CN103111700B - 微型钎焊搭接接头及搭接方法 - Google Patents

Abstract

微型钎焊搭接接头及搭接方法，属于材料连接技术领域，为两个狗骨头状的薄片铜基板通过钎焊搭接在一起，铜基板的一端细长，作为颈部，另一端宽，作为尾部，在尾部中心位置打孔，铜基板厚度为0.2mm-0.6mm，颈部宽度0.5mm-1mm，尾部宽度3mm-5mm，尾部打孔位置在铜基板中心线上，距末端2mm-5mm均可，打孔的孔直径保持在0.8mm-2.5mm之间。搭接方法：首先将铜基板放入刷膏模具中，然后将网板覆盖在刷膏模具上进行网孔对位，接着将焊膏涂覆到网孔中，取走网板、取出铜基板，另取一个未涂敷焊膏的铜基板搭接后放入回流焊炉中进行焊接。本发明能够保证焊接接头的尺寸；一次成型数量多。

Description

微型钎焊搭接接头及搭接方法

技术领域

本发明为一种新的微型钎焊搭接接头及搭接方法，属于材料连接技术领域，适用于制备微型的钎焊搭接接头，应用于微电子连接的力学、热学以及电学的可靠性研究。该工艺可以有效控制焊点的尺寸，焊缝宽度以及焊接质量，实现钎焊搭接接头的简便，批量制作。

背景技术

微电子连接在电子产品中起机械连接和电气连接的双重作用，连接接头的可靠性决定了电子产品的服役寿命，因此微电子连接的力学、热学以及电学的可靠性研究一直备受关注。尤其是在欧盟正式批准WEEE和RoSH指令，强制要求在欧洲市场上销售无铅电子产品以来，更是激起了工业界和科学界对于无铅钎料焊接接头可靠性的广泛研究。电子产品制造商关注无铅焊点的可靠性评价，研究者更为关注无铅焊点的失效机理。

可靠性研究的关键问题之一就是钎焊接头的选用，既要符合工业生产的实际情况，又要便于展开抽象的科学研究。实际电子产品中焊点尺寸随着微型化的发展已经减小到微米数量级，并且要承受剪切应力，交变温度以及高电流密度的复杂载荷，这就对焊接接头的制作提出了更高的要求。首先，焊接接头的尺寸要保证在百微米级别；其次，焊接接头能够方便进行各项性能的测试，比如力学拉伸，加载高电流密度，显微组织观测等；最后，焊接接头能够标准化批量制作，以适应可要性数据积累的要求。

目前相关研究和文献所使用接头通常都是根据研究者自身需求自行设计，并没有相应的行业标准。比如对于电迁移现象感兴趣的研究者通常使用对接接头的设计，然而对接形式的接头主要受拉应力载荷，和实际的焊点受力状态并不相同，因此在可靠性评价方面具有局限性，只适用于电学可靠性的评价。此外，由于焊缝宽度需要保证在百微米级别，因此钎料要达到相应的尺寸。以前的研究中通常采用将钎料块轧制成薄片，已达到焊缝的尺寸。这种做法存在两个缺陷，一方面从材料本身来说，对于脆性钎料轧制到一定程度便会发生开裂，因此很难达到百微米的尺度；另一方面，用钎料片时样品需要逐个制作，分别把钎料片贴在焊接基板上，这样制作不方便，同时也不利于样品质量的一致性。

发明内容

本发明的目的是克服上述焊接接头制作复杂，质量均一性差，不能批量制作的缺点，同时能够对焊点尺寸，焊缝宽度进行控制，并且保证焊接接头质量的一致性，已满足能够同时进行力学、热学和电学等各方面的可靠性测试的要求。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案。

微型钎焊搭接接头，其特征在于，搭接接头为两个狗骨头状的薄片铜基板通过钎焊搭接在一起，其中狗骨头状的薄片铜基板的一端细长，作为颈部，细长的颈部末端作为焊接端，铜基板的另一端宽，作为尾部，并且尾部中心位置打孔，铜基板1厚度为0.2mm-0.6mm，颈部宽度0.5mm-1mm，尾部宽度3mm--5mm。尾部打孔位置在铜基板中心线上，距末端2mm-5mm均可，打孔的孔直径保持在0.8mm-2.5mm之间。

搭接上述微型钎焊搭接接头的方法，其特征在于，采用的设备包括刷膏模具3、网板4等,包括以下步骤：

(1)制备或选取上述的狗骨头状的薄片铜基板；

（2）其次焊接材料的选择上进行了改进，放弃了传统轧制钎料片的方法，选用焊膏2作为焊接材料，焊膏2一般可以选用常规的市售的SnAgCu系列、SnBi系列、SnPb系列以及SnZn系列等均可。焊膏2的使用能够有效的保证焊缝的宽度和形状。

