CN102172805A

CN102172805A - 一种电子封装用低成本抗老化钎料及其制备方法

Info

Publication number: CN102172805A
Application number: CN2011100204185A
Authority: CN
Inventors: 孙凤莲; 刘洋
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2011-01-18
Filing date: 2011-01-18
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2031-01-18
Also published as: CN102172805B

Abstract

一种电子封装用低成本抗老化钎料及其制备方法，它涉及软钎料及其制备方法，本发明解决了现有的低含银量无铅钎料的含银量仍较高、添加元素种类多、冶金制备复杂、易产生固化裂纹及熔点较高的技术问题。本钎料由0.60％～0.79％的Ag、0.50％～0.90％的Cu、0.02％～0.20％的Ni、2.10％～4.00％的Bi和余量的Sn组成。制备方法：将锡、银、铜、镍和铋进行两次熔炼，得到钎料。本钎料熔点仅为205℃～219℃、润湿性和可焊性良好，成本比SAC305钎料降低30％～43％，该钎料的焊点强度、抗高温老化性能比SAC305和SAC0307提高。可用于电子组装、封装的手工焊、波峰焊和再流焊领域。

Description

一种电子封装用低成本抗老化钎料及其制备方法

技术领域

本发明涉及软钎料及其制备方法

背景技术

SnAgCu系钎料合金作为替代传统SnPb钎料受到广泛认可，目前较为公认并且普遍使用的包括美国推荐的Sn～3.9Ag～0.6Cu，欧盟推荐的Sn～3.8Ag～0.7Cu，以及日本推荐的Sn～3.0Ag～0.5Cu。以上钎料含银量普遍在3％以上，在无铅电子封装领域被广泛的应用，其工艺参数相对成熟。但是，较高的含银量会导致钎料内部生成较多的Ag₃Sn金属间化合物生成，钎焊接头耐冲击性能下降，更重要的是较高的银含量使钎料的成本升高；如果钎料中银含量的降低将导致其内部形成的Ag₃Sn化合物减少，钎料的硬度、强度等均有所下降，在高温服役老化条件下其可靠性有明显下降，同时含银量的降低也使其熔点、润湿性等焊接特性变差。

现有的低含银量钎料有多种，申请号为200310115384.3的中国专利公开的SnAgCu系低含银量钎料的银含量控制在2％～3％，并加入了多种稀土元素，其成本并没有得到明显降低。申请号为200810069262.8的中国专利公开的SnAgCu系低含银量钎料，除Sn、Ag、Cu主元素外加入Ni、Sb、P、Ge、Bi及In等多种元素，使钎料的抗氧化性和润湿性得到改进，但原料中元素种类多将导致熔炼过程复杂，加工成本增加。申请号为200910232754.9的中国专利公开的低含银量SnAgCuBi无铅钎料，获得了较低的熔化温度，但该钎料在应用时，由于熔化过程的固液相温度差高达50℃～60℃，固液相温度差过大，极易产生固化裂纹，同时钎料内部组织变脆，韧性下降；目前市场上销售的一种低银钎料SAC0307，其中Sn：99％、Ag：0.3％、Cu：0.7％，其成本比型号为SAC305(其Sn：96.5％、Ag：3.0％、Cu：0.5％)的含银钎料降低40％，但是SAC0307钎料的熔点在217℃～223℃，较SAC305等高银钎料熔点升高，润湿性较差，强度较低，难以满足工程需要。综上所述，目前公开的低含银量无铅钎料存在以下问题：含银量仍较高，添加元素种类多，冶金制备复杂，钎料组织易产生固化裂纹及熔点较高。

发明内容

本发明是要解决现有的低含银量无铅钎料的含银量仍较高、添加元素种类多、冶金制备复杂、易产生固化裂纹及熔点较高的技术问题，而提供一种电子封装用低成本抗老化钎料及其制备方法。

本发明的一种电子封装用低成本抗老化钎料按质量百分比由0.60％～0.79％的Ag、0.50％～0.90％的Cu、0.02％～0.20％的Ni、2.10％～4.00％的Bi和余量的Sn组成。

