CN101332544A - 高熔点无铅焊料及其生产工艺 - Google Patents

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叶富华
邹家炎
杜昆
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    • B23K35/26—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 400 degrees C
    • B23K35/264—Bi as the principal constituent

Abstract

本发明高熔点无铅焊料包含的合金由2wt％～5wt％的Sb和98wt％～95wt％的Bi组成，该合金的固相线不低于270℃，液相线不高于310℃。由于Bi－Sb合金系属于无限互溶合金，合金固、液相点随Sb含量的提高而提高，而且这种高熔点无铅焊料与传统的Pb－10Sn焊料相比，其更加环保。为了提高焊料的可焊性，还可进一步在将焊料制成焊环时加入适量的银。

Description

高熔点无铅焊料及其生产工艺
技术领域
本发明涉及一种无铅焊料，特别是指芯片焊接以及IC封装焊接用高熔点无铅焊料。
背景技术
芯片焊接以及IC封装焊接要求焊料的熔点高于260℃，焊料熔点低会导致后期焊接破坏先期焊接好的焊点，从而影响焊接质量。通常芯片焊接以及IC封装焊所用的高熔点焊料为有铅高熔点焊料，由于这种焊料中含有对人体有害的铅元素，其在未来几年内将会被禁止使用，所以目前大家都在寻找能够替代有铅高熔点焊料的无铅焊料。
现有的熔点在260℃以上的无铅焊料有两种，一种是众所周知的价格昂贵的Au80(wt％)-Sn20(wt％)焊料，由于这种焊料金的质量百分比在80％左右，导致其价格很贵，应用范围受到很大的限制。
另一种为专利01823276.0中所揭示的高熔点无铅焊料，其合金成分为2wt％～18wt％的Ag和98wt％～82wt％的Bi，相比前一种高熔点无铅焊料来说，该专利中所揭示的焊料从价格上已经明显地降低了；但是，由于银同样是贵金属，而且其在焊料中的含量最高是可能达到18wt％，最低时也为2wt％，从成本方面来考虑，这种高熔点无铅焊料并不是理想的材料，所以业界急需一种贵金属含量低，甚至不含贵金属的高熔点无铅焊料。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种价格低廉的高熔点无铅焊料，这种高熔点无铅焊料可以用于芯片焊接以及IC封装焊接。
为解决上述技术问题，本发明高熔点无铅焊料包含下述合金，该合金由2wt％～5wt％的Sb和98wt％～95wt％的Bi组成，该合金的固相线不低于270℃，液相线不高于310℃。由于Bi-Sb合金系属于无限互溶合金，合金固、液相点随Sb含量的提高而提高，从图1所示的合金相图中可以看出，其最低固相点为270℃；Sb含量提高到5wt％后其液相点低于310℃。本发明无铅焊料由于不含贵金属，价格低廉，与传统的含铅焊料相比，更加环保。
作为本发明高熔点无铅焊料的改进，该焊料还含有0.5wt％～1.5wt％的银。添加银元素的目的是提高焊接扩散率，以改善焊料的可焊性能，而且加入的银质量百分比很低，不会显著增加焊料的成本。
作为本发明高熔点无铅焊料的进一步改进，该焊料还含有0.003wt％～0.01wt％的磷。磷元素能够使Bi-Sb-Ag焊料的液态表面上覆盖一层很薄的磷含氧酸盐保护膜，起到防止焊渣形成的作用，可以提高焊接质量。
本发明要解决的另一个问题是提供一种生产上述高熔点无铅焊料的生产工艺。
为了解决上述技术问题，本发明生产工艺包括如下步骤：A、按照成分比例要求分别取一定量的Bi和Sb；B、使用不锈钢坩埚或石墨坩埚将Bi熔化后升温至500～600℃；C、向不锈钢坩埚或石墨坩埚加入Sb，并充分搅拌后静置一段时间，使其中成分充分均匀；D，将合金冷却至常温。采用这种生产工艺制得的高熔点无铅焊料不含贵金属，显著地降低了焊料的成本，而且其制作工艺过程简单。
进一步地，可将所述焊料制成焊片或焊环或焊膏，根据不同使用要求，采用不同形状或形态的焊料，方便使用。
上述焊片或焊环的制作过程如下：a、采用起助焊作用的粘结剂将所述合金粘结成膏状体；b、将膏状体涂覆在双层银薄片中间；c、将含有膏状体的银薄片预成型为所需形状的焊片。将焊料制成膏状涂覆在银片之间可以防止焊料撒漏，而且粘结剂还起助焊作用，可以提高工件的可焊性。
附图说明
图1为Bi-Sb二元合金相图。
具体实施方式
本发明高熔点无铅焊料包含以Bi为基合金，合金中Bi的含量为95wt％～98wt％，再添加Sb以后经过合金化制成的，其中Sb的含量为2wt％～5wt％。制成的焊料的固相点不低于270℃，液相点不高于310℃。可以取代含铅焊料进行芯片焊接以及IC封装焊接。
由于Bi-Sb合金系属于无限互溶合金，合金固、液相点随Sb含量的提高而提高，经过实验得出如图1所示的二元合金相图，当Sb的含量等于2wt％时，其最低固相点高于270℃，当Sb的含量等于5wt％时，其最低液相点低于310℃，由此我们可以得出焊料的固相点温度不低于270℃，其液相点不高于310℃。
下表列出了Bi-Sb合金中，随Sb含量的变化，对焊料扩散率及合金液相点的影响。
表1
  合金   扩散率(％)   熔点(℃)(液相点)
  实施例一   Bi-2Sb   73.8   273
  实施例二   Bi-3Sb   77.3   278
  实施例三   Bi-4Sb   74.5   283
  实施例四   Bi-5Sb   72.8   298
表1所述的焊接扩散率百分比是与现有技术中常用的焊料作比较，该焊料合金成分为Pb-10Sn。
下表列出了加入适量Ag，可明显提高合金的扩散率。为了降低成本，Ag的加入量不宜太多，约1wt％或稍低些，即可得到满意的效果。
表2
  合金   扩散率(％)   熔点(℃)(液相点)
  Bi-3Sb-1Ag   84.0   280
  Bi-4Sb-1Ag   83.5   285
  Bi-5Sb-1Ag   82.7   302
表3
  合金   扩散率(％)   熔点(℃)(液相点)
  Bi-3Sb-0.1Ag   78.0   278
  Bi-3Sb-0.5Ag   80   280
  Bi-3Sb-1Ag   84.0   280
  Bi-3Sb-1.5Ag   85.0   282
表2和表3所述的焊接扩散率百分比是与现有技术中常用的焊料作比较，该焊料合金成分为Pb-10Sn。
由表1和表2对比可知，加入1wt％的银能够明显提高焊料的扩散率，改善其可焊性；由表2和表3对比可知，随着银加入量的提高，焊料的扩散率也不断地得到提高，但是为了控制焊料的成本，银的加入量为1wt％时，可取得较佳的性价比。
当然，上述银并不是直接加入到合金中去的，只是在制作高熔点无铅焊料产品时才加入银。例如下文中制作焊片时添加银的方式。
同时，为了提高焊料的焊接质量，防止焊点中夹杂焊渣，可在加入银的同时加入0.003wt％～0.01wt％的磷由于。磷元素能够使Bi-Sb-Ag焊料的液态表面上覆盖一层很薄的磷含氧酸盐保护膜，这种保护膜能够防止焊渣的形成，可以提高焊接质量。
本发明要解决的另一个问题是结合合金特性，提供具体的熔炼工艺以及产品。
本发明高熔点无铅焊料中合金的熔炼工艺：选择最佳性能的合金组合，进行实际量配料计算。使用不锈钢坩埚(或石墨坩埚)，先将Bi熔化后升温至500～600℃，然后加入Sb，并充分搅拌后静置一段时间，让其中成分充分均匀并完全合金化后再冷却至常温。整个过程采用木炭表面覆盖即可，使用木炭覆盖合金溶液可以防止合金溶液在熔炼过程中被氧化。
焊料使用时，采用两种形态的产品：①复合带状或复合片状，再根据需要冲制预成型片，如焊环，焊片；②焊膏。
复合带状(片状)的制作方法：①以Bi-Sb合金制作成膏状体，其中由特殊粘接剂将Bi-Sb粉制成合适粘度的膏体，按合金成分比例，将此种膏体涂敷在双层极薄的Ag薄片中间，靠特殊的粘接剂(也起助焊剂用)。粘接成具有一定强度的复合带，根据需要冲制成各种预成型焊片。使用时将预成型片放置在各需要位置，进入热区，温度在340℃～360℃间，多层复合片会在其中的焊料先熔化后立刻与Ag薄片进行合金化反应，达到形成所需的成分要求的焊点。
焊膏的制作方法：首先将高熔点无铅焊料制成颗粒度达到5级以上的焊粉；将焊粉与助焊剂混合均匀后制成焊膏；最后将制成的焊膏装进软袋或其他包装容器中。

