CN100464931C - 高强度高韧性含镍SnAgCuRE无铅钎料及制备方法 - Google Patents

高强度高韧性含镍SnAgCuRE无铅钎料及制备方法 Download PDF

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Abstract

一种高强度高韧性含镍SnAgCuRE无铅钎料及制备方法，其组份中含有重量百分比为1.8～3.2%的Ag，0.5～1.5%的Cu，0.01～1.0%的市售Ce和La基混合稀土，再添加0.01～3.0%的Ni元素，其余量为Sn；操作步骤：(1)按铜∶混合稀土＝1∶1的重量比，在真空炉中熔炼制备出中间合金，其真空度为4×10-3Pa、电流为500A～580A、电压为20V～25V；(2)按所需比例取一定比例的中间合金，Sn、Ag、Cu与Ni在真空炉中进行熔炼，真空度为4×10-3Pa、电流为450A～500A、电压为16V～20V；(3)制备过程中，每半个小时将合金翻转后再进行熔炼。

Description

高强度高韧性含镍SnAgCuRE无铅钎料及制备方法
技术领域：
本发明涉及微电子用材料的加工技术领域，为一种高强度高韧性含镍SnAgCuRE无铅钎料及制备方法。
背景技术：
目前，出于环境保护和人类健康考虑，且随着半导体制品向小型化、大规模、高集成化方向发展，特别是针对高密度组装技术的广泛应用，研制和开发新型微电子用无铅钎料已成为热点。微连接钎焊接头作为电子组装中连接元器件与焊盘的桥梁，为满足电子工业对其可靠性不断增长的要求，要求无铅钎料必须具备高强度高韧性特征，以确保其在服役过程中能可靠运行。但最新研究报告发现：在长期服役尤其在冲击载荷条件下，由于微连接焊点塑性储备不足而钎焊接头失效。对于SnAgCu系也包含SnAgCuRE钎料焊点而言，其强度虽然高于SnPb钎料，但是其韧性差塑性储备不足，由此引起焊点脆化问题时有发生，因此亟待研究和开发高强度高韧性高可靠性无铅钎料。
美国专利5,527,628报道了SnAgCu钎料的共晶成分Sn4.7％Ag1.7Cu，其熔点为217℃，但该发明钎料成本较高。日本松下电器产业株式会社和千住金属工业株式会社注册的专利1,198,117报道了无铅钎料为7Wt.％～10Wt.％Zn；0.01Wt.％～1Wt.％Ni、0.1Wt.％～3.5Wt.％Ag以及0.1Wt.％～3Wt.％Cu中的至少一种；任选的是含有0.2Wt.％～3Wt.％In和0.001Wt.％～1Wt.％P中的至少一种；其余为Sn，但该钎料10％的延伸率较低，韧性不够且不易于加工。美国专利6,231,691报道的无铅钎料为Sn4.7％Ag1.7Cu中加入不超过1Wt.％Ni、Fe等元素，虽然提高了钎料接头显微组织的稳定性，但由于Ag的含量过高因而不利于推广。中国专利CN1346728A公开了一种适用于电子封装与组装钎焊的含稀土的无铅钎料其中稀土为La和Ce的混合稀土或La和Ce混合稀土加Pr、Nd中的一种或两种，Sn(0.1～5％)Ag(0.1～1％)Cu(0.1～8％)Bi(0.1～7.5％)In(0～8％)Sb(0.01～2％)稀土。该专利指出为了进一步降低熔点，加入一定量的In、Bi。然而随着一些大的公司相继推出了适用于无铅钎料的波峰焊机和载流焊机，其钎焊的峰值温度已可以达到250℃左右，因此在没有明显提高产品的综合性能的前提下，加入一些为了降低钎料熔点的元素，如等In、Bi，已变得不再必要，同时该钎料延伸在18％左右，小于SnPb钎料，因此钎焊接头易产生脆化问题。
发明内容：
本发明针对现有无铅钎料及应用技术中存在问题，提供了一种高强度高韧性含镍SnAgCuRE无铅钎料及制备方法，其制造成本低，具有高强度、高韧性，适中的固液相线温度，良好湿润性能，实用性强，综合性能优于传统SnAgCu系列，和不含镍的SnAgCuRE钎料。
