CN101484271A - 用于半导体器件应用的免清洗低残留焊锡膏 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于芯片焊接分配或者半导体器件密集点距印刷的免清洗低残留焊锡膏。这种焊锡膏具有均匀的稠度，不存在膏体分离的趋向。最终的剩余残留物是清洁的水晶状的，适宜于在没有预先用溶剂清洁以去除焊剂残渣下实施进一步的加工步骤。这种焊锡膏包含相对少量的松香，并与粘稠的溶剂体系、触变剂、活化剂、添加剂以及任选的增塑剂相组合。溶剂如2，5－二甲基－2，5－己二醇或者异冰片基环己醇在30℃下的粘度为大于10,000cps。这种焊锡膏可以被用于回流焊接。

Description

用于半导体器件应用的免清洗低残留焊锡膏
技术领域
本发明涉及一种用于半导体器件的芯片焊接或者回流焊接的免清洗低残留焊锡膏。这种焊锡膏具有均匀的稠度，不存在膏体分离的趋向。最终的剩余残留物是清洁的和水晶状的，适宜于在没有预先用溶剂清洁以去除焊剂残渣下实施进一步的加工步骤。
背景技术
焊锡膏是一种通过将焊锡粉混入焊剂中而制备的焊接材料，焊剂也称为媒介物。焊锡膏例如通过使用模板的丝网印刷术而涂敷到印刷电路板上，或者通过注射器的分配(dispensing)，使得在每个将要进行焊接的区域沉积合适的少量膏体而涂敷焊锡膏至任何金属喷涂的表面上，随后在炉中进行加热以使膏体熔化并进行焊接。这种焊接技术通常被称作回流焊接。包括红外线加热、激光加热、热空气加热以及热板加热的各种加热方式都可以在回流炉中采用。焊锡膏必须具有适合于丝网印刷或分配的一定的流变性质。
焊锡膏的焊剂或者媒介物包含至少一种活化剂，其可以从焊接表面和焊锡粉去除氧化层，以使焊接效果更好。焊剂还包括可以调节膏体流变性质的成分。传统焊剂的主要成分是浓度为40-70重量％的松香和松香衍生物，以及浓度为20-50重量％的溶剂的组合，其每一种都是以焊剂的总重量计。
这些传统焊剂的一个缺点是，事实上大量的松香和焊剂的其它固体成分作为焊剂残渣留在产生的焊接点上或在其附近。回流过程中，在焊锡合金表面上的松香、焊剂的其它成分和金属氧化物之间会发生很多的化学反应。反应产物的不挥发部分和原料的惰性成分仍然作为残渣留在工件上。商业上的免清洗焊锡膏含有6-7个重量％的残渣。
这些残渣如果残留量很大，则将会导致焊接区域的形貌变差，并损害由焊锡膏焊接的电子零件的针脚的接触效果。此外，焊剂残渣可以由于其吸收的湿气而导致工件电路之间的绝缘电阻下降，也可能会因为焊剂残渣所形成的腐蚀产物而导致电路破坏或断路。因此，想要用于需要高可靠性的电子设备的工件必须在回流焊接后进行采用清洁剂的洗涤，以去除残留在焊接区域的焊剂残渣。
经常地，电子设备不得不被密封起来以防止潮湿，进而提高可靠性。密封是通过对整个工件进行树脂成型而完成的。在这种情形下，工件必须用清洁剂洗涤，以在树脂涂布或成形型之前去除任何焊剂残渣。以氟化和氯化溶剂为基础的清洁剂已经被成功地应用于溶解焊剂残渣中的松香。然而，在树脂成型之前必需的清洁工件的步骤带来了额外昂贵的生产环节。而且，这些溶剂的使用现在正受到限制，因为它们的蒸气会导致大气中的臭氧被消耗。
