無鉛焊料組合物的制作方法
【專利摘要】一種焊絲組合物可以包括85%?95%重量比的鉍和至少5%重量比的銅。該焊絲組合物可以具有小于大約1毫米的直徑以及至少20%的斷裂伸長率。
【專利說明】
無鉛焊料組合物
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用 本申請設(shè)及2012年8月15日提交的美國申請13/586，074和2012年8月17日提交的PCT申 請No. PCT/US2012/051343，每項申請要求享有2011年8月17日提交的美國臨時申請No. 61/ 524610的優(yōu)先權(quán)。所述每個申請的全部內(nèi)容通過引用被合并到本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本公開設(shè)及焊料材料并且更具體地設(shè)及無鉛或大體上無鉛的焊料材料。
【背景技術(shù)】
[0003] 焊料材料用于各種機(jī)電和電子設(shè)備的制造和組裝。在過去，焊接材料通常包括大 量的鉛W給焊料材料提供期望的性質(zhì)，例如烙點、濕潤性、延展性和導(dǎo)熱系數(shù)。一些錫基焊 料也已經(jīng)被開發(fā)出來。最近，在生產(chǎn)可提供期望性能的無鉛和無錫的焊料材料上已有一些 嘗試。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 在一些實施例中，一種焊絲組合物可W包括85%-95%重量比的祕和至少5%重量比 的銅。焊絲組合物可W具有小于大約1毫米的直徑和至少20%的斷裂伸長率。
[0005] 在一些實施例中，提供了一種形成焊絲的方法。該方法可W包括擠壓巧錠W形成 具有小于大約1毫米直徑的焊絲，在大約93Γ和大約12rC之間的溫度對擠出的絲進(jìn)行熱處 理；W及在擠出的絲高于其固相線溫度時將經(jīng)過熱處理的擠出的絲纏繞在線軸上。
[0006] 在一些實施例中，一種焊料組合物可W包括大約85%-95%重量比的祕，大約8%-12% 重量比的銅和大約0. 〇〇1%-〇. 1%重量比的嫁。
[0007] 雖然公開了多種實施例，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會從示出并描述了本發(fā)明的示 例性實施例的下列【具體實施方式】中明白本發(fā)明的其他實施例。相應(yīng)地，該【具體實施方式】將 被視為是示例性質(zhì)而非限制性的。
【附圖說明】
[000引圖1是絲擠壓過程的一個實施例的示意性框圖； 圖2示出了對于絲擠壓的實驗性示圖。
【具體實施方式】
[0009] 焊料組合物是易烙金屬和金屬合金，用于連接兩個基材或工件并且具有低于該工 件烙點的烙點。焊料組合物(例如那些在半導(dǎo)體工業(yè)中用于忍片貼裝應(yīng)用的焊料組合物)可 W被提供成許多不同的形態(tài)，包括但是不限于塊狀焊料產(chǎn)品、焊膏和焊絲。
[0010] 焊膏可W是流體或油灰狀材料，其可多種方法應(yīng)用于基材，包括但是不限于 印制和點涂，例如使用注射器。示例的焊膏組合物可通過將粉末狀金屬焊料與助焊劑混合 來形成，助焊劑是充當(dāng)臨時粘合劑的稠密介質(zhì)。助焊劑可w使焊膏的組分結(jié)合在一起直到 焊接過程使粉末狀焊料烙化。焊膏的適合的粘度可W取決于如何施加焊膏到基材而變化。 焊膏的適合的粘度包括300000-700000厘泊(cps)。
[0011] 在其他實施例中，焊料組合物可W作為焊絲提供。焊絲可W通過將焊料材料拉伸 通過模具來形成，W在線軸上提供細(xì)的焊絲。適合的焊絲可W具有小于大約1毫米(mm)的直 徑。在一些實施例中，焊絲可W具有小到0. lmm、0.25mm或0.63mm的直徑，或者大到0.75mm、 0.8mm或1mm的直徑，或者具有在由前述的任意一對值所界定的任何范圍之內(nèi)的直徑。例如， 在某些實施例中，焊絲可W具有從大約0.25mm到大約0.8mm的直徑，并且更具體地，可W具 有從大約0.63mm到大約0.75mm的直徑。在一些實施例中，焊絲能夠卷曲或盤繞在線軸上而 不會斷裂成兩段或更多段。
