CN108015373B - 一种扩展服役工作温度范围的组合合金软钎焊焊接结构的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种扩展服役工作温度范围的组合合金软钎焊焊接结构的制备方法，属于微连接技术领域。所述方法如下：步骤一：在导体金属上涂覆焊膏或放置焊片，根据不同的焊接结构，选择两种钎料合金同时焊接或者分步焊接；步骤二：将以上体系放入回流炉中，经历预热阶段、保温阶段、再流阶段、冷却阶段，完成润湿和界面反应。本发明通过将在高温、低温下力学性能不同的钎料合金组合焊接，形成了可以同时承受低温、高温载荷的焊点结构，在成本低、与传统焊接工艺兼容性好的前提下实现了在极低和极高温度范围工作的电子互连焊点可靠性的提高。

Description

一种扩展服役工作温度范围的组合合金软钎焊焊接结构的制 备方法

技术领域

本发明属于微连接技术领域，涉及一种可在极低和极高温度范围工作的双金属及多金属互连焊点的结构的制备，具体涉及一种扩展服役工作温度范围的组合合金软钎焊焊接结构的制备方法。

背景技术

软钎焊焊点用于电子器件互连，是航天工程与空间科学领域内航天器（空间站、卫星、飞行器、探测器等）电子及机械结构的一部分。空间科学研究和空间探测需要越来越多的采集装置、分析仪器以及通讯设备直接工作于空间环境中，而深空环境相比地面更加苛刻、严酷和复杂，如极低温、高温、超大温差等。而软钎焊焊点对热、力环境很敏感、脆弱，因此对于一些工作于空间环境中的器件（如高精度红外探测器，极地、敏感器件等）的封装，需要研制可同时工作于极高、极低温度下的互连软钎焊焊点。

软钎焊焊点绝大多数采用锡基合金（SnPb、SnAg、SnAgCu、SnCu、PbSn（高铅）等），与线路板上其它金属、无机非金属物质相比，这些钎料合金熔点低、塑性好，但强度低且随温度力学性能变化大。在低温时，Sn基合金存在脆化倾向，抗冲击能力急剧下降，发生断裂模式由韧性断裂向脆性断裂的转变，如Sn-0.7%Cu、Sn-5%Ag、Sn-3%Ag-0.5%Cu合金的韧-脆转变温度分别为-130℃、-50℃及-80℃；但是另外一些焊料如铅基、铟基钎料却没有韧-脆转变的发生。而在高温时，钎料合金的蠕变、裂纹倾向加剧，力学性能急剧下降；但是SnAg钎料合金的蠕变特性及耐热疲劳性能优于SnPb钎料，尤其是加入3%的In、0.5%的Sb等后，其抗蠕变性能会大大增加。因此，不同的软钎料合金在极高温与极低温下的性能差异很大。

抗低温脆化及抗高温蠕变这两种性能是矛盾的，一种金属其中一种性能强，另一种性能就差；因此，单一的金属或合金是不能承受宽温度（-200~+150℃）的极低~极高的温度范围的。例如，SnPb钎料合金，尤其是高铅钎料，在低温下抵抗脆化的能力很强；但是在高温下的抗蠕变性能较SnAgCu钎料合金差。而Ag具有很好的抗蠕变性能和抗热疲劳性能，但是在低温下，Ag会使锡基钎料的韧-脆转变温度上升，使钎料合金的抗脆性能力降低。而工作于深空环境中的器件，将会受到极低-极高温度交变的作用；因此，为了保证焊点的可靠性，一种扩展服役工作温度范围的组合合金软钎焊焊接结构的制备方法亟待开发。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有软钎焊焊点不可靠的问题，提供一种扩展服役工作温度范围的组合合金软钎焊焊接结构的制备方法，且该电子互连焊点可实现在极低和极高温度范围工作。通过对软钎料合金的组合焊接，可扩展其服役工作温度范围，使得软钎焊焊点可同时承受低温、高温载荷。采用不同力学特性的合金组合制备焊点，在高温下由高抗蠕变、高温力学性能强的金属承受载荷，在低温下由低温塑性好、无低温脆性的金属承受载荷，两种金属在不同环境下力学性能互补并且相互保护，克服单一金属/合金焊点的缺陷，有助于在极低和极高温度范围工作的电子互连焊点可靠性的提高。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种扩展服役工作温度范围的组合合金软钎焊焊接结构的制备方法，所述制备方法具体步骤如下：

