CN112775580A - 焊料、基板组件及其装配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种焊料，包括：按重量计90％至99.99％之间的量的第一合金粉末，其包括固相线温度在170摄氏度和250摄氏度之间的第一合金，所述第一合金包括锡或锡合金；按重量计0.01％至10％之间的量的第二合金粉末，其包括固相线温度高于250摄氏度的第二合金，所述第二合金包括铋或者铋合金。还提供了一种基板组件，包括：基板；及经由前述的焊料形成的焊接部而耦合到所述基板的电子部件，所述焊接部包括分布在所述基板和所述电子部件之间的由所述第二合金构成的若干个间隔元件。该基板组件具有良好的焊接稳定性和可靠性。

Description

焊料、基板组件及其装配方法
技术领域
本发明涉及电子和半导体技术领域。尤其涉及用于连接基板和电子部件的焊料、由该焊料形成的基板组件以及基板组件的装配方法。
背景技术
在电子部件和基板之间的焊料中加入间隔元件(Spacer)是在焊接工艺期间保持电子部件和基板之间距离的有效措施，间隔元件可以阻止焊接时焊料可能产生的崩塌，从而阻止了电子部件沉向基板并保持电子部件和基板之间的距离。电子部件和基板之间距离的减少会导致焊料疲劳寿命的衰减以及在电子部件下方的环氧树脂流动，这在实现环氧树脂包封的时候可能引起可靠性问题。
与此同时，在焊接工艺期间，间隔元件和焊料之间可能会形成界面金属共化物(Intermetallic Compound,IMC)，由累积的界面金属共化物产生的应力集中则会降低焊接的强度。此外，间隔元件和焊料之间形成的界面金属共化物与间隔元件和基板之间形成的界面金属共化物分别各自累积从而可能影响彼此，从而降低焊接质量。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足之处，本发明的技术方案解决了现有技术中加入间隔元件的焊料的焊接质量低下的问题。
在本发明一些实施方式中，提供了一种焊料，其包括：按重量计 90％至99.99％之间的量的第一合金粉末，其包括固相线温度在170摄氏度和250摄氏度之间的第一合金，所述第一合金包括锡或锡合金；按重量计0.01％至10％之间的量的第二合金粉末，其包括固相线温度高于250 摄氏度的第二合金，所述第二合金包括铋或者铋合金。
进一步地，所述第二合金包括银铋合金，所述银铋合金中包括按重量计不超过20％的量的银。
进一步地，所述第二合金粉末的粒径大于等于10微米并且小于等于200微米。
进一步地，所述第二合金粉末为球形。
进一步地，其包括按照重量计88％至92％的第一合金粉末和第二合金粉末的混合物，以及按重量计8％至12％的助焊剂。
根据本发明的一些实施方式，还提供了一种基板组件，包括：基板；以及经由前述中任意一项所述的焊料形成的焊接部而耦合到所述基板的电子部件，所述焊接部包括分布在所述基板和所述电子部件之间的由所述第二合金构成的若干个间隔元件。
进一步地，所述间隔元件呈球形，所述间隔元件的直径大于等于 10微米并且小于等于200微米。
进一步地，所述间隔元件的熔点高于所述焊料的熔点。
进一步地，所述间隔元件的熔点高于250摄氏度。
根据本发明的一些实施方式，还提供了一种将电子部件装配到基板的方法，包括：将模板设置于在所述基板的表面上，所述基板的表面包括至少一个焊盘，所述模板具有在所述基板的焊盘上方的开口；将前述中任意一项所述的焊料添加在所述开口内；移除所述模板；将所述电子部件的接触部定位在所述焊料上；以及，加热到240摄氏度至250摄氏度使焊料回流以耦合所述接触部和所述焊盘，其中，所述第二合金在焊料回流期间保持固态并且维持所述电子部件与所述基板之间的距离。
进一步地，所述距离在10至200微米之间。
由以上可以看出，本发明的技术方案所提供的间隔元件在焊接工艺期间依然能保持固态，并且不会与焊料和/或基板之间反应形成界面金属共化物。由此使得电子部件和基板之间实现稳固的焊接，提高了焊接质量。
附图说明
本发明的特征、特点、优点和益处通过以下结合附图的详细描述将变得显而易见。
图1显示一个具体实施方式的基板组件的示意图。
图2显示一个具体实施方式的形成基板组件的方法流程示意图。
图3显示一个具体实施方式的银-铋的二元相图。
图4显示一个具体实施方式的锡-铋的二元相图。
图5显示一个具体实施方式的铋-铜的二元相图。
具体实施方式
下面，结合附图详细描述本发明的一些具体实施方式。
