本發(fā)明涉及一種實驗室用BGA納米強化焊錫球的制備方法，采用分級攪拌、絲網(wǎng)印刷制備納米顆粒強化焊錫球，并且進(jìn)一步制備成具有抗熱疲勞屬性的BGA封裝器件，屬于焊接材料技術(shù)領(lǐng)域，具體為電子封裝技術(shù)。

背景技術(shù)：

焊錫球是電子元器件封裝連接的重要工業(yè)原材料，廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)、制造業(yè)、汽車制造業(yè)、維修業(yè)等，存在于各種BGA結(jié)構(gòu)之中，也為軟釬焊釬料研究提供了參考。

目前傳統(tǒng)無鉛焊錫球的制備流程有氣霧化法、離心霧化法、切絲重熔法和擺動成型工藝等，這些方法借鑒傳統(tǒng)粉末生產(chǎn)技術(shù)，再通過專業(yè)的檢測手段，得到可用的焊料球，這些方法的生產(chǎn)成本高，產(chǎn)品質(zhì)量不容易得到保證。氣霧化法生產(chǎn)中，一些工藝參數(shù)如霧化氣體的壓力、霧化氣體介質(zhì)性質(zhì)都會對霧化顆粒的分散度、大小和形狀產(chǎn)生影響，錫粒的分散度較寬，必須通過多次篩分及檢測才能得到能夠滿足使用要求的顆粒。而離心霧化生產(chǎn)效率較高，但是生產(chǎn)的顆粒分布比較分散且真圓度不高，必須經(jīng)過多次篩分及檢驗才能得到滿足使用要求的顆粒。切絲重熔法必須先將釬料制成一定規(guī)格的細(xì)絲，比較復(fù)雜，并且對制造機械的精度要求很高，拉絲過程容易造成釬料絲的粗細(xì)不均勻，進(jìn)一步會影響生產(chǎn)的顆粒的尺寸大小，同時，金屬在重熔的過程中，液體介質(zhì)的溫度、種類，重熔時間的控制以及工藝的控制都將影響到生產(chǎn)的釬料小球真圓度、表面質(zhì)量以及結(jié)晶組織，從而對產(chǎn)品在BGA封裝中的質(zhì)量產(chǎn)生影響。這些方法成本高，設(shè)備耗資耗材量大，只適用于大批次焊錫球的制備，而且加熱溫度較高，環(huán)境凈化要求高，工藝流程復(fù)雜，對于小批量納米強化材料的實驗室研究應(yīng)用不太適合。

針對以上問題，本發(fā)明搭建了一種實驗室用BGA焊錫球制備的平臺，方便快捷，可以少量制備多種組分的不同直徑大小的焊錫球，并且成本極低，利用現(xiàn)有資源，對于高校和研究所的研究具有很大便利。

目前市面上應(yīng)用較廣的就是SAC305的無鉛焊錫球，在無鉛焊料中有著相對最好的焊接性，但是其疲勞抗性差。目前的無鉛共晶合金也需要提升自身性能以滿足電子封裝日益增加的要求，無鉛焊料有兩個發(fā)展趨勢為業(yè)界關(guān)注，一是無鉛焊料的多組元合金化，即以現(xiàn)有的Sn基或者Sn-Ag基等無鉛焊料為基礎(chǔ),在其中添加多組元合金元素，以增加組元的方式來改善焊料的性能；另一個方向則是復(fù)合無鉛焊料，主要是以Sn基或者Sn-Ag、Sn-Ag-Cu基等無鉛焊料為基礎(chǔ)，通過內(nèi)生或者添加增強相的方式來制備復(fù)合無鉛焊料。研制復(fù)合焊料的主要目的是通過增強相使得焊料內(nèi)部保持一個穩(wěn)定的顯微組織及均勻變形，從而改進(jìn)焊料的可靠性，改善和彌補基體合金性能上的某些不足，提高焊點的力學(xué)性能，特別是抗熱力疲勞性能及抗蠕變性能，進(jìn)而全面提升焊點的使用壽命。此外，這種強化的另一個重要特征是基本不會改變原基體焊料的熔點、潤濕性等工藝特性，同時能夠有效地擴大其工作溫度范圍，當(dāng)強化粒子的尺寸小于1μm時還能夠有效細(xì)化顯微組織。

