一种限高型预成型焊片的制作方法

本发明涉及焊接材料技术领域，具体涉及一种限高型预成型焊片，尤其适用于电子封装中对焊料层高度有一定要求的高可靠性焊接。

背景技术：

预成型焊片是一种可按要求制成不同的形状、大小和表面形态的精密成型焊料，适用于小公差的各种产品制造过程，广泛应用于印制线路板(PCB)组装、连接器和终端设备、芯片连接、电源模块基板附着、过滤连接器和电子组件装配等领域。预成型焊片通常用于对焊料的形状和质量有特殊要求的场合，可以做成任意尺寸和形状以满足客户的需要。预成型焊片具有形状多样性、可焊性好且能减少助焊剂飞溅、单独使用可以精确控制金属使用量等优点，已被确定为焊接技术革新的一种重要手段。

随着预成型焊片应用范围的不断扩大，人们对预成型焊片的要求也越来越高。对于电子封装小型接触面(如手机芯片)的焊接，首先就要求焊料层具有一定的高度，但普通的预成型焊片熔化时由于受到上表面器件或衬板的重力作用而被压扁，使得焊层厚度偏小，进而导致焊接强度小、导电导热性能不佳；还有，对于两平行平面的高可靠性焊接，若焊料层厚度不均匀，就会造成焊接面的歪曲或平行度不够，从而造成被焊元件或与焊接面连接的元件可靠性和使用寿命的降低。此外，芯片等关键电子部件的耐高温能力有限，这就要求这些产品需要在280-300℃的常用焊接温度下，能快速完成焊接的要求，所以预成型焊片需涂覆合适的助焊剂，保证高效焊接且焊后活性物质残留少，对被焊材料无腐蚀作用。

关于能够控制焊层厚度的预成型焊片，目前一些公开的发明专利也有涉及：

如专利CN 104625461B提供了一种高性能预成型焊片及其焊接方法，该焊片包括预成型焊片结构，预成型焊片结构包括焊片基体和金属丝网，金属丝网位于焊片基体的内部，形成三明治状的夹层结构。具体焊接方法为：将预成型焊片放置到待焊接件中预定的焊接位置，将焊接件放入焊接炉中，将带有易挥发的弱酸性溶剂放入焊接炉腔体内部；通入惰性气体，进行抽真空，按照特定的温升曲线进行加热，在温升达到某一阶段后，弱酸性溶剂开始挥发，直至所挥发出来的气体充满整个焊接炉腔体；继续升温，在温升达到更高温度后，预成型焊片开始熔化。但这种预成型焊片包含结构复杂的金属丝网，若在普通大气中进行快速焊接，由于焊片熔化时产生的小气泡不容易从封闭的金属网孔溢出，会造成焊层空洞率较大的问题；而且该焊接方法需要“惰性气体”和“抽真空”条件下操作，存在工艺复杂、耗时长、成本高等缺点。

专利US 7800230公开了一种含有高熔点金属颗粒的预成型焊片，所述预成型焊片由焊片基体、高熔点金属颗粒以及两者之间的金属合金层组成；当金属颗粒的直径为50微米时，预成型焊片高熔点金属颗粒的尺寸变化最大值为20微米。但是该预成型焊片是在焊料熔融状态下投入高熔点金属颗粒，高温下金属颗粒会有溶蚀现象，不同颗粒不同批次的溶蚀程度不同，最终颗粒的尺寸均匀性和金属合金层的厚度都难以控制，使得焊层厚度的均匀性较差，因此仅限用于对焊层厚度要求不高的场合。

综上，不难看出现有技术还存在一定缺陷。

技术实现要素：

有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种具有焊层厚度均匀稳定、空洞率低、焊接速度快、焊后残留少、可靠性高，特别适用于电子封装中对焊料层高度有一定要求的的限高型预成型焊片。

为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：

本发明的限高型预成型焊片，包括焊片基体和金属丝；

所述焊片基体为一长方体状，焊片基体的一个长×宽的表面上开设有平行于宽边的凹槽，所述凹槽的长度与宽边的长度相等，凹槽的深度小于焊片的厚度，所述凹槽的数量至少为2条；

每根所述金属丝的尺寸大小与每条凹槽相同，刚好能嵌入每条所述凹槽中固定；

所述金属丝的熔点比焊片基体的熔点高300℃或以上。

进一步的，所述凹槽的宽度/深度为焊片基体厚度的50-75％。

进一步的，所述金属丝的横截面为长方形、正方形、圆形、V形、U形或燕尾形。

进一步的，所述焊片基体为锡合金焊片基体，所述金属丝为银、铜或银铜合金金属丝。

进一步的，预成型焊片还包括助焊剂层，所述助焊剂层包覆于嵌入金属丝后的焊片基体表面，所述助焊剂层厚度为0.005-0.03mm。

进一步的，所述助焊剂层的助焊剂组成成分为：丁二酸1.5-2.5份，丙二酸1-2份，二溴丁烯二醇1.5-3份，三乙醇胺盐酸盐0.5-1.2份，哌嗪盐酸盐0.1-1.0份，氟碳表面活性剂0.1-0.3份，氢化松香18-20份。

