提高可靠性的無鉛焊膏的製作方法
2023-05-14 21:34:06
專利名稱：提高可靠性的無鉛焊膏的製作方法
技術領域：
本發明涉及焊膏，特別是涉及基於錫銀銅(SAC)的無鉛焊膏。
背景技術：
焊膏，如SnAg4Cu0.5，有形成空洞的趨勢，從而相對於含鉛焊膏，穩定性降低，因此降低焊縫(solder joint)的可靠性。
根據美國專利US5527628，除共晶組合物Sn93.6Ag4.7Cu1.7之外，這三種材料錫-銀-銅體系或兩種材料錫-銀和錫-銅體系組合物的其他非共晶組合物，用於合金以產生該軟焊的熔化範圍。這種技術的焊接組合物，特別是錫銀銅(SAC)焊料顯示金屬間相(intermetallic phases，IMP)。一般具有理想配比成分的金屬間相(如Cu3Sn，Cu6Sn5)具有很低的晶體對稱性而且通常非常脆。在較寬範圍穩定的化合物(如Ag3Sn)一般具有高對稱性而且還通常更易延展，然而會降低焊接結構的穩定性。因此金屬間相在具有多組分的軟焊中是不期望的。因為這些所述的臨界金屬間相在電焊過程中保留、生長，而且因此影響延展性，在最後焊縫出現斷裂點，對其機械穩定性產生消極影響，因此是不期望的。在焊接過程中金屬間相還在接觸面形成，但是其他以任何方式存在的金屬間相由焊料引入。這些金屬間相在焊接過程中增長然後隨著時間繼續擴大，因此導致晶間斷裂(intercrystalline fracture)或晶粒退化(grain deterioration)。
發明內容
本發明的目的是進一步提高焊膏質量，特別是降低形成空洞的趨勢。
為解決這個問題，不期望的金屬間相的引入減少。為此，製備含有金屬粉末混合物的焊膏，其產生具有熔化範圍至少為5K和更適宜為小於30K。其中適宜的混合物是金屬粉末混合物，其金屬粉末組分的熔點彼此不同，熔點差別高於5K，尤其高於10K，更適宜是高於15K，任意地低於30K，特別是達到25K。但是如果高熔點組分在其熔點以下溶解在熔融物中，金屬粉末混合物也可以使其熔點達到100K甚至更高，那麼熔化範圍可以保持在30K以下。對於本發明的焊膏，不期望的金屬間相幾乎可以保持任意低。另外，根據空洞測試，形成的空洞可以減少相當多。特別是錫、銀、銅(SAC)合金的空洞的形成可以減少一個數量級。從而，這些焊膏可以使焊縫更加穩定，因此更加可靠，這對於電子組件很有利。尤其重要的是應用於印刷電路板結構和晶片焊盤。該焊縫的最終合金(final alloy)首先在焊接過程中至少部分形成。因此，對於金屬粉末，在焊接過程中就會引入較少的臨界金屬間相(IMP)。如果金屬間相供給具有100％最終合金(目標合金(target alloy))的焊接工藝，那麼金屬間相將由於金屬粉末混合物按照焊接過程中首次形成的最終合金的部分而減少。
較佳的實施例該粉末混合物在一溫度範圍可熔融，該溫度範圍超過該體系共晶溫度的30K以下；該金屬粉末合計符合三元、四元或更多元金屬體系；該金屬粉末在其粒子大小分布上不同，其中特別更適宜為最精細粉末具有最高熔點或具有最低質量份數；該無鉛焊膏具有不同金屬組合物的粉末，其中至少兩種金屬粉末根據一種合金組分與該主要組分不同而製備，因此一種粉末具有較高的該組分含量而其他金屬粉末含有較少或不含該組分；該焊膏是錫-銀-銅焊膏；該主要組分是SAC合金，特別是具有2～5％銀和0.2～1％銅，更適宜是3～4％銀和0.3～0.8％銅的合金；該SAC混合物總的具有2～5wt％銀和0.2～1wt％的銅，更適宜是3～4wt％銀和0.4～0.8 wt％銅。
為製備這種焊膏，至少兩種具有不同熔點的金屬粉末與助熔劑混合。為此，已知的製備方法，如配製、攪拌、捏合和均質是適宜的。