隨著納米材料的興起，其漸漸開始應(yīng)用于復(fù)合釬料的制備中。添加POSS顆粒、CNTs納米顆粒等的復(fù)合釬料可靠性已有一定研究發(fā)現(xiàn)，添加一定POSS能有效減緩電遷移速率，并且延長焊點熱疲勞壽命，而碳納米管作為一種新興材料，優(yōu)異的導(dǎo)電傳熱性、高彈性模量、良好的韌性，其復(fù)合釬料也有很大的研究價值。

本發(fā)明就是著眼于傳統(tǒng)BGA無鉛焊錫球的制備問題，提供了一種適用于實驗室的可以自己動手的新型材料(納米顆粒強化)BGA焊錫球的制作方法，并且整合了現(xiàn)有的設(shè)備資源搭建了可以學(xué)生自己操作的制備平臺，提供了一種抗熱疲勞屬性封裝器件的制備實例，為以后新型納米強化無鉛錫球封裝件的可靠性研究提供了便利。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供了一種BGA用納米強化無鉛焊錫球的實驗室制備方法，采用本發(fā)明的方法制備的BGA用納米強化無鉛焊錫球能設(shè)計了一種具有抗熱疲勞屬性的BGA封裝器件。納米顆粒的彌散分布能有效強化基體釬料，同時使得BGA焊錫球的服役壽命提高。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種實驗室BGA用納米強化焊錫球的制備方法，其主要步驟是：

(1)粉末制備：將SAC305共晶粉末與納米顆粒(如POSS、CNTs)按照配比機械攪拌混合，采用每分鐘不高于70-80轉(zhuǎn)的速度球磨混合8-10個小時，使得納米顆粒能夠均勻分布在SAC305共晶粉末的母體焊料中，試驗所選用的球磨介質(zhì)為Al₂O₃陶瓷球，球料比為10：1；

(2)分級攪拌，焊膏制備：取少量松香型助焊膏于焊膏瓶中，用攪拌機攪拌3分鐘，然后以4-5g/min的速率邊攪拌邊添加步驟(1)所得復(fù)合粉末，攪拌半個小時，使其混合均勻，放入冰箱儲存，復(fù)合粉末占松香型助焊膏和復(fù)合粉末總質(zhì)量的11％-13％，優(yōu)選12％；

(3)絲網(wǎng)印刷：取出步驟(2)焊膏，攪拌至少5分鐘再使用，用刮刀將焊膏涂抹在絲網(wǎng)—玻璃一體化設(shè)備或印刷鋼網(wǎng)—玻璃一體化設(shè)備上，使焊膏透過絲網(wǎng)或印刷鋼網(wǎng)的網(wǎng)孔而印在玻璃板上，進(jìn)行順時針和逆時針刮兩次，保證均勻；絲網(wǎng)—玻璃一體化設(shè)備或印刷鋼網(wǎng)—玻璃一體化設(shè)備中絲網(wǎng)或印刷鋼網(wǎng)緊貼玻璃表面并且固定在一起，玻璃放在加熱板上，絲網(wǎng)或印刷鋼網(wǎng)面在上面；

(4)熔化做球：將步驟(3)印有一定體積焊膏的鋼網(wǎng)—玻璃板移動設(shè)備，放進(jìn)真空保熱箱或加熱板上，加熱溫度控制在基體SAC305粉末熔點以上10℃-20℃，初步設(shè)定為240℃，保溫10s-15s，使助焊劑揮發(fā)，由于焊膏與玻璃板不潤濕，在表面張力作用下熔化為球，并且熔化過程中鋼網(wǎng)的隔離和成型作用使得焊球分離，避免了匯聚；

