无铅焊料箔制造技术

本发明专利技术涉及一种用于将金属的和/或金属涂覆的构件连接起来的无铅焊料箔。本发明专利技术的任务是开发一种无铅焊料箔，其能够设定经限定的连接区几何形状并且在最小程度地构成孔和/或缩孔的情况下实现耐高温的钎焊连接，该钎焊连接即使在多阶段钎焊过程中也保证高可靠性并且提高连接区的导热性。按照本发明专利技术的无铅焊料箔（1）如此构造，使得在软焊料基体（2）中分别单个地、相互平行地且与两根软焊料带之间的带边缘平行地借助于滚压包层法对两根或者更多根复合线材（3）进行包层，其中，这些复合线材（3）具有芯部（4），该芯部由相对于软焊料基体（2）更高熔点的、更坚固的金属/金属合金构成，并且围绕着该芯部布置了由另一种金属/金属合金构成的护套（5），并且在滚压包层法之后在芯部（4）中的至少一个芯部的上方和下方还布置了5 pm至15 pm的软焊料材料。pm的软焊料材料。pm的软焊料材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】无铅焊料箔


[0001]本专利技术涉及一种无铅焊料箔，用该无铅焊料箔能够将金属构件和/或金属化的/金属涂覆的构件、也就是相邻构件的金属的表面层相互连接起来。

技术介绍

[0002]为了将电子工业中的构件连接起来，在现有技术中不仅以焊膏的形式而且也以预分份的、纯金属的焊料成形件的形式使用焊料材料、大多所谓的软焊料。
[0003]如今，电子装置中的钎焊部位的可靠性以及在此尤其功率电子装置中的钎焊部位的可靠性要求焊料材料的如也用所述焊料材料所产生的连接区的非常好的机械的、电的和热的特性，其中，所述焊料材料的耐久性目前应当扩展到越来越高的温度范围。
[0004]在此出于环境保护和健康安全的原因，国际趋势是使用环境友好且健康安全的无铅焊料材料。
[0005]在转换到无铅焊料的过程中，大量的焊料变型方案（绝大部分基于锡）被开发出来，其相较于含铅的合金虽然也具有良好的机械的、电的和热的特性，然而在大约214℃至大约250℃的范围内熔化。
[0006]对于更高的工作/使用温度来说，目前没有无铅的软焊料，其将在功率电子装置中所要求的性能的耐温性与必要的可靠性和经济性统一起来。
[0007]因此，例如在高温应用中、即尤其在超过250℃的工作温度下，存在开发新型的能够成本低廉地使用的（尽可能也无铅的）软焊料箔，其满足在功率电子装置中所需要的对温度控制的要求，一方面为了在钎焊过程期间不损坏有待连接的结构组合件并且另一方面也在经济性的观点下尤其用下述情况下来实现耐高温的钎焊连接，即：对软焊料来说典型的钎焊特征、在对于无铅的软钎焊来说典型的过程温度范围内、也就是在优选250到300℃的温度时、但是在至少比所使用的软焊料的液相线温度高出20
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30 K的温度下并且用在现有技术中常见的低于5 min的钎焊时间、并且也在没有随后的热处理的情况下并且甚至在没有在钎焊期间额外地将压紧力施加到接合对象上的情况下、并且当在连接区中最小程度地构成气孔和/或缩孔时在不取决于在钎焊炉中在钎焊时有待设定的氛围的情况下，所述钎焊连接也在多阶段钎焊过程中保证了相邻构件之间的连接区的高的热可靠性。
[0008]为了能够在构件之间建立这种连接，所述焊料必须始终转变为熔融状态。
[0009]在焊料冷却和凝固之后，在组件之间建立牢固的材料锁合的连接。现有技术的焊料箔的缺点在于，所述焊料一旦转变为熔融状态，则相对于由于从外部起作用的力而产生的形状变化没有任何值得提起的内部阻抗（液态焊料的表面张力）。
[0010]这些从外部起作用的力在此能够是由有待连接的构件的重量而产生的重力，但是也能够是由连接技术产生的推力和压力、如也毛细作用力、或者能够是由表面张力的影响所引起的力，如也在钎焊时通过原子的相互作用力在结合所述接合部位/连接区的情况下所引起的力。
[0011]这些力在钎焊过程中可能导致有待接合的构件相对于彼此倾斜。
[0012]由此，在钎焊之后，在横截面中观察，焊料厚度在结构的一边缘上比在对置的边缘上薄得多。所述焊料材料的在有待钎焊的表面上的这些不同的横截面厚度对钎焊部位的使用寿命具有负面影响，同时由此提高了在“厚的”区域之处/之中的热阻，由此构成不期望的所谓“热点”。
[0013]在极端情况下，如果所述经表面安装的（SMD
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）构件在“元件立起效应（Tombstone Effekt）”中竖立在变成液态的钎焊部位中，则可能导致该经表面安装的构件的功能性的完全丧失。
[0014]在功率电子装置的构建
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及连接技术的领域中，无铅钎焊的钎焊部位与其含铅度高的对应物相比大多具有明显降低的寿命，其特征在于直到相应地所钎焊的结构组合件失效之前温度负荷变换周期的数量较少。
[0015]因此，即使铅对人和自然的毒性是众所周知，含铅度高的焊料如今仍然在敏感领域、如航天航空
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或军事技术中使用。
[0016]其他解决方案、如用膏形式的铜粉末或银粉末进行烧结或使用非常脆的含金度高的软焊料是非常昂贵的并且因此在这些领域内几乎不被考虑作为替代方案。
[0017]除了这些热机械的优点之外，含铅的、尤其含铅度高的焊料具有以下优点，即：只在比其他常规无铅软焊料更高的温度下才变得熔融。由此，能够用含铅度高的焊料来可靠地设计所谓的多阶段钎焊过程，在所述多阶段钎焊过程中彼此先后地通过钎焊来构建模块的各个层面。
