一种无铅无锑强化焊料合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种无铅无锑强化焊料合金及其制备方法，按重量百分比计，包含以下组分：Bi：2%

【技术实现步骤摘要】
一种无铅无锑强化焊料合金及其制备方法


[0001]本专利技术属于电子组装、封装和功率半导体封装
，具体涉及一种无铅无锑强化焊料合金及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着电子产品广泛性应用，电子产品的可靠性受到人们的重视，特别是航空、航天、军事、监控、金融、通信等领域，一旦发生故障失效，将造成巨大的损失。电子封装领域集成电路产业要求承担电、气、热、力的焊点尺寸越来越小，封装密度越来越高，并且能在更高频率的功率循环、更高的振动水平、高湿度、更严酷的温度循环和更高的温度环境服役。传统的SAC305是一种无铅钎料合金，含有96.5％的锡，3％的银和 0.5％的铜。现有国外的SAC305强化钎料合金，具备有高抗拉强度，但却牺牲了塑性和润湿性。其中钎料合金的润湿性影响着焊接空洞率，焊接空洞率高时，焊点剪切强度变低，进而影响焊点高温蠕变寿命，因此钎料合金不仅需要抗拉强度高，还需要较好的润湿性。因此SAC305钎料合金的力学性能尚未符合行业越来越苛刻的要求。
[0003]虽然现有的Sn
‑
Pb焊料以价格低廉，润湿性能优异等优点得到广泛应用，但Pb以及含Pb化合物具有毒性，因此，自 2006 年 7 月 1 日起，美国环境保护署报废的电子电气设备（WEEE）指令和欧盟限制某些有害物质（RoHS）分别禁止了含铅电子产品。另外在封装焊接冷却速率较慢的某些特殊应用场合，由于Sb的加入可能会造成SnSb相的比重偏析，形成粗大的SnSb相，同时也会影响焊料成型能力及润湿性、热膨胀系数等性能，反而影响电子产品封装可靠性，因此，研究无铅且无锑的新型焊料合金迫在眉睫。
[0004]评估电子器件可靠性，在前期封装环节验证往往采用加速试验，在更高频率的功率循环、更高的振动水平、高湿度、更严酷的温度循环和更高的温度环境，来估计寿命或确定薄弱环节，其中最典型和重要的加速试验为加速温度循环试验。已经证实，如果加载速率足够慢以发生蠕变变形，那么无铅焊料在接近或高于 0.5倍的熔点温度下的蠕变变形行为起着非常重要的作用。蠕变响应可以被认为是焊点使用中的主要变形。因此，在焊料开发中，蠕变性能的评价对焊点可靠性起到决定性作用。
[0005]因此为了满足日益增长的对焊料合金的性能要求和满足基于环境或健康上的要求，亟需一种强化的高蠕变性能的无铅无锑焊料合金来满足电子组装、封装和功率半导体封装的高可靠性。

