抑制固态界面反应的改进型Sn-Ag-Zn无铅焊料制造技术

一种抑制固态界面反应的改进型Ｓｎ－Ａｇ－Ｚｎ无铅焊料，属于电子材料技术领域。本发明专利技术各组分及其质量百分比为：Ｚｎ为０．０５％－３．０２％；Ａｇ为３．４３％－３．５２％；余量为Ｓｎ。通过在反应界面形成扩散阻挡层，限制Ｃｕ原子的扩散，从而起到抑制反应界面金属间化合物生长的目的。解决了现有技术中焊料容易于基板金属发生反应，造成基板大量溶解，同时在界面形成大量金属间化合物，严重影响界面可靠性的缺点，制备本发明专利技术的无铅焊料工艺简单，容易产量化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种焊接
的焊料，具体的说是一种抑制固态界面反应的改进型Sn-Ag-Zn无铅焊料。
技术介绍
由于Pb极大的威胁自然环境和人类健康，世界各国已经立法禁用上世纪广泛用于电子产品制造的SnPb共晶焊料。寻求SnPb共晶焊料的替代品已成为当前电子行业的重要任务。迄今为止，世界各国已经相继开发出一系列的无铅焊料，这些焊料主要是基于Sn-Ag，Sn-Cu，Sn-Ag-Cu，Sn-Zn，Sn-Bi共晶体系开发出来的。然而，即便是公认的最具前景的Sn-Ag-Cu共晶或近共晶焊料，它们的很多性质都难以与SnPb共晶焊料相比。Sn3.5Ag共晶焊料具有机械强度高，优越的耐疲劳和热冲击性，以及高的可靠性能，在某些特殊场合被认为可以完全替代SnPb共晶焊料。Sn3.5Ag焊料与SnPb共晶焊料的最大差别表现在前者Sn含量相当的高，达到96.5wt％，造成两者的性能完全不同。Cu是目前最主要的焊盘和引线材料，在钎焊过程中，Sn3.5Ag焊料不可避免的与Cu发生反应并形成金属间化合物。Sn3.5Ag共晶焊料的熔点为221℃，而焊点或接头的工作温度一般在100℃，甚至更高。因此，在固态阶段，焊料和Cu基板中的原子发生互扩散，大量的原子在反应界面聚集、反应。经对现有技术文献的检索发现，Peng等人于2006年在《MicroelectronicsReliability》(《微电子可靠性》)第46卷，523页-534页的“Experimentalcharacterization and mechanical behavior analysis of intermetalliccompounds of Sn-3.5Ag lead-free solder bump with Ti/Cu/Ni UBM on copperchip”(“Sn-3.5Ag无铅焊料与Ti/Cu/Ni金属层界面化合物形貌及力学性能分析”)一文中指出金属间化合物层在固态阶段随老化时间呈抛物线形式增厚。化合物层的厚度及形貌对接头及整个封装结构的可靠性具有极大的影响。一般来讲，在接合界面形成一层薄的化合物层有利于保证接头的结合性。但是，化合物，如Cu3Sn，Cu6Sn5和Ni3Sn4都为脆硬相，化合物层太厚，会极大地降低接头的力学性能，如焊料/化合物界面由于力学性能不匹配，会产生裂纹。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种抑制固态界面反应的改进型Sn-Ag-Zn无铅焊料。在基本不改变原焊料性能的基础上，通过在反应界面形成扩散阻挡层，限制Cu原子的扩散，从而起到抑制反应界面金属间化合物生长的目的。解决了现有技术中焊料容易与基板金属发生反应，造成基板大量溶解，同时在界面形成大量金属间化合物，严重影响界面可靠性的缺点，制备本专利技术的无铅焊料工艺简单，容易产量化。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术各组分及其质量百分比为Zn为0.05％-3.00％；Ag为3.43％-3.52％；余量为Sn。Zn质量百分比含量优选为0.2％-2.0％。Zn质量百分比含量优选为0.2％-1.03％；其含量低于0.2％，Zn对界面反应层的生长影响相当小；其含量高于1.03％，焊料的性能恶化，如易氧化，润湿性不好等。本专利技术的制备方法可分为两步首先，将Sn和Ag放入600℃的KCl+LiCl共晶保护盐熔液中，保温2-4小时，得到均匀的SnAg溶液；然后，温度降至550℃，向合金溶液中加入微量Zn箔，充分混合后保温2小时。