專利名稱：用于焊接處理改進的導熱分析儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及工業處理的控制，尤其涉及對于在電子電路中的互連部件所使 用的焊接處理的控制。
背景技術：
現今的微電子電路通常包括經由印刷線路板(PWB)互連的電子部件和 設備，印刷線路板包括用作互連線的銅線、和向其焊接部件和設備的表面接觸 焊盤(pad)。例如，PWB可包括用作其它功能的金屬表面焊盤、邊緣連接或 電路測試點。通過無電銅沉積、光刻以及銅電沉積的組合在典型地為聚合物層 積板或陶瓷的介電基板上形成PWB連接線和焊盤。多層電路通常層積在一起 并且經由導通孔(via hole)互連起來，導通孔通常具有銅印刷壁并且被焊料 所填充。抗氧化物金屬的表面光潔料(surface finish)通常^皮施加到PWB銅焊 盤以抑止會降低可焊接性的表面氧化物的形成。典型的表面光潔料包括無電鎳 /金、浸錫、以及電鍍錫-鉍。
部件和設備引線典型地通過回流焊接處理被焊接到PWB接觸焊盤，回流 焊接處理包括將預定量的焊接用錫膏(paste)施加到PWB接觸焊盤、通過》文 置部件和設備以使它們的輸入/輸出(I/O)引線與適當的PWB接觸焊盤對齊 來組裝PWB、以及加熱已經組裝好的PWB組件以回流(熔化)焊接用錫膏中 的焊料。典型地，利用自動注射式滴涂器(syringe dispenser)或是利用鏤花涂 裝(stencil)和橡膠滾軸(squeegee)將預定量的焊接用錫膏施加到PWB接觸 焊盤。可基于需要被焊接的特定部件和設備可改變焊接用錫膏的預定量。典型 的設備是具有粘合到設備 一 側上的接觸焊盤的焊料球陣列的球柵陣列 (BGA)。許多BGA設備具有大量的I/O引線量，從而使得相鄰接觸焊盤之間 的距離(間距，pitch)非常小。
焊接用錫膏通常包含在回流期間結合的小型焊料球狀體的粉末以形成在 焊接點占據焊料的絕大部分的焊料塊。焊接用錫膏還包含用來溶化在焊接處理中涉及的金屬表面上的氧化物的助焊劑(soldering flux )。助焊劑典型地包含在 足夠高的溫度下被激活的有機卣化物以產生對于溶化金屬氧化物十分有效的 有機酸和自由囟素元素。焊接用錫膏還可包含用來提供所期望的流變性質并且 在回流焊接期間消耗助焊劑時阻止金屬表面再次氧化的成分。特別地，焊接用 錫膏一定要足夠硬(并且粘)以便在回流焊接之前將部件和設備固定好并且防 止焊接用錫膏滑落以引起由于鄰近接觸焊盤之間的橋接造成的電短路。
通常在回流爐(reflowoven)中執行回流焊接，回流爐包括用來在爐中傳 送電子組件的金屬帶傳送器，并且具有實現根據預定溫度-時間曲線使組件被 相應地加熱的不同加熱區。在某些情況下，回流爐或回流爐的部分可^皮氮覆蓋 以在回流處理期間要被焊接的表面的氧化。
回流焊接是一個在回流(熔化)焊接時刻之前需要充分的助焊劑活性(flux activity)以溶化表面氧化物(在PWB焊盤上、部件引線以及焊接用錫膏中的 焊料顆粒)的復雜處理，從而獲得具有低電阻的強焊接點。所需的助焊劑活性 非常依賴于需要連接的表面上的氧化物的量和類型。對于可靠的回流焊接處 理，需要采用適當的焊接用錫膏以及對于將要焊接的特定組件的回流條件。
與助焊劑(flux)活性相關的回流焊接問題通常屬于如下四種類型之一 (1)在存儲期間經過化學反應，焊接用錫膏中的助焊劑喪失活性，從而使得 焊接處理中要使用的時候剩余活性變得不充足；(2 )過早(在溫度低于回流焊 接溫度時)地激活焊接用錫膏中的助焊劑，使得在回流焊接之前使得需要連接 的表面被再氧化；以及(3)在回流溫度下助焊劑不能被充分地激活；以及(4) 在焊接處理之后助焊劑保持活性，這導致了會引起由于電短路、開路、或額外 的互連電阻所造成的電3各故障的腐蝕和/或電遷移。
當前，在工業上用來組裝電子設備所使用的另一焊接處理是波峰焊接 (wave soldering),其中，軟焊料的波峰經過組裝有設備(表面安裝和/或通孔) 的PWB。波峰焊接容易產生與回流焊接相同類型的助焊劑活性問題。
用來控制焊接處理的可行方法包括(1 )涉及產生焊接點故障所需的力的 測量的球/引線剪力(shear)或拉伸測試；(2)通過焊料擴展測試、濕法平衡 測試或連續電化學衰減分析(SERA)來確定可焊性；(3)通過表面絕緣電阻 (SIR)測量、囟化物分析、離子清理測試、電化學遷移測試、以及銅鏡和銅平面腐蝕測試來檢測焊接助焊劑殘留物；(4)測量焊接用錫膏的物理和化學特 性，其中包括粘稠度、比重、鹵化物成分百分比、粘性、酸值、pH以及阻抗 波譜學(用來檢測焊料球的氧化)；以及(5)通過套色版(GC、 HPLC、 IC 以及GPC)、光語學(UV、 FTIR、拉曼(Raman)以及AA)、溫度分析(DSC、 TGA)、以及濕法化學分析來實現的助焊劑化學分析。
所有這些方法都在焊接處理之前或之后被應用并且提供了關于焊接處理 性能的唯一參數的信息。所有這些方法都不提供關于焊接處理自身的信息。這 對于濕法平衡測試也是一樣的，在濕法平衡測試中當使測試樣本接觸熔化的焊 料時，通過濕力(通過焊料彎月面的重量)嘗試作出仿真焊接處理。濕法平衡 僅提供了可焊性的指示，很難應用到PWB和BGA當中，并且在樣本幾何學、 助焊劑應用、預加熱(溫度曲線)、以及樣本熱惰性等方面不能完全地仿真實 際的焊接處理。很明顯需要一種測量焊接處理的性能的方法，從而優化關于焊 接處理的所有重要變量。