本文公开了与用于在焊接工艺期间维持基板和组件之间距离的间隔元件相关的焊料和装置。在具体实施方式中，基板组件包括基板和组件，组件可以经由焊接部(SolderJoint)被耦合到基板。其中，焊接部可以包括间隔元件，间隔元件用于在焊接工艺期间保持基板与组件之间的距离。
请参考图1，图中示出了根据本发明一个实施方式的基板组件100，基板组件100包括基板102，基板102可以包括对本领域普通技术人员来说已知的任何可以为组件提供安装平台的部件。例如部件可以包括引线或引脚、芯片安装板、引线框、衬底、功率电子衬底、印刷电路板、载体或芯片载体、半导体封装等中的至少一种。具体地，基板102包括介电材料与位于介电材料内的一个或多个导电元件，所述导电元件被用于通过基板 102传导电信号。基板102包括位于基板102的表面106上的一个或多个焊盘104，焊盘104可以被耦合到基板102内的导电元件中的一个或多个，并且可以允许电信号在焊盘104与焊盘104所耦合到的导电元件之间传递。
基板组件100还包括位于与表面106相邻处的电子部件108，电子部件108可以包括任何电子元器件，电子元器件包括无源电子部件、有源电子部件、半导体管芯、半导体封装结构、传感器等中的至少一种。例如，无源电子部件可以包括电阻器、电容器、电感器等中的至少一种；有源电子部件可以包括二极管、晶体管、集成电路、光电子器件等中的至少一种；半导体管芯包括集成电路、无源电子部件、有源电子部件、微机电结构等。集成电路例如为逻辑集成电路、模拟集成电路、混合信号集成电路、功率集成电路等。电子部件108还包括一个或多个焊盘110。焊盘110可以位于电子部件108的表面112处或延伸到电子部件108的表面112，其中，表面112设置为面向基板102。焊盘110可以被耦合到电子部件108内的一个或多个元件(诸如管芯)，并且可以允许电信号在焊盘110与元件之间传递。
基板组件100还包括一个或多个焊接部114，焊接部114将基板 102的焊盘104耦合到组件108的焊盘110。焊接部114由焊料116形成。焊料116可以是包括基于铅的焊料、无铅焊料、银合金焊料其中之一或者各种组合。在一些实施方式中，焊料116可以包括锡、银、铜、铅、氢、氧、氮、或者各种组合。本实施方式中，焊料116包括第一合金粉末和第二合金粉末，其中，第一合金粉末包括固相线温度在200摄氏度到250摄氏度之间的第一合金，第二合金粉末包括固相线温度高于250摄氏度的第二合金。具体地，第一合金包括锡或者锡合金，第二合金包括铋或者铋合金。
焊接部114还包括一个或多个间隔元件118。间隔元件118可以由第二合金粉末构成。间隔元件118可以是包括一个或多个具有任意的形式或形状的元件，间隔元件118的粒径可以在约10微米至约200微米的范围内。例如，间隔元件118可以至少部分地具有圆形式，即球形、椭圆形、水滴形等。在本实施方式中，间隔元件118是呈球形，间隔元件118的直径可以在约10微米至约200微米的范围内。此外，嵌入焊料116中的间隔元件118可以全部具有基本相似的尺寸。例如，嵌入焊料116中的所有的球形间隔元件118可以具有处于上述范围之一中的相似直径。
间隔元件118被散布地嵌入在焊料116内。间隔元件118可以包括具有比第一合金粉末更高熔点的材料。例如，第一合金粉末可以包括具有在170摄氏度与250摄氏度之间的熔点的材料，而间隔元件118可以包括具有比250摄氏度更高的熔点的材料。比如，第一合金粉末为具有183 摄氏度的熔点的锡铅合金、或者为具有240至250摄氏度的熔点的锡锑合金。而间隔元件118包括具有比250摄氏度更高的熔点的材料。此外，间隔元件118可以由具有比第一合金粉末的熔点更高熔点的金属、聚合物中的至少一种制成。本实施方式中，包括金属或由金属制成的间隔元件118 包括例如铜、银、镍、铝、铋及其合金中的至少一种或其各种组合。具体地，间隔元件118由铋或者铋合金形成，例如间隔元件118为熔点在262 摄氏度的银铋合金。包括金属或由金属制成的间隔元件118可以增加焊料的导热性和/或导电性，例如，通过嵌入由铜及其合金制成的间隔元件 118可以增加焊料116的传导性；通过嵌入由铋及其合金制成的间隔元件 118可以增加焊料116的焊接稳定性。与包括金属或由金属制成的间隔元件相比，包括聚合物或由聚合物制成的间隔元件118可以提供良好的可压缩性。此外，在一些实施方式中，包括聚合物或由聚合物制成的间隔元件还可以具有可以增加间隔元件的传导性的金属涂层。诸如锡涂层。
