專利名稱：核殼型鋁錫鉍無鉛焊料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種顆粒材料制備技術(shù)領(lǐng)域的焊料及其制備方法，具體是一種核 殼型鋁錫鉍無鉛焊料及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著集成電路封裝技術(shù)朝向高密度化、小型化、集成化的方向前進(jìn)，九十年代后封 裝技術(shù)的發(fā)展更著重于小型化、窄間距、散熱等問題的改善。傳統(tǒng)的焊料一般是錫基材料， 在窄間距的條件下，錫球很容易在回流焊或者后續(xù)處理過程中產(chǎn)生變形并引起丟失、橋連、 不共面等缺陷。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，美國專利號US6，906，417，記載了一種可用核殼結(jié)構(gòu) 的焊料，該技術(shù)以金屬或者導(dǎo)電聚合物球體為核心，在其外表面電鍍或者浸鍍一層強度和 熔點均低于核心材料的金屬，作為電子封裝的焊料。這種核殼型的結(jié)構(gòu)，由于其核心的熔點 和強度更高，所以在回流焊中能得以保存，從而能更好地提供機(jī)械支撐，同時如果核心采用 高導(dǎo)電、導(dǎo)熱的材料，則封裝中的焊球的電氣性能和散熱能力也將得到提高。由于Sn-Bi系焊料(尤其是SnBi58)是一種常用的低溫焊料，能在139_232°C寬熔 點范圍內(nèi)形成，潤濕性好，工藝兼容性強，節(jié)能減排效果明顯。而且由于其中Sn的含量低， 從而可以降低高錫風(fēng)險。進(jìn)一步檢索發(fā)現(xiàn)，徐駿，胡強等在“Sn-Bi系列低溫?zé)o鉛焊料及其 發(fā)展趨勢”《電子工藝技術(shù)》(2009，1 :1-4)中記載了 Sn-Bi系焊料在偏離共晶成分時易出現(xiàn) 枝晶偏析和組織粗大化，且Bi元素的高電阻帶來的焊料導(dǎo)電和導(dǎo)熱能力不佳，以及Bi元素 資源有限，高鉍含量帶來的高成本等缺點都制約了 Sn-Bi系焊料的使用。羅馳，練東在“電 鍍技術(shù)在凸點制備工藝中的應(yīng)用”《微電子學(xué)》(2006，36 467-472)上記載了目前核殼結(jié)構(gòu) 焊料的制備方法主要采用電鍍法，即先將作為核心的材料制成顆粒均勻的粉末，而后在粉 末表面鍍覆上一層焊料。但是該現(xiàn)有技術(shù)在保證多組元鍍層的成分均勻性和尺寸均勻性方 面，控制難度較大，工藝復(fù)雜。王翠萍在專利公開號為CN101337274A中提出采用霧化法制 備核殼型鋁錫銦粉體的方法，然而銦的價格貴，這大大限制了該粉體的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種核殼型鋁錫鉍無鉛焊料及其制備 方法，焊料以鋁錫基合金以及少量鉍為核心，以錫鉍基及少量鋁的無鉛合金焊料為殼層，具 有高導(dǎo)電高導(dǎo)熱性能，能夠減少橋連缺陷以及節(jié)約錫、鉍和焊劑用量，成本低，該焊料通過 一步法制備實現(xiàn)，工藝簡單，生產(chǎn)成本低，應(yīng)用前景廣闊。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明涉及一種核殼型鋁錫鉍無鉛焊料，包括鋁錫基含鉍合金內(nèi)核以及包覆于內(nèi) 核外部的錫鉍基含鋁外殼，其中錫鉍基含鋁外殼的厚度為0. 003mm-0. 5mm，所述焊料的整 體直徑為 0. 02mm-l. 4mm。所述的核殼型鋁錫鉍無鉛焊料的組分及其質(zhì)量百分比為6% -48%錫元素、12% -49%鉍元素、余量為鋁元素，該錫鉍基含鋁外殼的熔點為139-232°C。本發(fā)明涉及上述核殼型鋁錫鉍無鉛焊料的制備方法，通過稱取鋁錫鉍金屬并置于 內(nèi)底部帶有漏孔的石英坩堝后放入真空感應(yīng)爐中，在惰性氣體環(huán)境下采用感應(yīng)熔化方式將 鋁錫鉍金屬熔化并過熱100-30(TC后保溫10-30分鐘得到合金熔體，充入壓力氣體使合金 熔體從漏孔中流出，經(jīng)過保護(hù)性冷卻處理后得到核殼型鋁錫鉍無鉛焊料。所述的漏孔的直徑為0. 1-lmm，深徑比為0. 5 10 ；所述的惰性氣體環(huán)境是指將真空感應(yīng)爐抽真空至0. I-IOPa后充入0. 01-0. IMPa 的Ar或N2 ；所述的壓力氣體是指0. 02-0. IMPa的Ar或N2 ； 所述的保護(hù)性冷卻處理是指將合金熔體置于Ar氣體、N2氣體或置于室溫_200°C 距石英坩堝底部5-100mm的有機(jī)溶劑中。本發(fā)明所述的核殼型鋁錫鉍無鉛焊料與單層焊料相比，能提供更好的電氣性能和 散熱性能，并且減少橋連缺陷，節(jié)約錫、鉍和焊劑用量，成本低。本發(fā)明所述的制備方法，可 一步制得核殼型鋁錫鉍無鉛焊料，制備工藝簡單，流程短，生產(chǎn)成本低。


