CN117300434A - 一种封装焊片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及焊片领域，尤其涉及一种封装焊片及其制备方法。所述封装焊片包括合金焊料粉末，以及微米级金属颗粒，所述合金焊料粉末及微米级金属颗粒的重量比为8:1‑1:1，所述微米级金属颗粒的第二熔点为所述合金焊料粉末的第一熔点的3‑8倍，所述合金焊料粉末的平均粒径与所述微米级金属颗粒的平均粒径的比为0.5‑1.5，所述合金焊料粉末与所述微米级金属颗粒经混合后一次模压，得到封装焊片。本发明的封装焊片不仅具备“低温焊接，高温服役”的特点，而且无需添加助剂或粘连剂，通过直接模压使得微米级金属颗粒均匀嵌于合金焊料粉末形成的压延片内，快速成型为带有金属颗粒的封装焊片。
Description
技术领域
本发明涉及焊片领域，尤其涉及一种封装焊片及其制备方法。
背景技术
随着电子产业的迅猛发展，电子产业不断向小型化，高集成度和高性能化的方向前进，与之伴随而来的是不断攀升的器件功率密度，导致了器件要遭受极高的电流密度和极大的热能释放，从而要求电子器件中互联焊点所能承受的工作温度随之升高。根据传统软钎焊互联要求，焊料熔点必须高于焊点的服役温度，服役温度越高，就需要选择更高熔点的焊料，也就需要提高焊接温度，但是过高的焊接温度不仅会损伤电子器件，更易带来联接的不可靠性。
以SiC、GaN为代表的第三代半导体高功率器件相较于传统的Si功率器件具有大禁带宽度、高饱和电子漂移速率、大临界击穿强度、以及高热传导率等优异性能，且第三代半导体的可承受服役温度在300℃以上，支持的功率密度远高于第一代Si半导体。这必然使其得到迅速发展和广泛应用。也必将成为半导体功率器件的主流。然而，这对微电子封装技术以及互连材料提出新的挑战。开发出能够在高熔点环境中稳定服役的互连材料是目前电子封装领域的关键问题之一。
目前能用来解决电子互联高熔点服役的问题主要以使用高熔点焊料、纳米金属浆料烧结和瞬时液相扩散焊(TLP)技术。其中，高熔点焊料包括金基合金焊料、锌基焊料和高铅焊料，金基焊料中有熔点为280℃的AuSn20、熔点为356℃的AuGe12和熔点为363℃的AuSi3，但其由于含大量的贵金属致使成本极高，无法广泛应用。一些锌基焊料也可以用于高熔点联接，如熔点为380℃的ZnAl6合金，但其有着易氧化和腐蚀的缺点。目前应用的较为广泛的依然是不环保的高铅焊料，但随着环保法规的日益严峻，寻找高铅焊料的替代品已经是势在必行。而对于纳米金属浆料，虽然在一些器件的连接有所应用，但焊缝内部的孔隙率较高，所需焊接时间较长，常常需要有较为合适的压力，同时价格也较为高昂。而TLP技术虽然可以在较低的钎焊温度下获得高熔点的金属件化合物(IMC)，但IMC形成速度太慢，无法进行大批量的生产。由于上述原因，现有的封装材料及技术已无法完全满足功率器件对性能和可靠性封装的需求。因此为了满足功率器件的性能要求，开发一种可以在短时间内进行低温互联、高熔点服役的焊接材料是大势所趋。
中国发明专利CN104625466B公开了一种可以在低温下快速形成高熔点焊点的铋基/铜颗粒复合焊料，该复合焊料在助焊膏中添加了铋基焊料粉和铜颗粒进行混合，成为混合锡膏。该锡膏可以在焊接的时候相比普通的焊料，更容易形成高熔点的焊接接头。但是由于该复合焊料是膏状，只能以涂覆或者喷涂的形式将混合焊膏涂覆在焊盘上，这样容易造成涂抹不均，焊料量难以保持一致，没法完全适配焊盘的可焊区域。同时由于焊膏内部含有较多的助焊剂，助焊剂在回流时易挥发引起较大面积的缝隙，从而降低焊点的可靠性。
中国发明专利CN105290418B公开了一种微纳米铜球表面镀附具有可焊性厚度的厚锡层的镀附方法，得到表面镀附有厚锡层的基于Cu/Ag/Ni@Sn核-壳结构双金属粉。该复合预成型焊片板可实现低温焊接，所得焊点能经受高熔点服役，但是由于该焊片是化学镀的制作方式，所以镀液还原能力不足或稳定性欠佳，所用的溶液组成复杂，工艺繁杂所需时间长且对溶液的维护比较麻烦。
因此，现有的焊接材料无法满足成分及工艺简单、可靠性(焊接稳定性)强，可大规模生产，同时可以在短时间内进行低温互联、高熔点服役的要求。
发明内容
