Ｓｎ－Ａｇ－Ｚｎ－Ｂｉ－Ｃｒ无铅焊料制造技术

一种焊接材料技术领域的Ｓｎ－Ａｇ－Ｚｎ－Ｂｉ－Ｃｒ无铅焊料，其组分及其质量百分比为：Ｃｒ为０．００５－１％、Ａｇ为０．５－３％、Ｚｎ为０．５－５％、Ｂｉ为０－５％、调节型元素０．５％，余量为Ｓｎ。本发明专利技术能够提高材料的抗氧化性、耐腐蚀性，同时延展性、强度等机械性能得到改善，并且对不锈钢焊锡槽等的腐蚀作用明显减弱，同时降低了焊料成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种焊接材料
的焊料，具体是一种Sn-Ag-Zn-Bi-Cr无 铅焊料。
技术介绍
到目前为止，大量用于微电子封装及组装的焊料主要是传统的Sn-Pb系焊料。然 而，电子产品、设备作为一般工业废弃物和生活垃圾被丢弃时，在自然环境中焊料中的Pb 成分会溶解出来，侵入地下水，从而对环境和人类造成极大的危害。因此，近年来包括我国 在内的许多国家纷纷制定或正在制定法律、法规，限制含铅物质的使用，用无铅焊料替代传 统的Sn-Pb系含铅焊料已成为全球微电子制造领域不可逆转的大趋势，积极寻找无毒无害 的新型焊料也成为了当前电子行业的重要任务。Sn-Ag-Zn系焊料作为较有潜力的焊料合金 近两年来越来越受到研究者的关注。相比目前最常用的Sn-Ag-Cu三元焊料，Sn-Ag-Zn三元焊料的成本和熔点与 Sn-Ag-Cu焊料相当。具有可抑制界面金属间化合物和焊料内部金属间化合物生长的优点， 材料的老化性能比较稳定。但是在抗氧化性能、润湿性、焊点初始强度和对不锈钢容器的腐 蚀性上具有一定劣势。所以目前Sn-Ag-Zn焊料相对Sn-Ag-Cu焊料不具备竞争优势。此外 不论Sn-Ag-Cu或者Sn-Ag-Zn共晶焊料的成本都比较高，所以降低焊料的成本也是相关企 业追求的目标。相比目前最常用的Sn-Ag-Cu三元焊料，Sn-Ag-Zn三元焊料的成本和熔点与 Sn-Ag-Cu焊料相当。经过对现有技术文件的检索发现，在《无铅焊接技术》(科学出版 社，2004. 7，第39页)中提到Sn-Ag-Cu系列焊料，该焊料除熔点偏高，价格较贵外，还存 在着一些有待解决的问题。如在冷却速度较低或Ag焊料偏高的情况下，易形成粗大的脆 性Ag3Sn、Cu6Snd@，造成脆性增加，延展性降低，疲劳强度下降。而在《The effects of third alloying elements on the bulk Ag3Sn formation in slowly cooled Sn-3. 5Ag lead-free solder》(J Mater Sci :Mater Electron(2008) 19 :275_280)和其他一些文献 中报道，Sn-Ag-Zn焊料可有效抑制脆性Ag3Sn、Cu6Sn5相的生长，改善材料的力学性能和老 化 1 急定个生° 但是t艮据文献〈〈Effect of zinc additions on structure and properties of Sn-Ag eutectic lead-free solder alloy)) (J Mater Sci :Mater Electron(2008) 19 81-84)禾口文献《Effect of thermal ageing on (Sn-Ag, Sn-Ag-Zn) /PtAg, Cu/A1203 solder joints》(JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE :MATERIALS IN ELECTRONICS 9(1998)373-381) 及其他一些文献报道，Sn-Ag-Zn焊料在抗氧化性能、润湿性、焊点初始强度和对不锈钢容 器的腐蚀性上具有一定劣势。由于以上问题未得到解决，所以目前Sn-Ag-Zn焊料相对 Sn-Ag-Cu焊料不具备竞争优势。另外，为了降低焊料成本，在生产中常使用低Ag含量焊料， 但Ag含量降低使得合金成分偏离共晶点，因而造成焊料液相线温度升高和熔程扩大，因此 可能造成生产过程中废品率增加和产品可靠性降低。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提供一种Sn-Ag-Zn-Bi-Cr无铅焊料，能够 提高材料的抗氧化性、耐腐蚀性，同时延展性、强度等机械性能得到改善，并且对不锈钢焊 锡槽等的腐蚀作用明显减弱，同时降低了焊料成本。