焊料組合物的制作方法
【專利摘要】一種焊料組合物，包含第一粉末成分和第二粉末成分的混合物，其中第一粉末成分是第一焊料合金，并且第二粉末成分是第二焊料合金或金屬。
【專利說明】焊料組合物
[0001]本發(fā)明涉及焊料組合物(solder composition),尤其是涉及無鉛的焊料組合物。焊料組合物由兩種或更多種成分構(gòu)成，以向焊料提供改善的特性。
[0002]無鉛焊料合金是眾所周知的并提供作為最廣泛使用的焊料合金-共晶37%Pb-63%Sn合金的非毒性替代品。上述無鉛合金的實例包括二元共晶58%Bi_42%Sn合金(參見，例如，US5, 569，433B)和二元 40%B1-60%Sn 合金(參見，例如，US6, 574，411A)。上述合金在高應(yīng)變率下呈現(xiàn)延性的損失，其可以通過添加少量的添加劑，如按重量計可達1%的銀得到改善(參見，例如，US5，569，433B)。然而，利用沙爾皮沖擊試驗(Charpy ImpactTest)測得的由這些合金呈現(xiàn)的沖擊能是相對較低的。因此，需要開發(fā)呈現(xiàn)改善的沖擊韌性(impact toughness)的無鉛焊料合金。
[0003]為了使上述無鉛合金用于焊接方法如波動焊接和回流焊接，相對于各種基質(zhì)材料如銅、鎳和鎳磷(“無電鎳”)，合金必須呈現(xiàn)良好的潤濕性?？梢岳缤ㄟ^使用錫合金、銀、金或有機涂層(0SP)，來涂布上述基質(zhì)以改善潤濕。良好的潤濕還增強軟焊料流入毛細管間隙、以及爬上印刷電路板中的電鍍通孔(through-plated hole)的壁的能力，從而實現(xiàn)良好的孔填充。
[0004]另外，焊料組合物需要呈現(xiàn)良好的熱疲勞壽命和降低的高溫蠕變。還期望改善的延性以及導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性?？梢酝ㄟ^選擇特定焊料合金(如果已知)，或通過使用特定添加齊U，來實現(xiàn)這些性能。然而，如果現(xiàn)有常見焊料的性能可以適合于提供這些益處而不需要開發(fā)替換的焊料合金，這將是有利的。
[0005]因此，期望這樣的焊料組合物，其會克服或至少減輕一些或所有與現(xiàn)有技術(shù)的焊料或至少有用的或優(yōu)化的替代物相關(guān)的問題。
[0006]根據(jù)第一方面，本發(fā)明提供了焊料組合物，該焊料組合物包含第一粉末成分(first powder component)和第二粉末成分的混合物(摻混物,blend),其中第一粉末成分是第一焊料合金(first solder alloy)以及第二粉末成分是第二焊料合金或金屬。
[0007]現(xiàn)將進一步描述本發(fā)明。在下面的段落中，更詳細地描述本公開內(nèi)容的不同方面。除非有相反的明確說明，否則如此描述的每個方面可以與一個或多個任何其它方面結(jié)合。尤其是，指明為優(yōu)選的或有利的任何特點可以與指明為優(yōu)選的或有利的一個或多個任何其它的特點結(jié)合。
[0008]本文中使用的術(shù)語“焊料合金”是指熔點在90-400°C范圍內(nèi)的易熔金屬合金(fusible metal alloy)。
[0009]本文中提及的“沙爾皮沖擊試驗”，還被稱為沙爾皮V型缺口試驗，是標準化的高應(yīng)變率試驗，其確定在斷裂期間被材料吸收的能量的量。這種吸收的能量是給定材料的韌性的度量并作為工具來研究溫度依賴性脆韌轉(zhuǎn)變。關(guān)于此試驗的進一步詳情可以參見Charpy Impact Test:Factors and Variables, J.M.Holt, ASTM STPlO72,由此將其內(nèi)容以引用方式結(jié)合于本文。
[0010]本文中使用的術(shù)語“潤濕性”是指焊料在可潤濕表面上擴散的程度。通過液體焊料的表面張力以及它與可潤濕表面反應(yīng)的能力來確定潤濕性。還可以依據(jù)熔融并隨后凍結(jié)焊料合金在基質(zhì)上的接觸角來描述潤濕，其中相對于高接觸角，偏愛較低的接觸角。
[0011]本文中使用的術(shù)語“波動焊接”是指大型焊接工藝，借此將電子元件焊接于印刷電路板(PCB)以形成電氣組件。