所述的高强度高韧性含镍、SnAgCuRE无铅钎料，含有重量百分比为1.8～3.2％的Ag，0.5～1.5％的Cu，0.01～3.0％的Ni，0.01～1.0％的市售Ce和La基混合稀土，其余为Sn。
一种高强度高韧性含镍SnAgCuRE无铅钎料的制备方法；
(1)按铜:混合稀土＝1:1的重量比，在ZHW-A非自耗电弧炉的真空炉中熔炼制备出中间合金，其真空度为4 x 10-3Pa、电流为500A～580A、电压为20V～25V。
(2)按所需比例取一定比例的中间合金，Sn、Ag、Cu与Ni在真空炉中进行熔炼，真空度为4 x 10-3Pa、电流为450A～500A、电压为16V～20V。
(3)制备过程中，为保证合金组织均匀性，每半个小时将合金翻转后再进行熔炼。
具体实施方式
实施例一：
将350毫克铜:混合稀土为1:1的中间合金，68208毫克的锡，1260毫克的银，175毫克的铜和7毫克的镍在真空度为4 x 10-3Pa的条件下引弧，在电流为480A、电压为20V的条件下熔炼5分钟，熔炼过程中通过移动电极来搅拌熔融的合金。之后在真空条件下冷却至室温，取出翻转后放入炉中在相同条件下再次进行熔炼，冷却后备用。
实施例二：
将14毫克铜:混合稀土为1:1的中间合金，65730毫克的锡，1540毫克的银，616毫克的铜和2100毫克的镍在真空度为4 x 10-3Pa的条件下引弧，在电流为480A、电压为20V的条件下熔炼5分钟，熔炼过程中通过移动电极来搅拌熔融的合金。之后在真空条件下冷却至室温，取出翻转后放入炉中在相同条件下再次进行熔炼，冷却后备用。
实施例三：
将1400毫克铜:混合稀土为1:1的中间合金，65710毫克的锡，2240毫克的银，350毫克的铜和300毫克的镍在真空度为4 x 10-3Pa的条件下引弧，在电流为480A、电压为20V的条件下熔炼5分钟，熔炼过程中通过移动电极来搅拌熔融的合金。之后在真空条件下冷却至室温，取出翻转后放入炉中在相同条件下再次进行熔炼，冷却后备用。
实施例四：
将560毫克铜:混合稀土为1:1的中间合金，67060毫克的锡，1890毫克的银，280毫克的铜和210毫克的镍在真空度为4 x 10-3Pa的条件下引弧，在电流为480A、电压为20V的条件下熔炼5分钟，熔炼过程中通过移动电极来搅拌熔融的合金。之后在真空条件下冷却至室温，取出翻转后放入炉中在相同条件下再次进行熔炼，冷却后备用。
实施例五：
将140毫克铜:混合稀土为1:1的中间合金，67655毫克的锡，1750毫克的银，420毫克的铜和35毫克的镍在真空度为4 x 10-3Pa的条件下引弧，在电流为480A、电压为20V的条件下熔炼5分钟，熔炼过程中通过移动电极来搅拌熔融的合金。之后在真空条件下冷却至室温，取出翻转后放入炉中在相同条件下再次进行熔炼，冷却后备用。
采用如上所述技术方案，本发明具有如下优越性：
通过若干实例的试验数据，无铅钎料改进后的性能，并与在相同条件下获得的SnAgCuRE钎料以表1、表2形式进行比较。
表1是5种含镍SnAgCuRE无铅钎料及SnAgCuRE钎料成分表，RE表示稀土，同时还通过差热分析方法，给出了固液相线温度。
从表1中可以看出，实施例1-5具有与SnAgCuRE无铅钎料相近似的熔化温度范围，适合目前无铅钎料工艺条件。
表1
表2是本发明实例1-5与SnAgCuRE无铅钎料的室温下拉伸强度、延伸率和剪切强度的比较。可以看出：本发明的含镍的SnAgCuRE无铅钎料的延伸率与SnAgCuRE无铅钎料相比有了显著提高，，尤其实施例4和实施例5钎料。与对比例相比，实施例4钎料抗拉强度、铺展性能、剪切强度均有不同程度改善，且延伸率提高了19.5％；实施例5不仅机械性能明显提高，钎焊工艺性能明显改善，且延伸率提高了57.7％。
表2
 
