CN116275676A - 焊膏及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
焊膏包括高温焊粉、低温焊粉和助焊剂。低温焊粉的熔点温度低于高温焊粉的熔点温度，高温焊粉和低温焊粉在加热时均具有润湿能力。
Description
技术领域
本发明涉及焊膏以及使用该焊膏的方法。
背景技术
***级封装(System In Package，SiP)是将多个IC集成在一个封装内。主要的方向包括在小型化方面的发展、通过缩短信号路径以提升速度、以及通过减小信号传输过程的能量耗散以增大电池寿命。SiP从多芯片模块开始演进，并且正成为主流的封装技术。
IC的组装一直采用焊膏工艺，由于坍塌，尤其是热坍塌(hot slump)，相邻焊盘之间缩小的间隙不可避免地成为技术瓶颈。为确保焊点的产量和可靠性，足够体积的焊膏是必需的，而焊膏的体积因素在加工过程中加剧了坍塌以及所导致的焊膏桥接(锡桥)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种焊膏，该焊膏具有显著的抗坍塌效果，不损害印刷的焊膏体积，并且具有可接受的焊点使用温度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种焊膏，包括：
高温焊粉；
低温焊粉，其熔点温度低于所述高温焊粉的熔点温度；以及
助焊剂；
其中，所述高温焊粉和所述低温焊粉在加热时均具有润湿能力。
作为优选，所述高温焊粉为96.5Sn3Ag0.5Cu，所述低温焊粉为58Bi42Sn、52In48Sn或者58Bi42Sn和52In48Sn的组合。
作为优选，所述低温焊粉相对于所述焊膏的质量比不小于1％。
作为优选，所述低温焊粉相对于所述焊膏的质量比不小于10％。
作为优选，所述低温焊粉相对于所述焊膏的质量比不大于15％。
作为优选，所述高温焊粉的熔点温度和所述低温焊粉的熔点温度的温度差不小于120摄氏度。
作为优选，所述高温焊粉的熔点温度和所述低温焊粉的熔点温度的温度差不小于50摄氏度。
一种焊膏的使用方法，该方法包括：
将焊膏沉积到印刷电路板的焊盘上；
通过所述焊膏将元件贴装于所述印刷电路板的表面上；
其中，所述焊膏为权利要求1至7中任一项所述的焊膏。
作为优选，通过所述焊膏回流焊所述元件以形成焊点。
作为优选，所述焊膏开始吸热反应的温度不小于约179摄氏度。
作为优选，将所述焊膏在第一温度区间加热第一时长，所述低温焊粉固态扩散而包围所述高温焊粉，其中，所述第一温度区间的温度不低于设定温度而低于所述低温焊粉的熔点温度，所述设定温度低于所述低温焊粉的熔点温度并且不低于比所述低温焊粉的熔点温度低15摄氏度的温度。
作为优选，所述第一时长大于5秒。
作为优选，所述第一时长大于10秒。
作为优选，该方法包括：将所述焊膏在第二温度区间加热第二时长，所述低温焊粉熔化而形成包围所述高温焊粉的粉末簇，其中，所述第二温度区间的温度不低于所述低温焊粉的熔点温度而低于所述高温焊粉的熔点温度。
作为优选，该方法包括：所述第二时长大于5秒。
作为优选，该方法包括：所述第二时长大于10秒。
在一个实施例中，一种焊膏包括高温焊粉、低温焊粉以及助焊剂，其中，低温焊粉的熔点温度低于高温焊粉的熔点温度，高温焊粉和低温焊粉在加热时均具有润湿能力。
在另一个实施例中，一种方法包括将前述焊膏沉积到印刷电路板的焊盘上，以及通过焊膏将元件贴装于印刷电路板的表面上。
本发明公开了焊膏及其使用方法。该焊膏具有显著的抗坍塌效果，不损害印刷的焊膏体积，并且具有可接受的焊点使用温度。
根据以下具体实施方式结合附图，本发明的其他特征和方面将变得明显，所述附图通过示例的方式示出了根据本发明的实施方式的特征。发明内容不旨在限制本发明的范围，本发明的范围仅由随附的权利要求限定。
附图说明
根据一个或多个各种实施方式，本文公开的技术参考所包括的附图而详细描述。仅为了说明目的提供附图，并且其仅描绘了示例性实施。此外，应该注意的是，为了清楚和易于说明，附图中的元件不一定按比例绘制。
图1示意了传统回流焊工艺与本发明实施例中通过形成粉末簇而具有抗坍塌特性的回流焊工艺的比较。
图2示意了本发明实施例中通过75μm厚度的钢板而印刷的SAC焊膏。
图3示意了本发明实施例中通过75μm厚度的钢板而印刷的B4焊膏。