因此，低焊剂残渣的焊锡膏，即所谓的免清洗焊锡膏已经在过去得到了发展。例如US 5176759中公开了具有最小焊剂残渣残留的焊锡膏，其包括焊锡粉和在掺混物中的焊剂。这种焊剂包含5-40重量％的包含松香或者松香衍生物的媒介物成分、活化剂、触变剂以及60-95重量％的溶剂。溶剂主要包括(超过重量的50％)烷基中含1-4个碳原子的2-烷基-1，3-己二醇。在溶剂中使用的2-烷基-1，3-己二醇的粘度较低，其典型数值范围是在20℃时323cps。在此专利中，留下的残渣可目测观察到，并且被指定为1-4的四个等级中的一个。没有给出残留焊剂的百分比。使用这种类型的焊锡膏进行回流焊接后，减少的焊剂残渣残留不会导致需要高可靠性的普通电子设备的实质性问题。然而，对于现在需要超高可靠性的电子设备来讲，该焊锡膏残渣的降低还是不能使我们完全满意。
US 6887319B2揭示了一种不含任何松香的无残渣焊锡膏。这种无残渣焊锡膏在回流焊接之后只留下极少或者干脆没有焊剂残渣，并包含与无松香的膏状焊剂混合的焊锡粉。除至少一种液体溶剂外，该焊剂包含至少一种固体溶剂和至少一种高粘稠溶剂，其总量为30-90质量％，所有的溶剂在回流焊接温度下蒸发。这种焊剂可以还包含0.5-12％的触变剂，比如脂肪酸酰胺，以及选自有机酸及其胺盐的1-15％的活化剂，触变剂和活化剂在溶剂蒸发时在溶剂存在下蒸发。这种焊锡膏就回流焊接之后的残渣剩余量而言令人满意，但是其仍然在均匀性、防止膏体分离的稳定性以及湿润要求上不能令人满意。
因此，对具有好的湿润性、高的稳定性和在回流焊接后焊剂残留至多2％的均匀低残留焊锡膏依然有着持续的需要。即使需要进行成型处理，所述焊剂残渣也应该符合其它的处理步骤，从而避免通过洗涤来去除焊剂残渣的必要。
发明内容
在不同的实施方案中，本发明提供了一种低残渣的焊锡膏。回流焊接后剩余的焊剂残渣是清洁、坚硬且水晶状的，适于在没有预先将残渣洗掉下进一步进行其它加工步骤。该焊锡膏可以承受高达390℃的回流峰值温度。剩余的残渣可承受至多185℃的成型温度。
在不同的实施方案中，该焊锡膏包含分散在焊剂中的焊锡粉，焊剂包含溶剂体系的均匀混合物、至少一种触变剂、至少一种活化剂及松香，其中溶剂体系包含室温下高度粘稠的溶剂和/或固体溶剂，溶剂体系的浓度总计为55-75重量％，松香浓度总计为10-25重量％，其每一种都以焊剂的总重量计。
为了更好地理解本发明及其它和更多的优点和实施方案，可以将下面的描述和实施例结合起来参考，其保护范围在所附的权利要求中阐明。
以下将通过与本发明相关的优选实施方案来描述本发明。这些实施方案可以对本发明的理解提供帮助，但是这并不意味着、也不应该被解释为在各种情形下对本发明的限制。所有对阅读到这些公开内容的本领域普通技术人员显而易见的可选择的方法、修改和等同形式，都包括在本发明的精神和保护范围之内。
在不同的实施方案中，本发明的焊锡膏只含有至多为焊剂2％的非常低的焊剂残渣。该残渣是非导电性的、化学上惰性的、坚硬和水晶状透明的。根据本发明不同实施方案的焊锡膏残渣必须是在进一步的组装加工之前不用被洗掉，因此节约了装配成本。
所述焊锡膏包含分散于焊剂中的焊锡粉。就像设计的那样，该焊锡膏的有益性质可以通过以下的焊剂来实现，这种焊剂包含溶剂体系的均匀混合物、至少一种触变剂、至少一种活化剂及松香，其中溶剂体系包含高度粘稠的溶剂和/或固体溶剂，溶剂体系的浓度总计为55-75重量％，松香浓度总计为10-25重量％，其每一种都以焊剂的总重量计。
