本發(fā)明涉及一種BGA用納米顆粒強(qiáng)化的焊錫球制備方法，屬于焊接材料技術(shù)領(lǐng)域，具體為電子封裝材料。

背景技術(shù)：

目前BGA封裝采用的多為SAC305無鉛焊錫球，在無鉛焊料中有著相對(duì)最好的焊接性，但是其疲勞抗性差。目前的無鉛共晶合金也需要提升自身性能以滿足電子封裝日益增加的要求，無鉛焊料有兩個(gè)發(fā)展趨勢(shì)為業(yè)界關(guān)注，一是無鉛焊料的多組元合金化，即以現(xiàn)有的Sn基或者Sn-Ag基等無鉛焊料為基礎(chǔ),在其中添加多組元合金元素，以增加組元的方式來改善焊料的性能；另一個(gè)方向則是復(fù)合無鉛焊料，主要是以Sn基或者Sn-Ag、Sn-Ag-Cu基等無鉛焊料為基礎(chǔ)，通過內(nèi)生或者添加增強(qiáng)相的方式來制備復(fù)合無鉛焊料。研制復(fù)合焊料的主要目的是通過增強(qiáng)相使得焊料內(nèi)部保持一個(gè)穩(wěn)定的顯微組織及均勻變形，從而改進(jìn)焊料的可靠性，改善和彌補(bǔ)基體合金性能上的某些不足，提高焊點(diǎn)的力學(xué)性能，特別是抗熱力疲勞性能及抗蠕變性能，進(jìn)而全面提升焊點(diǎn)的使用壽命。此外，這種強(qiáng)化的另一個(gè)重要特征是基本不會(huì)改變?cè)w焊料的熔點(diǎn)、潤(rùn)濕性等工藝特性，同時(shí)能夠有效地?cái)U(kuò)大其工作溫度范圍，當(dāng)強(qiáng)化粒子的尺寸小于1μm時(shí)還能夠有效細(xì)化顯微組織。

焊錫球是電子元器件封裝連接的重要工業(yè)原材料，廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)、制造業(yè)、汽車制造業(yè)、維修業(yè)等，存在于各種BGA結(jié)構(gòu)之中，也為軟釬焊釬料研究提供了參考。

隨著納米材料的興起，其漸漸開始應(yīng)用于復(fù)合釬料的制備中。本課題組對(duì)添加POSS顆粒的復(fù)合釬料可靠性已進(jìn)行了研究，其能有效減緩電遷移速率，并且延長(zhǎng)焊點(diǎn)熱疲勞壽命，而碳納米管作為一種新興材料，優(yōu)異的導(dǎo)電傳熱性、高彈性模量、良好的韌性，其復(fù)合釬料也有很大的研究?jī)r(jià)值。

目前傳統(tǒng)無鉛焊錫球的制備流程有線切熔融工藝、噴霧成型工藝和擺動(dòng)成型工藝等，其成本高，設(shè)備耗資耗材量大，要求粉末或塊狀原料至少10Kg，只適用于大批次焊錫球的制備，而且加熱溫度較高，環(huán)境凈化要求高，工藝流程復(fù)雜。目前還沒有添加納米顆粒BGA焊錫球的制備實(shí)例，對(duì)于小批次要求、各種直徑焊錫球的制備還沒有良好的解決方案。如何能夠減少成本，方便研究各種成分，在小的原料總量下制備出可用的納米顆粒強(qiáng)化BGA球，這些對(duì)于高校和研究所的研究具有很大便利。本發(fā)明就是著眼于傳統(tǒng)BGA無鉛焊錫球的制備問題，提供了一種適用于實(shí)驗(yàn)室的可以自己動(dòng)手的新型材料(納米顆粒強(qiáng)化)BGA焊錫球的制作方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種納米顆粒強(qiáng)化無鉛焊錫球制備方法。納米顆粒的彌散分布能有效強(qiáng)化基體釬料，同時(shí)使得BGA焊錫球的服役壽命提高。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種制備方法，其主要步驟是：

(1)粉末冶金：將SAC305共晶粉末與納米顆粒按照配比機(jī)械攪拌混合，采用每分鐘不高于80轉(zhuǎn)的速度球磨混合8-10個(gè)小時(shí)，使得納米顆粒能夠均勻分布在SAC305共晶粉末的母體焊料中，試驗(yàn)所選用的球磨介質(zhì)為Al2O3陶瓷球，球料比為10：1；