图4示意了本发明实施例中通过75μm厚度的钢板而印刷的I4焊膏。
图5示意了本发明实施例中通过75μm厚度的钢板而印刷的B16焊膏。
图6示意了本发明实施例中当基于200μm x 200μm和75μm厚度的图案测试时58Bi42Sn相对于焊膏的质量比(content，ratio of mass)关于坍塌率(slump rate)的变化。
图7示意了本发明实施例中当基于150μm x 150μm和75μm厚度的图案测试时58Bi42Sn相对于焊膏的质量比关于坍塌率的变化。
图8示意了本发明实施例中当基于200μm x 200μm和50μm厚度的图案测试时58Bi42Sn相对于焊膏的质量比关于坍塌率的变化。
图9示意了本发明实施例中当基于150μm x 150μm和50μm厚度的图案测试时58Bi42Sn相对于焊膏的质量比关于坍塌率的变化。
图10示意了本发明实施例中当基于200μm x 200μm和75μm厚度的图案测试时52In48Sn相对于焊膏的质量比关于坍塌率的变化。
图11示意了本发明实施例中当基于150μm x 150μm和75μm厚度的图案测试时52In48Sn相对于焊膏的质量比关于坍塌率的变化。
图12示意了本发明实施例中当基于200μm x 200μm和50μm厚度的图案测试时52In48Sn相对于焊膏的质量比关于坍塌率的变化。
图13示意了本发明实施例中当基于150μm x 150μm和50μm厚度的图案测试时52In48Sn相对于焊膏的质量比关于坍塌率的变化。
图14示意了本发明实施例中开口尺寸和低温焊粉类型(alloy type)关于坍塌率的变化，其中低温焊粉类型包括58Bi42Sn(BiSn)和52In48Sn(InSn)。
图15示意了本发明实施例中温度和低温焊粉类型关于坍塌率的变化，其中低温焊粉类型包括58Bi42Sn和52In48Sn。
图16示意了本发明实施例中钢板图案和低温焊粉类型关于坍塌率的变化，其中低温焊粉类型包括58Bi42Sn和52In48Sn。
图17示意了本发明实施例中使用前述焊膏的示例性方法的流程。
附图不旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式。应该理解的是，本发明可以通过修改和改变来实施，并且所公开的技术仅由权利要求及其等同物限制。
具体实施方式
在背景技术和以下描述中，出于解释说明的目的，列出了许多具体细节来帮助彻底理解本说明书中描述的技术。然而，所属领域的技术人员将明白，可以在没有这些具体细节的情况下实施示例性实施例。在其他情况下，图示了结构和装置，以便于描述这些示例性实施例。
现有技术中，用于焊膏的金属粉末可包括具有润湿能力的焊粉和不具有润湿能力的非焊粉末。例如，96.5Sn3Ag0.5Cu(SAC305)、58Bi42Sn和52In48Sn属于焊粉，而铜粉和铁粉属于非焊粉末。
在一些现有技术中，可以使用包含高温焊粉而不包含低温焊粉的焊膏。在回流焊的过程中，基于高温焊粉的润湿能力，可以使用该焊膏将元件贴装于印刷电路板(PCB)的表面上。
在一些现有技术中，可以使用包含低温焊粉和高温非焊粉末的焊膏。在回流焊的过程中，基于低温焊粉的润湿能力，可以使用该焊膏将元件贴装于PCB的表面上。
相对照地，根据本发明所述的实施例，焊膏可以包括高温焊粉、低温焊粉和助焊剂，低温焊粉的熔点温度相对地低于高温焊粉的熔点温度；高温焊粉和低温焊粉在加热时均具有润湿能力。
如本说明书描述，“加热”包括但不限于回流焊。回流焊、回流或者焊接为在使用钢板将焊膏沉积在PCB的焊盘上之后通过该焊膏将元件贴装或者附接于PCB表面上的工艺。通过焊膏进行回流焊，形成了焊点。
术语“高温焊粉”和“低温焊粉”是基于其熔点温度而彼此相对的概念。因此，一种焊粉可以在一种实施中用作高温焊粉而在另一种实施中用作低温焊粉。
在具体实施中，高温焊粉可以为96.5Sn3Ag0.5Cu，而低温焊粉可以为58Bi42Sn、52In48Sn或者58Bi42Sn和52In48Sn的组合。
在现有技术中，回流焊的过程中产生焊膏的坍塌，导致焊膏的锡桥，这不利于焊点的产量和可靠性。为解决该问题，本发明实施例所提出的焊膏包括高温焊粉和低温焊粉。
在具体实施中，可以将少量低温焊粉加入到包含高温焊粉的焊膏中。