[0018]因此，例如第一钎焊部位能够用较高熔点的、含铅度高的焊料来执行，随后后续钎焊部位用低熔点的锡基焊料来设计。
[0019]由于在80 K （开尔文）及以上的熔化范围中的温差，在这样的设计中原则上不存在以下危险，即：已经被钎焊的组件在用于下一组件的后续钎焊步骤中松开，因为相对于第一焊料的固相线温度的温度间隔足够大并且由此能够良好地控制。
[0020]如果局限于一般现有技术的无铅软焊料，那么在已经钎焊的钎焊连接的再次熔化温度与有待新钎焊的钎焊部位的熔化温度之间的这种温度间隔对不同的无铅的锡基焊料来说就缩小到略大于30 K。
[0021]然而，在工业实践中，在真空回流焊设备中进行钎焊时，通常会出现超过焊料的液相线温度约20
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30 K的过热，以便产生高质量的连接。
[0022]因此，在现有技术中，作为低熔点的替代方案还存在含铟和铋的焊料，其能够用于多阶段钎焊的可靠的无铅的设计。
[0023]但是，所述含铟和铋的焊料的很低的熔化温度、也在与此耦联的情况下较差的耐蠕变性大大限制了其在功率电子装置中的使用。
[0024]此外，铟是非常昂贵的金属，因此其作为大面积、大体积的系统焊料的使用通常是不经济的。
[0025]由于在常规的不受针对铅的特殊规定影响的经济区域内针对含铅焊料的进一步使用的特殊规定很快终止（Auslaufen），所以缺少能够在韧性和较高的去焊温度方面弥补相对于含铅焊料的空缺的备选的焊料材料。
[0026]在现有的构建
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及连接技术中已知以下方案，在这些方案中人们尝试通过插入成形体、网或环来阻止在钎焊过程中有待钎焊的构件的倾斜并且产生恒定的焊料层厚度。这
些方法的缺点在于，无法排除导致含有缩孔的钎焊连接的气泡。
[0027]因此，在DE 2228703 A1或者对应的US 3900153 A中介绍了一种焊料材料，其中金属的、圆形的或柱形的颗粒以熔化方法被搅入到包围它们的软焊料中或者通过滚压来加入到软焊料中，目的在于，确保在电结构元件的有待钎焊的部件之间的保持不变的间距，以便在钎焊过程中防止有待钎焊的构件倾斜。
[0028]在这种解决方案中加入到焊料材料中的金属颗粒在钎焊过程中不允许变得熔融，以便在钎焊过程之后确保构件之间的最小间距。
[0029]由于所述颗粒在几何形状上任意地并且绝对不可再现地集成在软焊料材料中，所以利用这种解决方案在将构件连接起来之后充其量能够设定与颗粒的高度相关联的最小的最低层厚度。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1. 具有50 μm至600 μm的厚度的无铅焊料箔（1），以便将金属构件（2）和/或金属化的/金属涂覆的构件（2）、也就是相邻构件（2）的金属的表面层（3）彼此连接起来，其特征在于，
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所述焊料箔（1）紧凑地如此构建，从而在要么由无铅的锡基焊料、纯锡、纯铟要么由基于铟的合金、如InSn48构成的软焊料基体（2）中分别单个地、相互平行地且平行于带边缘地于是集成了两根或更多根复合线材（3），
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所述复合线材（3）纵向于滚压方向定向地借助于滚压包层法在“初始带的按百分比计算的高度降低”的情况下（由所述带（6）的总初始高度（在不考虑所述复合线材（3）的高度的情况下求取）与所述复合箔（1）的最终高度H（具有所埋入的复合线材（3））之间的差值关于所述带（6）的总初始高度以百分比的方式来进行求取、处于大于30 %至最大95 %的范围内）被包覆在两条软焊料箔或两条软焊料带之间并且由此材料锁合地布置在所述软焊料基体中，并且
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在滚压过程之后，所述复合线材（3）的芯部（2）之间的最小允许间距为大约500 μm，并且
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在所述滚压过程之后，所述复合线材（3）的芯部（2）相对于所述焊料箔的外边缘的最小允许的间距为大约500 μm，并且
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分别单个地布置在所述焊料箔（1）中的所述复合线材（3）具有芯部（4），所述芯部由相对于所述软焊料基体（2）更高熔点的且同时更坚固的金属或金属合金、如由铜或铜基合金、银或银基合金、镍或镍基合金、金或金基合金构成，围绕着所述芯部布置了由其他金属或其他金属合金、如由纯锡或锡基合金或者由铟或铟基合金构成的护套（5），并且
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所述复合线材（3）的护套（5）相对于所述复合线材（3）的总直径具有2 %至20 %的层厚度，并且
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在所述滚压包层过程之后，在被包层在所述软焊料基体（2）中的所述复合线材（3）的芯部（4）中的至少一个芯部的上方和下方还布置了由软焊料材料构成的层，所述层由所述软焊料基体（2）的区域和由所述复合线材（3...

【专利技术属性】
技术研发人员：R，
申请(专利权)人：法尔冲压技术有限责任公司，
类型：发明
国别省市：