本发明的电子封装用低成本抗老化钎料的制备方法按以下步骤进行：一、按质量百分比为Ag：0.60％～0.79％、Cu：0.50％～0.90％、Ni：0.02％～0.20％、Bi：2.10％～4.00％和余量的Sn称取银、铜、镍、铋和锡；二、将步骤一称取的锡放入熔炼器皿中，通入氩气保护，先升温至480℃～530℃，当锡完全熔化后，将步骤一称取的银、铜、镍和铋加入到熔炼器皿中，搅拌，在温度为480℃～530℃的条件下熔炼7min～10min，然后降温至350℃～400℃保温25min～40min，停止加热并在氩气保护下冷却至室温，得到固态金属；三、将步骤二中得到的到固态金属在氩气保护下升温至480℃～530℃熔炼8min～10min，再降温至350℃～400℃保温25min～40min，冷却后得到电子封装用低成本抗老化钎料。

本发明的电子封装用低成本抗老化钎料降低钎料成本的同时获得优良的可焊性及综合力学性能，该钎料的含银量0.60％～0.79％，含银量较低，其熔点仅为205℃～219℃、润湿性良好，具有良好的可焊性。相对SAC305钎料而言，其成本可降低30％～43％，钎料的熔点和润湿性均有指标改善，钎焊接头的抗剪切强度提高38％以上，抗高温老化性能明显提高。与SAC0307钎料相比，钎料的熔点和润湿性均有明显改善，同时钎焊接头的抗剪切强度提高50％以上；该钎料与Cu、Ni焊盘连接接头的微观组织中界面化合物层较薄，抗时效老化、抗电迁移性好，其连接接头的抗剪切、冲击等综合力学性能优良。本发明的电子封装用低成本抗老化钎料降低钎料添加元素种类只有Ag、Cu、Ni、和Bi四种，制备工艺简单；同时该钎料固液相温差仅为8℃～10℃，固液相温差小，有效减少了固化裂纹的产生，改善了焊接缺陷对可靠性的影响；该钎料的主要应用于电子组装、封装的手工焊、波峰焊和再流焊领域。

附图说明

图1是具体实施方式十五中低银钎料SAC0307的差热扫描曲线图；图2是具体实施方式十五制备的电子封装用低成本抗老化钎料的差热扫描曲线图；图3是具体实施方式十五制备的电子封装用低成本抗老化钎料的微焊点通电58小时后的扫描电镜照片；图4是具体实施方式十五中SAC305钎料的微焊点通电58小时后的扫描电镜照片。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种电子封装用低成本抗老化钎料按质量百分比由0.60％～0.79％的Ag、0.50％～0.90％的Cu、0.02％～0.20％的Ni、2.10％～4.00％的Bi和余量的Sn组成。

本实施方式的电子封装用低成本抗老化钎料降低钎料成本的同时获得优良的可焊性及综合力学性能，该钎料的含银量0.60％～0.79％，含银量较低，其熔点仅为205℃～219℃、润湿性良好，具有良好的可焊性。相对SAC305钎料而言，其成本可降低30％～43％，钎料的熔点和润湿性均有指标改善，钎焊接头的抗剪切强度提高40％以上，抗高温老化性能明显提高。与SAC0307钎料相比，钎料的熔点和润湿性均有明显改善，同时钎焊接头的抗剪切强度提高50％以上；该钎料与Cu、Ni焊盘连接接头的微观组织中界面化合物层较薄，抗时效老化、抗电迁移性好，其连接接头的抗剪切、冲击等综合力学性能优良。本发明的电子封装用低成本抗老化钎料降低钎料添加元素种类只有Ag、Cu、Ni、和Bi四种，制备工艺简单；同时该钎料固液相温差仅为8℃～10℃，固液相温差小，有效减少了固化裂纹的产生，改善了焊接缺陷对可靠性的影响。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是电子封装用低成本抗老化钎料按质量百分比由0.63％～0.75％的Ag、0.60％～0.80％的Cu、0.05％～0.18％的Ni、2.30％～3.50％的Bi和余量的Sn组成。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是电子封装用低成本抗老化钎料按质量百分比由0.70％的Ag、0.70％的Cu、0.10％的Ni、2.80％的Bi和余量的Sn组成。

