CN103273217B - 一种局部强化的高可靠性钎料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种局部强化的高可靠性钎料及其制备方法，包括以下几个步骤：步骤A:称取无铅钎料SnAgCu0307和欲添加金属置于陶瓷坩埚中；步骤B:称取氯化钾和氯化锂盐，将两种盐混合覆盖在之前的钎料上面；步骤C:将坩埚加热，加热过程中进行氮气保护，当盐开始熔化处于固液共存态时用搅拌，使盐熔化充分完全覆盖底部钎料；步骤D:继续加热，使金属熔化并与液态钎料互溶，再保温并搅拌均匀;步骤E:停止加热把坩埚置于水中使其快冷至室温，去掉上层的盐，得到含有金属元素铝的钎料。本发明提高了低银钎料焊接的可靠性，尤其是耐热疲劳性能，更有利于其在工业生产上的推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及微电子器件互联封装领域，尤其涉及一种能够具有近界面局部强化焊点焊接可靠性的低银钎料及其制备方法。
背景技术
目前随着人们环保意识的逐渐增强，传统的锡铅钎料由于对自然和人体产生毒害作用而被世界各国广泛重视。根据欧盟颁布的WEEE和RoHS指令，明确提出于2006年7月1日起限制或禁止在家用电器中使用铅及其它几种有毒有害物质，电子互联封装的无铅化研究早已成为工业界和学术界共同的课题。经过大量的研究发现，SnAgCu系无铅钎料因其熔点比较低、焊接接头的可靠性高、抗热疲劳等优点被推荐为SnPb钎料的最具潜力替代品。其中低银钎料由于成本低廉更适合工业推广而更加备受关注，但是SnAgCu钎料自身也存在一定的缺点，例如润湿性差，高银钎料成本高不适合工业生产推广，在服役期间焊点内部及界面存在大尺寸的金属间化合物(脆性相)，严重影响了SnAgCu无铅焊点的可靠性。
SnAgCu焊点在微组装中极其微小，既要能承担机械连接，还要有电气连接以及传导热量的作用。因此焊点可靠性至关重要。影响焊点可靠性的因素有温度，湿气，振动和灰尘。根据美国空军电子工业部门的统计：电子元器件失效的原因55%是由于温度的变化引起，20%是由于振动作用导致，还有19%是因为湿气作用，剩余6%的失效原因是灰尘。四个影响因素中温度对焊点的影响最大。这是由于随着电子封装集成度逐渐提高，单位体积内焊点数量的增多使得产生的电流和热存储量逐渐变大。热循环中电子元器件材料和电路板材料之间的热膨胀系数失配导致焊点中存在周期性的交变应力，长时间作用下焊点萌生疲劳裂纹进而扩展导致焊点破坏从而使元器件发生失效。其中疲劳裂纹绝大多数的萌生和扩展发生在焊点近界面处。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是为了解决上述现有技术存在的不足，总的技术思路是通过一种微量合金元素的熔炼加入来改善目前低银钎料的界面可靠性不良问题，从而促进以低银钎料替代高银钎料降低工业生产的成本。
本发明提供了一种局部强化的高可靠性钎料，所述钎料包括：SnAgCu0307和金属。
优选的，所述SnAgCu0307中，Sn百分含量为99wt%，Ag百分含量为0.3wt%，铜百分含量为0.7wt%。
优选的，所得到的钎料的密度为6.45g/cc。
所述近界面是指靠近钎焊界面≤20um处，所述局部强化是指材料形成有效焊点后仅在焊点容易萌生和扩展裂纹的靠近界面处产生局部强化作用。所述低银钎料是通过高温熔炼工艺加以均匀搅拌后得到的合金。其加工工艺简单，成本低廉，能有效抑制焊点近界面处疲劳裂纹的萌生和扩展从而起到近界面处局部强化作用。
本发明还提供了一种制备局部强化的高可靠性钎料的方法，包括以下几个步骤：
步骤A:称取无铅钎料SnAgCu0307和金属置于陶瓷坩埚中；
步骤B:称取氯化钾和氯化锂盐，将两种盐混合覆盖在之前的钎料上面；
步骤C:将坩埚加热，加热过程中进行氮气保护，当盐开始熔化处于固液共存态时用搅拌，使盐熔化充分完全覆盖底部钎料；
步骤D:继续加热，使金属熔化并与液态钎料互溶，再保温并搅拌均匀;
步骤E:停止加热把坩埚置于空气氛围下缓慢冷却至室温，去掉上层的盐，得到含有金属元素铝的钎料。
优选的，所述金属采用铝。
优选的，所述SnAgCu0307和Al中Al的质量百分含量为0.25wt%。
优选的，所述步骤C中温度为400℃至500℃。
优选的，所述步骤D中，加热温度为600℃至700℃。
优选的，所述步骤D中，保温时间为30分钟。
本发明所提供的具有进界面局部强化作用的新型低银钎料，以低银钎料SnAgCu0307为基础，其中Sn百分含量为99wt%，Ag百分含量为0.3wt%，铜百分含量为0.7wt%。向基体低银钎料中添加微量的金属元素Al以提高钎料焊点近界面处的结合强度，尤其是抗疲劳强度。
