CN101362261A - 用于电子元器件的低温无铅焊接材料 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料工程技术领域，涉及到电子封装钎焊材料及技术，特别涉及到一种用于电子元器件的低温无铅焊接材料，从而代替高温焊接，并且能够使焊点有优良的导电性和耐高温冲击性。本发明的焊接材料由锡基合金焊粉或纯锡粉和高熔点金属粉Ag，Cu，Ti，Ni按一定比例混合，配上合适的焊剂配制成焊锡膏；或锡基合金焊锡膏和金属粉Ag，Cu，Ti，Ni按一定比例混合配制成焊锡膏，实现无铅焊锡膏在低温下焊接出高熔点焊接层。
Description
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，涉及到电子产品表面贴装(SMT)加工过程中使用的无铅焊锡膏和焊接工艺技术，特别涉及到用于焊接许多部件，尤其适用于焊接半导体器件的电子部件和机械部件等回流焊接工艺中电子产品。
背景技术
电子封装行业中，元器件之间的连接以焊接材料为主，传统的焊料主要是锡铅焊料，铅本身带有剧烈毒性，会造成长期的污染，对环境及人体的危害不言而喻，而为了满足环保要求，锡铅焊料将逐步被无铅焊料所代替。
目前研究的无铅焊料体系主要有SnAg、SnCu、SnZn、SnBi等体系，熔化温度都在250℃以下，所形成的焊点在使用温度接近150℃～200℃时可靠性大大降低，因而在有特殊需要的场合，比如在高温气氛下(例如接近车用发动机)工作的电子元器件，就需要使用耐高温的焊料。另外在焊接工艺的前期步骤中，也需要使用高温焊料。目前，钎焊中普遍使用的高熔点焊料主要是SnPb95等含铅焊料，能替代这种焊料的无铅焊料还没有发展，所以强烈需要一种可以替代高温含铅焊料的材料以满足需求。
另外，在通常使用的焊接过程中，都需要加热到焊料的熔点温度或者熔点温度以上，这样使得焊接部位的温度过高，易引起部件发生热变形和扭曲，所以焊接温度不能太高。为了避免这种现象发生，需要一种焊接方法和焊接材料，能够实现在相对较低的温度下焊接，而焊接后的界面和焊点能够耐高温。专利CN1367058A公开了一种以金属低温焊料成行结合方法，但该材料一方面含有Pb，另外元素以单质形式混合，熔点相对较高不易混合均匀且不易焊接。日本专利CN1564726A提供了一种能够进行无铅结合而代替高温焊接的结合材料和结合方法。但主要用于精密元件的结合，焊料由复合金属纳米粒子在有机溶剂中的分散体组成，成本较高，工艺过程复杂。专利CN1887500A提供了一种合金焊粉相互混合的方法，实现无铅焊锡膏的熔点和回流焊峰值温度的调整。但是合金粉主要由熔点在200～230℃之间的锡基合金焊粉混合而成，焊接出的焊接面和焊点不能满足耐高温性。
电子产品的多功能化和便携式同时要求电子元件产品在保持原有性能的基础上不断缩小元件的尺寸。所以在许多电子元件的焊接中，要求焊接时温度不能太高，而又需要焊接材料有高的导电性和导热性能，但是单纯的锡基合金钎料导电性能较差。基于上文所述，电子业界需要一种环保的无铅材料，该材料可以替代高温焊料并能够用于焊接的前期阶段，且具有优良的导电性和导热性能。
发明内容
本发明提供了一种用于电子元器件的低温无铅焊接材料，具有许多优良特性：能够在低温下实现焊接、有优良的导电性和导热性、高的可靠性和耐高温性、优良的抗坍塌性、环保并且能够在连续焊接的前期过程中使用。
本发明是采用以下技术方案实现的：低温无铅焊接材料是由锡基合金焊粉或纯锡粉和高熔点Ag、Cu、Ti、Ni等中的一种以上的金属粉末按照合适的比例混合，加助焊剂制成焊锡膏；或者由锡基合金焊锡膏和合适比例的Ag、Cu、Ti、Ni等金属粉末混合制成焊锡膏。
