TW202027899A

TW202027899A - 混合合金焊膏、其製造方法以及焊接方法

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Publication number: TW202027899A
Application number: TW108139210A
Authority: TW
Inventors: 莊鑫毅; 顏怡文; 劉家佑; 艾卡特雪爾克斯
Original assignee: 德商羅伯特博斯奇股份有限公司
Priority date: 2018-10-31
Filing date: 2019-10-30
Publication date: 2020-08-01
Also published as: WO2020089258A1; JP2022506217A; US20220395934A1; US12030139B2; DE112019005431T5; CN111112869A

Abstract

本發明揭露了一種焊膏，其包括，按重量計30％至95％之間的量的第一焊料合金粉末，其包括固相線溫度在200°C和260°C之間的第一焊料合金，所述第一焊料合金包括Sn-Cu合金或者Sn-Cu-Ag合金；按重量計5％和70％之間的量的第二焊料合金粉末，其包括固相線溫度低於250°C的第二焊料合金；以及助焊劑。本發明的混合合金焊膏具有可變的熔點。在多重回流焊中不同的溫度條件下焊膏的再熔化能夠被抑制，使得印刷電路板或者電子設備在組裝和/或封裝的過程中不因為焊料的熔化引起任何功能故障。

Description

混合合金焊膏、其製造方法以及焊接方法

本發明涉及焊接技術，更具體地，涉及用採用混合合金焊膏的回流焊技術。

基於MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微機電系統）技術的感測器的封裝過程中，需要進行經過多次的焊接（回流焊），例如在第一級封裝中，使用高溫焊料將矽晶片焊接在引線框架上形成組件。隨後在第二級封裝中，已被封裝或未封裝的矽晶片/引線框架元件通過回流焊固定附著至印刷電路板。在第二級封裝中，由第一級回流焊冷卻形成的焊點也會重新熔化，這容易引起各種問題例如在不同的焊點間產生橋接從而導致產品故障。因此需要尋找新的技術方案解決該問題。

針對現有技術中的不足，本發明的目的在於解決多次焊接過程中，焊膏熔化造成的焊點間橋接的問題，為實現以上目的，本發明採用以下的技術方案：一種焊膏，其特徵在於，其包括：按重量計30％至95％之間的量的第一焊料合金粉末，其包括固相線溫度在200°C和260°C之間的第一焊料合金，所述第一焊料合金包括Sn-Cu合金或者Sn-Cu-Ag合金；按重量計5％和70％之間的量的第二焊料合金粉末，其包括固相線溫度低於250°C的第二焊料合金；以及，助焊劑。

優選地，所述第二焊料合金包括Sb或者Sn合金。

優選地，所述Sn合金包括Sn-Ag合金或者Sn-Cu合金。

優選地，所述Sn合金包括Sn-Ag-Cu合金。

優選地，所述Sn合金包括Sn-Ag-Cu-Y合金，其中Y為Al、Au、Co、Ga、Ge、In、Mn、Ni、P、Pd、Pt、Sb或Zn。

優選地，所述第二焊料合金包括Cu和Sn中的至少一種，其中，按重量計，所述第二焊料合金包括0％至3％之間的Cu，0％至4％之間的Ag以及剩餘的為Sn或者Sn與其它添加物，所述添加物為Al、Au、Co、Ga、Ge、In、Mn、Ni、P、Pd、Pt、Sb或Zn中的至少一種。

優選地，所述第一焊料合金包括10％至50％之間的Cu，0％至4％之間的Ag，和剩餘的為Sn。

根據本發明的另一方面，提供了一種製造焊膏的方法，所述製造焊膏的方法包括將以上任意一項所述的焊膏進行混合。

根據本發明的再一個方面，提供了一種焊接方法，其包括：將根據權利要求1至7中任意一項所述的焊膏施加在第一器件和第二器件之間；通過回流焊工藝加熱溶化所述焊膏以形成連接所述第一器件和第二器件的焊接縫，所述第一器件和第二器件形成焊接元件。

