金屬粉末焊劑在軟釬焊中的運(yùn)用探究

康 宇，吳家前，韓振峰，高瑞軍

（廣東省焊接技術(shù)研究所（廣東省中烏研究院），廣東 廣州 510000）

微電子封裝被定義為以芯片之間的相互連接作用為支撐，協(xié)助器件實(shí)現(xiàn)其功能，其內(nèi)的互連介質(zhì)能為芯片或器件形成機(jī)械化支撐、散熱、導(dǎo)熱及防護(hù)等多種功能。焊點(diǎn)在散熱、到點(diǎn)及力學(xué)性能等諸多方面占據(jù)優(yōu)勢(shì)，故而在微電子封裝領(lǐng)域中有較廣泛應(yīng)用。為全面提升焊點(diǎn)性能，通常會(huì)將適量焊劑添加至軟釬焊焊點(diǎn)，金屬粉末焊劑是最常用的焊劑類(lèi)型之一。

1 金屬粉末的屬性分析

金屬粉末是釬焊中的焊劑填充材料，在工業(yè)領(lǐng)域中有較大規(guī)模的應(yīng)用。焊劑的構(gòu)成以金屬粉末、粘結(jié)劑為主，是兩者混合而制得的產(chǎn)物。釬焊有硬釬焊與軟釬焊之分，其工藝原理是促進(jìn)填充金屬和部件兩者的整合進(jìn)程，對(duì)部件行加熱措施后促使填充金屬熔化釬焊中的粘結(jié)劑在經(jīng)蒸發(fā)或分解作用下而脫落，熔融金屬會(huì)在相互連接的部件之間形成一一冶金界面。焊劑通常是以一個(gè)壓縮空氣操縱的分散噴嘴或模板的網(wǎng)印裝備為依托實(shí)現(xiàn)分散，其能精確控制焊劑的分散量，進(jìn)而在保證焊接質(zhì)量的基礎(chǔ)上，減少資金投入量。和軟釬焊相比較，硬釬焊焊接溫度處于相對(duì)較高的水平，故而規(guī)定硬釬焊采用的填充金屬熔點(diǎn)＞700K，軟釬焊填充金屬熔點(diǎn)≤700K[1]。硬釬焊多用于鍛件產(chǎn)品制造領(lǐng)域，軟釬焊在微電子線路板間與電子裝置連接領(lǐng)域中體現(xiàn)出良好的適用性。

2 軟釬焊

在工業(yè)領(lǐng)域中，釬焊被定義是應(yīng)用比母材溶化溫度相對(duì)較低的釬料，操作溫度低于母材固相但高于釬料液相線的一種焊接技術(shù)。釬焊過(guò)程中，釬料熔化成為液態(tài)，母材維持固態(tài)，在母材的縫隙內(nèi)或表層上，液態(tài)釬料對(duì)其起到潤(rùn)濕、填充、鋪展等多種作用，和母材之間形成相互作用，經(jīng)冷卻處理后凝固成緊固型接頭，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)和木材的穩(wěn)固性連接[2]。

3 金屬粉末焊劑在軟釬焊中應(yīng)用實(shí)踐

既往有試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)助熔劑內(nèi)含有6種～15種成分，以溶劑、松香酸等為典型代表，以上成分多被應(yīng)用于依照有機(jī)熔劑配方進(jìn)行配制的領(lǐng)域中。因?yàn)橹蹌┦怯啥喾N溶解度與兼容性有機(jī)化學(xué)物質(zhì)的構(gòu)成體，所以以上原料一定要保證所形成溶劑自體具有較高的穩(wěn)定性，進(jìn)而促使熔劑和相適宜的充填金屬粉末混合制得釬焊劑。將適量濃縮機(jī)加入助熔劑內(nèi)，其作用是促使釬焊粉末顆粒能夠懸浮，而加入有機(jī)助熔劑的作用是剔除釬焊粉末與釬焊基體表層的氧化物，進(jìn)而能進(jìn)一步優(yōu)化熔融的釬焊劑對(duì)基體效果，進(jìn)而確保冶金界面處于較優(yōu)良的層面上。

充填金屬粉末與助熔劑重量比對(duì)焊劑粘度的高低起到?jīng)Q定性作用。模板印刷與噴射分散是2種最常用的方法，前者的使用頻次較高。印刷與分散類(lèi)的焊劑流變性能存在差異，其原因歸咎于其內(nèi)金屬量和有機(jī)熔劑化學(xué)結(jié)構(gòu)存在區(qū)別。

微電子制造領(lǐng)域采用的釬焊合金，對(duì)純度提出較嚴(yán)格的要求。Cd、Zn與AI等雜質(zhì)在粉末顆粒表層形成氧化物的概率更高[3]。較嚴(yán)重的氧化物會(huì)對(duì)焊劑在回流（軟熔）階段聚結(jié)過(guò)程形成抑制作用，誘發(fā)釬焊球的分離與釬焊元素的不整體性潤(rùn)濕過(guò)程。

