一种复合焊膏及应用其制备组织为细晶β-Sn晶粒的BGA焊锡球/焊点的方法技术

本发明专利技术提供一种复合焊膏及应用其制备组织为细晶β

【技术实现步骤摘要】
一种复合焊膏及应用其制备组织为细晶
β
‑
Sn晶粒的BGA焊锡球/焊点的方法


[0001]本专利技术涉及电子封装材料及钎焊
，具体而言，尤其涉及一种复合焊膏及应用其制备组织为细晶β
‑
Sn晶粒的BGA焊锡球/焊点的方法。

技术介绍

[0002]随着电子封装器件的多功能、高性能和小体积的发展要求，电子封装技术也向轻、薄、小、高密度和低成本方向发展。由于Ball grid array(BGA)技术能够应用在小尺寸和高密度环境的同时还可以维持良好的传输电信号功能，因此被广泛应用于电子工业、制造业、汽车制造业、维修业等领域。
[0003]Sn
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Ag
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Cu(SAC)钎料具有较低的熔点，较好的润湿性，因此在BGA封装中是使用最为广泛的钎料材料。β
‑
Sn为金属Sn的一种同素异构体，晶体结构为体心四方结构其物理和力学性能具有强烈的各向异性。例如，150℃时，Cu、Ni和Ag等元素沿β
‑
Sn晶粒c轴的扩散速率比沿a轴大43倍有余。因此，当焊点含有少量晶粒时，BGA焊点会在物理性能、力学性能、元素扩散等方面表现出严重的各向异性。而在常规工艺下SAC BGA焊锡球或焊点的组织仅含有数个或一个晶粒β
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Sn晶粒，这将会导致BGA焊点在服役过程中表现出严重的各向异性。目前主要有两种办法可以解决微焊点的各向异性问题：1.控制焊点内β
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Sn晶粒取向；2.细化焊点内β
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Sn晶粒。其中控制Sn晶粒取向虽然可以增加在特定环境下的服役寿命，但是封装器件的工作环境是多变的，仅提高某一环境下的性能显然不可取，而细化β
‑
Sn晶粒却可以从根本上降低甚至消除各向异性问题，因此可以从β
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Sn晶粒细化方面解决上述可靠性问题。
[0004]目前材料领域对组织细化方法主要有：提高冷却速率、改变成分、添加外场和添加异质形核剂。提高冷却速率虽然在一定程度上有效的细化大型铸锭的晶粒尺寸，但是由于BGA焊点尺寸较小，凝固时间极短，常规冷却速率的增加效果甚微；调节钎料成分，改变Ag含量，虽然改变Ag含量可以有效细化焊点晶粒尺寸，但是Ag元素含量的改变会使得焊点由共晶组织向亚共晶或过共晶组织转变降低力学性能，另外Ag含量的改变会影响焊点润湿性等，对焊接互联过程造成影响；通过添加交变磁场、超声外场会有效的细化大型铸锭组织，但是由于BGA焊点尺寸较小，基本没有外场对BGA焊点组织影响的研究，另外添加磁场等会对电子器件造成磁化作用，容易在制造过程中改变器件性能甚至损伤器件，带来不确定的可靠性问题；添加异质形核剂在对金属改性的领域中一直是被研究的重点，添加常用形核剂可以通过增加金属凝固过程中的形核位点在一定程度上有效的细化大型铸锭的组织。然而由于Sn枝晶在凝固过程中生长速度极快的特性，常规类型添加剂对Sn基钎料的细化效果要远远小于其它金属，有时甚至没有细化效果产生，此现象尤其体现在微型的BGA焊锡球及焊点中。
[0005]而目前制作BGA焊球的传统工艺有离心雾化法、气雾化法、液滴喷射法和切丝重熔法等。这些常规的制球方法成本较高，设备耗资大，只能适用于具有成熟工艺的大批量的焊
锡球制备。而对于小批次要求、各种直径焊锡球的制备一直没有良好的解决方案。
[0006]综上，如何在能够减少成本，小批量且精确控制BGA焊锡球或焊点尺寸的要求下制备出β
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Sn晶粒细化的BGA焊锡球或焊点，这对需要在低成本高效率条件下研究并改善BGA焊点的技术发展都具有很大帮助。

