CN101380701B - 一种高温无铅软钎料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高温无铅软钎料及制备方法，属于电子封装与组装等钎焊焊料技术。其原料组份按重量计为：锑：2-8％；锡：2-12％；铜：0.5-5％，其余为铋。该新型高温无铅软钎料熔点在250℃～450℃之间、润湿铺展性好、强度高、耐腐蚀性好，可以适应不断发展的电子工业的各种技术、环境和人为要素的要求。

Description

一种高温无铅软钎料及制备方法
技术领域
本发明涉及一种电子封装与组装等钎焊焊料技术，特别是涉及一种高温无铅软钎料及制备方法。
背景技术
随着人们环境保护意识的增强和SnPb合金材料的负面影响日渐突出，在欧盟(EU)已通过了ROSH指令和电气电子设备废弃法令(WEEE)后，各国已相继立法限制铅在电子产品中的使用。中国也拟订了《电子信息产品生产污染防治管理办法》，规定电子信息产品制造者应当保证，自2003年7月1日起实行有毒有害物质的减量化生产措施；自2006年7月1日起投放市场的国家重点监管目录内的电子信息产品不能含有铅、汞、镉、六价铬、聚合溴化联苯(PBB)或者聚合溴化联苯乙醚(PBDE)等有害物质，因此无铅化已经成为电子产品发展的必然趋势。
经过20多年的研究，无铅常温钎料已经趋于成熟并产业化。由于结构形式和使用要求等方面的差异，有些电子产品或某些器件不适合用常温钎料来钎接，例如，在半导体器件组装过程中，绝缘基片及芯片与引线的钎接及外壳封装钎焊等各种芯片的封装，厚膜电路的连接组装等，这些工序位于线路组装的前道工序，所用连接用钎料在下一道工序中不能熔化，因此需要在两次钎焊过程中分别使用较高熔点和较低熔点的软钎料。即在电子组装中，还存在分步钎焊的问题。先组装的部分要采用较高熔点的钎料，在随后再流焊过程中，先焊的连接不能熔化。目前高温钎料主要沿用传统的铅基钎料和金基钎料。
铅基钎料合金是金、银、锑、锡等金属与铅形成的共晶合金，熔点在250-360℃，铅钎料能生成脆性的金属间化合物，一般比较软，可吸收由于芯片与基板之间的热膨胀不匹配而引起的应变.若钎焊接头经受多次热循环，就会在钎料的晶界处发生应变积累，以致产生微裂纹而导致热阻的增加，最终引起疲劳破坏。所以铅基钎料不能用在对连接强度要求高的地方。
金基钎料的应用主要在光电子封装、高可靠性大功率电子器件气密性封装和芯片封装中。通常采用Au-20Sn，其熔点在280℃，Au-30Si，熔点在370℃，Au-26Ge熔点350℃的共晶体系作钎料。但由于Au-Sn形成AuSn4金属间化合物，该化合物很脆，严重影响其服役的可靠性，同时钎料成本大大提高。
目前，国内对高温软钎料的研究很少，随着电子产品无铅化进程的加速发展，研究和开发无铅高温软钎料专利产品势在必行，这对发展我国电子行业，提高我国电子产品竞争力具有十分重要的意义。
欧洲专利EP1705258A2提出含Ag为2％～18wt.％，Bi为98～82wt.％，并有0.1～5.0wt.％的微量元素Au、Cu、Pt、Sb、Zn、In、Sn、Ni和Ge的Bi-Ag-X合金来代替高Pb钎料，该合金熔点合适，固相线温度大于262.5℃，但该合金脆性大、加工性差、与基体结合强度弱、固液相区间较宽以及在Cu和Ni基体上润湿性差等一系列问题。
中国专利CN1221216A提出一种含Sb5～15％的Sn-Sb二元合金用来涂覆引线框架，以保证能承受随后较高温度的密封工艺。但当Sb含量较低(<10％)时Sn-Sb二元合金的熔点相对较低，对于需要承受高温封装工艺焊点的可靠性不利，且该合金存在对Cu或Ni基体焊盘溶蚀快的问题。
美国专利20040241039提出了至少5％Sn，0.5～7％Cu，0.05～18％Sb的配方，中国专利CN1954958A提出了8～20％Sb，3～7％Cu，其余为5％Sn的配方，虽然这两篇专利都提出用SnSbCu三元合金作为高温无铅软钎料，但该系列合金抗氧化能力较差，在高温焊接过程中会产生大量的锡渣，且该合金依然存在对Cu或Ni基体焊盘溶蚀快的问题。
发明内容
本发明目的是在于提供一种熔点在250℃～450℃之间、润湿铺展性好、强度高、耐腐蚀性好的新型高温无铅软钎料来替代相应高铅钎料及制备方法，以适应不断发展的电子工业的各种技术、环境和人为要素的要求。
为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
该新型高温无铅软钎料，其原料组份按重量计为：锑：2-8％；锡：2-12％；铜：0.5-5％，其余为铋。优选的原料锡按重量计组份为：5-10％；优选的铜组份按重量计为：1-4％；优选的锑组份按重量计为4-6％。
该新型高温无铅软钎料合金熔点在250～300℃之间，力学性能优于相应的高铅钎料，铺展性能满足钎焊使用要求。
本专利新型无铅高温软钎料BiSbCuSn的制备方法为：
将原料按成分比例配好，放入工业用非真空感应炉或非自耗真空感应炉中冶炼，制备过程中，每半个小时将合金翻转后再进行熔炼，熔炼完成后浇铸即可得到焊料合金。优选的感应炉中冶炼制备过程中工艺参数为真空度为4x10-3Pa、电流为450A～500A、电压为16V～20V。
本发明新型高温无铅软钎料无毒、无污染，力学性能优于相应的高铅钎料，铺展性能满足钎焊使用要求。能够替代目前广泛应用的高铅钎料，满足当前高温电子封装需要。
与现有技术相比，本发明具有如下显著优势：
1、本发明合金的熔化温度较高并具有良好的润湿性能，熔点范围在250～320℃之间，可以替代电子封装中的高Pb钎料；
2、本发明在Bi-Sb合金的基础上添加了Cu和Sn，有效的改善了钎料的润湿行为；
3、本发明在Bi-Sb合金的基础上添加了Cu和Sn，有效的提高了钎料的力学性能，增强了焊点的可靠性。
具体实施方式
下面结合实施例对本专利进行说明
实施例1
将原料按照如下比例(重量计)配比：铋Bi：91％，锑Sb：2％，铜Cu：5％，锡Sn：2％，将原料放入工业用非真空感应炉中冶炼，在真空度为4x10-3Pa的条件下引弧，在电流为480A、电压为20V的条件下熔炼，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。在相同实验条件下，本实施例合金熔点稍稍较低，但铺展面积、抗拉强度及剪切强度均较对比例合金高，其中抗拉强度是对比例合金的3.9倍。
实施例2
将原料按照如下比例(重量计)配比：铋Bi：84％，锑Sb：6％，铜Cu：2％，锡Sn：8％，将原料放入工业用非真空感应炉中冶炼，在真空度为4x10-3Pa的条件下引弧，在电流为480A、电压为20V的条件下熔炼，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。本实施例合金熔点稍稍较低，但铺展面积、抗拉强度及剪切强度均较对比例合金明显提高。
实施例3
将原料按照如下比例(重量计)配比：铋Bi：82％，锑Sb：5％，铜Cu：1％，锡Sn：12％，将原料放入工业用非真空感应炉中冶炼，在真空度为4x10-3Pa的条件下引弧，在电流为480A、电压为20V的条件下熔炼，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。本实施例合金熔点稍稍较低，但铺展面积、抗拉强度及剪切强度均较对比例合金明显提高。
实施例4
将原料按照如下比例(重量计)配比：铋Bi：86.5％，锑Sb：5％，锡Sn：8％，铜Cu：0.5％，将原料放入工业用非真空感应炉中冶炼，在真空度为4x10-3Pa的条件下引弧，在电流为480A、电压为20V的条件下熔炼，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。本实施例合金熔点稍稍较低，但铺展面积、抗拉强度及剪切强度均较对比例合金明显提高。
实施例5
将原料按照如下比例(重量计)配比：铋Bi：83％，锑Sb：8％，锡Sn：6％，铜Cu：3.0％，将原料放入工业用非真空感应炉中冶炼，在真空度为4x10-3Pa的条件下引弧，在电流为480A、电压为20V的条件下熔炼，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。本实施例合金熔点稍稍较低，但铺展面积、抗拉强度及剪切强度均较对比例合金明显提高。
对比例：将原料按照如下比例(重量计)配比：铋Bi：95％，锑Sb：5％，将原料放入工业用非真空感应炉中冶炼，在真空度为4x10-3Pa的条件下引弧，在电流为480A、电压为20V的条件下熔炼，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1～5合金材料的技术指标如表1。
表1材料的技术指标
 
