一种原位反应型高温无铅焊膏制造技术

本发明专利技术涉及一种原位反应型高温无铅焊膏，它以Sn-Bi系低温焊粉作为焊接时低温熔化基体，配合可与基体焊接材料发生原位反应的Ni粉、Mn粉、Co粉或其合金粉中的一种或几种组合，再与助焊剂混合均匀配制而成，为进一步改进该高温无铅焊膏的综合物理性能还可混合添加少量的Ag粉或Cu粉。本发明专利技术焊膏经焊接过程，锡膏内部组分中添加粉末与基体粉末中的Sn发生原位反应，从而使低温熔化基体中的Sn相消失，并形成熔点较高的金属间化合物（IMC）相。从而提高焊料焊后的耐温度疲劳性和耐温度冲击性，其焊点的重熔温度大于270℃，与原来的高铅高温焊料相近，适用于多级封装领域的一级封装等高温应用领域，来替代高铅高温焊料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种原位反应型高温无铅焊膏，适用于多级封装领域的一级封装等高温应用领域，来替代高铅高温焊料，实现低温焊料的高温使用。
技术介绍
电子设备的使用范围越来越广，使用环境越来越复杂，在高温环境下，封装芯片必须具有长期工作的稳定性和可靠性，以及在电子封装中，集成电路内部一级封装和电子产品多步焊接时，均需要使用高熔点焊料。此类焊锡主要为Sn-85Pb及Sn-90Pb、Sn_95Pb等含铅(Pb)较多的材料。虽然鉴于高铅焊料没有合适的替代品，欧洲ELV指令目前允许将含铅高温焊锡作为一项例外加以使用，但这一豁免将逐一取消。根据欧盟RoHS指令计划到2016年I月可能所有Pb焊料豁免项将被解除，届时将实现电子组装系统的全面无铅化。目前对高温无铅焊料的研究主要集中在80Au-Sn合金、Sn-Sb基合金、Zn-Al基 合金及Bi基合金，但这些高温焊料均存在这样或那样的问题。高温焊料主要应用在以下几个方面 I、高温应用领域 航空航天及国防领域以及在汽车前盖、发电机和整流器等处，高电流密度和高服役温度同时存在，钎焊接头在此环境下服役时必须保持相当的稳定性和可靠性，此时的接头就需要用高温焊料，特别是对汽车发动机室。2、芯片层次封装 芯片层次封装是指将集成电路芯片与封装基板或引线架之间的粘贴固定、电路连接与封装保护的工艺，使之成为易于取放输送，并可与下一层次组装进行连接的模块元件。典型的IC内部的芯片示意图如图I所示，I为半导体芯片，2为高温焊锡材料，3为密封树脂，4为键合线，5为外装电镀,6为引脚,7为引脚框架。3、先进电子封装技术 电子设备的微型化、多功能化要求使得先进的电子封装技术也随之发展起来，如倒装芯片(FC)封装技术、多芯片模组(MCM)封装技术等。在高端倒装芯片封装中，也需要用到高温焊料；在多芯片模组封装中，经常需要多步焊接。多步焊接时，初级封装要先使用高温焊料，以保证第二步用低温焊料做焊接时焊接点的固定。
技术实现思路
本专利技术目的是提供一种原位反应型高温无铅焊膏。该焊锡膏经焊接过程后，焊膏内部组分发生原位反应消耗低温熔化基体中的Sn相，并形成熔点较高的金属间化合物(IMC)相，从而提高焊料焊后的耐温度疲劳性和耐温度冲击性，其焊点的重熔温度大于2700C，与原来的高铅高温焊料相近。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案一种原位反应型高温无铅焊膏，由Sn-Bi系的低温焊粉，Ni粉、Mn粉和/或Co粉，及助焊剂组成。高温无铅焊膏以Sn-Bi系较低Sn含量的低温焊粉(由于通用的Sn-Bi系无铅焊料相比目前较为常用的不含Bi无铅焊料具有较低的Sn含量，因而称Sn-Bi系无铅焊料为较低Sn含量的无铅焊料)作为焊接时低温熔化基体，配合一定比例组分的可与基体焊接材料发生原位反应的Ni粉、Mn粉、Co粉或其合金粉中的一种或几种组合，再与一定量的助焊剂混合均匀配制而成。本专利技术所涉及的Sn-Bi系较低Sn含量的低温焊粉，包括SnBi58和/或SnBi57Agl等低温合金焊粉，粒径在2 μ m 45 μ m。本专利技术所涉及的一定比例组分的可与基体焊接材料发生原位反应的Ni粉、Mn粉、Co粉或其合金粉中的一种或几种组合，粒径在2 μ m 45 μ m，其添加量应满足与Sn-Bi系低温焊粉完全反应后刚好能够消除Sn相的存在，不包括该焊料中Sn-Bi低温焊粉与被焊材料界面形成冶金结合所消耗掉的Sn，即不包括与被焊材料界面反应掉的Sn。