核壳型铝锡铋无铅焊料及其制备方法[发明专利]

*CN101869982A*

(10)申请公布号 CN 101869982 A(43)申请公布日 2010.10.27

(12)发明专利申请

(21)申请号 201010209966.8(22)申请日 2010.06.26

(71)申请人上海交通大学

地址200240 上海市闵行区东川路800号申请人深圳市英唐智能控制股份有限公司(72)发明人张曙光 戴嫆嫆 赵辰恺 肖超

杨鑫 李建国 胡庆周(74)专利代理机构上海交达专利事务所 31201

代理人王锡麟 王桂忠(51)Int.Cl.

B22F 1/02(2006.01)B22F 9/08(2006.01)

权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 1 页

(54)发明名称

核壳型铝锡铋无铅焊料及其制备方法(57)摘要

一种颗粒材料制备技术领域的核壳型铝锡铋无铅焊料及其制备方法，通过称取铝锡铋金属并置于内底部带有漏孔的石英坩埚后放入真空感应炉中，在惰性气体环境下采用感应熔化方式将铝锡铋金属熔化并过热100-300℃后保温10-30分钟得到合金熔体，充入压力气体使合金熔体从漏孔中流出，经过保护性冷却处理后得到核壳型铝锡铋无铅焊料。本发明制备得到的无铅焊料能提供更好的电气性能和散热性能，减少桥连缺陷。同时制备工艺简单，流程短，生产成本低。

CN 101869982 ACN 101869982 A

权 利 要 求 书

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1.一种核壳型铝锡铋无铅焊料，其特征在于，包括：铝锡基含铋合金内核以及包覆于内核外部的锡铋基含铝外壳，所述的核壳型铝锡铋无铅焊料的组分及其质量百分比为6％-48％锡元素、12％-49％铋元素、余量为铝元素，该锡铋基含铝外壳的熔点为139-232℃。

2.根据权利要求1所述的核壳型铝锡铋无铅焊料，其特征是，所述的锡铋基含铝外壳的厚度为0.003mm-0.5mm，所述无铅焊料的整体直径为0.02mm-1.4mm。

3.一种根据权利要求1所述的核壳型铝锡铋无铅焊料的制备方法，其特征在于，通过称取铝锡铋金属并置于内底部带有漏孔的石英坩埚后放入真空感应炉中，在惰性气体环境下采用感应熔化方式将铝锡铋金属熔化并过热100-300℃后保温10-30分钟得到合金熔体，充入压力气体使合金熔体从漏孔中流出，经过保护性冷却处理后得到核壳型铝锡铋无铅焊料。

4.根据权利要求3所述的核壳型铝锡铋无铅焊料的制备方法，其特征是，所述的漏孔的直径为0.1-1mm，深径比为0.5～10。

5.根据权利要求3所述的核壳型铝锡铋无铅焊料的制备方法，其特征是，所述的惰性气体环境是指：将真空感应炉抽真空至0.1-10Pa后充入0.01-0.1MPa的Ar或N2。

6.根据权利要求3所述的核壳型铝锡铋无铅焊料的制备方法，其特征是，所述的压力气体是指0.02-0.1MPa的Ar或N2。

7.根据权利要求3所述的核壳型铝锡铋无铅焊料的制备方法，其特征是，所述的保护性冷却处理是指：将合金熔体置于Ar气体、N2气体或置于室温-200℃距石英坩埚底部5-100mm的有机溶剂中。

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CN 101869982 A

说 明 书

核壳型铝锡铋无铅焊料及其制备方法

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技术领域

本发明涉及的是一种颗粒材料制备技术领域的焊料及其制备方法，具体是一种核

壳型铝锡铋无铅焊料及其制备方法。

[0001]

背景技术

随着集成电路封装技术朝向高密度化、小型化、集成化的方向前进，九十年代后封

装技术的发展更着重于小型化、窄间距、散热等问题的改善。传统的焊料一般是锡基材料，在窄间距的条件下，锡球很容易在回流焊或者后续处理过程中产生变形并引起丢失、桥连、不共面等缺陷。

