本发明涉及一种BGA用纳米颗粒强化的焊锡球制备方法，属于焊接材料技术领域，具体为电子封装材料。
背景技术：
目前BGA封装采用的多为SAC305无铅焊锡球，在无铅焊料中有着相对最好的焊接性，但是其疲劳抗性差。目前的无铅共晶合金也需要提升自身性能以满足电子封装日益增加的要求，无铅焊料有两个发展趋势为业界关注，一是无铅焊料的多组元合金化，即以现有的Sn基或者Sn-Ag基等无铅焊料为基础,在其中添加多组元合金元素，以增加组元的方式来改善焊料的性能；另一个方向则是复合无铅焊料，主要是以Sn基或者Sn-Ag、Sn-Ag-Cu基等无铅焊料为基础，通过内生或者添加增强相的方式来制备复合无铅焊料。研制复合焊料的主要目的是通过增强相使得焊料内部保持一个稳定的显微组织及均匀变形，从而改进焊料的可靠性，改善和弥补基体合金性能上的某些不足，提高焊点的力学性能，特别是抗热力疲劳性能及抗蠕变性能，进而全面提升焊点的使用寿命。此外，这种强化的另一个重要特征是基本不会改变原基体焊料的熔点、润湿性等工艺特性，同时能够有效地扩大其工作温度范围，当强化粒子的尺寸小于1μm时还能够有效细化显微组织。
焊锡球是电子元器件封装连接的重要工业原材料，广泛应用于电子工业、制造业、汽车制造业、维修业等，存在于各种BGA结构之中，也为软钎焊钎料研究提供了参考。
随着
纳米材料的兴起，其渐渐开始应用于复合钎料的制备中。本课题组对添加POSS颗粒的复合钎料可靠性已进行了研究，其能有效减缓电迁移速率，并且延长焊点热疲劳寿命，而
碳纳米管作为一种新兴材料，优异的导电传热性、高弹性模量、良好的韧性，其复合钎料也有很大的研究价值。
目前传统无铅焊锡球的制备流程有线切熔融工艺、喷雾成型工艺和摆动成型工艺等，其成本高，设备耗资耗材量大，要求粉末或块状原料至少10Kg，只适用于大批次焊锡球的制备，而且加热温度较高，环境净化要求高，工艺流程复杂。目前还没有添加纳米颗粒BGA焊锡球的制备实例，对于小批次要求、各种直径焊锡球的制备还没有良好的解决方案。如何能够减少成本，方便研究各种成分，在小的原料总量下制备出可用的纳米颗粒强化BGA球，这些对于高校和研究所的研究具有很大便利。本发明就是着眼于传统BGA无铅焊锡球的制备问题，提供了一种适用于实验室的可以自己动手的新型材料(纳米颗粒强化)BGA焊锡球的制作方法。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种纳米颗粒强化无铅焊锡球制备方法。纳米颗粒的弥散分布能有效强化基体钎料，同时使得BGA焊锡球的服役寿命提高。
为实现上述目的，本发明提供了一种制备方法，其主要步骤是：
(1)
粉末冶金：将SAC305共晶粉末与纳米颗粒按照配比机械搅拌混合，采用每分钟不高于80转的速度球磨混合8-10个小时，使得纳米颗粒能够均匀分布在SAC305共晶粉末的母体焊料中，试验所选用的球磨介质为Al2O3陶瓷球，球料比为10：1；
(2)焊膏制备：将步骤(1)所得复合粉末与松香型助焊膏按照一定的比例混合，搅拌半个小时，使其混合均匀，放入冰箱储存，松香型助焊膏占复合粉末与松香型助焊膏总质量的11％-13％，优选12％。
(3)丝网印刷：取出步骤(2)焊膏，搅拌至少5分钟再使用，涂抹在丝网或印刷钢网上，用刮刀将焊膏透过丝网或印刷钢网的网孔而印在玻璃板上，进行顺时针和逆时针方向刮，保证均匀，然后拿掉丝网或印刷钢网；
(4)熔化做球：将步骤(3)印有一定体积焊膏的玻璃板，放进真空保热箱或加热板上，加热温度控制在基体SAC305粉末熔点以上10℃-20℃，初步设定为240℃，保温20s-30s，使部分助焊剂挥发，由于焊膏与玻璃板不润湿，在表面张力作用下熔化为球；
(5)成型刮取：待小球成型且助焊剂挥发完毕，将玻璃板取出，空冷；用镊子将小球从玻璃板上轻松刮落，盛取，放好；
(6)清洗：将小球放入丙酮中，超声清洗，去除氧化与表面污浊；
(7)烘干筛分：将清洗过的小球放入鼓风干燥箱中，在60℃下干燥；将完备的小球用筛子进行筛选，保证植球效果。