[0012] 無論形態(tài)如何，焊料組合物可W基于適合的物理性質(zhì)進(jìn)行評價，例如焊料組合物 的固相線溫度、烙化溫度范圍、濕潤性、延展性和導(dǎo)熱系數(shù)。固相線溫度量化了焊料材料開 始烙化時的溫度。在固相線溫度之下，焊料材料完全是固體。在一些實施例中，固相線溫度 可W在30(TC左右，W允許分級焊接操作并且使在終端應(yīng)用設(shè)備中的熱應(yīng)力減到最小。
[0013] 焊料組合物的烙化溫度范圍由固相線溫度和液相線溫度限定。液相線溫度量化了 運(yùn)樣的溫度，在高于該溫度時，焊料材料完全烙化。液相線溫度是晶體(例如固體材料)可W 與烙化物(例如液體材料)共存的最高溫度。在液相線溫度之上，焊料材料是同質(zhì)的烙化物 或液體。在一些實施例中，優(yōu)選的是可W具有窄的烙化溫度范圍，W使得焊料W兩相存在的 范圍減到最小。
[0014] 濕潤性指的是焊料流動并且濕潤基材或工件的表面的能力。更高程度的濕潤性一 般會在工件之間提供增強(qiáng)的粘合強(qiáng)度。濕潤性可W使用點濕測試(dot wet test)來測量。
[0015] 伸長率是拉伸測試所確定的絲的延展度的測量結(jié)果。更高的伸長率表明了更高的 延展性。焊絲的伸長率可W使用Instron 4465機(jī)器在室溫下根據(jù)ASTM E8(名稱為："金屬材 料拉伸測試的標(biāo)準(zhǔn)測試方法"來確定。在一些實施例中，焊絲具有至少大約20%、25%、30%或 35%的伸長率。
[0016] 彈性模量是焊絲響應(yīng)于所施加的力而發(fā)生彈性(例如非永久性)變形的傾向的數(shù) 學(xué)描述。在一些實施例中，焊絲具有低于大約15GPa，低于大約12GPa，或者低于大約10G化的 彈性模量。
[0017] 在終端設(shè)備的使用壽命內(nèi)，該設(shè)備中的所有焊接接頭經(jīng)歷減小的焊接接頭強(qiáng)度。 具有提高的延展性的焊料將會延長設(shè)備的使用壽命從而是更期望的。易延展的焊料在本文 進(jìn)一步所描述的焊絲的制造中也是期望的，W使得焊絲能夠盤繞或卷曲到線軸上。
[0018] 高導(dǎo)熱系數(shù)對于設(shè)備性能也是期望的。在一些實施例中，焊料材料可W將管忍連 接到引腳框架。在運(yùn)樣的實施例中，可能期望的是焊料將熱量傳導(dǎo)到引腳框架中。在一些實 施例中，高導(dǎo)熱系數(shù)對于高功率應(yīng)用是特別期望的。在某些實施例中，適合的焊料材料可W 具有大于20瓦每米開爾文(W/m-K)的導(dǎo)熱系數(shù)。在其他實施例中，適合的焊料材料可W具有 大于lOW/m-K的導(dǎo)熱系數(shù)或者從lOW/m-K到大約25W/m-K的導(dǎo)熱系數(shù)。在更進(jìn)一步的實施例 中，適合的焊料材料具有小到10、12、14W/m-K的導(dǎo)熱系數(shù)，或者大到15、18、20或2抓/m-K的 導(dǎo)熱系數(shù)或者具有在由前述的任意一對值所界定的任何范圍之內(nèi)的導(dǎo)熱系數(shù)。
[0019] 焊料材料(例如本文的祕/銅焊料)可W是無鉛的。如本文所使用的，"無鉛的"指的 是焊料材料包括重量比小于0.1%的鉛。在某些實施例中，焊料材料(例如本文的祕/銅焊料） 可W是無錫的。如本文所使用的，"無錫的"指的是焊料材料包括重量比小于0.1%的錫。