本发明所涉及的微量金属元素Al纯度为99.99%，熔点为660℃。
基于以上考虑，我们通过大量的实验和数据分析，选定金属元素铝作为最佳添加元素。因为高温熔炼过程中铝能和铜形成铜铝相Cu3Al2，此化合物的一大特点是比重比钎料轻，回流焊接时受浮力影响弥散分布在靠近上界面处。
本发明采用了成本相对较低的金属元素，目前工业使用最多的是SnAgCu305共晶钎料，这种钎料由于化合物Ag3Sn化合物的支撑作用使其具有优越的耐热疲劳性能，但它耐机械冲击性能却很差。SnAgCu0307具有良好的耐机械冲击性能且成本相对低廉，但它在经受长时间热循环载荷作用下可靠性远不如SnAgCu305，会在材料靠近上表面边缘处萌生裂纹并扩展最终导致焊点失效。
本发明提高了SAC0307低银钎料焊接的可靠性，尤其是耐热疲劳性能，更有利于其在工业生产上的推广应用。并且本发明所采用的普通冶炼技术设备，具有通用性广，可移植性强，工艺简单成熟，容易实现等优点。
附图说明
图1为熔炼所得大块钎料水冷后钎料内部铜铝化合物相。
图2为熔炼的钎料铜焊盘上单次回流焊接时铜铝相化合物靠近钎料顶部聚集分布。
图3为所得钎料模拟BGA进行单次回流时BGA焊球内均匀分布的铜铝化合物自动上浮至上界面处。
图4为BGA焊点进行回流之后钎料球内部铜铝相化合物。
图5为高温熔炼钎料时防止钎料氧化的熔盐保护方法。
图6为原始钎料SAC0307制备的BGA焊点经受3000周热循环后的图。
图7为所得复合钎料制备的BGA焊点经受相同热循环处理后的图。
图8为靠近焊点上界面局部区域。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明：
实施例1：
制备具体包括以下步骤：
第一步，称量30g的无铅钎料SnAgCu0307作为实验基体材料，再称取纯铝片75mg，将其置于陶瓷坩埚中；
第二步，称量KCl和LiCl盐（质量分别为KCl：2.6g，LiCl:2.0g），将两种盐混合覆盖在之前的钎料上面；
第三步，将坩埚加热，加热过程中进行氮气保护，当温度上升到500℃左右时盐开始熔化处于固液共存态，此时用玻璃棒轻轻搅拌，使盐熔化充分完全覆盖底部钎料。
第四步，继续加热将温度上升到650℃，此时纯金属铝熔化并与液态钎料互溶，保温30分钟，其中每隔十分钟用玻璃棒轻轻搅拌使得钎料混合均匀。
第五步，停止加热把坩埚置于水中快冷至室温，去掉上层的盐，得到含有金属元素铝的钎料。
经过高温熔炼的方式能够被添加到SnAgCu0307低银钎料中并以化合物的形态存在于钎料内部，熔炼温度为650℃。
如图1为实施例1熔炼所得大块钎料内部铜铝化合物分布均匀，且化合物尺寸为2-4μm。
图2为熔炼的钎料铜焊盘上单次回流焊接时铜铝相化合物靠近钎料顶部聚集分布。
图3为所得钎料模拟BGA进行单次回流时BGA焊球内均匀分布的铜铝化合物自动上浮至上界面处
图4可知，为BGA焊点进行回流之后钎料球内部铜铝相化合物。尺寸仍然保持在2-4um。
图5可知，高温熔炼钎料时防止钎料氧化的熔盐保护方法。
11为低银钎料SnAgCu0307基体
12为富铝相化合物Cu3Al2，化合物尺寸为2-4μm，快冷时化合物均匀弥散分布在熔炼所得的大块钎料中。
21为回流后靠近钎料顶部聚集的Cu3Al2相。
22为基体钎料SnAgCu0307的上顶部。
31为模拟进行BGA焊接时富铝相化合物由于密度较小自动浮至近上表面处。
32、41为SnAgCu0307钎料基体。
42为所得到的富铝相化合物Cu3Al2，其尺寸仍然为2-4μm。
51为熔炼合金所用陶瓷坩埚。
52为坩埚底部熔融的液态金属。
53为坩埚上部起隔绝空气作用的熔盐，KCl：LiCl=2.6g：2.0g。
本实施例中无铅钎料熔炼温度为650℃，在此温度下如果不采取适当措施钎料将会严重氧化。为了防止钎料氧化同时又能达到高温熔炼以形成铜铝相化合物的目的，本发明中采用熔盐保护的方法进行熔炼。钎料上面覆盖一层混合盐KCl和LiCl，高温下盐熔化成液态且液态熔盐不与液态钎料互溶，能有效为底部钎料隔绝空气从而达到高温熔炼且钎料不被氧化的目的
实施例2：
制备具体包括以下步骤：
步骤A:称量50g的无铅钎料SnAgCu0307，再称取纯铝片共125mg，将其置于陶瓷坩埚中；
步骤B:称量KCl和LiCl盐（质量分别为KCl：4.2g，LiCl:3.2g），将两种盐混合覆盖在之前的钎料上面；
步骤C:将坩埚加热，加热过程中进行氮气保护，当温度上升到400℃左右时盐开始熔化处于固液共存态，此时用玻璃棒轻轻搅拌，使盐熔化充分完全覆盖底部钎料。
