CN112440029B - 一种低温复合焊料合金焊片及其制备方法和使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种低温复合焊料合金焊片，其包括高温层、低温层，高温层两侧分别设置一层以上的低温层，其中高温层的固相线温度为175~260℃，低温层的固相线温度为60~160℃；本发明焊片形成焊点过程中，回流峰值温度不大于220℃，满足低温回流要求；焊片材料组成由于不完全使用共晶锡铋焊片，使得焊点在服役过程可以降低铋的供给，避免大量铋在界面上聚集，形成连续铋层脆性相，提高了焊点抵抗热载荷、与动态跌落载荷的能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种低温复合焊料合金焊片的组成、形成焊点的方法，更具体的涉及用于替代低温锡铋焊片焊接的一种复合焊片，主要用于微连接领域。
背景技术
最近的研究表明，便携式电子产品的小型化和封装复杂度的提高，使得倒装芯片越来越薄，封装过程需要多个步骤来完成。大多数采用标准SAC305合金的超薄微处理器，会导致封装基板和PCB上出现严重的动态翘曲。当使用低于200℃回流的低温焊接工艺时，可以减轻此类缺陷并提高SMT产量；此外，较低的回流焊温度可以使用更便宜的基板，显著降低能源、材料和操作成本。根据2015年iNEMI（International Electronics ManufacturingInitiative）的路线图，预计在未来十年内，低温焊接技术解决方案（至少比SAC305合金的熔化温度低1%~20%）是急需攻克的一个难题。
实际上，就单一合金焊料而言，其可供选择的合金体系非常有限；因此，Sn-8Zn-3Bi、Sn-Bi和Sn-In基合金再次受到关注。而Sn-8Zn-3Bi合金由于Zn元素的活性，其配套焊接用的助焊剂，成为制约其发展的瓶颈。而Sn-Bi共晶合金（熔点138℃）则主要由于元素铋在服役过程中，容易在界面聚集形成，形成连续铋的脆性相，而影响其使用。Sn-In共晶合金（熔点：120℃）则因为熔点太低、力学性能较差、价格较高而更多的应用于热敏感器件、保险丝等合金。
复合焊料合金预制件（CN 102883851 B），提供用于高温焊接应用的层状复合预制箔。层状复合预制箔，在焊接器件，核心金属、液体焊料层和衬底金属反应并消耗低熔点焊料相，以形成高熔点金属间化合物相（IMC）。产生的焊接接头由被在衬底侧的IMC层包夹的延展性核心层组成。接头具有比初始焊料合金涂层的原始熔化温度高得多的再熔化温度，允许随后装配封装的器件。其涉及的是一种用于高温焊接的无铅复合焊料预制件，且焊接前将不同焊片进行组装，形成预制复合焊料件。
针对目前的单一低温合金存在的容易在界面铋聚集，形成连续铋的脆性相以及熔点过低、力学性能较差、成本高等问题，且复合结构的焊片未涉及低温焊接领域。
发明内容
本发明提供了一种低温复合焊料合金焊片，其包括高温层、低温层，高温层两侧分别设置一层以上的低温层，其中高温层的固相线温度为175~260℃，低温层的固相线温度为60~160℃；低温焊点的形成不再依赖于单一合金来形成均一焊点，而是以复合合金焊片的形式，在回流过程中形成预期的合金焊点，该焊片能抑制界面铋的脆性，提高复合焊片形成焊点抵抗热载荷、静力学载荷以及动态跌落载荷。
所述高温层的体积百分比为24% ~76%，低温层的体积百分比为76%~24%。
所述高温层的焊材为共晶焊材，选自Sn-0.7Cu合金、Sn-3Ag合金、Sn-3Ag-0.5Cu合金、Sn-Sb合金、Sn-Ag-X合金中一种，其中X选自Co、Ge、Ga、In、Mn、Ni、P、Pt、Sb、Bi、Zn、Cu、Ce、Nd、La、Pr。