圖1為實施例1橫截面組織示意圖；圖中標(biāo)尺為200 μ m。圖2為實施例1能譜分析掃描區(qū)域示意圖；圖3為實施例2示差掃描熱分析圖譜；其中橫坐標(biāo)為溫度(V )，縱坐標(biāo)為放熱量(mW/mg)。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施 例。實施例1稱量0. 7441g 純鋁(純度為 99. 99wt. % ), 1. 4070g 純鉍(純度為 99. 99wt. % )， 1.0237g 純錫(純度為 99.99wt. % )，(按質(zhì)量百分比，Al Bi = 34. 6 65. 4, Bi Sn =57.9 42. 1)，放入底部帶有直徑為0.8mm漏孔的石英坩堝內(nèi)，將裝有金屬的石英坩堝放 入真空感應(yīng)爐內(nèi)抽真空至6. 7Pa，充入0. 06MPa的純氬氣保護(hù)后，將金屬感應(yīng)熔化，待金屬 熔化并過熱到1130°C后，保溫十分鐘，再在坩堝頂部充入0. 02MPa的氬氣使合金熔體從坩 堝的漏孔中流出并滴落至坩堝下方2cm的200°C的甲基硅油中，至合金熔體完全滴落后，再 用篩子篩選出直徑為0. 02-1. 4mm的合金球體，即得核殼型鋁錫鉍無鉛焊料。.本實施例制備得到的無鉛焊料的橫截面組織示意圖如圖1所示，該核殼型鋁錫鉍 無鉛焊料直徑為1. 1mm，其中核心是鋁錫基合金(含少量鉍)，殼層是錫鉍基(含少量鋁) 無鉛合金，整體球形度好。如圖2所示，通過對殼層成分進(jìn)行能譜分析得到圖2中白色區(qū)域的殼層中錫鉍的 重量比為Sn Bi = 37. 4 62.6。
實施例2稱量0. 7444g 純鋁(純度為 99. 99wt. % ), 1. 3917g 純鉍(純度為 99. 99wt. % )， 1.0553g 純錫(純度為 99.99wt. % )，(按質(zhì)量百分比，A1 Bi = 34. 8 65. 2, Bi Sn =56.9 43. 1)，放入底部帶有直徑為0.8mm漏孔的石英坩堝內(nèi)，將裝有金屬的石英坩堝放 入真空感應(yīng)爐內(nèi)抽真空至5. 9Pa，充入0. 06MPa的純氬氣保護(hù)后，將金屬感應(yīng)熔化，待金屬 熔化并過熱到1180°C后，保溫十分鐘，再在坩堝頂部充入0. 04MPa的氬氣使合金熔體從坩 堝的漏孔中流出并滴落至坩堝下方3cm的室溫的甲基硅油中，至合金液體完全滴落后，再 用篩子篩選出直徑為0. 02-1. 4mm的合金球體，即得核殼型鋁錫鉍無鉛焊料。本實施例制備得到的無鉛焊料橫截面組織示意圖與圖1類似，為核殼結(jié)構(gòu)，通 過對直徑為1.2mm的焊料的殼層成分進(jìn)行能譜分析，殼層中錫鉍的重量比為Sn Bi = 42.2 57.8。取大約3mg的樣品做示差掃描熱分析，所得到的DSC圖譜如圖3所示，所得 曲線中，存在兩個明顯的吸熱峰A和B，其中A峰對應(yīng)的溫度起始點為133. 9°C，峰值溫度為143. 6°C，終止點為158. 2°C，即殼 層合金的熔化溫度范圍為133. 9 158. 2V ；B峰對應(yīng)的溫度起始點為549. 6°C，峰值溫度為561. 6°C，終止點為571. 5°C，即核 層合金的熔化溫度范圍為549. 6 571. 5°C。實施例3稱量0. 8131g 純鋁(純度為 99. 99wt. % ), 1. 5671g 純鉍(純度為 99. 99wt. % )， 1. 1470g 純錫(純度為 99.99wt. % )，(按質(zhì)量百分比，A1 Bi = 34. 2 65. 8, Bi Sn =57.7 42. 3)，放入底部帶有直徑為0.8mm漏孔的石英坩堝內(nèi)，其他過程與實施例2類 似，其區(qū)別在于甲基硅油的溫度為200°C，得到的核殼型鋁錫鉍無鉛焊料的橫截面組織示意 圖與圖1類似，為核殼結(jié)構(gòu)。