CN102430873A - 一种高温电子封装用无铅钎料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

润湿性能、力学性能与抗氧化性能好，焊接强度高的一种高温电子封装用无铅钎料，以所述钎料总重量为基准含：Sb 1-12％，Cu 0.01-5％，Sn 0-15％，Ni 0.01-2％，X 0-0.1％，Bi余量；所述X为Ga、P、混合稀土中的一种或任意几种的组合。本发明适用于电子封装。

Description

一种高温电子封装用无铅钎料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高温电子封装无铅钎料及制备技术，特别适于电子和微电子封装领域的钎焊，也适用于需要填缝且紧固的钎焊领域。

背景技术

高铅钎料(Pb含量高于85wt.％)在微电子封装的高温领域中应用广泛。高铅钎料不但为酷热环境下工作的微电子元器件提供了稳固可靠的连接，也常常作为梯级钎焊时的高熔点合金用于电子元件的一级封装，高铅钎料也是大型IT设备及网络基础设施、大功率电源及开关、汽车电子、航空航天等军工及民用领域关键电子元件封装中极为重要的互连材料。可是近年来，在欧盟发布的RoHS指令引导下，各国已相继立法来限制Pb在微电子行业中的使用，由于高Pb焊料目前还无合适的替代品，故在RoHS指令中暂时得到豁免。然而，在全球范围内电子封装无铅化迅速发展的状况下，全面禁止这些含Pb钎料的使用将是业界的必然趋势。因此，研发替代高铅钎料的新型无铅钎料已成为业界的迫切需要并具有重要的现实意义。

目前对于高铅钎料无铅化的研究报道不多，潜在的替代合金有Au基，Bi基，Zn-Al基，Sn-Sb基合金等，但是这些合金都有各自的缺陷。

Au基钎料主要应用在光电子封装、高可靠性大功率电子器件气密性封装和芯片封装中，常用的Au基合金系有Au-Sn，Au-Si，Au-Ge等，但金基合金较硬、抗拉强度高、伸长率低、难以加工成线材或带材，且成本太高，限制了它的应用。

中国专利申请CN155896A提出用含Ag为2-18wt.％的BiAg合金(固相线温度大于262.5℃)来替代高铅钎料，该合金脆性大、加工性能差、与Cu和Ni基体钎焊性能较差。

Zn-Al合金，成本较低，具有价格优势，但硬度高、应力松弛能力较差，在钎焊过程中容易氧化，工艺性能和加工性能均有待提高。

美国20040241039号专利文献(至少5％Sn，0.5-7％Cu，0.05-18％Sb)和中国专利申请CN1954958A(8-20％Sb，3-7％Cu，Sn余量)分别提出用Sn-Sb-Cu三元合金作为高铅钎料的替代材料。但当Sb含量小于10％时熔点较低，且该合金存在对Cu或Ni基体焊盘熔蚀快的问题，同时该合金抗氧化能力较差，在焊接工艺中会产生大量锡渣。

发明内容

本发明的目的是为顺应国际上钎、焊料无铅化的潮流，提供一种熔点在240度以上，强度高、可焊性较好、具有较强抗氧化能力的高温电子封装无铅钎料及其制备方法；该钎料是微电子封装领域中暂时受RoHS豁免的传统高铅钎料的替代材料。

为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的一种高温电子封装用无铅钎料，其特殊之处在于以所述钎料总重量为基准含：Sb 1-12％，Cu 0.01-5％，Sn 0-15％，Ni 0.01-2％，X 0-0.1％，Bi余量；其中X指Ga、P、混合稀土中的一种或任意几种组合。

本发明高温电子封装无铅钎料的制备方法是将所述各组分混合，放入真空熔炼炉或非真空熔炼炉，在850-1100℃下保温1-2h，为保证合金组织均匀性，在出炉前充分搅拌，浇注凝固获得钎料合金。

