CN115302123A - 可低温焊接的高可靠性复合钎料片、制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可低温焊接的高可靠性复合钎料片、制备方法及其应用，属于电子元器件的焊接材料技术领域。本复合钎料片由Sn基钎料片和Sn‑Bi共晶钎料片交错有序叠放后经低温压延使其合金化制作而成，是首次将该制备方法应用于改善钎料内部元素分布及调控钎料熔点。本复合钎料片可以通过调节Sn和Sn‑Bi共晶钎料片的厚度和层数来控制复合钎料中的含量，进而控制复合钎料的熔点在170‑210℃，可以冲裁成各种规格的预成型焊片，同时可以在焊接过程中抑制Bi偏析粗化，极大的改善Sn‑Bi钎料的脆性问题，提高焊接的可靠性。相比传统的熔铸法制备的合金钎料，该方法工艺简单，成本低而且易于操作。
Description
技术领域
本发明属于电子元器件的焊接材料技术领域，涉及一种可低温焊接的高可靠性复合钎料片、制备方法及其应用，本发明首次将该制备方法应用于改善钎料内部元素分布及调控钎料熔点中。
背景技术
3D封装由于具有高性能、小尺寸、异构集成等特点，是扩展摩尔定律的一个很有前途的方向，电子封装技术也越来越受到重视。在封装的回流焊中，钎料被用来实施组装元器件的引线或者断点与印制板上的焊盘连接。形成的焊点承担着导电，导热和机械连接作用，其连接的可靠性将强烈影响着电子元器件的使用性能。
出于对环境保护和人体健康的考虑，含Pb钎料被禁止使用。目前，Sn基钎料，如Sn-Ag，Sn-Cu，Sn-Ag-Cu钎料，由于出色的润湿性，力学性能，热性能被广泛使用，被认为是最有希望替代含Pb钎料的选择之一。但是在实际的生产过程中，Sn基钎料具有较高的熔点，回流温度一般为230～300℃，芯片和基板之间由于热膨胀系数不同而导致热翘曲以及热应力的产生。一般认为可以通过降低回流温度来抑制热翘曲的产生，但是目前所有的Sn基钎料都不能在低温下进行回流。
基于此，Sn-58Bi共晶钎料具有较低的熔点(139℃)和较低的生产成本而受到研究者的关注，但是由于Bi属于硬脆相，在回流过程中会发生Bi的偏析粗化(F.Wang,Y.Huang,Z.Zhang,C.Yan,Interfacial reaction and mechanical properties of Sn-Bi solderjoints,Materials.
2017,10)，降低了钎料的延展性能和力学性能，严重影响了焊点的可靠性。
针对以上在实际生产过程中焊点的可靠性问题，急需要一种可以兼顾低温回流和力学性能的新型钎料。
发明内容
为了实现上述目的，本发明提供了一种可低温焊接的高可靠性复合钎料片，其为熔点在160-210℃而且具有高可靠性的Sn-Bi复合钎料片，可以冲裁成各种规格的预成型焊片，同时该复合钎料片可以在焊接过程中抑制Bi偏析，提高焊接的可靠性。本发明还提供了该复合钎料片的制备方法及应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种可低温焊接的高可靠性复合钎料片的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
步骤1，使用轧机将Sn基钎料片和Sn-Bi共晶钎料块分别轧制成厚度为10-500μm的钎料片，然后清洗，去除其表面污染物，杂质等附着物。
步骤2，将所得的Sn基钎料片和Sn-Bi共晶钎料片裁剪成相同尺寸。
步骤3，将步骤2中获得的钎料片按照Sn/Sn-Bi/Sn/Sn-Bi…Sn/Sn-Bi的结构方式进行交错有序叠放，形成叠放层数为2-10层的叠层结构，其中，Sn基钎料片和Sn-Bi共晶钎料片的层数可以相同，也可以不同。
