CN101134272A - 无铅锡基软钎料 - Google Patents
无铅锡基软钎料 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101134272A CN101134272A CNA2006100532526A CN200610053252A CN101134272A CN 101134272 A CN101134272 A CN 101134272A CN A2006100532526 A CNA2006100532526 A CN A2006100532526A CN 200610053252 A CN200610053252 A CN 200610053252A CN 101134272 A CN101134272 A CN 101134272A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- solder
- tin
- intermediate alloy
- base soft
- leadless
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Abstract
用于制备BGA锡球的无铅锡基软钎料，有以下二项，每项以其总质量计由下述质量百分数的组分组成：1.1.5％－5.0％Ag，0.3％－0.9％Cu，0.001％－0.2％RE，0.001％－0.2％Ge，余量为Sn；2.1.5％－5.0％Ag，0.3％－0.9％Cu，0.001％－0.2％RE，0.001％－0.2％Ge，0.05％－1.5％Bi，余量为Sn。本发明适用于电子行业无铅化组装和封装。
Description
本发明涉及钎料合金，特别是无铅锡基软钎料合金，主要用于电子行业的无铅化组装和封装。
背景技术
BGA封装技术是由美国Motorola和日本Citigen Watch公司于20世纪90年代开发成功，采用锡球来代替IC元件封装结构中的引脚，以实现元器件的电连接和机械连接，从而解决元件的高密度封装问题，目前已大量使用于笔记本电脑、手机、PDA、DSC、LCD以及3C等产品。传统的BGA封装用锡球是锡铅软钎料。然而，人们越来越关注铅对环境的污染和对身体健康的损害。近几年来，世界许多国家相继出台一系列法令和法规来防治电子产品所带来的生态问题，限制铅在电子产品中的使用。在无铅化绿色制造这一大趋势下，许多国家已开始加大投入来研发无铅软钎料，并积极推广其应用。
目前已开发出的无铅软钎料主要有Sn-Ag，Sn-Cu，Sn-Zn和Sn-Ag-Cu等，并通过添加Ni、Ag、Cu、P、In、Bi等元素获得不同性能的系列产品。如千住金属工业株式会社的JS3027441专利和艾奥瓦州立大学的US5527628专利，分别公开了各自的SnAgCu系无铅软钎料；松下电器产业株式会社的CN1087994C专利和北京工业大学的CN1586793A专利申请公开了各自开发的锡锌系无铅软钎料；千住金属工业株式会社的CN1496780A专利申请公开了一种锡铜系无铅软钎料；韩国三星电机株式会社的CN1040302C、CN1040303C专利和CN1139607A专利申请公开了锡铋系无铅软钎料等。
目前BGA封装工艺上主要使用Sn-3.0Ag-0.5Cu无铅软钎料锡球来取代传统的Sn-Pb钎料锡球。Sn-3.0Ag-0.5Cu无铅软钎料具有熔点低、润湿性相对较高、综合力学性能好等优点；然而用Sn-3.0Ag-0.5Cu钎料制成的锡球的缺点是：抗氧化性较差，并在锡球制作工艺中，锡球成球性能不好，直径偏差大，从而严重影响锡球的成品率和后续焊点的可靠性。
发明内容
本发明要解决已知BGA技术中使用的Sn-3.0Ag-0.5Cu无铅软钎料锡球成球性能不好，直径偏差大等问题，为此提供本发明的无铅锡基软钎料，使用这种钎料可以获得表面质量好，成球性能优良，直径偏差小的BGA锡球。
为解决上述问题，本发明分为以下数种钎料。
其一特殊之处是以该钎料总质量计它由以下质量百分数的组分组成：
Ag 1.5％-5.0％
Cu 0.3％-0.9％
RE 0.001％-0.2％
Ge 0.001％-0.2％
Sn 余量。
其二特殊之处是上述钎料中RE的质量份数为0.005％-0.1％，Ge的质量份数为0.005％-0.1％。
其三特殊之处是以该钎料总质量计它由以下质量百分数的组分组成：
Ag 1.5％-5.0％
Cu 0.3％-0.9％
RE 0.001％-0.2％
Ge 0.001％-0.2％
Bi 0.05％-1.5％
Sn 余量。