(2)焊膏制備：將步驟(1)所得復(fù)合粉末與松香型助焊膏按照一定的比例混合，攪拌半個(gè)小時(shí)，使其混合均勻，放入冰箱儲(chǔ)存，松香型助焊膏占復(fù)合粉末與松香型助焊膏總質(zhì)量的11％-13％，優(yōu)選12％。

(3)絲網(wǎng)印刷：取出步驟(2)焊膏，攪拌至少5分鐘再使用，涂抹在絲網(wǎng)或印刷鋼網(wǎng)上，用刮刀將焊膏透過絲網(wǎng)或印刷鋼網(wǎng)的網(wǎng)孔而印在玻璃板上，進(jìn)行順時(shí)針和逆時(shí)針方向刮，保證均勻，然后拿掉絲網(wǎng)或印刷鋼網(wǎng)；

(4)熔化做球：將步驟(3)印有一定體積焊膏的玻璃板，放進(jìn)真空保熱箱或加熱板上，加熱溫度控制在基體SAC305粉末熔點(diǎn)以上10℃-20℃，初步設(shè)定為240℃，保溫20s-30s，使部分助焊劑揮發(fā)，由于焊膏與玻璃板不潤(rùn)濕，在表面張力作用下熔化為球；

(5)成型刮取：待小球成型且助焊劑揮發(fā)完畢，將玻璃板取出，空冷；用鑷子將小球從玻璃板上輕松刮落，盛取，放好；

(6)清洗：將小球放入丙酮中，超聲清洗，去除氧化與表面污濁；

(7)烘干篩分：將清洗過的小球放入鼓風(fēng)干燥箱中，在60℃下干燥；將完備的小球用篩子進(jìn)行篩選，保證植球效果。

步驟(1)納米顆粒優(yōu)選POSS顆粒(多面體低聚倍半硅氧烷)或碳納米管(CNTs)，進(jìn)一步POSS顆粒在步驟(1)所得復(fù)合粉末中的質(zhì)量百分含量為1％-3％，優(yōu)選3％，余量為Sn3.0Ag0.5Cu；碳納米管(CNTs)在步驟(1)所得復(fù)合粉末中的質(zhì)量百分含量為0.05％-1％，優(yōu)選0.05％，余量為Sn3.0Ag0.5Cu。

本發(fā)明可通過調(diào)節(jié)絲網(wǎng)或印刷鋼網(wǎng)的網(wǎng)孔的直徑或厚度來調(diào)節(jié)透過網(wǎng)孔的焊膏的體積從而調(diào)節(jié)小球的體積。

由于質(zhì)量極小，考慮體積控制，采用篩子進(jìn)行大小篩分。篩分好的錫球進(jìn)行一定挑選即可進(jìn)行BGA焊接植球用。

綜上所述，本發(fā)明方法便捷，成本低，可利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有資源搭建了一個(gè)平臺(tái)，可以完成小批次，各種納米成分各種大小的焊錫球的制備。

本發(fā)明優(yōu)選通過在SAC305基體內(nèi)添加3％POSS、0.05％CNTs制備納米顆粒強(qiáng)化的BGA用焊錫球。采用傳統(tǒng)便捷的方法制備了納米強(qiáng)化下BGA焊錫球，為目前棘手的科學(xué)研究和生產(chǎn)應(yīng)用提供了方案，本發(fā)明SAC305基體保證了良好了焊接性，納米顆粒添加，彌散分布，可以細(xì)化組織，可以改善焊點(diǎn)的機(jī)械性能及熱疲勞性能，對(duì)于電子封裝器件壽命有重要價(jià)值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例印刷鋼網(wǎng)圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例SAC305-3％POSS BGA焊點(diǎn)的EDS面元素掃描圖。

圖3為BGA封裝焊點(diǎn)截面的顯微形貌圖；

(a)為采用標(biāo)準(zhǔn)的市場(chǎng)可售的SAC305焊球制備的封裝焊點(diǎn)，(b)為本專利采用在SAC305中添加了3％POSS的焊球制備的封裝焊點(diǎn)，(C)為在SAC305中添加了0.05％CNTs的焊球制備的封裝焊點(diǎn)。

圖4為本發(fā)明研制的復(fù)合焊膏制備的銅片搭接焊點(diǎn)在2000倍電鏡下的顯微組織圖。

圖5為不同成分BGA焊點(diǎn)的顯微硬度比較圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施例。

實(shí)施例1

一種BGA用納米顆粒(POSS顆粒)強(qiáng)化焊錫球的制備，基體材料SAC305無鉛共晶粉末，添加3％含量的POSS納米顆粒，機(jī)械攪拌混合半個(gè)小時(shí)，然后以60轉(zhuǎn)/分轉(zhuǎn)速將混合粉末高能球磨10個(gè)小時(shí)，獲得一定的物理結(jié)合。