[0020] 在一些實施例中，祕/銅基焊料材料可W包括含量小到85%、88%或90%的重量比的 祕或者大到92%、93%或95%的重量比的祕，或者包括含量在由前述的任意一對值所界定的任 何范圍之內(nèi)的祕，并且包括含量小到5%、8%或10%的重量比的銅或者大到11%、12%或15%的重 量比的銅，或者包括含量在由前述的任意一對值所界定的任何范圍之內(nèi)的銅。例如，祕/銅 基焊料材料可W包括大約85%到大約95%重量比的祕和大約5%到大約15%重量比的銅，并且 更具體地，從大約88%到大約92%重量比的祕和從大約8%到大約12%重量比的銅。諸如嫁、銅、 憐和/或錯的滲雜物存在的含量可W低至重量比為0. 〇〇1%、〇. 〇1%、〇. 05%或0.075%或者含量 可W大到重量比為0.1%、0.25%、0.5%、0.75%或1%，或者存在的含量可^在由前述的任意一 對值所界定的任何范圍之內(nèi)。合適的祕/銅基焊料材料可W包括至少大約10%的重量比的 銅，其余為祕和滲雜物。例如，祕/銅基焊料材料可W包括大約89%-90%重量比的祕，大約10% 重量比的銅和滲雜物。焊料組合物可W僅包括一種滲雜物材料，或者可W包括兩種或更多 種滲雜物的組合。
[0021 ] 在一些實施例中，祕/銅基焊料材料可W由大約10%重量比的銅、大約0.1%重量比 的滲雜物W及余量的祕組成。滲雜物可W是上述列出的那些材料中的單個材料，或者可W 是運(yùn)些材料的組合。在一些實施例中，滲雜物可W是嫁。
[0022] 較其他焊料材料，例如鋒/侶基焊料材料，祕/銅基焊料材料可W展現(xiàn)出更低的烙 化溫度和導(dǎo)熱系數(shù)，并且因此可W適用于低功率應(yīng)用。
[0023] 包括大量銅的祕/銅基焊料(例如包括5%或更高重量比的銅的焊料)通常過于脆而 不能使用常規(guī)的絲擠壓和盤繞技術(shù)來形成為絲。圖1中示出了克服上文所描述的脆弱性的 系統(tǒng)100。系統(tǒng)100包括具有模具112的擠出機(jī)110、加熱區(qū)114和線軸116。
[0024] 在一些實施例中，適合的焊料材料(例如具有上文所描述的成分的焊料材料)被形 成為巧錠并使用擠出機(jī)110和模具12擠壓成為焊絲118。在擠壓之后，絲118在入口 114a進(jìn)入 加熱區(qū)115并在出口 114b退出。隨后，擠出的并經(jīng)過熱處理的絲118被纏繞到線軸116上。
[0025] 適合的焊料材料可W通過對烙化的焊料材料進(jìn)行鑄造而形成為巧錠。在一些實施 例中，鑄錠可W有大約25mm(l英寸）的直徑和大約102mm長(4英寸長），然而鑄錠可W是任何 適合于有效使用擠出機(jī)110的尺寸。
[0026] 擠出機(jī)now足夠的壓力和溫度操作，W擠壓巧錠通過模具112。在一些實施例中， 擠出機(jī)now高到足W使焊料巧錠軟化但不至于使其烙化的溫度操作。例如，擠出機(jī)110可 高于焊料材料的固相線溫度且低于焊料材料的液相線溫度操作。例如，由上文所描述 的成分構(gòu)成的且具有大約27(TC的烙化溫度的焊料巧錠可W在擠出機(jī)110中擠壓，擠出機(jī) 110^低至大約210°(：、220°(：或230°(：的溫度或者高到230°(：、240°(：或250°(：的溫度操作，或 者W由前述的任意一對值所界定的任何范圍之內(nèi)的溫度操作。
[0027] 在一些實施例中，擠出機(jī)110可高于1172化化（17(K)psi)的壓力操作。例如，擠 出機(jī)可 小到 1172 化 Pa(1700psi)、12066KPa(1750psi)、12410KPa(1800psi)或 12755邸 a (1850psi)的壓力或者大到 12755邸a( 1850psi)、13100邸a( 1900psi)、13445Wa( 1950psi) 的壓力，或者可WW存在于由前述的任意一對值所界定的任何范圍之內(nèi)的壓力操作。在一 些實施例中，高壓(例如大于1172化化（1700 psi)的壓力）能提高絲118的強(qiáng)度。在一些實施 例中，焊料材料可W在從大約220°C到大約250°C的溫度并且在大約12410K化（180化 大約13445邸a(1950psi)的壓力被擠壓。
