專利名稱：：用于電子元器件的低溫?zé)o鉛焊接材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于金屬材料
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及到電子產(chǎn)品表面貼裝(SMT)加工過程中使用的無鉛焊錫膏和焊接工藝技術(shù)，特別涉及到用于焊接許多部件，尤其適用于焊接半導(dǎo)體器件的電子部件和機(jī)械部件等回流焊接工藝中電子產(chǎn)品。
背景技術(shù)：
：電子封裝行業(yè)中，元器件之間的連接以焊接材料為主，傳統(tǒng)的焊料主要是錫鉛焊料，鉛本身帶有劇烈毒性，會(huì)造成長期的污染，對(duì)環(huán)境及人體的危害不言而喻，而為了滿足環(huán)保要求，錫鉛焊料將逐步被無鉛焊料所代替。目前研究的無鉛焊料體系主要有SnAg、SnCu、SnZn、SnBi等體系，熔化溫度都在25(TC以下，所形成的焊點(diǎn)在使用溫度接近15(TC20(TC時(shí)可靠性大大降低，因而在有特殊需要的場合，比如在高溫氣氛下(例如接近車用發(fā)動(dòng)機(jī))工作的電子元器件，就需要使用耐高溫的焊料。另外在焊接工藝的前期步驟中，也需要使用高溫焊料。目前，釬焊中普遍使用的高熔點(diǎn)焊料主要是SnPb95等含鉛焊料，能替代這種焊料的無鉛悍料還沒有發(fā)展，所以強(qiáng)烈需要一種可以替代高溫含鉛焊料的材料以滿足需求。另外，在通常使用的焊接過程中，都需要加熱到焊料的熔點(diǎn)溫度或者熔點(diǎn)溫度以上，這樣使得焊接部位的溫度過高，易引起部件發(fā)生熱變形和扭曲，所以焊接溫度不能太高。為了避免這種現(xiàn)象發(fā)生，需要一種焊接方法和焊接材料，能夠?qū)崿F(xiàn)在相對(duì)較低的溫度下焊接，而焊接后的界面和焊點(diǎn)能夠耐高溫。專利CN1367058A公開了一種以金屬低溫焊料成行結(jié)合方法，但該材料一方面含有Pb，另外元素以單質(zhì)形式混合，熔點(diǎn)相對(duì)較高不易混合均勻且不易焊接。日本專利CN1564726A提供了一種能夠進(jìn)行無鉛結(jié)合而代替高溫焊接的結(jié)合材料和結(jié)合方法。但主要用于精密元件的結(jié)合，焊料由復(fù)合金屬納米粒子在有機(jī)溶劑中的分散體組成，成本較高，工藝過程復(fù)雜。專利CN1887500A提供了一種合金焊粉相互混合的方法，實(shí)現(xiàn)無鉛焊錫膏的熔點(diǎn)和回流焊峰值溫度的調(diào)整。但是合金粉主要由熔點(diǎn)在20023(TC之間的錫基合金焊粉混合而成，焊接出的焊接面和悍點(diǎn)不能滿足耐高溫性。電子產(chǎn)品的多功能化和便攜式同時(shí)要求電子元件產(chǎn)品在保持原有性能的基礎(chǔ)上不斷縮小元件的尺寸。所以在許多電子元件的焊接中，要求焊接時(shí)溫度不能太高，而又需要焊接材料有高的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性能，但是單純的錫基合金釬料導(dǎo)電性能較差?；谏衔乃?，電子業(yè)界需要一種環(huán)保的無鉛材料，該材料可以替代高溫焊料并能夠用于焊接的前期階段，且具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性能。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供了一種用于電子元器件的低溫?zé)o鉛焊接材料，具有許多優(yōu)良特性能夠在低溫下實(shí)現(xiàn)焊接、有優(yōu)良的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性、高的可靠性和耐高溫性、優(yōu)良的抗坍塌性、環(huán)保并且能夠在連續(xù)焊接的前期過程中使用。