步骤一：对待使用的金属钎料合金进行清洗：具体的是使用乙醇或丙酮分别超声清洗10~20 min，去除杂质和氧化物，对焊盘、金属导线或金属导体进行相同的处理；

步骤二：选取能够承受低温载荷和高温载荷的金属钎料合金各一种，并准备金属钎料合金的焊膏或焊片；

步骤三：将步骤二选取的两种金属钎料合金的焊膏或焊片进行同时焊接或分步焊接，即可制备出服役工作温度范围扩展了的组合合金软钎焊焊接结构。

本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明通过将在高温、低温下力学性能不同的钎料合金组合焊接，形成了可以同时承受低温、高温载荷的焊点结构，在成本低、与传统焊接工艺兼容性好的前提下实现了在极低和极高温度范围工作的电子互连焊点可靠性的提高。

附图说明

图1~图5是线路板、元器件间双金属堆叠焊点结构示意图，其中图1是丝网印刷（焊点金属1焊膏）；图2是焊点金属1焊膏覆于焊盘上；图3是丝网印刷（焊点金属2焊膏）；图4是元件置于双金属堆叠焊膏上；图5是回流焊制备双金属堆叠焊点结构。

图6~图10是线路板、元器件间双金属横向排列焊点结构图（焊点金属2-焊点金属1-焊点金属2），其中图6是丝网印刷（焊点金属1焊膏）；图7是焊点金属1焊膏覆于焊盘上；图8是丝网印刷（焊点金属2焊膏）；图9是元件置于双合金横向排列焊膏上；图10是回流焊制备双金属横向排列焊点结构。

图11~图12是两导线间双金属焊点结构图，其中图11是回流焊或者手工焊焊接焊点金属1；图12是手工焊或者激光焊焊接焊点金属2。

图13~图15是线路板上销接两导体金属间双金属焊点结构图，其中图13是涂覆助焊剂；图14是两种金属的焊片覆于助焊剂上；图15是回流焊制备双金属焊点结构。

图16~图18是两导体搭接形成双金属并列焊点结构的示意图，其中图16是丝网印刷并列涂覆两种焊膏；图17是搭接导体置于焊膏上；图18是回流焊制备搭接试样焊接金属并列结构。

图19~图21是两导体搭接形成双金属边缘包围结构焊点的示意图，其中图19是丝网涂覆焊膏（焊接金属1）；图20是回流焊焊接焊接金属1；图21是回流焊焊接焊接金属2，得到双金属焊点。

图22~图28是两导体对接形成焊接金属包围结构的示意图，其中图22、图23是丝网印刷涂覆焊接金属1；图24、图25是丝网印刷涂覆焊接金属2；图26是回流焊制备焊点；图27是涂覆两种焊膏；图28是回流焊制备焊点。

