CN106378508B - 一种适用于纳米复合焊料的真空焊接方法 - Google Patents

一种适用于纳米复合焊料的真空焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种适用于纳米复合焊料的真空焊接方法，该焊接方法包含：在助焊剂中的溶剂开始挥发阶段进行第一阶段抽真空，从焊膏中排出挥发的溶剂；在合金粉末熔化阶段进行第二阶段抽真空，进一步排出熔融焊料中的气体和助焊剂。本发明针对纳米复合焊料中纳米颗粒轻小易流失问题，采用了两阶段抽真空焊接方法，可防止熔融焊料在抽真空过程中飞溅，从而减少纳米颗粒的流失，同时本发明提供的真空环境可促进焊接过程中助焊剂的排出，减小焊点孔隙率。

Description

一种适用于纳米复合焊料的真空焊接方法
技术领域
本发明涉及一种焊接技术，具体涉及一种适用于纳米复合焊料的真空焊接方法。
背景技术
焊料在电子产品中担负着传输信号、散热以及机械支撑的作用。一个产品中可以存在数以万计的焊点。一个焊点的失效便会对整个产品产生灾难性的后果。随着电子产品小型化、轻量化、密集化发展趋势，芯片封装及表面贴装中焊点的尺寸必将减小。据国际半导体技术蓝图组织预测，电子产品内部的焊点尺寸在未来十年中会下降至100μm以下。而韩国三星公司的研究表明，当焊点尺寸小于170μm时，焊点的可靠性会明显降低。因此，当前焊料的可靠性需进一步强化。
目前，一种有效提高焊料可靠性的方法是在传统焊料中加入纳米颗粒（平均粒径<100nm）。通过纳米颗粒在焊料内部的弥散强化和微结构细化效果实现对焊料可靠性的提升。国内外大量研究显示，目前常用的Sn-Pb, Sn-Ag-Cu, Sn-Bi，Sn-In等焊料产品均可通过加入纳米颗粒获得强化。然而，作为一种新型的材料，纳米复合焊料在实际应用中还面临着一些瓶颈，其中首要问题便是纳米复合焊料的焊点孔隙率较高，尤其是当纳米复合焊料以焊膏的形式存在时。焊膏是微电子封装中应用最为广泛的焊料产品形式。焊膏中包含的主要成分为合金粉末以及助焊剂。助焊剂在焊膏中的主要作用包括去除合金粉末表面氧化层、清除焊料内部杂质和调节焊膏流动性。助焊剂会在焊接过程中被排出焊点。如果助焊剂排出不畅，则会在焊点内部形成孔洞。
目前，纳米复合焊膏的焊点孔隙率通常比普通焊膏高。由于纳米颗粒极高的表面能，少量的纳米颗粒就可使普通焊膏的粘度提高20%以上。粘度的提高不利于焊接过程中助焊剂的排出。增加助焊剂中的稀释剂含量可降低焊膏粘度。但稀释剂挥发量的增加，有时反而会使孔隙率提升。因此，增加稀释剂含量的方法并不适用。
在传统焊接方法中，真空焊接方法可以有效减少焊点中的孔隙率。焊接过程中的真空阶段可促使熔融焊料中的气泡快速排出。但研究表明，目前的真空焊接方法无法直接用于纳米复合焊膏的焊接。通常的真空焊接方法只包含一个抽真空阶段，该阶段始于合金粉末即将熔化之前。当合金熔化后，熔融焊料内部的助焊剂以及残留气体会由于真空环境的产生快速剧烈的从熔融焊料中涌出。由于纳米颗粒的尺寸小，重量轻，且与焊料基材存在属性差异，剧烈的抽真空过程不仅会使大量的纳米颗粒随助焊剂大量流失（流失率大于80%），降低纳米颗粒强化效果，流失的纳米颗粒还会污染周边的焊盘和电路。因此，需要针对纳米复合焊膏的特点开发新的真空焊接方法。
发明内容
本发明提供一种适用于纳米复合焊料的真空焊接方法，促进焊接过程中助焊剂的排出，减小焊点孔隙率，防止熔融焊料在抽真空过程中飞溅，从而减少纳米颗粒的流失。
为实现上述目的，本发明公开了一种适用于纳米复合焊料的真空焊接方法，其特点是，该焊接方法包含：
在助焊剂中的溶剂开始挥发阶段进行第一阶段抽真空，从焊膏中排出挥发的溶剂；
在合金粉末熔化阶段进行第二阶段抽真空，进一步排出熔融焊料中的气体和助焊剂。
上述第一阶段抽真空的时间为10s~30s。
上述第一阶段抽真空的真空度小于10Pa。
上述第二阶段抽真空时间为30s~60s。
上述第二阶段抽真空的真空度小于1Pa。
上述助焊剂中的溶剂挥发阶段钱进行预加热阶段，持续时间为200s，温度由室温升至150℃，升温速率25℃/min。
上述助焊剂中的溶剂挥发阶段的持续时间为200s，温度由150℃升至180℃，升温速率30℃/min。
上述助焊剂中的溶剂挥发阶段后进行回流焊接阶段，进入合金粉末熔化阶段；回流焊接阶段持续200s，温度由180℃升至225℃，升温速率45℃/min。
上述回流焊接阶段完成后关闭加热，冷却至180℃，冷却速率45℃/min。
上述第一阶段抽真空和第二阶段抽真空之外，焊接过程全程通入氮气作为保护气体及冷却气体，氮气流量为150L/min。
本发明一种适用于纳米复合焊料的真空焊接方法和现有技术相比，其优点在于，本发明针对纳米复合焊料中纳米颗粒轻小易流失问题，采用了两阶段抽真空焊接方法，两阶段抽真空方法可较为缓和地排出焊膏中的助焊剂，避免剧烈的真空除气活动，可防止熔融焊料在抽真空过程中飞溅，从而减少纳米颗粒的流失，同时本发明提供的真空环境可促进焊接过程中助焊剂的排出，减小焊点孔隙率。
附图说明
图1为本发明一种适用于纳米复合焊料的真空焊接方法的方法流程图；
图2为本发明一种适用于纳米复合焊料的真空焊接方法的实施例一的时间曲线图；
图3为未使用两阶段抽真空焊接方法得到的焊点X-ray图片；
图4为使用了两阶段真空焊接方法得到的焊点X-ray图片。
具体实施方式
以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。
如图1所示，本发明公开了一种适用于纳米复合焊料的真空焊接方法，该焊接方法具体包含以下步骤：
S1、预加热阶段。
S2、在助焊剂中的溶剂开始挥发阶段进行第一阶段抽真空，从焊膏中排出挥发的溶剂；第一阶段抽真空的时间为10s~30s，第一阶段抽真空的真空度小于10Pa。此时，合金粉末尚未熔化，助焊剂活性部分尚未发挥作用，纳米颗粒不会流失。
S3、在合金粉末熔化阶段进行第二阶段抽真空，进一步排出熔融焊料中的气体和助焊剂；第二阶段抽真空时间为30s~60s，第二阶段抽真空的真空度小于1Pa。此时，助焊剂活性部分开始作用，借以除去合金粉末和纳米颗粒表面的氧化物。
S4、关闭加热。
优选的，纳米复合焊膏中的基体材料为Sn-Ag系、Sn-Bi系、Sn-In系、Sn-Cu系、Sn-Zn系、Sn-Au系合金中的一种。
优选的，纳米复合焊膏中的纳米颗粒材料为纯金属类、合金类、碳类、半导体类和金属间化合物类中的一种或多种。
优选的，纳米复合焊膏中的助焊剂为松香类助焊剂。
如图2所示，为本发明适用于纳米复合焊料的真空焊接方法的实施例一，本实施例中，使用的示例纳米复合焊膏为Sn-3.0Ag-0.5Cu纳米复合焊膏，按重量百分比计包含Bi2Te3半导体纳米颗粒1%、Sn-3.0Ag-0.5Cu合计粉末88%以及松香助焊剂12%。
实施例一的具体流程包含：
步骤1、预加热阶段，时间段由0时刻至200s时刻，持续时间为200s，温度由室温升至150℃，升温速率25℃/min。
步骤2、助焊剂溶剂挥发阶段，由200s时刻至400s时刻，持续时间为200s，温度由150℃升至180℃，升温速率30℃/min。
在助焊剂溶剂开始挥发阶段，即200s时刻时，开始进行第一阶段抽真空，并持续30s。
步骤3、回流焊接阶段，由400s时刻至600s时刻，持续时间200s，温度由180℃升至225℃，升温速率45℃/min，
当520秒时刻时，处于合金粉末熔化阶段，开始进行第二阶段抽真空，并持续60s。
步骤4、关闭加热，冷却至180℃，冷却速率45℃/min；
本实施例一中，除抽真空阶段，焊接过程全程通入氮气作为保护气体及冷却气体，氮气流量为150L/min。
如图3所示，显示了未使用两阶段抽真空方法形成的焊点X-ray图。焊点内部可见大量孔洞。据统计孔隙率可达10%。使用质谱分析仪测得焊接后纳米颗粒的流失率为42 %。
如图4所示，显示了使用两阶段抽真空焊接方法形成的焊点X-ray图。据统计孔隙率已大幅减少至2%。使用质谱分析仪测得焊接后纳米颗粒的流失率仅为18 %。
通过图3和图4的比对可见，通过使用本发明一种适用于纳米复合焊膏的真空焊接方法所公开的两阶段抽真空焊接技术，纳米复合焊膏中的孔隙率可大幅度减少。
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 (7)