[0012]本文中使用的術(shù)語“回流焊接”是提這樣的工藝，其中印刷或分配焊膏，或?qū)⒑噶项A(yù)制件放置在印刷電路板的表面上，將元件放置在沉積焊料中或其附近，然后將組件加熱至高于焊料合金的液相線的溫度。
[0013]本文中使用的術(shù)語“稀土元素”是指選自Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb 和 Lu 的元素。
[0014]除非另有明確規(guī)定，否則本文中的所有百分比是按重量計。
[0015]優(yōu)選地，粉末的至少一種，優(yōu)選兩種，是球形。即，至少90%的顆粒具有小于1.5的長寬比。優(yōu)選至少95%，更優(yōu)選至少98%的顆粒具有小于1.5的長寬比。對于大多數(shù)應(yīng)用，這種高的“球度”程度是優(yōu)選的，主要優(yōu)點是表面積較低，其使氧化最小化，以及負載接受性更好(較小的堵塞和互鎖的傾向)，其有助于分配性并通過模板孔的釋放。在一個可替代的實施方式中，粉末的至少一種可以是不規(guī)則的。
[0016]顆粒圓度影響膏粘度和剪切的傾向。相比于不規(guī)則形狀的顆粒，球形對粘性流提供更小的阻力。因此，由相同熔劑和球形粉末制成的膏將比那些具有相同重量百分比和顆粒尺寸范圍但具有不規(guī)則形狀的膏具有較低粘度。具有后者外觀的膏的一種可能的優(yōu)點在于，當在高速和恒定刮板運動下印刷格網(wǎng)/模板時，它們是不太可能剪切變薄。粉末的互鎖會減少膏流出。剪切變稀的減少是重要的，這是因為它將防止滑塌和涂抹，其可以導(dǎo)致焊料橋接和焊料成球。
[0017]優(yōu)選地，焊料粉末顆粒的平均直徑是I至100微米。更優(yōu)選地，顆粒的平均直徑是I至75微米，最優(yōu)選I至50微米。直徑測量是指顆粒的最長直徑。優(yōu)選地，第一和第二成分的粉末顆粒基本上是相同的。
[0018]優(yōu)選地，焊料組合物由第一粉末成分和第二粉末成分的混合物、以及不可避免的雜質(zhì)組成?？梢岳斫獾氖牵鶕?jù)本發(fā)明的組合物可以包含不可避免的雜質(zhì)，可能作為第一和/或第二成分的一部分，雖然，總計而言，這些雜質(zhì)不可能超過組合物的lwt%。優(yōu)選地，合金包含的不可避免的雜質(zhì)的量不大于組合物的0.5wt%，更優(yōu)選不大于組合物的0.3wt%，仍然更優(yōu)選不大于組合物的0.lwt%。
[0019]優(yōu)選地，焊料組合物是無鉛的。這使得組合物能夠符合法規(guī)要求。
[0020]本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，利用標準的焊料合金和/或金屬粉末，可以設(shè)計回流焊料的有效的熔化溫度、以及機械、電氣和熱性能。
[0021]尤其是，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，兩種或更多種焊料合金的混合物是特別有用的。尤其是，在第一和第二焊料合金具有不同熔點的情況下，在第一回流期間，其上升到高于較低熔點合金(熔化合金)的液相線但低于其它粉末的固相線的峰值溫度，高溫度合金粉末顆粒快速溶解進入低溫度合金的液相。
[0022]隨著混合的進行，焊料組合物快速變化。這使得固結(jié)過程高度非線性的，這是因為混合組合物的液相線溫度也持續(xù)增加直到合金被完全混合。
[0023]優(yōu)選地，熔點相差至少5°C。更優(yōu)選地，熔點相差至少10°C。熔點的差異越大，則可以由已知焊料組合物獲得的改進的特性就越明顯。[0024]優(yōu)選地,第一和第二焊料合金包含至少一種共同元素(common element)。這促進了在接近于或有時甚至低于合金的一種的熔點的溫度下，一種合金快速溶解進入另一種合金中。優(yōu)選地，上述至少一種共同元素是錫。
[0025]例如與80%的共晶42Sn58Bi混合的20%的SAC305粉末導(dǎo)致最終組合物的液相線從最初42Sn58Bi的138°C增加到大約165°C。這是由于，Sn的添加使合金組成遠離SnBi共晶體移動。另外，來自SAC305的少量的Ag和Cu會改變合金的微結(jié)構(gòu)，從而提供最終焊料性能的另外的改善。
[0026]這些前述過程的變化發(fā)生在第一回流期間。因此，可以在比需要用于最終混合物的溫度更低的溫度下進行第一回流。在回流以前，它是兩種分開的合金的混合物。