如果添加量不足，将会导致焊后焊点存在SnBi低熔点相的风险，造成焊点受热时性能恶化；反之，如果添·加量过多，又会导致焊接不熔化或焊料熔化收缩不良，影响焊点外观和焊点性能。根据焊接过程中Sn相的消耗反应原理，所添加的Ni粉、Mn粉和/或Co粉的总重量应满足xM+ySn=MxSny, M为Ni、Mn、Co等，MxSny为具有较高熔点(>500°C )的金属间化合物，一般为所得焊膏重量的20% 25%。本专利技术中焊膏中起助焊作用的助焊剂为膏状助焊剂，占所得焊膏总重量的8% 15%。本专利技术焊膏中还可进一步混合添加少量的Ag粉或Cu粉，以期进一步改进该高温无铅焊膏的综合物理性能。该类改性粉末仍具有与焊膏基体中低温Sn-Bi焊粉反应而消耗Sn元素的特性,但添加量不宜超过所得焊膏总重量的5%,优选地为O. 5% I. 2%。本专利技术的优点在于 本专利技术的原位反应型高温无铅焊膏经焊接过程后，锡膏内部组分发生原位反应消耗低温熔化的基体中Sn相，并形成高熔点的金属间化合物(MO相，从而提高焊料焊后的耐温度疲劳性和耐温度冲击性，其焊点的重熔温度大于270°C (纯Bi的熔点为271. 50C )，与原来的高铅高温焊料相近。因而适用于多级封装领域的一级封装等高温应用领域，来替代高铅高温焊料，真正实现低温焊料的高温使用。应该指出的是所述的实施方案仅仅涉及本专利技术的优选实施方案，在不脱离本专利技术的精神和范围情况下，各种组分及含量的变化和改进都是可能的。附图说明图I为典型的IC内部的芯片示意图。图2为本专利技术焊膏及对比材料的焊点外观。图3为本专利技术焊膏经回流焊接后焊点的剥离面照片。具体实施例方式本专利技术的原位反应型高温无铅焊膏，以Sn-Bi系较低Sn含量的低温焊粉作为焊接时低温熔化基体，配合一定比例组分的可与基体焊接材料发生原位反应的Ni粉、Mn粉、Co粉或其合金粉中的一种或几种组合，再与一定量的助焊剂混合均匀配制而成。本专利技术中较低Sn含量的Sn-Bi系低温焊粉，包括SnBi58、SnBi57Agl等低温合金焊粉，粒径在2 μ m 45 μ m。可与基体焊接材料发生原位反应的Ni粉、Mn粉、Co粉或其合金粉中的一种或几种组合，粒径在2 μ m 45 μ m，其添加量应满足与Sn-Bi系低温焊粉完全反应后刚好能够消除Sn相的存在(实际上应不包括该焊料中Sn-Bi低温焊粉与被焊材料界面形成冶金结合所消耗掉的Sn，而一般CCL (覆铜板)基板在焊接过程中因界面反应而消耗的Sn量仅约占焊点中Sn总量的O. 5-1%。)。本专利技术中助焊剂为膏状助焊剂，占所得焊膏总重量的8% 15%。为了进一步改进该高温无铅焊膏的综合物理性能，本专利技术焊膏中还可进一步混合添加少量的Ag粉或Cu粉,添加量不超过所得焊膏总重量的5%。实施例I 锡膏各组分配比(wt%): SnBi58 粉(粒径 15 μ m 25 μ m)65 Ni 粉 (粒径 2 μ m 20 μ m)25助焊剂10 实施例2 锡膏各组分配比(wt%): SnBi58 粉(粒径 25 μ m 45 μ m)70 Mn 粉 (粒径 5 μ m 45 μ m)22助焊剂8 实施例3 锡膏各组分配比(wt%): SnBi57Agl 粉(粒径 2μπι Ι μπι)62 Ni 粉(粒径 2μπι ΙΟμπι)11 Mn 粉(粒径 5μπι 15μπι)12 助焊剂15 实施例4 锡膏各组分配比(wt%): SnBi57Agl 粉(粒径 2μπι Ι μπι)60 市售NiMnCo合金粉(粒径2μπι ΙΟμπι) 20市售Ag粉5助焊剂15 实施例5 锡膏各组分配比(wt%): SnBi57Agl 粉(粒径 25 μ m 45 μ m)3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种原位反应型高温无铅焊膏，其特征在于：它由Sn？Bi系低温焊粉，Ni粉、Mn粉和/或Co粉，及助焊剂组成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐骏，胡强，贺会军，张富文，
申请(专利权)人：北京有色金属研究总院，北京康普锡威科技有限公司，
类型：发明
国别省市：