步骤4，将步骤3中获得的叠层结构置于两片陶瓷之间，然后整体置于高精度数显加热台上，利用标准砝码对其施加压力，保压1-5分钟，使Sn钎料和Sn-Bi共晶钎料复合，其中，加热台的温度范围为145-200℃，砝码压力为0.2-1N；在该温度范围和压力下，Sn-Bi共晶钎料会完全熔化，Sn基钎料在其界面处会部分熔化，Sn-Bi共晶钎料中的Bi原子会向Sn基钎料中扩散。
步骤5，将上述叠层结构在空气中冷却至室温，获得Sn/Sn-Bi复合钎料。
进一步的，所述的步骤1中，所述的Sn-Bi共晶钎料块为如下钎料中的一种：
①Sn-xBi钎料，x为Bi的质量百分比，在50-70％；②Sn-xBi-yAg钎料，x为Bi的质量百分比，在50-70％；y为Ag的质量百分比，在0.1-5％。
进一步的，所述步骤1中，所述的Sn基钎料片，为如下钎料中的一种：
①纯Sn钎料；②Sn-xCu钎料，x为Cu的质量百分比，在0-3％；③Sn-xAg钎料，x为Ag的质量百分比，在0-5％；④Sn-xAg-yCu钎料，x为Ag的质量百分比，在0-3％，y为Cu的质量百分比，在0-5％；⑤Sn-xZn钎料，x为Zn的质量百分比，在0-12％。
一种可低温焊接的高可靠性复合钎料片，采用上述制备方法制得可低温焊接的高可靠性复合钎料片，其是由Sn基钎料片和Sn-Bi共晶钎料片交错有序叠放后经低温压延使其合金化制作而成。
一种可低温焊接的高可靠性复合钎料片的应用，作为焊接材料应用于电子元器件技术领域。
本发明的有益效果：
本发明所提供的Sn/Sn-Bi复合钎料可以通过调节Sn和Sn-Bi共晶钎料片的厚度和层数来控制复合钎料中的含量，进而控制复合钎料的熔点在170-210℃。相比传统的熔铸法制备的合金钎料，该方法工艺简单，成本低而且易于操作。不仅如此，本方法有效的解决了传统熔铸法获得的Sn-Bi钎料在回流过程中Bi偏析粗化的问题，可以极大的改善Sn-Bi钎料的脆性问题，且钎焊接头具备更佳的力学性能。
附图说明
图1为可低温焊接的高可靠性复合钎料片的结构示意图。
具体实施方式
为使本分明实施例的目的，技术方案和优点更加清楚，下面结合附图及示例对本发明作进一步详细描述。显然所描述的本发明的实施例是本发明的一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
需要说明的是本发明使用的钎料片均为市售的钎料片。
实施例1：
一种可低温焊接的高可靠性复合钎料片的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，将厚度均为50μm的Sn-0.5Cu钎料片和Sn-58Bi钎料块用酒精在超声清洗机中清洗10s,洗净表面的污染物，用冷风吹干备用。
步骤2，将裁剪成相同尺寸的一层Sn-0.5Cu钎料片和一层Sn-58Bi钎料片交错叠放，形成叠放层数为2层的叠层结构。
步骤3，将该叠层结构置于两块陶瓷之间，然后放在145℃的高精度数显加热台上，在0.5N的压力下保持1分钟，然后在空气中冷却获得Sn-0.5Cu/Sn-58Bi复合钎料片。
在相同的钎焊条件下，对比分析本发明的Sn-0.5Cu/Sn-58Bi复合钎料片和传统熔铸法获得的Sn-58Bi钎料片在Cu上回流时界面的化合物相的分布，即将两种钎料片放在Cu基板上在175℃下回流120s。
从结果可知，本方法制备的Sn-0.5Cu/Sn-58Bi复合钎料片在175℃时与Cu基板的界面处生成了一层均匀的金属间化合物Cu6Sn5，表明Sn-0.5Cu/Sn-58Bi复合钎料片具有很好的低温可焊性。同时发现，Bi相在钎料中呈细小颗粒状均匀分布，没有出现Bi相大面积的聚集，表明本发明制备的Sn-0.5Cu/Sn-58Bi复合钎料片有效的细化了Bi晶粒，抑制Bi相在回流过程中的偏析，对提高其可靠性具有重要意义。
