CN109513747A - 一种制备难变形锡铋合金预成型焊片方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备难变形锡铋合金预成型焊片的方法，其核心工艺采用两段式调温变速及变向压延法，即低温高速大压下量粗轧及高温低速小压下量精轧；通过控制压延过程中的温度、速度以及入轧方向，并结合其它工序包括低温熔炼、去残余应力热平整、卷曲和裁剪等，实现难变形锡铋合金预成型焊片的高效率制备。本发明所涉及的预成型焊片制备工艺能有效解决具有本征脆性及难变形特点的锡铋合金在大变形量加工过程中容易产生材料开裂等问题，合金综合总变形量可达98％以上；该工艺流程简单，能大幅提高锡铋预成型焊片的生产效率，并降低其生产能耗。

Description

一种制备难变形锡铋合金预成型焊片方法

技术领域

本发明涉及电子封装连接材料，特别是涉及一种制备难变形锡铋合金预成型焊片的方法。

背景技术

近年来，随着电子工业的高速发展，电子元器件制造技术、微电子集成技术的革新速度加快，因此工业界对于在电子封装过程中起重要作用的连接材料—钎料的要求亦日益增高。目前，市场上主要的无铅钎料产品有锡丝、锡条、锡膏、锡球等类型。锡丝主要适用于手工焊与机器自动焊领域，因其在工业生产中效率相对较低，随着中国制造2025和工业4.0规划的进一步推进，锡丝未来的使用前景势必将进一步受到限制。锡条主要用于波峰焊中，自上世纪七八十年代表面组装技术出现直至发展到近年，特别是在高端封装领域，因印刷线路板(PCB)单位面积上的元器件排布密度及引脚数目的急剧增加，表面贴装技术正在逐步取代波峰焊，因此锡条的未来使用量也将进一步受到限制。锡膏作为专门针对表面贴装技术而诞生的一款产品，近二十年得到了大量的发展，也逐步从有铅锡膏过渡到了环保无铅锡膏，但是由于锡膏为锡粉加上膏状助焊剂混合而成，其自身的粘性、触变性、耐腐蚀性以及在回流过程中内部有机溶剂挥发、锡粉融化而引起的二次坍塌问题，再加上回流焊接时工艺参数的影响，极易导致锡膏在印刷过程中上锡量不够以及在回流焊后焊接厚度不均、落锡位置不精确、焊接界面存在空洞、接触面虚焊等问题的出现，从而引起元器件在服役过程中焊接接头可靠性下降，降低电子元器件的使用寿命。因此，为解决锡膏存在的问题，以适应高密度封装对焊点位置、锡量及其形状更严格的要求，一种可严格控制合金焊片放置位置、尺寸形状及锡量，具有良好润湿性及较高焊接接头强度的预成型焊片应运而生。

预成型焊片的出现，主要为了适应随着电子工业高度集成化趋势而带来对焊点钎料量、放置位置及形状越来越精密的要求，使得电子元器件具有更高的微互连可靠性。所谓具有足够锡量，则是在表面组装回流焊中，焊点有足够的金属量令焊脚与焊盘充分接触，使其充分浸润，生成足够厚度的IMC层以确保所得焊点的强度，防止出现虚焊、立碑等回流焊缺陷。影响预成型焊片金属含量的主要因素则是预成型焊片的厚度及其形状，要精准控制这两项参数，则对预成型焊片材料本身的可加工性及其加工工艺有着十分苛刻的要求。