[0027]由于上述組合物的結(jié)果，已發(fā)現(xiàn)，較高熔點成分的存在導(dǎo)致液相線溫度的增加，因此，在相同操作溫度下，相應(yīng)的溫度降低。這意味著熱疲勞壽命的自動增加以及高溫蠕變的降低。該相應(yīng)的溫度允許比較不同的焊料組合物。
[0028]例如，在0.53Tmp至0.92Tmp下，操作具有_55°C至125°C的工作溫度范圍和183°C(456K)的熔化(液相線)溫度的焊料。增加熔化溫度至195°C會將此范圍從0.49Tmp降低至
0.85Tmp。因此，改善了拉伸強度、剪切強度和彈性模量。
[0029]另外，在焊料中Bi含量的分數(shù)的減小會改善它的延性。少量Ag和Cu的在在會改善延性、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性并精制焊料微結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致增強的機械性能。
[0030]在一個優(yōu)選的實施方式中，第一粉末成分形成按重量計約80%的焊料組合物并且是42Sn58Bi，以及其中第二粉末成分形成按重量計約20%的焊料組合物并且是SAC305(96.5%Sn、0.5%Cu、3%Ag)。優(yōu)選地，焊料組合物由上述成分組成?？梢岳斫獾氖?，雖然此實例表示優(yōu)選的組合物，但最終組合物可以選自任何合金和適當比例的混合物。
[0031]在一個替代的方面，本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，金屬和焊料合金粉末的混合粉末具有出乎意料的好處。不希望受到理論的限制，認為，在回流期間，焊料與金屬顆粒形成金屬間鍵。在單個長回流或多次回流循環(huán)下，來自金屬顆粒的一些金屬溶解進入本體焊料中，而其余部分仍保留其原始形式。這導(dǎo)致焊料和金屬顆粒的混合物形成復(fù)合結(jié)構(gòu)。因此，金屬粉末的添加可以改善得到的焊接接頭的柔度(適應(yīng)性，compliance)，并改善導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。一個實例是與SnBi合金混合的銅粉末。SnBi是具有相對較差的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性的脆性合金。在焊料本體中添加Cu顆粒會改善它的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。另一個實例是添加納米和微米尺寸的Ag顆粒以改善它的機械強度并增強導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。
[0032]然而，在最初回流步驟期間，在焊料合金的熔化溫度下，組合物熔化。結(jié)果，可以實現(xiàn)焊料的獨特的性能，同時仍然易于熔化和處理焊料組合物。
[0033]當?shù)诙勰┏煞质墙饘贂r，它優(yōu)選是選自Cu、N1、Al或Ag的元素?？梢源嬖诘钠渌饘侔ˋu、Cr、In、Sb、Sc、Y、Zn、Ce、Co、Cu、Ge、Mn、和Ti或稀土元素中的一種或多種?？梢赃x擇金屬粉末的尺寸和水平以設(shè)計最終焊接接頭的熱、機械和電氣性能。
[0034]在上述組合物中，第二粉末成分可以具有范圍從小于至大于第一焊料粉末的顆粒尺寸。在一個優(yōu)選的實施方式中，第二粉末的顆粒尺寸基本上與第一焊料粉末相同。即，第二粉末包含顆粒，其平均直徑為0.02至100微米。更優(yōu)選地，顆粒為0.02至75微米。仍然更優(yōu)選地，顆粒為0.02至50微米。在一些情況下，0.02至5微米之間的顆粒尺寸是優(yōu)選的。在一個實施方式中，顆粒，尤其是金屬顆粒，優(yōu)選為Inm至100微米,更優(yōu)選為IOnm至100微米。金屬顆?？梢詾?0微米至100微米?？商鎿Q地，金屬顆?？梢跃哂?00微米至1000微米的平均直徑。