Zn是无铅焊料中的一种重要元素。由于Sn-Zn的共晶温度与Sn-Pb的较为接近，因此，Sn-Zn共晶或近共晶焊料(含Zn 9wt％左右)是一类非常有前景的合金焊料。然而，将Zn作为微量元素添加到无铅焊料中还不多见。通过在Sn3.5Ag合金焊料中引入微量Zn元素后，在一定程度上可以起到降熔作用，同时，更为重要的是，Zn元素在Cu/Cu6Sn5或Cu6Sn5/焊料界面会形成Cu5Zn8金属间化合物层。研究表明，Cu是界面反应的主要元素，而Cu原子在Cu5Zn8化合物中的扩散系数比Cu6Sn5中低2个数量级。因此，反应界面形成的连续的Cu5Zn8化合物层可以充当Cu原子的扩散阻挡层，减缓Cu向Cu6Sn5/焊料界面的扩散，从而抑制化合物层的生长，提高反应界面的可靠性。本专利技术通过在Sn-3.5Ag合金焊料中加入少量的Zn元素，使焊料在保持Sn-3.5Ag焊料原有的良好润湿性，高机械强度、高延展性等优点的同时，对焊料的熔点有稍许的降低。同时，对Cu焊盘的溶蚀性降低，并能有效抑制焊料/Cu界面反应物的生长，提高焊接接头的可靠性。本专利技术的无铅焊料能够抑制界面化合物层在老化阶段的生长，因此，特别适合于高温应用器件的连接，增加焊点的可靠性。本专利技术在电子、机械领域的连接中应用，特别适合于高温工作的电子元器件的连接。具体实施例方式下面对本专利技术的实施例作详细说明本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。实施例1焊料Sn3.5Ag，其各组分及其质量百分比为Zn 0.05％，Ag 3.52％，Sn 96.43％。本实施例的焊料采用Sn基无铅焊料常规冶炼方法进行炼制。将质量比为1∶1.2的100g LiCl和KCL混合盐装入坩埚并放在恒温炉中，加热到600℃保温，依次放入96.43g Sn颗粒和3.52g Ag丝，保温2小时，并用振动棒搅拌均匀。降温至550℃，加入0.05g Zn箔，保温2小时并搅拌均匀。降温至300℃保温，捞渣，浇入直径Φ6的模具中成型。DSC熔点测试表明该焊料的熔点为221.3℃。将棒状试样加工成Φ5×2mm的盘状焊料，置于25×25×0.2mm的纯Cu板上进行润湿试验。润湿试验在回流焊机中进行，采用氩气保护，并配合RMA助焊剂，试验温度为260℃。采用润湿角测量仪标定焊料的润湿性。对150℃老化0，5，10，15，20天的Sn3.5Ag/Cu界面进行微观分析，发现界面化合物由Cu6Sn5和Cu3Sn组成，并且化合物层厚度随时间呈抛物线形式增厚。经过20天的热老化工艺后，界面化合物层厚度达7.9μm。实施例2 焊料Sn3.5Ag0.2Zn，其各组分及其质量百分比为Zn 0.20％，Ag 3.48％，Sn 96.32％。制备方法同实施例1。DSC熔点测试表明该焊料的熔点为221.0℃。对150℃老化0，5，10，15，20天的Sn3.5Ag0.2Zn/Cu界面进行微观分析，发现界面初始化合物为Cu6Sn5，随时间延长，出现Cu5Zn8化合物层，而Cu3Sn受到抑制。化合物层随时间呈抛物线形式增厚，但增厚速度明显低于实施例1。经过20天的热老化工艺后，界面化合物厚度为6.0μm。实施例3焊料Sn3.5Ag0.5Zn，其各组分及其质量百分比为Zn 0.49％，Ag 3.45％，Sn 96.06％。制备方法同实施例1。DSC熔点测试表明该焊料的熔点为219.2℃。对150℃老化0，5，10，15，20天的Sn3.5Ag0.5Zn/Cu界面进行微观分析，发现界面化合物主要由双层Cu6Sn5/Cu5Zn8组成，厚度随时间呈抛物线形式增加。经过20天的热老化工艺后，界面化合物层厚度约5.8本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抑制固态界面反应的改进型Ｓｎ－Ａｇ－Ｚｎ无铅焊料，其特征在于，各组分及其质量百分比为：Ｚｎ为０．０５％－３．０２％；Ａｇ为３．４３％－３．５２％；余量为Ｓｎ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陆皓，余春，陈俊梅，李仕明，
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]