發明內容
本發明提供了 一種用來評價焊接處理中助焊劑的性能的設備。該設備包 括電導探針，其具有介電基板上的兩條鄰近的金屬線路(metallic trace);溫 度探針，其用來測量電導探針的溫度；以及電導計，其用來測量兩條金屬線路 之間的電導。兩條金屬線路優選地形成了交叉梳狀樣式。在關于本發明的方法 的優選實施例中，對于至少部分的每條金屬線路以及至少部分的這些線路之間 的介電基板施加焊接助焊劑(不包含金屬焊料)，并且在焊接處理之前、之中 (對波峰焊接，除外)和之后測量線路之間的電導。分析由此產生的電導-溫 度時間曲線(profile)以確定與焊接處理相關的助焊劑性能。本發明的設備進 一步包括電路板架，其用來在同 一處理中同時評估多個電導探針。
根據本發明的電導-溫度時間曲線的分析產生了在整個實際的焊接處理中 的相對助焊劑活性，其中包括在焊接回流或波峰焊接操作之前、之中(對于回 流焊接處理)以及之后。這實現了相對于焊接處理的需求來優化助焊劑活性和 激活特性。在周邊溫度下(在焊接處理之前)對于助焊劑測量得到的強助焊劑 活性表明了因室溫下助焊劑的化學反應所引起的縮短的保質期。十分有效，優選地，峰值助焊劑活性出現在即將開始焊接回流溫度之前的時刻。
基于TCA電導-溫度時間曲線，可通過化學穩定性和助焊劑化合物的沸點來將 激活助焊劑所需的時間和溫度調節到最優值。
此外，根據本發明，可通過焊接處理后的殘留助焊劑活性檢測出可因腐蝕 或電遷移導致的電路故障的離子助焊劑殘留物。盡管類似于現有技術中的表面 絕緣電阻(SIR)測試，但是本發明的殘留助焊劑活性測量是在整個焊接處理 的過程中作出的并且^^測助焊劑活性達到最^f氐值的溫度。還可利用交流電流 (ac)作出這樣的焊接后電導測量以評價操作電壓和頻率的效果或是關于電子 設備(在操作溫度下)的殘留助焊劑活性的頻率范圍("掃頻(sweep )")。
本發明的設備還可進一步包括額外的環境傳感器。例如，電導探針或電路 板架可包括用來監視在存儲期間關于殘留助焊劑活性的相對濕度的效果的RH 傳感器。作為另一例子，在電導探針或電路板架上也可包括傳感器以監視在回 流焊接處理過程中回流爐中或在波峰焊接處理過程在預加熱爐中的局部氣體
感器對于本領域技術人員來說也是顯而易見的。
本發明還可被用來檢測焊料"衰退"以及在回流處理中出現焊料"衰退" 的溫度。在這種情況下，對電導探針的至少一條金屬線路而不對線路間的介電 基板施加包含有金屬焊料的焊接用錫膏。從與電導探針的金屬線路之間橋接的 焊料相關的高電導(短路)檢測出回流處理過程中的焊接用錫膏的衰退。還檢 測出由于焊料球橋接金屬線路引起的短路。
本發明的設備還可進一步包括被設計用來方便數據收集和/或提高結果的 可靠性的硬件和軟件。例如，無線鏈接可被用來(替代硬接線)將數據信號從 電導探針和溫度探針(以及所使用的任何其它傳感器)傳送到數據收集和處理 系統。可選地，通過粘結到電導探針或電路板架上的板上數據鏈接來收集并且 存儲數據，并且在完成焊接處理之后下載數據。數據處理系統可采用任意多的 商業或專屬的數據分析程序，以典型地提供^t據的圖形顯示。
此外，還可使用本領域技術人員公知的技術和裝備來實現對于解決熱、物 理或化學衰退的本發明設備的硬件化，以使其不受損害地通過回流爐、預加熱 爐、或是其它有害環境。同樣的，還可利用商業購得的裝備使本發明的設備小型化，從而可在較小的環境下作出助焊劑評估。本領域技術人員可以理解的是， 應該執行根據本發明的測量，從而避免會大幅度降低結果的準確性的對于助焊 劑化學系統的擾亂。例如，可利用由限流電阻提供的具有高輸入阻抗的伏特計 來測量電壓。
本發明對于開發如下的焊接用錫膏形成物是有效的，例如其具有長保質 期、(減少焊接缺陷所需的)在回流焊接溫度下良好的助焊劑活性、(避免因腐 蝕或電遷移引起的電子裝備的場故障所需的)低殘留助焊劑活性、以及(避免 因焊料衰退引起的電路橋接和短路所需的)良好的流變特性。
本發明還對于開發具有良好的在波峰焊接中激活助焊劑的特性以及低殘 留助焊劑活性的助焊劑形成物是有效的。
本發明還對于選擇最佳焊接用錫膏形成物以用來降低在給定的回流焊接
處理中的特定PWB設計中回流焊接過程中的缺陷是有效的。
本發明還對于選擇最佳助焊劑形成物以用來在給定的波峰焊接處理中的
特定PWB設計中降低波峰焊接過程中的缺陷是有效的。
本發明還對于選擇用來降低在特定PWB設計的回流焊接過程中的缺陷的
最佳回流焊接條件(例如，由傳送速度和區域溫度確定的爐溫-時間曲線)是
有效的。
最佳預加熱條件(例如，由傳送速度和區域溫度確定的爐溫-時間曲線)是有 效的。
本發明還對于確定關于焊接處理性能的在回流爐環境下或在預加熱爐環 境下的氧氣效果是有效的。通過使用氮(如果氧是有害的)的惰性包層環境， 這種信息可被用來改善焊接性能，或是節省與提供惰性包層環境(如果氧不是 有害的)有關的成本。本發明還可被用來在不帶來實質性有害效果的前提下確 定所允許的氧濃度。