低温无铅焊接材料是由常用的锡基合金粉SnBi、SnAg、SnZn、SnCu、SnAgCu、SnSb、SnZnBi合金中的一种或几种和一定重量百分比的Cu粉、Ag粉、Ti粉、Ni粉中的一种或者几种混合而成，加合适助焊剂配成焊膏。在钎焊过程中，焊膏中低熔点的合金优先熔化，高熔点的合金后熔化，从而实现焊接。
其中高熔点金属粉在混合物中的重量百分比范围如下：
Cu粉为5～30％，Ag粉为7.5～30％，Ti粉为1～30％，Ni粉为2～25％。
另外，无铅焊接材料中的锡基合金焊粉和金属单质粉的粒度在100μm以下，且无铅焊接材料中含有不超过0.5％的不可避免的杂质，其杂质为In、Ga、Ge、Al、Cr、Co、Fe、P中的一种或几种。
在焊接时，将配置好的焊膏以涂敷方式、点胶方式或网印方式于需焊接元器件的表面，根据焊接材料的不同选择加热过程中不同的峰值温度，焊膏中低熔点成份(SnBi等)先熔化，相对较高熔点的合金(SnCu，SnSb等)后熔化，然后高熔点金属粉Cu、Ag、Ti、Ni等在熔融的同时也和低熔点焊粉以焊接方式牢固结合，从而实现元器件之间的连接。
本发明的原理：合金焊料在加热过程中低熔点的合金先熔化，继续加热，借助热传导和助焊剂的氧化还原反应，将热量以阶梯式一步一步传导，使焊料中合金按照熔点由低到高的顺序依次熔化，Ag、Cu、Ti、Ni等金属由于熔点过高，不会在低温下短时间内熔化，但是会和Sn、Zn等元素在加热状态下实现粉末间的焊接。并且由于加入了Ag、Cu等，均匀分散在焊接层或焊点中，具有优良的导电性和导热性能。另外，在加热过程中，低熔点合金优先熔化，高熔点的合金形成骨架，从而使焊接过程中有优良的抗坍塌性。
本发明的优点：低温无铅焊接材料能在不改变其焊接性能的条件下，实现低温下回流焊接，避免了线路板和元器件的损坏，同时也提高了焊点在高温使用过程中的可靠性，并且提高了焊接层的导电和导热性能，和基板匹配，缓解了由热膨胀系数差异引起的热应力，从而增强了抗热冲击性和热稳定性，保证了结合强度。并且，含有高质量分数的Cu焊接材料，降低了成本。并且含Zn的焊粉经特殊抗氧化处理(包覆等)后，能实现对铝的焊接。含Ag的焊料能提高焊接层可靠性，高导电和高导热性，粒度小于6μm可用于精密封装。
下面结合附表和具体实施例对本发明作进一步进行详细说明。应该声明的是，所属的实施例仅涉及本发明的优选实施方案，在不脱离本发明思想的情况下，各种成份及含量的变化和改进都是可能的。
具体实施方式
以下技术方案详细叙述了本发明的优选实施例，表1为本发明实施例1-10制备的低温无铅焊接材料的成分组成列表，表2为本发明实施例在紫铜板上的铺展面积。
实施例1：称取粒度分布为25μm～75μm的SnBi58粉末94g和纯Cu粉6g，充分混合，然后添加焊接材料的重量百分比为12％的松香型助焊剂制成焊锡膏。将焊锡膏涂敷于需焊接电子元器件的表面，然后置于回流焊炉中，调整加热曲线，加热过程中峰值温度为200℃，实现元器件之间的连接。
实施例2：称取粒度分布为20μm～38μm的SnAg3.5粉末95g和纯Cu粉5g，充分混合，然后添加焊接材料的重量百分比为12％的松香型助焊剂制成焊锡膏。将焊锡膏涂敷于需焊接电子元器件的表面，然后置于回流焊炉中，调整加热曲线，加热过程中峰值温度为250℃，实现元器件之间的连接。
实施例3：称取粒度分布为25μm～45μm的SnAg3.0Cu0.5粉末80g和纯Ti粉20g，充分混合，然后添加焊接材料的重量百分比为12％的松香型助焊剂制成焊锡膏。将焊锡膏涂敷于需焊接电子元器件的表面，然后置于回流焊炉中，调整加热曲线，加热过程中峰值温度为240℃，实现元器件之间的连接。
实施例4：称取粒度分布为25μm～45μm的SnBi58粉末76g和纯Ag粉24g，充分混合，然后添加焊接材料的重量百分比为13％的松香型助焊剂制成焊锡膏。将焊锡膏印刷于需焊接电子元器件的表面，然后置于回流焊炉中，调整加热曲线，加热过程中峰值温度为210℃，实现元器件之间的连接。。
