一种ZnSn基高温无铅焊料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种ZnSn基高温无铅焊料及其制备方法，属于冶金技术领域。本发明专利技术的Zn‑Sn基高温无铅焊料中各组分的质量分数为：Sn：20％～40％，Ag：0.2％～0.5％，Cu：0.1％～3％，Ni：0.1％～1％，Cr：0.1％～1％，Ti：0.1％～2％，P：0.01％～0.1％，余量为Zn。本发明专利技术通过优先制备中间合金，再制备得到Zn‑Sn基高温无铅焊料，既能保证微合金元素更均匀的添加到Zn‑Sn基合金中，又能保证准确的成分控制，冶炼的可靠性高，鲁棒性好。最后得到的焊料的结合强度高，可靠性高。而且耐蚀性能好，能满足复杂环境下焊料合金对耐蚀性的要求。

A ZnSn-based high temperature lead-free solder and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种ZnSn基高温无铅焊料及其制备方法
本专利技术涉及一种ZnSn基高温无铅焊料及其制备方法，属于冶金

技术介绍
钎焊是一种电子封装中用于连接电子元器件与基板的重要技术手段。传统锡铅合金由于其操作容易、塑性良好、成本低廉、对铜基体及其合金良好的润湿性等优点，在现代电子封装工业中得到了广泛的应用。但是铅是一种有毒的元素，其大量使用严重威胁人来健康和环境安全，因此，工业发达国家纷纷立法限制甚至禁止含铅焊料在电子封装领域中的使用，如美国的《减少铅暴露法案》和Reid法案，欧盟的WEEE(WasteElectricalandElectronicEquipment)和RoHS(RestrictionoftheuseofCertainHazardousSubstances)，日本的《家电回收法令》(TheHomeApplianceRecyclingLaw)和我国的《电子信息产品污染控制管理办法》等。目前，电子封装中低温钎焊已经基本实现了无铅化。然而针对用于汽车功率模块钎焊和分步钎焊连接等的高温含铅焊料(铅含量超过85％)，尚未开发出性能足够良好的无铅焊料替代品，因此，在2016年欧盟公布的RoHS豁免工作计划中，高温高铅焊料暂时得以豁免，但该报告同时给出了豁免条款到期时间。可以断定，电子封装领域的无铅化成为必然趋势。目前所研究的高温无铅焊料体系包括Au-Sn，Au-Ge，Sn-Sb，Bi-Ag和Zn-Sn系。Au-20wt.％Sn合金，在焊接过程中接头处容易形成巨大的脆性的AuSn4金属件化合物(IMC)，导致焊接接头强度下降，不利于焊接接头的长期可靠性；Au-12wt.％Ge合金的Au含量更高，同时由于制造过程中，Ge不易被电沉积，制备过程良品率较差。同时，Au基无铅焊料由于Au含量很高，导致其成本极高，限制了其广泛使用。Sn-10wt.％Sb合金熔点相对较低，高温可靠性较差，应用于Cu或Ni焊盘焊接时存在溶蚀过快的问题。Bi-2.5wt.％Ag合金价格相对Au基合金便宜，但该合金性能较差，脆性较大，加工性差，与基体润湿性较差，结合强度较弱。相比于其他几种无铅焊料，Zn-Sn焊料成本低廉，导热性能优异，力学性能优良，可作为高铅焊料的替代品。但这种焊料耐蚀性较差，限制了其广泛应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种Zn-Sn基高温无铅焊料及其制备方法，将其作为电子封装领域中传统高温高铅焊料的替代品，而且使其无毒、无污染、低成本、高的结合强度，且具有良好的耐蚀性。本专利技术提出的Zn-Sn基高温无铅焊料，其中各组分的质量分数为：本专利技术提出的Zn-Sn基高温无铅焊料的制备方法，包括以下步骤：(1)Zn-Sn基高温无铅焊料各组分的质量分数为：(2)按质量比Sn:Ag＝(1～3):1称取纯金属原料Sn和Ag，在真空气氛下熔炼，熔炼温度为700℃～800℃，真空度为10-4Torr，熔炼时间为3h～4h，熔炼过程中，采用电磁搅拌以保证熔炼均匀，制备得到SnAg中间合金；(3)按质量比Sn:Cu＝(1～5):1称取纯金属原料Sn和Cu，在真空气氛下熔炼，熔炼温度为700℃～800℃，真空度为10-4Torr，熔炼时间为2h～4h，熔炼过程中，采用电磁搅拌以保证熔炼均匀，制备得到SnCu中间合金；(4)按质量比Sn:Ni＝(1～5):1称取纯金属原料Sn和Ni，在真空气氛下熔炼，熔炼温度为700℃～800℃，真空度为10-4Torr，熔炼时间为2h～4h，熔炼过程中，采用电磁搅拌以保证熔炼均匀，制备得到SnNi中间合金；(5)按质量比Sn:Cr＝(1～5):1称取纯金属原料Sn和Cr，在真空气氛下熔炼，熔炼温度为700℃～800℃，真空度为10-4Torr，熔炼时间为2h～4h，熔炼过程中，采用电磁搅拌以保证熔炼均匀，制备得到SnCr中间合金；(6)按质量比Sn:Ti＝(5～10):1称取纯金属原料Sn和Ti，在真空气氛下熔炼，熔炼温度为700℃～800℃，真空度为10-4Torr，熔炼时间为1h～2h，熔炼过程中，采用电磁搅拌以保证熔炼均匀，制备得到SnTi中间合金；(7)按质量比Sn:P＝(5～10):1称取纯金属原料Sn和P，在真空气氛下熔炼，熔炼温度为700℃～800℃，真空度为10-4Torr，熔炼时间为2h～4h，熔炼过程中，采用电磁搅拌以保证熔炼均匀，制备得到SnP中间合金；(8)根据Zn-Sn基高温无铅焊料的设计成分，称取步骤(2)制备的SnAg、(3)制备的SnCu、步骤(4)制备的SnNi、步骤(5)制备的SnCr、步骤(6)制备的SnTi、步骤(7)制备的SnP以及原料Zn和原料Sn，在真空气氛下熔炼，熔炼温度为700℃～800℃，真空度为10-4Torr，熔炼时间为2h～4h，熔炼过程中，采用电磁搅拌以保证熔炼均匀；将熔融合金在炉内冷却至300℃，浇注到不锈钢模具中冷却凝固，制备得到如步骤(1)设计成分的Zn-Sn基高温无铅焊料。本专利技术提出的ZnSn基高温无铅焊料及其制备方法，其优点是：1、本专利技术通过优先制备中间合金再制备得到Zn-Sn基高温无铅焊料，既能保证微合金元素更均匀的添加到Zn-Sn基合金中，又能保证准确的成分控制，冶炼的可靠性高，鲁棒性好。2、本专利技术的ZnSn基高温无铅焊料的制备方法，其制备工艺中的熔炼温度、熔炼时间、电磁搅拌频率和浇注工艺参数，能有效避免制备过程中合金组织的粗化和非目标合金组织的生成，细化了焊料合金中粗大Zn相组织，从而提高了焊料合金的强度。3、本专利技术制备的Zn-Sn基高温无铅焊料，由于在合金中添加了Cu元素和Ni元素，减少了焊料合金对铜焊盘的侵蚀作用，并在界面处形成Ni和Sn的金属间化合物，从而增强界面的结合强度，提高了焊接接头的可靠性。4、本专利技术制备的Zn-Sn基高温无铅焊料，由于在合金中添加了Ag、Cr和Ti元素，耐蚀性能好，能满足复杂环境下焊料合金对耐蚀性的要求。附图说明图1为本专利技术实施例1制备得到的Zn-Sn基高温无铅焊料与Cu基板结合的界面图。具体实施方式本专利技术提出的Zn-Sn基高温无铅焊料，其中各组分的质量分数为：本专利技术提出的Zn-Sn基高温无铅焊料的制备方法，包括以下步骤：(1)Zn-Sn基高温无铅焊料各组分的质量分数为：(2)按质量比Sn:Ag＝(1～3):1称取纯金属原料Sn和Ag，在真空气氛下熔炼，熔炼温度为700℃～800℃，真空度为10-4Torr，熔炼时间为3h～4h，熔炼过程中，采用电磁搅拌以保证熔炼均匀，制备得到SnAg中间合金；(3)按质量比Sn:Cu＝(1～5):1称取纯金属原料Sn和Cu，在真空气氛下熔炼，熔炼温度为700℃～800℃，真空度为10-4Torr，熔炼时间为2h～4h，熔炼过程中，采用电磁搅拌以保证熔炼均匀，制备得到SnCu中间合金；(4)按质量比Sn:Ni＝(1～5):1称取纯金属原料Sn和Ni，在真空气氛下熔炼，熔炼温度为700℃～800℃，真空度为10-4Torr，熔炼时间为2h～4h，熔炼过程中，采用电磁搅拌以保证熔炼均匀，制备得到SnNi中间合金；(5)按质量比Sn:Cr＝(1～5):1称取纯金属原料Sn和Cr，在真空气氛下熔炼，熔炼温度为700℃～800℃，真空度为10-4Torr，熔炼时间为2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Zn‑Sn基高温无铅焊料，其特征在于，Zn‑Sn基高温无铅焊料中各组分的质量分数为：