優選地，所述焊接方法包括：在再一次回流焊工藝中焊接所述焊接元件與其他器件時，抑制所述焊接縫的再次溶化。

從以上可以看出，根據本發明實施例的混合合金焊膏，在多次焊接中，其具有可變的熔點。使得在多次回流焊中不同的溫度條件下焊膏的再熔化能夠被抑制，因此印刷電路板或者電子設備在組裝和/或封裝的過程中不因為焊膏的熔化造成橋接引起任何功能故障。

以下將結合附圖對本發明的實施例作進一步的描述，需要說明的是，實施例以本技術方案為前提，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍並不限於實施例。

本發明涉及包括不同焊料合金和助焊劑的混合物的焊膏。焊膏用於焊接不同器件。該焊膏包括兩種或多種焊料合金或金屬混入助焊劑材料。第一焊料合金或金屬將在回流期間形成焊接縫的主體。根據與所要焊接的器件的化學反應或對第一焊料合金的親和力選擇第二焊料合金或金屬或額外焊料合金或金屬。第二焊料合金的熔化溫度Tm(B)低於第一焊料合金的熔化溫度Tm(A)。在回流焊期間，第二焊料合金首先熔化，並蔓延至所要焊接的器件上。當第一焊料合金熔化時，第二焊料合金的存在有助於將熔化的第一焊料合金置於所要焊接的器件上。第二焊料合金用於完全轉化成IMC（Intermetallic Compound，介面合金共化物），在最終的焊接縫中產生最少的低熔點相或不存在低熔點相。焊膏中的添加劑用於改進回流期間的反應化學、改善濕潤性、控制IMC的厚度和增強結合強度。

圖1示出了使用根據本發明的實施例的混合合金焊膏在回流焊前後金屬粉末的分佈示意圖。其中，圖1顯示混合合金焊膏10位於焊接元件50的第一器件11與第二器件12之間，本實施例中，第一器件11是金屬基底例如為Cu基底，第二器件12是焊接元件例如為邏輯晶片ASIC。混合焊膏10包括懸浮在助焊劑中的第一焊料合金30顆粒和第二焊料合金20顆粒。可以根據焊膏10與第一器件11的化學反應選擇合適的第二焊料合金20。將混合合金焊膏10施加至第一器件11上。

在回流焊期間，焊接元件50的溫度首先升高超過第二焊料合金20的熔化溫度Tm(B)，第二焊料合金20熔化並且在第一器件11上圍繞著仍為固態的第一焊料合金顆粒鋪展。第二焊料合金20的表面化學反應有助於熔化的第二焊料合金20在第一器件11上的濕潤。同時還會導致在熔化的第二焊料合金20和第一器件11之間形成IMC層。IMC層主要由初始焊膏10中的第二焊料合金20的量控制。

第二焊料合金20被設計成對第一焊料合金30具有良好的親和力。在一些實施方式中，親和力導致一些第一焊料合金30溶解在熔化的第二焊料合金20中形成第一焊料合金30和第二焊料合金20的混合物。

回流焊過程中，隨著溫度繼續升高達到超過第一焊料合金30的熔化溫度Tm(A)，第一焊料合金30完成熔化，從而形成第一焊料合金30和第二焊料合金20的溶液，該溶液濕潤IMC層。隨著焊接元件50保持在Tm(A)之上，第二焊料合金20從溶液中去除並增加IMC層，並留下熔化的第一焊料合金30。在其他一些實施方式中，除了形成IMC層，來自第二焊料合金20的過量組分還可以與來自第一焊料合金30的組分一起併入IMC。第一焊料合金30和第二焊料合金20之間的親和力有助於改善第一焊料合金30在IMC層上的濕潤性，從而增強結合強度。

本領域技術人員應當瞭解，在其他一些實施方式中，回流焊過程中，溫度繼續升高但未達到超過第一焊料合金30的熔化溫度Tm(A)，此時第一焊料合金30並未完成熔化，而是在第二焊料合金20完全溶解狀態下，第一焊料合金30部分地溶解，並融入第二焊料合金20的溶液，該溶液濕潤IMC層。並且，來自第二焊料合金20的組分還可以與來自部分地溶解的第一焊料合金30的組分一起併入IMC。

