【技术实现步骤摘要】
本专利技术提供一种固溶强化焊料及其高可靠性互连接头的制备方法，涉及固溶强化类型焊料制备可抗高温低温循环互连接头的制备方法，属于焊接。
技术介绍
1、随着目前高端武器装备以及新能源汽车的不断发展，对电子器件提出了新的服役要求：剧烈的冷热变化和大范围电流的瞬态变化，这种恶劣的服役环境使得电子器件极容易发生失效，这种失效通常是由封装中互连接头断裂所导致的。而目前市面常见的snagcu系列焊料制备得到的接头的强化效果依赖第二相的强化实现，这种第二相在高温时的粗化是导致接头韧性降低的主要原因，因此传统的第一代和第二代无铅焊料难以满足现有大功率器件在极端环境如高温，低温以及冲击振动等的应用。第三代无铅焊料以固溶强化作为主要强化手段来实现接头在恶劣环境下的服役条件。固溶强化通过晶格畸变提供强化避免传统接头在高低温变化时第二相发生粗化使得接头韧性下降而发生失效，从而使得第三代无铅焊料制备得到的接头在热循环以及热冲击中得到更长的服役时间。因此通过对焊料成分进行调整得到具备高可靠性接头的同时降低生产成本对第三代无铅焊料的使用具有重要意义。
2、目前，市面第三代无铅焊料常见的添加固溶元素包括：sb、bi和in等通过三种及以上元素的混合添加实现对sn-ag-cu无铅焊料在恶劣环境下的服役要求。但仍然存在部分缺陷，例如：ag的价格较高，sb在仅在高温时在β-sn中具备溶解度，bi在高低温循环时反复发生溶解和析出同样会导致bi的粗化，in给提供的固溶强化有限，这些限制了高可靠性接头在更大范围的实际应用。
技术实现思路
1、为了实现无铅焊料制备的互连接头在降低成本的同时，实现高可靠性互连，本专利技术提供了一种无铅焊料及连接方法。该方法以sn作为主要元素，添加ga，ag，zn，bi，in，fe，cr，al，cu，mo等适量元素，实现在接头中仅存在少量金属间化合物或不存在金属间化合物，仅依赖固溶强化实现接头在恶劣环境下的高可靠性，避免在时效过程中由于第二相粗化而引起的接头失效。
2、本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。
3、首先是固溶强化焊料的制备，要求在β-sn中具备高固溶度，可提供较高固溶强度贡献，其次选用其他元素以保护固溶强化效应。经过成分设计得到焊料体系为：snagabagczndbieinffegcrhalicujmok，其中b元素的含量范围为：0.01~4wt%，c元素的含量范围为：0.01~5wt%，d元素的含量范围为：0.1~13wt%，e元素的含量范围为：0.01~6wt%，f元素的含量范围为：0.01~6wt%，g-k元素为微量添加，其含量范围为：0.01~0.04wt%，剩余配重为a元素。将焊料进行轧制，冲压，两次回流焊后即可得到高可靠性接头。
4、所述高可靠性接头的制备方法包括以下步骤：
5、步骤一：采用高精度电子秤对sn，ga，ag，zn，bi，in，fe，cr，al，cu，mo这11种元素按照重量百分比进行精确称量。
6、步骤二：首先置sn在电阻炉中融化后，使用液态sn将其他元素进行包裹后进行真空封管处理。
7、步骤三：封管后的合金在熔点以上温度均匀化处理后取出。
8、步骤四：随后将焊料进行轧制，进行冲压得到体积为0.05-0.15mm3的圆片。
9、步骤五：将圆片置于高硼玻璃表面，加热液化后在表面张力作用下圆片收缩得到焊球；
10、步骤六：去除cu基板表面氧化膜并添加助焊剂。
11、步骤七：将加热板升温至焊料熔点以上，焊球置于cu基板后进行初步焊接，这步操作可以让zn与cu首先发生反应以保证ga固溶在β-sn中不被cu基板消耗；将接头置于回流焊炉中进行回流焊接，回流温度范围为221-345℃，得到高可靠性接头。
12、或者，在cu基板表面施加几滴助焊剂后将焊球附着在基板表面，将基板转移至回流焊炉中进行回流焊接，回流温度须高于焊料熔点，得到高可靠性接头。
13、有益效果：
14、（1）本专利技术得到的焊料包含ga，in，bi等多种在β-sn中具备较大含量的室温固溶元素，具备zn，cu，ag等改善含量润湿性的元素，具备ag，al等改善抗氧化性等元素，具备cr，fe，mo等具备稳定界面金属间化合物的元素。通过这种成分设计得到可用于制备固溶强化为主要强化效果的高可靠性接头，并且按照该设计思路，可在成分范围内对焊料成分进一步优化，使得该焊料成本低，使用范围广，可靠性高等诸多优点。
15、（2）本专利技术得到的高可靠性接头通过通过zn元素阻碍焊料对基板的侵蚀，保证了固溶元素的固溶强化的持续性
16、（3）本专利技术所得高可靠性接头，主要强化类型为固溶强化，这种强化效果不会因为在高温下时效而导致接头韧性下降从而产生失效，使得接头的强塑性在剧烈温度变化和高温的持续使用中保持稳定从而实现长时间服役。
17、（4）本专利技术所得的高可靠性接头，主要强化元素为ga，其价格仅有sn-ag-cu系列无铅焊料中ag价格的1/3，实现了成本的大幅度降低，有利于实现大范围的应用。
18、（5）本专利技术所得的高可靠性接头，其在-40℃-125℃循环50次后，微观组织没有发生明显变化，界面无变形滑移带的产生，无裂纹出现，验证了该接头具备恶劣环境下服役的可靠性。
19、（6）本专利技术所述无铅焊料及该焊料制备所得高可靠性互连接头的方法，成本低，可靠性高，在应用中具有实用性、安全性和经济性等优点，在互连领域具有良好的应用前景。
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1.固溶强化焊料，其特征在于，焊料体系为：
2.高可靠性互连接头的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的高可靠性互连接头的制备方法，其特征在于，步骤三中，在焊料熔点以上温度均匀化处理。
4.根据权利要求2所述的高可靠性互连接头的制备方法，其特征在于，步骤四中，轧制得到体积为0.05-0.15mm3的圆片。
5.根据权利要求2所述的高可靠性互连接头的制备方法，其特征在于，步骤五中，加热到焊料熔点以上的温度得到焊球。
6.根据权利要求2所述的高可靠性互连接头的制备方法，其特征在于，步骤七中，将加热板升温至焊料熔点以上。
7.高可靠性互连接头，其特征在于，按照权利要求2-6任一项所述的制备方法所得。
【技术特征摘要】
1.固溶强化焊料，其特征在于，焊料体系为：
2.高可靠性互连接头的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的高可靠性互连接头的制备方法，其特征在于，步骤三中，在焊料熔点以上温度均匀化处理。
4.根据权利要求2所述的高可靠性互连接头的制备方法，其特征在于，步骤四中，轧制得到体积为0.05-0....
【专利技术属性】
技术研发人员：马兆龙，张惠哲，范梦卓，李策，程兴旺，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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