（3）然后根据铜基板1的形状尺寸设计了刷膏模具3和网板4，作为焊膏涂敷的辅助工具，在刷膏模具3上开有和铜基板1形状相同的槽，开槽的厚度和铜基板1的厚度相同，达到槽和铜基板1相匹配，将铜基板1恰好放置在刷膏模具3的槽中，防止铜基板1的水平移动，使铜基板1上表面和刷膏模具3表面保持在同一水平面上，在刷膏模具3上可以一次性开多个相同的槽，同时进行多个铜基板1的焊膏涂敷工作；网板4的厚度与接头的焊缝要求宽度一致，一般在100um-500um之间，在网板4上需要打方形孔，孔尺寸的宽度和铜基板1颈部宽度相同，长度保证在0.5mm-1mm之间。方形孔的数量和布置要求和刷膏模具3上开槽的颈部末端对应。将刷膏模具3槽中填满铜基板1之后，将网板4覆盖在刷膏模具3上，使铜基板1颈部末端暴露在网板4方形孔中；

（4）最后是焊膏2涂敷和铜基板1的焊接工作，采用刮刀5将焊膏2取适量放置在网板上方形孔以外的位置，使用刮刀5压住网板4，并和网板呈倾斜状带动焊膏2划过网板4上所有方形孔位置，即可将焊膏2填充入方形孔，涂敷到铜基板1颈部末端的位置，然后沿竖直方向取走网板4，此过程中方形孔保证了焊膏2的形状和涂敷位置，网板4的厚度确定了焊膏2的厚度，即焊接后焊缝的宽度，从刷膏模具3中取出已刷膏的铜基板1，然后另取未刷膏的铜基板1，将其末端搭接在焊膏2上，放入回流焊炉中焊接即可。

网板4材质为不锈钢或铜制薄板，刮刀5为不锈钢或硬质塑料板。

本发明中铜基板1形状，刷膏模具3和网板4的配合使用是制作焊接接头的关键点。铜基板需要满足测试过程中各种载荷的加载，铜基板1尾部宽度设计是为了方便力学测试时的机械夹持，尾端中心位置打孔以备蠕变测试过程恒定载荷（悬挂砝码）的加载，细长的颈部设计以减小接头横截面积，利于在在电学测试中获得更高的电流密度。刷膏模具3起到固定铜基板1的作用，同时使铜基板1置入刷膏模具3时，铜基板1和刷膏模具3的表面在同一水平面上。网板4开孔位置和刷膏模具3所开槽的颈部前端对应。把网版4覆盖在刷膏模具3上时，应正好漏出需要涂敷焊膏的铜基板1颈部前端。网板4的厚度决定了涂敷高度，即焊缝宽度。本发明的优点在于能够均匀的控制焊膏的形状以及涂敷焊膏厚度，保证焊接接头的尺寸；一次成型数量多，同一批次焊接质量一致；同时铜基板的设计能够满足拉伸，蠕变，电迁移测试的各种要求，获得全面的焊点可靠性评价。

附图说明

图1：焊接接头剖面图和俯视图；

上面的为剖面图，下面的为俯视图；

图2：刷膏模具俯视图和剖面图；

上面的为俯视图，下面的为剖面图；

图3：网板俯视图和剖面图；

上面的为俯视图，下面的为剖面图；

图4：刷膏过程装配图；

图中1-铜基板，2-焊膏，3-刷膏模具，4-网板，5-刮板。

具体的实施方式

以下内容结合附图具体阐述本发明的实施方式，本发明的刷膏模具中开槽可根据情况开有不同的个数，如1-8个均可，则网板中网孔的排列和位置关系与刷膏模具中的槽相对应。

焊膏2一般保存在冰箱中，需要提前4-8h从冰箱取出放在室温环境中以恢复焊膏的粘度，使用之前还需要进行充分搅拌。按规格加工好的铜基板1需要进行去氧化膜及表面污染物的处理，具体过程分为两个步骤：首先将铜基板1放入配制好的30%HNO₃溶液中浸泡几分钟，去除表面氧化物；接着将铜基板1放入丙酮中进一步超声清洗，清洗完毕烘干备用。实验前刷膏模具3，网板4以刮刀5需要用酒精或者丙酮擦拭干净，尤其是网板4需要保证网孔的通透，最好用压缩气体吹扫网孔。