本發(fā)明是采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的低溫?zé)o鉛焊接材料是由錫基合金焊粉或純錫粉和高熔點(diǎn)Ag、Cu、Ti、Ni等中的一種以上的金屬粉末按照合適的比例混合，加助焊劑制成焊錫膏；或者由錫基合金焊錫膏和合適比例的Ag、Cu、Ti、Ni等金屬粉末混合制成焊錫膏。低溫?zé)o鉛焊接材料是由常用的錫基合金粉SnBi、SnAg、SnZn、SnCu、SnAgCu、SnSb、SnZnBi合金中的一種或幾種和一定重量百分比的Cu粉、Ag粉、Ti粉、Ni粉中的一種或者幾種混合而成，加合適助焊劑配成悍膏。在釬焊過程中，焊膏中低熔點(diǎn)的合金優(yōu)先熔化，高熔點(diǎn)的合金后熔化，從而實(shí)現(xiàn)焊接。其中高熔點(diǎn)金屬粉在混合物中的重量百分比范圍如下Cu粉為5~30%，Ag粉為7.5~30%，Ti粉為1~30%，Ni粉為2~25%。另外，無鉛焊接材料中的錫基合金焊粉和金屬單質(zhì)粉的粒度在100pm以下，且無鉛焊接材料中含有不超過0.5%的不可避免的雜質(zhì)，其雜質(zhì)為In、Ga、Ge、Al、Cr、Co、Fe、P中的一種或幾種。在焊接時(shí)，將配置好的焊膏以涂敷方式、點(diǎn)膠方式或網(wǎng)印方式于需焊接元器件的表面，根據(jù)焊接材料的不同選擇加熱過程中不同的峰值溫度，焊膏中低熔點(diǎn)成份(SnBi等)先熔化，相對(duì)較高熔點(diǎn)的合金(SnCu，SnSb等)后熔化，然后高熔點(diǎn)金屬粉Cu、Ag、Ti、Ni等在熔融的同時(shí)也和低熔點(diǎn)焊粉以焊接方式牢固結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)元器件之間的連接。本發(fā)明的原理合金焊料在加熱過程中低熔點(diǎn)的合金先熔化，繼續(xù)加熱，借助熱傳導(dǎo)和助焊劑的氧化還原反應(yīng)，將熱量以階梯式一步一步傳導(dǎo)，使焊料中合金按照熔點(diǎn)由低到高的順序依次熔化，Ag、Cu、Ti、M等金屬由于熔點(diǎn)過高，不會(huì)在低溫下短時(shí)間內(nèi)熔化，但是會(huì)和Sn、Zn等元素在加熱狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)粉末間的焊接。并且由于加入了Ag、Cu等，均勻分散在焊接層或焊點(diǎn)中，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性能。另外，在加熱過程中，低熔點(diǎn)合金優(yōu)先熔化，高熔點(diǎn)的合金形成骨架，從而使焊接過程中有優(yōu)良的抗坍塌性。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)低溫?zé)o鉛焊接材料能在不改變其焊接性能的條件下，實(shí)現(xiàn)低溫下回流焊接，避免了線路板和元器件的損壞，同時(shí)也提高了焊點(diǎn)在高溫使用過程中的可靠性，并且提高了焊接層的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，和基板匹配，緩解了由熱膨脹系數(shù)差異引起的熱應(yīng)力，從而增強(qiáng)了抗熱沖擊性和熱穩(wěn)定性，保證了結(jié)合強(qiáng)度。并且，含有高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Cu焊接材料，降低了成本。并且含Zn的焊粉經(jīng)特殊抗氧化處理(包覆等)后，能實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁的焊接。