图29~图30是两导体对接形成焊接金属并列结构的示意图，其中图29是丝网印刷涂覆焊膏（并列结构）；图30是回流焊制备焊接金属并列结构焊点。

其中，1-1为线路板，1-2为焊盘，1-3为焊点金属1，1-4为丝网（焊点金属1），1-5为刮板；2-1为焊点金属1；3-1为丝网（焊点金属2），3-2为焊点金属2；4-1为焊点金属2，4-2为元件端头，4-3为元件；5-1为焊点金属1，5-2为焊点金属2；6-1为线路板，6-2为焊盘，6-3为焊点金属1，6-4为丝网（焊点金属1），6-5为刮板；7-1为焊点金属1；8-1为丝网（焊点金属2），8-2为焊点金属2；9-1为焊点金属2，9-2为元件端头，9-3为元件；10-1为焊点金属1，10-2为焊点金属2；11-1为导线1，11-2为导线2，11-3为焊点金属1；12-1为焊点金属2；13-1为导体1，13-2为助焊剂；14-1为焊接金属1，14-2为焊接金属2；15-1为导体1，15-2为焊接金属1，15-3为焊接金属2，15-4为导体2，15-5为线路板；16-1为导体1，16-2为焊接金属1，16-3为焊接金属2；17-1为导体2；19-1为导体1，19-2为焊接金属1；20-1为焊接金属1，20-2为导体2；21-1为焊接金属2；22-1为导体1，22-2为丝网（焊接金属1），22-3为焊接金属1，22-4为刮板；23-1为焊接金属1；24-1为焊接金属2，24-2为丝网（焊接金属2）；25-1为焊接金属2；26-1为导体2；29-1为导体1，29-2为焊接金属1，29-3为焊接金属2；30-1为导体2。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：本实施方式记载的是一种扩展服役工作温度范围的组合合金软钎焊焊接结构的制备方法，所述制备方法具体步骤如下：

步骤一：对待使用的金属钎料合金进行清洗：具体的是使用乙醇或丙酮分别超声清洗10~20 min，去除杂质和氧化物，根据不同的焊接结构，对焊盘、金属导线或不同形状尺寸的金属导体进行相同的处理；

步骤二：根据不同钎料在不同温度下力学性能的差异，选取能够承受低温载荷和高温载荷的金属钎料合金各一种，并准备金属钎料合金的焊膏或焊片；根据实际情况在使用前应先在导体上涂覆助焊剂；所述的低温载荷最低为-200℃，高温载荷最高为+150℃；

步骤三：将步骤二选取的两种金属钎料合金的焊膏或焊片进行同时焊接或分步焊接，即可制备出服役工作温度范围扩展了的组合合金软钎焊焊接结构。所选的两种或多种金属钎料合金分别具备抗低温脆化和抗高温蠕变的特性。

具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种扩展服役工作温度范围的组合合金软钎焊焊接结构的制备方法，步骤一中，用乙醇和丙酮分别超声清洗20 min。

具体实施方式三：具体实施方式一所述的一种扩展服役工作温度范围的组合合金软钎焊焊接结构的制备方法，步骤二中，所述的能够承受低温载荷的金属钎料合金为高铅钎料合金或铟基钎料合金；所述的能够承受高温载荷的金属钎料合金为SnAg共晶钎料合金、SAC305钎料合金、SnPbAg钎料合金、SnPbSb钎料合金或SnPbNi钎料合金。

具体实施方式四：具体实施方式三所述的一种扩展服役工作温度范围的组合合金软钎焊焊接结构的制备方法，所述的高铅钎料合金为90Pb10Sn或95Pb5Sn。

具体实施方式五：具体实施方式一所述的一种扩展服役工作温度范围的组合合金软钎焊焊接结构的制备方法，步骤三中，进行同时焊接时，承受低温载荷的金属钎料合金选取高铅钎料合金，承受高温载荷的金属钎料合金选取SAC305钎料合金，进行回流焊，在不同部位涂覆两种焊膏或放置焊片，然后将待焊元件或待焊金属导体按设计的结构置于金属钎料合金上，将该体系放入回流炉中，经历预热阶段、保温阶段、再流阶段、冷却阶段，完成润湿和界面反应，即制备出服役工作温度范围扩展的组合合金软钎焊焊接结构。

具体实施方式六：具体实施方式一所述的一种扩展服役工作温度范围的组合合金软钎焊焊接结构的制备方法，其特征在于：步骤三中，进行分步焊接时，首先回流焊焊接具有较高熔点的金属钎料合金，焊接完成后再在设计位置手工焊或激光焊焊接另一种钎料合金，最终制备出服役工作温度范围扩展的组合合金软钎焊焊接结构。所述的手工焊或激光焊方法适用于两导线间双金属焊点结构。

