кислот и сложных эфиров
35…70
активаторы в виде смеси органических кислот
1…8
На фиг.1 представлена схема нанесения доз заявляемой припойной пасты на подложку.
На фиг.2 - схема установки (совмещения) микросхемы с матрично расположенными шариковыми выводами из бессвинцового припоя на дозы припойной пасты, нанесенной на подложку.
На фиг.3 - процесс нагрева подложки с установленной микросхемой до начала преобразования шариковых выводов.
На фиг.4 - подложка с установленной микросхемой после окончания преобразования преобразования шариковых выводов микросхемы из бессвинцового припоя в оловянно-свинцовые околоэвтектического состава.
На фиг.5 - виды микросхемы: а) с шариковыми выводами из бессвинцового припоя (меньшего размера); б) с шариковыми выводами припоя из оловянно-свинцового околоэвтектического состава (большего размера).
На фиг.6 - температурно-временной профиль нагрева в процессе преобразования матрично расположенных шариковых выводов микросхем из бессвинцового припоя в оловянно-свинцовые околоэвтектического состава.
64
34
2
На фиг.7 - вид микрошлифа преобразованного шарикового вывода имитатора микросхемы CSP132, состоящего из оловянно-свинцового припоя околоэвтектического состава SnPbAg (Sn64%Pb34%Ag2%) по данным рентгеновского микроанализа (×200).
На фиг.8 - микроструктура припоя по фиг.7 у нижней границы шарикового вывода (×1000).
На фиг.9 - микроструктура припоя по фиг.7 в центре шарикового вывода (×1000).
По схемам, представленным на фиг.1, 2, 3, 4 и 5, наглядно представлена последовательность реализации предложенного способа, где: 1 - плоская подложка из несмачиваемого припоем материала, например, керамика, стекло, нефольгированный стеклотектсолит и другой материал; 2 - припойная паста для преобразования шариковых выводов микросхемы из бессвинцового припоя в оловянно-свинцовые околоэвтектического состава; 3 - ракель для нанесения припойной пасты; 4 - металлический трафарет, апертуры на котором расположены в точном соответствии с матричным расположением шариковых выводов микросхемы; 5 - дозы припойной пасты, нанесенные на плоскую подложку 1; 6 -микросхема в корпусе BGA (CSP) - микросхема с матрично расположенными шариковыми выводами; 7 - контактные площадки микросхемы; 8 - шариковый вывод из бессвинцового припоя (припаянный к контактной площадке 8); 9 - шариковый вывод из оловянно-свинцового припоя околоэвтектического состава (припаянный к контактной площадке 8); 10 - остатки флюса на шариковых выводах микросхемы.
1
2
3
4
Кроме того, на фиг.7 и на фиг.8 выделены зоны в которых был проведен химический анализ шарикового вывода из оловянно-свинцового припоя околоэвтектического состава: З - зона 1 шарикового вывода 9; З - зона 2 шарикового вывода 9; З - зона 3 шарикового вывода 9; З - зона 4 шарикового вывода 9 - вблизи контактной площадки 7.
Введение в припойную пасту порошка из эвтектического оловянно-свинцового припоя необходимо для существенного снижения температуры начала процесса преобразования, при которой плавится эвтектический оловянно-свинцовый припой и инициируется процесс контактного плавления, при котором бессвинцовый припой шариковых выводов и оловянно-свинцовый припой с большим содержанием свинца переходят из твердого в жидкое состояние при температуре существенно ниже их температур плавления.
62
36
2
Введение в припойную пасту смеси порошков оловянно-свинцовых припоев с высоким содержанием свинца (или одного порошка оловянно-свинцового припоя с высоким содержанием свинца) необходимо для обеспечения в преобразованном шариковом выводе при ограниченной возможности увеличения его объема определенного соотношения олова, свинца и серебра, близкого по составу к эвтектическому трехкомпонентному припою SnPbAg.
Применяемая в предложенном техническом решении канифоль на основе природных компонентов представляет собой модифицированную высокогидрированную канифоль, температура плавления которой стабильна и лежит в узких пределах 80…82°С, а кислотное число составляет 175…180. Ее применение позволяет существенно стабилизировать свойства припойной пасты и этам повысить качество оплавления с преобразованием шариковых выводов микросхемы из бессвинцового припоя в оловянно-свинцовые околоэвтектического состава.
Активаторы в виде смеси органических кислот на основе карбоновой кислоты, которая, с одной стороны, выступает как активатор, а с другой - как тиксотропная добавка, обеспечивающая улучшенную реологию припойной пасты. Хорошие реологические свойства припойной пасте также придает основа флюс-связки: модифицированная высокогидрированная канифоль.
Так при проведении экспериментальной проверки способа преобразования матрично расположенных шариковых выводов микросхемы из бессвинцового припоя на основе олова и серебра SAC 305 диаметром 0,3 мм (шариковых выводов имитатора микросхемы CSP132) в оловянно-свинцовые околоэвтектического состава, в одном из многочисленных вариантов была выбрана припойная паста, содержащая порошок низкотемпературного припоя от 90 мас.% и флюс-связку 10 мас.%, при этом:
порошок низкотемпературного припоя состоял из смеси порошков оловянно-свинцовых припоев и имел следующее соотношение компонентов, мас.%:
порошок оловянно-свинцового припоя Sn<sub>63</sub>Pb<sub>37</sub>
5
порошок оловянно-свинцовых припоев с высоким
содержанием свинца Sn<sub>5</sub>Pb<sub>95</sub>
95
а флюс-связка состояла из следующего соотношения компонентов, мас.%:
модифицированная канифоль на основе природных компонентов
60
смесь органических растворителей в виде жирных кислот и сложных
эфиров:
масляная кислота
1
деканол
7
дибутилфталат (дибутиловый эфир фталевой кислоты)
30
активаторы в виде смеси органических кислот:
салициловая кислота
1
адипиновая кислота
1
7,9
92,1
64
34
2
В составе припойной пасты металлическая составляющая имела состав: SnPb. Преобразование шариковых выводов микросхемы из бессвинцового припоя в оловянно-свинцовые околоэвтектического состава (для образования припоя SnPbAg) проводилось в диапазоне температурно-временного профиля нагрева, представленного на фиг.6.