为了克服现有技术的现有的焊接材料无法满足成分及工艺简单、可靠性强，可大规模生产，且可以在短时间内进行低温互联、高熔点服役的要求的技术问题。
本发明提出一种封装焊片，不仅具备“低温焊接，高温服役”的特点，而且无需添加助剂或粘连剂，通过直接模压的模压力使得微米级金属颗粒均匀嵌于合金焊料粉末形成的压延片内，快速成型为带有金属颗粒的封装焊片，采用的成分及工艺简单、可靠性强，可大规模生产。
具体的，本发明公开一种封装焊片，包括合金焊料粉末，以及微米级金属颗粒；所述合金焊料粉末与所述微米级金属颗粒的重量比为8:1-1:1；所述微米级金属颗粒的第二熔点为所述合金焊料粉末的第一熔点的3-8倍；所述合金焊料粉末的平均粒径与所述微米级金属颗粒的平均粒径的比为0.5-1.5；所述合金焊料粉末与所述微米级金属颗粒经混合后一次模压，得到封装焊片；其中，合金焊料粉末被压实后由于分子间作用力而连为一体形成压延片，使得微米级金属颗粒均匀镶嵌在压延片内。
本发明的封装焊片中，微米级金属颗粒的加入能够大幅度提高封装焊片的熔点，这种封装焊片在焊接过程中先使合金焊料粉末熔化，然后与微米级金属颗粒发生液-固互扩散反应，形成耐高温的金属间化合物(IMCs)，从而达到“低温焊接，高温服役”的效果。无需添加助剂或粘连剂，通过直接模压的模压力使得微米级金属颗粒均匀嵌于合金焊料粉末形成的压延片内，快速成型为带有金属颗粒的封装焊片，操作简单且成本低廉，且由于微米级金属颗粒能够均匀嵌入压延片内，封装焊片的结构稳定性及焊接稳定性强。
优选的，所述封装焊片的上下表面贴覆或镀覆有至少一层的焊料层，所述焊料层用于覆盖所述封装焊片的上下表面裸露的部分所述微米级金属颗粒。
优选的，在所述封装焊片的上下表面贴覆或镀覆焊料层的方法为，将预制焊料片贴附在所述压延片上，对贴附有所述焊料片的所述压延片进行二次模压，形成所述焊料层。
优选的，所述焊料层配置为合金焊料粉末层或者锡焊料层。
优选的，将所述微米级金属颗粒配置为混合金属颗粒；或者将所述微米级金属颗粒配置为合金颗粒；或者将所述微米级金属颗粒配置为镀层金属颗粒。
优选的，所述封装焊片的上下表面喷涂有至少一层的助焊剂层；或者所述封装焊片的上下表面贴覆或镀覆有至少一层的焊料层，所述焊料层的上下表面喷涂有至少一层的助焊剂层。
封装焊片在表面贴覆或镀覆有焊料层，盖住表面裸露的微米级金属颗粒，设置焊料层有利于提高焊接时封装焊片与待焊接材料的贴合度，避免了焊片与基板之间存在空洞导致焊接接头不牢固的问题。
在焊接回流过程中，焊接界面处的焊料层会先熔化而与基板反应，极大的改善焊片对基板的润湿性，同时熔化的焊料层时也与焊片中的合金焊料粉末反应，使焊缝形成多层结构而连接紧密。
进一步的，本发明的封装焊片多次压力成型(模压成型)的工艺保证了其致密结构和产品合格率，让其在后续焊接中焊缝紧固且界面连接致密，焊接接头形成的复合金属间化合物的强度与韧性的统一，具备优良的综合力学性能。
优选的，所述合金焊料粉末为锡基合金粉末、铟基合金粉末或者铋基合金粉末中的一种或者多种的混合物。
优选的，所述锡基合金粉末为Sn96.5Ag3.5、Sn99.3Cu0.7、Sn77.2In20Ag2.8中的一种或者多种的混合物；所述铟基合金粉末为In97Ag3或者In52Sn48中的一种或者多种的混合物；所述铋基合金粉末为Bi58Sn42或者Bi57Sn42Ag1中的一种或者多种的混合物。
优选的，可采用液相化学还原法或自耗电极直流电弧法将所述合金焊料粉末制备为纳米合金焊料粉末；或者采用高能球磨法将所述微米级金属颗粒制备为纳米金属颗粒。利用纳米合金焊料粉末、纳米金属颗粒制得的封装焊片结构更加紧密、强度和韧性均能得到增强。
本发明还公开一种用于上述的封装焊片的制备方法，包括以下步骤：
S1：对所述合金焊料粉末、微米级金属颗粒分别进行筛选；
S2：将筛选后的所述合金焊料粉末及所述微米级金属颗粒充分混合后球磨，形成混合粉体；
S3：对混合粉体进行模压，形成封装焊片。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是实施例1的封装焊片(包含焊料层和助焊剂层)的侧视图。
图中：1-微米级金属颗粒；2-合金焊料粉末；3-焊料层；4-助焊剂层。
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。