具体实施方式七：具体实施方式五所述的一种扩展服役工作温度范围的组合合金软钎焊焊接结构的制备方法，以1~3℃/s的升温速率自室温加热至120~150℃完成预热阶段，以1℃/s的升温速率完成保温阶段，以1~4℃/s的速率快速升温到峰值温度并保温实现再流阶段，最后以1~4℃/s的速率冷却至100℃以下完成冷却阶段。

具体实施方式八：具体实施方式五中所述的一种扩展服役工作温度范围的组合合金软钎焊焊接结构的制备方法，其特征在于：使用高铅钎料合金进行回流焊，所述预热阶段需要90~120s，保温阶段需要130~160s，再流阶段需要90~120s，降温阶段需要50~90s；使用SAC305钎料合金进行回流焊，所述预热阶段需要90~120s，保温阶段需要60~90s，再流阶段需要90~120s，降温阶段需要30~70s。

实施例1：

如图1~图5所示，制备线路板、元器件间双金属堆叠焊点结构包括如下步骤：

步骤一：准备焊点金属1（高铅钎料）及焊点金属2（SAC305钎料）的焊膏；

步骤二：清洁线路板上焊盘，去除氧化物；

步骤三：丝网印刷，将焊点金属1的焊膏覆于焊盘上；

步骤四：使用更厚的丝网，进行丝网印刷，将焊点金属2的焊膏覆于焊点金属1焊膏之上；

步骤五：将元件放置在双金属堆叠焊膏上；

步骤六：将以上体系放入回流炉中，进行以下动作：以1~3℃/s的速度加热至120~150℃完成预热阶段（需90~120s），以1℃/s的加热速率完成130~160s的保温阶段，以1~4℃/s的速率快速升温到峰值温度（320~340℃）并保温实现再流阶段（需90~120s），最后以1~4℃/s的速率冷至100℃以下（需50~90s），总工艺时长在360~490s之间；

本实施例的焊点金属1选择高铅钎料，熔点为290℃左右，在极低温下仍能保持良好的塑性；焊点金属2选择SAC305钎料，其在热循环条件下蠕变应变及蠕变应力的值较SnPb钎料低，并有较高的拉伸强度。由SAC305钎料承受高温载荷，高铅钎料承受低温载荷，使得双金属焊点结构在高温-低温温度范围工作时都具有较高的可靠性。因此，双金属焊点结构的抗温度循环、抗蠕变、抗冲击性能等可靠性指标都可满足相关要求，可以广泛应用于涵盖低温、高温，宽服役温度范围器件的封装中。

实施例2：

如图6~图10所示，制备线路板、元器件间双金属横向排列焊点结构包括如下步骤：

步骤一：准备焊点金属1（高铅钎料）及焊点金属2（SAC305钎料）的焊膏；

步骤二：清洁线路板上焊盘，去除氧化物；

步骤三：丝网印刷，将焊点金属1的焊膏覆于焊盘上横向排列的中间位置；

步骤四：丝网印刷，将焊点金属2的焊膏覆于焊点金属1焊膏的两侧；步骤五：将元件放置在双金属横向排列焊膏上；

步骤六：将以上体系放入回流炉中，进行以下动作：以1~3℃/s的速度加热至120~150℃完成预热阶段（需90~120s），以1℃/s的加热速率完成130~160s的保温阶段，以1~4℃/s的速率快速升温到峰值温度（320~340℃）并保温实现再流阶段（需90~120s），最后以1~4℃/s的速率冷至100℃以下（需50~90s），总工艺时长在360~490s之间。