进一步的，所述助焊剂层的助焊剂组成成分为：丁二酸酐1.5-2.5份，戊二酸3.8-4.5份，二溴丁烯二醇2.5-3份，盐酸联氨0.8-1份、苯胺盐酸盐0.8-1份，溴化十六烷基三甲铵0.1-0.3份，氢化松香20-25份。

进一步的，所述助焊剂层的助焊剂组成成分为：戊二酸2.5-3份，辛二酸4-5份，二溴丁二酸1-1.5份，二乙醇胺0.5-1份、环己胺盐酸盐0.5-1.5份，氟碳表面活性剂0.1-0.3份，马来松香20-25份。

进一步的，所述助焊剂的用量为焊片基体与金属丝总质量的0.5-4％。

本发明的有益效果为：

与现有技术相比，本发明具有凹槽结构的焊片基体结构合理、易于加工、适用性广；嵌入于凹槽内的高熔点金属丝选材科学、尺寸和数量适当，不仅对预成型焊片起到焊后限高作用，还有利于焊接过程中气泡的排出，保证焊层厚度的稳定性和均匀性，降低焊接空洞率。

包覆在焊片表面的助焊剂活性强度适中，焊接速度快，焊后活性物质残留少，不用清洗，对焊接材料无腐蚀作用；焊接条件简单易行，成本低，适用于电子封装中对焊料层高度有一定要求的焊接，具备高效、高可靠性的特点。

附图说明

图1为本发明实施例1和实施例2的预成型焊片结构示意图；

图2为本发明实施例3的预成型焊片结构示意图。

附图标记：1、焊片基体；11、长边；12、宽边；2、金属丝；3、助焊剂层。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合具体实施例以及附图对本发明作进一步介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

本发明通过在长方体焊片基体1的其中一面开设凹槽，然后再向凹槽嵌入高熔点的金属丝2，当焊片熔化时由于受到上表面器件或衬板的重力作用，其高度开始下降，但随即得到仍处于固态的高熔点金属丝2的支撑，最终使得焊片具有与金属丝2相同的高度，即起到限高的作用。

当金属丝2与焊片基体1的接触面积较大时，金属丝2表面存在的微小孔隙数量较多，微小孔隙会在焊料熔化时成为气泡核心，气泡在短时间内无法排出而造成焊层空洞率增加；另一方面，若金属丝2与焊片基体1的接触面积或者金属丝2用量过小，金属丝2所提供的支持力就会不足，且金属丝2向液相焊料中溶解的比例也越大，易造成焊层厚度偏小、均匀性差的不良后果。因此，本发明选择凹槽和金属丝2的数量至少是2条，并且依据焊片基体宽度增加而适当增加凹槽和金属丝2的数量，以保证焊层具有一定的均匀厚度并降低空洞率。

本发明中的凹槽尺寸对焊片的加工和使用性能也存在不可忽视的影响，凹槽的宽/深过大时，焊片基体1容易在凹槽底部折断；而凹槽的宽/深过小则容易使金属丝2在后续的加工过程中脱落，且会造成焊片焊接时变形较大，限高作用不明显。作为优选的，所述凹槽的宽/深约占焊片基体1厚度的50-75％。

由于焊片基体1的材料一般为锡合金，常用无铅锡合金焊料的熔点不超过235℃，所选高熔点金属丝2的熔点越高，越有利于减少其在熔融焊料中的溶解，一般地，金属丝2熔点需比焊片基体1的熔点高300℃或以上；同时，金属丝2也应具有优良的导电导热性能。银和铜的熔点分别为962℃和1083℃，而且是常见金属中导电导热性能最佳的，因此，作为优选方案，所述金属丝2的材料为银、铜或银铜合金。

为实现理想的精确焊接效果，预成型焊片通常需要涂覆合适的助焊剂，而本发明中涂覆在预成型焊片表面的助焊剂可进一步改善焊片的高效、高可靠性焊接。

对于本发明，在焊接过程中，助焊剂不仅能去除焊料和元器件表面氧化膜，还能去除金属丝表面的氧化膜，使得金属丝和焊料连为一体，因此选用活性适中的助焊剂有助于避免金属丝因虚焊而在焊层中产生空洞的问题。此外，助焊剂成分中起主要去除氧化膜作用的是活性物质，活性物质的活性强弱必须适当，活性偏强会腐蚀焊接面，而活性偏弱则造成焊接效果不佳。当在通常的焊接温度280-300℃下完成快速焊接，活性物质必须快速、充分地去除焊接面的氧化膜，但活性物质很难定量至恰好与氧化膜完全反应，所以在实际中常常为保证助焊剂的活性充足而不可避免地引起焊后活性物质残留。如果活性物质选择合适，其焊后残留少，且在焊接部件的工作温度下不显活性，就对焊接材料无腐蚀作用。