通過對直徑為1. 1mm的焊料的殼層成分進(jìn)行能譜分析，殼層中 錫鉍的重量比為Sn Bi = 41.7 58.3。當(dāng)焊料直徑為0. 6mm時，殼層中錫鉍的成分比 為Sn Bi = 42. 3 57. 7。實施例4稱量0. 7570g 純鋁(純度為 99. 99wt. % ), 1. 4205g 純鉍(純度為 99. 99wt. % )， 1.0679g 純錫(純度為 99.99wt. % )，(按質(zhì)量百分比，A1 Bi = 34. 8 65. 2, Bi Sn =57.1 42. 9)，放入底部帶有直徑為1mm漏孔的石英坩堝內(nèi)，其他過程與實施例2類似， 其區(qū)別在于甲基硅油液面至坩堝的底部的高度為5cm，合金熔體的保溫溫度為1330°C，最 后得到的結(jié)構(gòu)與圖1類似，當(dāng)焊料直徑為0. 8mm時，通過對殼層成分進(jìn)行能譜分析，殼層中 錫鉍的重量比為Sn Bi = 41. 1 58.9。
權(quán)利要求
一種核殼型鋁錫鉍無鉛焊料，其特征在于，包括鋁錫基含鉍合金內(nèi)核以及包覆于內(nèi)核外部的錫鉍基含鋁外殼，所述的核殼型鋁錫鉍無鉛焊料的組分及其質(zhì)量百分比為6％-48％錫元素、12％-49％鉍元素、余量為鋁元素，該錫鉍基含鋁外殼的熔點為139-232℃。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的核殼型鋁錫鉍無鉛焊料，其特征是，所述的錫鉍基含鋁外殼 的厚度為0. 003mm-0. 5mm，所述無鉛焊料的整體直徑為0. 02mm-l. 4mm。
3.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的核殼型鋁錫鉍無鉛焊料的制備方法，其特征在于，通過 稱取鋁錫鉍金屬并置于內(nèi)底部帶有漏孔的石英坩堝后放入真空感應(yīng)爐中，在惰性氣體環(huán)境 下采用感應(yīng)熔化方式將鋁錫鉍金屬熔化并過熱100-300°C后保溫10-30分鐘得到合金熔 體，充入壓力氣體使合金熔體從漏孔中流出，經(jīng)過保護(hù)性冷卻處理后得到核殼型鋁錫鉍無 鉛焊料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的核殼型鋁錫鉍無鉛焊料的制備方法，其特征是，所述的漏孔 的直徑為0. 1-lmm，深徑比為0. 5 10。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的核殼型鋁錫鉍無鉛焊料的制備方法，其特征是，所述的惰性 氣體環(huán)境是指將真空感應(yīng)爐抽真空至0. l-10Pa后充入0. 01-0. IMPa的Ar或N2。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的核殼型鋁錫鉍無鉛焊料的制備方法，其特征是，所述的壓力 氣體是指0. 02-0. IMPa的Ar或N2。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的核殼型鋁錫鉍無鉛焊料的制備方法，其特征是，所述的保 護(hù)性冷卻處理是指將合金熔體置于Ar氣體、N2氣體或置于室溫-200°C距石英坩堝底部 5-100mm的有機(jī)溶劑中。
全文摘要
一種顆粒材料制備技術(shù)領(lǐng)域的核殼型鋁錫鉍無鉛焊料及其制備方法，通過稱取鋁錫鉍金屬并置于內(nèi)底部帶有漏孔的石英坩堝后放入真空感應(yīng)爐中，在惰性氣體環(huán)境下采用感應(yīng)熔化方式將鋁錫鉍金屬熔化并過熱100-300℃后保溫10-30分鐘得到合金熔體，充入壓力氣體使合金熔體從漏孔中流出，經(jīng)過保護(hù)性冷卻處理后得到核殼型鋁錫鉍無鉛焊料。本發(fā)明制備得到的無鉛焊料能提供更好的電氣性能和散熱性能，減少橋連缺陷。同時制備工藝簡單，流程短，生產(chǎn)成本低。
文檔編號B22F9/08GK101869982SQ20101020996
公開日2010年10月27日 申請日期2010年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月26日
發(fā)明者張曙光, 戴嫆嫆, 李建國, 楊鑫, 肖超, 胡慶周, 趙辰愷 申請人:上海交通大學(xué);深圳市英唐智能控制股份有限公司