目前市场上主要存在的预成型焊片有Au–20Sn、Sn–Ag–Cu系(SAC)钎料合金预成型焊片等。Au–20Sn预成型焊片，由于锡、金熔点相差较大，金较为硬脆等特点导致所得金锡合金难以加工成型，因而其对应的预成型焊片制备工艺一般十分复杂且成本昂贵，如公开号：CN103100825A，名称为“一种预合金化金锡预成型焊片的制备工艺”的中国发明专利申请公开利用真空手套箱充氢气及氮气于350℃～500℃将锡锭、金锭高温熔炼成锭，然后再通过轧制轧成带材，最后通过3小时高温退火后冲压成预成型焊片。该发明专利所述熔炼过程温度较高且需惰性气体保护，因而工艺流程复杂，制备成本较高，加上该专利略去了具体的轧制实施流程，故而具体实施难度较大，难以达到该发明专利所述的效果。再者，Au–20Sn预成型焊片熔化温度高，PCB基板及多数电子元器件难以承受其极高的回流焊温度，因此目前Au–20Sn预成型焊片更多用于芯片级封装中，难以在板级封装中普及。而SAC系合金因本身具有良好的塑性，其加工相对Au–20Sn而言较于简单，但是与Sn–Bi合金相比，SAC系合金不仅价格昂贵且其熔化温度也较高，对于从使用有铅钎料向无铅钎料转型的厂家来说，其因原料及表面组装设备更换所带来的成本增加是难以承受的。因此，开发一种低回流焊接温度的Sn–Bi合金预成型焊片是十分必要的。

公开号为CN104625461A，名称为“一种高性能预成型焊片及其焊接方法”的中国发明专利申请公开了一种带金属网的预成型焊片的制备工艺，该发明专利将含Sn、Bi为主的金属熔融液倒入预先切割好大小、形状的金属网上凝固成型。公开号为CN102296208A，名称为“用于制作温度保险丝的熔断芯的无铅低温合金及其制备工艺”的中国发明专利申请公开了一种用于制作温度保险丝熔断芯的无铅低温合金，其中Bi含量：34％～36％；Zn含量：3.5％～4.5％；Sn：余量，该发明专利直接将金属熔化后倒入相应尺寸的模具中冷却成型，制得所需尺寸的锡铋合金。上述两种现有技术皆是通过铸造成型得到所需尺寸的锡铋合金，虽通过直接熔铸技术避开了锡铋合金脆性大，难以成型的问题，但是其生产效率低、模具制造价格高、难以大规模普及。

公开号为CN103639620B，名称为“一种Sn-Bi脆性合金预成型焊片的制备工艺”的中国发明专利申请公开了一种Sn-Bi脆性合金预成型焊片的制备工艺，其中包括：配料、气体保护熔炼铸造、120℃热轧制、冲裁等步骤。但该发明专利所述熔炼方式为在真空手套箱中预充氮气保护下熔炼金属，且专利中未提及合金具体的熔化时间及保温时间，此熔炼流程操作难度大，成本高。而该发明专利在热轧过程中轧制温度恒定为120℃且轧制速度仅为0.6～0.8m/min，其轧制温度过高，不仅容易引起带材起皱、黏辊等轧制缺陷还会浪费能源，长时间高温状态加工会导致晶粒粗大恶化锡铋合金的塑性，而且轧制速度过低会严重影响其生产效率。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种制备难变形锡铋合金预成型焊片的方法，旨在解决目前脆性锡铋合金难以成型、加工难度大、成品易开裂的问题。

为此，本发明所采用的技术方案为：

一种制备难变形锡铋合金预成型焊片的方法，即采用两段式调温变速及变向压延制备难变形锡铋合金预成型焊片方法，其制备过程如下：

(1)通过两段式调温变速及变向压延工艺，将锡铋合金铸锭压延至所需尺寸及厚度的预成型焊片；

(2)步骤(1)所述调温变速及变向压延工艺的前处理工序为：锡锭、铋锭的高温熔化、低温铸造；

(3)步骤(1)所述调温变速及变向压延工艺的后处理工序为：薄板材进行残余应力释放及低温平整。

所述调温变速及变向压延工艺在低温高速时能在保证压延速率的同时，最大程度利用金属自身的动态回复再结晶改善轧制后择优取向的组织及应力堆积；在高温低速时，能在较低的压延速度下确保不会因轧辊高速转动而对高脆性板材产生较大冲击。具体工艺为：使用二辊同步热压延机对铸锭分别进行低温高速大压下量粗轧和高温低速小压下量精轧。所述低温高速大压下量粗轧为：对于厚度大于1.0mm的中厚板材及薄板材，设定轧制温度为70～80℃、轧制速度为2.3～3.5m/min，轧制过程中每道次的压下变形量为10～25％，粗轧总变形量不超过80％，工件粗轧后厚度为0.9～1.0mm。所述高温低速小压下量精轧为：设定轧制温度为100～110℃、轧制速度0.8～1.5m/min，轧制过程中每道次压下变形量为25～50％，轧制总变形量不超过98％；所谓变向轧制则是在热压延过程中改变板材的入轧方向，具体为：粗轧各道次间板材入轧方向改变90°，精轧各道次间入轧方向偏离轧辊水平方向45°斜轧入辊且在各道次间交叉送入。

