專利名稱：一種電子封裝用核殼結(jié)構(gòu)無鉛焊錫球及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于錫基無鉛釬料技術(shù)領(lǐng)域，特別是了一種電子封裝用核殼結(jié)構(gòu)無鉛焊錫球 及其制備方法。
背景技術(shù)：
目前，球柵陣列封裝(BGA封裝)正逐漸成為電子封裝技術(shù)的主流，該技術(shù)就是采 用焊錫球來代替IC元件封裝結(jié)構(gòu)中的引腳從而滿足電器互連以及機械互連要求的電子 封裝方式，其核心技術(shù)之一就是高質(zhì)量焊錫球的制備。目前市場上的焊錫球多為Sn-Pb 合金，由于鉛及其化合物屬于劇毒物質(zhì)，對人類健康和環(huán)境有極大危害。目前世界各 國都已經(jīng)或者正在立法禁止生產(chǎn)和銷售有鉛悍料，從而加速了無鉛焊料的研究以尋找 一種合適的Sn-Pb焊料替代品，焊錫球也同樣面臨無鉛化的迫切需要。
現(xiàn)有無鉛焊錫球的微觀結(jié)構(gòu)在徑向上是均一的。隨著材料科學(xué)日益向多功能化、 復(fù)合化的趨勢發(fā)展，具有核殼結(jié)構(gòu)的無鉛焊錫球問世并受到廣泛矚目[C.P. Wang, X.J. Liu， I. 0hnuma， et al. ， 5""'e/ ce' 297-9 (2002) 990]。焊錫球微觀結(jié)構(gòu)如圖l所示， 核心為富Cu相，外殼均勻包裹一層富Sn-Bi合金。這種合金球在電子封裝領(lǐng)域有極大應(yīng) 用前景，焊接時外圍的低熔點Sn合金主要起連接元器件的作用，而內(nèi)部高電導(dǎo)率Cu基 合金則承擔(dān)電路連接的功能，可以滿足未來電子封裝高連接強度、高電導(dǎo)率和高熱導(dǎo) 率的要求。核殼結(jié)構(gòu)的形成是因為Cu-Sn-Bi合金是三元偏晶合金，凝固時在難混溶區(qū) 發(fā)生液相分離，少數(shù)相(富Cii相)液滴與基體液相(富Sn-Bi相)的界面張力存在徑向 梯度從而產(chǎn)生Marangoni對流，少數(shù)相液滴向中心運動形成核殼結(jié)構(gòu)。
但是，目前報道的核殼結(jié)構(gòu)焊錫球直徑均小于0.1mm，而BGA封裝用焊錫球的直徑 在0.10-0.76陽之間，無法使用。如果增加焊錫球直徑，會導(dǎo)致冷卻速度下降，核殼 結(jié)構(gòu)缺失，而且重力的干擾增大，影響焊錫球的球形度等參數(shù)。因此，非常有必要改 進現(xiàn)有技術(shù)，開發(fā)出滿足當(dāng)前BGA封裝要求的大尺寸核殼結(jié)構(gòu)無鉛焊錫球。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目在于提供一種電子封裝用核殼結(jié)構(gòu)無鉛焊錫球及其制備方法，克服焊 錫球直徑均小、冷卻速度下降，核殼結(jié)構(gòu)缺失等不足。 本發(fā)明的無鉛焊錫球的成分、結(jié)構(gòu)如下
(1) 焊錫球化學(xué)成分為47 68%Bi、 19 32%Cu、 13 21%Sn;外加0.01 1%的 稀土元素(質(zhì)量百分數(shù))，為稀土摻雜的三元偏晶合金。
(2) 焊錫球直徑在0. 10 0. 76mm。具有核殼結(jié)構(gòu)，核心為富Cu相，外殼均勻包 裹一層富Sn-Bi合金。
本發(fā)明的理論依據(jù)為通過理論計算和實驗驗證，選取適當(dāng)?shù)南⊥猎丶捌浜浚砑拥紺u-Sn-Bi合金 中，能夠增大液態(tài)富Cu相和富Bi相的界面張力梯度，加速富Cu相液滴的Marangoni 對流，促使較大直徑(0. 10 0.76mm)的焊錫球在較低的冷卻速度下也能在內(nèi)部形成 完整的核殼結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)其在BGA封裝工業(yè)的應(yīng)用。