一种封装焊片包括合金焊料粉末以及微米级金属颗粒，合金焊料粉末及微米级金属颗粒的重量比为8:1-1:1。
合金焊料粉末与多个微米级金属颗粒经混合后一次模压，得到封装焊片；其中，合金焊料粉末被压实后由于分子间作用力而连为一体形成压延片，使得多个微米级金属颗粒均匀镶嵌在压延内，也即合金焊料粉末在模压力的作用下连为一体，而微米级金属颗粒此时还不会发生形变，从而被挤入压延片的各种缝隙内，使得多个微米级金属颗粒均匀融入至合金焊料粉末内并形成压延片。
本发明的一实施例的可控焊缝厚度的焊片(包含焊料层和助焊剂层)，如图1所示。在模压力的作用下，合金焊料粉末2被压延为一体形成压延片，微米级金属颗粒1均匀分布在所述压延片内的缝隙内，形成压延片。
还可在压延片上进行后处理，可增加焊料层3和/或助焊剂层4，具体的，如图1，压延片上还包含焊料层3以及助焊剂层4。
其中，微米级金属颗粒选自Ag、Cu、Ni中的至少一种，合金焊料粉末为锡基焊料、铟基焊料或者铋基焊料中的一种或者多种的混合物。
依据绝大部分锡基焊料、铟基焊料、铋基焊料以及Ag、Cu、Ni的分子量可知，当合金焊料粉末的重量比较大时，会导致微米级金属颗粒的含量较少，这样会影响金属间化合物(IMCs)的生成量，而当合金焊料粉末的重量比较少时，微米级金属颗粒由于其延展性相对较差，硬度及脆性大，这样就会导致封装焊片成型较为困难或者容易出现裂纹，因此通常不会让微米级金属颗粒的重量份超过合金焊料粉末的重量份。
微米级金属颗粒的第二熔点为合金焊料粉末的第一熔点的3-8倍，由于Ag、Cu、Ni等金属颗粒具有较高的熔点，例如：Ag的熔点约为961.93℃，Cu的熔点约为1083.4℃以及Ni的熔点约为1453℃，纯锡的熔点为231.9℃，纯铟的熔点为156.51℃，纯铋的熔点为271.5℃，锡基焊料的熔点依据锡与不同的合金的结合会有所区别，通常优选范围约为200-350℃，铟基焊料的熔点依据铟与不同的合金的结合会有所区别，通常优选范围约为150-250℃，铋基焊料的熔点依据铋与不同的合金的结合会有所区别，通常优选范围约为250-400℃。
由此可见，微米级金属颗粒的熔点范围约为900-1500℃，合金焊料粉末的熔点范围约为150-400℃，也即微米级金属颗粒的第一熔点是合金焊料粉末的第二熔点的3-10倍。
合金焊料粉末的平均粒径与微米级金属颗粒的平均粒径的比为0.5-1.5，能够有效保证合金焊料粉末与微米级金属颗粒能够充分混合，设置这个粒径比主要是为了让合金焊料粉末与微米级金属颗粒能够充分混合，因为假如如果合金焊料粉末的平均粒径与微米级金属颗粒的平均粒径差别过大，会导致粒径小的颗粒在重力的作用下沉于粒径大的颗粒的底部，压延后，很容易导致合金焊料粉末与微米级金属颗粒的分层，通常直径小微粒会落在底部则无法实现充分混合。
因此在实际选择中，通常选择合金焊料粉末与微米级金属颗粒的平均粒径一致或者合金焊料粉末的平均粒径略＞微米级金属颗粒的平均粒径，优选地，微米级金属颗粒的平均粒径优选为5-25μm，合金焊料粉末的平均粒径优选为10-40μm。过小的合金焊料粉末和微米级金属颗粒会使得颗粒比表面积过大，表面易氧化，造成后续的焊接不良。过大的合金焊料粉末和微米级金属颗粒容易造成冶金键合不充分，易造成合金焊料粉末和微米级金属颗粒在局部富集。
合金焊料粉末与多个微米级金属颗粒经混合后一次模压，得到封装焊片；其中，合金焊料粉末被压实后由于分子间作用力而连为一体形成压延片，使得多个微米级金属颗粒均匀镶嵌在压延片内，也即合金焊料粉末在模压力的作用下连为一体，而微米级金属颗粒此时还不会发生形变，从而被挤入压延片的缝隙内，使得多个微米级金属颗粒均匀融入至合金焊料粉末内并形成压延片。
由于微米级金属颗粒选自Ag、Cu、Ni，相对比较硬且难以发生形变，而合金焊料粉末选自锡基焊料、铟基焊料或者铋基焊料中的一种或者多种，相对较软，容易发生形变，优选的，合金焊料粉末的硬度＜所述微米级金属颗粒的硬度，故只需要将液力模压机的模压力控制在合金焊料粉末产生分子间作用力发生形变形成压延片对应的压强，此时微米级金属颗粒能够承受这个模压力而不发生形变或者形变很小，也即合金焊料粉末发生形变对应的压强＜模压机的工作压强＜微米级金属颗粒发生形变对应的压强。