(5)成型刮取：待小球成型且助焊劑揮發(fā)完畢，將鋼網(wǎng)—玻璃板取出，空冷；將鋼網(wǎng)—玻璃板的固定夾子拿下，分離玻璃板，用鑷子將小球從玻璃板上輕松刮落，盛取，放好；

(6)清洗：將小球放入丙酮中，超聲清洗，去除氧化與表面污濁；

(7)烘干篩分：將清洗過的小球放入鼓風(fēng)干燥箱中，優(yōu)選在60℃下干燥；將完備的小球用篩子進(jìn)行篩選，保證植球效果。

植球，封裝：將小球通過加熱板植在裸芯片上，再通過回流焊機將芯片與PCB板焊合封裝起來，進(jìn)行使用以及實驗研究。

步驟(1)納米顆粒優(yōu)選POSS顆粒(多面體低聚倍半硅氧烷)或碳納米管(CNTs)，進(jìn)一步POSS顆粒在步驟(1)所得復(fù)合粉末中的質(zhì)量百分含量為1％-3％，優(yōu)選3％，余量為Sn3.0Ag0.5Cu；碳納米管(CNTs)在步驟(1)所得復(fù)合粉末中的質(zhì)量百分含量為0.05％-1％，優(yōu)選0.05％，余量為Sn3.0Ag0.5Cu。

本發(fā)明可通過調(diào)節(jié)絲網(wǎng)或印刷鋼網(wǎng)的網(wǎng)孔的直徑或厚度來調(diào)節(jié)透過網(wǎng)孔的焊膏的體積從而調(diào)節(jié)小球的體積。

由于質(zhì)量極小，考慮體積控制，采用篩子進(jìn)行大小篩分。篩分好的錫球進(jìn)行一定挑選即可進(jìn)行BGA焊接植球用。

綜上所述，本發(fā)明方法便捷，成本低，可利用實驗室現(xiàn)有資源搭建了一個平臺，可以完成小批次，各種納米成分各種大小的焊錫球的制備，并且第二相添加對于抗熱疲勞作用有很大影響，為后續(xù)研究提供便利。

本發(fā)明優(yōu)選通過在SAC305基體內(nèi)添加3％POSS、0.05％CNTs制備納米顆粒強化的BGA用焊錫球。采用傳統(tǒng)便捷的方法制備了納米強化下BGA焊錫球，為目前棘手的科學(xué)研究和生產(chǎn)應(yīng)用提供了方案，本發(fā)明SAC305基體保證了良好了焊接性，納米顆粒添加，彌散分布，可以細(xì)化組織，可以改善焊點抗熱疲勞性能，對于電子封裝器件壽命有重要價值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例鋼網(wǎng)—玻璃板—加熱板實驗平臺。

圖2為本發(fā)明實施例鋼網(wǎng)網(wǎng)孔圖。

圖3為本實驗平臺制備的不同直徑納米強化焊錫球的外觀電鏡圖；

圖4為BGA封裝焊點截面的顯微形貌圖；

(a)為采用標(biāo)準(zhǔn)的市場可售的SAC305焊球制備的封裝焊點，(b)為本專利采用在SAC305中添加了3％POSS的焊球制備的封裝焊點，(C)為在SAC305中添加了0.05％CNTs的焊球制備的封裝焊點。

圖5為本發(fā)明研制的復(fù)合焊膏制備的銅片搭接焊點在2000倍電鏡下的顯微組織圖，

(a)為未添加的SAC305焊點、(b)為添加了3％POSS的復(fù)合焊點、(c)為添加了0.05％CNTs的復(fù)合焊點。

圖6為不同成分BGA焊點在-55℃-125℃下熱沖擊500周后的表面形貌

(a)為未添加的SAC305焊點、(b)為添加了3％POSS的復(fù)合焊點、(c)為添加了0.05％CNTs的復(fù)合焊點。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但本發(fā)明并不限于以下實施例。

