用于焊点预调节或修复的热处理制造技术

一种用于调节或修复焊点组合件中的含铋的无铅焊料的热处理方法。该方法包括将组合件中的焊料加热到固溶线附近的温度。

Heat treatment for pre-adjustment or repair of solder joints

A heat treatment method for adjusting or repairing lead-free solder containing bismuth in solder joint assembly is described. The method includes heating the solder in the assembly to a temperature near the solid solution line.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于焊点预调节或修复的热处理
以下涉及用于焊接的系统和方法，并且具体地涉及应用于焊点的预调节和/或修复的热处理操作。
技术介绍
历史上，使用含铅(Pb)焊料来制造电子器件，例如锡-铅(Sn-Pb)焊料。但是，铅和许多铅合金是有毒的。由于全球环境法规日趋严格，铅焊料越来越多地被毒性较小的无铅焊料对应物所替代，这些对应物也表现出低熔点和足够的导电性以供电子应用。工业上已采用含有锡(Sn)与银(Ag)和/或铜(Cu)的合金的无铅焊料来代替含铅焊料。SAC305是在工业中广泛使用的锡-银-铜合金焊料的实例。SAC305的组成为96.5％锡、3％银和0.5％铜。众所周知，Sn-Pb合金及其替代品Sn-Ag-Cu合金如SAC305的焊接性能会随时间而退化。Sn-Pb焊料性能退化的主要原因是晶粒生长，而在SAC305中，第二相(金属间)粗化导致焊料性能随时间而退化。早期的无铅焊料通常需要的处理温度高于历史上生产锡-铅焊料的处理温度。因此，这些早期的无铅焊料需要使用能够承受更高温度的专用电路板材料。已经开发出包含锡(Sn)、银(Ag)、铜(Cu)和铋(Bi)合金的无铅焊料用于不需要专用电路板材料的低温焊料应用。这种低温无铅焊料的实例描述于US2015/0258636中。已经发现，使用这些合金形成的单个无铅焊点通常由少量或甚至仅一个富含Sn的晶粒组成。结果是当响应于焊点上的冲击力或应力累积而发生沿着晶界的裂纹扩展的解理时，可能导致焊点失效。因此，由锡、银、铜和铋合金形成的焊点的典型晶粒结构导致电子焊点的可靠性不可预测，在实际应用中具有广泛的寿命分布。使用锡、银、铜和铋合金形成的无铅焊点遇到的另一个问题是Bi颗粒不均匀地分布在微结构中。由于沉淀物的脆性，加剧了上述失效机理，即加剧了响应于焊点中的冲击力或应力累积而沿着晶界的裂纹扩展的解理。由少量大的Sn晶粒和不均匀分布的Bi颗粒导致的失效机理可以归纳为不可靠的焊点而导致失效，该失效是由单向各向异性Sn晶粒周围的大且硬的Bi和金属间化合物(IMC)颗粒的偏析引起的。Tae-JyuLee、Bieler和Arfaei描述了铸态无铅焊点涉及晶粒尺寸和取向的变形行为(Tae-KyuLee,BiteZhou,LaurenBlair,Kuo-ChuanLiu和ThomasR.Bieler,Sn-Ag-CuSolderJointMicrostructureandOrientationEvolutionasaFunctionofPositionandThermalCyclesinBallGridArraysUsingOrientationImagingMicroscopy,JournalofElectronicMaterials,DOI:10.1007/s11664-010-1348-4,2010TMS；R.J.Coyle,K.Sweatman和B.Arfaei,ThermalFatigueEvaluationofPb-FreeSolderJoints:Results,LessonsLearned,andFutureTrends，JOM，2015年10月)。通过使用铝(Al)作为附加的合金元素，能够增加无铅电子焊点中Sn晶粒的数量。含Al的合金具有使更多Sn晶粒成核的趋势。然而，与Sn-Pb各向同性焊点相比，该结构仍然包含少量晶粒(IverE.Anderson，JasonW.Walleser，JoelL.Harringa，FranLaabs和AlfredKracher，NucleationControlandThermalAgingResistanceofNear-EutecticSn-Ag-Cu-XSolderJointsbyAlloyDesign,JournalofElectronicMaterials，第38卷，第12期，2009)。因此，仍然需要解决Sn晶粒数量问题的替代方案。Bi颗粒的偏析和该现象对焊点可靠性的影响尚未得到显著的研究关注。因此，需要解决该问题的方案。B.T.Lampe的"RoomTemperatureAgingPropertiesofSomeSolderAlloysWeldingResearchSupplement,"1976年10月；第330-340页("Lampe")描述了铅-锡和铅-锡-锑焊料的退火以改善焊料的稳定性。Lampe描述了在室温下老化期间在含铅合金中观察到的微结构的变化，并且发现，在200℉下加热可以在锡-铅-锑合金中产生类似的特性，但速度更快。