实际生产中，可以依据锡基焊料、铟基焊料或者铋基焊料不同焊料的形变特性进行合理选择模压压力，例如：铋基焊料的模压力优选控制在30-65Mpa。微米级金属颗粒的加入能够大幅度提高封装焊片的熔点，这种封装焊片在焊接过程中先会使得合金焊料粉末熔化，然后与微米级金属颗粒发生液-固互扩散反应，形成耐高温的金属间化合物(IMCs)，从而达到“低温焊接，高温服役”的效果。
封装焊片无需添加助剂或粘连剂，通过直接模压的模压力使得微米级金属颗粒均匀嵌于合金焊料粉末形成的压延片内，快速成型为带有金属颗粒的封装焊片，操作简单且成本低廉，且由于微米级金属颗粒能够均匀嵌入压延片内，难以从合金焊料粉末内脱落，故封装焊片的结构稳定性及焊接稳定性强。
封装焊片的上下表面贴覆/镀覆有至少一层的焊料层，优选地，通常设置一层的焊料层，焊料层用于覆盖封装焊片的上下表面裸露的部分微米级金属颗粒。焊料层盖住表面裸露的微米级金属颗粒，避免微米级金属颗粒对焊液的流动造成不利影响，焊料层有利于提高焊接时封装焊片与待焊接材料的贴合度，避免了焊片与基板之间存在空洞导致焊接接头不牢固的问题。
在焊接回流过程中，焊接界面处的焊料层会先熔化而与基板反应，极大的改善焊片对基板的润湿性，同时熔化的焊料层时也与焊片中的合金焊料粉末反应，使焊缝形成多层结构而连接紧密。进一步的优选地，实际生产中，也可以先预制好焊料片，将预制焊料片贴附在压延片上，对贴附有焊料片的压延片进行二次模压，形成焊料层，这封装焊片经过多次压力成型的工艺保证了其致密结构和产品合格率，让其在后续焊接中焊缝紧固且界面连接致密，焊接接头形成的复合金属间化合物的强度与韧性的统一，具备优良的综合力学性能。
进一步优选地，焊料层配置为合金焊料粉末层或者锡焊料层，当然还可以选择铟焊料层或者铋焊料层，铋焊料层相对较少，但本申请对此并不做限制，选择具有良好润湿性的焊料即可。在实际生产中，为了解决成本问题以及保持产品的一致性，则优选将焊料层配置为合金焊料粉末层或者锡焊料层，从而保证制得的封装焊片具有良好的润湿性同时也有利于降低封装焊料的生产成本。
将微米级金属颗粒配置为混合金属颗粒或者将微米级金属颗粒配置为合金颗粒或者将微米级金属颗粒配置为镀层金属颗粒。微米级金属颗粒选自Ag、Cu、Ni中的至少一种；当选择两种以上的微米级金属颗粒时，则构成混合金属颗粒；当选择Ag、Cu、Ni中的两种元素组成的合金球时，则构成合金颗粒；当在一种元素外表面镀另一种元素时，例如：在Cu球外表面镀Ag，则构成镀层金属颗粒。无论将微米级金属颗粒配置为上述哪一种颗粒，均适用于本实施例，当本实施例筛选的微米级金属颗粒需要满足“合金焊料粉末发生形变对应的压强＜模压机的工作压强＜微米级金属颗粒发生形变对应的压强”这一技术特征及金属颗粒是微米级的，以保证其均匀分布在合金焊料粉末内。
合金焊料粉末优选为锡基合金粉末、铟基合金粉末或者铋基合金粉末中的一种或者多种的混合物。锡基合金粉末优选为Sn96.5Ag3.5、Sn99.3Cu0.7、Sn77.2In20Ag2.8中的一种或者多种的混合物(具体的，Sn96.5Ag3.5中，Sn的质量含量为96.5％，Ag的质量含量为3.5％，其他类似合金表达方式与此同)；铟基合金粉末优选为In97Ag3或者In52Sn48中的一种或者多种的混合物；铋基合金粉末选为Bi58Sn42或者Bi57Sn42Ag1中的一种或者多种的混合物。但无论合金焊料粉末为何种合金焊料，合金焊料粉末的熔点范围约为150-400℃，同时还需要满足“合金焊料粉末发生形变对应的压强＜模压机的工作压强＜微米级金属颗粒发生形变对应的压强”这一技术特征。
为了防止压延片氧化以及提升焊接效果，封装焊片的上下表面喷涂有至少一层的助焊剂层或者封装焊片的上下表面贴覆/镀覆有至少一层的焊料层，焊料层的上下表面喷涂有至少一层的助焊剂层。即通过喷涂助焊剂使得压延片的外表面形成助焊剂层，以提升焊接效果，助焊剂配置为无机助焊剂、有机助焊剂和松香型助焊剂中的一种或者多种混合，实际生产中，通常会在压延片的外表面喷涂0.5-1.5％助焊剂，优选比例为1％，从而进一步提升焊片的焊接性能。
一种用于上述的封装焊片的制备方法，包括以下步骤：