其四特殊之处是上述钎料中RE的质量份数为0.005％-0.1％，Ge的质量份数为0.005％-0.1％，Bi的质量份数为0.1％-1.0％。
其五特殊之处是一种焊接接头，其具有上述任何一项所列举的组成。
添加适量的Cu元素可提高钎料的强度，降低钎料的熔点，并降低焊接过程中熔融钎料对铜板和铜引线的溶蚀程度。Cu含量小于0.3％时其作用不明显；而Cu含量大于0.9％时，钎料的润湿性变差。本发明无铅锡基软钎料Cu含量选择在0.3％-0.9％范围内。
添加适量的Ag元素可降低钎料的熔点，提高钎料的塑性，并可提高钎料的热稳定性。当Ag含量少于1.5％时，其作用不明显；然而Ag含量大于5.0％时，其对焊料性能的改善作用趋于稳定，同时过高的Ag含量会导致生产成本的迅速上升。本发明无铅锡基软钎料Ag含量选择在1.5％-5.0％范围内。
添加适量的RE元素能细化钎料合金的组织，提高钎料的力学性能和锡球的表面质量。RE含量少于0.001％时，其作用不明显；然而RE含量超过0.2％时，RE易偏聚于晶界，导致钎料合金力学性能变差。本发明无铅锡基软钎料RE含量选择在0.001％-0.2％范围内，优选的是在0.005％-0.1％范围内。
添加适量的Ge元素可提高钎料的抗氧化性和降低熔融锡球的表面张力，从而有利于获得高表面质量的BGA锡球，提高钎料的成球性能，并有利于降低锡球的直径偏差。Ge含量小于0.001％时，其作用不明显；而Ge含量大于0.2％时，反而会弱化锡球的质量，使锡球的成形性能变差和直径偏差增大；并且Ge为贵金属，含量过高会导致成本的大幅上升。本发明无铅锡基软钎料Ge含量选择在0.001％-0.2％范围内，优选的是在0.005％-0.1％范围内。
添加适量的Bi元素可改善钎料的润湿铺展能力和提高钎料的强度。当Bi含量少于0.05％时，其作用不明显；然而Bi含量大于1.5％时，会严重弱化钎料的塑性。本发明无铅锡基软钎料Bi含量选择在0.05％-1.5％范围内，优选的是在0.1％-1.0％范围内。
本发明无铅锡基软钎料，经对以下本发明实施例钎料的测试与计算表明，使用该钎料可以获得表面质量好，成球性能优良，直径偏差小的BGA锡球。
具体实施方式
下面通过具体的实施例来进一步说明本发明的无铅锡基软钎料。
实施例1
将40Kg的Sn和10Kg的Ag放入氧化铝坩锅内，并置入中频炉内熔炼，熔炼温度为700℃，保温时间为1.5小时，充分搅拌后出炉，冷却，制成含20％Ag的Sn-Ag中间合金。
将45.0Kg的Sn和5.0Kg的Cu放入氧化铝坩锅，置入中频炉内熔炼，熔炼温度750℃，保温2小时，充分搅拌后出炉，冷却，制成含10％Cu的Sn-Cu中间合金。
将49.5Kg的Sn和0.5Kg的RE放入氧化铝坩锅，置入真空中频感应熔炼炉内熔炼，熔炼温度为800℃，保温1.5小时，充分搅拌后出炉，冷却，制成含1％RE的Sn-RE中间合金。
将49.5Kg的Sn和0.5Kg的Ge放入氧化铝坩锅，置入中频炉内熔炼，熔炼温度600℃，保温1小时，充分搅拌后出炉，冷却，制成含1％Ge的Sn-Ge中间合金。
将45Kg的Sn和5Kg的Bi放入氧化铝坩锅，置入真空中频感应熔炼炉内熔炼，熔炼温度为600℃，保温1.5小时，充分搅拌后出炉，冷却，制成含10％Bi的Sn-Bi中间合金。
取上述Sn-Ag中间合金0.750Kg，Sn-Cu中间合金0.250Kg，Sn-RE中间合金0.100Kg，Sn-Ge中间合金0.03Kg和纯锡4.824Kg，置入不锈钢锅内熔炼，熔炼温度为600℃，保温时间为1小时，充分搅拌后出炉，浇铸在钢制焊条模具上，获得无铅锡基软钎料条。
实施例2
取实施例1中Sn-Ag中间合金1.225Kg，Sn-Cu中间合金0.400Kg，Sn-RE中间合金0.900Kg，Sn-Ge中间合金0.250Kg，Sn-Bi中间合金0.035Kg和纯锡4.700Kg，置入不锈钢锅内熔炼，熔炼温度为600℃，保温时间为1小时，充分搅拌后出炉，浇铸在钢制焊条模具上，获得无铅锡基软钎料条。
实施例3
取实施例1中Sn-Ag中间合金0.625Kg，Sn-Cu中间合金0.200Kg，Sn-RE中间合金0.030Kg，Sn-Ge中间合金0.010Kg，Sn-Bi中间合金0.45Kg和纯锡4.810Kg，置入不锈钢锅内熔炼，熔炼温度为600℃，保温时间为1小时，充分搅拌后出炉，浇铸在钢制焊条模具上，获得无铅锡基软钎料条。
实施例4
取实施例1中Sn-Ag中间合金0.825Kg，Sn-Cu中间合金0.250Kg，Sn-RE中间合金0.450Kg，Sn-Ge中间合金0.050Kg，Sn-Bi中间合金0.300Kg和纯锡4.775Kg，置入不锈钢锅内熔炼，熔炼温度为600℃，保温时间为1小时，充分搅拌后出炉，浇铸在钢制焊条模具上，获得无铅锡基软钎料条。
