本发明专利技术提供一种低温复合焊料合金焊片，其包括高温层、低温层，高温层两侧分别设置一层以上的低温层，其中高温层的固相线温度为175~260℃，低温层的固相线温度为60~160℃；本发明专利技术焊片形成焊点过程中，回流峰值温度不大于220℃，满足低温回流要求；焊片材料组成由于不完全使用共晶锡铋焊片，使得焊点在服役过程可以降低铋的供给，避免大量铋在界面上聚集，形成连续铋层脆性相，提高了焊点抵抗热载荷、与动态跌落载荷的能力。态跌落载荷的能力。态跌落载荷的能力。
【技术实现步骤摘要】
一种低温复合焊料合金焊片及其制备方法和使用方法
[0001]本专利技术涉及一种低温复合焊料合金焊片的组成、形成焊点的方法，更具体的涉及用于替代低温锡铋焊片焊接的一种复合焊片，主要用于微连接领域。
技术介绍
[0002]最近的研究表明，便携式电子产品的小型化和封装复杂度的提高，使得倒装芯片越来越薄，封装过程需要多个步骤来完成。大多数采用标准SAC305合金的超薄微处理器，会导致封装基板和PCB上出现严重的动态翘曲。当使用低于200℃回流的低温焊接工艺时，可以减轻此类缺陷并提高SMT产量；此外，较低的回流焊温度可以使用更便宜的基板，显著降低能源、材料和操作成本。根据2015年iNEMI（International Electronics Manufacturing Initiative）的路线图，预计在未来十年内，低温焊接技术解决方案（至少比SAC305合金的熔化温度低1%~20%）是急需攻克的一个难题。
[0003]实际上，就单一合金焊料而言，其可供选择的合金体系非常有限；因此，Sn-8Zn-3Bi、Sn-Bi和Sn-In基合金再次受到关注。而Sn-8Zn-3Bi合金由于Zn元素的活性，其配套焊接用的助焊剂，成为制约其发展的瓶颈。而Sn-Bi共晶合金（熔点138℃）则主要由于元素铋在服役过程中，容易在界面聚集形成，形成连续铋的脆性相，而影响其使用。Sn-In共晶合金（熔点：120℃）则因为熔点太低、力学性能较差、价格较高而更多的应用于热敏感器件、保险丝等合金。
[0004]复合焊料合金预制件（CN 102883851 B），提供用于高温焊接应用的层状复合预制箔。层状复合预制箔，在焊接器件，核心金属、液体焊料层和衬底金属反应并消耗低熔点焊料相，以形成高熔点金属间化合物相（IMC）。产生的焊接接头由被在衬底侧的IMC层包夹的延展性核心层组成。接头具有比初始焊料合金涂层的原始熔化温度高得多的再熔化温度，允许随后装配封装的器件。其涉及的是一种用于高温焊接的无铅复合焊料预制件，且焊接前将不同焊片进行组装，形成预制复合焊料件。
[0005]针对目前的单一低温合金存在的容易在界面铋聚集，形成连续铋的脆性相以及熔点过低、力学性能较差、成本高等问题，且复合结构的焊片未涉及低温焊接领域。
技术实现思路
[0006]本专利技术提供了一种低温复合焊料合金焊片，其包括高温层、低温层，高温层两侧分别设置一层以上的低温层，其中高温层的固相线温度为175~260℃，低温层的固相线温度为60~160℃；低温焊点的形成不再依赖于单一合金来形成均一焊点，而是以复合合金焊片的形式，在回流过程中形成预期的合金焊点，该焊片能抑制界面铋的脆性，提高复合焊片形成焊点抵抗热载荷、静力学载荷以及动态跌落载荷。
[0007]所述高温层的体积百分比为24% ~76%，低温层的体积百分比为76%~24%。
[0008]所述高温层的焊材为共晶焊材，选自Sn-0.7Cu合金、Sn-3Ag合金、Sn-3Ag-0.5Cu合金、Sn-Sb合金、Sn-Ag-X合金中一种，其中X选自Co、Ge、Ga、In、Mn、Ni、P、Pt、Sb、Bi、Zn、Cu、
Ce、Nd、La、Pr。
[0009]所述低温层的焊材为Sn-In合金、Sn-Bi合金、BiIn-X合金，其中X选自Ge、Ga、Ce、Nd、La、Pr。
[0010]本专利技术另一目的是提供上述低温复合焊料合金焊片的制备方法：方法一，采用焊片叠层机械轧制的方法实现，即分别将高温层的焊材、低温层的焊材预轧制成厚度0.05mm~2mm的焊片，经酒精超声清洗、稀盐酸清洗、酒精超声清洗、干燥后；在高温层两侧放置一片以上的低温层，形成三层以上结构，放入轧机多次同向轧制，制得厚度0.05mm~1.0mm的复合焊片。