实施例2：
一种可低温焊接的高可靠性复合钎料片的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，将厚度为10μm的Sn钎料片和厚度为500μm的Sn-58Bi钎料块用酒精在超声清洗机中清洗10s,洗净表面的污染物，用冷风吹干备用。
步骤2，将裁剪成相同尺寸的3层Sn钎料片和4层Sn-58Bi钎料片交错叠放，形成叠放层数为7层的叠层结构。
步骤3，将该叠层结构置于两块陶瓷之间，然后放在200℃的高精度数显加热台上，在0.2N的压力下保持2.5分钟，然后在空气中冷却获得Sn/Sn-58Bi复合钎料片，如图1所示为该复合钎料片的结构示意图。
在相同的钎焊条件下，对比分析本发明的Sn/Sn-58Bi复合钎料片和传统熔铸法获得Sn-58Bi钎料片在Cu上回流时界面的化合物相的分布，即将两种钎料片放在Cu基板上分别进行四次回流，每次回流的回流温度为200℃，回流时间为120s。
从结果可知Sn/Sn-58Bi钎料在200℃下具有很好的可焊性，实现了低温焊接的效果。同时对比两种焊点中Bi相的分布，发现对于Sn-58Bi/Cu焊点来说，Bi相发生了粗化和偏析，呈现组织粗大的伞状，而对于Sn/Sn-58Bi/Cu焊点,Bi相在回流过程中一直呈细小颗粒状均匀分布，没有出现Bi相大面积的聚集，表明本发明中的Sn/Sn-58Bi复合钎料在多次回流过程中也可以有效细化Bi晶粒，抑制Bi相的偏析，这对提高焊点的可靠性具有重要意义。
在同样的实验条件下对两种钎料接头进行剪切实验，即使用两种钎料分别制作了Cu/Sn/Sn-58Bi/Cu接头和Cu/Sn-58Bi/Cu接头，使用剪切推球机对其剪切实验，剪切高度为200μm,剪切速度为50μm/s。
结果表明传统熔铸法获得钎料片制作得Cu/Sn-58Bi/Cu接头的平均剪切强度为40MPa,而本发明的复合钎料片制作的Cu/Sn/Sn-58Bi/Cu接头的平均剪切强度为55MPa,表明本发明所述的复合钎料片制作的钎焊接头有更好的力学性能。
实施例3：
一种可低温焊接的高可靠性复合钎料片的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，将厚度为500μm的Sn-3Ag-0.5Cu钎料片和厚度为10μm的Sn-58Bi钎料块用酒精在超声清洗机中清洗10s,洗净表面的污染物，用冷风吹干备用。
步骤2，将裁剪成相同尺寸的5层Sn-3Ag-0.5Cu钎料片和5层Sn-58Bi钎料片交错叠放，形成叠放层数为10层的叠层结构。
步骤3，将该叠层结构置于两块陶瓷之间，然后放在170℃的高精度数显加热台上，在1N的压力下保持5分钟，然后在空气中冷却获得Sn-3Ag-0.5Cu/Sn-58Bi复合钎料片。
在相同的钎焊条件下，对比分析本发明的Sn-3Ag-0.5Cu/Sn-58Bi复合钎料片和传统熔铸法获得Sn-58Bi钎料片在Cu上回流时界面的化合物相的分布，即将两种钎料片放在Cu基板上在210℃下回流120s。
从结果可知Sn-3Ag-0.5Cu/Sn-58Bi/Cu界面处Bi分布比Sn58Bi/Cu界面上Bi的分布更加均匀细小。表明本发明制备的Sn-3Ag-0.5Cu/Sn-58Bi复合钎料片有效的细化了Bi晶粒，抑制Bi相在回流过程中的偏析，对提高其可靠性具有重要意义。
实施例4：
