CN105935845B - 一种碲化铋纳米颗粒强化锡银铜焊料及其使用方法 - Google Patents

一种碲化铋纳米颗粒强化锡银铜焊料及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碲化铋纳米颗粒强化锡银铜焊料及其使用方法，该焊料按重量百分比计包含碲化铋纳米颗粒0.5~1%、锡银铜微米粉末80~90%以及助焊剂10~20%。碲化铋纳米颗粒的平均粒径为20nm，碲元素与铋元素的原子比为3:2。锡银铜微米粉末的平均粒径为30μm锡元素、银元素与铜元素的重量百分比为96.5%：3.0%：0.5%。助焊剂为松香助焊剂。本发明还提供了该碲化铋纳米颗粒强化锡银铜焊料的使用方法。本发明提供的本发明提供的碲化铋纳米颗粒强化锡银铜焊料及其使用方法，通过选用合适的纳米颗粒材料解决了纳米颗粒强化的锡银铜焊料所面临的纳米颗粒流失、纳米颗粒粗化以及纳米颗粒与锡银铜焊料界面的问题。

Description

一种碲化铋纳米颗粒强化锡银铜焊料及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种焊料及其使用方法，具体地，涉及一种碲化铋纳米颗粒强化锡银铜焊料及其使用方法。
背景技术
锡银铜焊料已被广泛地作为电子封装互连材料应用于电子产品当中，用以替代对环境有害的含铅焊料。然而，电子产品封装密度的提高以及焊点尺寸的减小对焊料产品的强度提出了更高的要求。当前一种普遍的提高锡银铜焊料的方法是在锡银铜焊料中加入微小颗粒，借助微小颗粒的弥散强化效果实现强化。研究表明，纳米颗粒较之微米颗粒具有更明显的强化效果，因此得到了广泛地关注。目前，用于强化锡银铜焊料的纳米颗粒主要有Ag、Al、Mo、Co、Ni等金属纳米颗粒以及TiO2、Al2O3等非金属纳米颗粒。
研究结果表明，这些纳米颗粒虽然可以或多或少的提高锡银铜焊点的强度，但在实际应用中仍然面临着许多的问题。例如，金属纳米颗粒在焊接过程和高温环境下容易粗化或与锡银铜合金过度反应失去强化作用。非金属纳米颗粒与锡银铜合金不易形成可靠界面，对焊点的强度和热疲劳抗性不利。除此之外，在焊膏类产品中，纳米颗粒与锡银铜合金在物理和化学性质上的失配会导致纳米颗粒在回流焊接过程中随助焊剂大量流失。已有研究显示，在使用金属Mo和Co纳米颗粒对锡银铜焊料进行强化时，纳米颗粒回流焊接后的流失率高达80 %。由此可知，在使用纳米颗粒强化锡银铜焊料时，纳米颗粒材料的选择至关重要。用于强化锡银铜焊料的纳米颗粒材料应满足的基本条件包括：1纳米颗粒材料的密度与热膨胀系数应与锡银铜焊料相近；2纳米颗粒材料的熔点要高于锡银铜焊料的焊接工艺峰值温度50 ℃以上；3焊接过程中可与锡银铜焊料形成可靠界面；4适用于目前的焊料制备工艺。
由上述可知，目前尚无合适的可用于锡银铜焊料强化的纳米颗粒材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于电子产品封装互连的焊料及其使用方法，选用合适的纳米颗粒材料解决纳米颗粒强化的锡银铜焊料所面临的纳米颗粒流失、纳米颗粒粗化以及纳米颗粒与锡银铜焊料界面的问题。
为了达到上述目的，本发明提供了一种碲化铋纳米颗粒强化锡银铜焊料，其中，该焊料按重量百分比计包含碲化铋纳米颗粒0.5~1%、锡银铜微米粉末80~90%以及助焊剂10~20%。
上述的碲化铋纳米颗粒强化锡银铜焊料，其中，所述的碲化铋纳米颗粒的平均粒径为20nm，所述的碲化铋纳米颗粒中碲元素与铋元素的原子比为3:2，即Bi2Te3。通过X射线衍射分析确定，所用Bi2Te3纳米颗粒的X射线衍射峰，应与Bi2Te3标准图谱一致。
上述的碲化铋纳米颗粒强化锡银铜焊料，其中，所述的锡银铜微米粉末的平均粒径为30μm，所述的锡银铜微米粉末中锡元素、银元素与铜元素的重量百分比为96.5%：3.0%：0.5%，即Sn-3.0Ag-0.5Cu。
上述的碲化铋纳米颗粒强化锡银铜焊料，其中，所述的助焊剂为松香助焊剂。
本发明还提供了一种上述的碲化铋纳米颗粒强化锡银铜焊料的使用方法，其中，所述的方法包含：步骤1，将碲化铋纳米颗粒和助焊剂混合均匀；步骤2，将锡银铜微米粉末加入碲化铋纳米颗粒和助焊剂的混合物后进行搅拌形成焊膏；步骤3，使用所述焊膏形成焊点；步骤4，进行检测。
上述的碲化铋纳米颗粒强化锡银铜焊料的使用方法，其中，所述的步骤1中，通过搅拌将碲化铋纳米颗粒和助焊剂混合均匀，搅拌公转速度为1000~1100转/分钟，自转速度为800~850转/分钟，搅拌时间为150~180s。