[0035]在第三方面，本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，具有類似的熔化溫度但不同的固-液相轉(zhuǎn)變的兩種不溶混合金(immiscible alloy)的混合粉末是有利的。因此,第一和第二焊料合金具有類似的熔化溫度并且是不溶混的。例如，一些包含Bi的合金在液-固轉(zhuǎn)變期間膨脹(負熱膨脹系數(shù)(CTE))，而許多其它合金則收縮(正CTE)。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過將具有類似的熔化溫度的正CTE合金的顆粒與負CTE的SnBi混合，他們可以獲得低應(yīng)力焊接接頭形成。他們已進一步發(fā)現(xiàn)，當在加熱以后兩種合金并不混合(即，是不溶混的)時，這會發(fā)生。如果它們彼此溶解，那么得到的合金可以具有其自身的特征性轉(zhuǎn)變。
[0036]在上述組合物中，第二粉末成分優(yōu)選具有可與第一粉末成分相比較的顆粒尺寸。SP，第二粉末包含顆粒，其平均直徑為I至100微米。更優(yōu)選地，顆粒的平均直徑為I至75微米，最優(yōu)選I至50微米。優(yōu)選地，第一和第二粉末的顆粒尺寸基本上是相同的，因為這有利于易于處理和混合。
[0037]類似的熔化溫度優(yōu)選是指，第一和第二焊料合金具有相差至多25°C內(nèi)的熔化溫度。更優(yōu)選地，第一和第二焊料合金具有相差至多10°C內(nèi)以及最優(yōu)選相差1°C內(nèi)的熔化溫度。
[0038]優(yōu)選地，第一焊料合金的熱膨脹系數(shù)是正的以及第二焊料合金的熱膨脹系數(shù)是負的。
[0039]為了確保，粉末是彼此不溶混的，優(yōu)越地至少第二粉末成分具有非反應(yīng)性涂層(non-reactive coating layer)。這允許使用已知的粉末來實現(xiàn)本發(fā)明的有利的益處。
[0040]優(yōu)選地，焊料組合物進一步包含選自材料如碳化物、氮化物、氧化物和碳納米管，優(yōu)先選自Al203、Si02、Ti0、Ni0和碳納米管中的另外的粉末成分。根據(jù)本文描述的焊料和金屬顆粒，這些成分優(yōu)選具有一定尺寸。即，優(yōu)選具有微米尺度的最長平均直徑，優(yōu)選0.02至100微米。
[0041]已出乎意料地發(fā)現(xiàn)，這些成分在回流以后允許改進合金微結(jié)構(gòu)。因此，可以改善合金的機械性能和熱疲勞壽命。
[0042]根據(jù)本發(fā)明的進一步的方面，提供了焊料組合物，該焊料組合物包含第一粉末成分和第二粉末成分的混合物，其中第一粉末成分是第一焊料合金以及第二粉末成分選自材料如:碳化物、氮化物、氧化物和碳納米管，優(yōu)先選自材料如:A1203、SiO2, TiO、NiO和碳納米管。優(yōu)選地，第二粉末成分是以下一種或多種:Al203、Si02、Ti0、Ni0和碳納米管。此方面的成分對應(yīng)于在上述方面的那些成分。例如，用于此方面的第一粉末成分可以與本文描述的任何第一粉末成分相同。
[0043]根據(jù)本發(fā)明的進一步的方面,提供了可焊接的膏(solderable paste),其包含如本文描述的焊料組合物。即，膏包含本發(fā)明的粉末混合物以及熔劑(flux)。適宜的熔劑是本領(lǐng)域中眾所周知的。
[0044]然后可以將本發(fā)明的組合物加工成以下形式:條(bar)、棒、固體或熔劑芯絲(含熔劑芯焊條，flux cored wire)、箔(foil)或帶(strip)、預(yù)制件(pre-form)、預(yù)施加或無支撐膜(free standing film)或焊料球(用于球柵陣列接頭)、或預(yù)制焊料片或回流或固化焊接接頭。[0045]根據(jù)本發(fā)明的進一步的方面，提供了形成如本文描述的焊料組合物的方法，該方法包括將第一粉末成分與第二粉末成分混合。
[0046]根據(jù)本發(fā)明的進一步的方面，提供了如本文描述的組合物或如本文描述的可焊接的膏在焊接方法中的應(yīng)用。
[0047]根據(jù)本發(fā)明的進一步的方面，提供了如本文描述的組合物或如本文描述的可焊接的膏用來形成焊接接頭(soldered joint)的應(yīng)用。
[0048]在進一步的方面，本發(fā)明提供了焊接接頭，其包含第一至第五方面的合金。