实施例5：称取粒度分布为25μm～45μm的SnCu0.7粉末94g和纯Ni粉3g、纯Ti粉3g，充分混合，然后添加焊接材料的重量百分比为12％的松香型助焊剂制成焊锡膏。将焊锡膏印刷于需焊接电子元器件的表面，然后置于回流焊炉中，调整加热曲线，加热过程中峰值温度为250℃，实现元器件之间的连接。
实施例6：称取粒度分布为25μm～45μm的SnZn9粉末85g和纯Ag粉15g，充分混合，然后添加焊接材料的重量百分比为13％的松香型助焊剂制成焊锡膏。将焊锡膏点胶于需焊接电子元器件的表面，然后置于回流焊炉中，调整加热曲线，加热过程中峰值温度为240℃，实现元器件之间的连接。
实施例7：称取粒度分布为25μm～45μm的SnBi58粉末40g，SnCu0.7粉末20g，SnAg3.5粉末15g和纯Ni粉25g，充分混合，然后添加焊接材料的重量百分比为13％的松香型助焊剂制成焊锡膏。将焊锡膏印刷于需焊接电子元器件的表面，然后置于回流焊炉中，调整加热曲线，加热过程中峰值温度为220℃，实现元器件之间的连接。
实施例8：称取粒度分布为15μm～25μm的SnBi58粉末80g和纯Cu粉18g、纯Ag粉2g，充分混合，然后添加焊接材料的重量百分比为13％的松香型助焊剂制成焊锡膏。将焊锡膏涂敷于需焊接电子元器件的表面，然后置于回流焊炉中，调整加热曲线，加热过程中峰值温度为210℃，实现元器件之间的连接。
实施例9：称取粒度分布为3μm～15μm的SnAg3.0Cu0.5粉末50g、纯Sn粉15g和纯Cu粉7g、纯Ti粉28g充分混合，然后添加焊接材料的重量百分比为13％的松香型助焊剂制成焊锡膏。将焊锡膏印刷于需焊接电子元器件的表面，然后置于回流焊炉中，调整加热曲线，加热过程中峰值温度为240℃，实现元器件之间的连接。
实施例10：称取SnAg0.3Cu0.7焊锡膏20g，SnZn8Bi3焊锡膏20g，SnBi58焊锡膏30g，和纯Cu粉30g，充分混合，然后添加焊接材料的重量百分比为13％的松香型助焊剂制成焊锡膏。将焊锡膏涂敷于需焊接电子元器件的表面，然后置于回流焊炉中，调整加热曲线，加热过程中峰值温度为230℃，实现元器件之间的连接。
表1 典型实施例配置表
表2 典型实施例的铺展面积
| 实施例编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| 铺展面积(mm2/0.3g) | 84.3 | 81.2 | 82.4 | 84.7 | 79.8 | 78.6 | 85.6 | 83.5 | 80.6 | 80.3 |
Claims (5)
1.一种用于电子元器件的低温无铅焊接材料，其特征在于：无铅焊接材料是由锡基合金焊粉或纯锡粉和高熔点Cu、Ag、Ti、Ni中的一种以上金属粉末混合，加助焊剂配制成焊锡膏；或者直接由锡基合金焊锡膏和Ag、Cu、Ti、Ni中的一种以上金属粉末混合配制成焊锡膏。
2.根据权利要求1所述的用于电子元器件的低温无铅焊接材料，其特征在于：锡基合金焊粉或锡基合金焊锡膏的成分由SnBi、SnAg、SnZn、SnCu、SnAgCu、SnSb、SnZnBi合金中的一种以上组成。
3.根据权利要求1所述的用于电子元器件的低温无铅焊接材料，其特征在于：无铅焊接材料中高熔点金属的重量百分比为5～30％的Cu、7.5～30％的Ag、1～30％的Ti、2～25％的Ni。
4.根据权利要求1所述的用于电子元器件的低温无铅焊接材料，其特征在于：无铅焊接材料中的锡基合金焊粉和金属单质粉的粒度在100μm以下。
5.根据权利要求1所述的用于电子元器件的低温无铅焊接材料，其特征在于：无铅焊接材料中含有不超过0.5％的不可避免的杂质，其杂质为In、Ga、Ge、Al、Cr、Co、Fe、P中的一种以上。
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