本發明還對于用來選擇最佳助焊劑形成物和預加熱/焊接條件以便減少在 特定的電子設備操作條件下(例如，電路線路之間的溫度和所施加的包括ac 電壓和頻率在內的電壓)的殘留助焊劑活性。殘留助焊劑活性是在例如在高頻
下操作的手機那樣的電子設備中所關心的。本發明還對于確定在存儲期間關于殘留助焊劑活性的存儲條件的效果是 有效的。可通過本發明的溫度探針來監視存儲期間的溫度。還可使用其它的傳
感器來監視其它的存儲條件。例如，RH傳感器可被用來監視關于存儲期間殘 留助焊劑活性的相對濕度的效果。例如，可以在本發明的電導探針或電路板架 中包含RH傳感器，或是在存儲區域中安裝RH傳感器。
本發明還對于通過提供展示優良性能的圖形說明來更好地銷售焊接設施、 焊接用錫膏和助焊劑形成物是有效的。
如上給出的應用都是說明性的，并非是概括性的；本領域技術人員還應該 清楚落入本發明的保護范圍之內的其它應用。
當參考所附附圖 一并考慮如下的詳細說明書時，本領域技術人員可以更加 清楚本發明的進一步特;f正和優點。
圖1說明了本發明的設備的實施例，其中，電導探針的電路線路具有交叉 梳狀樣式；
圖2說明了本發明的設備的實施例，其中，電導探針的電路線路包括圓形 焊盤和同心圓環；
圖3說明了本發明的設備的優選實施例，其包括多個具有交叉梳狀樣式的 電導探針、電路板架、緩沖器/放大器模塊、模擬數字轉換器、個人計算機以 及打印才幾；
圖4是用于本發明的電導探針的優選緩沖器/放大器電路的電路圖； 圖5是用于本發明的基于熱偶的溫度探針的優選緩沖器/放大器的電路圖； 圖6示出了使用本發明的方法和設備測量得到的說明性電導-溫度時間曲 線，其中，在商業化回流爐中，在溫度加熱曲線下，關于在回流期間的兩種可 商業購得的焊接用錫膏助焊劑形成物(formulation) (Kester 244和Kester 256GS );
圖7示出了使用中間溫度曲線對于圖6中的兩種可商業購得的焊接用錫膏 助焊劑形成物測量得到的說明性電導-溫度時間曲線；
圖8示出了使用高溫溫度曲線對于圖6中的兩種可商業購得的焊接用錫膏 助焊劑形成物測量得到的說明性電導-溫度時間曲線；圖9示出了使用高溫溫度曲線對于在焊接用錫膏中使用的典型水溶性助 焊劑測量得到的說明性電導-溫度時間曲線；以及
圖10示出了使用低溫溫度曲線對于三種回流膠嚢密封材料測量得到的說 明性電導-溫度時間曲線。
上面這些附圖都不是成比例的并且為了更好地描繪本發明的特征和操作 已經放大了某些特征。
具體實施例方式
本領域技術人員公知在本申請文件中所使用的技術術語。使用的術語"金 屬線路(metallictrace)"廣泛地包括任何電路元件幾何形狀，包括例如線路、 焊盤、交叉梳狀樣式以及蛇形樣式。通常在回流焊接中使用"焊接用錫膏"， 并且焊接用錫膏包含助焊劑和小型焊料顆粒的粉末。焊接用錫膏助焊劑通常包 含用來溶化金屬氧化物的催化劑(activator),并且通常包含各種被設計用來改 善錫膏的流變性質和/或化學性質的添加劑(additive )。在焊-接用錫膏助焊劑中 使用的典型添加劑包括溶劑、流變劑(用來減小焊料塊)、緩蝕劑以及熱穩定 材料。.波峰焊接中使用的助焊劑還可包含各種添加劑(除了催化劑之外)而不 包含焊料顆粒并且也不需要流變劑。
在本申請文件中，術語"助焊劑(flux)"可表示僅包括催化劑在內的助 焊劑成分的任何組合。在某些情況下，需要被評估的助焊劑可通過離心"l喿作或 化學提取從焊接用錫膏中的金屬焊料粉末中分離出來。對于焊接用錫膏衰退評 估，焊接用錫膏典型地包括金屬焊料粉末在內的所有的正常存在的成分。
本發明提供了 一種用來評價焊接處理中的助焊劑性能的方法和設備。本發 明的方法包括如下步驟(1 )提供包含在介電材料基板上的預定區域中設置的 兩條金屬線路的電導探針；(2)提供用來測量電導探針的溫度的溫度探針； (3)在至少部分的預定區域上施加預定量的助焊劑；(4)根據預定的溫度-時間曲線利用所施加的助焊劑加熱電導探針；(5 )測量作為溫度的函數的電導 探針的金屬線路之間的電導，從而產生電導-溫度時間曲線；以及(6)分析電 導-溫度時間曲線以確定焊接處理中的助焊劑性能。這些步驟可以任何適當的 次序被執行。對于焊接用錫膏活性評估，通常在至少部分的每條金屬線路以及 這些金屬線路之間的介電基板上的預定區域內施加助焊劑。對于焊接用錫膏衰退評估，在焊接用錫膏當中包括助焊劑并且在金屬線路的至少其中之一而不在 金屬線路之間的基板上的預定區域內施加焊接用錫膏。在這種情況下，可檢測 到橋接金屬線路之間的空間的焊料衰退，作為電導測量中的短路。
形成線路對的本發明的兩條金屬線路可包括合金在內的任何適當的金屬。 由于銅被廣泛地用于電子電路當中，銅是一種金屬線路所釆用的優選金屬。可
以對銅應用表面光潔料(finish)以改善其可焊性。典型的表面光潔料包括焊 料、無電鎳/金、浸錫、以及電鍍錫-鉍。這樣的表面光潔料很可能會影響助焊 劑活性特點。本發明還提供了用于調查關于表面光潔料對助焊劑的活性特點的 影響的方法和設備。