[0003] 经过对现有技术的检索发现，美国专利号US6,906,417，记载了一种可用核壳结构的焊料，该技术以金属或者导电聚合物球体为核心，在其外表面电镀或者浸镀一层强度和熔点均低于核心材料的金属，作为电子封装的焊料。这种核壳型的结构，由于其核心的熔点和强度更高，所以在回流焊中能得以保存，从而能更好地提供机械支撑，同时如果核心采用高导电、导热的材料，则封装中的焊球的电气性能和散热能力也将得到提高。[0004] 由于Sn-Bi系焊料(尤其是SnBi58)是一种常用的低温焊料，能在139-232℃宽熔点范围内形成，润湿性好，工艺兼容性强，节能减排效果明显。而且由于其中Sn的含量低，从而可以降低高锡风险。进一步检索发现，徐骏，胡强等在“Sn-Bi系列低温无铅焊料及其发展趋势”《电子工艺技术》(2009，1：1-4)中记载了Sn-Bi系焊料在偏离共晶成分时易出现枝晶偏析和组织粗大化，且Bi元素的高电阻带来的焊料导电和导热能力不佳，以及Bi元素资源有限，高铋含量带来的高成本等缺点都制约了Sn-Bi系焊料的使用。罗驰，练东在“电镀技术在凸点制备工艺中的应用”《微电子学》(2006，36：467-472)上记载了目前核壳结构焊料的制备方法主要采用电镀法，即先将作为核心的材料制成颗粒均匀的粉末，而后在粉末表面镀覆上一层焊料。但是该现有技术在保证多组元镀层的成分均匀性和尺寸均匀性方面，控制难度较大，工艺复杂。王翠萍在专利公开号为CN101337274A中提出采用雾化法制备核壳型铝锡铟粉体的方法，然而铟的价格贵，这大大限制了该粉体的应用。

[0002]

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种核壳型铝锡铋无铅焊料及其制备方法，焊料以铝锡基合金以及少量铋为核心，以锡铋基及少量铝的无铅合金焊料为壳层，具有高导电高导热性能，能够减少桥连缺陷以及节约锡、铋和焊剂用量，成本低，该焊料通过一步法制备实现，工艺简单，生产成本低，应用前景广阔。[0006] 本发明是通过以下技术方案实现的：[0007] 本发明涉及一种核壳型铝锡铋无铅焊料，包括铝锡基含铋合金内核以及包覆于内核外部的锡铋基含铝外壳，其中：锡铋基含铝外壳的厚度为0.003mm-0.5mm，所述焊料的整体直径为0.02mm-1.4mm。

[0008] 所述的核壳型铝锡铋无铅焊料的组分及其质量百分比为6％-48％锡元素、

[0005]

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说 明 书

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12％-49％铋元素、余量为铝元素，该锡铋基含铝外壳的熔点为139-232℃。[0009] 本发明涉及上述核壳型铝锡铋无铅焊料的制备方法，通过称取铝锡铋金属并置于内底部带有漏孔的石英坩埚后放入真空感应炉中，在惰性气体环境下采用感应熔化方式将铝锡铋金属熔化并过热100-300℃后保温10-30分钟得到合金熔体，充入压力气体使合金熔体从漏孔中流出，经过保护性冷却处理后得到核壳型铝锡铋无铅焊料。[0010] 所述的漏孔的直径为0.1-1mm，深径比为0.5～10；[0011] 所述的惰性气体环境是指：将真空感应炉抽真空至0.1-10Pa后充入0.01-0.1MPa的Ar或N2；

[0012] 所述的压力气体是指0.02-0.1MPa的Ar或N2；[0013] 所述的保护性冷却处理是指：将合金熔体置于Ar气体、N2气体或置于室温-200℃距石英坩埚底部5-100mm的有机溶剂中。

[0014] 本发明所述的核壳型铝锡铋无铅焊料与单层焊料相比，能提供更好的电气性能和散热性能，并且减少桥连缺陷，节约锡、铋和焊剂用量，成本低。本发明所述的制备方法，可一步制得核壳型铝锡铋无铅焊料，制备工艺简单，流程短，生产成本低。附图说明

[0015] [0016] [0017] [0018] [0019]