实施例1

如图1所示，本发明的具有限高性能的预成型焊片，包括焊片基体1、金属丝2和助焊剂层3；

所述焊片基体1为长×宽×厚＝6mm×6mm×0.2mm的长方体；所述焊片基体1的一个长×宽的表面上开设有两个平行于宽边12的凹槽，凹槽的横截面为正方形，凹槽的长、宽、深分别为6mm、0.1mm和0.1mm，所述金属丝为铜丝，金属丝2的尺寸大小与凹槽相同，刚好可以嵌入于凹槽中固定。

在嵌入金属丝2后的焊片基体1表面上包覆一层厚度为0.01-0.02mm的助焊剂层3。

具体地，所述助焊剂层3的助焊剂组成成分为：丁二酸1.5-2.5份，丙二酸1-2份，二溴丁烯二醇1.5-3份，三乙醇胺盐酸盐0.5-1.2份，哌嗪盐酸盐0.1-1.0份，氟碳表面活性剂(FSN-100)0.1-0.3份，氢化松香18-20份。助焊剂的用量为焊片基体1与金属丝2质量之和的2-3％

将本实施例的预成型焊片普通大气环境、280℃条件下进行焊接，焊后焊层空洞率为4.3％。

焊层空洞面积通过超声波扫描仪测定，空洞率通过以下公式计算：空洞率＝空洞总面积÷预成型焊片面积×100％。

实施例2

如图1所示，本发明的具有限高性能的预成型焊片，包括焊片基体1、金属丝2和助焊剂层3；

所述焊片基体1为长×宽×厚＝15mm×15mm×0.5mm的长方体；所述焊片基体1的一个长×宽的表面上开设有两个平行于宽边12的凹槽，凹槽的横截面为正方形，凹槽的长、宽、深分别为15mm、0.35mm和0.35mm，所述金属丝为银丝，金属丝2的尺寸与大小凹槽相同，刚好可以嵌入于凹槽中固定。

在嵌入金属丝2后的焊片基体1表面上包覆一层厚度为0.005-0.01mm的助焊剂层3。

具体地，所述助焊剂层3的组成成分为：丁二酸酐1.5-2.5份，戊二酸3.8-4.5份，二溴丁烯二醇2.5-3份，盐酸联氨0.8-1份、苯胺盐酸盐0.8-1份，溴化十六烷基三甲铵0.1-0.3份，氢化松香20-25份。助焊剂的用量为焊片基体1与金属丝2质量之和的0.5-1.5％。

将本实施例的预成型焊片普通大气环境、300℃条件下进行焊接，焊后焊层空洞率为4.8％。

实施例3

如图2所示，本发明的具有限高性能的预成型焊片，包括焊片基体1、金属丝2和助焊剂层3；

所述焊片基体1为长×宽×厚＝20mm×20mm×0.3mm的长方体；所述焊片基体1的一个长×宽的表面上开设有四个平行于宽边12的凹槽，凹槽的横截面为圆形，凹槽的长、宽、深分别为10mm、0.15mm和0.15mm，所述金属丝为铜银合金丝，金属丝2的直径为0.15mm，长度为10mm，且嵌入于凹槽中固定。

在嵌入金属丝2后的焊片基体1表面上包覆一层厚度为0.02-0.03mm的助焊剂层3。

具体地，所述助焊剂层3的组成成分为：戊二酸2.5-3份，辛二酸4-5份，二溴丁二酸1-1.5份，二乙醇胺0.5-1份、环己胺盐酸盐0.5-1.5份，氟碳表面活性剂(FSN-100)0.1-0.3份，马来松香20-25份。助焊剂的用量为焊片基体1与金属丝2质量之和的3-4％。

将本实施例的预成型焊片普通大气环境、290℃条件下进行焊接，焊后焊层空洞率为4.1％。

对比例1

将本发明中实施例1-3金属丝的嵌入结构分别变为焊片基体完全包覆金属丝的三明治结构，即预成型焊片包括焊片基体、完全包于焊片基体内部的金属丝以及包覆在焊片表面的助焊剂层。

在其他条件均相同的情况下进行焊接，焊后焊层空洞率分别为22.8％、21.9％、23.1％。

由上对比例1可知，采用本发明凹槽结构的预成型焊片，可有效保证焊层厚度的稳定性和均匀性，大幅度降低空洞率，相比三明治状的夹层结构，焊接效果优异。

对比例2

仅将实施例1-3中的助焊剂采用市售同类助焊剂代替，在其他条件，如具凹槽的结构、焊片基体、嵌于凹槽的金属丝位置以及助焊剂用量、焊接操作过程等条件均相同下进行焊接，焊后对应的焊层空洞率为9.7％、11％、9.2％。即本发明中的助焊剂能够进一步提高预成型焊片的焊接性能。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。