[0028] 擠出的絲118具有小于鑄錠直徑的直徑。適合的焊絲可W具有小于大約1毫米(mm) 的直徑。在一些實施例中，焊絲可W具有小到0.1mm、0.25mm或0.63mm的直徑，或者大到 0.75mm、0.8mm或1mm的直徑，或者具有在由前述的任意一對值所界定的任何范圍之內(nèi)的直 徑。例如，在某些實施例中，焊絲可W具有從大約0.25mm到大約0.8mm的直徑，并且更具體 地，可W具有從大約0.63mm到大約0.75mm的直徑。
[0029] 擠壓會在絲118中引起擠壓應(yīng)力，在一些實施例中，該擠壓應(yīng)力會導(dǎo)致所得到的絲 118過于脆性而不能盤繞在線軸116上。加熱區(qū)114用于對絲118進(jìn)行熱處理和退火。加熱區(qū) 114可W是任何足夠?qū)z118進(jìn)行加熱的加熱設(shè)備或方法。例如，加熱區(qū)114可W是爐，例如 管式爐，或者任何使用強(qiáng)制空氣加熱或熱福射加熱的其他設(shè)備。在一些實施例中，強(qiáng)制空氣 加熱可W從源被直接地引導(dǎo)到絲118上。在其他實施例中，絲118可W穿過管道并被管道包 圍，熱空氣被強(qiáng)制通過該管道。
[0030] 加熱區(qū)114的熱處理過程的長度和溫度足W減少或消除絲118中的應(yīng)力，例如擠壓 應(yīng)力。在一些實施例中，加熱區(qū)114W大約93°C到12rC(20(TF到250了）操作并且絲暴露于 熱處理的時間少到8秒、10秒或15秒或者長到15秒、30秒或60秒，或者在由前述的任意一對 值所界定的任何范圍之內(nèi)的值。也就是說，對于使絲118從加熱區(qū)114的入口 114a行進(jìn)到加 熱區(qū)114的出口 114b，可W需要少到5秒、10秒或15秒或者長到15秒、30秒或60秒，或者需要 在由前述的任意一對值所界定的任何范圍之內(nèi)的值。在一個示例中，加熱區(qū)114大約305mm (1英尺)長(例如，從入口 114a到出口 114b為一英尺），并且絲118W大約4-8英尺每分鐘的速 率移動通過加熱區(qū)114。
[0031] 穿過加熱區(qū)114后，絲118被纏繞到線軸116上。在一些實施例中，線軸116可W具有 51mm(2英寸）的內(nèi)穀直徑和兩個直徑為102mm(4英寸)的外凸緣。如本文所描述的，當(dāng)絲被纏 繞在線軸116上時，絲離內(nèi)穀最近的那部分被纏繞的有效直徑大約為51mm。當(dāng)另外的絲被纏 繞在線軸上時，線軸的有效直徑由于在下面的絲而減小并且在內(nèi)穀上形成了多個絲的盤繞 之后線軸的有效直徑可能更接近102mm(凸緣的直徑)而不是51mm(線軸的穀的直徑）。成功 地擠出的絲118應(yīng)該能夠被卷繞在線軸116上而不斷裂成兩段或更多段。
[0032] 因為絲118的直徑小，絲118在加熱區(qū)114之后可W迅速冷卻。在一些實施例中，加 熱區(qū)114可W充分地加熱絲118，使得絲在被纏繞在線軸116上時處于軟化的狀態(tài)。例如，絲 118當(dāng)被纏繞在線軸116上時可W高于其固相線溫度但是低于其液相線溫度。在一些實施例 中，加熱區(qū)114和線軸116可W間隔開，使得從絲118離開加熱區(qū)114時和盤繞在線軸116上所 經(jīng)過的時間不多于10秒。在其他的實施例中，從絲118離開加熱區(qū)114時和盤繞在線軸116上 所經(jīng)過的時間不多于30秒。
[0033] 如本文所描述的，系統(tǒng)10提供了具有改進(jìn)的絲延展性的焊絲。系統(tǒng)10還改進(jìn)了絲 的可制造性。