具体实施方式四：本实施方式的电子封装用低成本抗老化钎料的制备方法按以下步骤进行：一、按质量百分比为Ag：0.60％～0.79％、Cu：0.50％～0.90％、Ni：0.02％～0.20％、Bi：2.10％～4.00％和余量的Sn称取银、铜、镍、铋和锡；二、将步骤一称取的锡放入熔炼器皿中，通入氩气保护，先升温至480℃～530℃，当锡完全熔化后，将步骤一称取的银、铜、镍和铋加入到熔炼器皿中，搅拌，在温度为480℃～530℃的条件下熔炼7min～10min，然后降温至350℃～400℃保温25min～40min，停止加热并在氩气保护下冷却至室温，得到固态金属；三、将步骤二中得到的到固态金属在氩气保护下升温至480℃～530℃熔炼8min～10min，再降温至350℃～400℃保温25min～40min，冷却后得到电子封装用低成本抗老化钎料。

步骤二中所述的室温为5℃～33℃。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是步骤一中按质量百分比为Ag 0.65％～0.75％、Cu 0.60％～0.80％、Ni 0.05％～0.15％、Bi 2.30％～3.80％和余量的Sn称取银、铜、镍、铋和锡。其它与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四不同的是步骤一中按质量百分比为Ag 0.70％、Cu 0.70％、Ni 0.10％、Bi 3.00％和余量的Sn称取银、铜、镍、铋和锡。其它与具体实施方式四相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四至六之一不同的是步骤二中将锡放入熔炼器皿中升温至490℃～520℃使其熔化。其它与具体实施方式四至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式四至六之一不同的是步骤二中将锡放入熔炼器皿中升温至510℃使其熔化。其它与具体实施方式四至六之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式四至八之一不同的是步骤二中将银、铜、镍和铋加入到熔化的锡中后，在温度为490℃～520℃的条件下熔炼8min～9min。其它与具体实施方式四至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式四至八之一不同的是步骤二中将银、铜、镍和铋加入到熔化的锡中后，在温度为510℃的条件下熔炼8.5min。其它与具体实施方式四至八之一相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式四至十之一不同的是步骤二中将锡、银、铜、镍和铋熔炼后，降温至360℃～390℃保温28min～38min。其它与具体实施方式四至十之一相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式四至十之一不同的是步骤二中将锡、银、铜、镍和铋熔炼后，降温至380℃保温30min。其它与具体实施方式四至十之一相同。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式四至十二之一不同的是步骤三中将步骤二中得到的到固态金属在氩气保护下升温至490℃～520℃熔炼8.5min～9.5min，再降温至360℃～390℃保温28min～38min。其它与具体实施方式四至十二之一相同。

具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式四至十二之一不同的是步骤三中将步骤二中得到的到固态金属在氩气保护下升温至510℃熔炼9min，再降温至370℃保温30min。其它与具体实施方式四至十二之一相同。

具体实施方式十五：本实施方式的电子封装用低成本抗老化钎料的制备方法按以下步骤进行：一、按质量百分比为Ag：0.70％、Cu：0.60％、Ni：0.05％、Bi：3.00％和Sn：95.65％称取银、铜、镍、铋和锡；二、将步骤一称取的锡放入石英管中，通入氩气保护，利用高频感应焊机加热，先升温至500℃，当锡完全熔化后，将步骤一称取的银、铜、镍和铋加入到石英管中，电磁搅拌，在温度为500℃的条件下熔炼8min，然后降温至380℃保温25min，停止加热并在氩气保护下冷却至室温，得到固态金属；三、将步骤二中得到的到固态金属在氩气保护下升温至500℃熔炼8min，再降温至380℃保温25min，冷却后得到电子封装用低成本抗老化钎料。

将本实施方式得到的电子封装用低成本抗老化钎料与市场上现有低银钎料SAC0307同时用美国Perkin Elmer～Pyris Diamond DSC功率补偿型差示扫描量热仪测试熔点，钎料质量为5～10mg，样品通入高纯氮气作为保护气氛.预设初始温度为160℃，结束温度为260℃，升温速度为5℃/min。低银钎料SAC0307的差热扫描曲线图如图1所示，从图1中可以看出，SAC0307钎料的熔点为217℃～223℃；本实施方式得到的电子封装用低成本抗老化钎料(SACNB0706053钎料)的差热扫描曲线图如图2所示，从图2中可以看出，本实施方式得到的电子封装用低成本抗老化钎料的熔点仅为208℃～216℃，同时参照工业界SAC305钎料的熔点参数(217℃～220℃)，得出本实施方式得到的电子封装用低成本抗老化钎料的熔点与SAC0307、SAC305钎料相比明显降低。