实施例3：

如图11~图12所示，制备两导线间双金属焊点结构包括如下步骤：

步骤一：准备高铅钎料及SAC305钎料焊膏；

步骤二：清洁导线表面，去除氧化膜；

步骤三：手工焊焊接焊点金属1（高铅钎料）；

步骤四：手工焊或者激光焊焊接焊点金属2。

实施例4：

如图13~图15所示，制备线路板上销接两导体金属间双金属焊点结构包括如下步骤：

步骤一：使用丙酮清洁两导体（Cu）表面，去除杂质及氧化物；

步骤二：在导体销上如设计的尺寸和位置涂覆助焊剂；

步骤三：准备两种金属钎料的焊片，并使用乙醇及丙酮超声清洗20分钟；

步骤四：在导体销涂覆助焊剂的位置分别覆上一层焊片，两种金属的焊片横向排列；

步骤五：将导体销插入环状导体中，并将以上体系放入回流炉中，进行以下动作：以1~3℃/s的速度加热至120~150℃完成预热阶段（需90~120s），以1℃/s的加热速率完成130~160s的保温阶段，以1~4℃/s的速率快速升温到峰值温度（320~340℃）并保温实现再流阶段（需90~120s），最后以1~4℃/s的速率冷至100℃以下（需50~90s），总工艺时长在360~490s之间。

实施例5：

如图16~图18所示，制备两导体搭接形成双金属并列焊点结构包括如下步骤：

步骤一：准备高铅钎料及SAC305钎料焊膏；

步骤二：丙酮清洗两块导体（Cu），去除油污、氧化物等；

步骤三：在尺寸较大的导体上丝网印刷两种并排的钎料焊膏，之后将尺寸较小的导体置于焊膏上，完成对准；

步骤四：将以上体系放入回流炉中，进行以下动作：以1~3℃/s的速度加热至120~150℃完成预热阶段（需90~120s），以1℃/s的加热速率完成130~160s的保温阶段，以1~4℃/s的速率快速升温到峰值温度（320~340℃）并保温实现再流阶段（需90~120s），最后以1~4℃/s的速率冷至100℃以下（需50~90s），总工艺时长在360~490s之间。

实施例6：

如图19~图21所示，制备两导体搭接形成双金属包围焊点结构包括如下步骤：

步骤一：准备两种钎料合金焊膏；

步骤二：丙酮清洗两块导体（Cu），去除油污、氧化物等；

步骤三：在尺寸较大的导体上丝网印刷涂覆焊接金属1的焊膏，之后将尺寸较小的导体置于其上，完成对准；

步骤四：将以上体系放入回流炉中，进行以下动作：以1~3℃/s的速度加热至120~150℃完成预热阶段（需90~120s），以1℃/s的加热速率完成130~160s的保温阶段，以1~4℃/s的速率快速升温到峰值温度（320~340℃）并保温实现再流阶段（需90~120s），最后以1~4℃/s的速率冷至100℃以下（需50~90s），总工艺时长在360~490s之间；

步骤五：在已形成的焊接金属1的焊点及焊点边缘的导体上丝网印刷涂覆焊接金属2的焊膏；

步骤六：将以上体系放入回流炉中，进行以下动作：以1~3℃/s的速度加热至120~150℃完成预热阶段（需90~120s），以1℃/s的加热速率完成60~90s的保温阶段，以1~4℃/s的速率快速升温到峰值温度（250~270℃）并保温实现再流阶段（需90~120s），最后以1~4℃/s的速率冷至100℃以下（需30~70s），总工艺时长在270~400s之间。

实施例7:

如图22~图28所示，制备两导体对接焊接金属包围结构包括如下步骤：

步骤一：准备两种焊接金属的焊膏；

步骤二：清洁导体表面，去除氧化物；

步骤三：丝网印刷涂覆焊接金属1于导体1上；

步骤四：更换丝网，涂覆焊接金属2于导体1上，形成双金属包围结构；

步骤五：将导体2置于已涂覆好的焊膏上，完成对准；

步骤六：将以上体系放入回流炉中，进行以下动作：以1~3℃/s的速度加热至120~150℃完成预热阶段（需90~120s），以1℃/s的加热速率完成130~160s的保温阶段，以1~4℃/s的速率快速升温到峰值温度（320~340℃）并保温实现再流阶段（需90~120s），最后以1~4℃/s的速率冷至100℃以下（需50~90s），总工艺时长在360~490s之间。