[0049]在進一步的方面，本發(fā)明提供了第一至第五方面的合金在焊接方法中的應(yīng)用。上述焊接方法包括但不限于波動焊接、表面安裝技術(shù)(SMT)焊接、芯片連接焊接(die attachsoldering)、熱界面焊接、手工焊接、激光和RF感應(yīng)焊接、以及再加工焊接。
[0050]在進一步的方面，本發(fā)明提供了焊料組合物，該焊料組合物包含第一成分和第二成分的混合物，其中第一成分是第一焊料合金以及第二成分是第二焊料合金或金屬。本發(fā)明的上述方面的優(yōu)選特點對于本發(fā)明的此方面也是優(yōu)選的。第一和/或第二成分可以具有以下形式:粉末、膏、帶、箔、球、盤(disc)或預(yù)制件。優(yōu)選地，第一成分以膏的形式。
[0051]在進一步的方面，本發(fā)明提供了形成上述焊料組合物的方法，該方法包括混合。優(yōu)選地，第一成分是膏和/或第二成分具有以下形式:粉末、膏、帶、箔、球、盤或預(yù)制件。
[0052]在進一步的方面,本發(fā)明提供了形成焊接接頭(solder joint)的方法,包括:
[0053](i)提供兩個或更多個待接合(連接，join)的工件(work piece)；
[0054](ii)提供具有第一回流溫度的第一焊料成分；
[0055](iii)提供第二焊料成分，其具有高于所述第一回流溫度的第二回流溫度；以及
[0056]( iv)在待接合的工件附近加熱所述第一和第二焊料成分，其中在或高于第一回流溫度以及低于第二回流溫度下進行所述加熱。
[0057]通過本發(fā)明的此方面的方法，還呈現(xiàn)了相對于上述本發(fā)明的第一至第五方面的優(yōu)點。
[0058]待接合的工件可以是，例如，電路板和電路元件。上述方法可以用于，例如，制造印刷電路板。第一焊料成分可以是第一合金成分，并且可以具有以下形式:粉末、膏、帶、箔、球、盤或預(yù)制件，優(yōu)選膏形式。第二焊料成分可以是第二焊料合金或金屬，并且可以具有以下形式:粉末、膏、帶、箔、球、盤或預(yù)制件。在已混合焊料成分以后，可以在低于第一焊料成分的回流溫度的溫度下加熱它們。上述方法的一個實例如下:
[0059]一種裝配方法，包括:
[0060]將焊膏施加于印刷電路板以形成焊膏沉積物(solder paste deposit)；
[0061]將低溫預(yù)制件放置在焊膏沉積物中；
[0062]在焊膏的回流溫度下處理印刷電路板以產(chǎn)生低溫焊接接頭；以及
[0063]在低于焊膏的回流溫度的回流溫度下，處理低溫焊接接頭。
[0064]現(xiàn)將參照以下非限制性實施例來描述本發(fā)明。
[0065]制備焊料組合物，該焊料組合物包含按焊料組合物的重量計約80%的量的42Sn58Bi粉末成分和按重量計約20%的SAC305粉末(96.5%Sn、0.5%Cu、3%Ag)。在測試以后發(fā)現(xiàn)，相比于單獨的42Sn58Bi粉末，該合金具有改善的延性、熱疲勞和抗蠕變性。
[0066]制備焊料組合物，該焊料組合物包含按焊料組合物的重量計約80%的量的42Sn58Bi粉末成分和按重量計約20%的銅金屬粉末。在測試以后發(fā)現(xiàn)，相比于單獨的42Sn58Bi粉末，該合金具有改善的延性、熱疲勞抗性和導(dǎo)電性。
[0067]制備焊料組合物，該焊料組合物包含兩種含鉍的合金。在液-固轉(zhuǎn)變期間，所選的一種合金膨脹(_ve CTE)而另一種收縮(+ve CTE)。發(fā)現(xiàn)這種組合物產(chǎn)生低應(yīng)力焊接接頭。
[0068]制備了兩種焊料組合物。第一種包含82.9wt%SAC305和17.lwt%Sn58Bi,以及第二種包含 82.9wt%SACX0307 (Sn0.3Ag0.7Cu0.1Bi)和 17.lwt%Sn58Bi。芯片剪切阻力(chipshear resistance)和引腳上拉阻力(pin pull resistance)的測量結(jié)果表明，數(shù)值可比得上基準合金Sn57.6Bi0.4Ag。
[0069]通過舉例的方式，本申請包括以下附圖:
[0070]圖1A和IB示出兩種焊料組合物的熔化的示差掃描量熱法(DSC)跡線(樣品尺寸(量)分別為 29.1OOOmg 和 29.3000mg ；儀器:2920DSC V2.6A)。第一種是 20%SAC 和80%Sn58Bi的混合物。第二種是Sn45Bi。這些跡線是類似的，雖然SAC具有217°C的熔點。SAC溶入遠低于SAC的熔化溫度的Sn58Bi中。同時，已發(fā)現(xiàn)，在球剪切試驗中，相比于單獨的Sn58Bi，第一混合物顯示顯著更高的剪切力(949與911)。還獲得17.l%Sn58Bi和82.9%Sn0.3Ag0.7Cu0.1Bi (SACX0307)的混合物的DSC跡線。初始掃描示出低溫峰，對應(yīng)于SnBi合金的熔化。然而，在隨后的掃描中，此峰消失，這表明，通過將SACX0307溶入液態(tài)Sn58Bi中，所有低溫相被轉(zhuǎn)化為高溫相。
[0071]圖2A和2B示出在添加納米或微米尺寸Ag顆粒以后SnBi的彈性模量的改善。在前者中，顆粒是納米尺寸 ，其具有20納米至I微米的平均顆粒尺寸。在后者中，AG顆粒的尺寸為I微米至100微米。如可以看到的，已發(fā)現(xiàn)，甚至少量(1%)的AG顆粒也對彈性模量具有顯著影響。銀顆粒的添加會改善焊料的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。已經(jīng)出乎意料地發(fā)現(xiàn)，在Sn58Bi焊料中，自由銀顆粒的存在會增加它的導(dǎo)熱率多于50%。另外，銀添加會改變合金微結(jié)構(gòu)。已經(jīng)出乎意料地發(fā)現(xiàn)，甚至可達5%Ag的添加并不產(chǎn)生長Ag3Sn晶體。在圖2A中示出以下焊料的彈性模量值(從左至右):Sn58B1、Sn58Bi+l%納米尺寸Ag的混合物、Sn58Bi+3%納米尺寸Ag的混合物、以及Sn58Bi+5%納米尺寸Ag的混合物。在圖2B中，示出以下焊料的彈性模量值(從左至右):Sn58B1、Sn58Bi+l%微米尺寸(I至100微米)Ag的混合物、Sn58Bi+3%微米尺寸Ag的混合物、以及Sn58Bi+5%微米尺寸Ag的混合物。
[0072]圖3示出標準Sn58Bi焊料(左手側(cè))的剪切強度和根據(jù)本發(fā)明的焊料組合物(Sn58Bi+20%SAC305)的剪切強度的比較。SAC305粉末加入到Sn58Bi粉末中產(chǎn)生這樣的最終組合物，其在回流以后具有較低Bi，以及其還顯示較高剪切強度。
[0073]圖4a_c示出了一系列顯微照片，其示出如本文描述的多種焊料組合物的晶體結(jié)構(gòu)。圖4a和4b分別示出Sn45Bi和Sn58Bi合金的微結(jié)構(gòu)，各自添加有A1203。在每種情況下，將氧化鋁粉末加入被印刷在銅試樣上的膏熔劑中。將Sn45Bi和Sn58Bi的薄預(yù)制件放置在熔劑上。在185C下在熱板上加熱，然后在空氣中冷卻。由于氧化鋁顆粒擴散到焊料中，所以在界面附近的焊料微結(jié)構(gòu)被顯著精制。
[0074]圖4c示出具有銅顆粒的Sn58Bi合金的顯微照片。如可以看到的，銅顆粒被均勻分布在SnBi合金基質(zhì)中。在顆粒的表面上看到CuSn IMC層,但顆粒本體是純銅。
[0075]圖5a和5b顯示在Sn45Bi焊料合金中添加有鎳。在圖5a中，不存在Ni。在圖5b中，包括0.02Ν?并且這具有顯著的晶粒細化效果。[0076]圖6a、6b和6c示出在熱循環(huán)期間Sn58Bi+22.4wt%SAC305的混合物(菱形)、Sn58Bi+22.4wt%SACX0307的混合物(正方形)和Sn45Bi (三角形)的剪切力(6a)、拉力(6b)和金屬間化合物(MC)生長(6c)的變化。熱循環(huán)條件是:-40至125°C，10分鐘停留時間以及1000個循環(huán)。圖6a和6b表明，相比于Sn45Bi，在熱循環(huán)以后，本發(fā)明的焊料的剪切力和拉力(引線拉動阻力(lead pull resistance))值降低較少。圖6c表明，相比于Sn45Bi,在熱循環(huán)期間，本發(fā)明的焊料的IMC生長要低得多，其表明本發(fā)明的焊料具有好得多的焊接接頭可罪性。
[0077]圖7示出Sn58Bi+SAC305的混合物(圓形)和Sn45Bi (正方形)的抗跌落沖擊性數(shù)據(jù)(drop shock resistance data)。Sn58Bi+SAC305的混合物的抗跌落沖擊性(跌落至失效的平均數(shù):200.3)明確高于Sn45Bi的抗跌落沖擊性(跌落至失效的平均數(shù):167.2)。
