CN102896435B

CN102896435B - 一种原位反应型高温无铅焊膏

Info

Publication number: CN102896435B
Application number: CN201110213655.3A
Authority: CN
Inventors: 徐骏; 胡强; 贺会军; 张富文
Original assignee: BEIJING COMPO ADVANCED TECHNOLOGY CO LTD; Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Current assignee: BEIJING COMPO ADVANCED TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2011-07-28
Filing date: 2011-07-28
Publication date: 2015-01-21
Anticipated expiration: 2031-07-28
Also published as: CN102896435A

Abstract

本发明涉及一种原位反应型高温无铅焊膏，它以Sn-Bi系低温焊粉作为焊接时低温熔化基体，配合可与基体焊接材料发生原位反应的Ni粉、Mn粉、Co粉或其合金粉中的一种或几种组合，再与助焊剂混合均匀配制而成，为进一步改进该高温无铅焊膏的综合物理性能还可混合添加少量的Ag粉或Cu粉。本发明焊膏经焊接过程，锡膏内部组分中添加粉末与基体粉末中的Sn发生原位反应，从而使低温熔化基体中的Sn相消失，并形成熔点较高的金属间化合物（IMC）相。从而提高焊料焊后的耐温度疲劳性和耐温度冲击性，其焊点的重熔温度大于270℃，与原来的高铅高温焊料相近，适用于多级封装领域的一级封装等高温应用领域，来替代高铅高温焊料。

Description

一种原位反应型高温无铅焊膏

技术领域

本发明涉及一种原位反应型高温无铅焊膏，适用于多级封装领域的一级封装等高温应用领域，来替代高铅高温焊料，实现低温焊料的高温使用。

背景技术

电子设备的使用范围越来越广，使用环境越来越复杂，在高温环境下，封装芯片必须具有长期工作的稳定性和可靠性，以及在电子封装中，集成电路内部一级封装和电子产品多步焊接时，均需要使用高熔点焊料。此类焊锡主要为Sn-85Pb及Sn-90Pb、Sn-95Pb等含铅（Pb）较多的材料。虽然鉴于高铅焊料[w(Pb)>85%]没有合适的替代品，欧洲ELV指令目前允许将含铅高温焊锡作为一项例外加以使用，但这一豁免将逐一取消。根据欧盟RoHS指令计划：到2016年1月可能所有Pb焊料豁免项将被解除，届时将实现电子组装系统的全面无铅化。目前对高温无铅焊料的研究主要集中在80Au-Sn合金、Sn-Sb基合金、Zn-Al基合金及Bi基合金，但这些高温焊料均存在这样或那样的问题。

高温焊料主要应用在以下几个方面：

1、高温应用领域

航空航天及国防领域以及在汽车前盖、发电机和整流器等处，高电流密度和高服役温度同时存在，钎焊接头在此环境下服役时必须保持相当的稳定性和可靠性，此时的接头就需要用高温焊料，特别是对汽车发动机室。

2、芯片层次封装

芯片层次封装是指将集成电路芯片与封装基板或引线架之间的粘贴固定、电路连接与封装保护的工艺，使之成为易于取放输送，并可与下一层次组装进行连接的模块元件。典型的IC内部的芯片示意图如图1所示，1为半导体芯片，2为高温焊锡材料，3为密封树脂，4为键合线，5为外装电镀，6为引脚，7为引脚框架。

3、先进电子封装技术

电子设备的微型化、多功能化要求使得先进的电子封装技术也随之发展起来，如倒装芯片(FC)封装技术、多芯片模组(MCM)封装技术等。在高端倒装芯片封装中，也需要用到高温焊料；在多芯片模组封装中，经常需要多步焊接。多步焊接时，初级封装要先使用高温焊料，以保证第二步用低温焊料做焊接时焊接点的固定。

发明内容

本发明目的是提供一种原位反应型高温无铅焊膏。该焊锡膏经焊接过程后，焊膏内部组分发生原位反应消耗低温熔化基体中的Sn相，并形成熔点较高的金属间化合物（IMC）相，从而提高焊料焊后的耐温度疲劳性和耐温度冲击性，其焊点的重熔温度大于270℃，与原来的高铅高温焊料相近。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种原位反应型高温无铅焊膏，由Sn-Bi系的低温焊粉，Ni粉、Mn粉和/或Co粉，及助焊剂组成。高温无铅焊膏以Sn-Bi系较低Sn含量的低温焊粉（由于通用的Sn-Bi系无铅焊料相比目前较为常用的不含Bi无铅焊料具有较低的Sn含量，因而称Sn-Bi系无铅焊料为较低Sn含量的无铅焊料）作为焊接时低温熔化基体，配合一定比例组分的可与基体焊接材料发生原位反应的Ni粉、Mn粉、Co粉或其合金粉中的一种或几种组合，再与一定量的助焊剂混合均匀配制而成。

