一种Sn-Zn-In-Ga无铅焊料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种用于微电子行业的无铅焊料及其制备方法，所述无铅焊料中Zn占焊料重量百分比为7.0%~10.0%，In占焊料重量百分比为0.05%~5.0%，Ga占焊料重量百分比为0.05%~2.0%，其余为Sn，不可避免的杂质含量小于0.2%。该焊料所含组分少，熔化温度低，润湿性能、抗氧化性能以及力学性能优良，可与微电子行业各种不同性能的半导体材料形成良好的焊接接头，适于推广应用。

【技术实现步骤摘要】
一种Sn-Zn-In-Ga无铅焊料及其制备方法
本专利技术涉及一种无铅焊料，特别是涉及一种新型Sn-Zn-In-Ga四元无铅焊料合金及其制备方法，属于焊接材料

技术介绍
长期以来，Sn-Pb焊料因其熔点低、成本低廉和润湿性良好等优点被广泛应用于电子产品的连接和组装，在电子钎焊连接材料中占有统治地位。但近年来，随着人们对铅及其合金的危害性的深入了解以及环保意识的提高，世界各国及相关组织纷纷立法限制铅及其合金在电子封装中的应用，因此，研制新型无铅焊料代替传统的Sn-Pb焊料成为国内外电子工业的当务之急。目前国内外已经研制的无铅焊料主要有Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-Bi系、Sn-Ag-Cu系、Sn-Zn系等等，但这些合金都存在着或多或少的缺陷。应用最广泛的Sn99Ag0.3Cu0.7、Sn96.5Ag3.0Cu0.5和Sn99.3Cu0.7合金，他们的熔点都比传统的Sn63Pb37焊料高出40℃左右，应用时现有的工艺参数和设备需要升级或者重新购买，增加生产成本。Sn42Bi58共晶焊料合金的微观组织由粗大的富Bi相和β-Sn基体组成，富Bi相是脆性相，热导率差且在服役过程中易粗化，所以在一些焊接可靠性要求较高的封装领域Sn-Bi焊料合金的使用受到很大限制。与其他合金相比，Sn-Zn系焊料原材料来源广泛、成本低，Sn91Zn9共晶熔点与Sn63Pb37合金熔点相近以及力学性能优越，一度被认为最有可能代替传统的Sn-Pb焊料。但由于Zn易氧化，对焊料的润湿性产生了不利影响，限制了Sn-Zn焊料的应用。<br>
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种熔点低、铺展性、抗氧化性以及力学性能等综合性能优良的Sn-Zn-In-Ga四元无铅焊料。本专利技术采用的技术方案具体为：一种Sn-Zn-In-Ga无铅焊料，所述无铅焊料中Zn占焊料重量百分比为7.0%~10.0%，In占焊料重量百分比为0.05%~5.0%，Ga占焊料重量百分比为0.05%~2.0%，其余为Sn，不可避免的杂质含量小于0.2%。进一步的Zn占焊料重量百分比为9.0%。进一步的In占焊料重量百分比为0.5%~4.0%。进一步的Ga占焊料重量百分比为0.1%~1.5%。所述的Sn-Zn-In-Ga无铅焊料的制备方法，具体包括以下步骤，（1）按照重量比1:1称量原料Sn和Zn置于真空感应熔炼炉的坩埚中，抽真空后充入氩气进行熔炼，熔炼温度为550℃~650℃，熔炼时间为30min~40min，真空度为10-4Pa，制备得到中间合金Sn-Zn，合金反复熔炼3次，最后一次重熔后浇注进金属型模具中，在氩气气氛中冷却凝固；（2）按照重量比1:1称量原料Sn和In置于真空感应熔炼炉的坩埚中，抽真空后充入氩气进行熔炼，熔炼温度为450℃~550℃，熔炼时间为30min~40min，真空度为10-4Pa，制备得到中间合金Sn-In，合金反复熔炼3次，最后一次重熔后浇注进金属型模具中，在氩气气氛中冷却凝固；（3）按照重量比1:1称量原料Sn和Ga置于真空感应熔炼炉的坩埚中，抽真空后充入氩气进行熔炼，熔炼温度为450℃~550℃，熔炼时间为30min~40min，真空度为10-4Pa，制备得到中间合金Sn-Ga，合金反复熔炼3次，最后一次重熔后浇注进金属型模具中，在氩气气氛中冷却凝固；（4）将上述制得的Sn-Zn、Sn-In以及Sn-Ga合金按照Zn占焊料重量百分比为7.0%~10.0%，In占焊料重量百分比为0.05%~5.0%，Ga占焊料重量百分比为0.05%~2.0%，其余为Sn混合，在真空感应熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为450℃~550℃，熔炼时间为30min~40min，真空度为10-4Pa，制备得到Sn-Zn-In-Ga无铅焊料，不可避免的杂质含量小于0.2%。本专利技术在Sn-Zn焊料中加入了0.05%~5.0%In，由于Sn91Zn9合金的熔点为198℃，仍然比传统的Sn63Pb37焊料的熔点（183℃）高出15℃，在实际应用中仍旧存在着需要更改设备参数等问题。In的加入能够降低焊料合金的熔点，同时也能减缓Zn的氧化，增强Sn-Zn合金的抗氧化能力。但是在微观结构中，由于In的加入会使焊料形成不规则的长条针状枝晶，使焊料的力学性能下降，降低了焊点的结合强度，因此本专利技术中还添加了一定百分含量的元素Ga。本专利技术在Sn-Zn焊料中加入了0.05%~2.0%Ga。由于Sn-Zn合金中Zn化学性质比较活泼，在熔炼合金以及钎焊过程中易于氧化，导致焊料润湿性能降低，不能很好地铺展。Ga作为表面活性元素，添加到Sn-Zn焊料中会在表面富集，形成一层致密的保护膜，可以有效的阻碍焊料合金和周围的空气接触，减缓焊料合金的氧化，提高焊料的润湿性能。另外，在焊料中加入适量的Ga，能抑制长条针状晶的生长，提高焊料的力学性能。本专利技术的Sn-Zn基无铅焊料合金熔点与传统Sn63Pb37焊料相差不大，同时拥有优异的润湿性能、抗氧化性能和力学性能。与传统无铅焊料相比，不含贵金属Ag，成本低廉。本专利技术采用在真空感应熔炼炉中制备焊料，取代了以往采用保护盐熔炼焊料时Na、K等元素的对焊料合金的干扰，减少了影响因素，同时采用惰性气体氛围保护降低了焊料合金在熔炼时的烧损率，也避免了杂质的引入。附图说明图1是未添加Ga的Sn-Zn-In无铅焊料合金的显微组织。图2是添加0.3%Ga的Sn-Zn-In-Ga四元无铅焊料合金的显微组织。图3是添加0.5%Ga的Sn-Zn-In-Ga四元无铅焊料合金的显微组织。图4是添加0.7%Ga的Sn-Zn-In-Ga四元无铅焊料合金的显微组织。图5是添加1.0%Ga的Sn-Zn-In-Ga四元无铅焊料合金的显微组织。具体实施方式以下结合具体实施案例对本专利技术的技术方案进一步详细描述。但是本专利技术并不限于这些实施例。实施例1一种Sn-Zn-In-Ga无铅焊料，所述无铅焊料由以下成分的重量百分比组成：7.0%Zn，0.5%In，1.0%Ga，余量为Sn，还包括不可避免的杂质。Sn-Zn-In-Ga无铅焊料合金的制备方法如下：（1）按照重量比1:1称量原料Sn和Zn置于真空感应熔炼炉的坩埚中，抽真空后充入氩气进行熔炼，熔炼温度为550℃~650℃，熔炼时间为30min~40min，真空度为10-4Pa，制备得到中间合金Sn-Zn，合金反复熔炼3次，最后一次重熔后浇注进金属型模具中，在氩气气氛中冷却凝固；（2）按照重量比1:1称量原料Sn和In置于真空感应熔炼炉的坩埚中，抽真空后充入氩气进行熔炼，熔炼温度为450℃~550℃，熔炼时间为30min~40min，真空度为10-4Pa，制备得到中间合金Sn-In，合金反复熔炼3次，最后一次重熔后浇注进金属型模具中，在氩气气氛中冷却凝固；（3）按照重量比1:1称量原料Sn和Ga置于真空感应熔炼炉的坩埚中，抽真空后充入氩气进行熔本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Sn-Zn-In-Ga无铅焊料，其特征在于：所述无铅焊料中Zn占焊料重量百分比为7.0%~10.0%，In占焊料重量百分比为0.05%~5.0%，Ga占焊料重量百分比为0.05%~2.0%，其余为Sn，不可避免的杂质含量小于0.2%。/n