前处理锡、铋锭高温熔化、低温保温工艺为：在金属熔融保护剂的保护下，升温至280～320℃待合金锭完全熔化，然后降温至148～178℃保温30～40min，在保温过程中需每隔8～10min用玻璃搅拌棒对熔化的金属液进行搅拌。其中，金属熔融保护剂主体为歧化松香、氢化松香、水白松香中的一种或多种，辅以苯并三氮唑、甲基苯并三氮唑、咪唑等一种或几种复配而成，在金属熔炼过程能有效防止液态金属表面氧化，同时可有效吸附掉金属原料表面的粉尘等杂质。

后处理残余应力释放及低温平整工艺为：将轧制后带波浪型起伏的薄板材放置于温度为45～65℃的可加热压板上，将平整压头压在带波浪型起伏的薄板材上10～15s。

为进一步实现本发明的目的，其中，步骤(1)所述矩形铸锭长宽为10～18mm，高为3～8mm。其中，步骤(1)用于该工艺的锡铋合金为Sn-58Bi共晶合金以及近Sn-Bi二元共晶成分的过共晶和亚共晶合金。

优选的是，步骤(1)所得经过多道次轧制过后的薄板材最终厚度范围为：0.06mm～0.50mm。

进一步的，步骤(3)所述将消除残余应力及平整后的薄板方能进入到最后的裁剪工艺中，以免高脆性的锡铋合金在冷卷曲时破裂。

相对于现有技术，本发明工艺具有如下优点：

本发明采用两段式调温变速及变向压延工艺制备锡铋预成型焊片，能使得脆性锡铋合金可在厚度方向上进行很大程度的变形，其综合总变形量高达98％。

本发明在大压下量粗轧阶段轧制温度为70～80℃、轧制速度2.3～3.5m/min，与同类工艺相比，具有较高的轧制速度和较低的轧制温度，在保证脆性材料的加工前提下，可极大限度地提升生产效率的同时降低成本。

本发明在小压下量精轧阶段轧制温度为100～110℃、轧制速度0.8～1.5m/min，避免因大变形而导致的板材边裂。再者，相对于同类工艺虽然所选终轧温度较低，但是在该温度下，已经足以保证板材进行充分的回复再结晶，同时还可以有效防止板材表面因温度过高而产生过烧的现象。

本发明采用松香基金属熔融保护剂保护液态金属，可有效提高金属锭的利用率及其纯度。由于免除了常规的惰性气体保护步骤，因此减少了操作步骤、降低了操作难度，缩减了成本。

本发明在轧制终了阶段加了一道消除残余应力及低温平整工艺，通过该工艺，能有效消除薄板坯轧制形成的波浪形起伏，使所得预成型焊片外观平整、光滑。

具体实施方式

下面通过实施例进一步阐述本发明的技术方案，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。

实施例1

一种矩形环状Sn-58Bi共晶预成型焊片的制备工艺如下：

将21g的锡锭和29g铋锭按所需质量百分比42：58配好，放入装有适量(5～10g)松香基金属熔融保护剂的氧化铝坩埚中，利用井式电阻炉加热至300℃，待金属锭完全融化后于150℃保温30min，然后将熔融金属液浇注于矩形模具内。