粉末的種類(lèi)是影響電路板器件（SMDs）規(guī)格的主要因素之一，比如，元件引線寬度是0.64mm～1.3mm，與之相對(duì)應(yīng)的是75im～45im粉末；寬度為0.38mm～0.64mm，對(duì)應(yīng)粉末為45imim～45im；針對(duì)寬度＜0.38mm對(duì)應(yīng)的是＜25im的粉末[4]。伴隨電子產(chǎn)品尺寸的減縮，促使線路板線路分布變得更為繁雜，也更為密集化。

SN63/PB37合金不管是在釬焊溫度范疇、濕潤(rùn)，還是在物理性能等諸多方面均占據(jù)優(yōu)勢(shì)。部分合金的釬焊溫度更低于SN63/PB37，但增加脆性晶界形成的概率，故而在微電子領(lǐng)域不適用。

將充填金屬粘結(jié)劑這一導(dǎo)體粘結(jié)劑用于微電子領(lǐng)域中，主要是由于其能夠降低工藝溫度，并減少毒性化學(xué)物質(zhì)的生成量，并且還能簡(jiǎn)化工藝流程。針對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐中，軟釬焊劑能夠在產(chǎn)品與粘結(jié)基底間形成冶金界面的情況，規(guī)定其金屬顆粒熔化后能促使冶金界面有導(dǎo)體形成。針對(duì)導(dǎo)體粘結(jié)劑而言，無(wú)金屬熔化，只要能促使粒子間接觸就能誘導(dǎo)電流流動(dòng)過(guò)程。

現(xiàn)階段，工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中使用最典型的充填金屬粘結(jié)劑金屬粉含量為70%～80%，有機(jī)粘結(jié)劑含量的取值區(qū)間為20%～30%，所使用的金屬粉呈片狀。銀是應(yīng)用范圍最廣的一種導(dǎo)體粘結(jié)劑，和其他類(lèi)型金屬相比較其導(dǎo)電性處于較高水平，在部分工況下其氧化物也能導(dǎo)電，故而在微電子領(lǐng)域中有較好的應(yīng)用前景，但使用期間資金耗用量較大，且會(huì)形成電移性與毒害物質(zhì)。銀的電移性是因?yàn)槠渚哂休^高活潑性所形成的枝狀晶而使電路破損。

用于導(dǎo)體粘結(jié)劑的細(xì)銀粉與銅粉，均是采用霧化法制作而成的。采用惰性氣體進(jìn)行霧化處理是常用方法，其能制造出球形粉，這是粘結(jié)劑在應(yīng)用實(shí)踐中所要追求的一個(gè)方面。該種粉末內(nèi)氧氣含量較低，對(duì)優(yōu)化銅粉的制造質(zhì)量有很大裨益。經(jīng)水霧化制得的銅粉有輕度不規(guī)則形，缺少尖銳棱角，經(jīng)加工后有益于保證其氧化性能的相對(duì)穩(wěn)定性。

片狀粉在導(dǎo)體粘結(jié)劑制造領(lǐng)域中也有較廣泛的應(yīng)用，若片狀粉取向與于板面相互平行時(shí)，接觸面積擴(kuò)增，導(dǎo)電性提升，可兼具流動(dòng)性與導(dǎo)電性。片狀粉是把霧化粉投入至常規(guī)球磨機(jī)或碾磨機(jī)內(nèi)經(jīng)研磨處理后獲得的，在研磨過(guò)程中，細(xì)粉之間護(hù)相互黏附或聚合。研磨過(guò)程可以采用干磨或濕磨形式進(jìn)行，而不管采用如上哪種方法，均需要采用化學(xué)方法或加熱形式剔除工藝控制介質(zhì)或溶劑[5]。

粘結(jié)通常是在422K環(huán)境條件下，經(jīng)過(guò)10min～15min固化處理后而形成的產(chǎn)物。在熱固粘結(jié)內(nèi)，粘結(jié)固化形成了環(huán)氧樹(shù)脂的斷面連接關(guān)系，粘結(jié)劑內(nèi)硬化與他類(lèi)活性配料間互為作用。因?yàn)闊o(wú)需對(duì)金屬行熔化處理辦法，所以以上固化過(guò)程可略低于比軟釬焊的溫度條件下完成。

4 結(jié)束語(yǔ)

將金屬粉末焊劑用于軟釬焊技術(shù)領(lǐng)域中，有益于優(yōu)化焊接效果，優(yōu)化工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)制造效果，助力于工業(yè)產(chǎn)業(yè)的健康、持久發(fā)展進(jìn)程。但在生產(chǎn)實(shí)踐中，工作人員應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)影響因素的調(diào)控與規(guī)避，立足于實(shí)況，科學(xué)選擇溶劑、規(guī)劃充填金屬粉末與助熔劑兩者重量的比值、有針對(duì)性選擇含銅或含銀粘結(jié)劑，整體提升軟釬焊焊接效果與質(zhì)量。