CN115338500A - 一种预制焊料封装组件的制备方法 - Google Patents

一种预制焊料封装组件的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电子器件制备的技术领域，尤其涉及一种预制焊料封装组件的制备方法，包括如下步骤：S1、对封装组件进行金属化；S2、制备焊料浆料；S3、将焊料浆料以丝网印刷的方式涂布在封装组件上；S4、烘干、烧结后切割。在本发明中，通过液态焊料浆料与镀层接触后低温烧结的工序，使焊料层与镀层贴合紧密，与现有技术将焊片放置在镀层上，上面放置重物进行回流焊相比，焊接界面不易出现孔洞导致虚焊。

Description

一种预制焊料封装组件的制备方法
技术领域
本发明涉及电子器件制备的技术领域，尤其涉及一种预制焊料封装组件的制备方法。
背景技术
在各种电子器件中，其中所使用的盖板，容器或者基板，可合并简称为封装组件。
封装组件则常用在电子封装上，一般主要应用于芯片粘接或者气密性封装上，多采用传统钎焊工艺，即一般芯片粘接或者管壳气密性封装焊接时，都是采用上下待焊接面中间组装一个预成型金锡焊片的三明治结构，焊片和上下组件的定位都需要相应的夹具来保证，然后在真空或者氮氢混合保护气氛中进行回流钎焊，使固定中间的焊料熔融，将双方结合，借此完成芯片粘接或者气密性分组。该工艺流程繁琐，尤其是在工业化应用中，其工效极低，产品的成品率较低。但是随着封装密度的增加，预成型焊片的尺寸也越来越小，组装难度越来越大，为了提升封装效率，越来越多的应用需要在封装前就把焊料预先组装在组件上，即预置焊料，从而在封装时直接钎焊的方法。作为具有焊料的盖、容器或者基板的一般形态，将简化后续组装的工序步骤。
现阶段的预置工艺普遍采用“先成形，再预置”的方法，首先是从组成调整及熔化工序起经过一次加工(熔炼加工、轧制加工)、二次加工(冲裁加工)和多个工序来制备预成型焊片，然后通过多种预置方式(包括电阻点焊，热压点焊或激光点焊)，把预成型焊片预置到组件上。目前，在常用的几种工艺中，其中一种包括将可伐合金冲成片材，于其上镀金，将AuSn20箔带材冲成框或环，镀金可伐合金片材表面上放置有形状相互对应的AuSn20合金框，脉冲点焊实现镀金可伐合金片材与AuSn20合金框的固定连接。这些点焊的方式得到的焊料预覆层存在连接不牢固，容易脱落等问题，而且该方法需要特殊设备，增加了成本，不便于提高生产效率，还可能损坏镀金可伐合金片材或AuSn20合金框。另外脉冲电阻焊需要预置金锡的组件有足够的小的电阻，因此不能用于陶瓷盖板或陶瓷壳体。在另外一种工艺中，预成型焊片与密封盖板叠加中间设置阻焊层，再过回流焊，使预成型焊片融化后固定在密封盖板表面，由于回流焊温度高于Au80Sn20熔点温度，导致焊片熔化，其性能和形状已完全改变，对于密封盖板与下部壳体的焊接会有严重影响。其他的预置工艺还有热压点焊和激光点焊，这些加工方式都有能量过大，焊点氧化严重的问题。上述现有技术还普遍存在如下问题：具有经过成形加工的焊料的封装组件的焊料是从组成调整及熔化工序起经过一次加工(熔炼加工、轧制加工)、二次加工(冲裁加工)和多个工序组成的，从制造工序繁琐和制造成本的角度来看并不理想，而且有些焊料虽然不是无法加工的材料(比如金锡合金，金锗合金)，但也存在容易产生开裂等缺陷、可进行加工的尺寸(厚度)优先的问题。特别是对于电子器件的小型化的要求，需要使焊料薄板化，但是预成型焊片的小型化存在限制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能在较低成本及保证焊料质量的情况下的预制焊料封装组件的制备方法，以应对电子器件小型化带来的预成型焊片限制问题。
为解决上述技术问题，本发明的目的是通过以下技术方案实现的：提供一种预制焊料封装组件的制备方法，包括如下步骤：
S1、对封装组件进行金属化；