根據本發明，可以設計不期望的金屬間相減少的焊接工藝，在該工藝中一金屬粉末經過再熔融過程形成焊縫。該工藝過程的決定因素是焊膏的塗層，其含有具有不同合金組成的粉末，任意地還可以是純金屬，其一般具有不同的熔化範圍或熔點。焊縫的成分在此由金屬粉末的混合物比例預先確定，但是在焊接過程中首先取決於焊膏的熔融。根據質量和數量金屬間相基本可以控制。
進一步，與技術上標準的合金組合作為金屬粉末混合物是可能的，以便焊膏組合物符合個別目標合金。
本發明的焊膏更適宜含有錫、銅、銀、金或鉑元素的一種作為主要組分。選擇其他組分以便粉末組合物在共晶附近產生熔化範圍。混合在該焊膏中的該金屬粉末除具有不同組成外，更適宜還具有不同粒子大小。當具有最低熔融組分的粉末，如共晶組合物，是金屬粉末的主要組分而且更適宜具有最大的平均粉末顆粒時證明是有效的。顆粒大小應至少差0.7倍，更適宜達到一個數量級，其中甚至兩個數量級可以是有利的。特別地這是當具有相對高熔融合金和當高熔融合金必須由熔融物溶解時的情況。因此，該熔化範圍不需要與相圖上的熔化範圍絕對一致。熔化範圍的基礎是金屬粉末在此範圍形成熔融物而且所有粉末熔融，至少到有效程度，在少於30K的熔化範圍，特別是25K，或溶解在熔融物中。根據熔化範圍較低和較高熔化範圍限制可以與另外合金的分別的較低和較高值或者是純金屬熔點不同。個別金屬粉末可以是純金屬或合金，但是必須在該條件下，作為粉末混合物形成一合金，更適宜三元或更高合金，在少於30K的熔化範圍，特別是25K的最大值。因此該粉末必須處於形成熔融物的條件，其含有至少兩個元素，更適宜是至少三個元素。
關於無鉛焊膏，在許多國家應該考慮建立新的法規。提出1％作為鉛含量的限制。(Elektronik Praxis marktreport Bleifrei[Electronic PracticeMarket Report Lead-free]-June 2004，page 6)對於粉末組合物，臨界金屬間相的比例可以降低一個數量級以上。這與顯著提高焊縫的穩定性有關。
下面結合實施例和
本發明。
圖1a和圖1b顯示SnAg4Cu0.5的顯微照片中的金屬間相。
圖2a顯示顯微照片中的Sn99Ag1，幾乎檢測不到金屬間相。
圖2b顯示顯微照片中的Sn99Cu1，幾乎檢測不到金屬間相。
圖3顯示顯微照片中Sn97Cu3的低金屬間相。
圖4顯示顯微照片中的Sn95Ag5，沒有金屬間相可以檢測。
圖5顯示實施例1的粉末混合物的熔化範圍。
圖6顯示由實施例1的粉末混合物製備的合金的熔點。
圖7a顯示最終AT-MIX的百分數和空洞大小與標準對比(Percent andvoidsize ofthe final AT-MIX vs.the standard)，其中左側小孔部分和右側大孔部分。
圖7b顯示質量分析，即最終AT-MIX的等級與標準對比(Ranking ofthe final AT-MIX vs.the standard)。
具體實施例方式
實施例根據焊膏的常規製備工藝製備具有目標合金SnAg4Cu0.5和Sn96.5Ag3Cu0.5的焊膏，不同的是各種合金混入一粉末混合物。該粉末符合根據EN61190-1-22002的粉末顆粒大小3(powder grain size 3 accordingto EN61190-1-22002)。可清楚辨認的金屬間相只在SnAg4Cu0.5粉末和Sn96Ag3Cu0.5對比粉末中檢測。
SnAg4Cu0.5(熔點217℃)Sn96Ag4(熔點222℃)Sn99Cu1(熔點接近227℃)Sn95Ag5(熔點範圍221到240℃)Sn99.15Cu0.85(熔點接近229℃)目標合金SnAg4Cu0.5實施例180％SnAg4Cu0.5和16％Sn95Ag5和3％Sn97Cu3和1％Sn99Cu1實施例260％SnAg4Cu0.5和32％Sn95Ag5和6％Sn97Cu3和2％Sn99Cu1實施例3