采用GB/T11364-2008标准测试相同质量的本实施方式得到的电子封装用低成本抗老化钎料、SAC305钎料和SAC0307钎料的润湿性，利用它们在Cu基板上的铺展面积来评价其润湿性，标准试样为40×40×1mm的单面覆铜板试片，钎料试样的质量0.25g.加热设备为R340C型八温区无铅回流焊炉，峰值温度为250℃。结果为本实施方式得到的电子封装用低成本抗老化钎料的润湿铺展面积为63.61mm²，SAC305钎料的润湿铺展面积为57.82mm²，SAC0307钎料的润湿铺展面积为48.49mm²，本实施方式得到的电子封装用低成本抗老化钎料的润湿铺展面积比SAC0307提高31.2％，较高银钎料SAC305提高10.0％。

采用日本PTR-1101接合强度试验机对用本实施方式得到的电子封装用低成本抗老化钎料、SAC305钎料和SAC0307钎料制备的微焊点的剪切强度进行测试，剪切速度0.5mm/s，剪切距离1mm，定位距离175μm，小球的尺寸为700μm。各钎料形成的微焊点老化后的剪切强度如表1所示。

表1不同钎料形成的微焊点老化前后的剪切强度

从表1中可以得出本实施方式得到的电子封装用低成本抗老化钎料的剪切强度大幅提高，与高银钎料SAC305相比未经老化的焊点剪切强度提高59.74％，经49h和100h老化后的焊点分别提高38.20％和46.53％。与SAC0307钎料比，其中未经老化的焊点提高88.79％，经49h和100h老化后的焊点分别提高51.82％和69.21％。

对本实施方式得到的电子封装用低成本抗老化钎料、SAC305钎料和SAC0307钎料制备的微焊点进行高温老化测试：老化温度为160℃，老化时间100小时，老化后焊点界面金属间化合物(IMC)层厚度变化情况如表2所示，从表2中对比可以看出，本实施方式得到的SACNB0706053钎料与其余钎料相比，IMC厚度增长最少，表现出优异的抗高温老化性能。

表2老化后焊点界面金属间化合物层厚度变化情况

对本实施方式得到的电子封装用低成本抗老化钎料和SAC305以及SAC0705钎料进行抗电迁移老化测试：电迁移试验采中Cu焊盘直径为280μm，焊球直径在350～400μm之间。测试条件为温度为120℃、电流密度为1.3×10⁴A/cm²的条件下，对焊点测试电路通电的时间分别为0小时、21小时、50小时、58小时。抗电迁移老化测试的结果如表3所示，

在抗电迁移老化测试中，本实施方式得到的电子封装用低成本抗老化钎料的微焊点通电58小时后的扫描电镜照片如图3所示，SAC305钎料的微焊点通电58小时后的扫描电镜照片如图4所示，从图3和图4的比较可知，经过相同的老化时间后，本实施方式得到的电子封装用低成本抗老化钎料的微焊点的电迁移的情况与SAC305钎料的微焊点的电迁移情况相类似，两种钎料在经过通电老化后均出现两级金属间化合物(IMC)层的极化现象，表现为阴极IMC层分解减少，阳极IMC层聚集增厚，利用该极化现象评价钎料抵抗电迁移现象性能，从图3和图4中可以看出SAC305钎料和本实施方式得到的电子封装用低成本抗老化钎料抵抗电迁移现象的能力相近。

表3是对本实施方式得到的SACNB0706053钎料、SAC305钎料和SAC0307钎料制备的微焊点进行电迁移时效过程中极化效应的比较，从表3中可以看出随着电迁移时效时间的增加，焊点阴极界面化物层的厚度逐渐减小，而本实施方式制备的SACNB0706053钎料与SAC305钎料相比抗电迁移表现基本相同。在降低钎料成本的同时保证了钎料抗电迁移老化性能。

