一种用于电子封装组装钎焊的无铅钎料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于电子封装组装钎焊的无铅钎料合金及其制备方法。该钎料合金适用于电子封装等行业中将电子元器件通过钎焊方式连接和固定在电路板或框架上,所属的技术领域为电子电气产品的钎焊。
技术背景
作为电子元器件与元件载体之间的连接媒介,钎焊材料(以下简称钎料)是电子封装工艺必不可少的核心材料。随着近年来科技界和社会公众对电子工业所用锡-铅钎料中铅的危害作用的认知不断提高和国内外关于相关立法的相继实施,电子工业已经进入了无铅化时代。同时伴随着现代微电子及光电子器件功能的复杂化、尺寸的微(小)型化、封装的密集化,封装后的器件和系统在使用过程中承受着越来越复杂和剧烈的热、电、力及环境(湿气)交互或耦合作用,这样对电子元器件封装的可靠性和耐久性等提出了更大的挑战。在这些情况下,传统的低熔点、强度较低的Sn-Pb(锡-铅)钎料也已不能满足使用要求。
目前常用的无铅钎料合金主要是以金属Sn为基体。为替代原有锡-铅钎料中的Pb组元而在纯金属Sn中添加Ag(银)、Cu(铜)、Zn(锌)、Sb(锑)、Bi(铋)、In(铟)等一种或两种金属形成无铅钎料合金。金属Sn具备适合电子封装工艺理想的物理和化学特性,如较低的熔点、良好的导电性和传热性、与基板Cu和Ni(镍)的润湿性好、化学活性低以及具有较好的抗氧化性能等,因此Sn是作为无铅钎料基体的理想材料。从添加不同合金元素对钎料性能改善的程度来看,Ag的效果最为显著。Ag具有较高的熔点(960℃),也是热和电的良好导体、化学稳定性好、不易受化学腐蚀;尤其Ag是很好的合金化元素,目前在无铅焊料中具有很重要的作用;一般地,可将无铅钎料分为含银无铅钎料和无银无铅钎料,其中含银无铅钎料又可以分为含银近共晶无铅钎料和低银无铅钎料两种。
目前在电子封装工业中已被广泛认可且应用的无铝钎料为Sn-Ag-Cu系合金,该系列合金中Ag含量一般在3.0%-4.0%之间,属于含银近共晶无铅钎料。Ag能与Sn结合生成大量的弥散分布的Ag3Sn金属间化合物,这样能够保证钎料的力学强度和抗蠕变性能比传统Sn-Pb钎料要高;但同时钎料却丧失了部分塑韧性,特别是这些无铅钎料应用于消费类电子产品如移动电话、数码设备等时,由于钎料接头脆性大,导致产品的抗摔(跌落)能力差。另外,由于Ag的价格远高于钎料成分中的其它元素,从而导致了这种无铅钎料相对于传统的Sn-Pb钎料成本显著提高。
此外,目前在波峰焊工艺中首选的无铅钎料是共晶成分的Sn-Cu钎料合金,但该钎料强度低、焊接铺展性能差、抗氧化能力低,因而产品质量得不到保证。
为了消除因减少Ag含量或不使用Ag给钎料性能带来的不利影响,常用的方法是在低银或者无银钎料体系进行第四种元素添加来对合金进行改性,以提高无铅钎料合金的润湿性能、表面抗氧化性能、物理冶金性能和焊点的力学可靠性能。例如在提高钎料的润湿性方面,目前常见的研究方法是在亚共晶的Sn-Ag-Cu合金中加入RE(稀土元素)、Bi、Ni等元素;从目前的研究报道和技术发展状况看,通过向无铅钎料添加微量金属元素,虽然不能期望获得媲美于Sn-Pb钎料的润湿性能,但是基本能够得到与SAC305钎料相当的润湿性能。
