CN87102907A

CN87102907A - 添加表面活性剂改进低熔点焊料的润湿性

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Publication number: CN87102907A
Application number: CN198787102907A
Authority: CN
Inventors: 霍华德·霍斯特·利伯曼; 迪巴西斯·博斯
Original assignee: Allied Corp
Current assignee: Allied Corp
Priority date: 1986-04-21
Filing date: 1987-04-18
Publication date: 1987-10-28
Also published as: EP0242525A1; US4734256A; EP0242525B1; JPS62296991A; CA1305616C; DE3767540D1

Abstract

一铅基合金通过向其加入一种表面活性物质来改善其特性，表面活性物质包括大约0.01％～0.5％重量的碲，约0.01～0.5％重量的硒；大约0.01％～0.5％重量的硒加上大约0.1％～0.5％重量的锑，及它们的混合物。这种合金通过形成一种含有表面活性添加剂的熔融物，在以至少为10³℃/秒的冷却率下移动冷却表面上骤冷而迅速凝固。表面活性添加剂降低了熔融物的表面张力以此来实现润湿性的改善。

Description

本发明主要涉及一种常用的焊料合金和用作焊接电子元件特别是将半导体装置焊到金属或陶瓷基体上的焊料合金的润湿性能的改进。

在金属物理中，焊接是将二种往往具有不同组成的材料连接在一起的方法。焊接的方法可被用来将晶体管或其它半导体装置（小片或集成电路片）连接到一种金属或陶瓷部件上（主框架或基座）以对此装置提供机械支撑。这一过程常被称为小片固定。典型地，一种熔点低于欲被连接在一起的基体部件材料熔点的金属填料，被放入到金属部件中间形成一组合体。接着，这一组合体被加热到一个足以熔化其金属填料的温度。当冷却时，形成一个坚固的、无缝的焊接点。在这种情况下，焊接的完成通常称作为“熔炉固定”。被称作为“自动小片焊合”的为焊接的另一种方法，由于它较大的生产能力，在工业生产中正被广泛地使用。在自动小片焊合技术中，系在惰性或还原性气体的气氛下，预先将主框架或基座加热至一所需的焊接温度，接着将预制的焊料滴到热的主框架或基体上。这种预制焊料几乎立刻被熔化。接着将硅小片放到被熔化了的焊料上并且在该小片上加一个小的外力使它能将模件与焊料间的和焊料与主框架表面间的残存的气体挤压出，然后，使结合体在受控气氛下冷却。

在焊接合金材料中，有一种通常被用在小片固定中的，具有焊剂Pb-5 Sn（重量百分比%）的组成。使用这种焊接合金后的焊接处非常牢固并对在设备运行过程中的热疲劳有足够的抵抗能力。一般地，这种合金材料被使用时是呈薄片或线状。使用这种薄片，特别是在自动小片焊接设备中使用时，所带来的问题之一是它的非润湿或带有抗润湿倾向，即，在自动小片焊接设备中，所预制的焊料在热的主框架或基座上熔融后缩回到成一个球型，这个现象是由焊料合金的非润湿性、部分润湿或抗润湿性所引起的。如果一个硅元件是用一个部分润湿的或反润湿性的焊料合金焊接的，则形成焊接处会包含空隙与空洞，并将导致装置的性能不良。理想的是，被点在热的主框架后，焊料的预制件应熔化并流动到超过其固体预制件的初时尺寸，因此标志出良好的润湿与铺开的特性。由适当的润湿性焊料合金焊出的焊缝将是坚固的，因此，将显示出优良的性质。

在已有技术中保持着对Pb-Sn焊料的润湿特性进行改进的一种要求。

本发明提供了在润湿特性上具有改进的Pb-Sn焊料焊剂。在润湿特性上的有关改进是通过添加少量的表面活性剂来实现的，该添加剂包含选自包含Sb，Se和Te的组中的一个或多个元素。一般说明，本发明的合金含有4～17%（重量百分）的Sn和选自包括XTe和/或y Sb+Z Se组中的至少一个元，其中，X的变化大约可由0.01%（重量百分）到0.5%（重量百分），Y的变化可由大约0.1%至0.5%（重量百分），和Z变化可由约0.01%至0.5%（重量百分），所有这些成份的余量为Pb和偶然带入的杂质。

由于本发明的合金包含相当大的Sn含量（约4%至7%（重量百分）），它在Pb中具有有限的固溶度，本发明的熔化金属合金的常规凝固将导致焊剂成份的分凝。具有一分凝结构的焊料薄片比各向同性微结构的焊料薄片须要一更高的焊接温度和/或一更长的时间来使其重新流动。从本发明的合金中生产微晶各向同性焊料薄片的可取方法是在一移动的冷的表面上迅速固化。用这种方法生产出来的薄片为微晶形态和具有化学的各向同性的性质。其它方法，如辗压、铸造、粉末冶金技术或抽丝方法能被用来将这些合金制成薄片状或线状。本发明的焊接合金也可通过熔融物喷雾或将上述组成的薄片进行机械粉碎产生粉末形状。