S1：对合金焊料粉末、微米级金属颗粒分别进行筛选，筛选的目的是通过筛选粒径合适的合金焊料粉末及微米级金属颗粒，优选地，微米级金属颗粒的平均粒径优选为5-25μm，合金焊料粉末的平均粒径优选为10-40μm。
具体的，需要根据客户的需求对合金焊料粉末及微米级金属颗粒的熔点、平均粒径以及硬度等进行选择，从而微米级金属颗粒均匀分布在合金焊料粉末的压延片内。通过设置筛选机的孔隙大小来控制合金焊料粉末、微米级金属颗粒的平均粒径处于合理的范围内，实际生产中当然很难确定每颗合金焊料粉末及微米级金属颗粒的具体尺寸，但可以通过筛选机保证颗粒的平均粒径一致或者接近一致。
S2：将筛选后的所述合金焊料粉末及所述微米级金属颗粒充分混合后球磨，形成混合粉体。在步骤S2中，球磨的目的是为了使合金焊料粉末与金属颗粒充分混合，使得微米级金属颗粒遍布在合金焊料粉末，利于封装焊片在后续使用中形成金属间化合物(IMCs)，尤其是全IMCs。
混合过程中，优选合金焊料粉末及微米级金属颗粒的重量比为8-1：1，更为优选的，重量比为3.5：1-2；这样利于在焊接中快速形成IMC结构，不仅增强焊料强度，同时大幅提高封装焊片的导电、导热能力。以锡基合金粉末和含铜的微米级金属颗粒为例，Cu颗粒比例大会生成金属化合物Cu3Sn，影响可焊性，Cu颗粒比例小不能形成IMC，反应时间慢，因此，需要合理控制合金焊料粉末及微米级金属颗粒的重量比。
优选的，球磨参数为：转速为150-350RPM，球磨时间在3-8min；所使用的球磨罐体与球磨珠均为不易磨损的氧化锆材质。假如球磨机的转速过高或球磨时间太长，易使合金焊料粉末及微米级金属颗粒部分冷焊并团聚。假如球磨机的转速过低或球磨时间太短，则易造成粉末混合不均匀。
S3：对混合粉体进行模压。步骤S3中，模压后得到封装焊片；其中，合金焊料粉末被压实后连为一体形成压延片，微米级金属颗粒均匀填充在压延片内，形成封装焊片。
具体的，模压过程中控制压制的压力在30-65Mpa，停滞3-5分钟保压，精确控制压力力度和时间；优选的，模压过程中控制压制的压力在60Mpa，使它更加致密结合，结合强度高。压膜后得到0.7-1mm的封装焊片。
模压后，还可通过轧制，对封装焊片的形状、厚度等进行加工处理，得到厚度为0.1-0.2mm的封装焊片。每次轧制的形变量控制在10％以内逐步将封装焊片轧制成较薄的带状料带，最终厚度在0.1-0.2mm之间。
封装焊片还可以在上下表面喷涂质量分数0.5-1.5％的无卤素松香型助焊剂；优选比例为1wt％，可为市售RL-420。再放置于60℃烤箱中烘烤20min至助焊剂中溶剂挥发。
多次重复涂覆工序，通过称量助焊剂之前和之后的重量，控制助焊剂的比例在0.5-1.5％之间。此步骤有助于在焊接过程中去除封装焊片在生产过程中表面产生的氧化物，同时活化焊料表面，能够迅速与基材层润湿。同时烘干后的助焊剂不含溶剂，防止在焊接过程中溶剂挥发在焊点中形成缝隙。
封装焊片还可以在上下表面涂覆焊料层，具体的，将预制焊料片贴附在压延片上，对贴附有焊料片的压延片进行二次模压，形成焊料层，这封装焊片多次压力成型的工艺保证了其致密结构和产品合格率，让其在后续焊接中焊缝紧固且界面连接致密，焊接接头形成的复合金属间化合物的强度与韧性的统一，具备优良的综合力学性能。
最后，对初步成型的封装焊片还可以通过冲压成型，为封装焊片的形状进行预设、调整；优选采用冲床进行冲压成型，形成预成型封装焊片。
实施例1
本实施例中提供的一种封装焊片的制备方法，包括以下步骤：
S1、配制原料：采用平均粒径5μm、10μm、20μm、30μm、35μm的铋基合金粉Bi58Sn42分为A组、B组、C组、D组、E组五组，将A组、B组、C组、D组、E组五组分别与平均粒径20μm的铜粉Cu进行混合，具体的，将五组Bi58Sn42粉分别与Cu粉按照重量比为3.5：1进行称取，称取Bi58Sn42粉40g和Cu粉11.4g混合在一起。其中，Bi58Sn42粉的第一熔点为255℃，Cu粉的第二熔点为1084.6℃，第一熔点和第二熔点的熔点比为4.3：1。
S2、球磨混合：将经过步骤S1混合后的原料与不锈钢球一起放入不锈钢球磨罐中放入行星球磨仪中进行混合，球磨转速200RPM，球磨时间在5min。
