一种无铅高温电子钎料及制备方法技术

一种无铅高温电子钎料及制备方法，该钎料由以下合金元素按以下重量百分比组成：Ｓｂ：１０～２２％，Ｃｕ：１～８％，Ｎｉ：０．０１～２％，Ｘ：０～０．０１％，Ｓｎ余量；其中Ｘ指Ｇａ、Ｐ和混合稀土中的零种、一种或任意几种组合；所述的钎料熔点在２４０℃～３２０℃之间，抗拉强度５８－８４ＭＰａ；钎料的制备方法是：将配制的各种合金元素用真空熔炼炉或非真空熔炼炉在８５０～９００℃下保温１～２ｈ，使之均匀熔化，并在出炉前充分搅拌，浇注凝固后获得钎料；所述钎料被制成为钎料母合金或钎料块或焊丝或焊球或焊环或焊箔或焊粉或焊膏中的至少一种；它具有熔化温度较高，改善了钎料的熔化行为，增加了元器件的可靠性，有较好的抗氧化能力，并具有优良的润湿性能等特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种高温无铅软钎料及制备方法，尤其是一种Sn-Sb-Cu-Ni-X多元无铅 高温电子钎料及制备方法，属于焊接
技术背景近年来，随着人们环保意识的提高和对自身健康的日益关注，在欧盟发布的RoHS指令 引导下，各国已相继立法来限制Pb在微电子行业中的使用。因此钎料的无铅化成为了各界 关注的热点之一，取代共晶63Sn-37Pb钎料的无铅产品已趋于成熟并进行了产业化。然而， 广泛用于电子封装中高温领域中的高Pb钎料(Pb含量大于85%的Pb-Sn合金)由于其较高的 熔点(30(TC左右)及优良的综合性能，目前还未找到合适的无铅替代品，因而在RoHS指令 中得到了豁免。尽管如此，随着技术的进步，在电子封装中最终实现全面无铅化是必然趋势， 所以高Pb钎料的无铅化研究有着重要的现实意义。而目前对高Pb钎料无铅化的研究非常少， 文献和专利中所报道的主要有80Au-Sn、 Bi基合金、Zn-Al基合金和Sn-Sb基合金，但是这 些合金都有着各自明显的缺陷。80Au-Sn共晶钎料的熔点为280°C，与高Pb钎料的熔点最相近，但是该钎料成本太高， 主要用于光电子封装、高可靠性(如InP激光二极管)、大功率电子器件电路气密封装和芯片 封装中。中国专利CN155896A提出用含Ag为2% 18wt. %的Bi-Ag合金来替代高Pb钎料，该合 金熔点合适，固相线温度大于262.5°C，但是该合金存在脆性大、加工性差、与基体结合强 度弱、固液相线区间较宽以及在Cu和Ni基体上的润湿性差等一系列问题。Zn-Al基合金尽管熔点较高能保证后续工艺中焊点不熔化，但是其加工性能和应力松弛 能力差，容易氧化且润湿性不佳，这些性质很大程度上限制了该合金的应用。中国专利CN1221216A提出一种用含Sb5 15X的Sn-Sb二元合金用来涂覆引线框架，以 保证能承受随后较高温度的密封工艺。但当Sb含量较低(〈10%)时Sn-Sb 二元合金的熔点 相对较低，对于需要承受高温封装工艺焊点的可靠性不利。且该合金与Cu基体的界面反应很快，从而导致Cu的熔蚀特别严重。这将造成两方面的问题其一，电子封装中Cu焊盘或 引脚通常较小，在短时间内(3 5s)便可以全部溶完，从而导致焊点的失效，其二，由于 Cii焊盘或引脚的溶解也会导致液态合金成分的变化，这种成分的不稳定性对产品的可靠性也 存在较大的影响。美国专利20040241039 (至少75%Sn， 0. 5 7%Cu， 0. 05 18%Sb)和中国专利CN1954958A (Sb8 20%， Cu3 7%，其余为Sn)分别提出了用SnSbCu三元合金作为高温无铅软钎料。 但是该合金依然存在对Cu或Ni基体焊盘的熔蚀快的问题；而且该系列合金的抗氧化性能较 差，在高温焊接过程中会产生大量的锡渣。
技术实现思路
本专利技术的目的是为顺应国际化的无铅化潮流，提供一种熔点在25(TC以上，且在焊接过 程中能有效阻止焊接过程中Cu或Ni焊盘在钎料中的熔蚀，和具有较强抗氧化能力的无铅高 温电子钎料及制备方法；该钎料是封装领域中传统的高Pb钎料的无铅替代产品。为了实现上述目的，本专利技术提供一种Sn-Sb-Cu-Ni-X(X-Ga、 P和混合稀土之中的零种、 一种或任意几种的组合)多元无铅钎料"~~无铅高温电子钎料。该技术方案是在Sn-Sb合金 的基础上添加Cu、 Ni和其他微量元素，形成多元合金，其合金重量百分比组成为Sb: 10 22% Cu 1 8% Ni 0.01 2%X 0.001% 1% Sn 余量其中X指Ga、 P或混合稀土之间的零种、 一种或任意几种的组合。 