优选地，焊锡膏包含80-90重量％的焊锡粉，其余的是焊剂。
该焊锡膏的焊剂包含与溶剂相比相对少量的松香。为了保证焊锡膏有足够高的粘度，溶剂体系包含室温下高度粘稠的溶剂和固体溶剂。在此处使用的术语“高度粘稠的溶剂”是指该溶剂在30℃下的粘度为至少10,000cps，其流变性质类似于室温下浓厚的糖浆。更优选地，该高度粘稠的溶剂的粘度为高于100,000cps。术语“固体溶剂”表示溶剂在室温下处于固体状态。
均匀混合物包括溶剂的均匀掺混物(比如，高度粘稠的溶剂和/或固体溶剂的均匀的掺混物)。在不同的实施方案中，均匀的混合物包括多种溶剂(如高度粘稠的溶剂、固体溶剂、二醇醚和/或醇的均匀的掺混物)的均匀掺混物。这种溶剂体系提高了焊剂的稳定性。
除了高度粘稠的溶剂和/或固体溶剂，该溶剂体系还包含一种或多种醇及一种或多种二醇醚，其具有比高度粘稠的溶剂稍低的粘度。
优选地，溶剂体系的均匀混合物包括室温下高度粘稠的溶剂和/或固体溶剂的混合物，其选自以下组中：三羟甲基丙烷(trimethylopropane)、1，2-辛二醇、1，8-辛二醇、2，5-二甲基-2，5-己二醇、异冰片基环己醇、或它们的组合。
二醇醚选自以下组中：单-、二-或三-丙二醇甲醚，单-、二-或三-丙二醇正丁醚，单-、二-或三-乙二醇正丁醚，以及乙二醇甲醚、三甘醇甲醚、二甘醇二丁醚、四甘醇二甲醚、或它们的组合。
醇优选地选自以下组中：2-乙基-1，3-己二醇、正癸醇、2-甲基-2，4-戊二醇、松油醇以及异丙醇、或它们的混合物。
如下的溶剂体系可以得到最好的结果，该溶剂体系包含30-50重量％的室温下高度粘稠的溶剂和/或固体溶剂、10-30重量％的二醇醚、以及10-20重量％的醇，其每一种都以焊剂的总量计。
松香选自以下组中：妥尔油松香、氢化松香、部分氢化松香、脱氢松香或它们的组合。最优选的是使用氢化松香或者妥尔油松香。
为了改变焊剂的流变性质，其优选地包含1-6重量％的选自以下组中的触变剂：甘油基三-12-羟基硬脂酸盐、改性甘油基三-12-羟基硬脂酸盐、聚酰胺、硬脂酰胺、或它们的组合。最优选的是使用甘油基三-12-羟基硬脂酸盐或硬脂酰胺。
优选活化剂总量为相对于焊剂总量的10-20重量％。为了得到良好的的湿润性质，有机酸和胺的组合被作为活化剂来使用。所述有机酸选自以下组中：己酸、苯乙酸、苯甲酸、水杨酸、氨基苯甲酸、4-正丁基苯甲酸、4-叔丁基苯甲酸、3，4-二甲氧基苯甲酸、草酸、琥珀酸、马来酸、苹果酸、己二酸、丙二酸、和它们的混合物。所述胺选自以下组中：单乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、异丙醇胺、或它们的组合。使用包括以下组分的活化剂实现了良好的结果：5-15重量％的有机酸、1-10重量％的胺，其中4-正丁基苯甲酸或4-叔丁基苯甲酸被用作有机酸，同时单乙醇胺或二乙醇胺被用作胺。
为了进一步提高焊锡膏的湿润性，可以将0.5-3重量％的添加剂加入焊剂中。所述添加剂尤其可以选自以下组中：乙氧基化胺松香、胺松香、松香甲酯、正油烯基肌氨酸和油烯基咪唑啉、或它们的混合物。