间隔元件118用于在焊接工艺期间保持电子部件108与基板102 之间所期望的最小距离。因此，间隔元件118具有与所期望的最小距离相等的粒径，例如：直径、长度、宽度和/或高度。本实施方式中，间隔元件118是球形，间隔元件118因此可以具有与所期望的最小距离相等的直径。在本实施方式中，间隔元件118的直径可以在约10微米至约200微米的范围内，更具体地在约10微米至约150微米的范围内，更具体地在约10微米至约100微米的范围内，更具体地在约10微米至约60微米的范围内，更具体地在约10微米至约40微米的范围内，更具体地在约10 微米至约30微米的范围内。
间隔元件118维持电子部件108与基板102之间的所期望的最小距离可以提供更好的焊料116疲劳寿命以及在电子部件108下方的更好的环氧树脂流动性。此外，维持所期望的最小距离的间隔元件118还能够在电子部件108和基板102之间提供足够的间隔，以清除在焊接工艺期间在电子部件108与基板102之间可能形成的任何焊料的桥接(Solderbridges)或焊料球(Solder balls)。
参考图2，图2示出了用于形成基板组件100的方法200，本实施方式中，基板102是由包括铜的材料制成的印刷电路板。方法200包括步骤202至208，具体地，在放置模板步骤202，模板(Stencil)首先被定位在基板102的表面106上。模板可以具有一个或多个开口，所述开口用于在模板被定位在基板102的表面106上的时候使得基板102的一部分被暴露。模板可以被布置成所述开口位于与基板102的焊盘104相邻处。然后继续进行到施加焊料步骤204。
在施加焊料步骤204，焊料116被施加到基板102的表面106。具体地，可以在放置模板步骤202的模板仍定位在基板102的表面106上时将焊料116施加到基板102的表面106，其中，焊料116被施加到被模板的开口所暴露的表面106的部分，被模板的开口暴露的表面106可以包括基板102的焊盘104，这可以使得焊料116被施加到基板102的焊盘104 上。焊料116当被施加到表面106的时候可以填充或部分地填充模板的开口。
焊料116可以包括一个或多个间隔元件118。包含一个或多个间隔元件118的焊料116可以在焊料116被施加到基板102的表面106之前已经被组合。具体地，焊料116包括第一合金粉末和第二合金粉末，间隔元件118由第二合金粉末构成。第一合金粉末可以是包括基于铅的焊料、无铅焊料、银合金焊料其中之一或者各种组合。具体地，第一合金粉末可以包括锡、银、铜、铅、氢、氧、氮、或者各种组合。本实施方式中，第一合金粉末包括固相线温度在200摄氏度到250摄氏度之间的第一合金，第二合金粉末包括固相线温度高于250摄氏度的第二合金。更具体地，第一合金粉末包括锡或者锡合金，第二合金粉末包括铋或者铋合金。更具体地，焊料116包括按重量计90％至99.99％之间的量的第一合金粉末，以及按重量计0.01％至10％之间的量的第二合金粉末。更具体地，第一合金为Sn- Ag-Cu(SAC305)无铅焊料合金，第二合金包括银铋合金，银铋合金包括按重量计不超过20％的量的银。焊料116还可以包括一定重量的助焊剂，例如按重量计8％至12％的助焊剂，其余为第一合金粉末和第二合金粉末的混合物。在一些实施方式中，焊料116包括按重量计9％的助焊剂，在一些实施方式中，焊料116包括按重量计10％的助焊剂，以及在一些实施方式中，焊料116包括按重量计10％的助焊剂。焊料116为膏状焊料，焊料116被施加到基板102的表面106时可以维持间隔元件118的定位。在已经将焊料116施加到基板102的表面106之后，可以移除模板。然后继续进行到放置电子部件步骤206。
在放置电子部件步骤206，电子部件108可以被定位在基板102上。特别地，电子部件108可以利用焊盘110而被定位在基板102的表面106 上，焊盘110可以位于焊料116上。例如，焊盘110可以位于在施加焊料步骤204中所施加的焊料116上，然后继续进行到执行焊接回流步骤208。
在执行焊接回流步骤208，可以对在放置电子部件步骤206中形成的基板102和电子部件108执行焊接回流工艺(Reflow)，焊接回流工艺可以包括将基板102和电子部件108加热到240摄氏度至255摄氏度之间的一温度，例如，基板102和电子部件108被加热到243摄氏度、245摄氏度、248摄氏度或250摄氏度。该温度在焊料116的第一合金粉末的熔点之上，但是在间隔元件118的熔点之下。例如，当间隔元件118包括银铋合金时，参考图3，银铋合金的二元相图显示了银铋的固相线和液相线，其中银铋合金具有262摄氏度的熔点，高于包括SAC305的焊料116的熔点(217摄氏度)。在执行加热之后焊料116可以被冷却，从而使得焊料116凝固(Solidify)形成焊接部114。