本發明的兩條金屬線路可具有任何適當的幾何形狀。包括例如由小間隔距 離分離的長線路、交叉才危狀或蛇形樣式在內的幾何形狀對于提高電導測量的信 噪比十分有用。與使用處于評估中的焊接處理的最短間距(pitch)的表面焊盤 的間隔相比較，線路之間的間隔是優選的。用來仿真處于評估中的在回流焊接 處理中將要被焊接的實際電路組件的線路幾何形狀對于例如檢測焊接用錫膏 衰退和焊料球形成的效果是有利的。還可使用串聯連接(菊花鏈)的多個電導 探針對以提高信噪比。
圖1說明了本發明的設備，其中，電導探針的電路線路具有交叉梳狀樣式。 這種樣式包含基板100上設置的一對金屬線路101和102，基板100可以是包 括聚合物層積板、陶覺材料、或兩者的混合物在內的任何介電材料。典型的聚 合物層積板是防火環氧纖維玻璃(FR-4)。金屬線路101和102經由連接線103 和104連接到電導計105。電導計在線路101和102之間施加電壓并且從電流 響應確定電導。所施力口的電壓和電流響應可以是直流電流(dc)或交流電流 (ac)。對于dc測量，已經找到處于1至IO伏特范圍內施加的電壓是適當的， 但是也可使用處于這個范圍之外的電壓。
在圖l所示的實施例中，溫度探針包含熱偶106,并且熱偶106經由連接 線107和108被電連接到第一伏特計109。優選地，使用第一伏特計109或是 蛇形的一部分的熱偶冷接點(未示出)來提高溫度測量的準確度。熱偶冷接點 可處于室溫中，或是以特定溫度來控制以提高更高的準確度。可以使用用來提 供對于測量溫度范圍內所需的靈敏度的任何熱偶。優選地，放置熱偶106以使其與基板100相接觸或是與基板100上的金屬焊盤相接觸，但是通過靠近電導
探針的(而不是接觸)熱偶可提供足夠準確的溫度測量。在可選實施例中，可 使用沿著回流爐中的傳送帶的一排固定的熱偶來提供本發明的溫度測量。還可 使用測量溫度的可選方法。例如，可通過檢測并且分析由電導^:針發出的紅外 射線來監;f見電導探針的溫度。
典型地，根據本發明，加熱電導探針(包括基板100和金屬線路101、 102 ) 和溫度探針106,與此相反，電導計105和第一伏特計109維持在環境溫度中。 在這種情況下，至少部分的連接線103、 104、 107和108應該包含熱阻材料。 在本發明的范圍內，對于電導計105和/或第一伏特計109可^f吏用熱阻電路， 從而利用電導探針和溫度探針106也加熱電導計105和/或第一伏特計109。
圖2說明了本發明的設備的實施例，其中，電導探針的電路線路包含在介 電基板200上設置的圓形焊盤201和同心圓環202。這種電路線路幾何形狀仿 真了可提高對于經過同心圓環內部的相對長的圓周的內線路電導變化的靈敏 度的電路板接觸焊盤。關于圖1所示的實施例，線路201和202都經由連接線 203和204被連接到電導計205 ，并且熱偶206經由連接線207和208被連接 到第一伏特計209。通過使部分連接線204成為經過同心圓環線路202 (未示 出)之間的間隔的電路線來提供金屬線路201的電接觸。可選地，通過基板 200中的內部電路來制作金屬線路201的接觸，從而消除環202之間的間隙。 可平行地連接多個這樣的電導探針(在同一基板上)以提高測量靈敏度并且提 高信p桑比。
在電導探針的金屬線路上施加助焊劑的方式依賴于將要執行的助焊劑評 估的類型。為了評估在焊接或預加熱處理期間的焊接助焊劑的活性，需要對于 至少部分的金屬線路和至少部分的線路間的介電基板施加助焊劑(無金屬焊 料)。為了評估回流焊接期間的焊接用錫膏衰退特點，在焊接用錫膏中包含助 焊劑(包含金屬焊料粉末)，焊接用錫膏被施加到至少部分的電導探針的金屬 線路的至少其中之一，但不施加到線路之間的介電基板。在這種情況下，當內 線路電導劇烈增大時，可方便地檢測出在回流處理期間由于焊津牛衰退或焊料球 的形成所造成的金屬線路之間的電短路。
通過任何適當的裝置可將助焊劑或焊接用錫膏施加到電導探針的金屬線路(和基板)。施加助焊劑或焊接用錫膏的一種優選方法是使用在生產回流焊 接處理中所用類型的自動注射式滴涂器，其可準確地滴涂預定量的焊接用錫 膏。施加助焊劑或焊接用錫膏的另 一種優選方法是如本領域技術人員公知的使
用鏤花涂裝(stencil)和橡膠滾軸(squeegee )。在這種情況下，通過鏤花涂裝 的厚度來確定所施加的助焊劑或焊接用錫膏的厚度。根據本發明，還可通過例 如噴灑、浸涂、涂刷、或印刷等來施加助焊劑或焊接用錫膏。
優選地，由于在電導測量中所反映出來的助焊劑的活性依賴于所存在的助 焊劑量，因此可對于電導探針施加預定量的助焊劑。理論上可以從電導數據中 計算出助焊劑的傳導率，但是這種方法并不實用，理由是必須考慮隨時間和溫 度變化的金屬線路相對于助焊劑形狀和體積的幾何形狀，并且知道作為溫度函 數的助焊劑的傳導率。因此優選地，應該滴涂預定量的助焊劑并且使用金屬線 路之間的傳導率作為助焊劑活性的相對量度，這依賴于趨于增大傳導率的離子 種類的形成。另外優選地，為了評估衰退特點對于金屬線路施加預定量的焊接 用錫膏，這非常依賴于所存在的焊接用錫膏量。
優選地，選擇預定量的助焊劑或焊接用錫膏來仿真其中使用助焊劑或焊接 用錫膏的生產焊接處理。在這種情況下，可基于包括金屬線路之間的間隔在內 的線路幾何形狀來調節要施加到金屬線路的給定區域中的焊接用錫膏的量。優 選這樣的間隔可與通過正在評價的回流焊接處理將要焊接的生產板 (production board)上接觸焊盤之間的最小間隔相比較。