对所得板材进行升温降速变向轧制：使用辊径122mm二辊同步热压延机对铸锭进行低温高速大压下量粗轧以及高温低速小压下量精轧；首先进行低温高速大压下量粗轧：对于厚度为5mm的Sn-58Bi合金板材，设定轧制温度为78℃、轧制速度2.8m/min，轧制过程中每道次间压下量为1mm，通过四个道次的轧制将板材轧至厚度为1mm。然后进行高温低速小压下量精轧则：通过前道粗轧工序得到厚度为1mm的Sn-58Bi合金薄板材，设定轧制温度为105℃、轧制速度1.1m/min，轧制过程中每道次间压下量为0.3mm，通过三个道次的轧制将板材轧至厚度为0.1mm；另需注意本发明所采取的变向轧制工艺，即粗轧各道次间板材轧制方向改变90°，精轧各道次轧制方向偏离轧辊水平方向45°且各道次间交叉送入。

对所得轧后薄板材进行消除残余应力及低温平整：将轧制所得带波浪型起伏的薄板材放置于温度为45℃的加热钢板上，使用平整压头压在带波浪型起伏的薄板材上10s。

将所得薄板材利用冲压机冲压成外长宽为5.5mm×5.5mm，内长宽为2.5mm×2.5mm的矩形环状Sn-58Bi预成型焊片。

实施例2

一种卷状Sn-52Bi亚共晶预成型焊片的制备工艺如下：

将24g的锡锭和26g铋锭按所需质量百分比48：52配好，放入装有适量(5～10g)松香基金属熔融保护剂的氧化铝坩埚中，利用井式电阻炉加热至320℃，待金属锭完全融化后175℃保温35min，然后将熔融金属液浇注于矩形模具内。

对所得板材进行升温降速变向轧制：使用辊径122mm二辊同步热压延机对铸锭进行低温高速大压下量粗轧以及高温低速小压下量精轧；首先进行低温高速大压下量粗轧：对于厚度为4.5mm的Sn-52Bi合金板材，设定轧制温度为80℃、轧制速度3.5m/min，轧制过程中前面三个道次间压下量为1mm，第四道次的压下量为0.5mm；通过四个道次的轧制将板材轧至厚度为1mm；然后进行高温低速小压下量精轧则：通过前道粗轧工序得到厚度为1mm的Sn-58Bi合金板材，设定轧制温度为110℃、轧制速度1.5m/min，轧制过程中每道次间压下量为0.4mm，通过两个道次的轧制将板材轧至厚度为0.2mm；另需注意本发明所采取的变向轧制工艺，即粗轧各道次间板材轧制方向改变90°，精轧各道次轧制方向偏离轧辊水平方向45°且各道次间交叉送入。

对所得轧后薄板材进行消除残余应力及低温平整：将轧制所得带波浪型起伏的薄板材放置于温度为50℃的加热钢板上，使用平整压头压在带波浪型起伏的薄板材上10s。

将热平整后的薄板弯曲成卷，得到卷状Sn-52Bi预成型焊片。

实施例3

一种矩形Sn-62Bi过共晶预成型焊片的制备工艺如下：

将19g的锡锭和31g铋锭按所需质量百分比38：62配好，放入装有适量(5～10g)松香基金属熔融保护剂的氧化铝坩埚中，利用井式电阻炉加热至310℃，待金属锭完全融化后于173℃保温40min，然后将熔融金属液浇注于矩形模具内。

对所得板材进行升温降速变向轧制：使用辊径122mm二辊同步热压延机对铸锭进行低温高速大压下量粗轧以及高温低速小压下量精轧；首先进行低温高速大压下量粗轧：对于厚度为5mm的Sn-62Bi合金板材，设定轧制温度为77℃、轧制速度2.3m/min，轧制过程中每道次间压下量为1mm，通过四个道次的轧制将板材轧至厚度为1mm；然后进行高温低速小压下量精轧则：通过前道粗轧工序得到厚度为1mm的Sn-62Bi合金板材材，设定轧制温度为108℃、轧制速度0.8m/min，轧制过程中每道次间压下量为0.25mm，通过三个道次的轧制将板材轧至厚度为0.25mm；另需注意本发明所采取的变向轧制工艺，即粗轧各道次间板材轧制方向改变90°，精轧各道次轧制方向偏离轧辊水平方向45°且各道次间交叉送入。