Далее был проведен рентгеновский микроанализ с увеличением в 200 раз. Вид микрошлифа преобразованного шарикового вывода, состоящего из оловянно-свинцового припоя околоэвтектического состава (Sn64%Pb34%Ag2%), представлен на фиг.7, а с увеличением в 1000 раз - на фиг.8 и фиг.9.
1
2
3
4
В таблице 1 приведены распределения химических элементов полученного шарикового вывода (данные РМА в масс.%) по зонам З, З, З и З.
Таблица 1
Зона
Ni
Cu
Ag
Sn
Pb
З<sub>1</sub>
-
-
2.0
63.6
34.4
З<sub>2</sub>
-
0.2*
2.1
64.4
33.3
З<sub>3</sub>
0.2*
0.3
2.0
63.3
34.2
З<sub>4</sub>
-
0.2*
-
16.8
83.0
* - данные на уровне статистической погрешности.
Наблюдается мелкозернистая структура оловянно-свинцового припоя, представляющая собой механическую смесь оловянно-свинцовой эвтектики, твердого раствора свинца в олове и незначительных вкраплений твердого раствора олова в свинце и интерметаллических соединений меди, никеля и серебра с оловом.
Таким образом, способ преобразования матрично расположенных шариковых выводов микросхемы из бессвинцового припоя в оловянно-свинцовые околоэвтектического состава за один цикл теплового воздействия, исключающий механические воздействия на микросхему и ее контактные площадки и сохраняющий полную работоспособность микросхемы после преобразования, позволяет в процессе последующего поверхностного монтажа микросхем (или микросхем) с преобразованными шариковыми выводами на печатную плату формировать надежные и качественные паяные соединения, предназначенные для работы в жестких условиях эксплуатации.
Высокая усталостная долговечность паяных соединений, обеспечиваемая оловянно-свинцовым припоем и увеличенной высотой матрично расположенных шариковых (компланарных) выводов микросхемы, необходима в приборах для медицины, транспортной техники (автомобильной, железнодорожной, авиационной и морской), а также в военной и космической технике.
Полагаем, что предложенные «Способ преобразования матрично расположенных шариковых выводов микросхемы из бессвинцового припоя в оловянно-свинцовые околоэвтектического состава и припойная паста для его реализации» обладают всеми критериями изобретения, так как:
- Заявляемые решения в совокупности с ограничительными и отличительными признаками формулы изобретения является новым для общеизвестных способов и составов для их реализации и, следовательно, соответствует критерию "новизна";
- Совокупность признаков формулы заявляемого изобретения неизвестна на данном уровне развития техники и не следует общеизвестным способам (методам и правилам) преобразования шариковых выводов микросхемы из бессвинцового припоя в оловянно-свинцовые околоэвтектического состава, что доказывает соответствие критерию "изобретательский уровень";
- Реализация заявляемого изобретения не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию "промышленная применимость".
Литература
1. Патент KR 200443484 (Y1) от 12.02.2009 г., МПК H01L 21/02, «Brush for Reballing Pre-treatment Removing Lead and Other Material of Ball Grid Array Package».
2. Патент JP 2001345401 (А) от 14.12.2001 г., МПК H01L 21/60, H01L23/12, «Ball alignment junction method».
3. Патент KR 2003 00703 64 (А) от 30.08.2003 г., МПК H01L 21/6, «Method for fabricating repairing and reballing ball grid array package».
4. Патент KR 20090078417 (А) от 20.07.2009 г., МПК H01L 21/60; H01L23/48; Н05К 3/34, «Reballing method of ball grid array».
5. Патент KR 100831167 (B1) от 26.05.2008 г., МПК H01L 21/60, H01L 23/48, «Solder ball reballing device for BGA type sub-strate».
6. Патент KR 100860944 (B1) от 29.09.2008 г., МПК H01L 21/60, «Solder ball reballing device for BGA type sub-strate».
7. Патент KR 20100008409 (U) от 25.08.2010 г., МПК H01L 21/60, Н05К 3/34, «Apparatus For Solder Ball Reballing».
8. Патент KR20050011454 (А) от 29.01.2005 г., МПК H01L 21/60, «Reballing method using smd print manner for reducing contact failure between flux and solder ball and arranging exactly solder balls».
9. Патент US 2005189402 (А1) от 01.09.2005 г., МПК В23К 1/00, В23К 3/06, Н05К 3/34, «Area array and leaded SMT component stenciling apparatus and area array reballing method».
10. Заявка WO 2011006482 (А1) от 20.01.2011 г., МПК Н05К 3/34, «Device for heating smd components for reballing».
11. Патент US 2011132972 (А1) от 09.06.2011 г., МПК В23К 3 1/02, «Manual method for reballing using a solder preform» - прототип способа.
12. Патент RU 2450903 C2 от 20.05.2012 г., МПК В23К 35/36, В23К 35/363, В23К 35/26, «Припойная паста» - прототип припойной пасты.