優選地，通過具有用來控制溫度曲線的傳送帶和加熱區的回流爐或預加熱 爐的裝置來執行本發明的方法的加熱步驟。然而，還可利用或不利用已編程的 加熱程序，通過包括不具有傳送帶的穩態爐(static oven)在內的任《可適當的 裝置來提供根據本發明的加熱。
根據本發明的方法的電導-溫度時間曲線的分析典型地涉及當電導探針經 過回流爐或是被加熱時，繪圖測量得到的作為時間函數的電導和溫度。例如， 還可使用表格數據，優選地通過計算機，或是使用不同類型的電導是溫度的函 數的曲線來執行這種分析。通常^f艮設所測量得到的電導與助焊劑活性成比例。 回流焊接處理的電導-溫度時間曲線的關鍵特點包括初始室溫助焊劑活性， 其可檢測會縮短助焊劑的保質期并且降低助焊劑的有效性的助焊劑的早熟激活；相對于焊接回流時間和溫度的激活助焊劑的時間和溫度，這會產生在^f吏用 的回流條件下的助焊劑有效性；以及緊跟回流處理之后在較低溫度下的助焊劑
劑殘留物。波峰焊接處理的電導-溫度時間曲線的關鍵特點與回流焊接處理的 電導-溫度時間曲線相類似。
可以多種方式來分析根據本發明所得到的數據以提供關于焊接處理的性 能的量化信息。例如，可相對于時間或溫度來繪圖電導數據以產生被直接分析
的曲線圖(curve),或是求電導數據的微分以產生第一或第二導數曲線圖，這 強調了隨時間或溫度的電導的變化。可通過(由本領域技術人員)檢查和/或 通過提取曲線特征來分析數據曲線圖，這樣的曲線特征包括(但不局限于)斜 率、峰值區域、峰值區域比、峰值高度、峰值高度比以及電導保持在預定值之 上的時間。
本發明的方法可進一步包括如下步驟監視來自粘結在電導探針或是包含 電導探針的電路板架上的環境傳感器的輸出。可提供有用信息的環境傳感器包 括用來感應處于回流焊接爐的環境中的氧濃度、相對濕度(RH)、以及總氣體 壓力、或是波峰焊接的預加熱的傳感器。通過監視并且分析根據本發明的涉及 多項評估的如上所述的傳感器的輸出(優選地，通過調節環境改變他們的值)， 來確定關于助焊劑激活特點的所感應到的參數和變化的效果。
如果對于金屬線路以及金屬線路之間的間隔兩者都施加助焊劑，則在周邊 溫度下在線路之間測量得到的電導提供了在測量之前已經發生的助焊劑激活 的量度。因此，可檢測到發出縮短的助焊劑保質期的信號的早熟助焊劑活性和 /或對于可靠焊接來講不充足的剩余助焊劑活性。Frederickson等人的 5,656,933、 6，005，399, 6,278,281和6,300,788號專利說明了用來以在周邊溫度 下的焊接用錫膏為特征的ac阻抗波譜的使用。這涉及作為應用電壓頻率的函 數的復雜阻抗測量，并且與對應的電路建模一同操作，以便檢測出可引起生產 焊接缺陷的焊接用錫膏中的焊料顆粒的氧化。然而，本發明人最先認識到焊接 助焊劑的電導可提供助焊劑活性的量度，以及可使用處于環境(ambient)溫 度下的助焊劑活性來評價助焊劑的保質期并且預測焊接性能。
本發明的這個實施例提供了 一種評價焊接助焊劑的活性的方法(使用前)，該方法涉及包括如下步驟的筒化流程(1 )提供包含在介電材料的基板上的預 定區域中設置的兩條金屬線路的電導探針；(2)在至少部分的每條金屬線路以 及金屬線路之間的介電基板上的預定區域中施加預定量的助焊劑；以及(3) 測量電導探針的金屬線路之間的電導。在這種情況下，相對高的電導表示焊接 助焊劑的相對高的活性。
本發明的設備包括(1 )包含在介電材料的基板上的預定區域中設置的兩 條金屬線路的電導探針；(2)用來測量電導探針的溫度的溫度探針；以及(3 ) 用來測量電導揮^十的兩條金屬線if各之間的電導的電導計。在優選實施例中，在 至少部分的預定區域上方施加助焊劑并且當測量作為溫度的函數的電導探針 的金屬線路之間的電導時加熱電導探針，從而產生電導-溫度時間曲線，并且 分析電導-溫度時間曲線來確定焊接處理中的助焊劑的性能。
本發明的設備的電導計通常包括可以是dc或ac的電壓源、以及電流-測 量設備。電流-測量設備可以是包含電阻和第二伏特計的單個設備，或是例如 包括電流跟隨器和/或緩沖器/放大器的更復雜的設備。由于電導是電阻的倒數， 因此電阻測量也可產生電導。
本發明的設備可進一步包括用來同時測試多個電導探針的電路板架；用 來提高熱偶探針的信噪比的電壓放大器；用來提高電導計的信噪比的電流放大 器；模擬數字轉換器和用來方便可確定焊接處理性能的電導-溫度時間曲線的 分析的計算機；用來將數據信號從電導探針和溫度探針以及從任何其它所使用
的傳感器傳送到數據收集和處理系統的無線鏈接；用來收集并且存儲在完成加 熱步驟之后被下載的數據的板上數據鏈接；以及用來提供電導-溫度時間曲線 的硬拷貝的打印機。 優選實施例的^兌明