上述的碲化铋纳米颗粒强化锡银铜焊料的使用方法，其中，所述的步骤2中，进行搅拌的公转速度为800~850转/分钟，自转速度为800~850转/分钟，搅拌时间为120~150s。
上述的碲化铋纳米颗粒强化锡银铜焊料的使用方法，其中，所述的步骤3中，使用所述焊膏通过回流焊接工艺形成焊点,其焊接峰值温度为240℃，液相线以上时间80s。
上述的碲化铋纳米颗粒强化锡银铜焊料的使用方法，其中，所述的步骤4包含：使用质谱分析仪检测焊接的颗粒流失率；以及使用剪切测试仪测试焊点的剪切强度。
上述的碲化铋纳米颗粒强化锡银铜焊料的使用方法，其中，所述的步骤4还包含进行X射线衍射分析。
本发明提供的碲化铋纳米颗粒强化锡银铜焊料及其使用方法具有以下优点：
该焊料的纳米颗粒在回流焊接中的流失率低，粗化过程慢。Bi2Te3纳米颗粒的密度和热膨胀系数与Sn-3.0Ag-0.5Cu十分接近，且Bi2Te3中的Te可与Sn-3.0Ag-0.5Cu中的Sn发生反应形成可靠界面层，因此纳米颗粒的流失率可以得到很好的控制（Bi2Te3纳米颗粒的密度和热膨胀系数为7.6 g/cm3和17×10-6/K。Sn-3.0Ag-0.5Cu的密度和热膨胀系数为7.6 g/cm3和17×10-6/K）。Bi2Te3属半导体材料，熔点是585 ℃，远高于Sn-3.0Ag-0.5Cu的217 ℃，可减缓纳米颗粒在回流焊接和高温中的粗化。
附图说明
图1为本发明的碲化铋纳米颗粒的透射电镜图。
图2为本发明的碲化铋纳米颗粒的 X射线衍射分析图。
图3为本发明的碲化铋纳米颗粒强化锡银铜焊料焊接后分析焊点成分的X射线衍射分析图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。
本发明提供的碲化铋纳米颗粒强化锡银铜焊料，按重量百分比计包含碲化铋纳米颗粒0.5~1%、锡银铜微米粉末80~90%以及助焊剂10~20%。
如图1所示，碲化铋纳米颗粒的平均粒径为20nm，碲化铋纳米颗粒中碲元素与铋元素的原子比为3:2，即Bi2Te3。如图2所示，通过X射线衍射分析，所用Bi2Te3纳米颗粒的X射线衍射峰与Bi2Te3标准图谱一致。
锡银铜微米粉末的平均粒径为30μm，锡银铜微米粉末中锡元素、银元素与铜元素的重量百分比为96.5%：3.0%：0.5%，即Sn-3.0Ag-0.5Cu。
助焊剂为松香助焊剂。
本发明还提供了该碲化铋纳米颗粒强化锡银铜焊料的使用方法，包含：
步骤1，将碲化铋纳米颗粒和助焊剂混合均匀；通过搅拌将碲化铋纳米颗粒和助焊剂混合均匀，搅拌公转速度为1000~1100转/分钟，自转速度为800~850转/分钟，搅拌时间为150~180s。
步骤2，将锡银铜微米粉末加入碲化铋纳米颗粒和助焊剂的混合物后进行搅拌形成焊膏；进行搅拌的公转速度为800~850转/分钟，自转速度为800~850转/分钟，搅拌时间为120~150s。
步骤3，使用该焊膏通过回流焊接工艺形成焊点,其焊接峰值温度为240℃，液相线以上时间80s。
步骤4，进行检测，其中包含：使用质谱分析仪检测焊接的颗粒流失率；以及使用剪切测试仪测试焊点的剪切强度。还包含进行X射线衍射分析。
以下通过实施例对本发明的实施方式进行更详细的说明。
实施例 1
本实施例的焊料以重量百分数计由Bi2Te3纳米颗粒0.5%、Sn-3.0Ag-0.5Cu微米粉末87.5%和松香助焊剂12%组成，总重量10 g。
使用焊料的方法包含：
步骤1，使用行星式搅拌机将Bi2Te3纳米颗粒与松香助焊剂均匀搅拌。搅拌公转速度为1000 转每分钟，自传速度为800 转每分钟，搅拌时间150 s。
步骤2，将Sn-3.0Ag-0.5Cu微米粉末加入Bi2Te3纳米颗粒与助焊剂的混合物后使用行星式搅拌机进行搅拌，制得Bi2Te3纳米颗粒强化的Sn-3.0Ag-0.5Cu焊膏。搅拌公转速度800 转每分钟，自转速度 800 转每分钟，搅拌时间120 s。
步骤3，使用Sn-3.0Ag-0.5Cu焊膏通过回流焊接工艺形成焊点。焊接峰值温度240℃，液相线以上时间80 s。
步骤4，使用质谱分析仪测得回流焊接后纳米颗粒的流失率仅为20 %。目前同类产品的流失率为80 %。
步骤5，X射线衍射分析结果显示回流焊接后Bi2Te3纳米颗粒仍然保持其晶格结构且与Sn-3.0Ag-0.5Cu反应形成了Sn-Te金属间化合物，参见图3所示.