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术的组分及其质量百分比为Cr为 0. 005-1 %,Ag 为 0. 5-3%, Zn 为 0. 5-5%, Bi 为 0-5%、调节型元素 0. 5%，余量为 Sn。所述的Cr的含量优选为0. 01-0. 8%,更进一步优选为0. 02-0. 5%。所述的调节型元素为Ni、Ga、In或P中的任意一种。本专利技术涉及上述Sn-Ag-Zn-Bi-Cr无铅焊料的制备方法，包括直接熔炼法和分布 熔炼法，其中所述的直接熔炼法是指将所述组分直接混合后熔炼制得到无铅焊料；所述的组分为粉末状、粒状或块体状的金属元素；所述的分布熔炼法是指依次制备Sn-Cr合金、Ag_Cr合金、Zn_Cr合金、Sn-Zn-Cr 合金和Sn-Ag-Cr合金，然后将上述合金与调节型元素混合后熔炼得到无铅焊料。所述的熔炼是指在真空、熔盐或惰性气体保护或还原气体保护的环境下进行熔 太东。本专利技术通过加入Bi，在保证焊料熔点不提高的情况下降低了 Ag含量从而降低了 焊料的成本，但Bi的加入可能使得合金强度增加，塑性下降。通过Cr的加入可以细化焊料 组织和焊点界面组织，从而达到提高焊料机械性能和焊点可靠性效果。实验表明，Cr的加 入会在表面Sn、Cu氧化层和基底金属之间形成Cr阻挡层，在高温或腐蚀环境中，该阻挡层 可以阻止Sn、Cu向外扩散，从而改善了焊料的抗氧化性能和耐腐蚀性能。普通Sn-Ag-Zn焊 料在降低Ag含量后会造成熔体在凝固过程中偏离原来的Sn-Ag-Zn共晶区，进入Sn-Zn-Ag 共晶区，从而造成熔程扩大，对组织性能、加工工艺和可靠性均有不利影响。Cr的加入使得 焊料在凝固温度范围形成Sn-Zn-Cr金属间化合物，保证熔体成分不偏离Sn-Ag-Zn共晶区， 同时通过金属间化合物的弥散强化提高了焊料的机械性能。另外Cr的存在会大大降低焊 料对含Cr合金的溶解速度，避免或改善对不锈钢焊锡槽材料的溶蚀。焊料合金对不锈钢的 腐蚀作用明显减弱。当Cr含量小于0. 005%时，无弥散强化作用，在焊料表面附件难以形成 Cr的阻挡层，对焊料的化学性能和机械性能改善不够；当含量高于时，易造成成分的偏 析，这种偏析使Cr阻挡层不均勻，局部过厚，对润湿性和机械性能等的负面影响较大。如果 控制焊料中Cr的含量在0. 02-0. 5%范围时，阻挡层厚度均勻、适中，既能产生弥散强化作 用，降低对不锈钢等的溶蚀，又没有明显的偏析现象，使焊料的化学性能和机械性能均处于 最佳状态。本专利技术中加入的Ga和In不仅可以改善焊料的润湿性能，同时可以和Cr生成金 属间化合物，同时可以和Cr生成CrGa4、Cr5Ga6、CrIn2等金属间化合物，在合金中起到弥散强 化的效果，从而提高焊料的机械强度。而Ni的加入不仅可以抑制Ag3Sn金属间化合物的生 长，提高焊料的塑性，同时还可以改善焊料的抗电迁移能力。P的加入改善了焊料的抗氧化 性能，从而提高了焊料的润湿性。相比普通Sn-Ag-Zn焊料，本专利技术在抗氧化性、耐腐蚀性、 延展性、耐疲劳性等机械性能上得到改善，并且对不锈钢焊锡槽等的腐蚀作用明显减弱。本专利技术提供的焊料可以用在很多领域，如做成焊条、焊丝、焊片、焊球、焊粉、焊膏 等。这些产品可以用在电子封装或组装的各个焊接环节，如电子封装中芯片上丝网印刷形4成电极凸点(Bump)、芯片粘贴，BGA、CSP焊球，回流焊、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Ｓｎ－Ａｇ－Ｚｎ－Ｂｉ－Ｃｒ无铅焊料，其特征在于，其组分及其质量百分比为：Ｃｒ为０．００５－１％、Ａｇ为０．５－３％、Ｚｎ为０．５－５％、Ｂｉ为０－５％、调节型元素０．５％，余量为Ｓｎ。

【技术特征摘要】
一种Sn Ag Zn Bi Cr无铅焊料，其特征在于，其组分及其质量百分比为Cr为0.005 1％、Ag为0.5 3％、Zn为0.5 5％、Bi为0 5％、调节型元素0.5％，余量为Sn。2.根据权利要求1所述的Sn-Ag-Zn-Bi-Cr无铅焊料，其特征是，所述的Cr的...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡安民，李明，罗庭碧，胡静，杭弢，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]