在焊接回流工艺期间，由第二合金构成的间隔元件118保持固态。焊接部114包括第一合金粉末和间隔元件118。具体地，当焊料116的第一合金粉末熔化时，由于重力使得间隔元件118可以向下朝向焊盘104移动，从而导致间隔元件118沿着焊盘104被布置开。在焊接回流工艺期间，间隔元件118一直保持固态，所以间隔器元件118可维持电子部件108与基板102之间所期望的最小距离。同时，焊料116的第一合金粉末在焊接回流工艺期间可流动以接触电子部件108的焊盘110与基板102的焊盘 104，并且当焊接回流工艺结束时，第一合金粉末凝固从而可以耦合焊盘 110和焊盘104。参考图4，锡铋合金的二元相图显示了当焊接回流工艺结束时，包含锡或锡合金的焊料116的第一合金粉末和间隔元件118在锡铋界面处没有形成界面金属共化物，因此不会在锡铋的界面处产生应力集中的情况。再参考图5，铜铋合金的二元相图显示了包含铜的基板102和间隔元件118在铜铋界面之间也没有形成界面金属共化物，也不会在铜铋的界面处产生应力集中，从而提高了焊接的可靠性。
以上方法200仅仅是形成基板组件100的示例性描述，本领域技术人员应当知晓，还可以通过以上所述不同步骤的组合来实现形成基板组件100，例如可以先在基板102的表面106上施加焊料116的第一合金粉末，随后将一个或者多个由第二合金粉末构成的间隔元件118施加在第一合金粉末的顶部。可选地，间隔元件118被施加在焊料116的第一合金粉末顶部之前，可以通过回流(热处理)对焊料116的第一合金粉末进行预处理，焊料116的第一合金粉末还可以被电镀/无电镀或者气相沉积，从而维持焊料116的定位。
由此可见，与现有技术相比，本发明的实施方式提供的间隔元件在焊接工艺期间依然能保持固态，并且不会与焊料和/或基板之间反应形成界面金属共化物。由此使得电子部件和基板之间实现稳固的焊接。

Claims (11)

1.一种焊料，其特征在于，其包括：
按重量计90％至99.99％之间的量的第一合金粉末，其包括固相线温度在170摄氏度和250摄氏度之间的第一合金，所述第一合金包括锡或锡合金；
按重量计0.01％至10％之间的量的第二合金粉末，其包括固相线温度高于250摄氏度的第二合金，所述第二合金包括铋或者铋合金。
2.根据权利要求1所述的焊料，其特征在于，所述第二合金包括银铋合金，所述银铋合金中包括按重量计不超过20％的量的银。
3.根据权利要求1所述的焊料，其特征在于，所述第二合金粉末的粒径大于等于10微米并且小于等于200微米。
4.根据权利要求1所述的焊料，其特征在于，所述第二合金粉末为球形。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的焊料，其特征在于，其包括按照重量计88％至92％的第一合金粉末和第二合金粉末的混合物，以及按重量计8％至12％的助焊剂。
6.一种基板组件，其特征在于，包括：
基板；以及经由权利要求1至5中任意一项所述的焊料形成的焊接部而耦合到所述基板的电子部件，所述焊接部包括分布在所述基板和所述电子部件之间的由所述第二合金构成的若干个间隔元件。
7.根据权利要求6所述的基板组件，其特征在于，所述间隔元件呈球形，所述间隔元件的直径大于等于10微米并且小于等于200微米。
8.根据权利要求6或7所述的基板组件，其特征在于，所述间隔元件的熔点高于所述焊料的熔点。
9.根据权利要求6或7所述的基板组件，其特征在于，所述间隔元件的熔点高于250摄氏度。
10.一种将电子部件装配到基板的方法，其特征在于，包括：
放置模板步骤202：将模板设置于在所述基板的表面上，所述基板的表面包括至少一个焊盘，所述模板具有在所述基板的焊盘上方的开口；施加焊料步骤204：将权利要求1至4中任意一项所述的焊料添加在所述开口内并且移除所述模板；
放置电子部件步骤206：将所述电子部件的接触部定位在所述焊料上；以及，
执行焊接回流步骤208：加热到240摄氏度至255摄氏度使焊料回流以耦合所述接触部和所述焊盘，其中，所述第二合金在焊料回流期间保持固态并且维持所述电子部件与所述基板之间的距离。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述距离在10至200微米之间。
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