另外，本发明提供了将二个或更多的部件焊接在一起的工艺，其步骤为：

（a）在将要被焊成一组合体的部件之间***一填料金属薄片，这种填料金属薄片具有比较欲被焊在一起的各个部件的熔化温度更低的熔化温度。

（b）将组合体至少加热至填料金属的熔化温度，然后冷却此组合体，其中的改进包括使用的填料金属至少是由熔化一种合金产生的一种各向同性的焊料薄片，此焊料主要包含约4～17%（重量百分）的Sn，和包括选自组成XTe和/或Y Sb+Z Se组中的至少一个成份的表面活性剂，其中X变化从0.01%～0.5%（重量百分），Y的变化从0.1%～0.5%（重量百分），Z变化从0.01%～0.5%（重量百分），所有这些成份的余量为Pb和偶然带入的杂质，并在一冷却率至少为10³℃/秒的快速移动冷却表面上将这种合金骤冷。

换句话说，焊接过程能由一具有下列步骤组合的过程来实现：

（a）将填料金属置于一将被焊到组合体上的某一部件上，这种填料金属具有一比任一欲被焊接的部件的熔化温度更低的熔化温度。

（b）将组合体至少加热至填料金属的熔化温度。

（c）将需要焊接的第二部件放到已熔化的填料金属上，以及

（d）冷却此组合体，此填料金属至少是一种由以上段落描述的工艺所生产的各向同性焊料薄片。

焊剂合金Pb-5 Sn（重量百分含量）的一种焊料通常被用于小片固定中，特别是用于自动小片焊接设备上时，不过不作为限制，使用这种薄片所带来的问题之一是当焊料预制品被滴到预热的主框架上时它的不可润湿或抗润湿特性。使用这种不可润湿或反浸湿的焊料熔融焊接时，在焊接处出现空隙。理想地，这种焊料预制件在被滴到加热的主框架后应熔化和流动，并超过其固体预制件原有的尺寸，在那方面可展示出充分的润湿性。

本发明提出了一种通过添加包括Se、Sb和Te的组中的一种或多种元素的少量添加剂来改进润湿性能的方法。一般地说，本发明的合金包含约4～17%（重量百分）的Sn和包含选自包括XTe和/或Y Sb+Z Se的组中的至少一个元的表面活性剂，其中X的变化约从0.01%～0.5%（重量百分），Y的变化约是0.1%～0.5%（重量百分），Z的变化大约是0.01%～0.5%（重量百分），全部余量为Pb和偶然带入杂质。

另外，在任何焊接过程中，特别是在小片固定中，焊料薄片最好为化学各向同性，并且不含有有机杂质。“化学各向同性”一词，如本文所用的对应本发明的焊料薄片中的，意味着具有与基体成份不同的薄片中的所有单相均小于约0.5微米。更一般地说，“化学各向同性”一词意味着所生成的薄片成份在整个体积内是完全的一致的。当用作焊料的薄片是化学各向同性时，通常能得到一个化学各向同性的焊缝，所焊的缝也应是完善的，也就是说，应没有空隙或微孔。一个完善的化学各向同性的焊接口比有空隙的以及是化学非各向同性的焊接口显示更优良的机械性能。通常，焊料薄片是由常规的金属加工技术制造的，其中一块坯条或坯块被反复辗压与退火直到达到此薄片的预定厚度。在此坯条中，相的离析将被传送至最后的产品中。另外，在金属加工中通常用作润滑剂的润滑脂或油将可能被裹在薄片中。在熔化时，这种有机杂质所放出的气体，将成为焊接处产生空隙的一个源泉。

本发明的焊料薄片，通过金属合金迅速冷却技术，如英国专利4，331，739所述的，通过在至少约10³℃/秒的冷却率下冷却一个具有预定成份的金属熔融物来制成的。所有成份的纯度为通常的工业标准纯度。

例1

在加了压的氩气下，通过将一种特殊成份的熔融物液流沉积到一迅速旋转的冷却轮上（表面速度为1200～1600英尺/分钟）可制成一大约3.175毫米（0.125″）宽13至76微米（大约0.0005到0.003英寸）厚的条板。

表Ⅰ

成份（重量百分%）

试样号 Pb Sn Sb Se Te

1 余量 5 - - -

2 余量 5 0.1 0.05 -

3 余量 5 0.5 0.05 -

4 余量 5 0.3 0.05 -

5 余量 5 0.1 0.5 -

6 余量 5 0.5 0.5 -

7 余量 5 - - 0.05

8 余量 5 - - 0.5

9 余量 15 - - -

10 余量 15 0.4 - -

11 余量 15 0.4 0.07 -

例2

从试样1、4、7取出的一段窄带的润湿特性系按下法在浇铸后立即测定。

小块预制品是首先从试样1、4、7上切下来的。在Ar+4%H₂的气氛下，使用手工小片焊接设备，将非电镀镀镍的TO-3主件基垫加热到约360℃。然后焊料预制品被分别地滴到预热的基座上。预制品的熔化几乎立刻就发生。预制品的润湿性能可以在一立体显微镜下被表征。当预制品熔化后铺开，超越其表面时，此预制品被定义为有“好”的润湿性能。当预制品熔化后会收缩（或缩回），则这种预制品被定义为有“坏”润湿性能。润湿试验的结果在下面表Ⅱ中给出。