序号 焊料成分 熔点(℃) 铺展面积(mm<sup>2</sup>) 电阻率(10<sup>-6</sup>Ω.m)  抗拉强度(MPa)    剪切强度(Mpa)   
对比例 Bi5Sb 285.3-295.3 12.6 4.2 10.5 8.5
1 Bi2Sb5Cu2Sn 273.9-289.1 18.02 3.58 40.10 14.04
2 Bi6Sb2Cu8Sn 262.9-286.2 22.45 2.46 52.79 17.00
3 Bi5Sb1Cu12Sn 250.4-268.3 26.22 2.14 32.58 16.35
 
序号 焊料成分 熔点(℃) 铺展面积(mm<sup>2</sup>) 电阻率(10<sup>-6</sup>Ω.m)  抗拉强度(MPa)    剪切强度(Mpa)   
4 Bi5Sb8Sn0.5Cu 262.9-288.5 25.95 2.48 45.84 16.65
5 Bi8Sb6Sn3.0Cu 260.9-286.7 23.66 2.45 32.96 15.05
而与该无铅软钎料相比较，其熔点在270℃的高铅钎料，其抗拉强度约27MPa，铺展面积约98.7mm2。
注：上述实验均是在相同实验条件下完成。

Claims (3)

1.一种高温无铅软钎料，其特征在于其原料组份按重量百分比计为：锑4-6％，锡5-10％，铜1-4％，其余为铋。
2.权利要求1所述的高温无铅软钎料的制备方法，其特征在于：
将原料按照权利要求1的比例配好，放入非自耗真空感应炉中冶炼，制备过程中，每半小时将合金反转后再进行熔炼，熔炼后浇铸即可得到产品。
3.权利要求2所述的高温无铅软钎料的制备方法，其特征在于：非自耗真空感应炉中冶炼制备过程中其真空度为4×10-3Pa，电流为450-500A，电压16V-20V。
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