含Ag的焊料能提高焊接層可靠性，高導(dǎo)電和高導(dǎo)熱性，粒度小于6iim可用于精密封裝。下面結(jié)合附表和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步進(jìn)行詳細(xì)說明。應(yīng)該聲明的是，所屬的實(shí)施例僅涉及本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，在不脫離本發(fā)明思想的情況下，各種成份及含量的變化和改進(jìn)都是可能的。具體實(shí)施例方式以下技術(shù)方案詳細(xì)敘述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，表1為本發(fā)明實(shí)施例1-10制備的低溫?zé)o鉛焊接材料的成分組成列表，表2為本發(fā)明實(shí)施例在紫銅板上的鋪展面積。實(shí)施例1:稱取粒度分布為25fxm75]Lim的SnBi58粉末94g和純Cu粉6g，充分混合，然后添加焊接材料的重量百分比為12%的松香型助焊劑制成焊錫膏。將焊錫膏涂敷于需焊接電子元器件的表面，然后置于回流焊爐中，調(diào)整加熱曲線，加熱過程中峰值溫度為20(TC，實(shí)現(xiàn)元器件之間的連接。實(shí)施例2:稱取粒度分布為20|im38|Lim的SnAg3.5粉末95g和純Cu粉5g，充分混合，然后添加焊接材料的重量百分比為12%的松香型助焊劑制成焊錫膏。將焊錫膏涂敷于需焊接電子元器件的表面，然后置于回流焊爐中，調(diào)整加熱曲線，加熱過程中峰值溫度為25(TC，實(shí)現(xiàn)元器件之間的連接。實(shí)施例3:稱取粒度分布為25pm45iLim的SnAg3.0Cu0.5粉末80g和純Ti粉20g，充分混合，然后添加焊接材料的重量百分比為12%的松香型助焊劑制成焊錫膏。將焊錫膏涂敷于需焊接電子元器件的表面，然后置于回流焊爐中，調(diào)整加熱曲線，加熱過程中峰值溫度為24(TC，實(shí)現(xiàn)元器件之間的連接。實(shí)施例4:稱取粒度分布為25nm45pm的SnBi58粉末76g和純Ag粉24g，充分混合，然后添加焊接材料的重量百分比為13%的松香型助焊劑制成焊錫膏。將焊錫膏印刷于需焊接電子元器件的表面，然后置于回流焊爐中，調(diào)整加熱曲線，加熱過程中峰值溫度為210'C，實(shí)現(xiàn)元器件之間的連接。。實(shí)施例5:稱取粒度分布為25nm~45pm的SnCu0.7粉末94g和純Ni粉3g、純Ti粉3g，充分混合，然后添加焊接材料的重量百分比為12%的松香型助焊劑制成焊錫膏。將焊錫膏印刷于需焊接電子元器件的表面，然后置于回流焊爐中，調(diào)整加熱曲線，加熱過程中峰值溫度為25(TC，實(shí)現(xiàn)元器件之間的連接。實(shí)施例6:稱取粒度分布為25fim~45|Lim的SnZn9粉末85g和純Ag粉15g，充分混合，然后添加焊接材料的重量百分比為13%的松香型助焊劑制成焊錫膏。將焊錫膏點(diǎn)膠于需焊接電子元器件的表面，然后置于回流焊爐中，調(diào)整加熱曲線，加熱過程中峰值溫度為24CTC，實(shí)現(xiàn)元器件之間的連接。實(shí)施例7:稱取粒度分布為25nm~45|im的SnBi58粉末40g，SnCu0.7粉末20g，SnAg3.5粉末15g和純Ni粉25g，充分混合，然后添加焊接材料的重量百分比為13%的松香型助焊劑制成焊錫膏。將焊錫膏印刷于需焊接電子元器件的表面，然后置于回流焊爐中，調(diào)整加熱曲線，加熱過程中峰值溫度為220°C，實(shí)現(xiàn)元器件之間的連接。實(shí)施例8:稱取粒度分布為15|nm~25|Lim的SnBi58粉末80g和純Cu粉18g、純Ag粉2g，充分混合，然后添加焊接材料的重量百分比為13%的松香型助焊劑制成焊錫膏。