实施例5
取实施例1中Sn-Ag中间合金0.400Kg，Sn-Cu中间合金0.250Kg，Sn-RE中间合金0.010Kg，Sn-Ge中间合金0.450Kg，Sn-Bi中间合金0.100Kg和纯锡4.880Kg，置入不锈钢锅内熔炼，熔炼温度为600℃，保温时间为1小时，充分搅拌后出炉，浇铸在钢制焊条模具上，获得无铅锡基软钎料条。
实施例6
取实施例1中Sn-Ag中间合金1.025Kg，Sn-Cu中间合金0.325Kg，Sn-RE中间合金0.250Kg，Sn-Ge中间合金0.950Kg，Sn-Bi中间合金0.700Kg和纯锡4.681Kg，置入不锈钢锅内熔炼，熔炼温度为600℃，保温时间为1小时，充分搅拌后出炉，浇铸在钢制焊条模具上，获得无铅锡基软钎料条。
选用目前BGA无铅锡球上使用范围广、用量大的Sn-3.0Ag-0.5Cu钎料作为对比，实施例和对比例的成份见表1所示。
表1钎料组分与含量
| 实施例与对比例 | 组分与含量(wt％) | |||||
| Ag | Cu | RE | Ge | Bi | Sn | |
| 实施例1 | 3.0 | 0.5 | 0.02 | 0.006 | - | 余量 |
| 实施例2 | 4.9 | 0.8 | 0.18 | 0.05 | 0.9 | 余量 |
| 实施例3 | 2.5 | 0.4 | 0.006 | 0.002 | 0.07 | 余量 |
| 实施例4 | 3.3 | 0.5 | 0.09 | 0.01 | 0.6 | 余量 |
| 实施例5 | 1.6 | 0.5 | 0.002 | 0.09 | 0.2 | 余量 |
| 实施例6 | 4.1 | 0.65 | 0.05 | 0.19 | 1.4 | 余量 |
| 对比例 | 3.0 | 0.5 | - | - | - | 余量 |
采用差热分析仪测试各实施例和对比例的熔化温度，测试结果见表2。由表2结果可见，本发明的无铅锡基软钎料的熔点较低(<225℃，与对比例的熔点相近)。
按GB11364-89《钎料铺展性及添缝性试验方法》国家标准进行了扩展率测试，铺展基板为0.2mm厚的紫铜薄板。各钎料扩展率测试工艺均相同，测试温度为260℃，时间为2s，并采用相同的助焊剂(由25g松香、75g异丙酮和0.39g的二乙胺盐酸配置而成)，测试结果见表2。由结果可见，本发明无铅钎料的扩展率比对比例高，可保证用其制成的BGA锡球对待焊基板有良好的润湿和铺展能力。
根据JIS-Z3198-2-2003标准，采用电子万能材料试验机测试钎料力学性能，试验温度为25℃室温，测试结果见表2。由结果可见，本发明实施例2、实施例4和实施例6的强度和塑性均比对比例高，而实施例1、实施例3和实施例5的强度和塑性与对比例相当，因而本发明钎料的综合力学性能优于对比例，即具有良好的综合力学性能。
表2钎料性能测试结果
| 熔化温度(℃) | 扩展率(％) | 拉伸强度(MPa) | 延伸率(％) | ||
| 固相线温度(℃) | 液相线温度(℃) | ||||
| 实施例1 | 217 | 221 | 79.6 | 45.8 | 33.6 |
| 实施例2 | 217 | 223 | 80.8 | 51.2 | 30.8 |
| 实施例3 | 217 | 221 | 80.2 | 46.6 | 34.1 |
| 实施例4 | 217 | 221 | 81.5 | 53.2 | 33.3 |
| 实施例5 | 217 | 223 | 80.4 | 58.6 | 28.3 |
| 实施例6 | 217 | 222 | 82.3 | 60.7 | 32.4 |
| 对比例 | 217 | 221 | 77.1 | 47.5 | 30.2 |
将按表1成分制备的无铅锡基软钎料条在350吨挤压机上制备成直径为0.3mm的实心丝，然后用高速裁切机切割成长短一致的颗粒，颗粒长为0.474mm；将切割好的钎料颗粒均匀分散，然后送入装有热花生油的容器内，花生油温度为300～310℃；钎料颗粒熔化成球形后，送入装有215-220℃花生油的容器内；将成形后的锡球放入装有25℃室温花生油的容器内冷却；最后将锡球用丙酮清洗，烘干后，制备成直径为0.4mm的BGA锡球。采用亮度计和测量显微镜检查、测试锡球的表面光滑度、成球性能和直径偏差，测试结果见下表3所示。由表3可以看出，本发明无铅锡基软钎料制备的BGA锡球表面光滑，成球性能好，表面质量都优于对比例；并且直径偏差均比对比例小。即采用本发明无铅锡基软钎料可以克服目前无铅焊料BGA锡球表面质量和成球性能差等缺点，可以获得高质量的BGA锡球。
表3锡球质量测试结果