图1为实施例1横截面组织示意图；

图中标尺为200μm。

图2为实施例1能谱分析扫描区域示意图；图3为实施例2示差扫描热分析图谱；其中：横坐标为温度(℃)，纵坐标为放热量(mW/mg)。

具体实施方式

[0020] 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0021] 实施例1

[0022] 称量0.7441g纯铝(纯度为99.99wt.％)，1.4070g纯铋(纯度为99.99wt.％)，1.0237g纯锡(纯度为99.99wt.％)，(按质量百分比，Al∶Bi＝34.6∶65.4，Bi∶Sn＝57.9∶42.1)，放入底部带有直径为0.8mm漏孔的石英坩埚内，将装有金属的石英坩埚放入真空感应炉内抽真空至6.7Pa，充入0.06MPa的纯氩气保护后，将金属感应熔化，待金属熔化并过热到1130℃后，保温十分钟，再在坩埚顶部充入0.02MPa的氩气使合金熔体从坩埚的漏孔中流出并滴落至坩埚下方2cm的200℃的甲基硅油中，至合金熔体完全滴落后，再用筛子筛选出直径为0.02-1.4mm的合金球体，即得核壳型铝锡铋无铅焊料。.[0023] 本实施例制备得到的无铅焊料的横截面组织示意图如图1所示，该核壳型铝锡铋无铅焊料直径为1.1mm，其中：核心是铝锡基合金(含少量铋)，壳层是锡铋基(含少量铝)无铅合金，整体球形度好。[0024] 如图2所示，通过对壳层成分进行能谱分析得到图2中白色区域的壳层中锡铋的重量比为：Sn∶Bi＝37.4∶62.6。

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说 明 书

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实施例2

[0026] 称量0.7444g纯铝(纯度为99.99wt.％)，1.3917g纯铋(纯度为99.99wt.％)，1.0553g纯锡(纯度为99.99wt.％)，(按质量百分比，Al∶Bi＝34.8∶65.2，Bi∶Sn＝56.9∶43.1)，放入底部带有直径为0.8mm漏孔的石英坩埚内，将装有金属的石英坩埚放入真空感应炉内抽真空至5.9Pa，充入0.06MPa的纯氩气保护后，将金属感应熔化，待金属熔化并过热到1180℃后，保温十分钟，再在坩埚顶部充入0.04MPa的氩气使合金熔体从坩埚的漏孔中流出并滴落至坩埚下方3cm的室温的甲基硅油中，至合金液体完全滴落后，再用筛子筛选出直径为0.02-1.4mm的合金球体，即得核壳型铝锡铋无铅焊料。[0027] 本实施例制备得到的无铅焊料横截面组织示意图与图1类似，为核壳结构，通过对直径为1.2mm的焊料的壳层成分进行能谱分析，壳层中锡铋的重量比为Sn∶Bi＝42.2∶57.8。取大约3mg的样品做示差扫描热分析，所得到的DSC图谱如图3所示，所得曲线中，存在两个明显的吸热峰A和B，其中：[0028] A峰对应的温度起始点为133.9℃，峰值温度为143.6℃，终止点为158.2℃，即壳层合金的熔化温度范围为133.9～158.2℃；[0029] B峰对应的温度起始点为549.6℃，峰值温度为561.6℃，终止点为571.5℃，即核层合金的熔化温度范围为549.6～571.5℃。[0030] 实施例3

[0031] 称量0.8131g纯铝(纯度为99.99wt.％)，1.5671g纯铋(纯度为99.99wt.％)，1.1470g纯锡(纯度为99.99wt.％)，(按质量百分比，Al∶Bi＝34.2∶65.8，Bi∶Sn＝57.7∶42.3)，放入底部带有直径为0.8mm漏孔的石英坩埚内，其他过程与实施例2类似，其区别在于甲基硅油的温度为200℃，得到的核壳型铝锡铋无铅焊料的横截面组织示意图与图1类似，为核壳结构。通过对直径为1.1mm的焊料的壳层成分进行能谱分析，壳层中锡铋的重量比为：Sn∶Bi＝41.7∶58.3。当焊料直径为0.6mm时，壳层中锡铋的成分比为：Sn∶Bi＝42.3∶57.7。[0032] 实施例4

[0033] 称量0.7570g纯铝(纯度为99.99wt.％)，1.4205g纯铋(纯度为99.99wt.％)，1.0679g纯锡(纯度为99.99wt.％)，(按质量百分比，Al∶Bi＝34.8∶65.2，Bi∶Sn＝57.1∶42.9)，放入底部带有直径为1mm漏孔的石英坩埚内，其他过程与实施例2类似，其区别在于甲基硅油液面至坩埚的底部的高度为5cm，合金熔体的保温温度为1330℃，最后得到的结构与图1类似，当焊料直径为0.8mm时，通过对壳层成分进行能谱分析，壳层中锡铋的重量比为：Sn∶Bi＝41.1∶58.9。

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说 明 书 附 图

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图1

图2

图3

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