1.一种适用于纳米复合焊料的真空焊接方法，其特征在于，该焊接方法包含：
在助焊剂中的溶剂开始挥发阶段进行第一阶段抽真空，从纳米复合焊料中排出挥发的溶剂；
在合金粉末熔化阶段进行第二阶段抽真空，进一步排出熔融纳米复合焊料中的气体和助焊剂；
所述第一阶段抽真空的时间为10s~30s；
所述第二阶段抽真空时间为30s~60s；
所述助焊剂中的溶剂挥发阶段的持续时间为200s，温度由150℃升至180℃，升温速率30℃/min。
2.如权利要求1所述的适用于纳米复合焊料的真空焊接方法，其特征在于，所述第一阶段抽真空的真空度小于10Pa。
3.如权利要求1所述的适用于纳米复合焊料的真空焊接方法，其特征在于，所述第二阶段抽真空的真空度小于1Pa。
4.如权利要求1所述的适用于纳米复合焊料的真空焊接方法，其特征在于，所述助焊剂中的溶剂挥发阶段前进行预加热阶段，持续时间为200s，温度由室温升至150℃，升温速率25℃/min。
5.如权利要求1所述的适用于纳米复合焊料的真空焊接方法，其特征在于，所述助焊剂中的溶剂挥发阶段后进行回流焊接阶段，进入合金粉末熔化阶段；回流焊接阶段持续200s，温度由180℃升至225℃，升温速率45℃/min。
6.如权利要求5所述的适用于纳米复合焊料的真空焊接方法，其特征在于，所述回流焊接阶段完成后关闭加热，冷却至180℃，冷却速率45℃/min。
7.如权利要求1所述的适用于纳米复合焊料的真空焊接方法，其特征在于，所述第一阶段抽真空和第二阶段抽真空之外，焊接过程全程通入氮气作为保护气体及冷却气体，氮气流量为150L/min。
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