| 直径(mm) | 表面质量 | 成球性能 | 直径偏差(mm) | |
| 实施例1 | 0.4 | 光滑 | 好 | 0.011 |
| 实施例2 | 0.4 | 光滑 | 好 | 0.010 |
| 实施例3 | 0.4 | 光滑 | 好 | 0.013 |
| 实施例4 | 0.4 | 光滑 | 好 | 0.011 |
| 实施例5 | 0.4 | 光滑 | 好 | 0.013 |
| 实施例6 | 0.4 | 光滑 | 好 | 0.012 |
| 对比例 | 0.4 | 局部区域粗糙 | 差 | 0.017 |
| 注：成球性能好是指锡球表面没有不良凸起或凹陷，其整体形貌没有呈球体以外的其它形状；成球性能差是指锡球局部有凸起或凹陷，或整体形貌呈椭圆体或其它不规则形状；直径偏差是指一定质量的钎料呈标准球体时的直径与同质量锡球实测直径之间的差值。 | ||||
通过上述钎料物理、力学性能测试和BGA锡球质量检测，本发明无铅锡基软钎料在保持目前通用Sn-3.0Ag-0.5Cu钎料熔点低、润湿性好和综合力学性能优异等优点的前提下，通过添加微量的Ge和RE等元素，显提高了所制备的BGA锡球的表面质量和成球性能，降低了锡球的尺寸偏差，这对于提高产品品质和成品率，降低生产成本，增强产品的市场竞争力具有极为重要的意义。
Claims (4)
1.无铅锡基软钎料，其特征是以该钎料总质量计它由以下质量百分数的组分组成：
Ag 1.5％-5.0％
Cu 0.3％-0.9％
RE 0.001％-0.2％
Ge 0.001％-0.2％
Sn 余量。
2.如权利要求1所所述的无铅锡基软钎料，其特征是RE的质量百分数为0.005％-0.1％，Ge的质量百分数为0.005％-0.1％。
3.一种无铅锡基软钎料，其特征是以该钎料总质量计它由以下质量百分数的组分组成：
Ag 1.5％-5.0％
Cu 0.3％-0.9％
RE 0.001％-0.2％
Ge 0.001％-0.2％
Bi 0.05％-1.5％
Sn 余量。
4.如权力要求3所要求的无铅锡基软钎料，其特征是RE的质量百分数为0.005％-0.1％，Ge的质量百分数为0.005％-0.1％，Bi的质量百分数为0.1％-1.0％。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNA2006100532526A CN101134272A (zh) | 2006-09-01 | 2006-09-01 | 无铅锡基软钎料 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNA2006100532526A CN101134272A (zh) | 2006-09-01 | 2006-09-01 | 无铅锡基软钎料 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101134272A true CN101134272A (zh) | 2008-03-05 |
Family
ID=39158704
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CNA2006100532526A Pending CN101134272A (zh) | 2006-09-01 | 2006-09-01 | 无铅锡基软钎料 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN101134272A (zh) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106141196A (zh) * | 2015-04-20 | 2016-11-23 | 上海亚尔光源有限公司 | 一种锡球颗粒及其制备方法和应用 |
| CN107502782A (zh) * | 2017-10-24 | 2017-12-22 | 河南科技大学 | 铜合金热镀用稀土锡基合金及其制备方法 |
| CN108172523A (zh) * | 2016-12-07 | 2018-06-15 | 千住金属工业株式会社 | 芯材料和半导体封装体和凸块电极的形成方法 |
| CN114918574A (zh) * | 2022-06-21 | 2022-08-19 | 浙江亚通焊材有限公司 | 一种锡基复合钎料及其制备方法 |
| CN115502603A (zh) * | 2022-09-01 | 2022-12-23 | 广德鹏讯实业有限公司 | 一种电子元器件封装用锡球及其制备方法 |
-
2006