实施例8：

如图29~图30所示，制备两导体对接焊接金属并列结构包括如下步骤：

步骤一：准备两种焊接金属的焊膏；

步骤二：清洁导体表面，去除氧化物；

步骤三：通过丝网印刷分别将两种焊膏以并列结构（焊点金属1-焊点金属2-焊点金属1）涂覆在下导体上，然后将上导体置于其上，两导体完成对准；

步骤四：将以上体系放入回流炉中，进行以下动作：以1~3℃/s的速度加热至120~150℃完成预热阶段（需90~120s），以1℃/s的加热速率完成130~160s的保温阶段，以1~4℃/s的速率快速升温到峰值温度（320~340℃）并保温实现再流阶段（需90~120s），最后以1~4℃/s的速率冷至100℃以下（需50~90s），总工艺时长在360~490s之间。

Claims (6)

1.一种扩展服役工作温度范围的组合合金软钎焊焊接结构的制备方法，其特征在于：所述制备方法具体步骤如下：

步骤一：对待使用的金属钎料合金进行清洗：具体的是使用乙醇或丙酮分别超声清洗10~20 min，去除杂质和氧化物，对焊盘、金属导线或金属导体进行相同的处理；

步骤二：选取能够承受低温载荷和高温载荷的金属钎料合金各一种，并准备金属钎料合金的焊膏或焊片；所述的能够承受低温载荷的金属钎料合金为高铅钎料合金或铟基钎料合金；所述的能够承受高温载荷的金属钎料合金为SnAg共晶钎料合金、SAC305钎料合金、SnPbAg钎料合金、SnPbSb钎料合金或SnPbNi钎料合金；所述的高铅钎料合金为90Pb10Sn或95Pb5Sn；

步骤三：将步骤二选取的两种金属钎料合金的焊膏或焊片进行同时焊接或分步焊接，即可制备出服役工作温度范围扩展了的组合合金软钎焊焊接结构。

2.根据权利要求1所述的一种扩展服役工作温度范围的组合合金软钎焊焊接结构的制备方法，其特征在于：步骤一中，用乙醇和丙酮分别超声清洗20 min。

3.根据权利要求1所述的一种扩展服役工作温度范围的组合合金软钎焊焊接结构的制备方法，其特征在于：步骤三中，进行同时焊接时，承受低温载荷的金属钎料合金选取高铅钎料合金，承受高温载荷的金属钎料合金选取SAC305钎料合金，进行回流焊，在不同部位涂覆两种焊膏或放置焊片，然后将待焊元件或待焊金属导体置于金属钎料合金上，将该体系放入回流炉中，经历预热阶段、保温阶段、再流阶段、冷却阶段，完成润湿和界面反应，即制备出服役工作温度范围扩展的组合合金软钎焊焊接结构。

4.根据权利要求1所述的一种扩展服役工作温度范围的组合合金软钎焊焊接结构的制备方法，其特征在于：步骤三中，进行分步焊接时，首先回流焊焊接具有较高熔点的金属钎料合金，焊接完成后再在设计位置手工焊或激光焊焊接另一种钎料合金，最终制备出服役工作温度范围扩展的组合合金软钎焊焊接结构。

5.根据权利要求3所述的一种扩展服役工作温度范围的组合合金软钎焊焊接结构的制备方法，其特征在于：以1~3℃/s的升温速率自室温加热至120~150℃完成预热阶段，以1℃/s的升温速率完成保温阶段，以1~4℃/s的速率快速升温到峰值温度并保温实现再流阶段，最后以1~4℃/s的速率冷却至100℃以下完成冷却阶段。

6.根据权利要求4中所述的一种扩展服役工作温度范围的组合合金软钎焊焊接结构的制备方法，其特征在于：使用高铅钎料合金进行回流焊，所述预热阶段需要90~120s，保温阶段需要130~160s，再流阶段需要90~120s，降温阶段需要50~90s；使用SAC305钎料合金进行回流焊，所述预热阶段需要90~120s，保温阶段需要60~90s，再流阶段需要90~120s，降温阶段需要30~70s。

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