必须指出的是,一个能够应用于实际生产的无铅钎料必须具有优良的综合性能,包括工艺性能和服役可靠性能。但是前面所述的用于改进钎料性能的元素,往往是顾此失彼,单一元素的改性难以得到综合性能较好的无铅钎料。例如在Sn-Ag-Cu合金中通过添加Bi元素能够提高钎料的润湿能力,但是Bi添加之后,钎料与微互连焊点都变得脆而且硬,导致材料的成形能力变差,应用该钎料制造的电子产品抗跌落能力也明显降低。
发明内容
本发明提供一种以Sn为基体的添加微量多合金组元进行表面活化与合金化的改性方案,以对钎料合金的润湿性能、抗氧化性能、力学强度等性能进行改善,获得一种综合性能良好且具有成本优势的无银无铅钎料合金。
本发明的目的通过如下技术方案实现:
一种用于电子封装组装钎焊的无铅钎料,以重量百分比计,其原料配方包括如下组份:
Cu 0.01~1.0%
Zn 0.01~1.0%
Al 0.001~0.15%
La-Ce混合稀土 0.001~0.25%
Te 0.001~0.05%
Sn 98.1~99.4%
其中,La-Ce混合稀土的重量百分比为,La:32~35%,Ce:65~68%。
为进一步实现本发明目的:原料配方中还包括占原料总重量百分比不超过1.0%的过渡族元素Ti、Mn、Co和Ni中的一种或多种,作为无铅钎料的一种合金化改性。
原料配方中还包括占原料总重量百分比不超过0.15%的P。作为对无铅钎料的一种表面改性。
所述用于电子封装组装钎焊的无铅钎料浇铸成钎料铸块。
所述用于电子封装组装钎焊的无铅钎料加工成钎料丝、钎料粉或钎料球。
下面将详细介绍每种微量元素在钎料中的作用。
Cu是电子封装工艺中最常用的金属基板材料,它们能够与Sn基钎料产生很好的冶金结合,并易反应生成金属间化合物Cu6Sn5,这些弥散分布的金属间化合物对于提高钎料焊点强度具有重要作用;同时在Sn基体中添加Cu有利于降低无铅钎料在钎焊过程中对基板的溶蚀作用。Cu-Sn共晶合金中Cu元素含量很低,重量百分比为0.7%,因此添加微量Cu的重量百分比不能超过1.0%,否则会造成钎料凝固过程中偏析严重,导致焊点过早失效。Zn是一种能有效降低Sn基合金熔点的改性元素,Sn-Zn共晶合金熔点为199℃,基本与传统共晶Sn-Pb成分相近,同时,由于Zn的表面活性强,Zn表面极易容易形成一层致密的氧化膜,这对钎料合金工艺性能具有非常不利的影响;因此,添加Zn的含量重量百分比不能超过1.0%;Al固熔于Zn中有利于降低Zn的表面活性,减少Zn的表面氧化程度,有利于提高该无铅钎料的润湿铺展性能,但是当Al的含量重量百分比超过0.15%之后将钎料合金组织将出现严重的偏析,导致钎料流动性急剧变差。La-Ce混合稀土能够显著提高无铅钎料合金的表面抗氧化能力,同时Ce与Sn的冶金反应产物一般在晶界处形成聚集形成屏蔽层,因此微量的Ce元素既能明显细化无铅钎料合金的晶粒尺寸,通过这种细晶强化作用来增强无铅焊点的力学强度;但是当稀土含量重量百分比大于0.25%之后,其与Sn及其它元素的冶金反应产物将成为钎料合金中的杂质相,对钎料工艺性能和可靠性产生负面作用。Te为一种提高钎料抗氧化能力的类金属,微量Te富集于无铅钎料合金表面,能够降低钎料表面张力,提高钎料抗氧化性能。添加的过渡族金属元素与Sn反应生成的金属间化合物,有利于提高钎料强度和服役可靠性。
用于电子封装组装钎焊的无铅钎料的制备方法,包括如下步骤:
(1)中间合金的制备:按重量百分比计,将60~90%的Cu和40~10%的La-Ce混合稀土,90~98%的Sn和10~2%的Te,分别在真空熔炼炉于1000℃以上温度熔炼0.5~1小时,分别制备出Cu-(La,Ce)和Sn-Te中间合金;
(2)以的Sn为母相,将Sn块熔化后升温至600~800℃后保温;
(3)在温度为600~800℃时向熔体中分别Zn和Al,并用石英棒进行搅拌,之后保温0.5~1小时;
(4)将熔体冷却到450~600℃后,向熔体中添加Cu-(La,Ce)和Sn-Te中间合金,用石英棒适度搅拌之后,在该温度下保温1~2小时,并且每隔10~20分钟搅拌1分钟,使各元素能够充分合金化;
(5)在温度为450~600℃时添加余量的Cu,添加重量为钎料中含Cu的总重量减去中间合金Cu-(La,Ce)含有Cu的重量,以控制钎料合金的原料成分达到配方比例要求;之后将合金在该温度下保温1~2小时,并用石英棒搅拌;
(6)将熔炼好的熔融态钎料合金浇铸在铸造模具中,即制得无铅钎料合金。
所述步骤(1)中间合金的制备还包括Cu-P中间合金,按重量百分比计,Cu占70~95%,P占30~5%。
所述步骤(3)还包括加入占原料总重量百分比不超过1.0%的过渡族元素Ti、Mn、Co和Ni中的一种或多种。
所制备的微量多组元合金改性高Sn、无银、无铅钎料合金铸块可以直接用于电子组装工业的波峰焊、手工浸焊等工艺中;也可以将本发明的无铅焊料合金铸块通过成形加工制成钎料棒、钎料丝、钎料粉和钎料球,而钎料粉还可和助焊剂配合制成钎料膏用于电子封装的其它诸多工艺中。
相对于现有技术,本发明具有如下优点:
(1)本发明通过向纯Sn中添加多种微量合金元素对其进行改性;钎料合金中不含贵金属Ag,Sn含量按重量百分比不低于98%,添加的其它微量元素总量很少,大大节省了材料成本,是一种具有良好工艺性能、成本低的无铅钎料;
(2)由于本发明无铅钎料中添加了多种微量的具有表面活性和合金化作用的改性元素,其表面张力明显小于纯Sn和Sn-Cu合金,铺展能力和润湿性与共晶Sn-Ag-Cu钎料合金基本相当;同时抗氧化能力强、表面结渣量低;
(3)本发明无铅钎料通过优化添加多种微量元素,这些元素能够与Sn发生冶金反应而生成金属间化合物,并均匀分布于钎料基体中而起到合金强化作用,其力学性能相对于现有技术标准的Sn-Cu合金钎料有大幅度提高。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明作进一步的描述,需要说明的是实施例并不构成对本发明要求保护范围的限制。
实施例1:
一种用于电子封装组装钎焊的无铅钎料,其原料配方重量百分比组成如下:
(1)Sn:98.2%
(2)Cu:1.0%
(3)Zn:0.6%
(4)Al:0.02%
(5)La-Ce混合稀土:0.16%
(6)Te:0.02%
本实施例无铅钎料重量为1千克,制备方法如下:在真空电炉中于1200℃分别制备出质量比为60∶40的Cu-(La,Ce)以及质量比为98∶2的Sn-Te中间合金。按照实施方案将熔炼钎料用的单质材料和中间合金进行称重,分别是Sn:972.2克,Cu:7.6克,Zn:6克,Al:0.2克,Cu-(La,Ce)中间合金:4克,Sn-Te中间合金:10克;然后在650℃温度下以972.2克的熔态Sn为母相,在母相熔体中依次添加6克的Zn和0.2克的Al,之后保温1小时;接着将熔体冷却到450℃后依次添加4克的Cu-(La,Ce)和10克的Sn-Te中间合金,保温1小时并每间隔20分钟搅拌1分钟;最后在熔体中加入7.6克的Cu,然后在该温度下保温1.5小时,期间定期搅拌。将制备的钎料浇铸成标准试样进行性能测试。测试结果为:(1)该实施例钎料在Cu基板上的接触角为30(测试条件:温度245℃,RMA钎剂),相对现有技术Sn-Cu钎料于Cu基板上的润湿角32有一定降低,润湿角越低则说明钎料的工艺性能越好,钎料在电子封装组装钎焊工艺过程中越容易与基板形成冶金结合而获得良好焊点;(2)该实施例钎料与Cu基板形成的焊点光亮饱满,表面无氧化膜,无焊点坍塌现象;(3)该实施例钎料拉伸强度为49MPa,与现有技术Sn-Cu钎料拉伸强度37MPa相比有大幅度提高,钎料强度在合理范围内越大则说明电子封装组装产品中焊点强度越高,产品的服役性能越好。实施例钎料工艺性能和力学强度相对于现有技术Sn-Cu钎料均有大幅提高。
实施例2:
一种用于电子封装组装钎焊的无铅钎料,其原料配方重量百分比组成如下:
(1)Sn:98.7%
(2)Cu:0.8%
(3)Zn:0.1%
(4)Al:0.1%
(5)La-Ce混合稀土:0.05%
(6)Te:0.05%
(7)Co:0.1%
(8)Ni:0.1%
本实施例无铅钎料重量为1千克,制备方法如下:在真空电炉中于1200℃分别制备出质量比为80∶20的Cu-(La,Ce)以及质量比为95∶5的Sn-Te中间合金。按照实施方案将熔炼钎料用的单质材料和中间合金进行称重,分别是Sn:977.5克,Cu:6克,Zn:1克,Al:1克,Co:1克,Ni:1克,Cu-(La,Ce)中间合金:2.5克,Sn-Te中间合金:10克;然后在650℃温度下以977.5克的熔态Sn为母相,在母相熔体中依次添加1克的Co、1克的Ni、1克的Zn和1克的Al,之后保温1小时;接着将熔体冷却到450℃后依次添加2.5克的Cu-(La,Ce)和10克的Sn-Te中间合金,保温1.5小时并每间隔20分钟搅拌1分钟;最后在熔体中加入6克的Cu,然后在该温度下保温2小时,期间定期搅拌。将制备的钎料浇铸成标准试样进行性能测试。测试结果为:(1)该实施例钎料在Cu基板上的接触角为28°(测试条件:温度245℃,RMA钎剂),相对现有技术Sn-Cu钎料于Cu基板上的润湿角32°有明显降低,润湿角越低则说明钎料的工艺性能越好,钎料在电子封装组装钎焊工艺过程中越容易与基板形成冶金结合而获得良好焊点;(2)该实施例钎料与Cu基板形成的焊点光亮饱满,表面无氧化膜,无焊点坍塌现象;(3)该实施例钎料拉伸强度为45MPa,与现有技术Sn-Cu钎料拉伸强度37MPa相比有大幅度提高,钎料强度在合理范围内越大则说明电子封装组装产品中焊点强度越高,产品的服役性能越好。实施例钎料工艺性能和力学强度相对于现有技术Sn-Cu钎料均有大幅提高。
实施例3:
本实施例按照重量百分比组成如下:
(1)Sn:98.7%
(2)Cu:0.5%
(3)Zn:0.4%
(4)Al:0.05%
(5)La-Ce混合稀土:0.05%
(6)Te:0.05%
(7)Co:0.1%
(8)Ni:0.1%
(9)P:0.05%
本实施例无铅钎料的重量为1千克,制备方法如下:在真空电炉中于1200℃分别制备出质量比为60∶40的Cu-(La,Ce),质量比为95∶5的Sn-Te以及质量比为80∶20的Cu P中间合金。首先按照实施方案将熔炼钎料的单质材料和中间合金进行称重分别是Sn:977.5克,Cu:2.25克,Zn:4克,Al:0.5克,Co:1克,Ni:1克,Cu-(La,Ce)中间合金:1.25克,Sn-Te中间合金:10克,Cu-P中间合金:2.5克;然后在750℃温度下以977.5克的熔态Sn为母相,在钎料中依次添加1克的Co、1克的Ni、4克的Zn和0.5克的Al,之后保温0.5小时;接着将熔体冷却到550℃后依次添加1.25克的Cu-(La,Ce)、10克的Sn-Te和2.5克的Cu P中间合金,保温1小时并间隔20分钟隔搅拌1分钟;最后在熔体中加入2.25克的Cu,然后在该温度下保温2小时,期间定期搅拌。将制备的钎料浇铸成标准试样进行性能测试。测试结果为:(1)该实施例钎料在Cu基板上的接触角为27°(测试条件:温度245℃,RMA钎剂),相对现有技术Sn-Cu钎料于Cu基板上的润湿角32°有明显降低,润湿角越低则说明钎料的工艺性能越好,钎料在电子封装组装钎焊工艺过程中越容易与基板形成冶金结合而获得良好焊点;(2)该实施例钎料与Cu基板形成的焊点光亮饱满,表面无氧化膜,无焊点坍塌现象;(3)该实施例钎料拉伸强度为52MPa,与现有技术Sn-Cu钎料拉伸强度37MPa相比有大幅度提高,钎料强度在合理范围内越大则说明电子封装组装产品中焊点强度越高,产品的服役性能越好。实施例钎料工艺性能和力学强度相对于现有技术Sn-Cu钎料均有大幅提高。
实施例4:
本实施例按照重量百分比组成如下
(1)Sn:98.3%
(2)Cu:0.1%
(3)Zn:0.8%
(4)Al:0.04%
(5)La-Ce混合稀土:0.05%
(6)Te:0.01%
(7)Mn:0.5%
(8)Co:0.1%
(9)Ni:0.1%
本实施例无铅钎料的重量为1千克,制备方法如下:在真空电炉中于1200℃分别制备出质量比为60∶40的Cu-(La,Ce)以及质量比为95∶5的Sn-Te中间合金。按照实施方案将熔炼钎料的单质材料和中间合金进行称重,分别是Sn:981.1克,Cu:0.25克,Zn:8克,Al:0.4克,Mn:5克,Co:1克,Ni:1克,Cu-(La,Ce)中间合金:1.25克,Sn-Te中间合金:2克;然后在750℃温度下以981.1克熔态Sn为母相,在钎料中依次添加5克的Mn、1克的Co、1克的Ni、8克的Zn和0.4克的Al,之后保温1小时;接着将熔体冷却到550℃后依次添加1.25克的Cu-(La,Ce)和2克的Sn-Te中间合金,保温1小时并间隔20分钟隔搅拌1分钟;最后在熔体中加入0.25克的Cu,然后在该温度下保温2小时,期间定期搅拌。将制备的钎料浇铸成标准试样进行性能测试。测试结果为:(1)该实施例钎料在Cu基板上的接触角为30°(测试条件:温度245℃,RMA钎剂),相对现有技术Sn-Cu钎料于Cu基板上的润湿角32°有一定降低,润湿角越低则说明钎料的工艺性能越好,钎料在电子封装组装钎焊工艺过程中越容易与基板形成冶金结合而获得良好焊点;(2)该实施例钎料与Cu基板形成的焊点光亮饱满,表面无氧化膜,无焊点坍塌现象;(3)该实施例钎料拉伸强度为46MPa,与现有技术Sn-Cu钎料拉伸强度37MPa相比有大幅度提高,钎料强度在合理范围内越大则说明电子封装组装产品中焊点强度越高,产品的服役性能越好。实施例钎料工艺性能和力学强度相对于现有技术Sn-Cu钎料均有大幅提高。
实施例5:
本实施例按照重量百分比组成如下:
(1)Sn:98.5%
(2)Cu:0.9%
(3)Zn:0.3%
(4)Al:0.03%
(5)La-Ce混合稀土:0.06%
(6)Te:0.01%
(7)Ti:0.1%
(8)Mn:0.1%
本实施例无铅钎料的重量为1千克,制备方法如下:在真空电炉中于1200℃分别制备出质量比为70∶30的Cu-(La,Ce)以及质量比为95∶5的Sn-Te中间合金。首先按照实施方案将熔炼钎料的单质材料和中间合金进行称重,分别是Sn:983.1克,Cu:7.6克,Zn:3克,Al:0.3克,Ti:1克,Mn:1克,Cu-(La,Ce)中间合金:2克,Sn-Te中间合金:2克;然后在750℃温度下以983.1克熔态Sn为母相,在钎料中依次添加1克的Ti、1克的Mn、3克的Zn和0.3克的Al,之后保温1小时;接着将熔体冷却到450℃后依次添加2克的Cu-(La,Ce)和2克的Sn-Te中间合金,保温1.5小时并间隔20分钟隔搅拌1分钟;最后在熔体中加入7.6克的Cu,然后在该温度下保温2小时,期间定期搅拌。将制备的钎料浇铸成标准试样进行性能测试。测试结果为:(1)该实施例钎料在Cu基板上的接触角为28°(测试条件:温度245℃,RMA钎剂),相对现有技术Sn-Cu钎料于Cu基板上的润湿角32°有明显降低,润湿角越低则说明钎料的工艺性能越好,钎料在电子封装组装钎焊工艺过程中越容易与基板形成冶金结合而获得良好焊点;(2)该实施例钎料与Cu基板形成的焊点光亮饱满,表面无氧化膜,无焊点坍塌现象;(3)该实施例钎料拉伸强度为55MPa,与现有技术Sn-Cu钎料拉伸强度37MPa相比有大幅度提高,钎料强度在合理范围内越大则说明电子封装组装产品中焊点强度越高,产品的服役性能越好。实施例钎料工艺性能和力学强度相对于现有技术Sn-Cu钎料均有大幅提高。
实施例6:
本实施例按照重量百分比组成如下:
(1)Sn:98.4%
(2)Cu:0.5%
(3)Zn:0.5%
(4)Al:0.04%
(5)La-Ce混合稀土:0.09%
(6)Te:0.02%
(7)Mn:0.3%
(8)Ni:0.1%
(9)P:0.05%
本实施例无铅钎料的重量为1千克,制备方法如下:在真空电炉中于1200℃分别制备出质量比为70∶30的Cu-(La,Ce)、质量比为98∶2的Sn-Te以及质量比为75∶25的Cu-P中间合金。首先按照实施方案将熔炼钎料的单质材料和中间合金进行称重,分别是Sn:974.2克,Cu:1.4克,Zn:5克,Al:0.4克,Mn:3克,Ni:1克,Cu-(La,Ce)中间合金:3克,Sn-Te中间合金:10克,Cu-P中间合金:2克;然后在750℃温度下以974.2克熔态Sn为母相,在钎料中依次添加3克的Mn、1克的Ni、5克的Zn和0.4克的Al,之后保温1小时;接着将熔体冷却到550℃后依次添加3克的Cu-(La,Ce)、10克的Sn-Te和2克的CuP中间合金,保温1.5小时并每间隔20分钟均匀搅拌1分钟;最后在熔体中加入1.4克的Cu,然后在该温度下保温2小时,期间定期搅拌。将制备的钎料浇铸成标准试样进行性能测试。测试结果为:(1)该实施例钎料在Cu基板上的接触角为30°(测试条件:温度245℃,RMA钎剂),相对现有技术Sn-Cu钎料于Cu基板上的润湿角32°有一定降低,润湿角越低则说明钎料的工艺性能越好,钎料在电子封装组装钎焊工艺过程中越容易与基板形成冶金结合而获得良好焊点;(2)该实施例钎料与Cu基板形成的焊点光亮饱满,表面无氧化膜,无焊点坍塌现象;(3)该实施例钎料拉伸强度为62MPa,与现有技术Sn-Cu钎料拉伸强度37MPa相比有大幅度提高,钎料强度在合理范围内越大则说明电子封装组装产品中焊点强度越高,产品的服役性能越好。实施例钎料工艺性能和力学强度相对于现有技术Sn-Cu钎料均有大幅提高。