- 2006-09-01 CN CNA2006100532526A patent/CN101134272A/zh active Pending
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106141196A (zh) * | 2015-04-20 | 2016-11-23 | 上海亚尔光源有限公司 | 一种锡球颗粒及其制备方法和应用 |
| CN108172523A (zh) * | 2016-12-07 | 2018-06-15 | 千住金属工业株式会社 | 芯材料和半导体封装体和凸块电极的形成方法 |
| US10381319B2 (en) | 2016-12-07 | 2019-08-13 | Senju Metal Industry Co., Ltd. | Core material, semiconductor package, and forming method of bump electrode |
| CN107502782A (zh) * | 2017-10-24 | 2017-12-22 | 河南科技大学 | 铜合金热镀用稀土锡基合金及其制备方法 |
| CN107502782B (zh) * | 2017-10-24 | 2019-06-21 | 河南科技大学 | 铜合金热镀用稀土锡基合金及其制备方法 |
| CN114918574A (zh) * | 2022-06-21 | 2022-08-19 | 浙江亚通焊材有限公司 | 一种锡基复合钎料及其制备方法 |
| CN114918574B (zh) * | 2022-06-21 | 2023-08-01 | 浙江亚通新材料股份有限公司 | 一种锡基复合钎料及其制备方法 |
| CN115502603A (zh) * | 2022-09-01 | 2022-12-23 | 广德鹏讯实业有限公司 | 一种电子元器件封装用锡球及其制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105195915B (zh) | 一种低温无铅焊料合金 | |
| JP4787384B1 (ja) | 低銀はんだ合金およびはんだペースト組成物 | |
| CN105215569A (zh) | 一种无铅焊料合金 | |
| CN101780607B (zh) | 一种用于电子封装组装钎焊的无铅钎料及其制备方法 | |
| CN101348875A (zh) | 一种锡铋铜型低温无铅焊料合金 | |
| CN103249519B (zh) | 以Zn为主成分的无Pb焊料合金 | |
| CN108161271B (zh) | 一种SnPbBiSb系低温增强焊料及其制备方法 | |
| CN102699563A (zh) | 一种低银无铅软钎料 | |
| CN100453244C (zh) | 无铅锡焊料 | |
| CN101618484A (zh) | 一种无铅焊料及其制备方法 | |
| CN103008904B (zh) | 一种SnCuNiGaGeIn系无银无铅焊料合金 | |
| CN101134272A (zh) | 无铅锡基软钎料 | |
| CN103028863A (zh) | 一种高抗氧化无铅焊料 | |
| CN101049657A (zh) | 无铅软钎焊料 | |
| CN115041864A (zh) | 一种高可靠性低温无铅焊料及制备方法 | |
| CN113714677A (zh) | 一种可实现CSP器件高强度互连的Sn基钎料 | |
| CN100467192C (zh) | 基本上包括锡(Sn)、银(Ag)、铜(Cu)和磷(P)的无Pb焊料合金组合物 | |
| CN101927410B (zh) | Sn-Ag-Zn-Bi-Cr无铅焊料 | |
| CN100469511C (zh) | 无铅软钎料 | |
| CN101081463A (zh) | 一种Sn－Ag－Cu－Dy无铅焊料合金 | |
| CN102500946A (zh) | Sn-Ag-Cu-Bi-Er低银无铅焊料及其制备方法 | |
| CN100453245C (zh) | 无铅锡基软焊料 | |
| CN101357421B (zh) | 无铅锡焊料 | |
| CN101879667A (zh) | 通用型低银无铅电子钎料 | |
| CN1325679C (zh) | Sn－Zn－Bi－Cr合金无铅焊料的制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |