用于流控自组装的双焊料层、电组件衬底以及采用该流控自组装的方法
【专利说明】用于流控自组装的双焊料层、电组件衬底从及采用该流控 自组装的方法
[0001] 相关申请的交叉引用 该申请要求题为"DUALSOLD邸LAYERFOR化UIDICSELFASSEMBLYANDELECTRICAL COMPO肥NTSUBSTRATEANDMETHODEMPLOYINGSAME"的于 2012 年 8 月 2 日提交的美国临 时专利申请序列号61/678, 933的优先权，其整体内容被通过引用合并到此。
【背景技术】
[0002] 使用自组装的电子组件放置正成为用于大量生产电子组装的重要方法。例如，熟 知的是在射频标识标签（RFID)的生产中使用流控自组装（SA)。在该方法中，具有独特尺寸 和梯形形状的亚毫米集成封装掉落到被揽动的流体中，在此它们配合到衬底上的特定匹配 沉降（matching(kpression)中。没有落入沉降中的封装被移除并且被重新掉落，直到全 部都被匹配。然后通过在电子封装上进行掩模并沉积导电条带来作成电路连接。该方法在 大量时运作良好，但是要求十分特定的几何形状的组件或封装，W及必须被特定地蚀刻W 容纳封装的衬底。
[0003] 已经被研究的一种更一般的方法不要求特定形状的封装，并且可W使用更标准的 组件。在该方法中，使组件掉落到被揽动的流体中，在此它们使用各种方法通过接触和粘 附而在衬底上找到正确的位置。例如，亲水和疏水材料可W被涂敷在组件和想要的衬底位 置或接合部位site上，W使得当各部分找到在相同的涂料变为接触（即亲水-亲水或疏 水-疏水）时它们意图粘接的正确位置的时候，混合的涂料不粘接。揽动流体也是必需的， 因为其使组件的运动随机化，允许它们作出与衬底的所有区域的接触尝试。更进一步地，如 果它们在首次尝试时未粘接，则揽动允许组件作出很多尝试，直到它们最终找到接合部位。
[0004] 用W实现自组装的最佳方式之一是通过在金属接触上使用焊料的强浸润效应来 将组件"拉动"到位。与其它SA接合材料不同，焊料还具有高的润滑作用；该意指一旦组件 与焊料进行接触，组件就可W在最小摩擦的情况下找到最小能量配置。该种浸润效应在焊 料为液体时发生，因此必须在焊料的烙点之上完成组件的自组装。在焊料SA的情况下，人 们将衬底和电子组件浸没在液体中，允许液体将组件运送到它们的位置。当组件变为与衬 底上的烙化的焊料接触时，焊料浸润效应起效，将组件拉动到它们的最终位置并且保持它 们。注意，特别是，因为焊料助烙剂的低润滑作用，所W使用焊料助烙剂作为粘合剂对于SA 并不是有用的。
[0005] 对于焊料SA，由于各种原因而使用低烙化温度焊料（Tm<150°C，其中，Tm是烙点）。 一个原因是，简单的更低黏性无毒液体(诸如水）是易于使用的，但明显要求温度小于它们 的沸点。更进一步地，由于在典型SA运转中电子或光电组件被按一分钟的量级浸没在热液 体中，所W高的温度可能损坏组件。遗憾的是，非常低温度焊料（Tm<100°C)通常要求Bi，Bi 通常导致差的接合并且因此导致组件的不可靠的长期附接。焊料组分(诸如Sn-In)可W具 有Tm=145°C，但是再次地对于组件的长期附接而言可靠接合是不可接受的。此外，使用具有 如此低烙点的焊料对于其操作温度可能接近或甚至超过该样的低温度焊料的烙点的组件 (诸如发光二级管（LED))的长期操作而言可能是有问题的。
[0006] Morris等人的美国专利公开No. 2010/0139954公开了一种方法，通过该方法，可 W在可行的温度下执行基于焊料或流体的SA，同时还提供用W将组件与可靠的更高温度焊 料永久地电接合的方法。所述方法使用执行不同功能的多个部位。特别是，组件上的中屯、 部位被用于SA粘合部位，而更靠近部分边界的空间分离的部位被用于电接合。通常，电接 合部位是焊料凸块。所有的接触都在组件的底部上并且被设计为与衬底上的匹配部位相 配。衬底上的中屯、接合部位支承当液化时形成半球形状的低温度焊料(或其它材料)。当液 体超过固体电焊料凸块的高度时中屯、SA焊料的高度。焊料凸块在比中屯、接合部位焊料更 高的温度下烙化。在所描述的实施例中，针对粘合到电组件上的焊料凸块的SA粘合部位采 用共晶Bi-Sn焊料（Tm=l38°C)。焊料凸块由对于形成可靠的高导电率电连接来说熟知的共 晶Sn-Pb(Tm=183°C)构成。在两个步骤中执行组装。在第一步骤中，在高于中屯、SA粘合部 位上的焊料或材料的烙点但是低于焊料凸块的烙点的温度下将组件和衬底放置在的流控 浴器中。在液体浴器中执行到中屯、焊盘上的自组装。当组件接触在衬底上的中屯、SA焊料 时，因为组件接触的附加浸润，所W凸起轮廓松弛。所组装的衬底被冷却W固定组件位置。 衬底然后被放置到其中温度高于焊料凸块的烙点的回流炉中，焊料凸块然后必须扩展W到 达组件上的接触。虽然该方法允许具有更可靠和更高导电率的电连接，但是组件和衬底要 求附加的接触和焊盘，该导致更大的制备复杂度。更显著地，该方法的可行应用要求具有焊 料凸块和附加焊料掩模的组件，W用于利用低温度焊料来仅涂敷SA粘合部位。该导致更长 的总制造时间和成本，SA应当对该两者进行缓解。因为SA焊料和电接合焊料的物理高度 改变必须与处理兼容，所W在该方法的情况下发生其它问题。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于消除现有技术的缺点。