將焊錫膏涂敷于需焊接電子元器件的表面，然后置于回流焊爐中，調(diào)整加熱曲線，加熱過程中峰值溫度為21(TC，實(shí)現(xiàn)元器件之間的連接。實(shí)施例9:稱取粒度分布為3nm15pm的SnAg3.0Cu0.5粉末50g、純Sn粉15g和純Cu粉7g、純Ti粉28g充分混合，然后添加焊接材料的重量百分比為13%的松香型助焊劑制成焊錫膏。將焊錫膏印刷于需焊接電子元器件的表面，然后置于回流焊爐中，調(diào)整加熱曲線，加熱過程中峰值溫度為24(TC，實(shí)現(xiàn)元器件之間的連接。實(shí)施例10:稱取SnAg0.3Cu0.7焊錫膏20g，SnZn8Bi3焊錫膏20g，SnBi58焊錫膏30g，和純Cu粉30g，充分混合，然后添加焊接材料的重量百分比為13%的松香型助焊劑制成焊錫膏。將焊錫膏涂敷于需焊接電子元器件的表面，然后置于回流焊爐中，調(diào)整加熱曲線，加熱過程中峰值溫度為230°C，實(shí)現(xiàn)元器件之間的連接。表1典型實(shí)施例配置表<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表2典型實(shí)施例的鋪展面積<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>權(quán)利要求1、一種用于電子元器件的低溫?zé)o鉛焊接材料，其特征在于無鉛焊接材料是由錫基合金焊粉或純錫粉和高熔點(diǎn)Cu、Ag、Ti、Ni中的一種以上金屬粉末混合，加助焊劑配制成焊錫膏；或者直接由錫基合金焊錫膏和Ag、Cu、Ti、Ni中的一種以上金屬粉末混合配制成焊錫膏。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于電子元器件的低溫?zé)o鉛焊接材料，其特征在于錫基合金焊粉或錫基合金焊錫膏的成分由SnBi、SnAg、SnZn、SnCu、SnAgCu、SnSb、SnZnBi合金中的一種以上組成。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于電子元器件的低溫?zé)o鉛焊接材料，其特征在于無鉛焊接材料中高熔點(diǎn)金屬的重量百分比為530先的Cu、7.530%的Ag、130y。的Ti、225%的Ni。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于電子元器件的低溫?zé)o鉛焊接材料，其特征在于無鉛焊接材料中的錫基合金焊粉和金屬單質(zhì)粉的粒度在10(^m以下。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于電子元器件的低溫?zé)o鉛焊接材料，其特征在于無鉛焊接材料中含有不超過0.5%的不可避免的雜質(zhì)，其雜質(zhì)為In、Ga、Ge、Al、Cr、Co、Fe、P中的一種以上。全文摘要本發(fā)明屬于金屬材料工程
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及到電子封裝釬焊材料及技術(shù)，特別涉及到一種用于電子元器件的低溫?zé)o鉛焊接材料，從而代替高溫焊接，并且能夠使焊點(diǎn)有優(yōu)良的導(dǎo)電性和耐高溫沖擊性。本發(fā)明的焊接材料由錫基合金焊粉或純錫粉和高熔點(diǎn)金屬粉Ag，Cu，Ti，Ni按一定比例混合，配上合適的焊劑配制成焊錫膏；或錫基合金焊錫膏和金屬粉Ag，Cu，Ti，Ni按一定比例混合配制成焊錫膏，實(shí)現(xiàn)無鉛焊錫膏在低溫下焊接出高熔點(diǎn)焊接層。文檔編號(hào)B23K35/24GK101362261SQ20071012015公開日2009年2月11日申請(qǐng)日期2007年8月10日優(yōu)先權(quán)日2007年8月10日發(fā)明者品張,駿徐,強(qiáng)胡,賀會(huì)軍,趙朝輝申請(qǐng)人:北京康普錫威焊料有限公司;北京有色金屬研究總院