[0011]方法二，采用焊片热浸镀及轧制的方法实现，即将将高温层的焊材预轧制成厚度0.1mm~2mm的焊片，并将焊片剪裁出目标的尺寸，经酒精超声清洗、稀盐酸清洗、酒精超声清洗、干燥后；将低温层的焊材熔化，并将熔体温度保持在高于合金固相线温度5℃以上，并将高温层片体浸入低温层金属熔体中5~20s后，迅速提出冷却；热浸镀后的焊片放入轧机多次同向轧制，制得厚度0.05mm~1.5mm的复合焊片。
[0012]本专利技术另一目的是提供上述低温复合焊料合金焊片的使用方法，低温复合焊料合金焊片与焊接基材经回流焊接后形成；在低温复合焊料合金焊片上涂敷助焊剂，将其置于一片铜片上或两片薄铜片中间并回流形成焊点，回流峰值温度不大于220℃；复合焊片3种焊点形成方法如图2所示。
[0013]本专利技术的有益效果：（1）本专利技术以复合合金焊片的形式，在回流过程中形成预期的合金焊点，该焊片适用于低温焊接元器件；（2）焊片形成焊点过程中，回流峰值温度低于220℃，满足低温回流要求；（3）焊片材料组成不完全使用共晶锡铋（Sn-58Bi）焊片，使得焊点在服役过程可以降低铋的供给，避免大量铋在界面上聚集而形成连续铋层脆性相，提高了焊点抵抗热载荷的能力；（4）与锡铟共晶合金对比，本发材料使焊点的静态力学性能得到提高；复合焊片形成的焊点断口的韧窝大而深，因此复合焊片的塑性较好，由于锡铋合金的混入，其剪切强度也大为提高，一次回流后其强度得到提升；（5）与锡铋共晶合金对比，复合焊片形成焊点的形式提高了焊点抵抗动态跌落载荷的能力。
附图说明
[0014]图1为复合焊片叠层机械轧制的方法示意图；图2为复合焊片焊点形成方法示意图；图3为实施例1复合焊片扫描电镜图；图4为实施例1复合焊片的DSC曲线；图5为实施例1复合焊片所形成焊点的截面图（50X）；图6为实施例2复合焊片扫描电镜图；图7为实施例2复合焊片的DSC曲线；图8为实施例2复合焊片所形成焊点的截面图（50X）；
图9为实施例3复合焊片扫描电镜图；图10为实施例3复合焊片的DSC曲线；图11为实施例4复合焊片扫描电镜图；图12为实施例4复合焊片的DSC曲线；图13为实施例5复合焊片扫描电镜图；图14为实施例5复合焊片的DSC曲线；图15为复合焊片/Cu（a）以及Sn-52In/Cu(b)形成的焊点剪切断口形貌图；图16为实施例6复合焊片扫描电镜图；图17为实施例6复合焊片的DSC曲线；图18为实施例6焊点结构图；其中图a、c为复合焊片与Cu形成的焊点结构，其中c为a图中的焊接界面局部放大图；图b、d为单一Sn58Bi共晶合金焊片与Cu形成的焊点结构，其中d为b图中的焊接界面局部放大图。
具体实施方式
[0015]下面通过实施例对本专利技术作进一步详细说明，但本专利技术保护范围不局限于所述内容。
[0016]实施例1：本低温复合焊料合金焊片包括24.51%高温层、75.49%低温层，高温层两侧分别设置一层的低温层，其中高温层焊材为Sn-0.7Cu合金，固相线温度为229.3℃，低温层焊材为Sn-52In共晶合金，固相线温度为120.5℃；上述低温复合焊料合金焊片的制备如下（图1）：分别将Sn-0.7Cu合金、Sn-52In共晶合金预轧制成厚度为本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种低温复合焊料合金焊片，其特征在于：包括高温层、低温层，高温层两侧分别设置一层以上的低温层，其中高温层的固相线温度为175~260℃，低温层的固相线温度为60~160℃。2.根据权利要求1所述的低温复合焊料合金焊片，其特征在于：高温层的体积百分比为24% ~76%，低温层的体积百分比为76%~24%。3.根据权利要求1所述的低温复合焊料合金焊片，其特征在于：高温层的焊材为共晶焊材，选自Sn-0.7Cu合金、Sn-3Ag合金、Sn-3Ag-0.5Cu合金、Sn-Sb合金、Sn-Ag-X合金中一种，其中X选自Co、Ge、Ga、In、Mn、Ni、P、Pt、Sb、Bi、Zn、Cu、Ce、Nd、La、Pr。4.根据权利要求1所述的低温复合焊料合金焊片，其特征在于：低温层的焊材为Sn-In合金、Sn-Bi合金、BiIn-X合金，其中X选自Ge、Ga、Ce、Nd、La、Pr。5.权利要求1-4任一项所述的低温复合焊料合金焊片的制备方法，其特征在于：分别将高温层的焊材...
【专利技术属性】
技术研发人员：彭巨擘，蔡珊珊，罗晓斌，王加俊，
申请(专利权)人：云南锡业集团控股有限责任公司研发中心，
类型：发明
国别省市：
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