[000引本发明通过组合用于自组装（SA)的低温度焊料和更高温度的可回流焊料的优点W作出最终的更可靠的结合来解决上面的问题。
[0009] 本发明采用两层方法，通过该方法，可W在低温度的情况下发生基于流控焊料的 自组装，同时可W使用被已知为更可靠的更高温度焊料来完成最终焊接。更进一步地，与上 面描述的分离的电接触/粘合部位方法不同，可W利用同一接触焊盘来作出自组装和电连 接。该允许在组件接触和衬底焊盘配置上的更大得多的灵活性。此外，因为低温度焊料和 高温度焊料该两者都被施加到同一接合焊盘，所W组装处理是直接的，减小了组装时间并 且减少了成本。
[0010] 两层焊料被用于每个电接触。不要求其它接触。因此，接触用作为SA粘合部位和 焊料连接部位该两者。基底层焊料适合于高可靠性和高电导电率。典型地，该将是被用于 回流的焊料。第二顶层是被用于SA的低烙化温度焊料或液体金属。在一个实施例中，该顶 部低温度SA焊料层将比基底层薄，比例取决于所设及的焊料的组分。然而，该在本发明中 并不是限定的约束。该方案将允许低温度SA焊料层烙化并且在冷却之后在自组装步骤期 间将组件接合到衬底。由于各部分已经被接合在正确的位置，因此冷却的衬底将在回流炉 或其中该两层焊料都将烙化的其它部件中被重新加热到高于基底焊料层的烙点的温度。利 用焊料的正确选择，两个焊料层将混合并且与在仅有低温度SA焊料的情况下而可能的相 比将形成更可靠并且更高的导电率结合。
[0011] 依照本发明的一方面，提供了一种电组件衬底，包括具有双焊料层的至少一个焊 料焊盘，所述双焊料层包括自组装焊料的第一层和基底焊料的第二层，所述基底焊料的第 二层被部署在所述焊料焊盘上，并且所述自组装焊料的第一层被部署在所述第二层上，其 中，自组装焊料具有小于第一温度的液相线温度，并且基底焊料具有大于所述第一温度的 固相线温度。
[0012] 依照本发明的另一方面，提供了一种用于流控自组装的方法，包括： (a) 获得电组件衬底，所述衬底包括具有双焊料层的至少一个焊料焊盘，所述双焊料层 包括自组装焊料的第一层和基底焊料的第二层，所述基底焊料的第二层被部署在所述焊料 焊盘上，并且所述自组装焊料的第一层被部署在所述第二层上，其中，自组装焊料具有小于 第一温度的液相线温度，并且基底焊料具有大于所述第一温度的固相线温度； (b) 在所述第一温度下将所述电组件衬底和至少一个电组件浸没在流体浴器中，从而 所述自组装焊料液化； (C)揽动所述流体浴器，从而所述电组件粘附到液化的自组装焊料； (d) 从所述流体浴器移除所述电组件衬底； (e) 将所述电组件衬底加热到大于所述基底焊料的所述固相线温度的第二温度，从而 所述基底焊料和所述自组装焊料组合W形成合成合金；W及 (f) 冷却所述合成合金，W在所述电组件与所述电组件衬底上的焊料焊盘之间形成电 焊料连接。
[0013] 在一个实施例中，所述第一温度小于约150°C，并且更优选地，小于约100°C。
[0014] 在另一个实施例中，所述自组装焊料对于所述基底焊料的质量比小于1，并且更优 选地在0.5和1之间。
【附图说明】
[0015] 图1A-图1C示意性地图解根据本发明的两层基于焊料的自组装衬底和方法的实 施例。
[0016] 图2A和图2B分别是用于自组装（SA)焊料和基底焊料的示例性二元相图。
[0017] 图3是用于Ga-Sn的二元相图。
[001引 图4是用于Ga-化的二元相图。
[0019] 图5是用于Ga-In的二元相图。
[0020] 图6是用于Sn化5)-Ga(0.5)的在回流之后的合成焊料中的元素的计算出的质量 分数的图形表示。
[0021] 图7是用于Sn(0.21)-Ga(0.79)的在回流之后的合成焊料中的元素的计算出的质 量分数的图形表示。
【具体实施方式】
[0022] 为了更好地理解本发明连同本发明的其它和进一步的目的、优点和能力，参照结 合上面描述的附图所做的随后公开和所附权利要求。
[0023] 在图1A-图1C中图解依照本发明的采用电组件衬底的实施例的自组装方法的实 施例。为了示例，我们考虑相同的一个接触的组件的SA。两层焊料已经被施加到电组件衬 底18的焊料焊盘16。在图1A中，组件10被放置在液体浴器20中，液体浴器20的温度高 于上SA焊料层12的烙点但是低于基底焊料层14的烙点。上SA焊料层12因此在浴器的 温度下是液体，而附接到在衬底18上的焊料焊盘16的基底焊料层14仍为固体。通常，浴 器20由不反应或损坏组件、焊料或衬底材料的流体(诸如水或己二醇)构成。流体一般被揽 动W增加对于衬底上的焊料部位的组件附接的概率。组件10使其电接触被涂覆有金或其 它贵金属，液化的上SA焊料层12将对所述金或其它贵金属有效地浸润。优选地，组件10 是LED管巧。
[0024] 在一段时间之后，所有或大多数部分将附接到想要的焊料粘合部位，并且SA处理 终止。实现想要的附接产出所必需的时间由揽动速率、液体浴器的物理参数、温度、焊