所述低温层的焊材为Sn-In合金、Sn-Bi合金、BiIn-X合金，其中X选自Ge、Ga、Ce、Nd、La、Pr。
本发明另一目的是提供上述低温复合焊料合金焊片的制备方法：
方法一，采用焊片叠层机械轧制的方法实现，即分别将高温层的焊材、低温层的焊材预轧制成厚度0.05mm~2mm的焊片，经酒精超声清洗、稀盐酸清洗、酒精超声清洗、干燥后；在高温层两侧放置一片以上的低温层，形成三层以上结构，放入轧机多次同向轧制，制得厚度0.05mm~1.0mm的复合焊片。
方法二，采用焊片热浸镀及轧制的方法实现，即将将高温层的焊材预轧制成厚度0.1mm~2mm的焊片，并将焊片剪裁出目标的尺寸，经酒精超声清洗、稀盐酸清洗、酒精超声清洗、干燥后；将低温层的焊材熔化，并将熔体温度保持在高于合金固相线温度5℃以上，并将高温层片体浸入低温层金属熔体中5~20s后，迅速提出冷却；热浸镀后的焊片放入轧机多次同向轧制，制得厚度0.05mm~1.5mm的复合焊片。
本发明另一目的是提供上述低温复合焊料合金焊片的使用方法，低温复合焊料合金焊片与焊接基材经回流焊接后形成；在低温复合焊料合金焊片上涂敷助焊剂，将其置于一片铜片上或两片薄铜片中间并回流形成焊点，回流峰值温度不大于220℃；复合焊片3种焊点形成方法如图2所示。
本发明的有益效果：
（1）本发明以复合合金焊片的形式，在回流过程中形成预期的合金焊点，该焊片适用于低温焊接元器件；
（2）焊片形成焊点过程中，回流峰值温度低于220℃，满足低温回流要求；
（3）焊片材料组成不完全使用共晶锡铋（Sn-58Bi）焊片，使得焊点在服役过程可以降低铋的供给，避免大量铋在界面上聚集而形成连续铋层脆性相，提高了焊点抵抗热载荷的能力；
（4）与锡铟共晶合金对比，本发材料使焊点的静态力学性能得到提高；复合焊片形成的焊点断口的韧窝大而深，因此复合焊片的塑性较好，由于锡铋合金的混入，其剪切强度也大为提高，一次回流后其强度得到提升；
（5）与锡铋共晶合金对比，复合焊片形成焊点的形式提高了焊点抵抗动态跌落载荷的能力。
附图说明
图1为复合焊片叠层机械轧制的方法示意图；
图2为复合焊片焊点形成方法示意图；
图3为实施例1复合焊片扫描电镜图；
图4为实施例1复合焊片的DSC曲线；
图5为实施例1复合焊片所形成焊点的截面图（50X）；
图6为实施例2复合焊片扫描电镜图；
图7为实施例2复合焊片的DSC曲线；
图8为实施例2复合焊片所形成焊点的截面图（50X）；
图9为实施例3复合焊片扫描电镜图；
图10为实施例3复合焊片的DSC曲线；
图11为实施例4复合焊片扫描电镜图；
图12为实施例4复合焊片的DSC曲线；
图13为实施例5复合焊片扫描电镜图；
图14为实施例5复合焊片的DSC曲线；
图15为复合焊片/Cu（a）以及Sn-52In/Cu(b)形成的焊点剪切断口形貌图；
图16为实施例6复合焊片扫描电镜图；
图17为实施例6复合焊片的DSC曲线；
图18为实施例6焊点结构图；其中图（a）、（c）为复合焊片与Cu形成的焊点结构，其中（c）为（a）图中的焊接界面局部放大图；图（b）、（d）为单一Sn58Bi共晶合金焊片与Cu形成的焊点结构，其中（d）为（b）图中的焊接界面局部放大图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不局限于所述内容。
实施例1：本低温复合焊料合金焊片包括24.51%高温层、75.49%低温层，高温层两侧分别设置一层的低温层，其中高温层焊材为Sn-0.7Cu合金，固相线温度为229.3℃，低温层焊材为Sn-52In共晶合金，固相线温度为120.5℃；
上述低温复合焊料合金焊片的制备如下（图1）：分别将Sn-0.7Cu合金、Sn-52In共晶合金预轧制成厚度为0.25mm、0.5mm的焊片，剪裁出目标的尺寸，经酒精超声清洗、稀盐酸清洗、酒精超声清洗、干燥后；在高温层两侧放置一片低温层，形成三明治结构，放入轧机多次同向轧制，制得厚度1.0mm的复合焊片（图3）；