將復(fù)合粉末與松香型助焊膏以88：12比例混合，機(jī)械攪拌半個(gè)小時(shí)，混合均勻，冰箱儲(chǔ)存。然后采用下圖3中的直徑為0.48mm，厚度0.1mm的圓孔鋼網(wǎng)，涂抹少量復(fù)合焊膏，用刮刀將其透過特定面積的網(wǎng)孔刷在在玻璃板上，然后放進(jìn)溫度為240℃的加熱板上，保溫15s，然后取下冷卻，用鑷子刮下放進(jìn)小盒內(nèi)，小球成型完畢。將制備的POSS強(qiáng)化的小球放進(jìn)盛有丙酮的燒杯內(nèi)，超聲清洗30min，然后倒掉上液，將其放入60℃鼓風(fēng)干燥箱，烘干。

用50目(300微米)與60目(250微米)的篩子進(jìn)行區(qū)間篩選，將小球用光學(xué)顯微鏡觀察，記錄小球尺寸略小于300um，接近300um。

通過計(jì)算驗(yàn)證：

R＝0.24mm一個(gè)孔印刷的焊膏體積：πR2×0.1×88％＝0.0159241mm3

小球R≈0.15mm制備的小球體積4/3×πR3＝0.01413717mm3

發(fā)現(xiàn)通過體積驗(yàn)證，相差不大，獲得了直徑在300um左右的納米顆粒強(qiáng)化的BGA小球，進(jìn)一步植球，通過SMT回流將芯片和PCB貼裝，發(fā)現(xiàn)焊接性良好，和市場(chǎng)銷售的小球無異。

實(shí)施例2

通過EDS能譜分析納米顆粒的添加效果，進(jìn)一步SEM觀察了焊點(diǎn)的顯微形貌。

將制備的POSS強(qiáng)化的焊錫球加熱植在芯片上，進(jìn)一步回流焊接，獲得PCB與芯片封裝在一起的完整BGA器件。將完整器件一側(cè)焊點(diǎn)進(jìn)行磨拋觀察，觀察焊點(diǎn)效果如何，進(jìn)一步檢驗(yàn)POSS強(qiáng)化焊錫球的焊接性與可靠性。

POSS納米顆粒的主要元素為Si與O元素，圖2中，對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行EDS元素面掃，可以觀察到，Si與O元素分布均勻，POSS顆粒均勻分布，獲得了良好的添加效果。

為了觀察良好的連接效果與焊接性，對(duì)焊點(diǎn)截面進(jìn)行了SEM顯微形貌觀察。圖3(a)為采用標(biāo)準(zhǔn)的市場(chǎng)可售的SAC305焊球制備的封裝焊點(diǎn)，(b)為本專利采用在SAC305中添加了3％POSS的焊球制備的封裝焊點(diǎn)，(c)為在SAC305中添加了0.05％CNTs的焊球制備的封裝焊點(diǎn)，倍數(shù)為300倍，相比前兩個(gè)倍數(shù)小了50倍，通過觀察發(fā)現(xiàn)焊接性良好，大小相差不大。

實(shí)施例3

本發(fā)明研制的BGA焊錫球是采用復(fù)合焊膏進(jìn)行網(wǎng)孔印刷制備而來的，由于復(fù)合焊膏中納米顆粒的添加效果直接決定了BGA焊點(diǎn)中納米顆粒的添加效果，因此采用在搭接Cu片上涂抹少量焊膏制備模擬焊點(diǎn)，在2000倍下進(jìn)行電鏡觀察，圖4中，(a)為未添加的SAC305焊點(diǎn)、(b)為添加了3％POSS的復(fù)合焊點(diǎn)、(c)為添加了0.05％CNTs的復(fù)合焊點(diǎn)，比較可見顯微組織得以細(xì)化，且納米顆粒添加效果良好。

實(shí)施例4

將制備的SAC305、SAC305-3％POSS、SAC305-0.05CNT三個(gè)不同成分的BGA焊點(diǎn)進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，每種成分采用三個(gè)焊點(diǎn)分別測(cè)試，每個(gè)焊點(diǎn)打8個(gè)區(qū)域求平均值，除去最大值、最小值，求顯微硬度的平均值，繪制圖表如圖5，可見添加0.05％CNTs后顯微硬度提高約13％，添加3％POSS顆粒后顯微硬度提高約23.1％，且初始和熱沖擊后的顯微硬度都有明顯提高，機(jī)械性能有一定改善。