一种可低温焊接的高可靠性复合钎料片的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，将厚度均为50μm的Sn-0.5Zn钎料片和Sn-55Bi-3Ag钎料块用酒精在超声清洗机中清洗10s,洗净表面的污染物，用冷风吹干备用。
步骤2，将裁剪成相同尺寸的一层Sn-0.5Zn钎料片和一层Sn-55Bi-3Ag钎料片交错叠放，形成叠放层数为2层的叠层结构。
步骤3，将该叠层结构置于两块陶瓷之间，然后放在145℃的高精度数显加热台上，在0.5N的压力下保持1分钟，然后在空气中冷却获得Sn-0.5Zn/Sn-55Bi-3Ag复合钎料片。
在相同的钎焊条件下，对比分析本发明的Sn-0.5Zn/Sn-55Bi-3Ag复合钎料片和传统熔铸法获得的Sn-58Bi钎料片在Cu上回流时界面的化合物相的分布，即将两种钎料片放在Cu基板上在175℃下回流120s。
从结果可知Sn-0.5Zn/Sn-55Bi-3Ag/Cu界面处Bi分布比Sn58Bi/Cu界面上Bi的分布更加均匀细小。表明本发明制备的Sn-0.5Zn/Sn-55Bi-3Ag复合钎料片有效的细化了Bi晶粒，抑制Bi相在回流过程中的偏析，对提高其可靠性具有重要意义。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种可低温焊接的高可靠性复合钎料片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将Sn基钎料片和Sn-Bi共晶钎料块分别轧制成厚度为10-500μm的钎料片，清洗去除其表面附着物；
步骤2，将所得的Sn基钎料片和Sn-Bi共晶钎料片裁剪成相同尺寸；
步骤3，将步骤2中获得的钎料片按照Sn/Sn-Bi/Sn/Sn-Bi…Sn/Sn-Bi的结构方式进行交错有序叠放，形成叠放层数为2-10层的叠层结构；
步骤4，将步骤3中获得的叠层结构置于两片陶瓷之间，然后整体置于高精度数显加热台上，利用标准砝码对其施加压力，保压1-5分钟，使Sn钎料和Sn-Bi共晶钎料复合，其中，加热台的温度范围为145-200℃，砝码压力为0.2-1N；
步骤5，将上述叠层结构在空气中冷却至室温，获得Sn/Sn-Bi复合钎料。
2.根据权利要求1所述的一种可低温焊接的高可靠性复合钎料片的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，所述的Sn-Bi共晶钎料块为如下钎料中的一种：
①Sn-xBi钎料，x为Bi的质量百分比，在50-70％；②Sn-xBi-yAg钎料，x为Bi的质量百分比，在50-70％；y为Ag的质量百分比，在0.1-5％。
3.根据权利要求1所述的一种可低温焊接的高可靠性复合钎料片的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，所述的Sn基钎料片，为如下钎料中的一种：
①纯Sn钎料；②Sn-xCu钎料，x为Cu的质量百分比，在0-3％；③Sn-xAg钎料，x为Ag的质量百分比，在0-5％；④Sn-xAg-yCu钎料，x为Ag的质量百分比，在0-3％，y为Cu的质量百分比，在0-5％；⑤Sn-xZn钎料，x为Zn的质量百分比，在0-12％。
4.一种可低温焊接的高可靠性复合钎料片，其特征在于，高可靠性复合钎料片是由权利要求1-3任一所述的制备方法制备得到的。
5.一种权利要求4所述的可低温焊接的高可靠性复合钎料片的应用，其特征在于，作为焊接材料应用于电子元器件技术领域。
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