50％SnAg4Cu0.5和15％Sn100和10％Sn80Cu20和25％Sn99Cu1目標合金Sn96.5Ag3Cu0.5實施例450wt％SnAg4Cu0.5，25wt％Sn96Ag4，和25wt％Sn99Cu1實施例550wt％SnAg4Cu0.5，20wt％Sn95Ag5，和30wt％Sn99.15Cu0.85實施例650wt％Sn95.5Ag4Cu0.5，20wt％Sn95Ag5，和30wt％Sn99.15Cu0.85該焊膏分別焊接到印刷電路板上銅接合，並檢測焊縫。
根據本發明的粉末製作的焊縫比由合金SnAg4Cu0.5(對比例1)和Sn96.5Ag3Cu0.5(對比例2)製作的焊縫包含相當少的金屬間相。具有80％SnAg4Cu0.5的混合物大約在對比例和本發明的其他實施例之間，其顯示金屬間相的多少大約僅為對比例的一半。
根據本發明製作的焊縫，關於衝擊和震動的敏感性方面的機械載荷能力以及抗 度波動能力得到改善。
根據圖1，實施例1的熔化範圍由差熱分析(DTA)測定。其隨後的DTA顯示粉末混合物製備的合金從尖峰熔點看幾乎是共晶。
根據符合文章「避免焊接空洞」(「Avoiding the Solder void」by RichadLathrop，Heraeus Circuit Materials Division，Philadelphia，Pennsylvania)的空洞測試方法，本發明的焊膏與合金相比得到改善。在圖7a中顯示測定的空洞。根據本發明，大空洞明顯減少。從這些結果得到圖7b的質量分析結果，其中根據本發明的具有68和64點的實施例1和2的質量與現有技術(對比例1)相比獲得明顯提高。
權利要求
1.無鉛焊膏，其特徵在於，所述的焊膏包括至少兩種金屬粉末，其熔點或熔化範圍彼此相差至少5K，特別是至少10K。
2.根據權利要求1所述的無鉛焊膏，其特徵在於，所述的金屬粉末合計至少為三元金屬體系。
3.根據權利要求2所述的無鉛焊膏，其特徵在於，所述的焊膏為錫-銀-銅焊膏。
4.根據權利要求3所示的錫-銀-銅焊膏，其特徵在於，所述的粉末混合物總地包括2～5％銀和0.1～1％銅，特別是3～4％銀或0.3～0.8％銅。
5.根據權利要求1、2、3或4所述的無鉛焊膏，其特徵在於，所述的熔點或熔化範圍彼此相差小於30K，特別是最大為25K。
6.製作穩定的焊縫的方法，其特徵在於，引入該焊縫的金屬間相減少，所以最終合金首先在焊接過程中形成，而且構成合金的組分比相應於該最終焊縫的合金組合物含有更少的金屬間相。
7.減少焊縫中金屬間相的方法，其中金屬粉末經過再熔融工藝形成焊縫，其特徵在於，該金屬粉末是具有熔點或熔化範圍差為至少5K的至少兩種粉末的混合物。
8.製備焊膏的方法，其特徵在於，至少兩種具有至少5K熔點或熔化範圍差的金屬粉末與助熔劑製成焊膏。
9.包括至少兩種不同金屬粉末的無鉛焊膏應用於晶片焊盤或印刷電路板組件。
全文摘要
根據本發明，不期望的金屬間相(IMP)的引入減少。為此，製備焊膏，其具有至少5K和更適宜是少於30K的熔化範圍的金屬粉末混合物。適合此目的的是金屬粉末混合物，其中金屬粉末組分的熔點彼此差別大於5K，特別是大於10K，更適宜大於15K，任意地少於30K，特別是達到25K。但是，如果較高熔點組分在其熔點以下溶解於熔融物中，則金屬粉末混合物其中熔點也可以是100K和更高，以使熔點範圍在30K以下。對於本發明的焊膏，不期望的金屬間相可以保持任意低。
文檔編號B23K35/34GK1721122SQ20051008472
公開日2006年1月18日 申請日期2005年7月12日 優先權日2004年7月13日
發明者A·布蘭德, S·格列布納, W·施米特, J·特羅德勒 申請人:W.C.賀利氏有限公司