技術(shù)特征：

1.一種BGA用納米顆粒強(qiáng)化焊錫球制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)粉末冶金：將SAC305共晶粉末與納米顆粒按照配比機(jī)械攪拌混合，采用每分鐘不高于80轉(zhuǎn)的速度球磨混合8-10個(gè)小時(shí)，使得納米顆粒能夠均勻分布在SAC305共晶粉末的母體焊料中，試驗(yàn)所選用的球磨介質(zhì)為Al2O3陶瓷球，球料比為10：1；

(2)焊膏制備：將步驟(1)所得復(fù)合粉末與松香型助焊膏按照一定的比例混合，攪拌半個(gè)小時(shí)，使其混合均勻，放入冰箱儲(chǔ)存，松香型助焊膏占復(fù)合粉末與松香型助焊膏總質(zhì)量的11％-13％；

(3)絲網(wǎng)印刷：取出步驟(2)焊膏，攪拌至少5分鐘再使用，涂抹在絲網(wǎng)或印刷鋼網(wǎng)上，用刮刀將焊膏透過絲網(wǎng)或印刷鋼網(wǎng)的網(wǎng)孔而印在玻璃板上，進(jìn)行順時(shí)針和逆時(shí)針方向刮，保證均勻，然后拿掉絲網(wǎng)或印刷鋼網(wǎng)；

(4)熔化做球：將步驟(3)印有一定體積焊膏的玻璃板，放進(jìn)真空保熱箱或加熱板上，加熱溫度初步設(shè)定為240℃，保溫20s-30s，使部分助焊劑揮發(fā)，由于焊膏與玻璃板不潤(rùn)濕，在表面張力作用下熔化為球；

(5)成型刮?。捍∏虺尚颓抑竸]發(fā)完畢，將玻璃板取出，空冷；用鑷子將小球從玻璃板上輕松刮落，盛取，放好；

(6)清洗：將小球放入丙酮中，超聲清洗，去除氧化與表面污濁；

(7)烘干篩分：將清洗過的小球放入鼓風(fēng)干燥箱中，在不高于60℃下干燥；將完備的小球用篩子進(jìn)行篩選，保證植球效果；

步驟(1)納米顆粒為POSS顆粒(多面體低聚倍半硅氧烷)或碳納米管(CNTs)；

POSS顆粒在步驟(1)所得復(fù)合粉末中的質(zhì)量百分含量為1％-3％，余量為Sn3.0Ag0.5Cu；碳納米管(CNTs)在步驟(1)所得復(fù)合粉末中的質(zhì)量百分含量為0.05％-0.1％，余量為Sn3.0Ag0.5Cu。

2.按照權(quán)利要求1所述的一種BGA用納米顆粒強(qiáng)化焊錫球制備方法，其特征在于，POSS顆粒在步驟(1)所得復(fù)合粉末中的質(zhì)量百分含量為3％，余量為Sn3.0Ag0.5Cu；碳納米管(CNTs)在步驟(1)所得復(fù)合粉末中的質(zhì)量百分含量為0.05％。

3.按照權(quán)利要求1所述的一種BGA用納米顆粒強(qiáng)化焊錫球制備方法，其特征在于，通過調(diào)節(jié)絲網(wǎng)或印刷鋼網(wǎng)的網(wǎng)孔的直徑或厚度來調(diào)節(jié)透過網(wǎng)孔的焊膏的體積從而調(diào)節(jié)小球的體積。

4.按照權(quán)利要求1所述的一種BGA用納米顆粒強(qiáng)化焊錫球制備方法，其特征在于，步驟(2)松香型助焊膏占復(fù)合粉末與松香型助焊膏總質(zhì)量的12％。

技術(shù)總結(jié)

一種BGA用納米顆粒強(qiáng)化焊錫球制備方法，屬于焊接材料技術(shù)領(lǐng)域。包括以下步驟：將SAC305共晶粉末與納米顆粒按照配比機(jī)械攪拌混合研磨，所得復(fù)合粉末與松香型助焊膏按照一定的比例混合，用刮刀將焊膏透過絲網(wǎng)或印刷鋼網(wǎng)的網(wǎng)孔而印在玻璃板上，將印有一定體積焊膏的玻璃板放進(jìn)真空保熱箱或加熱板上融化制球，然后成型刮取、清洗、烘干篩分。篩分好的錫球進(jìn)行一定挑選即可進(jìn)行BGA焊接植球用。

技術(shù)研發(fā)人員：漢晶;谷朋浩;郭福

受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京工業(yè)大學(xué)

文檔號(hào)碼：201610320076

技術(shù)研發(fā)日：2016.05.13

技術(shù)公布日：2018.02.02