[发明专利]复合金属基体铸件和焊料组合物与方法

说明书

发明背景

(1)发明领域

[0001]本发明一般地涉及复合铸件和焊料(solder)，其中包括硬钎料，和更特别地，本发明涉及含有有机官能的无机氧化物颗粒的复合铸件和焊料。本发明进一步涉及无铅复合焊料。

(2)相关领域的说明

[0002]轻质铸件因其重量减轻越来越被用作铸铁的替代品。铸件具有许多用途，特别是在汽车和航空航天工业中。轻质铸件通常不具有铁铸件的性能或可靠性。这一问题的解决方法是在轻质铸件中在临界应力点处提供高强度镶嵌件(insert)。

[0003]Myers等人的美国专利No.6484790和No.6443211教导了对于各种应用来说，形成掺入冶金粘结(bond)的镶嵌件的轻质复合金属铸件的方法。浇铸方法包括下述步骤：在包括充足温度的条件下用第一层涂布镶嵌件，引起该层的一部分因溶解在浇铸金属材料内而牺牲，同时留下至少一部分第一层作为在镶嵌件与铸件材料之间的扩散阻挡层。

[0004]Shimizu等人的美国专利No.6006819教导了通过浇铸掺入到铝基主体内的铝基复合元件，其具有在铝基主体和铸铁材料部分之间增加的粘结强度。

[0005]Jorstad等人的美国专利No.5333668教导了涂布铁或铝制品，例如发动机油缸衬里的镶嵌件的方法，以提供与在该制品周围浇铸的铝合金材料的冶金粘结。

[0006]无铅电子焊料是低熔点合金体系。然而，在现代微电子应用中其使用性能要求它们具有更好的热机械(TMF)能力、良好的尺寸稳定性和降低的电迁移。良好的TMF性能对于汽车、航空航天/防护(defense)和消费电子应用来说是重要的，这是因为这些情况牵涉到严重的热漂移。在典型的微电子机械体系(MEMS)中，互连处的尺寸稳定性变得重要，这是因为在携带电流的印刷电路板内的线路彼此非常接近地布置。在这种MEMS，和发电应用中遇到的高电流密度证明电迁移问题的解决是所需的。

[0007]复合焊料是具有特意掺入的增强剂的焊料。存在数种尝试将相容的增强剂掺入到焊料体系内。这种方法包括通过就地或机械混合方法掺入金属间(IMC)增强剂。机械混合方法可将IMC增强剂直接掺入到焊料糊剂中，或者在软熔(reflow)工艺过程中通过与熔化焊料反应，将加入到糊剂中的金属粉末转化成IMC增强剂。然而，这种增强剂倾向于变为数微米的尺寸。另外，IMC增强剂倾向于在使用过程中糙化并影响其有效性。通过IMC增强剂实现的使用性能改进倾向于随着IMC增强剂的类型、掺入这种增强剂所使用的方法和在使用过程中其糙化动力学变化而变化。结果，在实际的电子焊料互连中尚未实施IMC粒状增强复合焊料。随着电子组件的小型化的快速进展，需要开发具有亚微米增强剂的焊料。

[0008]可供替代的方法是在焊料基体内掺入惰性粒状增强剂。一种这样的尝试是在磁场存在下掺入铁粒(M.McCormack，S.Jin和G.W.Kammlott，“Enhanced Solder Alloy Performance by MagneticDispersions”，IEEE Transactions on Components，Packaging，andManufacturing Technology-Part A，17(3)，pp.452-457，1994)。还尝试在电子焊料内掺入陶瓷颗粒，例如氧化铝。这一方法的一个问题是在软熔工艺过程中增强剂的聚集，使得它们带来较大的尺寸和孔隙。关于在增强剂与基体之间的界面龟裂的相关问题，进行了诸如通过辊压使这些聚集的颗粒破碎和分散的机械加工之类的尝试(H.Mavoori和S.Jin，“New Creep-Resistant，Low Melting PointSolders with Ultrafine Oxide Dispersions”，J.Electr.Mater.，27(11)：pp.1216-1222，1998)。与掺入这一惰性增强剂有关的另一严重问题是，在增强剂与焊料基体之间缺少任何化学键合，这使得它们不是非常有效地提高使用性能(H.Mavoori和S.Jin)。结果，在实践中实施不了具有惰性增强剂的这种焊料。