所述焊锡膏可以包含任何对电子工业的应用有用的焊锡合金粉末，例如，在芯片焊接中应用的高铅含量、也就是含至少85重量％铅的合金，例如PbSn合金、PbSnAg合金、PbAg合金或PbInAg合金。这种合金的具体实例是Pb90Sn10、Pb88Sn10Ag2、Pb92.5Sn5Ag2.5、Pb95.5Sn2Ag2.5、Pb97Ag3以及Pb92.5In5Ag2.5。其它合适的含铅焊锡合金是SnPb合金、SnPbAg合金、SnPbBi合金以及PbSnSb合金，它们都用于SMT应用。用于SMT应用的无铅的焊锡合金同样可以使用，例如SnAgCu合金、SnAg合金、SnCu合金、SnCuIn合金、SnAgCuSb合金、SnAgSb合金、SnSb合金以及BiSn合金。具体的SMT应用的含铅焊料是Sn63Pb37和Sn62Pb36Ag2，同时，SMT应用的无铅的焊锡合金可以选自Sn96.5Ag3.5、Sn95.5Ag4Cu0.5、Sn96Ag3.5Cu0.5和Sn96.5Ag3Cu0.5。
对于表面装配技术的应用，优选焊锡焊剂进一步包含0.1-2重量％的增塑剂，其可选自以下组中：邻苯二甲酸二甲酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二异癸酯、油酸丁酯、己二酸二异丁酯、己二酸二辛酯、一缩二丙二醇二苯甲酸酯、癸二酸二辛酯、和它们的混合物。就这些应用来说，焊锡膏也可以包含无铅或含铅的焊锡合金。
对这些应用来说，该溶剂体系优选地进行如下改进，以包含20-40重量％的室温下非常粘稠的溶剂和/或固体溶剂、以及30-50重量％的醇。此外，活化剂还包含5-15重量％的酸和1-10重量％的胺，其每一种都以焊剂的总量计。
上面给出的膏体组成提供了良好的焊接性。在回流期间，焊锡膏被加热到140-160℃，此时焊剂开始活化，溶剂开始挥发。随着温度的持续上升，活化剂开始从合金和部件的表面去除氧化物，由此提升用于形成良好结合的湿润性。此外，松香开始熔化，并在焊锡粉颗粒周围形成保护涂层，从而将由于温度持续上升时的再氧化的可能性降到最低。上面给出的松香和活化剂的数量足够实现这些功能，直到发生完全的合金聚结，因此降低了焊锡球形成的可能性。
焊锡膏的分配性能是非常重要的。它们受到焊剂配方的影响，还受颗粒尺寸分布和焊锡粉形态的影响。为了可以顺畅的分配，粉末颗粒应该具有类似球体的形态。
本发明的焊锡膏的制备通过首先在容器中加入选择的溶剂，随后加热和搅拌来进行。当温度达到约100℃时，添加松香和触变剂。在松香和触变剂溶解后，加入酸性活化剂。在所有的固体都已经溶解后，停止加热以使系统冷却。在大约50℃时加入活化剂的胺成分，使组合物在持续搅拌下冷却到室温。
已经大体上对本发明进行了描述，但是，通过参考下面的具体实施例，可以更容易理解本发明，但这些实施例只是提供一种说明的途径，除非明确说明，其并没有被用来限制本发明。
具体实施方式
实施例1
在此实施例中，制备了根据本发明制备的焊锡膏，其可以通过分配而涂覆到工件上。
为了制备焊锡膏，将85重量份的焊锡合金Sn5Pb92.5Ag2.5(-325至+500目)与15重量份的焊剂混合。
焊剂由以下组分构成：30重量％的异冰片基环己醇、5重量％的1，2-辛二醇(非常粘稠的溶剂和固体溶剂)、13重量％的丁基卡必醇(二醇醚)、14重量％的2-乙基-1，3-己二醇、4重量％的异丙醇(醇)、16重量％的ForalAX(氢化松香，Hercules公司的商标)、3重量％的硬脂酰胺(触变剂)、5重量％的4-正丁基苯甲酸、5重量％的水杨酸(活化剂)、4重量％的二乙醇胺(活化剂)、以及1重量％的Polyrad 1110(添加剂，Hercules公司的商标)。