理論計算包括用相圖計算方法(CALPHAD)計算Cu-Sn-Bi三元相圖(如圖2所示)， 根據(jù)相圖中的難混溶區(qū)選擇合適的合金成分和稀土含量，還包括用K鄰tay模型計算界 面張力，確定合適的稀土元素和含量。
實驗結(jié)果表明，加入質(zhì)量比0.01 1%的稀土，能夠顯著促進核殼結(jié)構(gòu)的形成。直 徑為0. 10 0. 76mm的BGA焊錫球均能形成完整的核殼結(jié)構(gòu)，甚至直徑高達5mm的合金 球，也能形成明顯的核殼結(jié)構(gòu)。如圖3所示。 ' 本發(fā)明的焊錫球按以下步驟進行制備
(1)合金熔煉
為了減少Bi的揮發(fā)，采用兩步法熔煉合金。第一步，把金屬Cu和Sn按所選比例 稱重，裝入感應(yīng)熔煉爐中，通入氬氣，升溫至110(TC使金屬熔化然后冷卻，重復(fù)2 4 次至混合均勻；第二步，把金屬Bi和稀土按比例稱重，和預(yù)熔的Cu-Sn合金塊一起再 次熔煉，溫度為800 1000'C。
所選比例為焊錫球化學(xué)成分為47 68%Bi、 19 32%Cu、 13 21%Sn;外加0. 01 1%的稀土金屬(質(zhì)量百分數(shù))。
(2) 氣體霧化
熔化均勻的合金熔體連續(xù)均勻地流出，通過噴嘴時被高壓氬氣或氮氣破碎霧化成 彌散的液滴，液滴在霧化罐內(nèi)自由下落，在表面張力作用下收縮成完整的球形，下落 的同時在保護氣氛中自然連續(xù)冷卻，通過難混溶區(qū)時內(nèi)部形成規(guī)則的核殼結(jié)構(gòu)，最終 凝固成表面光亮的焊錫球，直徑在0.10 0. 76mra之間。霧化氣體壓力為0.2 1.0MPa。
(3) 收集、清洗、干燥、
成型后的無鉛焊錫球用清水沖洗，再用超聲清洗機清洗2 3次，每次5 20分鐘， 超聲清洗劑可用純水或丙酮。然后在溫度為100 150°C，真空度為1 8KPa條件下烘 干10-60分鐘。
(4) 篩分、挑選和包裝
通過篩選機或手工篩網(wǎng)篩選出直徑在0. 10 0. 76mm之間的金屬球體，選取球形完 整、表面光亮無缺陷的焊錫球，然后在l 8KPa真空條件下密封包裝。
本發(fā)明的優(yōu)點在于，制備出一種大尺寸的核殼結(jié)構(gòu)無鉛焊錫球，能夠廣泛應(yīng)用于 BGA封裝。焊接時外圍的低熔點SnBi合金主要起連接元器件的作用，而內(nèi)部高電導(dǎo)率 Cu基合金則承擔(dān)電路連接的功能，可以滿足電子封裝高連接強度、高電導(dǎo)率和高熱導(dǎo) 率的要求。


圖1為文獻報道的核殼結(jié)構(gòu)Cu-Sn-Bi焊錫球的顯微照片，直徑不超過0. lmm。照 片來自[C. P. Wang, X. J. Liu, I. 0hnuma， et al. ， 5bj'e"ce， 297-9 (2002) 990圖2為通過相圖計算方法得到的Cu-Sn-Bi三元合金相圖。
圖3為添加0. 05%Ce后得到的大尺寸核殼結(jié)構(gòu)Cu-Sn-Bi合金球的顯微照片，直徑 高達5mm 。
具體實施例方式
(1)合金熔煉
采用兩步法熔煉合金。第一步，把金屬Cu和Sn按重量比3: 2稱重，裝入感應(yīng)熔 煉爐中，通入氬氣，升溫至1100'C使合金熔化然后冷卻，重復(fù)3次至混合均勻；第二 步，按CuSn合金l: 1.5的比例稱量Bi塊。能有效促進核殼結(jié)構(gòu)形成的稀土金屬包括 下表所列的純金屬及其混合物，其添加量為0.05% (質(zhì)量分數(shù))，金屬Bi、稀土金屬和 預(yù)熔的Cu-Sn合金塊一起再次熔煉，最高溫度為80(TC 。
例l例2例3例4例5例6例7例8
CePrNdSmEuGdTb
例9例10例ll例12例13例14例15例16
DyHoErTmYbScY
(2)氣體霧化
熔化均勻的合金熔體被0.2MPa的高壓氬氣霧化成液滴，在霧化罐內(nèi)冷卻、凝固，
形成完整的焊錫球。
(3) 收集、清洗、干燥、