原材料及辅助工具准备完毕即可开始进行焊接工序。首先将铜基板1放入刷膏模具3中。然后将网板4覆盖在刷膏模具3上进行网孔对位，保证铜基板1颈部前段全部暴露在网孔中。接着取适量焊膏2放置在网板4上，用刮板5进行焊膏涂敷。刮板5压住网板4，以约45度角带动焊膏以滚动的方式匀速滑过网孔，使网孔填充满焊膏2。最后沿竖直方向取走网板4，即可获得涂敷好焊膏2的铜基板1。将涂敷好焊膏2的铜基板1取出，另取一个未涂敷焊膏的铜基板1按图1的搭接方式放入回流焊炉中进行焊接，即可获得微型搭接钎焊接头。

实例：Sn58Bi共晶钎料搭接接头的制作。

1、钎料准备：提前4-8h将市售的Sn58Bi焊膏从冰箱中取出，放置在室温中；

2、铜基板准备：配制30%HNO₃溶液，将铜基板1放入该溶液中浸泡几分钟取出，用清水冲洗干净；然后用丙酮溶液超声清洗5min。将清洗好的铜基板烘干备用；

3、刷膏模具、网板、刮板准备：用丙酮或酒精将刷膏模具3、网板4、刮板5擦拭干净备用；用压缩气体吹扫网板的网孔，使网孔通透，不能包含上一次使用后残余的膏体或是灰尘；

4、网板对位：将铜基板在刷膏模具中放实，然后把网板覆盖在上面进行对位，保证铜基板颈部前段焊接的位置全部暴露在网孔中，然后固定网板；

5、刷膏：搅拌焊膏以增加焊膏粘度；取适量焊膏放在网板上，用刮板压住网板带动焊膏滚动，刮板和网板间夹角45度为宜。刮板刮动过程中力度适中，匀速刮动，刮1-2次保证网孔中填充满膏体2；

6、取走网板：沿竖直方向快速取走网板，一面破环膏体的垂直度以及高度；

7、取涂敷焊膏的和未涂敷的铜基板各一片，按图1所示搭接方式放置，放入回流焊炉中焊接即可。

Claims (3)

1.微型钎焊搭接接头的搭接方法，其特征在于，搭接接头为两个狗骨头状的薄片铜基板通过钎焊搭接在一起，其中狗骨头状的薄片铜基板的一端细长，作为颈部，细长的颈部末端作为焊接端，铜基板的另一端宽，作为尾部，并且尾部中心位置打孔，铜基板(1)厚度为0.2mm-0.6mm，颈部宽度0.5mm-1mm，尾部宽度3mm-5mm；尾部打孔位置在铜基板中心线上，距末端2mm-5mm均可，打孔的孔直径保持在0.8mm-2.5mm之间；采用的设备包括刷膏模具(3)、网板(4),包括以下步骤：

(1)制备或选取上述的狗骨头状的薄片铜基板；

(2)选用焊膏(2)作为焊接材料；

(3)然后根据铜基板(1)的形状尺寸设计了刷膏模具(3)和网板(4)，作为焊膏涂敷的辅助工具，在刷膏模具(3)上开有和铜基板(1)形状相同的槽，开槽的厚度和铜基板(1)的厚度相同，达到槽和铜基板相匹配，将铜基板恰好放置在刷膏模具的槽中，防止铜基板的水平移动，使铜基板上表面和刷膏模具表面保持在同一水平面上，在刷膏模具上一次性开多个相同的槽，同时进行多个铜基板的焊膏涂敷工作；网板的厚度与接头的焊缝要求宽度一致，在网板上需要打方形孔，孔尺寸的宽度和铜基板颈部宽度相同，方形孔的数量和布置要求和刷膏模具上开槽的颈部末端对应；将刷膏模具槽中填满铜基板之后，将网板覆盖在刷膏模具上，使铜基板颈部末端暴露在网板方形孔中；

(4)最后是焊膏(2)涂敷和铜基板的焊接工作，采用刮刀(5)将焊膏(2)取适量放置在网板上方形孔以外的位置，使用刮刀压住网板，并和网板呈倾斜状带动焊膏划过网板上所有方形孔位置，即可将焊膏填充入方形孔，涂敷 到铜基板颈部末端的位置，然后沿竖直方向取走网板，此过程中方形孔保证了焊膏的形状和涂敷位置，网板的厚度确定了焊膏的厚度，即焊接后焊缝的宽度，从刷膏模具中取出已刷膏的铜基板，然后另取未刷膏的铜基板，将其末端搭接在焊膏上，放入回流焊炉中焊接即可；

焊膏选用SnAgCu系列、SnBi系列、SnPb系列或SnZn系列；网板的厚度与接头的焊缝要求宽度一致，在100um-500um之间；在网板上需要打方形孔，孔尺寸的宽度和铜基板颈部宽度相同，长度保证在0.5mm-1mm之间。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，网板材质为不锈钢或铜制薄板。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，刮刀为不锈钢或硬质塑料板。