S3、模压：将A组、B组、C组、D组、E组五组的混合粉体分别取出，然后分别放入压模中，压力设置为40Mpa，停滞保压4分钟，压制成厚度为0.8mm的A组、B组、C组、D组、E组五组压延片(封装焊片)。
S4、轧制：将两辊机升温至110℃，轧辊速度设定在2m/min，逐步将压延片材轧制成较薄的A组、B组、C组、D组、E组五组带状料带，最终厚度在0.17mm之间。
S5、喷涂助焊剂：将A组、B组、C组、D组、E组五组带状料带的双面均匀喷涂0.8wt％助焊剂(无卤素松香型助焊剂-市售RL-420)，放置在60℃烤箱中烘烤20min至助焊剂中溶剂挥发。多次重复涂覆工序。
S6冲制成型：将表面贴覆/镀覆有助焊剂的复合焊料带材通过冲床冲制成型，得到最终的A组、B组、C组、D组、E组封装焊片。
表1不同粒径的Bi58Sn42与铜粉混合的分层情况
| 组别 | 是否分层 |
| A组 | 严重分层，Bi58Sn42粉底部富集 |
| B组 | 少量分层，Bi58Sn42粉偏底部 |
| C组 | 无明显分层现象 |
| D组 | 少量分层，Cu粉偏底部 |
| E组 | 严重分层，Cu粉底部富集 |
通过上述实验可知，当Bi58Sn42粉与Cu粉二者的平均粒径差别越大时，越容易导致Bi58Sn42粉与Cu粉的混合不均匀，当Bi58Sn42粉与Cu粉的平均粒径比＜0.5或者＞1.5时，有明显的分层现象，要么是Bi58Sn42粉沉底，要么是Cu粉沉底；当Bi58Sn42粉与Cu粉的平均粒径比0.5≥且≤1.5时，有可以接受的少量分层现象，当Bi58Sn42粉与Cu粉的平均粒径比为1时，则没有明显分层现象。故优选的，若仅考虑混合均匀的因素，应使得Bi58Sn42粉与Cu粉的平均粒径一致或接近一致(平均粒径比0.5≥且≤1.5)，从而使得Bi58Sn42粉与Cu粉的平均粒径充分混合。
除了保证充分混合外，优选地，Cu粉的平均粒径优选为5-25μm，Bi58Sn42粉的平均粒径优选为10-40μm。过小的Bi58Sn42粉与Cu粉会使得颗粒比表面积过大，表面易氧化，造成后续的焊接不良。过大的Bi58Sn42粉与Cu粉容易造成冶金键合不充分，易造成Bi58Sn42粉与Cu粉在局部富集。
综上，通常选择尺寸合适的Bi58Sn42粉与Cu粉，且Bi58Sn42粉的平均粒径最好略＞Cu粉，以保证Cu粉均匀遍布在Bi58Sn42粉的压延片内。
实施例2
本实施例中提供的一种封装焊片的制备方法，包括以下步骤：
S1、配制原料：采用平均粒径为25μm铋基合金粉与平均粒径为20μm的铜粉将Bi58Sn42粉和Cu粉按照重量比为3.5：1.5进行称取，取Bi58Sn42粉35g和Cu粉10.5g混合在一起。其中，Bi58Sn42粉的第一熔点为255℃，Cu粉的第二熔点为1084.6℃，第一熔点和第二熔点的熔点比为4.3：1。
S2、球磨混合：将经过步骤S1混合后的原料与不锈钢球一起放入不锈钢球磨罐中放入行星球磨仪中进行混合，球磨转速250RPM，球磨时间在5min。
S3、模压：将混合粉体取出，放入压模中，压力设置为40Mpa，停滞保压4分钟，再压制成厚度为0.8mm的压延片。
S4、轧制：将两辊机升温至120℃，轧辊速度设定在2m/min，逐步将压延片材轧制成较薄的带状料带，最终厚度在0.17mm之间
S5、喷涂助焊剂：将复合焊料带双面均匀喷涂1.5wt％助焊剂(无卤素松香型助焊剂-市售RL-420)，放置于60℃烤箱中烘烤20min至助焊剂中溶剂挥发。多次重复涂覆工序。
S6冲制成型：将表面贴覆/镀覆有助焊剂的复合焊料带材通过冲床冲制成型，得到最终制得的封装焊片。
实施例3
本实施例提供的一种封装焊片的制备方法，包括以下步骤：
S1、配制原料：采用平均粒径为25μm铋基合金粉与平均粒径为20μm的铜粉将Bi58Sn42粉和Ni粉按照重量比为3.5：1.5进行称取，取Bi58Sn42粉35g和Cu粉10.5g混合在一起。其中，Bi58Sn42粉的第一熔点为255℃，Ni粉的第二熔点为1453℃，第一熔点和第二熔点的熔点比为5.7：1。
S2、球磨混合：将经过步骤S1混合后的原料与不锈钢球一起放入不锈钢球磨罐中放入行星球磨仪中进行混合，球磨转速250RPM，球磨时间在5min。
S3、模压：将混合粉体取出，放入压模中，压力设置为45Mpa，停滞保压4分钟，再压制成厚度为0.8mm的压延片。