S2、制备焊料浆料；
S3、将焊料浆料以丝网印刷的方式涂布在封装组件上
S4、烘干、烧结后切割。
优选地，所述步骤S1中，所述金属化包括Ni/Au或Ti/Pt/Au金属化结构中的任意一种。
优选地，所述步骤S2中，所述焊料浆料包括如下组分：焊料粉、分散剂，烧结助焊剂及有机溶剂。
优选地，所述焊料粉的制备方法如下：将焊料分切成颗粒状，与超硬合金球一同放置在球磨仪中进行球磨制取焊粉，所述焊料与超硬合金球的重量比为2：5，所述球磨仪的转速为300-500rpm，研磨时间为120-240分钟，所述焊料粉的粒径为10-30μm。
优选地，所述焊料为Sn基焊料，且所述焊料为SnAg、Sn、SnCu、SnBi、SnSb、SnZn、SnAu、SnAgCu、SnAgBi、SnAgln、SnAgSb、SnAgCuBi、SnAgCuIn及SnAgCuSb中的一种或多种。
优选地，所述焊料为In基焊料，且所述焊料为In、InAg、InCu、InBi、InSb、InAgCu、InAgBi、InAgSn、InAgSb、InAgCuBi、InAgCuln、InAgCuSb中的一种或多种。
优选地，所述焊料粉、分散剂，烧结助焊剂及有机溶剂的重量比为(64～83):(4～8):(2～6):(11～22)。
优选地，所述分散剂包括聚乙二醇和硬脂酰胺中的至少一种。
优选地，所述烧结助焊剂包括无机酸类助焊剂，有机酸性助焊剂和松香类树脂助焊剂中的一种。
优选地，所述有机溶剂包括乙酸乙酯，乙酸甲酯，丙酮，甲苯酚，异丙醇，乙醇，丁醇和二甲苯中的至少一种。
本发明具有如下技术效果：在本发明中，通过液态焊料浆料与镀层接触后低温烧结的工序，使焊料层与镀层贴合紧密，与现有技术将焊片放置在镀层上，上面放置重物进行回流焊相比，焊接界面不易出现孔洞导致虚焊。另外，本发明的加工方法中只通过一次低温烧结而将液态浆料烧结成固体，无多次加工工序，相对常见的熔炼-压延-点焊工艺，可以更好地保证焊接效果，且减少生产工序后可以降低生产成本。需要说明的是，本发明可以适配封装体的焊接尺寸，无需进行焊料成型后进行装夹，降低操作难度。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
此外，“大致”、“基本”等用语旨在说明相关内容并不是要求绝对的精确，而是可以有一定的偏差。例如：“大致相等”并不仅仅表示绝对的相等，由于实际生产、操作过程中，难以做到绝对的“相等”，一般都存在一定的偏差。因此，除了绝对相等之外，“大致等于”还包括上述的存在一定偏差的情况。以此为例，其他情况下，除非有特别说明，“大致”、“基本”等用语均为与上述类似的含义。
为了在较低成本及保证焊料质量的情况下，应对电子器件小型化带来的预成型焊片限制问题，本发明提供了一种预制焊料封装组件的制备方法，包括如下步骤：
S1、对封装组件进行金属化；
S2、制备焊料浆料；
S3、将焊料浆料以丝网印刷的方式涂布在封装组件上
S4、烘干、烧结后切割。
在步骤S1中，金属化包括Ni/Au或Ti/Pt/Au金属化结构中的任意一种，且以电镀分层的方式进行金属化。在基材与金层之间镀Ni或Ti等金属是为了防止基材在加热过程中与Au层反应。
在步骤S2中，焊料浆料包括如下组分：焊料粉、分散剂，烧结助焊剂及有机溶剂。
其中，焊料粉的制备方法如下：将焊料分切成颗粒状，与超硬合金球一同放置在球磨仪中进行球磨制取焊粉，所述焊料与超硬合金球的重量比为2：5，所述球磨仪的转速为300-500rpm，研磨时间为120-240分钟，所述焊料粉的粒径为10-30μm。
而焊料可选择Sn基焊料或In基焊料，Sn基焊料则包括SnAg、Sn、SnCu、SnBi、SnSb、SnZn、SnAu、SnAgCu、SnAgBi、SnAgln、SnAgSb、SnAgCuBi、SnAgCuIn及SnAgCuSb中的一种或多种；In基焊料则包括In、InAg、InCu、InBi、InSb、InAgCu、InAgBi、InAgSn、InAgSb、InAgCuBi、InAgCuln、InAgCuSb中的一种或多种。
