CN110961826B

CN110961826B - 一种纳米imc均匀增强锡基合金接头的制备方法

Info

Publication number: CN110961826B
Application number: CN201911359229.3A
Authority: CN
Inventors: 王春青; 刘威
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2019-12-25
Filing date: 2019-12-25
Publication date: 2021-03-12
Anticipated expiration: 2039-12-25
Also published as: CN110961826A

Abstract

本发明公开了一种纳米IMC均匀增强锡基合金接头的制备方法，所述方法包括如下步骤：将锡‑金属熔液灌入喷粉机，喷熔液液滴于保护气氛中，熔滴冷却，金属从溶液中析出，在不断凝固的液滴中形成分散的纳米尺度的IMC，液滴冷却成纳米IMC均匀增强锡基粉末；将纳米IMC均匀增强锡基粉末与分散剂、粘结剂、稀释剂以及助焊剂混合，得到纳米IMC均匀增强锡基焊膏；用常规的方法印刷或滴涂于待焊部位；加热焊接，形成接头。本发明可实现纳米颗粒在钎料合金中的均匀分布，保证纳米金属、纳米IMC与钎料合金基体的有效反应，有效提高钎料合金熔点，并获得均匀的组织、高的钎料合金强度。

Description

一种纳米IMC均匀增强锡基合金接头的制备方法

技术领域

本发明属于电子封装微互连技术领域，涉及一种用于高温封装、立体封装、***封装、多模块封装的多次重熔连接接头的制备方法。

背景技术

电子封装微互连技术是各种电子元器件、模块、组件封装的核心技术之一。随着电子行业对电子元器件、模块、组件的高功率和高密度封装需求和指标的不断攀升，电子元器件、片、模块、组件的服役温度也随之不断提高，这将对微互连材料提出更为苛刻的要求，然而传统的钎料合金和树脂类粘接材料等已经不能胜任高功率、发热量大电子器件及组件的高温工作环境。因此，互连部位相对较差的高温服役性能、抗蠕变性能已经成为制约高密度封装和高功率封装发展的主要瓶颈之一。此外，立体封装、***封装、多模块封装应用中，涉及到多次重熔工艺过程，要求先前实现连接的钎料及接头在后续的重熔过程中不发生再次熔化，对接头的组织及制备方法提出了更高的要求。

为解决以上问题，人们在普通焊料中加入纳米金属、纳米IMC（金属间化合物）等形成纳米颗粒增强焊料，上述材料焊接后溶入焊料合金中，希望提高钎料合金的熔点和接头的再熔化温度，并提高接头的强度、抗蠕变特性，用于高温封装、立体封装及***封装的多次重熔结构及工艺中。但上述纳米颗粒增强焊料存在下面的问题：此类焊料是由Sn基合金粉末与纳米颗粒金属或纳米IMC粉末混合，再加入焊剂等形成焊膏，通过印刷、滴涂放置到焊接部位（图1），在焊接过程中纳米颗粒会随焊剂、焊料的熔化，漂浮到Sn基合金熔液表面，导致凝固后焊点不光滑、表面粗糙，成形不好，且接头组织不均匀，强度不足，不能有效地提高接头合金的熔点、抗蠕变性能，颗粒与钎料合金多呈分离状态。

发明内容

针对现有纳米颗粒增强焊料存在的上述问题，本发明提供了一种用于高温封装、立体封装的多次重熔连的纳米IMC均匀增强锡基合金接头的制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

技术方案一：

一种纳米IMC均匀增强锡基合金接头的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：向熔化的锡、SnPb或SAC305合金中加入金属粉，继续加热使金属粉全部溶化于锡、SnPb或SAC305合金中，形成锡-金属熔液，保温5~60min；

步骤二：将锡-金属熔液灌入喷粉机，喷熔液液滴于保护气氛（氮气或氩气）中，熔滴冷却，金属从溶液中析出，在不断凝固的液滴中形成分散的纳米尺度的IMC，液滴冷却成纳米IMC均匀增强锡基粉末；

步骤三：将步骤二制备得到的纳米IMC均匀增强锡基粉末与用以均匀分散微米粒子的分散剂、可保持聚合物稳定的粘结剂、用于改善焊膏印刷性和流动性的稀释剂以及用于改善润湿性能和去除氧化膜的助焊剂混合，得到纳米IMC均匀增强锡基焊膏，所述纳米IMC均匀增强锡基焊料中含有80～90wt.%纳米IMC均匀增强锡基粉末、2～8wt.%分散剂、2～8wt.%粘结剂、2～8wt.%稀释剂、2～8wt.%助焊剂，其中：所述纳米IMC均匀增强锡基粉末为锡固溶体基体中弥散分布Cu₆Sn₅、Cu₃Sn或Ag₃Sn纳米IMC的粉末、SnPb基体中弥散分布Cu₆Sn₅、Cu₃Sn、Ag₃Sn或Ni₃Sn₄纳米IMC的粉末、SAC305基体中弥散分布Cu₆Sn₅、Cu₃Sn、Ag₃Sn或Ni₃Sn₄纳米 IMC的粉末中的一种；所述分散剂为甲基戊醇或三乙基己基磷酸等，粘结剂为α-松油醇或聚异丁烯等，稀释剂为萜品醇或酒精等，助焊剂为聚合松香或岐化松香等；