步骤(1)纳米颗粒优选POSS颗粒(多面体低聚倍半硅氧烷)或碳纳米管(CNTs)，进一步POSS颗粒在步骤(1)所得复合粉末中的质量百分含量为1％-3％，优选3％，余量为Sn3.0Ag0.5Cu；碳纳米管(CNTs)在步骤(1)所得复合粉末中的质量百分含量为0.05％-1％，优选0.05％，余量为Sn3.0Ag0.5Cu。
本发明可通过调节丝网或印刷钢网的网孔的直径或厚度来调节透过网孔的焊膏的体积从而调节小球的体积。
由于质量极小，考虑体积控制，采用筛子进行大小筛分。筛分好的锡球进行一定挑选即可进行BGA焊接植球用。
综上所述，本发明方法便捷，成本低，可利用实验室现有资源搭建了一个平台，可以完成小批次，各种纳米成分各种大小的焊锡球的制备。
本发明优选通过在SAC305基体内添加3％POSS、0.05％CNTs制备纳米颗粒强化的BGA用焊锡球。采用传统便捷的方法制备了纳米强化下BGA焊锡球，为目前棘手的科学研究和生产应用提供了方案，本发明SAC305基体保证了良好了焊接性，纳米颗粒添加，弥散分布，可以细化组织，可以改善焊点的机械性能及热疲劳性能，对于电子封装器件寿命有重要价值。
附图说明
图1为本发明实施例印刷钢网图。
图2为本发明实施例SAC305-3％POSS BGA焊点的EDS面元素扫描图。
图3为BGA封装焊点截面的显微形貌图；
(a)为采用标准的市场可售的SAC305焊球制备的封装焊点，(b)为本专利采用在SAC305中添加了3％POSS的焊球制备的封装焊点，(C)为在SAC305中添加了0.05％CNTs的焊球制备的封装焊点。
图4为本发明研制的复合焊膏制备的铜片搭接焊点在2000倍电镜下的显微组织图。
图5为不同成分BGA焊点的显微硬度比较图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
一种BGA用纳米颗粒(POSS颗粒)强化焊锡球的制备，基体材料SAC305无铅共晶粉末，添加3％含量的POSS纳米颗粒，机械搅拌混合半个小时，然后以60转/分转速将混合粉末高能球磨10个小时，获得一定的物理结合。
将复合粉末与松香型助焊膏以88：12比例混合，机械搅拌半个小时，混合均匀，冰箱储存。然后采用下图3中的直径为0.48mm，厚度0.1mm的圆孔钢网，涂抹少量复合焊膏，用刮刀将其透过特定面积的网孔刷在在玻璃板上，然后放进温度为240℃的加热板上，保温15s，然后取下冷却，用镊子刮下放进小盒内，小球成型完毕。将制备的POSS强化的小球放进盛有丙酮的烧杯内，超声清洗30min，然后倒掉上液，将其放入60℃鼓风干燥箱，烘干。
用50目(300微米)与60目(250微米)的筛子进行区间筛选，将小球用光学显微镜观察，记录小球尺寸略小于300um，接近300um。
通过计算验证：
R＝0.24mm一个孔印刷的焊膏体积：πR2×0.1×88％＝0.0159241mm3
小球R≈0.15mm制备的小球体积4/3×πR3＝0.01413717mm3
发现通过体积验证，相差不大，获得了直径在300um左右的纳米颗粒强化的BGA小球，进一步植球，通过SMT回流将
芯片和PCB贴装，发现焊接性良好，和市场销售的小球无异。
实施例2
通过EDS能谱分析纳米颗粒的添加效果，进一步SEM观察了焊点的显微形貌。
将制备的POSS强化的焊锡球加热植在芯片上，进一步回流焊接，获得PCB与芯片封装在一起的完整BGA器件。将完整器件一侧焊点进行磨抛观察，观察焊点效果如何，进一步检验POSS强化焊锡球的焊接性与可靠性。
POSS纳米颗粒的主要元素为Si与O元素，图2中，对焊点进行EDS元素面扫，可以观察到，Si与O元素分布均匀，POSS颗粒均匀分布，获得了良好的添加效果。
为了观察良好的连接效果与焊接性，对焊点截面进行了SEM显微形貌观察。图3(a)为采用标准的市场可售的SAC305焊球制备的封装焊点，(b)为本专利采用在SAC305中添加了3％POSS的焊球制备的封装焊点，(c)为在SAC305中添加了0.05％CNTs的焊球制备的封装焊点，倍数为300倍，相比前两个倍数小了50倍，通过观察发现焊接性良好，大小相差不大。
实施例3
本发明研制的BGA焊锡球是采用复合焊膏进行网孔印刷制备而来的，由于复合焊膏中纳米颗粒的添加效果直接决定了BGA焊点中纳米颗粒的添加效果，因此采用在搭接Cu片上涂抹少量焊膏制备模拟焊点，在2000倍下进行电镜观察，图4中，(a)为未添加的SAC305焊点、(b)为添加了3％POSS的复合焊点、(c)为添加了0.05％CNTs的复合焊点，比较可见显微组织得以细化，且纳米颗粒添加效果良好。