步骤D:继续加热将温度上升到700℃，此时纯金属铝熔化并与液态钎料互溶，保温40分钟，其中每隔十分钟用玻璃棒轻轻搅拌使得钎料混合均匀。
步骤E:停止加热把坩埚置于水中快速至室温，去掉上层的盐，得到含有金属元素铝的钎料。
步骤F：切丝重熔法制得BGA钎料小球，球径为760um。
步骤G：将BGA小球置于铜焊盘的PCB板上进行第一次回流焊接，回流温度为265℃。
步骤H：在小球上部倒装覆盖第二个铜焊盘PCB板进行第二次回流焊接模拟实际生产中BGA焊接工艺。
步骤I：将含铝钎料制得的BGA球和原始钎料制得的BGA球焊接后进行相同热循环处理：循环温度为0℃-100℃，高低温区间停留时间为10min，0℃-100℃变温时间为15min，循环周次3000周。
图6所示，原始钎料SAC0307制备的BGA焊点经受3000周热循环后近上界面处出现疲劳裂纹使焊点失效。
图7所示，为所得复合钎料制备的BGA焊点经受相同热循环处理后上界面处并没有出现疲劳裂纹。
图8所示，为靠近焊点上界面局部区域。
61、62、63、64为原始钎料SnAgCu0307经受热冲击后裂纹出现在靠近上界面处。
65为原始钎料SnAgCu0307。
71、72、73、74为制备所得复合钎料近上界面处化合物聚集分布且有效抑制了裂纹的发生。
75为复合钎料SnAgCu0307-0.25wt%Al。
81为近上界面局部区域Cu3Al2化合物分布情况。
本实施例中无铅钎料熔炼温度为650℃，在此温度下如果不采取适当措施钎料将会严重氧化。为了防止钎料氧化同时又能达到高温熔炼以形成铜铝相化合物的目的，本发明中采用熔盐保护的方法进行熔炼。钎料上面覆盖一层混合盐KCl和LiCl，高温下盐熔化成液态且液态熔盐不与液态钎料互溶，能有效为底部钎料隔绝空气从而达到高温熔炼且钎料不被氧化的目的。将含铝钎料制得的BGA球和原始钎料制得的BGA球焊接后进行相同热循环处理：循环温度为0℃-100℃，高低温区间停留时间为10min，0℃-100℃变温时间为15min，循环周次3000周。3000周以后原始钎料SnAgCu0307制得的BGA球在靠近焊球上界面处出现明显裂纹并失效。经对比能够明显发现添加Al的复合钎料制得的BGA焊球上界面由于细小局部聚集分布的Cu3Al2相化合物有效抑制了热循环过程中位错的扩展进一步抑制了疲劳裂纹在靠近钎料上界面处的萌生，使得BGA焊球耐热循环能力得到大幅提升。
实施例3：
制备具体包括以下步骤：
步骤A:称量80g的无铅钎料SnAgCu0307，再称量纯铝片200mg，将其置于陶瓷坩埚中；
步骤B:称量KCl和LiCl盐（质量分别为KCl：6g，LiCl:52g），将两种盐混合覆盖在之前的钎料上面；
步骤C:将坩埚加热，加热过程中进行氮气保护，当温度上升到450℃左右时盐开始熔化处于固液共存态，此时用玻璃棒轻轻搅拌，使盐熔化充分完全覆盖底部钎料。
步骤D:继续加热将温度上升到700℃，此时纯金属铝熔化并与液态钎料互溶，保温40分钟，其中每隔十分钟用玻璃棒轻轻搅拌使得钎料混合均匀。
步骤E:停止加热把坩埚置于空气氛围下缓慢冷却至室温，去掉上层的盐，得到含有金属元素铝的钎料。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种制备局部强化的高可靠性钎料的方法，其特征在于，所述局部强化的高可靠性钎料，包括：SnAgCu0307和金属铝；
所述方法包括以下几个步骤：
步骤A:称取无铅钎料SnAgCu0307和欲添加金属置于陶瓷坩埚中；
步骤B:称取氯化钾和氯化锂盐，将两种盐混合覆盖在步骤A所得到的钎料上面；
步骤C:将坩埚加热，加热过程中进行氮气保护，当盐开始熔化处于固液共存态时用搅拌，使盐熔化充分完全覆盖底部钎料；
步骤D:继续加热，使金属熔化并与液态钎料互溶，再保温并搅拌均匀;
步骤E:停止加热把坩埚置于水中快冷至室温，去掉上层的盐，得到含有金属元素铝的钎料；
所述步骤C中温度为400℃至500℃；
所述步骤D中加热温度为600℃至700℃；
所述步骤D中保温时间为20至30分钟。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所得到的钎料的密度为6.45g/cc。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述SnAgCu0307和Al中Al的添加质量百分含量为0.25wt%。
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