回流焊過程中，隨著焊接元件50冷卻，由結合至IMC的第一器件11上形成焊料凸塊或焊接縫，該IMC結合至凝固的第一焊料合金30。並且在凝固之後形成具有改善的結合介面的均質焊接縫。如圖2所示，經過回流焊後，第一焊料合金30顆粒隨機地懸浮在焊料凸塊或焊接縫中。

相比于由使用包含單一焊料合金的焊膏產生的焊料凸塊或焊接縫，由使用混合合金焊膏10特別是由第一焊料合金30和第二焊料合金20的元素組成的焊膏產生的焊料凸塊或焊接縫顯示出更好的特性。

本實施例中，混合合金焊膏10包括作為第一焊料合金30的Sn-Cu合金或者Sn-Cu-Ag合金，以及作為第二焊料合金20的Sn或者Sn合金。Sn合金包括：Sn-Ag合金、Sn-Cu合金或Sn-Ag-Cu合金或者Sn-Ag-Cu-Y合金，其中Y為Al、Au、Co、Ga、Ge、In、Mn、Ni、P、Pd、Pt、Sb或Zn。並且，混合合金焊膏包括具有30重量％至95重量％之間的量的第一焊料合金30粉末和5重量％和70重量％之間的量的第二焊料合金20粉末。其中，第一焊料合金30的Sn-Cu合金的固相線溫度處於200°C和260°C之間。第二焊料合金20的Sn或者Sn合金的固相線溫度低於250°C。Sn或者Sn合金具有比Sn-Cu合金或者Sn-Cu-Ag合金更低的熔化溫度。本實施例的混合合金焊膏可以使用在例如需要使用多次回流焊工藝以在印刷電路板上表面安裝電子器件的領域，例如在基於MEMS技術的感測器的封裝工藝中，首先需要進行傳感元件的晶片級的封裝，隨後進行器件級以及系統級的封裝。本實施例的混合焊膏優選地使用在晶片級封裝中。通常在晶片級封裝中，回流焊的最高溫度為250°C。

參考圖3的Sn-Cu的二元相圖，本實施例的混合合金焊膏例如包括按照重量計，重量為50%的第一焊料合金粉末和重量為50%的第二焊料合金粉末。其中，第一焊料合金30是液相線溫度在大約450°C的Sn-Cu合金。具體地，第一焊料合金30包括90重量％的Sn和10%重量的Cu（Sn-10Cu）。第二焊料合金20是液相線溫度在大約231°C的Sn-Ag-Cu合金。具體地，第二焊料合金20包括96.5重量%的Sn，3重量%的Ag和0.5重量的%Cu（SAC305）。

在MEMS感測器的晶片級封裝中，將混合合金焊膏10施加在第一器件11的Cu基底和MEMS傳感元件之間。在回流焊進行時溫度升高，當溫度達到和超過混合合金焊膏10中的第二焊料合金20粉末的溶化溫度時，第二焊料合金20粉末完全熔化，從而在第一器件11的Cu基底的表面上形成含Sn的IMC層。Cu和Sn之間良好的親和力確保熔化的Cu在含Sn的IMC層上有著良好粘附。

在回流焊的溫度升高至MEMS感測器的晶片級的封裝時所需的溫度例如250°C時，尚未達到第一焊料合金30粉末的熔化溫度，此時第一焊料合金30在第二焊料合金20完全熔化的狀態下，第一焊料合金30會部分地溶解，並融入第二焊料合金20的溶液，該溶液濕潤IMC層。並且，來自完全熔化的第二焊料合金20的組分還可以與來自部分地溶解的第一焊料合金30的組分一起併入IMC。具體地，第一焊料合金30會部分地溶解釋放出Cu，Cu融入完全熔化後的第二焊料合金20的溶液。同時，第一焊料合金30部分地溶解釋放出Cu還可以與來自第二焊料合金20的組分一起併入IMC。另外，第二焊料合金20中Ag的存在可將第一焊料合金30部分地溶解釋放出的多餘的Sn轉化成存在於焊料體中的Ag3Sn IMC。

