一种高可靠性低温Sn-Bi基无铅钎料合金制造技术

技术编号：45051908 阅读：4 留言：0更新日期：2025-04-22 17:36

本发明专利技术公开了一种高可靠性低温Sn‑Bi基无铅钎料合金，所述合金基于包含β‑Sn(Bi)固溶体相的亚共晶双团簇模型，合金成分按质量百分比计，包括38.2 %的Bi，3.7~4.0 %的In，0~1.0 %的Ag，0~0.8 %的Cu，余量为Sn；所述合金的亚共晶双团簇模型，包含β‑Sn(Bi)固溶体相的结构单元为[Sn‑Sn<subgt;10</subgt;] Bi<subgt;3</subgt;Sn<subgt;1</subgt;，亚共晶双团簇解析式表述为：8[Sn‑Sn<subgt;10</subgt;] Bi<subgt;3</subgt;In<subgt;1</subgt; + 2[Sn‑Sn<subgt;10</subgt;] Bi<subgt;3</subgt;Sn<subgt;1</subgt; + 1[Bi‑Bi<subgt;6</subgt;] Bi<subgt;5</subgt;=Sn<subgt;112</subgt;Bi<subgt;42</subgt;In<subgt;8</subgt;=Sn‑38.2Bi‑3.9In。本发明专利技术的低温钎料具有熔点较低、塑性韧性高等优点，具有较高的剪切强度，且能够匹配当前工业用低温回流工艺，适合作为新型低温钎料应用在消费类电子产品或新型太阳能电池等低温钎焊的应用场景。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无铅钎料，具体涉及一种低温sn-bi基无铅钎料合金。

技术介绍

1、随着消费类电子产品向着低功耗、多功能化、高集成度、微型化、绿色制造的方向发展，对电子制造封装技术与工艺提出了新的要求，以解决消费类电子产品可靠性面临的严峻挑战。截止目前无铅钎料体系中最成熟、应用最广的当属sac305（sn-3.0ag-0.5cu），这种无铅钎料具有润湿性好、焊渣少、焊点强度高等优点。但该钎料存在的问题是其熔点高达217 oc，相比sn-pb共晶钎料提高了34 oc。此外，sac305的回流峰值温度需要达到250 oc甚至更高，这让之前匹配sn-pb共晶钎料的工艺和材料都受到了挑战，不仅要考虑高温对器件性能的影响，还要解决残余热应力引起印刷电路板（printed circuit board）翘曲的问题。随着电子封装向着微型化和高度集成化发展，高回流温度带来的热管理问题会被几何倍数地放大而变得更加严峻。因此低温钎料和低温工艺的开发也是当前电子封装行业继无铅化后的一个发展方向。

2、此外，在光伏行业中的太阳能电池大多数都会采用镀有焊料层的铜带和使用焊膏连接其他种类连接器部件。为了不断降低太阳能的成本，电池厚度也变得越来越薄。在未来几年，行业将需要从锡铅焊料转换到无铅焊料。由于用于将电池连接到一起的铜带和其他部件的cte可能会比si大4-5倍，在加工工艺后焊料固化时，会向脆弱的电池施加应力。随着电池变得越来越薄，它也变得越来越容易断裂，使用低熔点焊料合金和焊膏可以减少这些问题的发生，降低电池断裂的风险。

3、电子封

4、现有公开文献披露了对于sn-bi基钎料合金，在一定范围内降低bi含量能够有效提高韧性。公告号为cn115383349a的中国专利申请公开了一种微合金化调控微观结构获得高韧性无铅锡铋焊料的方法，其中主要成分bi的重量百分比为40 %，其延伸率较sn-58bi提升了26.6 %，并避免了时效过程中imc生长过快。现有公开文献还披露了在sn-bi中添加少量合金元素能够提高焊点的耐冲击性能。公告号为cn111683785a的中国专利申请公开了一种焊料合金，其中主要成分bi的重量百分比为35 ~ 68 %，in的重量百分比为0.5 ~ 3 %、并包括pd、co、ge等其他微量元素。该种无铅钎料是能有效细化脆性bi相，表现出优异的耐冲击性，但其存在的问题是合金的韧性依旧难以满足在实际应用中的需要。添加in元素可以在一定程度上提高合金的韧性，但其含量较低难以大幅度改善合金的性能。此外，该种钎料中添加的微量合金种类过多，不利于组织的均匀性以及性能的稳定。公开号为cn117900692a的中国专利申请公开了一种基于传统的{团簇}(连接原子)模型的sn-bi-in-ag无铅钎料，其中主要成分sn的重量百分比为45.5 ~ 46.5 %或51.5 ~ 52.0 %，in的重量百分比为2.9 ~ 3.1 %或3.35 ~ 3.4 %。该种无铅钎料合金能略微提高剪切强度，但由于使用的双团簇模型未考虑到固溶体相的影响而导致的成分偏差，其剪切强度仅为28.6 mpa。

技术实现思路

1、本专利技术的目的在于提升现有低温sn-bi基无铅钎料的性能，进一步改善低温sn-bi基无铅钎料的塑性和延展性、降低熔点，以更好地应用于低温焊接工艺的高可靠性低温sn-bi基无铅钎料合金。