在特定的实施中，低温焊粉相对于焊膏的质量比不小于1％；优选地，不小于10％。
图1示意了传统回流焊工艺与本发明实施例中通过形成粉末簇而具有抗坍塌特性的回流焊工艺的比较。
如图1(a)所示，使用了现有技术中包含高温焊粉而不包含低温焊粉的焊膏。在回流焊的过程中，随着温度的上升，高温焊粉容易流动，从而导致焊膏的坍塌。
如图1(b)所示，使用了本发明实施例提供的、包含高温焊粉和低温焊粉的焊膏。在回流焊的过程中，当加热温度接近或者不低于低温焊粉的熔点温度时，形成了粉末簇，因此将有效地降低焊膏的坍塌。进一步的加热将导致焊膏的完全聚结(coalescence)而不会产生额外的坍塌。
在具体实施中，当加热温度低于但接近低温焊粉的熔点温度时，低温焊粉固态扩散，并因此而包围高温焊粉，从而形成了一种类型的粉末簇。
在特定实施中，将焊膏在第一温度区间加热第一时长，其中，第一温度区间的温度不低于设定温度而低于低温焊粉的熔点温度。
在特定实施中，设定温度低于低温焊粉的熔点温度并且不低于比低温焊粉的熔点温度低15摄氏度的温度。
在特定实施中，第一时长大于5秒；优选地，大于10秒，例如5分钟。
在具体实施中，当加热温度不低于低温焊粉的熔点温度时，低温焊粉熔化，然后湿润而包围高温焊粉，从而形成了另一种类型的粉末簇。
在特定实施中，将焊膏在第二温度区间加热第二时长，其中，第二温度区间的温度不低于低温焊粉的熔点温度而低于高温焊粉的熔点温度。
在特定实施中，第二时长大于5秒；优选地，大于10秒，例如5分钟。
如表1所示，准备了一组用于测试抗坍塌的焊膏样品，其中使用了类型5的58Bi42Sn、类型3的52In48Sn和类型5的SAC305，并且示出了SAC305、58Bi42Sn、52In48Sn和助焊剂分别相对于焊膏的质量比。
对于这些样品，焊膏中焊粉的体积比表示高温焊粉和低温焊粉二者的体积相对于焊膏的体积比(即焊膏中的金属体积比)，回流焊膏熔化的第一迹象表示焊膏开始吸热反应而高温焊粉还未熔化所位于的温度；主峰值温度表示在回流焊的过程中的最高温度，在该温度处高温焊粉熔化。
随着温度上升，焊膏通常在接近回流焊膏熔化的第一迹象时开始软化。因此，这些样品的熔化范围可通过检查熔化的第一迹象和回流焊膏的主峰值温度来表示，如表1所示结果。
表1
如表2所示，使用一些钢板的图案而印刷焊膏。
表2
| 开口 | 布置 | 间隔(Spacing) | 厚度 |
| 150μm x 150μm | 10x 10,一行5组 | 90μm | 50μm |
| 150μm x 150μm | 10x 10,一行5组 | 90μm | 75μm |
| 200μm x 200μm | 10x 10,一行5组 | 100μm | 50μm |
| 200μm x 200μm | 10x 10,一行5组 | 100μm | 75μm |
每个焊膏都印刷在陶瓷基底上，每个焊膏印刷三次。对于每次印刷，用作包含于PCB上的电气或电子元件的玻璃滑板被轻放于已印刷焊膏的顶部，然后通过光学显微镜拍摄照片以检查印刷质量和坍塌。在拍摄照片之后，样品分别放置于设为100℃、150℃和200℃的热板的顶部5分钟。再次在光学显微镜拍摄照片后检查样品的坍塌。
对于每次印刷，对于一个图案，可以得到500个印刷的焊膏点。
对于预定的结合条件，坍塌率可以基于以下方程确定。
Np为印刷后的焊膏点数。
Nh为热板处理后的焊膏点数。
坍塌率＝(Np-Nh)/Np x 100％。
图2示意了通过75μm厚度的钢板而印刷的SAC焊膏。如图2(a)所示，SAC焊膏在室温下新鲜地印刷。如图2(b)所示，SAC焊膏设置于200℃的热板上而加热5分钟，对于该200℃处加热的样品，可以观察到坍塌，其由减少的焊膏点数所证实。
图3示意了通过75μm厚度的钢板而印刷的B4焊膏。如图3(a)所示，B4焊膏在室温下新鲜地印刷。如图3(b)所示，B4焊膏设置于200℃的热板上而加热5分钟；对于该200℃处加热的样品，坍塌被阻止了。
图4示意了通过75μm厚度的钢板而印刷的I4焊膏。如图4(a)所示，I4焊膏在室温下新鲜地印刷。如图4(b)所示，I4焊膏设置于200℃的热板上而加热5分钟；对于该200℃处加热的样品，坍塌被阻止了。