在回流焊過程中，隨著元件冷卻，由結合至IMC的第一器件11的Cu基底上形成焊料凸塊或焊接縫，其中IMC與凝固的第一焊料合金30結合。並且在凝固之後形成具有改善的結合介面的均質焊接縫。此時因為Cu的加入，使得焊料凸塊或焊接縫的熔點升高。因此在進行MEMS感測器下一級別的封裝例如器件級封裝或者系統級封裝時，在達到進行回流焊所需的溫度時，熔點升高的焊料凸塊或焊接縫不容易熔化或者熔化較慢。經過多次回流焊後，完成製造MEMS感測器。

在本發明的實施例中，第一焊料合金30包括10重量％至50重量％之間的Cu，0重量％至4重量％之間的Ag以及剩餘的為Sn。

在本發明的實施例中，第二焊料合金20包括Cu和Ag的至少一種，例如0重量％至3重量％之間的Cu，0重量％至4重量％之間的Ag以及剩餘的為Sn或者Sn與其它添加物，例如：Al、Au、Co、Ga、Ge、In、Mn、Ni、P、Pd、Pt、Sb或Zn。

圖4、圖5和圖6示出了對混合合金焊膏10進行浸泡實驗的裝置以及在浸泡實驗後混合合金焊膏10的橫截面經過電子顯微鏡掃描的成像圖。圖4中，第二焊料合金20在石英坩堝40中加熱至完全熔化狀態的溫度例如250°C，隨後將1mm厚度的帶狀第一焊料合金30放入完全熔化的第二焊料合金20進行濕潤和浸泡。在分別浸泡1分鐘和5分鐘後，冷卻石英坩堝40，隨後第一焊料合金30和第二焊料合金20冷卻形成混合物。圖5和圖6顯示了冷卻後的混合物經過掃描電子顯微鏡掃描的剖視圖。由圖5和圖6，冷卻後的第一焊料合金30和第二焊料合金20混合物中可見清晰的分界線。這證明第一焊料合金30在250°C時沒有熔化。同時，在250°C時第一焊料合金30部分地溶解並釋放出Cu。

在另一方面，本發明實施例提供了一種製造以上所述混合合金焊膏10的方法，該方法包括：形成第一焊料合金30顆粒以及第二焊料合金20顆粒，然後第一焊料合金30顆粒以及第二焊料合金20顆粒和助焊劑混合以形成混合合金焊膏10。最終的混合合金焊膏10包括第一焊料合金30粉末、第二焊料合金20粉末以及餘量的助焊劑。其中，第一焊料合金30是固相線溫度在200°C和260°C之間的合金。本實施例中，第一焊料合金30是Sn-Cu合金或者Sn-Cu-Ag合金。

進一步地，第二焊料合金20是固相線溫度在低於250°C的合金。本實施例中，第二焊料合金20是Sn或者Sn合金，具體地，Sn合金包括Sn-Ag合金、Sn-Cu合金或Sn-Ag-Cu合金。在本實施例中，混合合金焊膏10由30重量％至95重量％之間的量的第一焊料合金30粉末和5重量％和70重量％之間的量的第二焊料合金20粉末組成。

進一步地，第一焊料合金30包括10重量％至50重量％之間的Cu，0重量％至4重量％之間的Ag以及剩餘的為Sn。

進一步地，第二焊料合金20包括Cu和Ag的至少一種，例如0重量％至3重量％之間的Cu，0重量％至4重量％之間的Ag以及剩餘的為Sn或者Sn與其它添加物，例如：Al、Au、Co、Ga、Ge、In、Mn、Ni、P、Pd、Pt、Sb或Zn。

在進一步的實施方式中，第二焊料合金20粉末包括由多種合金粉末組成的粉末。例如，第二焊料合金20粉末可包括選自與本實施例所述合金的不同合金的混合物。在一些實施方式中，根據焊料應用確定混合焊料膏10中第一焊料合金30和第二焊料合金20的相對量。