實施例1

一種BGA用納米顆粒(POSS顆粒)強化焊錫球的制備，基體材料SAC305無鉛共晶粉末，添加3％含量的POSS納米顆粒，機械攪拌混合半個小時，然后以60轉(zhuǎn)/分轉(zhuǎn)速將混合粉末高能球磨10個小時，獲得一定的物理結(jié)合。

將復(fù)合粉末與松香型助焊膏以質(zhì)量比88：12比例混合，分級添加、機械攪拌半個小時，混合均勻，冰箱儲存。然后采用下圖2中的直徑為0.48mm，厚度0.1mm的鋼網(wǎng)圓孔，與玻璃板貼合為一體化設(shè)備(如示意圖1)，在鋼板上涂抹少量復(fù)合焊膏，用刮刀將其透過特定面積的網(wǎng)孔刷在在玻璃板上，然后將鋼網(wǎng)—玻璃板一體放在溫度為240℃的加熱板上，保溫10s，然后取下冷卻，用鑷子刮下放進(jìn)小盒內(nèi)，小球成型完畢。將制備的POSS強化的小球放進(jìn)盛有丙酮的燒杯內(nèi)，超聲清洗30min，然后倒掉上液，將其放入60℃鼓風(fēng)干燥箱，烘干。

用300微米、280微米、320微米的篩子進(jìn)行區(qū)間篩選，將小球用光學(xué)顯微鏡觀察，如圖3，記錄小球尺寸接近300um，上下誤差在15um。

通過計算驗證：

R＝0.24mm一個孔印刷的焊料體積：πR²×0.1×88％＝0.0159241mm³

小球R≈0.15mm制備的小球體積4/3×πR³＝0.01413717mm³

發(fā)現(xiàn)通過體積驗證，相差不大，獲得了直徑在300um左右的納米顆粒強化的BGA小球，進(jìn)一步植球，通過SMT回流將芯片和PCB貼裝，發(fā)現(xiàn)焊接性良好，和市場銷售的小球無異。

實施例2

為了觀察良好的連接效果與焊接性，對焊點截面進(jìn)行了SEM顯微形貌觀察。圖4(a)為采用標(biāo)準(zhǔn)的市場可售的SAC305焊球制備的封裝焊點，(b)為本專利采用在SAC305中添加了3％POSS的焊球制備的封裝焊點，(c)為在SAC305中添加了0.05％CNTs的焊球制備的封裝焊點，倍數(shù)為300倍，相比前兩個倍數(shù)小了50倍，通過觀察發(fā)現(xiàn)焊接性良好，大小相差不大。

實施例3

本發(fā)明研制的BGA焊錫球是采用復(fù)合焊膏進(jìn)行網(wǎng)孔印刷制備而來的，由于復(fù)合焊膏中納米顆粒的添加效果直接決定了BGA焊點中納米顆粒的添加效果，因此采用在搭接Cu片上涂抹少量焊膏制備模擬焊點，在2000倍下進(jìn)行電鏡觀察，圖5中，(a)為未添加的SAC305焊點、(b)為添加了3％POSS的復(fù)合焊點、(c)為添加了0.05％CNTs的復(fù)合焊點，比較可見顯微組織得以細(xì)化，且納米顆粒添加效果良好。

實施例4

制備SAC305、SAC305-3％POSS、SAC305-0.05CNTs三個不同成分的BGA封裝器件，回流后，對初始器件一面進(jìn)行磨拋，觀察截面，然后將三種成分器件采用石英管密封，內(nèi)置干燥球，在-55℃-125℃的溫度區(qū)間下進(jìn)行冷熱循環(huán)沖擊，然后500周后取出，進(jìn)行截面原位觀察，如圖6，相同位置焊點在循環(huán)應(yīng)力作用下，添加了0.05％CNTs、3％POSS后焊點表面損傷、變形均有一定程度減弱，而初始SAC305焊點的疲勞抗性較差，這是由于第二相顆粒的釘扎位錯作用，使得力學(xué)性能改善，并且阻礙了位錯運動、滑移帶運動。