在使用机械搅拌桨叶的玻璃烧杯中，添加、加热和熔解焊剂的每种成分，以形成溶液。在加热和混合后，所有不同的溶剂变成为均匀的混合物。所述焊锡膏通过均匀混合焊锡粉和焊剂而成。所述焊剂的布氏粘度是30-100kcps，膏体的布氏粘度是200-300kcps。
由这种焊剂制成的免洗焊锡膏显示出良好的分配性能、焊接性和湿润特性，同时其显示出在具有约2％的残渣残留时的非常好的膏体稳定性(在应用中没有发生分离)。
实施例2
在此实施例中，制备了根据本发明制备的焊锡膏，其可以通过密集脚距印刷的方法而涂覆到工件上。
为了制备焊锡膏，将88重量份的焊锡合金Sn96.5/Ag3.5(-325至+500目)与12重量份的焊剂混合。
媒介物由以下组分构成：20重量％的异冰片基环己醇、6重量％的三羟甲基丙烷(非常粘稠的溶剂和固体溶剂)、27重量％的松油醇、5重量％的2-乙基-1，3-己二醇、5重量％的异丙醇(醇)、16重量％的Foral AX(氢化松香)、5重量％的硬脂酰胺(触变剂)、5重量％的4-正丁基苯甲酸、5重量％的苯甲酸、4重量％的二乙醇胺(活化剂)、1重量％的Polyrad 1110(添加剂)以及1重量％的邻苯二甲酸二甲酯(增塑剂)。
在使用机械搅拌桨叶的玻璃烧杯中，添加、加热和熔解焊剂的每种成分，以形成溶液。在加热和混合后，所有不同的溶剂变成为均匀的混合物。所述焊锡膏通过均匀混合焊锡粉和焊剂而成。所述焊剂的布氏粘度是20-80kcps，膏体的布氏粘度是600-800kcps。
由这种焊剂制成的免洗焊锡膏显示出良好的印刷性能、焊接性和湿润特性，同时其还显示出在具有约2％的残渣残留时的非常好的膏体稳定性(在应用中没有发生分离)。
尽管本发明通过结合其具体的实施方案进行了描述时，可以理解的是其可以进一步进行改进，本申请意在覆盖任何大体上遵循本发明原理的改变、使用或者适应调整，并且包括以下与本发明所揭示的内容不一样的内容，例如在本发明所属技术领域内的已知技术或惯用技术，其可以被应用于上文已经阐明的基本特征、以及随后所附权利要求的范围内。

Claims (20)

1、一种用于半导体器件芯片焊接的包含分散在焊剂中的焊锡粉的焊锡膏，所述焊剂包含溶剂体系的均匀混合物、至少一种触变剂、至少一种活化剂、以及松香，其中所述溶剂体系包含室温下高度粘稠的溶剂和/或固体溶剂，溶剂体系的浓度总计为55-75重量％，松香的浓度总计为10-25重量％，每一种浓度都是以焊剂的总重量计。
2、如权利要求1所述的焊锡膏，其中所述溶剂体系包含一种或多种二醇醚，以及一种或多种醇。
3、如权利要求2所述的焊锡膏，其中所述高度粘稠的溶剂和/或固体溶剂选自以下组中：三羟甲基丙烷、1，2-辛二醇、1，8-辛二醇、2，5-二甲基-2，5-己二醇、异冰片基环己醇、或它们的组合。
4、如权利要求3所述的焊锡膏，其中所述二醇醚选自以下组中：单-、二-或三-丙二醇甲醚，单-、二-或三-丙二醇正丁醚，单-、二-或三-乙二醇正丁醚，以及乙二醇甲醚，三甘醇甲醚，二甘醇二丁醚，四甘醇二甲醚，或它们的组合。
5、如权利要求4所述的焊锡膏，其中所述醇选自以下组中：2-乙基-1，3-己二醇、正癸醇、2-甲基-2，4-戊二醇、松油醇以及异丙醇、或它们的混合物。