采用同步热分析仪检测复合焊片的一次回流固相线温度为123.4℃，如图4所示；
将复合焊片冲裁成直径为1.5mm的圆薄片，涂敷助焊剂在薄片上，将其置于薄铜片上并回流形成焊点，回流峰值温度165℃；形成的焊点结构如图5所示。
实施例2：本低温复合焊料合金焊片包括47.72%高温层、52.28%低温层，高温层两侧分别设置一层的低温层，其中高温层焊材为Sn-0.7Cu合金，固相线温度为229.3℃，低温层焊材为Sn-52In共晶合金，固相线温度为120.5℃；
上述低温复合焊料合金焊片的制备如下：分别将Sn-0.7Cu合金、Sn-52In共晶合金预轧制成厚度为1.00mm、0.25mm的焊片，剪裁出目标的尺寸，经酒精超声清洗、稀盐酸清洗、酒精超声清洗、干燥后；在高温层两侧放置一片低温层，形成三明治结构，放入轧机多次同向轧制，制得厚度0.75mm的复合焊片（图6）；
采用同步热分析仪检测复合焊片与薄铜片经回流后形成焊点；复合焊片的一次回流固相线温度为：119.8℃，如图7所示；
将复合焊片冲裁成直径为1.50mm的圆薄片，涂敷助焊剂在薄片上，将其置于两片薄铜片中间并回流形成焊点，回流峰值温度210℃；形成的焊点结构如图8所示。
实施例3：本低温复合焊料合金焊片包括60.1%高温层、39.9%低温层，高温层两侧分别设置一层的低温层，其中高温层焊材为Sn-0.7Cu合金，固相线温度为229.3℃，低温层焊材为Sn-52In共晶合金，固相线温度为120.5℃；
上述低温复合焊料合金焊片的制备如下：分别将Sn-0.7Cu合金、Sn-52In共晶合金预轧制成厚度为1.00mm、0.10mm的焊片，剪裁出目标的尺寸，经酒精超声清洗、稀盐酸清洗、酒精超声清洗、干燥后；在高温层两侧放置一片低温层，形成三明治结构，放入轧机多次同向轧制，制得厚度0.5mm的复合焊片（图9）；
采用同步热分析仪检测复合焊片的一次回流固相线温度为：118.7℃，如图10所示；
将复合焊片冲裁成直径为1.50mm的圆薄片，涂敷助焊剂在薄片上，将其置于两片薄铜片中间并回流形成焊点，回流峰值温度220℃。
实施例4：本低温复合焊料合金焊片包括48.09%高温层、51.91%低温层，高温层两侧分别设置一层的低温层，其中高温层焊材为Sn-0.7Cu合金，固相线温度为229.3℃，低温层焊材为Sn-40In共晶合金，固相线温度为120.5℃；
上述低温复合焊料合金焊片的制备如下：分别将Sn-0.7Cu合金、Sn-40In共晶合金预轧制成厚度为0.25mm、0.5mm的焊片，剪裁出目标的尺寸，经酒精超声清洗、稀盐酸清洗、酒精超声清洗、干燥后；在高温层两侧放置一片低温层，形成三明治结构，放入轧机多次同向轧制，制得厚度0.25mm的复合焊片（图11）；
采用同步热分析仪检测复合焊片的一次回流固相线温度为：119.4℃，如图12所示；
将复合焊片冲裁成直径为1.50mm的圆薄片，涂敷助焊剂在薄片上，将其置于两片薄铜片中间并回流形成焊点，回流峰值温度165℃。
实施例5：本低温复合焊料合金焊片包括57.07%高温层、42.93%低温层，高温层两侧分别设置一层的低温层，其中高温层焊材为Sn-0.7Cu合金，固相线温度为229.3℃，低温层焊材为Sn-52In共晶合金，固相线温度为120.5℃；
上述低温复合焊料合金焊片的制备如下：分别将Sn-0.7Cu合金、Sn-52In共晶合金预轧制成厚度为0.175的焊片，剪裁出目标的尺寸，经酒精超声清洗、稀盐酸清洗、酒精超声清洗、干燥后；在高温层两侧放置一片低温层，形成三明治结构，放入轧机多次同向轧制，制得厚度0.15mm的复合焊片（图13）；