本发明所涉及的Sn-Bi系较低Sn含量的低温焊粉，包括SnBi58和/或SnBi57Ag1等低温合金焊粉，粒径在2μm～45μm。

本发明所涉及的一定比例组分的可与基体焊接材料发生原位反应的Ni粉、Mn粉、Co粉或其合金粉中的一种或几种组合，粒径在2μm～45μm，其添加量应满足与Sn-Bi系低温焊粉完全反应后刚好能够消除Sn相的存在，不包括该焊料中Sn-Bi低温焊粉与被焊材料界面形成冶金结合所消耗掉的Sn，即不包括与被焊材料界面反应掉的Sn。如果添加量不足，将会导致焊后焊点存在SnBi低熔点相的风险，造成焊点受热时性能恶化；反之，如果添加量过多，又会导致焊接不熔化或焊料熔化收缩不良，影响焊点外观和焊点性能。

根据焊接过程中Sn相的消耗反应原理，所添加的Ni粉、Mn粉和/或Co粉的总重量应满足：xM+ySn=M_xSn_y，M为Ni、Mn、Co等，M_xSn_y为具有较高熔点（>500℃）的金属间化合物，一般为所得焊膏重量的20％～25％。

本发明中焊膏中起助焊作用的助焊剂为膏状助焊剂，占所得焊膏总重量的8％～15％。

本发明焊膏中还可进一步混合添加少量的Ag粉或Cu粉，以期进一步改进该高温无铅焊膏的综合物理性能。该类改性粉末仍具有与焊膏基体中低温Sn-Bi焊粉反应而消耗Sn元素的特性，但添加量不宜超过所得焊膏总重量的5%，优选地为0.5％～1.2％。

本发明的优点在于：

本发明的原位反应型高温无铅焊膏经焊接过程后，锡膏内部组分发生原位反应消耗低温熔化的基体中Sn相，并形成高熔点的金属间化合物（IMC）相，从而提高焊料焊后的耐温度疲劳性和耐温度冲击性，其焊点的重熔温度大于270℃（纯Bi的熔点为271.5℃），与原来的高铅高温焊料相近。因而适用于多级封装领域的一级封装等高温应用领域，来替代高铅高温焊料，真正实现低温焊料的高温使用。

应该指出的是所述的实施方案仅仅涉及本发明的优选实施方案，在不脱离本发明的精神和范围情况下，各种组分及含量的变化和改进都是可能的。

附图说明

图1为典型的IC内部的芯片示意图。

图2为本发明焊膏及对比材料的焊点外观。

图3为本发明焊膏经回流焊接后焊点的剥离面照片。

具体实施方式

本发明的原位反应型高温无铅焊膏，以Sn-Bi系较低Sn含量的低温焊粉作为焊接时低温熔化基体，配合一定比例组分的可与基体焊接材料发生原位反应的Ni粉、Mn粉、Co粉或其合金粉中的一种或几种组合，再与一定量的助焊剂混合均匀配制而成。本发明中较低Sn含量的Sn-Bi系低温焊粉，包括SnBi58、SnBi57Ag1等低温合金焊粉，粒径在2μm～45μm。可与基体焊接材料发生原位反应的Ni粉、Mn粉、Co粉或其合金粉中的一种或几种组合，粒径在2μm～45μm，其添加量应满足与Sn-Bi系低温焊粉完全反应后刚好能够消除Sn相的存在（实际上应不包括该焊料中Sn-Bi低温焊粉与被焊材料界面形成冶金结合所消耗掉的Sn，而一般CCL（覆铜板）基板在焊接过程中因界面反应而消耗的Sn量仅约占焊点中Sn总量的0.5-1‰）。本发明中助焊剂为膏状助焊剂，占所得焊膏总重量的8％～15％。