抗拉强度(MPa)    延伸率(％) 剪切强度(MPa)    铺展面积(mm<sup>2</sup>)    电导率(10<sup>6</sup>Ω<sup>-1</sup>m<sup>-1</sup>)
对比例 40.54 20.89 21.25 38.63 7.07
实施例1 36.52 22.54 17.12 45.52 7.74
实施例2 41.94 24.80 20.89 50.58 6.54
实施例3 43.52 23.38 23.46 41.18 7.24
实施例4 42.65 25.97 26.30 43.51 6.80
实施例5 42.72 32.94 28.79 51.24 6.92

Claims (7)

1、一种高强度高韧性含镍SnAgCuRE无铅钎料，含有重量百分比为：1.8～3.2％的Ag，0.5～1.5％的Cu，0.01～1.0％的市售Ce和La基混合稀土，其特征在于：所述的无铅钎料，其成分中再添加重量百分比为0.01～3.0％的Ni元素，其余量为Sn，制作出含镍的SnAgCuRE无铅钎料。
2、一种如权利要求1所述的高强度高韧性含镍SnAgCuRE无铅钎料的制备方法，按照上述重量比称重，按如下步骤操作：
(1)按铜:混合稀土＝1:1的重量比，在ZHW-A非自耗电弧炉的真空炉中熔炼制备出中间合金，其真空度为4 x 10-3Pa、电流为500A～580A、电压为20V～25V；
(2)按所需比例取一定比例的中间合金、Sn、Ag、Cu与Ni在真空炉中进行熔炼，真空度为4 x 10-3Pa、电流为450A～500A、电压为16V～20V；
(3)制备过程中，为保证合金组织均匀性，每半个小时将合金翻转后再进行熔炼。
3、一种权利要求2所述的高强度高韧性含镍SnAgCuRE无铅钎料的制备方法，其特征在于：将350毫克的中间合金，68208毫克的锡，1260毫克的银，175毫克的铜和7毫克的镍在真空度为4 x 10-3Pa的条件下引弧，在电流为480A、电压为20V的条件下熔炼5分钟，熔炼过程中通过移动电极来搅拌熔融的合金；之后在真空条件下冷却至室温，取出翻转后放入炉中在相同条件下再次进行熔炼，冷却后备用。
4、一种权利要求2所述的高强度高韧性含镍SnAgCuRE无铅钎料的制备方法，其特征在于：将14毫克的中间合金，65730毫克的锡，1540毫克的银，616毫克的铜和2100毫克的镍在真空度为4 x 10-3Pa的条件下引弧，在电流为480A、电压为20V的条件下熔炼5分钟，熔炼过程中通过移动电极来搅拌熔融的合金；之后在真空条件下冷却至室温，取出翻转后放入炉中在相同条件下再次进行熔炼，冷却后备用。
5、一种权利要求2所述的高强度高韧性含镍SnAgCuRE无铅钎料的制备方法，其特征在于：将1400毫克的中间合金，65710毫克的锡，2240毫克的银，350毫克的铜和300毫克的镍在真空度为4 x 10-3Pa的条件下引弧，在电流为480A、电压为20V的条件下熔炼5分钟，熔炼过程中通过移动电极来搅拌熔融的合金；之后在真空条件下冷却至室温，取出翻转后放入炉中在相同条件下再次进行熔炼，冷却后备用。
6、一种权利要求2所述的高强度高韧性含镍SnAgCuRE无铅钎料的制备方法，其特征在于：将560毫克的中间合金，67060毫克的锡，1890毫克的银，280毫克的铜和210毫克的镍在真空度为4 x 10-3Pa的条件下引弧，在电流为480A、电压为20V的条件下熔炼5分钟，熔炼过程中通过移动电极来搅拌熔融的合金；之后在真空条件下冷却至室温，取出翻转后放入炉中在相同条件下再次进行熔炼，冷却后备用。
7、一种权利要求2所述的高强度高韧性含镍SnAgCuRE无铅钎料的制备方法，其特征在于：将140毫克的中间合金，67655毫克的锡，1750毫克的银，420毫克的铜和35毫克的镍在真空度为4 x 10-3Pa的条件下引弧，在电流为480A、电压为20V的条件下熔炼5分钟，熔炼过程中通过移动电极来搅拌熔融的合金；之后在真空条件下冷却至室温，取出翻转后放入炉中在相同条件下再次进行熔炼，冷却后备用。
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