【技术特征摘要】
1.一种Sn-Zn-In-Ga无铅焊料，其特征在于：所述无铅焊料中Zn占焊料重量百分比为7.0%~10.0%，In占焊料重量百分比为0.05%~5.0%，Ga占焊料重量百分比为0.05%~2.0%，其余为Sn，不可避免的杂质含量小于0.2%。


2.如权利要求1所述的Sn-Zn-In-Ga无铅焊料，其特征在于：进一步的Zn占焊料重量百分比为9.0%。


3.如权利要求1所述的Sn-Zn-In-Ga无铅焊料，其特征在于：进一步的In占焊料重量百分比为0.5%~4.0%。


4.如权利要求1所述的Sn-Zn-In-Ga无铅焊料，其特征在于：进一步的Ga占焊料重量百分比为0.1%~1.5%。


5.如权利要求1所述的Sn-Zn-In-Ga无铅焊料的制备方法，其特征在于：具体包括如下步骤，
（1）按照重量比1:1称量原料Sn和Zn置于真空感应熔炼炉的坩埚中，抽真空后充入氩气进行熔炼，熔炼温度为550℃~650℃，熔炼时间为30min~40min，真空度为10-4Pa，制备得到中间合金Sn-Zn，合金反复熔炼3次，最后一次重熔后浇注...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐冬霞，曹福磊，褚亚东，杨毅博，任鹏凯，和平安，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：河南;41