[0078]圖8a示出合金的剪切強度值(從左至右):Sn58Bi (剛鑄造的(as cast))、Sn58Bi(鑄造后48小時)、Sn58Bi+lwt%微米尺寸Ag顆粒的混合物(鑄造后48小時)、Sn58Bi+3wt%微米尺寸Ag顆粒的混合物(鑄造后48小時)、Sn58Bi+lwt%微米尺寸Ag涂布的Cu顆粒的混合物(鑄造后48小時)、Sn58Bi+3wt%微米尺寸Ag涂布的Cu顆粒的混合物(鑄造后48小時)、以及Sn58Bi+5wt%微米尺寸Ag涂布的Cu顆粒的混合物(鑄造后48小時)。Ag的添加會恢復(fù)由于老化的結(jié)果而丟失的剪切強度(對于3wt%Ag顆粒，增加14.6%)。
[0079]圖8b示出合金的硬度值(從左至右):Sn58B1、Sn58Bi+lwt%微米尺寸Ag顆粒的混合物、Sn58Bi+3wt%微米尺寸Ag顆粒的混合物、Sn58Bi+5wt%微米尺寸Ag顆粒的混合物、Sn58Bi+lwt%納米尺寸Ag顆粒的混合物、Sn58Bi+3wt%納米尺寸Ag顆粒的混合物、以及Sn58Bi+5wt%納米尺寸Ag顆粒的混合物。借助于3wt%微米尺寸Ag顆粒的添加,硬度增加可達25%。
[0080]目前要求的組合物可用于多種用途，其包括但不限于LED組件、光伏電池接頭(tabbing)和架線(stringing)、半導(dǎo)體后端過程、和模片固定。最終形狀因素依賴于應(yīng)用，但焊料可以被制備成任何形式，包括但不限于膏、預(yù)制件、膜、和絲(線，wire)，并且可以結(jié)合有可清洗或非清洗的熔劑化學(xué)試劑(flux chemistry)。
[0081]當介紹本公開內(nèi)容或其一個或多個優(yōu)選實施方式的要素(元素)時，冠詞“一個”、“一種”、“該”和“所述”旨在表示存在一種或多種要素(元素)。術(shù)語“包含”、“包括”和“具有”旨在是包容性的并且是指可以存在除了所列要素以外的另外的元素。
[0082]前述詳細描述已通過解釋和說明的方式加以提供并且并不旨在限制所附權(quán)利要求的范圍。在本文描述的當前優(yōu)選實施方式中的許多變化對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言將是顯而易見的，并且仍然是在所附權(quán)利要求書和它們的等效替換的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種焊料組合物,包含第一粉末成分和第二粉末成分的混合物,其中所述第一粉末成分是第一焊料合金，并且所述第二粉末成分是第二焊料合金或金屬。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊料組合物，其中，所述焊料組合物由所述第一粉末成分和所述第二粉末成分的所述混合物、以及不可避免的雜質(zhì)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的焊料組合物，其中，所述焊料組合物是無鉛的。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的焊料組合物，其中，所述第一焊料合金和所述第二焊料合金包含至少一種共同的元素。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的焊料組合物，其中，所述至少一種共同的元素是錫。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的焊料組合物，其中，所述第一焊料合金和所述第二焊料合金具有不同的熔點。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的焊料組合物，其中，所述熔點相差至少5°C。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的焊料組合物，其中，所述第一粉末成分形成按重量計約80%的所述焊料組合物并且是42Sn58Bi，并且其中所述第二粉末成分形成按重量計約20%的所述焊料組合物并且是SAC305 (96.5%Sn、0.5%Cu、3%Ag)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的焊料組合物，其中，所述金屬是選自Cu、Ag、Al、Au、Cr、In、Sb、Sc、Y、Zn、Ce、Co、Ge、Mn、Ni 和 Ti 或稀土元素中的元素。