[0034] 示例 1 I.祕/銅焊料合金巧錠的形成 通過在氮?dú)猸h(huán)境下將祕、銅和嫁鑄造成直徑為1英寸的巧錠來形成祕/銅焊料合金。
[00對 Π .巧聯(lián)步驟 圖2示出了典型的實驗性絲擠壓和盤繞設(shè)備。焊料合金巧錠202在220-250°C和 12410邸a(1800ps0到13445KPa(1950psi)的壓力在具有模具212的擠出機(jī)212中被擠壓W 形成具有大約0.762mm(0.030英寸）的直徑的焊絲218。在擠壓之后，焊絲218被輸送通過加 熱區(qū)。通過軸向地輸送焊絲218通過管道或通道214來形成加熱區(qū)。管道的端部（214a和 214b)被打開W允許焊絲218進(jìn)入和退出。來自熱氣槍220的熱空氣被引導(dǎo)通過管道214W使 得管道214內(nèi)的空氣維持在大約93 °C到12 rC (200了 -250了）。
[0036] 焊絲被纏繞到具有51mm(2英寸）的內(nèi)穀直徑和兩個直徑為102mm(4英寸)的外部凸 緣的線軸216上。成功地擠出的絲118能夠被卷繞在線軸上而不斷裂成兩段或更多段。
[0037] 焊絲W大約1.2-2.4米每秒(4-8英尺每秒）的速度移動通過系統(tǒng)。模具212和加熱 管道214的入口 214a之間的距離dl大約為303mm(l英尺）。管道214大約303mm(l英尺)長。也 就是說，d2大約為305mm。管道214的出口 214b和線軸216之間W距離d3間隔開W使得絲218 從出口 214b移動到線軸216花費(fèi)的時間不多于10秒。
[0038] 通過使用化rkin Elmer DS口機(jī)器由差示掃描量熱法（"DSC'）來確定焊絲的烙化 特性。烙化溫度被確定為材料開始烙化時的溫度。
[0039] 肥TZSCH LFA 447化noFlash?儀器用于根據(jù)ASTM E1461標(biāo)準(zhǔn)來測試導(dǎo)熱系數(shù)。 為測試貫通表面導(dǎo)熱系數(shù)(throu曲-plane conductivity)，樣品的尺寸是10 X 10 X0.8mm， 并且使用標(biāo)準(zhǔn)的10 X 10mm方形的樣品保持器。
[0040] 使用化rkin Elmer TMA 7熱力學(xué)分析儀(TMA)來確定熱膨脹。
[0041] 通過使用電度表測量給定電壓下的給定長度范圍的試樣電阻來確定焊料材料的 抗電阻性。采用電阻和樣品橫截面積計算得到電阻率。
[0042] 通過在室溫使用Instron 4465機(jī)器測試鑄巧或擠出的絲來確定彈性模量。
[0043] 通過在室溫使用Instron 4465機(jī)器測試鑄巧或擠出的絲來確定抗拉強(qiáng)度。
[0044] 使用Instron 4465機(jī)器在室溫根據(jù)ASTM E8(名稱為"金屬材料拉伸測試的標(biāo)準(zhǔn)測 試方法"）來確定焊絲的伸長率。
[00例 m.結(jié)果 巧錠被擠壓通過模具而成形為直徑0.030英寸的絲并且被卷繞到線軸上。表1呈現(xiàn)了包 括10%的重量比的銅、0.1%的重量比的嫁和余量的祕的焊絲的性質(zhì)，該焊絲根據(jù)圖2的實驗 設(shè)備擠壓得到。
[0046]表 1 BilO化O.lGa焊絲的性質(zhì)

[0047] 示例2 祕/銅焊料巧錠如上文關(guān)于示例1所描述的那樣形成。焊料合金巧錠在250-30(TC和 1500-1800磅每平方英寸(psi)的壓力W2.1-3.0米每分鐘口-10英尺每分鐘）的擠壓速度由 模具擠壓形成為具有大約0.762mm(0.030英寸)直徑的焊絲。擠出的焊絲在擠壓過程之后未 經(jīng)受熱處理過程。包括10%重量比的銅、0.1%重量比的嫁和余量的祕的焊絲不能夠成功地被 纏繞在具有51mm(2英寸）的內(nèi)穀直徑和兩個直徑為102mm(4英寸）的凸緣的線軸上。更具體 地，當(dāng)焊絲試圖使其纏繞到線軸上時，焊絲斷裂成兩段或更多段。