所述的钎料熔点在24(TC 32(TC之间，抗拉强度58—84Mpa一种如上所述无铅钎料的制备方法，它是将配制的各种合金元素用真空熔炼炉或非真空 熔炼炉在850 90(TC下保温l 2h，使之均匀熔化，并在出炉前充分搅拌，浇注凝固后获得 钎料。所述钎料被制成为钎料母合金或钎料块或焊丝或焊球或焊环或焊箔或焊粉或焊膏中的至少一种。本专利技术的技术原理在于在钎料中添加较高的Sb含量，提高钎料的熔化温度；由于高温下Sn与Cu或Ni的界面反应速度特别迅速，从而导致Cu或Ni基体的快速溶解，适量Cu的 加入可以使钎料的熔化区间保持在一个较狭小的范围，并减少了Cu或Ni基体的溶解；Ni的 加入可以进一步有效减少焊盘的溶解，因为Ni能取代一部分Cu原子参与与Sn的界面反应， 形成(Cu,Ni)6Sri5结构的金属间化合物，同时Ni的加入也能减小焊接过程中的焊点的桥连； 其他微量元素的添加可以提高钎料的抗氧化能力和润湿性能，并有利于细化焊点晶粒，提高 钎料的力学性能。所专利技术的合金可采用常规方法制成各种钎料产品，包括钎料块、焊棒、焊丝、焊球、煌 环、焊箔、焊粉或焊膏。与现有技术相比，本专利技术具有如下显著效果1、 本专利技术合金的熔化温度较高并具有良好的润湿性能，熔点范围在240 32(TC之间， 可以替代电子封装中的高铅钎料，用于一级封装中；2、 本专利技术在Sn-Sb合金的基础上添加了 Cu和Ni，有效地改善了钎料的熔化行为，并大 大减少了高温焊接条件下焊盘在钎料中的溶解速度，增加了元器件的可靠性；3、 本专利技术在合金中添加了微量元素Ga、 P和混合稀土后，能使合金在熔融状态下具有较 好的抗氧化能力，并具有优良的润湿性能。具体实施方式 实施例一合金组成及其重量百分比为12.38%Sb， 4.47%Cu， 0. 28%Ni，其余的为Sn和通常的 一些杂质元素。通过DSC测定，得出合金的熔点范围为246. 2 292. 3。C，抗拉强度为68. 2MPa， 分别见表1和表2。将直径为O. 15mm的Cu丝浸于熔融钎料中进行反应，通过测量浸焊不同时间后Cu丝的 直径来考察合金对Cu基体的熔蚀率。实验结果表明，在400。C的温度下，该合金对Cu的熔 蚀行为主要发生在2s内，Cu丝的熔蚀率为12. 2%， 2s后Cu丝直径基本稳定，见表1。本专利技术所述的制备方法是它是将配制的各种合金元素用真空熔炼炉或非真空熔炼炉在850 900'C下保温1 2h，使之均匀熔化，并在出炉前充分搅拌，浇注凝固后获得钎料。所述钎料被制成为钎料母合金或钎料块或焊丝或焊球或焊环或焊箔或焊粉或焊膏中的 至少一种。本实施例以及以下实施例所述的制备方法与上述基本相同，并可在上述温度和时间范围 内任意选择。 实施例二合金组成及其重量百分比为14.36%Sb， 4. 42%Cu， 0. 28%Ni，其余的为Sn和通常的 一些杂质元素。DSC测得的熔点为249. 5^295. 4'C，抗拉强度为71. 3MPa。该合金对Cu的熔蚀行为主要发生在2s内，0. 15mm的Cu丝的熔蚀率为12. 2%， 2s后Cu丝直径基本稳定。实施例三按如下组成及其重量百分比炼制合金Sbl8. 72%， Cu4. 51%， NiO. 31。％，其余为纯Sn 和通常的微量杂质。DSC测得熔点为250. 6 305. 1。C，抗拉强度为83. lMPa。400。C下Cu的熔蚀发生在ls内，此时0. 15mm的Cu丝的熔蚀率为11. 6%， 1 2s之间Cu 丝直径有所增加，这主要是由于合金化元素含量增加较多后，界面反应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无铅电子钎料，该钎料由以下合金元素按以下重量百分比组成：Ｓｂ：１０～２２％，Ｃｕ：１～８％，Ｎｉ：０．０１～２％，Ｘ：０～０．０１％，Ｓｎ余量；其中Ｘ指Ｇａ、Ｐ和混合稀土中的零种、一种或任意几种组合。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曾秋莲，顾小龙，杨倡进，郭建军，
申请(专利权)人：浙江省冶金研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]