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的焊料組合物，其中，所述金屬顆粒為:(i)Inm至100微米；或(ii) IOnm至100微米^(iii) 100微米至1000微米。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的焊料組合物，其中，所述第一焊料合金和所述第二焊料合金具有類似的熔化溫度并且是不溶混的。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的焊料組合物，其中，所述第一焊料合金和所述第二焊料合金的熔化溫度差別在10°C內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或權(quán)利要求12所述的焊料組合物，其中，所述第一焊料合金的熱膨脹系數(shù)是正的，并且其中所述第二焊料合金的熱膨脹系數(shù)是負的。
14.根據(jù)權(quán)利要求11至13中任一項所述的焊料組合物，其中，所述第二粉末成分具有非反應(yīng)性涂層。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的焊料組合物，進一步包含選自碳化物、氮化物、氧化物或碳納米管，優(yōu)先選自A1203、SiO2, TiO, NiO和碳納米管的另外的粉末成分。
16.一種焊料組合物，包含第一粉末成分和第二粉末成分的混合物，其中所述第一粉末成分是第一焊料合金，并且所述第二粉末成分選自碳化物、氮化物、氧化物或碳納米管，優(yōu)先選自A1203、SiO2, TiO、NiO和碳納米管。
17.一種可焊接的膏、膜、帶、箔、絲、預(yù)制件或球，包含根據(jù)權(quán)利要求1至16中任一項所述的焊料組合物。
18.一種形成根據(jù)權(quán)利要求1至16中任一項所述的焊料組合物的方法，所述方法包括將第一粉末成分與第二粉末成分混合。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述第一粉末成分是膏的形式，并且所述第二粉末成分是預(yù)制件、帶、套管、盤、球或絲的形式。
20.根據(jù)權(quán)利要求1至16中任一項所述的組合物或根據(jù)權(quán)利要求17所述的可焊接的膏在焊接方法中的應(yīng)用。
21.根據(jù)權(quán)利要求1至16中任一項所述的組合物或根據(jù)權(quán)利要求17所述的可焊接的膏用于形成焊接接頭的應(yīng)用。
22.—種焊接接頭，包含根據(jù)權(quán)利要求1至16中任一項所述的組合物。
23.一種焊料組合物，包含第一成分和第二成分的混合物，其中，所述第一成分是第一焊料合金，并且所述第二成分是第二焊料合金或金屬。
24.一種形成根據(jù)權(quán)利要求23所述的焊料組合物的方法，所述方法包括將以膏形式的所述第一成分與以粉末、膏、帶、箔、球、盤或預(yù)制件形式的所述第二粉末成分混合。
25.—種形成焊接接頭的方法，包括: (i)提供兩個或更多個待接合的工件； (ii)提供具有第一回流溫度的第一焊料成分； (iii)提供具有第二回流溫度的第二焊料成分，所述第二回流溫度高于所述第一回流溫度；以及 (iv)在所述待接合的工件附近加熱所述第一焊料成分和所述第二焊料成分，其中在所述第一回流溫度或高于 所述第一回流溫度并低于所述第二回流溫度下進行所述加熱。
【文檔編號】B23K35/02GK103842126SQ201280038361
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2012年8月2日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月2日
【發(fā)明者】摩根娜·德阿維拉里巴斯, 多米尼克·洛奇, 蘭吉特·潘德赫爾, 巴瓦·辛格, 拉溫德拉·M·巴特卡爾, 拉胡爾·勞特, 秀麗·薩卡爾, 卡瑪尼奧·查托帕迪亞伊, 普羅洛·南迪 申請人:阿爾法金屬公司