技术实现思路

[0007]根据上述提出BGA焊锡球及焊点在服役过程中容易存在各向异性的技术问题，而提供一种复合焊膏及应用其制备组织为细晶β
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Sn晶粒的BGA焊锡球/焊点的方法。本专利技术主要提供一种复合焊膏，由Sn
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xAg
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yCu粉末、添加剂及助焊剂/膏三者按照一定质量比例机械搅拌混合而成，在制备BGA焊锡球及焊点的制造过程中，通过第一类添加添加剂，可以增加BGA焊锡球及焊点在回流冷却过程中的形核位点，有效促进大量的β
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Sn晶粒从液态钎料中同时结晶，进而细化了BGA焊锡球及焊点的凝固组织，获得细晶β
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Sn晶粒组织。在制备BGA焊锡球及焊点的制造过程中，通过第二类添加添加剂，第二类添加剂中金属元素可固溶至Sn内部进而改变β
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Sn的性质，使得最后凝固组织为细晶β
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Sn晶粒组织，进而最终提高其在服役过程中的可靠性。
[0008]本专利技术采用的技术手段如下：
[0009]一种复合焊膏，其特征在于，由以下物质按照一定的质量比均匀混合而成：
[0010]添加剂、助焊剂/膏及Sn
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xAg
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yCu粉末，其中，x＝0.3～5wt.％，y＝0％～1wt.％。采用机械搅拌方式均匀混合，在转速50r/min
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100r/min的搅拌棒下搅拌6
‑
12h即得到均匀混合膏体。
[0011]进一步地，添加剂共分两类，其中第一类添加剂：含Sn化合物类纳米颗粒为Ni3Sn4、CoSn3、PtSn4、PdSn4和IrSn4中的一种或多种；第二类添加剂：可与Sn固溶的元素粉末，即In、Sb及Ge元素粉末中的一种。需注意的是第一类和第二类添加剂可以分开或者同时使用。
[0012]进一步地，第一类添加剂的尺寸小于1μm；第二类添加剂尺寸小于40μm。
[0013]进一步地，所述复合焊膏的各物质含量如下所示：第一类添加剂：0.01
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2wt.％；第二类添加剂0.1
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20wt.％；助焊剂/膏15
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20wt.％；余量为Sn
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xAg
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yCu粉末。
[0014]本专利技术还公开了一种应用上述复合焊膏制备组织为细晶β
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Sn晶粒的BGA焊锡球/焊点的方法，将具有固定孔径且厚度一定的丝网放置在基板上或者金属焊盘上使两者紧密贴合形成一个组合体，而后将复合焊膏均匀涂覆至丝网的网孔内部(完全填充即可，除丝网内孔含有焊膏外，其他位置的焊膏都需去除)，通过回流工艺将复合焊膏熔化并凝固成型，清洗脱落(将回流结束后的组合体置于丙酮溶液中超声清洗，剩余助焊剂会在丙酮溶液中溶解从而使得BGA焊锡球从钢网脱落进入丙酮溶液中)，过滤烘干后得到尺寸一定且β
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Sn晶粒细化的BGA焊锡球/焊点。
[0015]进一步地，所述丝网与基板组合时，所述丝网和基板具有相同或异种的材质，为Fe基、Al基、Ti基、陶瓷或与Sn基钎料不润湿的材料中的一种或两种。所述丝网和基板的组合方法可以为压合、贴合或机械联结的任意一种，并不限于某种联结方式，联结后需保证丝网和基板紧密贴合，钎料在熔融本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合焊膏，其特征在于，由以下物质按照一定的质量比均匀混合而成：添加剂、助焊剂/膏及Sn
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xAg
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yCu粉末，其中，x＝0.3～5wt.％，y＝0％～1wt.％。2.根据权利要求1所述的复合焊膏，其特征在于，所述添加剂分为两类，第一类添加剂为含Sn类化合物纳米颗粒；第二类添加剂为与Sn固溶的元素粉末；其中，所述含Sn类化合物颗粒为Ni3Sn4、CoSn3、PtSn4、PdSn4和IrSn4中的一种或多种；与Sn固溶的元素粉末为In、Sb及Ge元素粉末中的一种；配料时，选择使用两类添加剂中的一种或者两种混合使用。3.根据权利要求2所述的复合焊膏，其特征在于，所述复合焊膏的各物质含量如下：第一类添加剂：0.01
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2wt.％；第二类添加剂：0.1
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20wt.％；助焊剂/膏15
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20wt.％；余量为Sn
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xAg
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yCu粉末。4.根据权利要求3所述的复合焊膏，其特征在于，第一类添加剂的尺寸小于1μm；第二类添加剂的尺寸小于40μm。5.一种应用权利要求1
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4任意一项权利要求所述的复合焊膏制备组织为细晶β
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Sn晶粒的BGA焊锡球/焊点的方法，其特征在于：将具有固定孔径且厚度一定丝网放置在基板上或者金属焊盘上使两者紧密贴合形成一个组合体，而后将复合焊膏...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宁，任晓磊，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：