[0048] 在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，對所討論的典型實施例可W做出各種修改和添 加。例如，雖然上面所描述的實施例設(shè)及具體的特征，但是本發(fā)明的范圍也包括具有不同特 征組合的實施例W及不包括上面所描述的所有特征的實施例。
【主權(quán)項】
1. 一種焊絲組合物，包括： 大約85%-95%重量比的鉍;和 至少5%重量比的銅； 其中，所述焊絲具有小于大約1毫米的直徑，并且 其中，所述焊絲具有至少20%的斷裂伸長率。2. 如權(quán)利要求1所述的焊料組合物，包括： 大約5%-15%重量比的銅;和 大約0.01%到大約1%重量比的鎵。3. 如權(quán)利要求1所述的焊料組合物，包括： 大約5%-15%重量比的銅;和 大約0.01%到大約0.1%重量比的鎵。4. 如權(quán)利要求1所述的焊料組合物，包括： 大約8%-10%重量比的銅;和 大約0.01%到大約0.5%重量比的鎵。5. 如權(quán)利要求1所述的焊料組合物，包括： 大約10%重量比的銅;和 大約0.1%重量比的鎵。6. 如權(quán)利要求1所述的焊料組合物，并且進(jìn)一步包括： 小于大約0.1%重量比的鉛。7. 如權(quán)利要求1所述的焊料組合物，并且進(jìn)一步包括： 小于大約0.1%重量比的錫。8. 如權(quán)利要求1所述的焊料組合物，其中，所述焊料組合物由鉍、銅和小于1%重量比的 鎵組成。9. 如權(quán)利要求1所述的焊絲，其中，所述焊絲具有小于15GPa的彈性模量。10. 如權(quán)利要求1所述的焊絲，其中，所述焊絲具有大于l〇W/m-K導(dǎo)熱系數(shù)。11. 一種形成焊絲的方法，所述方法包括： 擠壓坯錠以形成具有小于大約1mm直徑的焊絲； 在大約93 °C和大約121°C之間的溫度對擠出的絲進(jìn)行熱處理； 在所述擠出的絲高于其固相線溫度時，將經(jīng)過熱處理的擠出的絲纏繞到線軸上。12. 如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述擠出的絲經(jīng)受所述熱處理步驟至少10秒。13. 如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述焊絲在所述熱處理步驟后的10秒內(nèi)被纏繞到 所述線軸上。14. 如權(quán)利要求11所述的方法，其中，在所述擠壓步驟中，所述絲在從大約220C到大約 250C的溫度被擠壓。15. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中，在所述擠壓步驟中，所述絲在從大約ISOOpsi到大 約1950psi的壓力被擠壓。16. 如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述焊絲包括： 大約85%-95%重量比的鉍； 至少5%重量比的銅。17. 如權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述焊絲由鉍、銅和大約1%重量比或更少的鎵組 成。18. -種焊料化合物，包括： 大約85%-95%重量比的鉍； 大約8%-12%重量比的銅;和 大約0.001%到0.1%重量比的鎵。19. 如權(quán)利要求18所述的焊料，其由鉍、銅和鎵組成。20. 如權(quán)利要求18所述的焊料組合物，包括大約10%重量比的銅。
【文檔編號】B23K35/26GK105992669SQ201480076034
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2014年2月20日
【發(fā)明人】李健行, M.R.平特, V.L.約翰遜
【申請人】霍尼韋爾國際公司