步骤四：用常规的方法印刷或滴涂于待焊部位；

步骤五：加热焊接，保温1~30min，形成接头。

技术方案二：

步骤三：将步骤二制备得到的纳米IMC均匀增强锡基粉末与钎料合金粉末、分散剂、粘结剂、稀释剂以及助焊剂混合，得到纳米IMC均匀增强锡基焊膏，所述纳米IMC均匀增强锡基焊料中含有80～90wt.%纳米IMC均匀增强锡基粉末、2～8wt.%分散剂、2～8wt.%粘结剂、2～8wt.%稀释剂、2～8wt.%助焊剂，其中：所述纳米IMC均匀增强锡基粉末为锡固溶体基体中弥散分布Cu₆Sn₅、Cu₃Sn或Ag₃Sn纳米IMC的粉末、SnPb基体中弥散分布Cu₆Sn₅、Cu₃Sn、Ag₃Sn或Ni₃Sn₄纳米IMC的粉末、SAC305基体中弥散分布Cu₆Sn₅、Cu₃Sn、Ag₃Sn或Ni₃Sn₄纳米IMC的粉末中的一种；所述钎料合金粉末为锡铅共晶钎料合金粉末、锡铅银共晶钎料合金粉末或无铅焊料合金粉末（如SnCu共晶合金、SAC305合金、SnAg合金或SnBi共晶合金等）；所述所述分散剂为甲基戊醇或三乙基己基磷酸等，粘结剂为α-松油醇或聚异丁烯等，稀释剂为萜品醇或酒精等，助焊剂为聚合松香或岐化松香等；

步骤四：用常规的方法印刷或滴涂于待焊部位；

步骤五：加热焊接，保温1~30min，形成接头。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明中的纳米IMC均匀增强锡基焊料与现有的焊料中加入纳米金属、纳米IMC（金属间化合物）等形成纳米颗粒增强焊料相比，可解决在焊接过程中纳米颗粒会随焊剂、焊料的熔化，漂浮到Sn基合金熔液表面，导致凝固后焊点不光滑、表面粗糙，成形不好，且接头组织不均匀，强度不足，不能有效地提高接头合金的熔点、抗蠕变性能，颗粒与钎料合金多呈分离状态的问题。

2、本发明可实现纳米颗粒在钎料合金中的均匀分布，保证纳米金属、纳米IMC与钎料合金基体的有效反应，有效提高钎料合金熔点，并获得均匀的组织、高的钎料合金强度。

3、本发明适用于高温封装、立体封装及***封装的多次重熔结构及连接工艺中。

附图说明

图1为传统的纳米颗粒增强焊料及加热后得到接头；

图2为纳米IMC均匀增强锡基焊料及加热后得到接头。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

实施例1：

本实施例中，按照如下步骤制备纳米IMC均匀增强锡基合金接头：

步骤一：熔化2000克的锡，向熔化的锡中加入400克铜粉，继续加热使铜粉全部溶化于锡中，得到锡-铜熔液，保温30分钟；

步骤二：将锡-铜熔液灌入喷粉机，喷溶液液滴于保护氮气气氛中，熔滴冷却，铜从溶液中析出，在不断凝固的液滴中形成分散的IMC，液滴冷却成粉，粉末为含有一定铜的锡固溶体中弥散分布Cu₆Sn₅、Cu₃Sn纳米IMC；

步骤三：将制备得到的粉末与分散剂甲基戊醇、粘结剂α-松油醇、稀释剂萜品醇、助焊剂松香通过超声波震荡、手动搅拌或机械搅拌等方法均匀混合，混合质量比例为82:4:5:4:5，得到纳米IMC均匀增强锡基焊膏；

步骤四：用丝网印刷方法将步骤三中制得的焊膏印刷于待焊部位；

步骤五：如图2所示，加热焊接，保温5min，形成接头，接头结构为锡铜固溶体中弥散分布纳米IMC颗粒。

本实施例步骤五中，以3℃/s的速度加热至150℃完成预热阶段，以4℃/s的加热速率完成保温阶段，以5℃/s的速率快速升温到峰值温度（焊膏熔化温度以上60℃）并保温200s实现再流阶段，最后以3℃/s的速率冷至100℃以下。