S4、轧制：将两辊机升温至120℃，轧辊速度设定在2m/min，逐步将压延片材轧制成较薄的带状料带，最终厚度在0.17mm之间
S5、喷涂助焊剂：将复合焊料带双面均匀喷涂1.5wt％助焊剂(无卤素松香型助焊剂-市售RL-420)，放置于60℃烤箱中烘烤20min至助焊剂中溶剂挥发。多次重复涂覆工序。
S6冲制成型：将表面贴覆/镀覆有助焊剂的复合焊料带材通过冲床冲制成型，得到最终制得的封装焊片。
实施例4至实施例9
实施例4：将实施例2中的“Cu粉”替换为“Ag粉”，其余步骤一致。其中，Bi58Sn42粉的第一熔点为255℃，Ag粉的第二熔点为961℃，第一熔点和第二熔点的熔点比为3.8：1。
实施例5：将实施例2中的“Bi58Sn42粉”替换为“Bi57Sn42Ag1粉”，其余步骤一致。其中，Bi57Sn42Ag1粉的第一熔点为262℃，Cu粉的第二熔点为1084.6℃，第一熔点和第二熔点的熔点比为4.1：1。
实施例6：将实施例2中的“Bi58Sn42粉”替换为“In52Sn48粉”，其余步骤一致。其中，In52Sn48粉的第一熔点为179℃，Cu粉的第二熔点为1084.6℃，第一熔点和第二熔点的熔点比为6.1：1。
实施例7：将实施例2中的“Bi58Sn42粉”替换为“In97Ag3粉”，其余步骤一致。其中，In97Ag3粉的第一熔点为181℃，Cu粉的第二熔点为1084.6℃，第一熔点和第二熔点的熔点比为6：1。
实施例8：将实施例2中的“Bi58Sn42粉”替换为“Sn77.2In20Ag2.8”，其余步骤一致。其中，Sn77.2In20Ag2.8粉的第一熔点为237℃，Cu粉的第二熔点为1084.6℃，第一熔点和第二熔点的熔点比为4.6：1。
实施例9：将实施例2中的“Bi58Sn42粉”替换为“Sn96.5Ag3.5”，其余步骤一致。其中，Sn96.5Ag3.5粉的第一熔点为258℃，Cu粉的第二熔点为1084.6℃，第一熔点和第二熔点的熔点比为4.2：1。
表2实施例2至实施例9的性能测试结果表
通过上述表格可知，本实施例提供的封装焊片其熔点、导电能力及导热能力均有提升，相较于纯Bi58Sn42，实施例2-9提供的封装焊片焊接时IMCs占比更高，这种封装焊片在焊接过程中先使合金焊料粉末熔化，然后与微米级金属颗粒发生液-固互扩散反应，形成耐高温的金属间化合物(IMCs)，从而达到“低温焊接，高温服役”的效果。
实施例2-9提供的封装焊片的主要加工方式是模压，后续的轧制及冲压仅是为了进一步生成“预制型焊片”加工过程中，“预制型焊片”的生产中无需添加助剂或粘连剂，通过直接模压的模压力使得微米级金属颗粒均匀嵌于合金焊料粉末形成的压延片内，快速成型为带有金属颗粒的封装焊片。
实施例10
本实施例中提供的一种封装焊片的制备方法，包括以下步骤：
S1、配制原料：采用平均粒径为25μm铋基合金粉与平均粒径为20μm的铜粉将Bi58Sn42粉和Cu粉按照重量比为3.5：1.5进行称取，取Bi58Sn42粉35g和Cu粉10.5g混合在一起。其中，Bi58Sn42粉的第一熔点为255℃，Cu粉的第二熔点为1084.6℃，第一熔点和第二熔点的熔点比为4.3：1。
S2、球磨混合：将经过步骤S1混合后的原料与不锈钢球一起放入不锈钢球磨罐中放入行星球磨仪中进行混合，球磨转速250RPM，球磨时间在5min。
S3、一次模压：将混合粉体取出，放入压模中，压力设置为40Mpa，停滞保压4分钟，再压制成厚度为0.8mm的压延片。
S4、二次模压：预制Bi58Sn42粉片，也即预制焊料片，将预制Bi58Sn42粉片贴附在压延片上，对贴附有Bi58Sn42粉片的压延片进行二次模压，形成贴设在压延片上下表面的焊料层，形成复合压延片。
S5、轧制：将两辊机升温至120℃，轧辊速度设定在2m/min，逐步将复合压延片轧制成较薄的带状料带，最终厚度在0.17mm之间。
S6、喷涂助焊剂：将带状料带双面均匀喷涂1.5wt％助焊剂(无卤素松香型助焊剂-市售RL-420)，放置于60℃烤箱中烘烤20min至助焊剂中溶剂挥发。多次重复涂覆工序。
S7冲制成型：将表面贴覆/镀覆有助焊剂的复合焊料带材通过冲床冲制成型，得到最终制得的封装焊片。