图5示意了通过75μm厚度的钢板而印刷的B16焊膏。对于B16，其低温焊膏的质量比是29.5％，如表1所示。当B16在高温(例如200℃)下测试时，锡桥可能已经聚结而形成大的锡球。在该情况下，于坍塌率的计算中，每个锡球均记作焊膏的大的点，因此，坍塌率增大了。
随着低温焊粉相对于焊膏的质量比(即低温焊粉的含量，w/w)的增大，例如，超过10％，坍塌率也增大。但是，相比于现有的焊膏，例如包含高温焊粉而不包含低温焊粉的焊膏，无论本发明实施例中低温焊粉的含量是不小于1％还是10％，坍塌率总体上是下降的。
图6示意了当基于200μm x 200μm和75μm厚度的图案测试时58Bi42Sn相对于焊膏的质量比关于坍塌率的变化，而58Bi42Sn被用作低温焊粉。当58Bi42Sn的质量比增大到约10％时，坍塌率迅速下降，然后随着58Bi42Sn的质量比的进一步增大而增大。尽管当58Bi42Sn的质量比不小于10％时坍塌率上升，但是，相比于现有的焊膏，例如表1中的SAC样品，坍塌率是显著下降的。
上述坍塌率的初始下降归因于“粉末簇”效应。当测试于150℃和200℃的温度时，该效应尤其明显；其中，58Bi42Sn熔化于138℃，因此能够形成粉末簇。当58Bi42Sn还没有熔化时，58Bi42Sn于100℃的积极效果也是显著的。可推定，在100℃处58Bi42Sn足够软，从而通过固态扩散粘结而形成初期的粉末簇。
随着58Bi42Sn的含量超过10％，坍塌率上升，这归因于“焊料体积”因素。焊膏中58Bi42Sn的密度大于SAC焊膏，随着58Bi42Sn含量的增大，焊膏中总的焊粉的体积比下降，如图6所示。随着该焊粉体积比的下降，粘度下降，坍塌率增大。
因此，随着58Bi42Sn的含量的增大，初期下降的坍塌率取决于粉末簇效应。但是，后续坍塌率增大的趋势取决于焊料体积效应。焊料体积效应由更高的温度而进一步加剧，导致坍塌率在200℃最高，其次在150℃，而在100℃具有最低的坍塌率。
当使用具有开口尺寸和钢板厚度的其他组合的钢板时，也可以观察到图6示出的、58Bi42Sn含量的类似效果，如图7至9所示。尽管观察到一些散布的数据，但是趋势是清楚的。
图10示意了当基于200μm x 200μm和75μm厚度的图案测试时52In48Sn相对于焊膏的质量比关于坍塌率的变化，而52In48Sn被用作低温焊粉。当52In48Sn的质量比增大到约10％时，坍塌率迅速下降，然后随着52In48Sn的质量比的进一步增大而趋平。相比于现有的焊膏，例如表1中的SAC样品，坍塌率是显著下降的。
上述坍塌率的初始下降再次归因于“粉末簇”效应。当测试于150℃和200℃的温度时，该效应尤其明显；其中，52In48Sn熔化于118℃，因此能够形成粉末簇。类似于58Bi42Sn的情形，当52In48Sn还没有熔化时，52In48Sn于100℃的积极效果也是显著的。再次类似地，这归因于52In48Sn的固态扩散粘结。
包含58Bi42Sn的焊膏中所观察到的焊料体积效应在包含52In48Sn的焊膏中没有被观察到。这归因于52In48Sn(7.3g/cm3)和SAC305(7.4g/cm3)具有近似的密度。
当使用具有开口尺寸和钢板厚度的其他组合的钢板时，也可以观察到图10示出的、52In48Sn含量的类似效果，如图11至13所示。尽管观察到一些散布的数据，尤其在图13中，但是趋势是清楚的。
本发明实施例所描述的焊膏包括高温焊粉和低温焊粉。高温焊粉的熔点温度和所述低温焊粉的熔点温度的温度差不小于120摄氏度。优选地，不小于90摄氏度；更优地，不小于50摄氏度。
图14至16示意了包含58Bi42Sn的焊膏和包含52In48Sn的焊膏的坍塌率的比较。包含58Bi42Sn的焊膏比包含52In48Sn的焊膏显示出可测量地更低的坍塌率。这归因于52In48Sn更低的熔点温度，因此，粉末簇可以在到达更高温度而形成进一步坍塌之前在较低的温度形成粉末簇。
SnPb共晶焊粉，尽管比SAC焊粉的熔点温度低，但是已经在电子产业使用了几十年，在使用温度上没有问题。这表明对于绝大多数应用，SnPb***的熔点温度是足够高的。为了根据63Sn37Pb(熔化于183℃)或者62Sn36Pb2Ag(熔化于179℃)确定关于使用温度的基准，焊膏熔化的第一迹象应等于或者高于约179℃，例如在170℃至190℃的温度区间。表1中的数据表明样品B2、B4、B8、I2、I4和I8为可接受的选择。