根據以上本發明所述的實施例，提供了一種熔點可變的混合合金焊膏，在回流焊過程中，焊膏冷卻後形成的焊料凸塊或焊接縫具有比回流焊之前較高的熔點，從而在多次回流焊中焊料凸塊或焊接縫再熔化能夠被抑制，從而有利於高溫焊料經得起多重回流而不造成任何功能故障。本領域的技術人員應當瞭解，混合合金焊膏熔化的流動性，取決於混合合金焊膏中熔化部分和不熔化部分的混合比，因此混合合金焊膏熔化的流動性可以進行調整以適應於不同的使用場景。

對於本領域的技術人員來說，可以根據以上的技術方案和構思，作出各種相應的改變和變形，而所有的這些改變和變形都應該包括在本發明權利要求的保護範圍之內。

10:焊膏 11:第一器件 12:第二器件 20:第二焊料合金 30:第一焊料合金 40:石英坩堝 50:焊接元件

本發明的特徵、特點、優點和益處通過以下結合附圖的詳細描述將變得顯而易見。圖1示出了根據本發明的實施例混合合金焊膏中混合合金粉末的分佈。圖2示出了根據本發明的實施例混合合金焊膏經過回流焊後其中混合合金粉末的分佈。圖3示出了根據本發明的實施例混合合金焊膏的Sn-Cu二元相圖。圖4示出了對根據本發明的實施例混合合金焊膏進行浸泡實驗的裝置示意圖。圖5示出了根據本發明的實施例混合合金焊膏經過1分鐘的浸泡實驗後的掃描電子顯微鏡的成像圖。圖6示出了根據本發明的實施例混合合金焊膏經過5分鐘的浸泡實驗後的掃描電子顯微鏡的成像圖。

10:焊膏

11:第一器件

12:第二器件

20:第二焊料合金

30:第一焊料合金

50:焊接元件

Claims

一種焊膏，其特徵在於，其包括：按重量計30％至95％之間的量的第一焊料合金粉末，其包括固相線溫度在200°C和260°C之間的第一焊料合金，所述第一焊料合金包括Sn-Cu合金或者Sn-Cu-Ag合金；按重量計5％和70％之間的量的第二焊料合金粉末，其包括固相線溫度低於250°C的第二焊料合金；以及，助焊劑。
根據權利要求1所述的焊膏，其特徵在於，所述第二焊料合金包括Sb或者Sn合金。
根據權利要求2所述的焊膏，其特徵在於，所述Sn合金包括Sn-Ag合金或者Sn-Cu合金。
根據權利要求3所述的焊膏，其特徵在於，所述Sn合金包括Sn-Ag-Cu合金。
根據權利要求4所述的焊膏，其特徵在於，所述Sn合金包括Sn-Ag-Cu-Y合金，其中Y為Al、Au、Co、Ga、Ge、In、Mn、Ni、P、Pd、Pt、Sb或Zn。
根據權利要求2至5中任意一項所述的焊膏，其特徵在於，所述第二焊料合金包括Cu和Sn中的至少一種，其中，按重量計，所述第二焊料合金包括0％至3％之間的Cu，0％至4％之間的Ag以及剩餘的為Sn或者Sn與其它添加物，所述添加物為Al、Au、Co、Ga、Ge、In、Mn、Ni、P、Pd、Pt、Sb或Zn中的至少一種。
根據權利要求1所述的焊膏，其特徵在於，按重量計，所述第一焊料合金包括10％至50％之間的Cu，0％至4％之間的Ag，以及剩餘的為Sn。
一種製造焊膏的方法，其特徵在於，所述製造焊膏的方法包括將根據權利要求1至7中任意一項所述的焊膏進行混合。
一種焊接方法，其特徵在於，所述焊接方法包括：將根據權利要求1至7中任意一項所述的焊膏施加在第一器件和第二器件之間；通過回流焊工藝加熱溶化所述焊膏以形成連接所述第一器件和第二器件的焊接縫，所述第一器件和第二器件形成焊接元件。
根據權利要求9所述的一種焊接方法，其特徵在於，所述焊接方法包括：在再一次回流焊工藝中焊接所述焊接元件與其他器件時，抑制所述焊接縫的再次溶化。