成型后的無鉛焊錫球用清水沖洗，再用超聲清洗機清洗兩次，每次5分鐘，然后 在溫度為1 IO'C,真空度為2KPa條件下烘干20分鐘
(4) 篩分、挑選和包裝
手工篩網(wǎng)篩選出直徑在O. 10 0.76mm之間的金屬球體，選取球形完整、表面光亮 無缺陷的焊錫球，然后在2KPa真空條件下密封包裝。
權(quán)利要求
1、一種電子封裝用核殼結(jié)構(gòu)無鉛焊錫球，其特征在于，焊錫球的化學(xué)成分為焊錫球化學(xué)成分為47～68％Bi、19～32％Cu、13～21％Sn；外加0.01～1％的稀土金屬，均為質(zhì)量百分數(shù)；焊錫球直徑為0.10～0.76mm，具有核殼結(jié)構(gòu)，核心為富Cu相，外殼均勻包裹一層富Sn-Bi合金。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊錫球，其特征在于，所述的稀土金屬包括La、 Ce、 Pr、 Nd、 Sm、 Eu、 Gd、 Tb、 Dy、 Ho、 Er、 Tm、 Yb、 Lu、 Sc、 Y及其混合物，添加的質(zhì)量 分數(shù)百為0.01 1%。
3、 一種權(quán)利要求1所述的電子封裝用核殼結(jié)構(gòu)無鉛焊錫球的制備方法，其特征在 于，工藝步驟為(1)合金熔煉采用兩步法熔煉合金第一步，把金屬Cu和Sn按所選比例稱重，裝入感應(yīng)熔煉爐 中，通入氬氣，升溫至IIOO'C使金屬熔化然后冷卻，重復(fù)2 4次至混合均勻；第二步， 把金屬Bi和稀土按比例稱重，和預(yù)熔的Cu-Sn合金塊一起再次熔煉，溫度為800 1000 °C;(2) 氣體霧化熔化均勻的合金熔體連續(xù)均勻地流出，通過噴嘴時被高壓氬氣或氮氣破碎霧化成 彌散的液滴，液滴在霧化罐內(nèi)自由下落，在表面張力作用下收縮成完整的球形，下落 的同時在保護氣氛中自然連續(xù)冷卻，通過難混溶區(qū)時內(nèi)部形成規(guī)則的核殼結(jié)構(gòu)，最終 凝固成表面光亮的焊錫球，直徑在0.10 0. 76mm之間；霧化氣體壓力為0. 2 1. 0 MPa;(3) 收集、清洗、干燥成型后的無鉛焊錫球用清水沖洗，再用超聲清洗機清洗2 3次，每次5 20分鐘， 超聲清洗劑可用純水或丙酮；然后在溫度為100 150'C,真空度為1 8KPa條件下烘 干10 60分鐘；(4) 篩分、挑選和包裝通過篩選機或手工篩網(wǎng)篩選出直徑在0.10 0. 76mm之間的金屬球體，選取球形完 整、表面光亮無缺陷的焊錫球，然后在l 8KPa真空條件下密封包裝。
4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述的所選比例為焊錫球化學(xué)成 分為47 68XBi、 19 32%Cu、 13 21%Sn;外加0.01 1%的稀土金屬，均為質(zhì)量百分似'數(shù)。
全文摘要
一種電子封裝用核殼結(jié)構(gòu)無鉛焊錫球及其制備方法，屬于錫基無鉛釬料技術(shù)領(lǐng)域。焊錫球化學(xué)成分為焊錫球化學(xué)成分為47～68％Bi、19～32％Cu、13～21％Sn；外加0.01～1％的稀土金屬，均為質(zhì)量分數(shù)。焊錫球直徑在0.10～0.76mm。具有核殼結(jié)構(gòu)，核心為富Cu相，外殼均勻包裹一層富Sn-Bi合金。該種核殼結(jié)構(gòu)的焊錫球能夠應(yīng)用于BGA封裝。焊接時外圍的低熔點SnBi合金主要起連接元器件的作用，而內(nèi)部高電導(dǎo)率Cu基合金則承擔(dān)電路連接的功能，可以滿足電子封裝高連接強度、高電導(dǎo)率和高熱導(dǎo)率的要求。
文檔編號B23K35/28GK101642858SQ200910091758
公開日2010年2月10日 申請日期2009年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月27日
發(fā)明者徐紅艷, 李建強, 臧麗坤, 馬炳倩 申請人:中國科學(xué)院過程工程研究所