实施例4
将制备的SAC305、SAC305-3％POSS、SAC305-0.05CNT三个不同成分的BGA焊点进行显微硬度测试，每种成分采用三个焊点分别测试，每个焊点打8个区域求平均值，除去最大值、最小值，求显微硬度的平均值，绘制图表如图5，可见添加0.05％CNTs后显微硬度提高约13％，添加3％POSS颗粒后显微硬度提高约23.1％，且初始和热冲击后的显微硬度都有明显提高，机械性能有一定改善。
技术特征：
1.一种BGA用纳米颗粒强化焊锡球制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)粉末冶金：将SAC305共晶粉末与纳米颗粒按照配比机械搅拌混合，采用每分钟不高于80转的速度球磨混合8-10个小时，使得纳米颗粒能够均匀分布在SAC305共晶粉末的母体焊料中，试验所选用的球磨介质为Al2O3陶瓷球，球料比为10：1；
(2)焊膏制备：将步骤(1)所得复合粉末与松香型助焊膏按照一定的比例混合，搅拌半个小时，使其混合均匀，放入冰箱储存，松香型助焊膏占复合粉末与松香型助焊膏总质量的11％-13％；
(3)丝网印刷：取出步骤(2)焊膏，搅拌至少5分钟再使用，涂抹在丝网或印刷钢网上，用刮刀将焊膏透过丝网或印刷钢网的网孔而印在玻璃板上，进行顺时针和逆时针方向刮，保证均匀，然后拿掉丝网或印刷钢网；
(4)熔化做球：将步骤(3)印有一定体积焊膏的玻璃板，放进真空保热箱或加热板上，加热温度初步设定为240℃，保温20s-30s，使部分助焊剂挥发，由于焊膏与玻璃板不润湿，在表面张力作用下熔化为球；
(5)成型刮取：待小球成型且助焊剂挥发完毕，将玻璃板取出，空冷；用镊子将小球从玻璃板上轻松刮落，盛取，放好；
(6)清洗：将小球放入丙酮中，超声清洗，去除氧化与表面污浊；
(7)烘干筛分：将清洗过的小球放入鼓风干燥箱中，在不高于60℃下干燥；将完备的小球用筛子进行筛选，保证植球效果；
步骤(1)纳米颗粒为POSS颗粒(多面体低聚倍半硅氧烷)或碳纳米管(CNTs)；
POSS颗粒在步骤(1)所得复合粉末中的质量百分含量为1％-3％，余量为Sn3.0Ag0.5Cu；碳纳米管(CNTs)在步骤(1)所得复合粉末中的质量百分含量为0.05％-0.1％，余量为Sn3.0Ag0.5Cu。
2.按照权利要求1所述的一种BGA用纳米颗粒强化焊锡球制备方法，其特征在于，POSS颗粒在步骤(1)所得复合粉末中的质量百分含量为3％，余量为Sn3.0Ag0.5Cu；碳纳米管(CNTs)在步骤(1)所得复合粉末中的质量百分含量为0.05％。
3.按照权利要求1所述的一种BGA用纳米颗粒强化焊锡球制备方法，其特征在于，通过调节丝网或印刷钢网的网孔的直径或厚度来调节透过网孔的焊膏的体积从而调节小球的体积。
4.按照权利要求1所述的一种BGA用纳米颗粒强化焊锡球制备方法，其特征在于，步骤(2)松香型助焊膏占复合粉末与松香型助焊膏总质量的12％。
技术总结
一种BGA用纳米颗粒强化焊锡球制备方法，属于焊接材料技术领域。包括以下步骤：将SAC305共晶粉末与纳米颗粒按照配比机械搅拌混合研磨，所得复合粉末与松香型助焊膏按照一定的比例混合，用刮刀将焊膏透过丝网或印刷钢网的网孔而印在玻璃板上，将印有一定体积焊膏的玻璃板放进真空保热箱或加热板上融化制球，然后成型刮取、清洗、烘干筛分。筛分好的锡球进行一定挑选即可进行BGA焊接植球用。
技术研发人员：汉晶;谷朋浩;郭福
受保护的技术使用者：北京工业大学
文档号码：201610320076
技术研发日：2016.05.13
技术公布日：2018.02.02
声明：
“BGA用纳米颗粒强化焊锡球制备方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：北京工业大学;
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2024年08月07日 ~ 09日 