采用同步热分析仪检测复合焊片的一次回流固相线温度为：118.4℃，如图14所示；
将复合焊片冲裁成直径为1.50mm的圆薄片，涂敷助焊剂在薄片上，将其置于薄铜片上并回流形成焊点，回流峰值温度170℃；采用Sn-52In焊片回流形成焊点作为对照，图15显示复合焊片/Cu以及Sn-52In/Cu焊点的剪切断口形貌；由图可以看出，复合焊片形成的焊点断口的韧窝大而深，Sn-52In焊点的的断口则浅而小，因此复合焊片的塑性较好，其剪切强度也大为提高，一次回流后其强度相比Sn-52In/Cu焊点得到提升。
实施例6：本低温复合焊料合金焊片包括60.11%高温层、39.89%低温层，高温层两侧分别设置一层的低温层，其中高温层焊材为Sn-3.0Ag-0.5Cu合金，固相线温度为217.0℃，低温层焊材为Sn-58Bi共晶合金，固相线温度为137.4℃；
上述低温复合焊料合金焊片的制备如下：将高温层的焊材预轧制成厚度1mm的焊片，并将焊片剪裁出目标的尺寸，经酒精超声清洗、稀盐酸清洗、酒精超声清洗、干燥后；将低温层的焊材熔化，并将熔体温度保持在高于合金固相线温度20℃以上，并高温层焊片浸入金属熔体中10s后，迅速提出冷却；热浸镀后的焊片放入轧机多次同向轧制，制得厚度0.25mm的复合焊片（图16）；
采用同步热分析仪检测复合焊片的一次回流固相线温度为：139.9℃，如图17所示；
将复合焊片冲裁成直径为2.00mm的圆薄片，涂敷助焊剂在薄片上，将其置于薄铜片上并回流形成焊点，回流峰值温度195℃；采用Sn-58Bi焊片形成焊点作为对照，图18分别为本实施例复合焊片、Sn-58Bi焊片与焊盘经过回流后形成的焊点结构图；对比（c）、（d）图发现复合焊片回流形成的焊点相对于Sn58Bi共晶合金焊片形成的焊点在界面处白色富铋相明显减少且更细小，无大量铋在界面上聚集，避免形成连续铋层脆性相，焊点抵抗热载荷的能力得到提升。
表1复合焊片的制备及焊点形成方法情况实施例统计表
Claims (4)
1.一种低温复合焊料合金焊片，其特征在于：包括高温层、低温层，高温层两侧分别设置一层以上的低温层，其中高温层的固相线温度为175~229.3℃，低温层的固相线温度为60~160℃；焊片形成焊点过程中，回流峰值温度低于220℃；
高温层的焊材为共晶焊材，选自Sn-0.7Cu合金或Sn-3Ag-0.5Cu合金；
低温层的焊材为Sn-In合金或Sn-Bi合金；
高温层的体积百分比为24% ~76%，低温层的体积百分比为76%~24%。
2.权利要求1所述的低温复合焊料合金焊片的制备方法，其特征在于：分别将高温层的焊材、低温层的焊材预轧制成厚度0.05mm~2mm的焊片，经酒精超声清洗、稀盐酸清洗、酒精超声清洗、干燥后；在高温层两侧放置一片以上的低温层，形成三层以上结构，放入轧机多次同向轧制，制得厚度0.05mm~1.0mm的复合焊片。
3.权利要求1所述的低温复合焊料合金焊片的制备方法，其特征在于：将高温层的焊材预轧制成厚度0.1mm~2mm的焊片，并将焊片剪裁出目标的尺寸，经酒精超声清洗、稀盐酸清洗、酒精超声清洗、干燥后；将低温层的焊材熔化，并将熔体温度保持在高于合金固相线温度5℃以上，并将高温层片体浸入低温层金属熔体中5~20s后，迅速提出冷却；热浸镀后的焊片放入轧机多次同向轧制，制得厚度0.05mm~1.5mm的复合焊片。
4.权利要求1所述的低温复合焊料合金焊片的使用方法，其特征在于：低温复合焊料合金焊片与焊接基材焊接时，在低温复合焊料合金焊片上涂敷助焊剂，将其置于一片铜片上或两片薄铜片中间并回流形成焊点，回流峰值温度不大于220℃。
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