圖3說明了本發明的設備的優選實施例，其包括具有形成交叉梳狀樣式 的金屬線路對311與312、 331與332、以及351與352的多個電導探針310、 330和350;電路板架370;電導計370、包括利用連接線381和382連接到第 一伏特計383的熱偶380的溫度纟果針；用來提高來自電導計370和第一伏特計 383的輸出371、 384的信噪比的緩沖器/放大器模塊390;用來使來自緩沖器/ 放大器模塊390的輸出391數字化的模擬數字(A/D)轉換器392;用來分析來自A/D轉換器392的輸出393的個人計算機394;以及用來提供來自計算機 的輸出395的硬拷貝的打印機396。金屬線路對311與312、 331與332、以及 351與352分別經由連接線313、 314、 333、 334、 353和354連接到電路斧反邊 緣接觸315、 316、 335、 336、 355和356,其可被插入電路板架370上的插槽 317、 318、 337、 338、 357和358，并且電路板架370經由連4妻線319、 320、 339、 340、 359和360又連接到電導計370。緩沖器/放大器390包括兩個電路， 其中一個電路是來自電導計370的輸出371，而另一個電路是溫度探針的第一 伏特計383的輸出。圖4和圖5分別示出了電導探針和溫度探針的優選緩沖器 /放大器的示意性電if各圖。
容納有多個電導探針的電路板架的使用實現了在基本上相同的條件下操 作的同一回流焊接中執行的多個測試。電導探針可基本上相同，從而提供了結 果的再現性的指示，或者電導探針還可以不同，從而提供了一個或多個變量的 效果的指示。例如，可以改變對于表面相同的電導探針所施加的助焊劑的量或 組成，或者利用相同的助焊劑來測試不同的電導探針幾何形狀。電路板架可以 是任何合適的設計并且可容納任意數目的電導探針，可以包括僅有一個探針。
電路板(大約為6.0cm長x 6.0cm寬x 0.8mm厚)具有形成交叉梳狀樣式的一 對銅線路。所釆用的梳狀樣式與根據IPC-TM-650 (方法2.6.3.3)的表面絕緣 電阻(SIR)測量中指定的B-25樣式相同。B-25樣式包括連接到一起的五個 梳狀部分以形成總共包括41個梳齒(0.4mm寬和25mm長，并通過0.5mm間 隔分離)的一對交叉梳狀物。銅線路是25，厚并且無表面光潔料。 一個或多 個探針上的邊緣連接器被插入可容納多達5個電導探針的不銹鋼電路板架 (35cm長x25cm寬x O.lcm厚)中的插槽當中。包括單個熱偶(Omega GG-K-30-SLE-500,類型K)的溫度探針在物理上與電^各板架相接觸。
通常利用可提供大約3密耳(75//m)厚度的助焊劑或焊接用錫膏的鏤花 涂裝和橡膠滾軸來施加助焊劑或焊接用錫膏，這種^t婁花涂裝和橡膠滾軸典型地 在生產回流焊接中使用。橡膠滾軸被設計用來利用焊接用錫膏覆蓋所有的電導 探針梳狀物的梳齒的交叉部分，其中，焊接用錫膏包含用于焊接用錫膏衰退測 試的金屬焊料粉末。關于涉及助焊劑(無金屬焊料粉末)的助焊劑活性測量，橡膠滾軸被相對于電導探針梳狀物旋轉90。，從而沿著金屬線路以及在基板電 介質之間垂直地條狀施加助焊劑。
通過Heller 1700回流爐來提供加熱，在此回流爐中以45厘米/分鐘的速度 傳送具有插入的電導探針的電路板架。回流爐具有6個加熱區(每個區大約 25cm長)，其中，電導探針被順序地暴露于一組預定溫度。關于低溫溫度曲線， 順序的預定區溫度是160、 170、 180、 190、 215和230。C。關于中間溫度曲線， 順序的預定區溫度是180、 190、 190、 185、 185和245。C。關于高溫溫度曲線， 順序的預定區溫度是190、 190、 185、 180、 175和260。C。可以調節傳送速度， 從而對于低溫溫度曲線、中間溫度曲線以及高溫溫度曲線完成整個曲線所需的 時間分別是3.5、 4.5和6.0分4中。
例1 -圖6示出了關于利用低溫溫度曲線來回流兩種可商業購得的焊接助 焊劑形成物(Kester244和Kester256GS)測量得到的說明性電導-溫度時間曲 線。在室溫下可測量的電導對于兩種焊接用錫膏都是明顯的，這表明了可能限 制助焊劑的保質期的某些助焊劑活性。對于Kester 256GS很明顯的較高室溫
保質期。實際的保質期測試表明了 Kester 256GS助焊劑具有4個月的保質期 (shelf life )，而Kester 244助焊劑具有6個月的保質期。
從圖6中的大約45。C (0.5分鐘)處開始，Kester256GS助焊劑的電導劇
活性。正如測量得到的電導所指示的一樣，可以看出在這個溫度/時間區域中
在圖6中的大約140°C ( 1.4分鐘)處開始，Kester 256GS助焊劑的電導 處于峰值并且隨后劇烈地下降，這表明了助焊劑溶液揮發時助焊劑活性隨之降 低。Kester244助焊劑的活性在這個溫度/時間區域中保持很高。從圖6中的大 約18(TC處開始，Kester256GS助焊劑的電導再次增大，這表明了當樹脂系統 和助焊劑的微弱有機激活物液化時助焊劑活性隨之升高。在這個溫度/時間區 域中(一直到最大溫度232。C)， Kester 244助焊劑的活性持續升高，這反映了 244激活物的相對低的揮發性。
在圖6中，已經達到峰值溫度并且溫度已經下降到大約220°C ( 3.6分鐘)之后，電導對于兩種焊接助焊劑都降低，這反映了助焊劑活性會隨著溫度的降