表3实施例2与实施例10的性能测试结果表
通过上述表格可知，本发明提供的封装焊片在表面贴覆/镀覆有焊料层后，封装焊片的熔点、导电率以及导热系数会略微降低，但其润湿性则得到很好的改善，设置焊料层有利于提高焊接时封装焊片与待焊接材料的贴合度，避免了焊片与基板之间存在空洞导致焊接接头不牢固的问题，在焊接回流过程中，焊接界面处的焊料层会先熔化而与基板反应，极大的改善焊片对基板的润湿性。
另外，实施例10经过多层模压或者轧制成型，这样焊料焊接时焊料层也与焊片中的合金焊料粉末反应，使焊缝形成多层结构而连接紧密。进一步的，本发明提供的封装焊片多次压力成型的工艺保证了其致密结构和产品合格率，让其在后续焊接中焊缝紧固且界面连接致密，焊接接头形成的复合金属间化合物的强度与韧性的统一，具备优良的综合力学性能。
本发明是通过优选实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，其他落入本申请的权利要求内的实施例都属于本发明保护的范围。
Claims (10)
1.一种封装焊片，其特征在于：
包括合金焊料粉末，以及微米级金属颗粒；
所述合金焊料粉末与所述微米级金属颗粒的重量比为8:1-1:1；
所述微米级金属颗粒的第二熔点为所述合金焊料粉末的第一熔点的3-8倍；
所述合金焊料粉末的平均粒径与所述微米级金属颗粒的平均粒径的比为0.5-1.5；
所述合金焊料粉末与所述微米级金属颗粒经混合后一次模压，得到封装焊片；其中，合金焊料粉末被压实后由于分子间作用力而连为一体形成压延片，使得微米级金属颗粒均匀镶嵌在压延片内。
2.根据权利要求1所述的封装焊片，其特征在于：
所述封装焊片的上下表面贴覆或镀覆有至少一层的焊料层，所述焊料层用于覆盖所述封装焊片的上下表面裸露的部分所述微米级金属颗粒。
3.根据权利要求2所述的封装焊片，其特征在于：
在所述封装焊片的上下表面贴覆或镀覆焊料层的方法为，将预制焊料片贴附在所述压延片上，对贴附有所述焊料片的所述压延片进行二次模压，形成所述焊料层。
4.根据权利要求2或3所述的封装焊片，其特征在于：
所述焊料层配置为合金焊料粉末层或者锡焊料层。
5.根据权利要求1或2所述的封装焊片，其特征在于：
将所述微米级金属颗粒配置为混合金属颗粒；或者
将所述微米级金属颗粒配置为合金颗粒；或者
将所述微米级金属颗粒配置为镀层金属颗粒。
6.根据权利要求2所述的封装焊片，其特征在于：
所述封装焊片的上下表面喷涂有至少一层的助焊剂层；或者
所述封装焊片的上下表面贴覆或镀覆有至少一层的焊料层，所述焊料层的上下表面喷涂有至少一层的助焊剂层。
7.根据权利要求1所述的封装焊片，其特征在于：
所述合金焊料粉末为锡基合金粉末、铟基合金粉末或者铋基合金粉末中的一种或者多种的混合物。
8.根据权利要求7所述的封装焊片，其特征在于：
所述锡基合金粉末为Sn96.5Ag3.5、Sn99.3Cu0.7、Sn77.2In20Ag2.8中的一种或者多种的混合物；
所述铟基合金粉末为In97Ag3或者In52Sn48中的一种或者多种的混合物；
所述铋基合金粉末为Bi58Sn42或者Bi57Sn42Ag1中的一种或者多种的混合物。
9.根据权利要求1所述的封装焊片，其特征在于：
采用液相化学还原法或自耗电极直流电弧法将所述合金焊料粉末制备为纳米合金焊料粉末；或者
采用高能球磨法将所述微米级金属颗粒制备为纳米金属颗粒。
10.一种用于权利要求1所述的封装焊片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对所述合金焊料粉末、微米级金属颗粒分别进行筛选；
S2：将筛选后的所述合金焊料粉末及所述微米级金属颗粒充分混合后球磨，形成混合粉体；
S3：对混合粉体进行模压，形成封装焊片。
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| CN202311284257.XA CN117300434A (zh) | 2023-09-28 | 2023-09-28 | 一种封装焊片及其制备方法 |
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