为了进一步改进该高温无铅焊膏的综合物理性能，本发明焊膏中还可进一步混合添加少量的Ag粉或Cu粉，添加量不超过所得焊膏总重量的5%。

实施例1

锡膏各组分配比（wt％）：

SnBi58粉（粒径15μm～25μm） 65

Ni粉（粒径2μm～20μm） 25

助焊剂 10

实施例2

锡膏各组分配比（wt％）：

SnBi58粉（粒径25μm～45μm） 70

Mn粉（粒径5μm～45μm） 22

助焊剂 8

实施例3

锡膏各组分配比（wt％）：

SnBi57Ag1粉（粒径2μm～11μm） 62

Ni粉（粒径2μm～10μm） 11

Mn粉（粒径5μm～15μm） 12

助焊剂 15

实施例4

锡膏各组分配比（wt％）：

SnBi57Ag1粉（粒径2μm～11μm） 60

市售NiMnCo合金粉（粒径2μm～10μm） 20

市售Ag粉 5

助焊剂 15

实施例5

锡膏各组分配比（wt％）：

SnBi57Ag1粉（粒径25μm～45μm） 30

SnBi58粉（粒径25μm～45μm） 30

Ni粉（粒径2μm～10μm） 10

Co粉（粒径2μm～10μm） 8

Mn粉（粒径5μm～15μm） 5

市售Cu粉 2

助焊剂 15

表1 不同材料和实施例的焊接温度及其形成焊点的重熔温度

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5	SnPb85	SnPb90	SnPb88Ag2	SnPb95
										熔化温度℃	140-280	140-280	140-280	140-280	140-280	225-289	280-305	284-292	307-313
焊点重熔温度℃	>272	>275	>275	>271	>271	225-289	280-305	284-292	307-313

以上的实施例1-5列出了本发明的原位反应型高温无铅焊膏的具体组成和含量，表1为实施例1-5和不同对比材料的焊接温度及其形成焊点的重熔温度。

图2为本发明焊膏及对比材料的焊点外观，图2中上排从左到右依次为本发明实施例1-5的焊膏的焊点外观，下排从左到右依次为SnPb85、SnPb90、SnPb88Ag2和SnPb95的焊点外观，从图中可以看到，本发明高温无铅焊膏经回流后所形成的焊点可以与高铅焊料相媲美。

图3为本发明实施例2无铅焊料所形成的焊点剥离面照片，可以看出，本发明原位反应型高温无铅焊膏能够形成均匀的焊接界面，剥离面缺陷率较低。

本发明焊膏经焊接过程，锡膏内部组分中添加粉末与基体粉末中的Sn发生原位反应，从而使低温熔化基体中的Sn相消失，并形成熔点较高的金属间化合物（IMC）相。从而提高焊料焊后的耐温度疲劳性和耐温度冲击性，实施例1-5中其焊点的重熔温度均大于270℃，与原来的高铅高温焊料相近。因而适用于多级封装领域的一级封装等高温应用领域，来替代高铅高温焊料。

Claims

1.一种原位反应型高温无铅焊膏，其特征在于：它由Sn-Bi系低温焊粉，Ni粉、Mn粉和/或Co粉，及助焊剂组成，所述的Ni粉、Mn粉和/或Co粉的添加量满足与Sn-Bi系低温焊粉完全反应后刚好能够消除Sn相的存在，不包括与被焊材料界面反应掉的Sn。

2.根据权利要求1所述的原位反应型高温无铅焊膏，其特征在于：所述的Sn-Bi系低温焊粉为SnBi58和/或SnBi57Ag1焊粉，粒径为2μm～45μm。

3.根据权利要求1所述的原位反应型高温无铅焊膏，其特征在于：所述的Ni粉、Mn粉和/或Co粉的粒径为2μm～45μm。

4.根据权利要求1所述的原位反应型高温无铅焊膏，其特征在于：所述的Ni粉、Mn粉和/或Co粉的总重量满足：xM+ySn＝M_xSn_y，M为Ni、Mn或Co，M_xSn_y为具有较高熔点的金属间化合物。

5.根据权利要求4所述的原位反应型高温无铅焊膏，其特征在于：所述的Ni粉、Mn粉和/或Co粉的总重量为所得焊膏重量的20％～25％。

6.根据权利要求1所述的原位反应型高温无铅焊膏，其特征在于：所述的助焊剂为膏状助焊剂，占所得焊膏重量的8％～15％。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的原位反应型高温无铅焊膏，其特征在于：还添加Ag粉或Cu粉，其添加量不超过所得焊膏重量的5％。

8.根据权利要求7所述的原位反应型高温无铅焊膏，其特征在于：所述Ag粉或Cu粉的添加量为所得焊膏重量的0.5％～1.2％。