Lampe还发现，在200℉下退火得到最终稳定的产品的较高的剪切强度和硬度。在另一项研究中，热处理用于人为地加速焊料合金的老化以研究焊料合金的性质并预测随时间的现场行为。在基于Sn的无铅焊料的主流应用中，如硬度和至失效的热循环次数的性能随时间而退化。如T.K.Lee所述，这种性能退化由与第二相颗粒粗化有关的微结构降解引起(Tae-KyuLee，HongtaoMa，Kuo-ChuanLiu和JieXue，ImpactofIsothermalAgingonLong-TermReliabilityofFine-PitchBallGridArrayPackageswithSn-Ag-CuSolderInterconnects:SurfaceFinishEffects，JournalofElectronicMaterials，第39卷，第12期，2010)。Klasik报道了通过在高温下退火一段延长的时间对Sn-Zn-Cu合金微结构的有利变化(A.Klasik等人"RelationshipBetweenMechanicalPropertiesofLead-FreeSolderandTheirHeatTreatmentParameters"JournalofMaterialsEngineeringandPerformance,vol.21(5)2012年5月,620-628页)。在升高的温度下加热168小时至24小时的时间段后观察到的这些微结构变化使得机械强度的提高。
技术实现思路
已经发现，可以调节组合件中的焊点(互联)以改善焊点性能。在一个方面，调节处理可以通过形成更均匀地分布在焊点中的较小铋颗粒来改善焊点性能。在一个方面，提供了一种用于调节焊点的方法，其包括：-i)获得具有焊点的组合件，其中该焊点是包含Bi和Sn的无铅焊点，和-ii)将组合件加热到合金的固溶线温度附近的温度，-其中，当组合件冷却时，铋颗粒比加热步骤之前更小并且更均匀地分布在焊点中。在该方法的一个实施方案中，无铅焊点包含至少2重量％的Bi。在另一个实施方案中，无铅焊点还包含Ag和/或Cu。该无铅焊点的余量或剩余部分为Sn。在该方法的另一个实施方案中，将组合件加热到固溶线温度附近的温度的步骤包括将组合件加热到低于固溶线温度最多15℃的温度至高于固溶线温度最多40℃的温度。焊料组成的固溶线温度可以通过本领域已知的方法如DSC通过实验来确定。焊点的调节可以作为初始制造过程的一部分进行，或者可以在现场条件下使用组合件一段时间后进行。在制造过程中进行调节的情况下(预调节)，调节步骤会发生在回流焊步骤以形成焊点之后和组合件在现场使用之前的某个点。在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于调节组合件中焊点的方法，其包括：‑i)获得具有焊点的组合件，其中所述焊点是包含Bi和Sn的无铅焊点，和‑ii)将所述组合件加热到合金的固溶线温度附近的温度，‑其中，当所述组合件冷却时，铋颗粒比加热步骤之前更小并且更均匀地分布在所述焊点中。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.02.11 US 62/294,0651.一种用于调节组合件中焊点的方法，其包括：-i)获得具有焊点的组合件，其中所述焊点是包含Bi和Sn的无铅焊点，和-ii)将所述组合件加热到合金的固溶线温度附近的温度，-其中，当所述组合件冷却时，铋颗粒比加热步骤之前更小并且更均匀地分布在所述焊点中。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述无铅焊点包含至少2重量％的Bi，其余为Sn。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述无铅焊点还包含Ag和/或Cu。4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述无铅焊点包含0至5重量％的Ag、0至1重量％的Cu和2重量％至10重量％的Bi，其余为Sn。5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中Bi的浓度为2重量％至7重量％。6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述固溶线温度附近的温度为低于固溶线最多15℃的温度至高于固溶线最多40℃的温度。7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述固溶线温度附近的温度为25℃至180℃。8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中所述固溶线温度附近的温度为25℃至130℃。9.根据权利要求7所述的方法，其中所述温度为75℃至18...

【专利技术属性】
技术研发人员：波利娜·斯纳戈夫斯基，伊娃·科西巴，杰弗里·K·肯尼迪，大卫·希尔曼，大卫·亚当斯，斯蒂芬·梅施特，道格·D·佩罗维奇，迈克尔·O·罗宾逊，约瑟夫·华雷斯，伊万·斯特拉兹尼奇，雷奥尼·斯纳乔维斯奇，玛丽安·罗曼斯基，
申请(专利权)人：塞拉斯提卡国际有限合伙公司，DY四系统公司，多伦多大学管理委员会，BAE系统控制有限公司，霍尼韦尔国际有限公司，罗克韦尔柯林斯股份有限公司，
类型：发明
国别省市：加拿大,CA