低而降低。然而，Kester244助焊劑的活性下降的更緩慢并且在較長時間內保 持高水平，并且達到了對應于峰值焊接溫度的最大值。值得注意的是，Kester 256GS助焊劑直到3.6分鐘時才達到了全部活性，這是在2.2分鐘時達到了回 流溫度(180°C)之后。可使用這樣的結果來選擇對于給定應用的最佳焊接助 焊劑。例如，提供了高水平持續助焊劑活性的Kester 244助焊劑對于利用例1 中的低溫溫度曲線來焊接具有相對差的可焊性的部件是優選的。
從圖6中的大約115。C處開始，兩種焊接助焊劑的電導在低值上處于平穩 狀態，這表明了當助焊劑樹脂系統固化時助焊劑活性可被忽略。因此，兩種這 樣的焊接助焊劑提供了用來避免本領域中存在的腐蝕以及漏電流問題所需的 低殘留助焊劑活性。兩種助焊劑都具有可被接受殘留在電子組件上的焊接后殘 留物。
可商業購得的焊接助焊劑形成物(Kester 244和Kester 256GS )測量得到的i兌 明性電導-溫度時間曲線。例如，對于利用具有高于傳統錫鉛焊料的熔點的錫 銀銅焊料執行回流焊接，需要上述的溫度升高。對于中間溫度曲線，Kester 256GS助焊劑展現出性能被改善了的兩個相同的電導峰值，這通過最大焊接溫 度處的非常高的助焊劑活性所表明。另一方面，Kester244助焊劑的活性盡管 趨于很高，仍在高溫處展現出巨大的變化，這表明了 Kester 244激活系統的某 些成分在中間溫度曲線中的較高溫度下具有很大的揮發性。在這種情況下， Kester 256GS助焊劑可以是優選的，尤其是在增長回流循環時間的情況下。
例3 -圖8示出了關于利用高溫溫度曲線而不是低溫溫度曲線對例1和例 2中的兩種可商業購得的焊接助焊劑形成物(Kester 244和Kester 256GS )測 量得到的說明性電導-溫度時間曲線。對于高溫溫度曲線，Kester 256GS助焊 劑還展示出了相同的兩個電導峰值并且性能被進一步改善，這通過在最大焊4妻 溫度下非常高的助焊劑活性(與中間溫度曲線相比較)所表明。與此相對比， 在高溫溫度曲線的較高溫度下，Kester244助焊劑的活性下降(與中間溫度曲 線相比4交)。
從例1至例3中給出的結果可以明顯地得出，Kester256GS助焊劑對于高溫溫度曲線是優選的，而Kester 244助焊劑利用低溫溫度曲線會對具有相對差 的可焊性的焊接部件產生更佳的結果。基于Kester 244助焊劑的較低室溫活性， 因而其具有較長的保質期。
例4 -圖9示出了使用高溫溫度曲線對于典型的水溶性助焊劑測量得到的 說明性電導-溫度時間曲線。典型地，對于通常具有低可焊性的難以焊接的金 屬系統使用這樣的助焊劑。可以看出水溶性助焊劑的活性(圖9)在整個回流 過程中都保持相對很高。此外，助焊劑活性在焊接處理之后(室溫下)也保持 很高，這表明了需要清潔處理以去除可引起腐蝕和/或感應電遷移的助焊劑殘 留物。
例5-圖10示出了使用低溫溫度曲線對于三種回流膠嚢密封材料測量得 到的說明性電導-溫度時間曲線。典型地，這樣的材料被應用到球柵陣歹'KBGA) 設備，球柵陣列(BGA)設備是使用陣列的焊料球面以提供與印刷線路基板 的互連的無鉛電子封裝體。膠嚢密封材料的存在加強了封裝體與基^1之間形成 的焊接點，因此提高了互連的粘結可靠性。在典型的回流焊接處理過程中，回 流膠嚢密封材料必須體現出達到焊料合金的熔點溫度的助燃特性。回流膠嚢密 封材料隨后交聯并且彎曲而成為完全聚合的膠嚢密封材料。正如Kirsten在美 國專利6,819,004中所說明的一樣，如果在回流處理中回流膠嚢密封材料過早 地彎曲，則所得到的凝膠體將會妨礙焊接點的形成。當回流膠嚢密封材料彎曲 時，它的電導隨之降低。
從圖IO中可以清楚地看出，EL2-33-l和9110S材料與9101材料相比較， 在低得多的溫度下出現了彎曲，這使得它們(即，EL2-33-l和9110S材料) 不適于對某些較高溫度合金系統使用。在實際的焊接研究中，EL2-33-1和 9110S回流膠嚢密封材料對于熔點為183。C的共熔的錫-鉛焊料(63%的Sn和 37%的Pb)具有4艮好的性能，而只有9101材料對于熔點為221。C的無鉛合金 (96.5。/o的Sn、 3.0。/o的Ag、以及0.5 %Cu)是有效的。這些結果表明了本發 明還可被用來建立對于彎曲回流膠嚢密封材料所適用的溫度曲線，并且提供在 特定回流條件下具有的彎曲度的量度。
以上已經描述并且說明了本發明的優選實施例。然而，對于本領域技術人 員來說，變化及附加實施例無疑是明顯的。進一步，等效元件可以替代這里已經描述并且說明的元件，部件和連接可以被顛倒或是互換，并且還可獨立于其 它特征來使用本發明的特定特征。因此，這些示例性實施例應該被視作為說明 性的而不是概括性的，本發明的完整保護范圍應該由所附的權利要求來限定。
權利要求
1. 一種用來評價焊接處理中助焊劑的性能的方法，包括步驟提供電導探針，所述電導探針包括在介電材料的基板上的預定區域內設置的兩條金屬線路；提供溫度探針，所述溫度探針用來測量電導探針的溫度；在至少部分的所述預定區域上施加預定量的助焊劑；根據預定的溫度-時間曲線，利用所施加的助焊劑加熱電導探針；作為溫度的函數，測量電導探針的金屬線路之間的電導，從而得到電導-溫度時間曲線；以及分析電導-溫度時間曲線以確定在焊接處理中助焊劑的性能。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中，在至少部分的每條金屬線路以及金屬線路之間的介電基板上的預定區域 內施加助焊劑。