需要说明的是，焊料粉、分散剂，烧结助焊剂及有机溶剂的重量比为(64～83):(4～8):(2～6):(11～22)。其中分散剂包括聚乙二醇和硬脂酰胺中的至少一种，烧结助焊剂包括无机酸类助焊剂，有机酸性助焊剂和松香类树脂助焊剂，优选为松香类树脂助焊剂。有机溶剂包括乙酸乙酯，乙酸甲酯，丙酮，甲苯酚，异丙醇，乙醇，丁醇，二甲苯等。优选为乙醇，异丙醇和乙酸甲酯中的至少一种。分散剂的作用使焊粉颗粒均匀分布在混合物体系中，避免金属颗粒团聚。烧结助焊剂的作用在烧结过程中降低金属颗粒的表面张力，去除焊粉颗粒表面氧化物，提高活性，使金属颗粒在烧结过程中易于熔合。
而后，将焊料粉，分散剂，烧结助焊剂与有机溶剂按比例投入双运动混合机中进行混合均匀，形成浆料，黏度在80-100之间。混合叶片旋转速度为70-85rpm。混合时间为10-20分钟。需要说明的是，如果混合时间过长有可能导致溶剂的大量挥发使成分不匀。混合完毕后倒出形成焊粉浆料。
再采用丝网印刷的方式，根据盖板，容器和基板(即封装组件)的尺寸，制作相应形状的丝网，丝网的目数在200-450目之间。将丝网放置在盖板上方，与盖板的间隙为1-3mm，在丝网的另一面的一端倒入焊粉浆料，使用刮板略往下按压，使丝网与盖板接触，再把浆料从一端刷到另一端，印刷速度应为20-30cm/s，可根据不同需要的焊料厚度，增加或减少印刷的次数。
再将印刷有焊料的盖板，容器或基板放入真空烘干箱中，真空度为-0.1mpa，真空烘干箱温度在60-90℃，烘干时间为30-40min。取出自然冷却。
而后将冷却后的基板放入真空烧结炉中，真空度设置为-0.1mpa，温度设置在焊料的固相线温度以下20-30℃，烧结时间为2-10小时，取出自然冷却，在盖板表面形成一层固态的焊料图形层。再使用划片机将盖板根据需要的不同大小进行分切，转速为25000-32000rpm，行进速度控制在8-15mm/s。得到多个封装体。
以下结合实施例及对比例进行具体说明
实施例1
1.1取用镀镍镀金盖板，尺寸为20x20cm。
1.2预置的焊料成分为Sn96.5Ag3.5(需要说明的是，金属后的数字为此种金属的重量比例，下文同)。
1.3将焊料分切成小颗粒后投入球磨仪中，转速为450rpm，运行时间为240分钟，得到平均粒度为13μm。
1.4将焊料粉与分散剂，烧结助焊剂，有机溶剂按重量比73：5：4：18投入双运动混合集中进行均匀混合。所选分散剂为聚乙二醇，烧结助焊剂为松香类树脂助焊剂，有机溶剂为重量比为1：1的异丙醇和乙醇。混合叶片转速为80rpm，混合时间为14分钟，最终得黏度为88的焊粉浆料。
1.5使用300目的丝网进行印刷，印刷速度为20cm/s，将焊粉浆料印刷在盖板上。
1.6将盖板放入-0.1Mpa的真空烘干箱中，温度为80℃，时间30分钟。取出自然冷却。
1.7将盖板放入-0.1Mpa的真空烧结炉中，温度为180℃，烧结时间为4小时。
1.8用转速为25000rpm的划片机将盖板进行切割成8mm*8mm的封装体。
实施例2
2.1取用镀镍镀金盖板，尺寸为25x15cm。
2.2预置的焊料成分为Au80Sn20
2.3将焊料分切成小颗粒后投入球磨仪中，转速为500rpm，运行时间为200分钟，得到平均粒度为17μm。
2.4将焊料粉与分散剂，烧结助焊剂，有机溶剂按重量比79：6：3：12投入双运动混合集中进行均匀混合。所选分散剂为硬脂酰胺，烧结助焊剂为松香类树脂助焊剂，有机溶剂为重量比为1：2的乙酸甲酯和丙酮。混合叶片转速为75rpm，混合时间为18分钟，最终得黏度为90的焊粉浆料。
2.5使用300目的丝网进行印刷，印刷速度为23cm/s，将焊粉浆料印刷在盖板上。
2.6将盖板放入-0.1Mpa的真空烘干箱中，温度为80℃，时间30分钟。取出自然冷却。