实施例2：

本实施例与实施例1不同的是：步骤三中，将含有一定铜的锡固溶体基体中弥散分布Cu₆Sn₅、Cu₃Sn纳米IMC的粉末与SnPb共晶焊料粉、分散剂甲基戊醇、粘结剂α-松油醇、稀释剂萜品醇、助焊剂松香适量混合，混合质量比例为52:30:6:3:5:4。

实施例3：

本实施例与实施例1或2不同的是：步骤五中加热焊接并保温30分钟形成接头，接头接头为锡铜固溶体中分布大块IMC。

实施例4：

本实施例与实施例1不同的是：步骤三中，将含有一定铜的锡固溶体基体中弥散分布Cu₆Sn₅、Cu₃Sn 纳米IMC的粉末与SnCu共晶合金粉混合，实现调节锡铜固溶体与弥散纳米IMC颗粒的比例及调节焊接温度的目的。

实施例5：

本实施例与实施例1不同的是：步骤一中，铜粉替换为银粉；步骤三中，将含有一定银的锡固溶体基体中弥散分布Ag₃Sn纳米IMC的粉末与SAC305焊料粉、分散剂甲基戊醇、粘结剂α-松油醇、稀释剂萜品醇、助焊剂松香适量混合，混合质量比例为40:42:4:5:6:3。

实施例6：

本实施例与实施例1不同的是：步骤一中，锡替换为SnPb合金，铜粉替换为镍粉。

实施例7：

本实施例与实施例1不同的是：步骤一中，锡替换为SAC305合金，铜粉替换为银粉。

实施例8：

本实施例与实施例3-5不同的是：步骤三中，所述钎料合金粉末为锡铅共晶钎料合金粉末。

Claims

1.一种纳米金属间化合物均匀增强锡基合金接头的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤二：将锡-金属熔液灌入喷粉机，喷熔液液滴于保护气氛中，熔滴冷却，金属从溶液中析出，在不断凝固的液滴中形成分散的纳米尺度的金属间化合物，液滴冷却成纳米金属间化合物均匀增强锡基粉末，所述纳米金属间化合物均匀增强锡基粉末为锡固溶体基体中弥散分布Cu₆Sn₅、Cu₃Sn或Ag₃Sn纳米金属间化合物的粉末、SnPb基体中弥散分布Cu₆Sn₅、Cu₃Sn、Ag₃Sn或Ni₃Sn₄纳米金属间化合物的粉末、SAC305基体中弥散分布Cu₆Sn₅、Cu₃Sn、Ag₃Sn或Ni₃Sn₄纳米金属间化合物的粉末中的一种；

步骤三：将步骤二制备得到的纳米金属间化合物均匀增强锡基粉末与分散剂、粘结剂、稀释剂以及助焊剂混合，得到纳米金属间化合物均匀增强锡基焊膏，所述纳米金属间化合物均匀增强锡基焊料中含有80～90wt.%纳米金属间化合物均匀增强锡基粉末、2～8wt.%分散剂、2～8wt.%粘结剂、2～8wt.%稀释剂、2～8wt.%助焊剂；

步骤四：将纳米金属间化合物均匀增强锡基焊膏印刷或滴涂于待焊部位；

步骤五：加热焊接，保温1~30min，形成接头。

2.根据权利要求1所述的纳米金属间化合物均匀增强锡基合金接头的制备方法，其特征在于所述分散剂为甲基戊醇或三乙基己基磷酸，粘结剂为α-松油醇或聚异丁烯，稀释剂为萜品醇或酒精，助焊剂为聚合松香或岐化松香。

3.一种纳米金属间化合物均匀增强锡基合金接头的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤三：将步骤二制备得到的纳米金属间化合物均匀增强锡基粉末与钎料合金粉末、分散剂、粘结剂、稀释剂以及助焊剂混合，得到纳米金属间化合物均匀增强锡基焊膏，所述纳米金属间化合物均匀增强锡基焊料中含有80～90wt.%纳米金属间化合物均匀增强锡基粉末、2～8wt.%分散剂、2～8wt.%粘结剂、2～8wt.%稀释剂、2～8wt.%助焊剂；

步骤五：加热焊接，保温1~30min，形成接头。

4.根据权利要求3所述的纳米金属间化合物均匀增强锡基合金接头的制备方法，其特征在于所述分散剂为甲基戊醇或三乙基己基磷酸，粘结剂为α-松油醇或聚异丁烯，稀释剂为萜品醇或酒精，助焊剂为聚合松香或岐化松香。

5.根据权利要求3所述的纳米金属间化合物均匀增强锡基合金接头的制备方法，其特征在于所述钎料合金粉末为锡铅共晶钎料合金粉末、锡铅银共晶钎料合金粉末或无铅焊料合金粉末。

6.根据权利要求5所述的纳米金属间化合物均匀增强锡基合金接头的制备方法，其特征在于所述无铅焊料合金粉末为SnCu共晶合金、SAC305合金、SnAg合金或SnBi共晶合金。