步骤6，使用剪切测试仪测得Bi2Te3纳米颗粒强化的Sn-3.0Ag-0.5Cu焊点的剪切强度为50 MPa，比纯Sn-3.0Ag-0.5Cu焊点高出25 %。
实施例 2
本实施例的焊料以重量百分数计由Bi2Te3纳米颗粒1%、Sn-3.0Ag-0.5Cu微米粉末87%和松香助焊剂12%组成，总重量10 g。
使用焊料的方法包含：
步骤1，使用行星式搅拌机将Bi2Te3纳米颗粒与松香助焊剂均匀搅拌。搅拌公转速度为1100 转每分钟，自传速度为850 转每分钟，搅拌时间180 s。
步骤2，将Sn-3.0Ag-0.5Cu微米粉末加入Bi2Te3纳米颗粒与助焊剂的混合物后使用行星式搅拌机进行搅拌，制得Bi2Te3纳米颗粒强化的Sn-3.0Ag-0.5Cu焊膏。搅拌公转速度850 转每分钟，自转速度 850 转每分钟，搅拌时间150 s。
步骤3，使用Sn-3.0Ag-0.5Cu焊膏通过回流焊接工艺形成焊点。焊接峰值温度240℃，液相线以上时间80 s。
步骤4，使用质谱分析仪测得回流焊接后纳米颗粒的流失率仅为25 %。
步骤5，使用剪切测试仪测得Bi2Te3纳米颗粒强化的Sn-3.0Ag-0.5Cu焊点的剪切强度为52 MPa，比纯Sn-3.0Ag-0.5Cu焊点高出30 %。
本发明提供的碲化铋纳米颗粒强化锡银铜焊料及其使用方法，碲化铋半导体纳米颗粒的使用可提高锡银铜焊料的强度。与此同时，碲化铋纳米颗粒的密度和热膨胀系数与锡银铜焊料极为接近并可与锡银铜中的锡发生适当反应，因此可有效减少焊接过程中纳米颗粒的流失。另外，碲化铋的熔点远高于锡银铜焊料，因此可减少焊接过程中纳米颗粒的粗化。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种碲化铋纳米颗粒强化锡银铜焊料，其特征在于，该焊料按重量百分比计包含碲化铋纳米颗粒0.5~1%、锡银铜微米粉末80~90%以及助焊剂10~20%；
所述的锡银铜微米粉末中锡元素、银元素与铜元素的重量百分比为96.5%：3.0%：0.5%；
所述的碲化铋纳米颗粒中碲元素与铋元素的原子比为3:2。
2.如权利要求1所述的碲化铋纳米颗粒强化锡银铜焊料，其特征在于，所述的碲化铋纳米颗粒的平均粒径为20nm。
3.如权利要求1所述的碲化铋纳米颗粒强化锡银铜焊料，其特征在于，所述的锡银铜微米粉末的平均粒径为30µm。
4.如权利要求1所述的碲化铋纳米颗粒强化锡银铜焊料，其特征在于，所述的助焊剂为松香助焊剂。
5.如权利要求1~4中任意一项所述的碲化铋纳米颗粒强化锡银铜焊料的使用方法，其特征在于，所述的方法包含：
步骤1，将碲化铋纳米颗粒和助焊剂混合均匀；
步骤2，将锡银铜微米粉末加入碲化铋纳米颗粒和助焊剂的混合物后进行搅拌形成焊膏；
步骤3，使用所述焊膏形成焊点；
步骤4，进行检测。
6.如权利要求5所述的碲化铋纳米颗粒强化锡银铜焊料的使用方法，其特征在于，所述的步骤1中，通过搅拌将碲化铋纳米颗粒和助焊剂混合均匀，搅拌公转速度为1000~1100转/分钟，自转速度为800~850转/分钟，搅拌时间为150~180s。
7.如权利要求5所述的碲化铋纳米颗粒强化锡银铜焊料的使用方法，其特征在于，所述的步骤2中，进行搅拌的公转速度为800~850转/分钟，自转速度为800~850转/分钟，搅拌时间为120~150s。
8.如权利要求5所述的碲化铋纳米颗粒强化锡银铜焊料的使用方法，其特征在于，所述的步骤3中，使用所述焊膏通过回流焊接工艺形成焊点,其焊接峰值温度为240℃，液相线以上时间80s。
9.如权利要求5所述的碲化铋纳米颗粒强化锡银铜焊料的使用方法，其特征在于，所述的步骤4包含：使用质谱分析仪检测焊接的颗粒流失率；以及使用剪切测试仪测试焊点的剪切强度。
10.如权利要求9所述的碲化铋纳米颗粒强化锡银铜焊料的使用方法，其特征在于，所述的步骤4还包含进行X射线衍射分析。
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