技术实现思路

[0006]为了克服现有技术的不足，本专利技术的第一个目的在于提供一种无铅无锑强化焊料合金,该焊料合金不含铅，且其焊接组成的焊点具有较长的蠕变寿命，不牺牲润湿性、成型能力，适合企业大规模生产的特点。
[0007]本专利技术的第二个目的是为了提供一种上述一种无铅无锑强化焊料合金及其制备方法。
[0008]实现本专利技术的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：一种无铅无锑强化焊料合金，按重量百分比计，包含以下组分：Bi：2%
‑
5%；Ag：3%
‑
5%；Cu：0.4%
‑
0.8%；Ni：0.001%
‑
0.5%；Zr：0.001%
‑
0.5%；和Sn：91.2%
‑
94.598%；且（Ag
‑
3.5%）2+（Bi
‑
3%)2≤0.0002；Zr+Ni<0.5%。
[0009]进一步的，重量百分比计，还包含Ge: 0.001
‑
0.1%。
[0010]进一步的，还包含Ti、Co、In、P、Ga、B、Au、Ta、V、Nb、Hf、Ta、Mn、Al、Zn、Si元素中的一种或两种以上的组合，且每一元素的含量不超过Ni的含量。
[0011]实现本专利技术的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：一种无铅无锑强化焊料合金的制备方法，包括以下步骤：在大气环境中，650℃以上温度下将Sn单质金属、Ni单质金属、Cu单质金属、Ag单质金属、Ge单质金属、Zr的中间合金和/或ZrH2粉末、Bi单质金属依次加入进行熔炼；其中Zr的中间合金为Sn
‑
Zr、Sn
‑
Cu
‑
Zr中间合金的一种或两种的组合。
[0012]进一步的，所述Sn
‑
Zr中间合金中Zr的质量百分比为0.01
‑
16.9%；所述Sn
‑
Zr中间合金的熔点为232℃
‑
1142℃。
[0013]一种无铅无锑强化焊料合金的制备方法，包括以下步骤：在保护气氛或真空环境中，885℃以上温度下将Sn单质金属、Ni单质金属、Cu单质金属、Ag单质金属、Ge单质金属、Bi单质金属与Zr的中间合金和/或ZrH2粉末加入进行熔炼；其中Zr的中间合金为Cu
‑
Zr中间合金；保护气氛的压力比大气压大0.1
‑
7kPa；真空环境的气压为0.81
‑
100Pa。
[0014]进一步的，所述Cu
‑
Zr中间合金中Zr的质量百分比为1
‑
79%。
[0015]相比现有技术，本专利技术的有益效果在于：1、本专利技术的无铅无锑强化焊料合金，相对于传统SAC305钎料合金力学性能得到显著提升，常温、高温蠕变寿命大大延长，成本较低，符合工业化大规模生产和应用，具有优异的优秀可替代性，符合PCB组装、汽车配件模块、芯片模块、电源模块等各种电子元器件焊接中对焊料的要求；并且本专利技术的强化焊料合金不含铅和锑，不仅减少对环境的破坏和对生物健康上影响，而且能彻底避免焊料产生粗大的SnSb相，提高焊料高温蠕变寿命和封装可靠性。
[0016]2、本专利技术的无铅强化焊料合金的制备方法，Zr以中间合金的形式加入并限定了各组分的加入顺序，降低了熔炼温度，节省了采购高温熔炼设备、高温熔炼耗电等的资金，降低了成本；在大气环境就可以熔炼，避免Sn严重氧化，同时没有引入其他新的杂质，提高产品的质量。
附图说明
[0017]图1为实施例9 Sn92.249Ag4Cu0.7Bi3Ni0.05Zr0.001金相组织图。
具体实施方式
[0018]下面将结合具体实施例对本专利技术的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的部分实施例，而不是全部实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0019]传统SAC305钎料在高温高负载下服役寿命较短，因此本专利技术提供一种无铅无锑强化焊料合金，具有较高抗拉强度，较长的蠕变寿命，且不牺牲润湿性、成型能力，适合企业大规模生产和应用，从而解决传统SAC305钎料在高温高负载下服役寿命较短的问题。
[0020]一种无铅无锑强化焊料合金，按重量百分比计，包含以下组分：Bi：2%
‑
5%；Ag：3%
‑
5%；Cu本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无铅无锑强化焊料合金，其特征在于，按重量百分比计，包含以下组分：Bi：2%
‑
5%；Ag：3%
‑
5%；Cu：0.4%
‑
0.8%；Ni：0.001%
‑
0.5%；Zr：0.001%
‑
0.5%；和Sn：91.2%
‑
94.598%；且（Ag
‑
3.5%）2+（Bi
‑
3%)2≤0.0002；Zr+Ni<0.5%。2. 根据权利要求1所述的一种无铅无锑强化焊料合金，其特征在于，按重量百分比计，还包含Ge: 0.001
‑
0.1%。3.根据权利要求1或2所述的一种无铅无锑强化焊料合金，其特征在于，还包含Ti、Co、In、P、Ga、B、Au、Ta、V、Nb、Hf、Ta、Mn、Al、Zn、Si元素中的一种或两种以上的组合，且每一元素的含量不超过Ni的含量。4.权利要求1
‑
3任一项所述的一种无铅无锑强化焊料合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在大气环境中，650℃以上温度下将Sn单质金属、Ni单质金属、Cu单质金属、Ag单质金属、Ge单质金属、Zr的中间合金和/或ZrH2粉末、Bi...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜昆，林钦耀，李志豪，宁江天，赵锦业，许四妹，
申请(专利权)人：广州汉源微电子封装材料有限公司，
类型：发明
国别省市：