对所得轧后薄板材进行消除残余应力及低温平整：将轧制所得带波浪型起伏的薄板材放置于温度为55℃的加热钢板上，使用平整压头压在带波浪型起伏的薄板材上10s。

将所得薄板材利用冲压机冲压成长宽为2.5mm×2.5mm的矩形Sn-58Bi预成型焊片。

本发明所制备的锡铋预成型焊片，其在轧制过程中，因有呈两段式变化的轧制温度和轧制速度以及变向轧制的工艺，能在保证板材成型的同时最大程度避免轧制缺陷的产生，同时可极大地减少能源消耗以及提高生产效率，所得预成型焊片组织致密，焊接过程中空洞少、焊接强度高。该方法所制得预成型焊片适用于电子封装领域板级封装中芯片组件与基板之间的表面贴装，也可以用于表面贴装中电子元器件因初次钎焊时局部焊锡量不足而导致二次锡补偿工艺。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种制备难变形锡铋合金预成型焊片的方法，其特征在于，通过两段式调温变速及变向压延工艺，将锡铋合金铸锭压延至所需尺寸及厚度的预成型焊片，其中，两段式调温变速及变向压延工艺为使用二辊同步热压延机对铸锭分别进行低温高速大压下量粗轧和高温低速小压下量精轧，低温高速大压下量粗轧为设定轧制温度为70～80℃、轧制速度为2.3～3.5m/min，粗轧各道次间板材入轧方向改变90°，轧制过程中每道次的压下变形量为10～25％；高温低速小压下量精轧为设定轧制温度为100～110℃、轧制速度0.8～1.5m/min，精轧各道次间入轧方向偏离轧辊水平方向45°斜轧入辊且在各道次间交叉送入，轧制过程中每道次的压下变形量为25～50％。

2.根据权利要求1所述的制备难变形锡铋合金预成型焊片的方法，其特征在于，低温高速大压下量粗轧针对厚度大于1.0mm的中厚板材及薄板材，低温高速大压下量粗轧总变形量不超过80％，工件粗轧后厚度为0.9～1.0mm。

3.根据权利要求1所述的制备难变形锡铋合金预成型焊片的方法，其特征在于，高温低速小压下量精轧轧制总变形量不超过98％。

4.根据权利要求1所述的制备难变形锡铋合金预成型焊片的方法，其特征在于，两段式调温变速及变向压延工艺的前处理工序为：锡锭和铋锭的高温熔化和低温铸造，其高温熔化和低温铸造工艺为：在金属熔融保护剂的保护下，升温至280～320℃待合金锭完全熔化，然后降温至148～178℃保温30～40min，在保温过程中每隔8～10min对熔化的金属液进行搅拌。

5.根据权利要求4所述的制备难变形锡铋合金预成型焊片的方法，其特征在于，所述金属熔融保护剂主体为歧化松香、氢化松香、水白松香中的一种或多种，辅以苯并三氮唑、甲基苯并三氮唑、咪唑等一种或几种复配而成。

6.根据权利要求1所述的制备难变形锡铋合金预成型焊片的方法，其特征在于，所述两段式调温变速及变向压延工艺的后处理工序为：薄板材进行残余应力释放及低温平整处理，其残余应力释放及低温平整工艺为：将轧制后带波浪型起伏的薄板材放置于温度为45～65℃的可加热压板上，将平整压头压在带波浪型起伏的薄板材上10～15s。

7.根据权利要求1所述的制备难变形锡铋合金预成型焊片的方法，其特征在于，两段式调温变速及变向压延工艺中所用锡铋合金为Sn-58Bi共晶合金以及近Sn-Bi二元共晶成分的过共晶和亚共晶合金。

8.根据权利要求1所述的制备难变形锡铋合金预成型焊片的方法，其特征在于，所述锡铋合金铸锭为矩形铸锭，铸锭长宽为10～18mm，高为3～8mm。

9.根据权利要求1所述的制备难变形锡铋合金预成型焊片的方法，其特征在于，经过多道次轧制过后的薄板材的最终厚度范围为0.06mm～0.50mm。

10.根据权利要求1所述的制备难变形锡铋合金预成型焊片的方法，其特征在于，经过残余应力释放及低温平整处理后的薄板经过裁剪制得所需规格预成型焊片。