2.7将盖板放入-0.1Mpa的真空烧结炉中，温度为260℃，烧结时间为5小时。
2.8用转速为25000rpm的划片机进行切割成8mm*8mm的封装体。
实施例3
3.1取用镀镍镀金盖板，尺寸为25x25cm。
3.2预置的焊料成分为Sn96.5Ag3.5Cu0.5
3.3将焊料分切成小颗粒后投入球磨仪中，转速为350rpm，运行时间为150分钟，得到平均粒度为20μm。
3.4将焊料粉与分散剂，烧结助焊剂，有机溶剂按重量比69：7：4：20投入双运动混合集中进行均匀混合。所选分散剂为聚乙二醇，烧结助焊剂为松香类树脂助焊剂，有机溶剂为重量比为3：2的异丙醇和丙酮。混合叶片转速为80rpm，混合时间为18分钟，最终得黏度为84的焊粉浆料。
3.5使用300目的丝网进行印刷，印刷速度为20cm/s，将焊粉浆料印刷在盖板上。
3.6将盖板放入-0.1Mpa的真空烘干箱中，温度为80℃，时间30分钟。取出自然冷却。
3.7将盖板放入-0.1Mpa的真空烧结炉中，温度为180℃，烧结时间为1.5小时。
3.8用转速为25000rpm的划片机进行切割成8mm*8mm的封装体。
对比例1
1.1取用镀镍镀金盖板，尺寸为20x20cm。
1.2预置的焊料成分为Sn96.5Ag3.5
1.3将焊料分切成小颗粒后投入球磨仪中，转速为450rpm，运行时间为240分钟，得到平均粒度为13μm。
1.4将焊料粉与分散剂，烧结助焊剂，有机溶剂按重量比52：10：8：30投入双运动混合集中进行均匀混合。所选分散剂为聚乙二醇，烧结助焊剂为松香类树脂助焊剂，有机溶剂为重量比为1：1的异丙醇和乙醇。混合叶片转速为80rpm，混合时间为14分钟，最终得黏度为107的焊粉浆料。
1.5使用300目的丝网进行印刷，印刷速度为20cm/s，将焊粉浆料印刷在盖板上。
1.6将盖板放入-0.1Mpa的真空烘干箱中，温度为80℃，时间30分钟。取出自然冷却。
1.7将盖板放入-0.1Mpa的真空烧结炉中，温度为150℃，烧结时间为3小时。
1.8用转速为25000rpm的划片机将盖板进行切割成8mm*8mm的封装体。
对比例2
2.1取用镀镍镀金盖板，尺寸为25x15cm。
2.2预置的焊料成分为Au80Sn20
2.3将焊料分切成小颗粒后投入球磨仪中，转速为500rpm，运行时间为200分钟，得到平均粒度为17μm。
2.4将焊料粉与分散剂，烧结助焊剂，有机溶剂按重量比79：6：3：12投入双运动混合集中进行均匀混合。所选分散剂为硬脂酰胺，烧结助焊剂为松香类树脂助焊剂，有机溶剂为重量比为1：2的乙酸甲酯和丙酮。混合叶片转速为75rpm，混合时间为18分钟，最终得黏度为90的焊粉浆料。
2.5使用300目的丝网进行印刷，印刷速度为23cm/s，将焊粉浆料印刷在盖板上。
2.6将盖板放入-0.1Mpa的真空烘干箱中，温度为80℃，时间30分钟。取出自然冷却。
2.7将盖板放入-0.1Mpa的真空烧结炉中，温度为220℃，烧结时间为5小时。
2.8用转速为25000rpm的划片机进行切割成8mm*8mm的封装体。
对比例3
3.1取用镀镍镀金盖板，尺寸为25x25cm。
3.2预置的焊料成分为Sn96.5Ag3.5Cu0.5
3.3将焊料分切成小颗粒后投入球磨仪中，转速为350rpm，运行时间为100分钟，得到平均粒度为43μm。
3.4将焊料粉与分散剂，烧结助焊剂，有机溶剂按重量比60：3：8：29投入双运动混合集中进行均匀混合。所选分散剂为聚乙二醇，烧结助焊剂为松香类树脂助焊剂，有机溶剂为重量比为3：2的异丙醇和丙酮。混合叶片转速为80rpm，混合时间为18分钟，最终得黏度为77的焊粉浆料。
3.5使用300目的丝网进行印刷，印刷速度为20cm/s，将焊粉浆料印刷在盖板上。
3.6将盖板放入-0.1Mpa的真空烘干箱中，温度为80℃，时间30分钟。取出自然冷却。