基于表1，对于包含58Bi42Sn的焊膏和包含52In48Sn的焊膏，为了获得约179℃或更高的、在第一迹象处的温度，低温焊粉的含量应为焊膏的15％w/w或更低。
图17示意了描绘示例性方法100的操作流程图，其中使用了上述焊膏。在操作110处，将焊膏沉积到PCB的焊盘上。在操作120处，通过焊膏将元件贴装于PCB的表面上。
可以通过加热焊膏而将元件贴装于PCB的表面上。如本发明实施例所描述，加热包括但不限于回流焊。
在具体实施中，方法100包括：通过焊膏回流焊元件以形成焊点。
在具体实施中，在例如回流焊的过程中焊膏开始吸热反应的温度不小于约179摄氏度。
在具体实施中，方法100包括：将焊膏在第一温度区间加热第一时长，低温焊粉固态扩散而包围高温焊粉，其中，第一温度区间的温度不低于设定温度而低于低温焊粉的熔点温度，设定温度低于低温焊粉的熔点温度并且不低于比低温焊粉的熔点温度低15摄氏度的温度。
在具体实施中，第一时长大于5秒，优选地大于10秒。
在具体实施中，方法100包括：将焊膏在第二温度区间加热第二时长，低温焊粉熔化而形成包围高温焊粉的粉末簇，其中，第二温度区间的温度不低于低温焊粉的熔点温度而低于高温焊粉的熔点温度。
在具体实施中，第二时长大于5秒，优选地大于10秒。
本说明书使用了各种实例来揭示本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制造并使用任何装置或***，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书界定，并可包括所属领域的一般技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意思相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意思无实质差别，则此类实例也属于权利要求书的范围。
Claims (10)
1.一种焊膏，其特征在于，包括：
高温焊粉；
低温焊粉，其熔点温度低于所述高温焊粉的熔点温度；以及
助焊剂；
其中，所述高温焊粉和所述低温焊粉在加热时均具有润湿能力。
2.根据权利要求1所述的焊膏，其特征在于，所述高温焊粉为96.5Sn3Ag0.5Cu，所述低温焊粉为58Bi42Sn、52In48Sn或者58Bi42Sn和52In48Sn的组合。
3.根据权利要求1所述的焊膏，其特征在于，所述低温焊粉相对于所述焊膏的质量比不小于1％。
4.根据权利要求1所述的焊膏，其特征在于，所述高温焊粉的熔点温度和所述低温焊粉的熔点温度的温度差不小于120摄氏度。
5.一种焊膏的使用方法，其特征在于，包括：
将焊膏沉积到印刷电路板的焊盘上；
通过所述焊膏将元件贴装于所述印刷电路板的表面上；
其中，所述焊膏为权利要求1至7中任一项所述的焊膏。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，包括：通过所述焊膏回流焊所述元件以形成焊点。
7.根据权利要求5或6所述的焊膏，其特征在于，所述焊膏开始吸热反应的温度不小于约179摄氏度。
8.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，包括：将所述焊膏在第一温度区间加热第一时长，所述低温焊粉固态扩散而包围所述高温焊粉，其中，所述第一温度区间的温度不低于设定温度而低于所述低温焊粉的熔点温度，所述设定温度低于所述低温焊粉的熔点温度并且不低于比所述低温焊粉的熔点温度低15摄氏度的温度。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一时长大于5秒；所述第二时长大于5秒。
10.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，包括：将所述焊膏在第二温度区间加热第二时长，所述低温焊粉熔化而形成包围所述高温焊粉的粉末簇，其中，所述第二温度区间的温度不低于所述低温焊粉的熔点温度而低于所述高温焊粉的熔点温度。
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