CN102091882A

CN102091882A - 一种锡银铜钴无铅钎料

Info

Publication number: CN102091882A
Application number: CN 201110005347
Authority: CN
Inventors: 郭福; 马立民; 徐广臣; 史耀武; 夏志东; 雷永平
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2011-01-12
Filing date: 2011-01-12
Publication date: 2011-06-15

Abstract

本发明公开了一种锡银铜钴无铅钎料，属于新材料和材料的新用途领域。Co元素质量分数为：0.05～1.0％，余量为Sn3.0Ag0.5Cu。利用钴元素的添加有效的抑制钎料接头内部和界面处金属间化合物的生长，提高接头显微组织在温度和电流密度下的稳定性，抑制“极化现象”和空洞的产生。一种能够同时提高焊点力学性能，并能够在通电情况下抑制焊点物质迁移现象的锡银铜钴无铅钎料，适用于电子产品的焊点链接材料，特别是表面封装中使用的无铅钎料。

Description

一种锡银铜钴无铅钎料

技术领域

本发明涉及一种锡银铜钴无铅钎料，尤其涉及一种能够同时提高焊点力学性能，并能够在通电情况下抑制焊点物质迁移现象的锡银铜钴无铅钎料，属于新材料和材料的新用途领域，适用于电子产品的焊点链接材料，特别是表面封装中使用的无铅钎料合金。

背景技术

无铅钎料应具有良好物理性能、热匹配能力、力学性能、以及环境协调性等。目前，SnAgCu(SAC)共晶或近共晶合金已经成为Sn-Pb钎料的替代品之一。其中以欧盟推荐的Sn-3.8Ag-0.7Cu(wt.％)、日本JEITA推荐的Sn-3.0Ag-0.5Cu、及美国NEMI推荐的Sn-3.9Ag-0.5钎料为主。但所有这些钎料服役过程中的显微组织和相关力学性能的稳定性还有待提高。此外，随着微电子链接技术的发展，单个焊点正在承受越来越大的电流密度。当电流密度足够高的时候，大量电子与原子之间或者说是与金属阳离子之间的动量转化，亦或是由于大量电子在负极处对金属阳离子的吸引作用，引发了焊点内部的物质迁移。物质在正极处积累，负极处脱离，最终导致了焊点的失效。这也就是人们经常所说的焊点电迁移现象(electromigration)。尽管人们对单相合金电迁移现象的产生机理和单相材料通电使用寿命的评价研究开展较早，建立了经典模型并提出了抑制方法。但是，对于多相合金(尤其是广泛应用于电子封装产品种的锡银铜钎料焊点)电迁移现象所引发的电子链接失效问题直到近年才得到广泛的关注。并且，为了抑制或减缓这种这因电场作用导致的链接失效问题，多数研究机构和专利只针对焊点结构本身进行了优化。尚没有针对钎料本身提出的解决办法。

试验数据显示随通电时间的延长正极处金属间化合物(IMC)层厚度不断增加，负极处IMC厚度增长缓慢。这种正、负极界面处IMC层厚度的差异称为界面处金属间化合物的极化现象。在通电一段时间后裂纹在负极处贯穿焊点，造成断路失效。上述两种现象成为了SnAgCu系钎料合金的主要电迁移行为。众所周知，焊点界面处IMC层的稳定性对接头的可靠性链接起着至关重要的作用。此外，电子产品的服役条件往往伴随着一定温度和电流密度。因此，本发明通过提高和改善界面层在服役条件下的稳定性，提高焊点力学可靠性并同时抑制焊点材料在通电情况下的迁移。特点在于：以Sn3.0Ag0.5Cu钎料合金为基体，利用引入第四元素的方法，提出了具体一种元素和配比。使得锡银铜钴钎料接头同时提高力学可靠性和抗电迁移能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可同时提高接头力学性能和抗电迁移能力的锡银铜钴无铅钎料。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案：一种锡银铜钴无铅钎料，Co元素质量分数为：0.05～1.0％，余量为Sn3.0Ag0.5Cu(质量百分比)。

本发明一种锡银铜钴钎料的制备方法有如下两种。制备方法一为向锡银铜焊膏Sn3.0Ag0.5Cu中加入0.05～1.0wt.％的钴颗粒，形成新的复合钎料焊膏；制备方法二为向熔融的锡中按比例加入银，铜，钴颗粒，熔炼成为锡银铜钴四元合金钎料片。

本发明技术方案的原理在于利用钴元素的添加有效的抑制钎料接头内部和界面处金属间化合物的生长，提高接头显微组织在温度和电流密度下的稳定性，抑制“极化现象”和空洞的产生。即利用宏观方法控制微观显微结构，达到提高钎料性能的目的。该发明具有以下优点。首先，微量钴元素的添加不会改变Sn3.0Ag0.5Cu钎料原有的润湿性和融化特征。保证了现有封装工艺条件下该钎料的使用。其次，在不改变锡银铜三元合金钎料熔点的前提下，通过过冷度的变化调整凝固相的凝固顺序和尺寸。最后，钴与锡银铜钎料结合良好。既可以与锡形成金属间化合物，也可以与铜形成固溶体。提升了电子产品在高温、高电流密度工作条件下焊点的可靠性。

附图说明

图1：锡银铜钎料接头(基板为铜)通电1天后显微组织图片。

图2：锡银铜钴(钴的质量分数为0.2％)钎料接头通电3天后显微组织图片。

图3：利用含有不同质量分数的钴的复合钎料制备的钎料接头的剪切强度。

图4：利用含有不同质量分数的钴的钎料合金制备的钎料接头的剪切强度。

具体实施方式

实施例1：无铅复合钎料和钎料合金元素组成的质量百分含量如下：Co：0.05～1.00％，Sn3.0Ag0.5Cu为余量。

表1为一些选定成份的上述复合钎料和钎料片的熔点和凝固点。其中，锡银铜为Sn3.0Ag0.5Cu，钴的质量在锡银铜钴钎料中的质量分数为：0.1～1.0％。当应用此锡银铜钴钎料钎焊链接2个铜基板时，可在温度范围：25～150℃，电流密度范围：0～10⁴A/cm²内提高焊点的力学性能和抗电迁移能力。实验显示，锡银铜钎焊接头(基板为铜)在环境温度150℃，电流密度10⁴A/cm²条件下，通电1天后负极界面处(如图1)形成了两层金属间化合物层，而正极界面处只有Cu₆Sn₅形成。此外，负极处靠近Cu基板一侧的IMC层的形状呈波浪形。这与以往文献和专利公开的扇贝状IMC层的形貌有所不同。此外，明显的极化现象出现在正、负极两侧的界面处，空洞出现在负极边界处。图2为在锡银铜钎料中添加质量分数为0.2％的钴后，其钎焊接头在相同试验条件下3天后，接头的显微组织照片。可以看到极化现象尚未发生，负极处也没有空洞的产生。

表1不同钎料的熔点和凝固点

图1和2为锡银铜和上述含有钴质量分数为0.2％的钎料接头在环境温度为150℃，电流密度为10⁴A/cm²条件下分别通电1天和3天后的显微组织片。可以明显的观察到，锡银铜钎料通电1天后在正、负极处可观察到明显的极化现象，负极处伴有空洞的产生。而相同条件下，加入质量分数为0.2％钴后，即使通电3天也未出现上述现象，很好的缓解了电迁移现象。

图3和4为利用含有质量分数为0.2％和1.0％钴元素的复合钎料和钎料合金制备的接头的剪切强度对比图。在锡银铜钎料中引入钴元素后，无论是制成复合钎料还是钎料合金，其制备钎料接头(基板为铜)在150℃条件下保温不同时间后，剪切强度相比于不含有钴的钎料接头有不同程度的提高。

Claims

1.一种锡银铜钴无铅钎料，其特征在于，Co元素质量分数为：0.05～1.0％，余量为Sn3.0Ag0.5Cu。