3.7将盖板放入-0.1Mpa的真空烧结炉中，温度为180℃，烧结时间为1.5小时。
3.8用转速为25000rpm的划片机进行切割成8mm*8mm的封装体。
以下为各实施例及对比例焊接后的剪切力测试
将以上实施例与对比例对应放置在真空焊接炉中，实施例1与对比例1，实施例2与对比例2，实施例3与对比例3，在每一个盖板上放上10*10的铜片，烧结炉温度分别设置为240℃，240℃，310℃。焊接时间为5min，焊接后将铜片与基板进行剪切力测试，测试分离力度。如表1所示，用本发明中的参数可获得更优异的剪切力强度。
实例编号 剪切力(MPa) 实例编号 剪切力(MPa)
实例1 39.6 对比例1 36.1
实例2 279 对比例2 262
实例3 52.3 对比例3 48.6
从表格上可看出，实例1-3中剪切力数值略大于传统熔炼-压延-冲制成型工艺(Sn96.5Ag3.5:39，Au80Sn20：276，Sn96.5Ag3Cu0.5：50)，明显大于各对比例中以非最优组合制成焊料封装组件。因此，使用焊料浆料与组件共同烧结成预置焊料组件方式有明显优越性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种预制焊料封装组件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、对封装组件进行金属化；
S2、制备焊料浆料；
S3、将焊料浆料以丝网印刷的方式涂布在封装组件上
S4、烘干、烧结后切割。
2.根据权利要求1所述的一种预制焊料封装组件的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述金属化包括Ni/Au或Ti/Pt/Au金属化结构中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种预制焊料封装组件的制备方法，其特征在于所述步骤S2中，所述焊料浆料包括如下组分：焊料粉、分散剂，烧结助焊剂及有机溶剂。
4.根据权利要求3所述的一种预制焊料封装组件的制备方法，其特征在于，所述焊料粉的制备方法如下：将焊料分切成颗粒状，与超硬合金球一同放置在球磨仪中进行球磨制取焊粉，所述焊料与超硬合金球的重量比为2：5，所述球磨仪的转速为300-500rpm，研磨时间为120-240分钟，所述焊料粉的粒径为10-30μm。
5.根据权利要求4所述的一种预制焊料封装组件的制备方法，其特征在于，所述焊料为Sn基焊料，且所述焊料为SnAg、Sn、SnCu、SnBi、SnSb、SnZn、SnAu、SnAgCu、SnAgBi、SnAgln、SnAgSb、SnAgCuBi、SnAgCuIn及SnAgCuSb中的一种或多种。
6.根据权利要求4所述的一种预制焊料封装组件的制备方法，其特征在于，所述焊料为In基焊料，且所述焊料为In、InAg、InCu、InBi、InSb、InAgCu、InAgBi、InAgSn、InAgSb、InAgCuBi、InAgCuln、InAgCuSb中的一种或多种。
7.根据权利要求3所述的一种预制焊料封装组件的制备方法，其特征在于：所述焊料粉、分散剂，烧结助焊剂及有机溶剂的重量比为(64～83):(4～8):(2～6):(11～22)。
8.根据权利要求3所述的一种预制焊料封装组件的制备方法，其特征在于：所述分散剂包括聚乙二醇和硬脂酰胺中的至少一种。
9.根据权利要求3所述的一种预制焊料封装组件的制备方法，其特征在于：所述烧结助焊剂包括无机酸类助焊剂，有机酸性助焊剂和松香类树脂助焊剂中的一种。
10.根据权利要求3所述的一种预制焊料封装组件的制备方法，其特征在于：所述有机溶剂包括乙酸乙酯，乙酸甲酯，丙酮，甲苯酚，异丙醇，乙醇，丁醇和二甲苯中的至少一种。
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