【技术特征摘要】
1.一种Zn-Sn基高温无铅焊料，其特征在于，Zn-Sn基高温无铅焊料中各组分的质量分数为：2.一种Zn-Sn基高温无铅焊料的制备方法，其特征在于该制备方法包括以下步骤：(1)Zn-Sn基高温无铅焊料各组分的质量分数为：(2)按质量比Sn:Ag＝(1～3):1称取纯金属原料Sn和Ag，在真空气氛下熔炼，熔炼温度为700℃～800℃，真空度为10-4Torr，熔炼时间为3h～4h，熔炼过程中，采用电磁搅拌以保证熔炼均匀，制备得到SnAg中间合金；(3)按质量比Sn:Cu＝(1～5):1称取纯金属原料Sn和Cu，在真空气氛下熔炼，熔炼温度为700℃～800℃，真空度为10-4Torr，熔炼时间为2h～4h，熔炼过程中，采用电磁搅拌以保证熔炼均匀，制备得到SnCu中间合金；(4)按质量比Sn:Ni＝(1～5):1称取纯金属原料Sn和Ni，在真空气氛下熔炼，熔炼温度为700℃～800℃，真空度为10-4Torr，熔炼时间为2h～4h，熔炼过程中，采用电磁搅拌以保证熔炼均匀，制备得到SnNi中间合金；(5)按质量比Sn:Cr＝(1～5):1称取纯金属原料Sn和Cr，在真空气氛下熔炼，熔炼温度为700℃～800℃，真空度为10...

【专利技术属性】
技术研发人员：张弓，史清宇，王正宏，龚世良，孙文栋，杨泽霖，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11