3. 根據權利要求1所述的方法，其中，助焊劑包括在焊接用錫膏中，并且在至少一條金屬線路的預定區域內、但 不在金屬線路之間的基板上施加焊接用錫膏，并且在測量電導的步驟中檢測金 屬線路之間發生的電短路。
4. 根據權利要求1所述的方法，其中，通過從包括鏤花涂裝、注射式滴涂、浸涂、噴灑、涂刷以及印刷的組中選 擇的方法來施加助焊劑。
5. 根據權利要求1所述的方法，其中，通過回流爐或波峰焊接預加熱爐的裝置來執行加熱的步驟。
6. 根據權利要求1所述的方法，其中，從對于兩條金屬線路之間施加的電壓的電流響應來作為溫度的函數測量 電導探針的金屬線路之間的電導。
7. 才艮據權利要求6所述的方法，其中， 在兩條金屬線路之間施加的電壓是具有預定頻率的ac電壓。
8. 根據權利要求7所述的方法，其中，在多個預定頻率下重復所述施加的步驟、所述加熱的步驟、所述測量的步 驟以及所述分析的步驟。
9. 根據權利要求1所述的方法，其中， 使用計算機來執行所述分析的步驟。
10. 根據權利要求1所述的方法，其中，所述分析的步驟包括產生作為時間或溫度的函數的電導的數據曲線圖。
11. 根據權利要求IO所述的方法，其中，所述分析的步驟進一步包括從數據曲線圖中提取特征，該特征選自包括斜 率、峰值區域、峰值區域比、峰值高度、峰值高度比以及電導保持在預定值之 上的時間的纟且。
12. 根據權利要求1所述的方法，進一步包括如下步驟監視來自粘結到電導探針或是包含電導探針的電路板架上的環境傳感器 的輸出。
13. 根據權利要求12所述的方法，其中，環境傳感器是選自包括氧濃度傳感器、相對濕度傳感器、以及壓力傳感器 的組。
14. 根據權利要求12所述的方法，其中，對于來自環境傳感器的多個輸出重復所述施加的步-驟、所述加熱的步驟、 所述測量的步驟、所述監視的步驟以及所述分析的步驟。
15. —種用來評價焊接助焊劑的活性的方法，包括如下步驟 提供電導探針，所述電導探針包括在介電材料的基板上的預定區域內設置的兩條金屬線路；在至少部分的每條金屬線路以及金屬線路之間的介電基板上的預定區域 內施加預定量的助焊劑；以及測量電導探針的金屬線路之間的電導，其中，相對高的電導表明了焊接助焊劑的相對高的活性。
16. —種用來評價焊接處理中助焊劑的性能的設備，包括電導探針，其包括在介電材料的基板上的預定區域內設置的兩條金屬線路；溫度探針，其用來測量電導探針的溫度；以及 電導計，其用來測量電導探針的兩條金屬線路之間的電導， 其中，在至少部分的所述預定區域上施加助焊劑，并且當作為溫度的函數 測量電導探針的金屬線路之間的電導時加熱電導探針，從而產生電導-溫度時 間曲線，分析所述電導-溫度時間曲線以確定焊-接處理中的助焊劑的性能。
17. 根據權利要求16所述的設備，其中， 兩條金屬線路形成交叉梳狀樣式。
18. 根據權利要求16所述的設備，其中， 所述介電材料包括聚合物。
19. 根據權利要求16所述的設備，其中， 所述介電材料包括陶瓷。
20. 根據權利要求16所述的設備，其中， 所述溫度探針包括熱偶和第 一伏特計。
21. 根據權利要求20所述的設備，其中， 所述熱偶與部分的電導探針物理上接觸。
22. 根據權利要求16所述的設備，其中， 所述電導計包括電壓源和電流測量設備。
23. 根據權利要求22所述的設備，其中， 所述電壓源是ac電壓源。
24. 根據權利要求22所述的設備，其中， 所述電流測量設備包括電阻和第二伏特計。
25. 根據權利要求16所述的設備，其中， 通過回流爐或預加熱爐來加熱電導探針。
26. 根據權利要求16所述的設備，進一步包括 電路板架，其用來同時測試多個電導4笨針。
27. 根據權利要求26所述的設備，其中， 所述熱偶與部分的電路板架物理上接觸。
28. 根據權利要求16所述的設備，進一步包括 電壓放大器，其用來提高熱偶探針的信噪比。
29. 根據權利要求16所述的設備，進一步包括 電流放大器，其用來提高電導計的信噪比。
30. 根據權利要求16所述的設備，進一步包括 模擬數字轉換器；以及計算機，由此實現用來確定焊接處理中的助焊劑的性能的電導-溫度時間曲線的分析。
31. 根據權利要求16所述的設備，進一步包括無線鏈接，其用來將數據信號從電導探針和溫度探針以及從任何其它所使 用的傳感器傳送到lt據收集和處理系統。
32. 根據權利要求16所述的設備，進一步包括板上數據鏈接，其用來收集并且存儲在完成加熱的步驟之后^^皮下載的數
全文摘要
通過監視助焊劑的活性來評價焊接處理中助焊劑的性能，其中，利用具有交叉金屬線路和溫度傳感器的探針，助焊劑的活性是通過測量助焊劑的電導得到的。測量得到的電導-溫度時間曲線提供了對于給定的應用而言選擇合適的助焊劑形成物以及焊接條件、關于確定焊接處理問題的形成原因、以及關于開發改良的助焊劑形成物等有用的信息。
文檔編號G01R27/22GK101437641SQ200780016221
公開日2009年5月20日 申請日期2007年3月27日 優先權日2006年4月17日
發明者保羅·克利馬, 尼克·辛基諾, 布賴恩·德雷姆 申請人:凱斯特公司