2、本专利技术采取的技术方案如下：

3、一种高可靠性低温sn-bi基无铅钎料合金，所述合金基于包含β-sn(bi)固溶体相的亚共晶双团簇模型，所述合金基于包含β-sn(bi)固溶体相的亚共晶双团簇模型，添加in、ag、cu原子替换sn原子，得到高可靠性无铅钎料合金，合金成分按质量百分比计，包括38.2%的bi，3.7~4.0 %的in，0~1.0 %的ag，0~0.8 %的cu，余量为sn；所述合金的亚共晶双团簇模型，包含β-sn(bi)固溶体相的结构单元为[sn-sn10] bi3sn1，亚共晶双团簇解析式表述为：8[sn-sn10] bi3in1 + 2[sn-sn10] bi3sn1 + 1[bi-bi6] bi5 = sn112bi42in8 = sn-38.2bi-3.9in。

4、较佳地，所述合金中，in的质量含量为3.9 %，ag的质量含量为0.94 %；所述合金的亚共晶双团簇模型，8[sn-sn10] bi3in1 + 2[sn-sn10] bi3ag1 + 1[bi-bi6] bi5 =sn110bi42in8ag2 = sn-38.2bi-3.9in-0.94ag。

5、在传统的{团簇}(连接原子)模型中，sn57bi43共晶合金的双团簇模型仅由代表sn的结构单元[sn-sn10] sn5和代表bi的结构单元[bi-bi6] bi5以1:1的比例简单混合构成，团簇解析式为：1[sn-sn10] sn5 + 1[bi-bi6] bi5 = sn16bi12 = sn57.1bi42.9。这种模型未考虑到β-sn(bi)固溶体相的影响作用。而本专利技术的低温sn-bi基无铅钎料，在其双团簇模型中包含β-sn(bi)固溶体相的结构单元为[sn-sn10] bi3sn1，优化后，sn57bi43共晶合金的双团簇解析式为：2[sn-sn10] bi3sn1 + 1[bi-bi6] bi5 = sn24bi18 = sn57.1bi42.9。

6、本专利技术在包含固溶体相的双团簇模型的基础上，进一步解析了sn-bi二元亚共晶双团簇解析式以及sn-bi-in-x合金成分的多元团簇解析式。例如：10[sn-sn10] bi3sn1 + 1[bi-bi6] bi5 = sn120bi42 = sn-38.2bi和 8[sn-sn10] bi3in1 + 2[sn-sn10] bi3ag1 + 1[bi-bi6] bi5 = sn110bi42in8ag2 = sn-38.2bi-3.9in-0.94ag。本专利技术更精确地设计了多元合金成分，从而获得具有良好综合性能的合金。

7、本专利技术所述钎料合金在sn-58bi共晶合金的基础上降低bi的含量。在保证回流工艺温度较低的条件下，将bi含量降低至亚共晶sn-bi的成分范围，减小bi原子在回流过程中由于脆性bi相偏聚在界面而导致的风险，降低时效过程中bi在cu3sn/cu偏析的倾向，而且亚共晶sn-bi成分的由sn-bi共晶组织转变为sn-bi共晶和β-sn的混合组织，而β-sn相的韧性相本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种高可靠性低温Sn-Bi基无铅钎料合金，其特征在于，所述合金基于包含β-Sn(Bi)固溶体相的亚共晶双团簇模型，添加In、Ag、Cu原子替换Sn原子，得到高可靠性低温无铅钎料合金，合金成分按质量百分比计，包括38.2 %的Bi、3.7 ~ 4.0 %的In、0 ~ 1.0 %的Ag、0~ 0.8 %的Cu，余量为Sn；所述合金的亚共晶双团簇模型，包含β-Sn(Bi)固溶体相的结构单元为[Sn-Sn10] Bi3Sn1，亚共晶双团簇解析式表述为：8[Sn-Sn10] Bi3In1 + 2[Sn-Sn10]Bi3Sn1 + 1[Bi-Bi6] Bi5 = Sn112Bi42In8 = Sn-38.2Bi-3.9In。

2.根据权利要求1所述的一种高可靠性低温Sn-Bi基无铅钎料合金，其特征在于，所述合金的成分按质量百分比计，Bi的含量为38.2 %，In的含量为3.9 %，Ag的含量为0.94 %，余量为Sn；所述合金的亚共晶双团簇模型，8[Sn-Sn10] Bi3In1 + 2[Sn-Sn10] Bi3Ag1 + 1[Bi-Bi6] Bi5 = Sn110Bi42In8Ag2 = Sn-38.2Bi-3.9In-0.94Ag。

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【技术特征摘要】

1.一种高可靠性低温sn-bi基无铅钎料合金，其特征在于，所述合金基于包含β-sn(bi)固溶体相的亚共晶双团簇模型，添加in、ag、cu原子替换sn原子，得到高可靠性低温无铅钎料合金，合金成分按质量百分比计，包括38.2 %的bi、3.7 ~ 4.0 %的in、0 ~ 1.0 %的ag、0~ 0.8 %的cu，余量为sn；所述合金的亚共晶双团簇模型，包含β-sn(bi)固溶体相的结构单元为[sn-sn10] bi3sn1，亚共晶双团簇解析式表述为：8[sn-sn10] bi3in1 + 2[sn-sn10]bi3sn1 +...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄明亮，任婧，黄斐斐，兰佳霓，朱琳，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：

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