Claims (9)

1、一种高熔点无铅焊料，其特征在于：其包括下述合金，该合金由2wt％～5wt％的Sb和98wt％～95wt％的Bi组成，该合金的固相点不低于270℃，液相点不高于310℃。
2、如权利要求1所述的高熔点无铅焊料，其特征在于：所述焊料还含有0.1wt％～1.5wt％的银。
3、如权利要求2所述的高熔点无铅焊料，其特征在于：所述焊料还含有0.003wt％～0.01wt％的磷。
4、一种权利要求1所述的高熔点无铅焊料的生产工艺，其特征在于：包括如下步骤：
A、按照成分比例要求分别取一定量的Bi和Sb；
B、使用不锈钢坩埚或石墨坩埚将Bi熔化后升温至500～600℃；
C、向不锈钢坩埚或石墨坩埚加入Sb，并充分搅拌后静置一段时间，使其中成分均匀；
D、将合金冷却至常温。
5、如权利要求4所述的高熔点无铅焊料的生产工艺，其特征在于：整个过程采用木炭覆盖在合金溶液表面。
6、如权利要求4所述的高熔点无铅焊料的生产工艺，其特征在于：所述焊料被制成焊片或焊环或焊膏。
7、如权利要求6所述的高熔点无铅焊料的生产工艺，其特征在于：所述焊片或焊环的制作过程包括：
a、采用起助焊作用的粘结剂将所述合金粘结成膏状体；
b、将膏状体涂覆在双层银薄片中间；
c、将含有膏状体的银薄片预成型为所需形状的焊片或焊环。
8、如权利要求6所述的高熔点无铅焊料的生产工艺，其特征在于：所述高熔点无铅焊料首先被制成焊粉；焊粉在与助焊剂混合均匀后制成焊膏。
9、如权利要求8所述的高熔点无铅焊料的生产工艺，其特征在于：所述焊粉的颗粒度达到5级以上。
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