表3各钎料形成焊点在电迁移过程中的阴极IMC变化

本实施方式的电子封装用低成本抗老化钎料降低钎料成本的同时获得优良的可焊性及综合力学性能，该钎料的含银量0.70％，含银量较低，其熔点仅为208℃～216℃、润湿性良好，具有良好的可焊性。相对SAC305钎料而言，其成本可降低41.6％，钎料的熔点和润湿性均有指标改善，钎焊接头的抗剪切强度提高38.2％～46.53％，抗高温老化性能明显提高。与SAC0307钎料相比，钎料的熔点和润湿性均有明显改善，同时钎焊接头的抗剪切强度提高51.82％和69.21％；该钎料与Cu、Ni焊盘连接接头的微观组织中界面化合物层较薄，抗时效老化、抗电迁移性好，其连接接头的抗剪切、冲击等综合力学性能优良。本发明的电子封装用低成本抗老化钎料降低钎料添加元素种类只有Ag、Cu、Ni、和Bi四种，制备工艺简单；同时该钎料固液相温差仅为8℃，固液相温差小，有效减少了固化裂纹的产生，改善了焊接缺陷对可靠性的影响。

Claims

1.一种电子封装用低成本抗老化钎料，其特征在于电子封装用低成本抗老化钎料按质量百分比由0.60％～0.79％的Ag、0.50％～0.90％的Cu、0.02％～0.20％的Ni、2.10％～4.00％的Bi和余量的Sn组成。

2.根据权利要求1所述的一种电子封装用低成本抗老化钎料，其特征在于电子封装用低成本抗老化钎料按质量百分比由0.63％～0.75％的Ag、0.60％～0.80％的Cu、0.05％～0.18％的Ni、2.30％～3.50％的Bi和余量的Sn组成。

3.如权利要求1所述的一种电子封装用低成本抗老化钎料的制备方法，其特征在于电子封装用低成本抗老化钎料的制备方法按以下步骤进行：一、按质量百分比为Ag：0.60％～0.79％、Cu：0.50％～0.90％、Ni：0.02％～0.20％、Bi：2.10％～4.00％和余量的Sn称取银、铜、镍、铋和锡；二、将步骤一称取的锡放入熔炼器皿中，通入氩气保护，先升温至480℃～530℃，当锡完全熔化后，将步骤一称取的银、铜、镍和铋加入到熔炼器皿中，搅拌，在温度为480℃～530℃的条件下熔炼7min～10min，然后降温至350℃～400℃保温25min～40min，停止加热并在氩气保护下冷却至室温，得到固态金属；三、将步骤二中得到的到固态金属在氩气保护下升温至480℃～530℃熔炼8min～10min，再降温至350℃～400℃保温25min～40min，冷却后得到电子封装用低成本抗老化钎料。

4.根据权利要求3所述的一种电子封装用低成本抗老化钎料的制备方法，其特征在于步骤一中按质量百分比为Ag：0.65％～0.75％、Cu：0.60％～0.80％、Ni：0.05％～0.15％、Bi：2.30％～3.80％和余量的Sn称取银、铜、镍、铋和锡。

5.根据权利要求3或4所述的一种电子封装用低成本抗老化钎料的制备方法，其特征在于步骤二中将锡放入熔炼器皿中升温至490℃～520℃使其熔化。

6.根据权利要求3或4所述的一种电子封装用低成本抗老化钎料的制备方法，其特征在于步骤二中将银、铜、镍和铋加入到熔化的锡中后，在温度为490℃～520℃的条件下熔炼8min～9min。

7.根据权利要求3或4所述的一种电子封装用低成本抗老化钎料的制备方法，其特征在于步骤二中将银、铜、镍和铋加入到熔化的锡中后，在温度为510℃的条件下熔炼8.5min。

8.根据权利要求3或4所述的一种电子封装用低成本抗老化钎料的制备方法，其特征在于步骤二中将锡、银、铜、镍和铋熔炼后，降温至360℃～390℃保温28min～38min。

9.根据权利要求3或4所述的一种电子封装用低成本抗老化钎料的制备方法，其特征在于步骤二中将锡、银、铜、镍和铋熔炼后，降温至380℃保温30min。

10.根据权利要求3或4所述的一种电子封装用低成本抗老化钎料的制备方法，其特征在于步骤三中将步骤二中得到的到固态金属在氩气保护下升温至490℃～520℃熔炼8.5min～9.5min，再降温至360℃～390℃保温28min～38min。