表Ⅱ

试样号浸湿特性

1 坏

4 好

7 好

例3

为了进一步表明Se添加剂对Pb-5 Sn（重量百分）合金润湿性的有益效果，试验将采用市场上可得的辗压薄片（以后它将被称为“原收到压制薄片”）来进行。这种辗压薄片首先经化学分析后发现包含了大约0.3%（重量百分%）的Sb，未检出Se。

大约50克的商业辗压薄片被熔化并快速凝固（以后将被称为“再铸辗压薄片”）被铸成一薄片形状。然后，熔化大约50克的辗压薄片并加入大约0.025克的Se（0.05%重量百分）。这种被熔化的合金通过快速凝固（以后将被称为“再铸含Se辗压薄片”）被铸成一薄片形状。“原收到辗压薄片”，“再铸辗压薄片”与“再铸含Se辗压薄片”的润湿特性由例1中描述的确定的方法来评价。图-1是再固化后熔化的原收到辗压薄片预制品的照片，此预制品在熔化后有明显的缩回现象，表明了反润湿性，图-2说明了再铸辗压薄片的熔化特性。这里，再固化和再熔化的预制品也有明显的缩回现象。表明了反润湿性。与此相反，固化后再熔化的再铸含Se辗压薄片，如图3中所示的，完全没有缩回现象。因此，这些实验表明了由于加入了Se对Pb-5 Sn（重量百分）焊剂的润湿性能的改进。

例4

试样9、10、11中的一段窄带的润湿特性类似于例2中的在被铸成后可立刻被确定。当所有的试样焊接到To-3主件基垫上时，在加入锑与硒的添加物后润湿特性发现被改进了。另外，在表Ⅲ给出的数据中，焊接处的剪切强度由于加入了锑与硒而有了明显的增加。

表Ⅲ

试样号润湿特性剪切强度，N

9 反润湿15%、20%和30% 105，123

10 反润湿10%、10%和5% 100，100

11 无反润湿 115，163

在较详细地描述了本发明后，可以理解不必受这些细节的限制，对一个熟练於本技术领域的人来说可以考虑对其作进一步改变和扩展，所有这些均落入本发明的权利要求范围。

Claims

1、在快速凝固铅基合金中，其特征在于改进包括在所述合金中加入一种表面活性剂，包括至少一个元选自于大约0.01%～0.5%重量的碲，大约0.01%～0.5%重量的硒，和大约0.01%～0.5%重量的硒加上0.1%～0.5%重量的锑，以及它们的混合物的集合，由此来提高所述合金对基体的润湿性。

2、如权利要求1中所述的一种合金，其特征在于所述的合金中另外还包括大约4～6%重量的锡。

3、如权利要求1中所述的一种合金，其特征在于所述的合金中另外还包括大约13～17%的锡。

4、如权利要求1中所述的一种合金，其特征在于其具有薄片形状。

5、如权利要求4中所述的一种合金，其特征在于所述的薄片具有微晶结构。

6、如权利要求1中所述的一种合金，其特征在于其具有粉状形式。

7、如权利要求3中所述的一种合金，其特征在于具有主要是包括大约15%重量的锡组成的成份。

8、制造一各向同性的可延伸薄片的工艺包括下列步骤：

（a）在一铅基合金中加上一种表面活性剂，该表面活性剂是选自于包括大约0.01～0.5%重量的碲，大约0.01～0.5%重量的硒，大约0.01%～0.5%重量的硒加上大约0.1～0.5%重量的锑，以及它们的混合物组成的这个组中的至少一个成份;

（b）将含有所述表面活性剂的所述组份熔成熔融物;以及

（c）在一移动的冷却表面上以至少10³℃/秒的冷却率将此熔融物骤冷，所述的添加物对于提高上述合金对基体的润湿特性是有效的。

9、一种将二个或多个金属部件焊在一起的工艺包括下列步骤：

（a）在欲被焊成整体的各金属部件中间***填料金属以形成一组合体，此填料金属具有比各个部件的熔化温度都低的熔化温度，

（b）将组合体至少加热到金属填料的熔点，并且

（c）冷却此组合体，其中的改进包括填料金属为一种快速凝固的薄片，它应由铅作为基体的高度有序的合金所组成，还含有一种表面活性剂，该表面活性剂选自于包括大约0.01～0.5%重量的碲，大约0.01～0.5%重量的硒，大约0.01～0.5%重量的硒加上0.1～0.5%重量的锑，以及它们的混合物所组成的组中的至少一个成份。

10、一个将二个或多个金属部件焊在一起的工艺包括下列步骤：

（a）将填料金属放在将被形成结合体的一块部件上，这种填料金属具有比任何部件的熔化温度都低的熔化温度，

（b）将此结合体至少加热到填料的熔化温度，并且

（c）将第二个部件放在熔化的填料金属上，并且

（d）冷却此组合体，此填料金属至少是由本发明权利要求8的工艺所生产的一个各向同性的可延伸的焊料薄片。