6、如权利要求5所述的焊锡膏，其中松香选自以下组中：妥尔油松香、氢化松香、部分氢化松香、脱氢松香、或它们的组合。
7、如权利要求6所述的焊锡膏，其中触变剂选自以下组中：甘油基三-12-羟基硬脂酸酯、改性甘油基三-12-羟基硬脂酸酯、聚酰胺、硬脂酰胺、或它们的组合。
8、如权利要求7所述的焊锡膏，其中活化剂包括选自以下组中的有机酸：己酸、苯乙酸、苯甲酸、水杨酸、氨基苯甲酸、4-正丁基苯甲酸、4-叔丁基苯甲酸、3，4-二甲氧基苯甲酸、草酸、琥珀酸、马来酸、苹果酸、己二酸、丙二酸、和它们的混合物，所述活化剂还包括选自以下组中的胺：单乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、异丙醇胺、或它们的组合。
9、如权利要求8所述的焊锡膏，其中所述焊锡膏还包括选自以下组中的添加剂：乙氧基化胺松香、胺松香、松香甲酯、正油烯基肌氨酸和油烯基咪唑啉、或它们的混合物。
10、如权利要求9所述的焊锡膏，其中焊剂包含1-6重量％的触变剂、10-20重量％的活化剂以及0.5-3重量％的添加剂，其每一种都是以焊剂的总量计。
11、如权利要求10所述的焊锡膏，其中溶剂体系包含30-50重量％的室温下非常粘稠的溶剂和/或固体溶剂、10-30重量％的二醇醚和10-20重量％的醇，且活化剂包含5-15重量％的酸和1-10重量％的胺，其每一种都是以焊剂的总量计。
12、如权利要求11所述的焊锡膏，其中焊锡粉选自含铅的焊锡合金或无铅的焊锡合金。
13、如权利要求12所述的焊锡膏，其中含铅的焊锡合金选自含有至少85重量％铅的PbSn合金、PbSnAg合金、PbAg合金或PbInAg合金。
14、如权利要求9所述的焊锡膏，其中所述焊锡膏还包含选自以下组中的增塑剂：邻苯二甲酸二甲酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二异癸酯、油酸丁酯、己二酸二异丁酯、己二酸二辛酯、一缩二丙二醇二苯甲酸酯、癸二酸二辛酯、和它们的混合物。
15、如权利要求14所述的焊锡膏，其中焊剂包含1-6重量％的触变剂、10-20重量％的活化剂、0.5-3重量％的添加剂、以及0.1-2重量％的增塑剂，其每一种都是以焊剂总量计。
16、如权利要求15所述的焊锡膏，其中溶剂体系包含20-40重量％的室温下非常粘稠的液体和/或固体溶剂、30-50重量％的醇，且活化剂包含5-15重量％的酸和1-10重量％的胺，其每一种都以焊剂的总量计。
17、如权利要求16所述的焊锡膏，其中焊锡粉是由含铅的或无铅的焊锡合金制备的。
18、如权利要求17所述的焊锡膏，其中所述含铅的焊锡合金选自SnPb合金、SnPbAg合金、SnPbBi合金以及PbSnSb合金。
19、如权利要求17所述的焊锡膏，其中所述无铅的焊锡合金选自SnAgCu合金、SnAg合金、SnCu合金、SnCuIn合金、SnAgCuSb合金、SnAgSb合金、SnSb合金或BiSn合金。
20、如权利要求1所述的用于半导体器件芯片焊接的焊锡膏，其中溶剂体系的高度粘稠的溶剂和/或固体溶剂在回流焊接的过程中被蒸发掉。
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