所述的高温电子封装无铅钎料合金熔点在240-300℃之间，抗弯强度4.6-9MPa。

所述钎料被制成钎料母合金或钎料块或焊条或焊丝或焊球或焊粉或焊膏中的至少一种，可替代高铅焊料应用于电子和微电子封装领域。

本发明所述钎料在冷却或从液态转换到固态时膨胀，这也适用于需要填缝且紧固的钎焊领域。

本发明高温电子封装无铅钎料合金无毒、无污染，力学性能好，可焊性满足钎焊要求。

与现有技术相比，本发明具有如下显著效果：

1本发明新型合金的熔化温度较高并具有较好的润湿性能，熔点在240-300℃之间，可用来替代高铅钎料，用于微电子封装。

2本发明在Bi-Sb合金的基础上添加了Sn，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，提高了钎料的力学性能，改善了钎料的熔化行为和润湿能力。

4本发明在Bi-Sb合金的基础上添加了Ni，细化了界面金属间化合物形貌，增强了焊点的可靠性。

5本发明在Bi-Sb合金的基础上添加了Ga，P和混合稀土中的一种或任意几种组合，能使合金在熔融状态下具有较好的抗氧化能力和润湿能力。

6本发明合金在冷却或从液态转换到固态时膨胀，可应用于需要填缝且紧固的钎焊领域。

具体实施方式

实施例1

将原料按照如下重量百分比混合：Sb 2％，Cu 3％，Sn 0.5％，Ni1.5％，Ga、P和混合稀土0.05％，余量为Bi，放入真空熔炼炉中850-1100℃下保温1-2h，为保证合金组织均匀性，在出炉前充分搅拌，浇注凝固获得钎料合金。与对比例相比，熔点降低，铺展性能提高。

实施例2

将原料按照如下重量百分比混合：Sb 5％，Cu 2％，Sn 2％，Ni 0.05％，Ga、P和混合稀土0.01％，余量为Bi，放入真空熔炼炉中850-1100℃下保温1-2h，为保证合金组织均匀性，在出炉前充分搅拌，浇注凝固获得钎料合金。与对比例相比，熔点降低，铺展性能和力学性能均有所提高。

实施例3

将原料按照如下重量百分比配比：Sb 6％，Cu 1.5％，Sn 6％，Ni 0.2％，Ga，P和混合稀土0.08％，余量为Bi，放入真空熔炼炉中850-1100℃下保温1-2h，为保证合金组织均匀性，在出炉前充分搅拌，浇注凝固获得钎料合金。与对比例相比，熔点降低，铺展性能和力学性能均有所提高。

实施例4

将原料按照如下重量百分比混合：Sb 8％，Cu 0.15％，Sn 8％，Ni 0.5％，Ga、P和混合稀土0.05％，余量为Bi，放入真空熔炼炉中850-1100℃下保温1-2h，为保证合金组织均匀性，在出炉前充分搅拌，浇注凝固获得钎料合金。与对比例相比，熔点降低，铺展性能和力学性能均有所提高。

实施例5

将原料按照如下重量百分比混合：Sb 10％，Cu 4％，Sn 12％，Ni 1％，Ga、P和混合稀土0.02％，余量为Bi，放入真空熔炼炉中850-1100℃下保温1-2h，为保证合金组织均匀性，在出炉前充分搅拌，浇注凝固获得钎料合金。与对比例相比，熔点降低，铺展性能和力学性能均有所提高。

对比例

将原料按照如下重量百分比混合：Sb 5％，Bi 95％，放入真空熔炼炉中850-1100℃下保温1-2h，为保证合金组织均匀性，在出炉前充分搅拌，浇注凝固获得钎料合金。

达到的技术指标见表1：

表1实施例和对比例技术指标

注：以上结果均是在相同试验条件下完成的。

Claims (5)

1.一种高温电子封装用无铅钎料，其特征在于以所述钎料总重量为基准含：Sb 1-12％，Cu 0.01-5％，Sn 0-15％，Ni 0.01-2％，X 0-0.1％，Bi余量；所述X为Ga、P、混合稀土中的一种或任意几种的组合。

2.如权利要求1所述的高温电子封装用无铅钎料，其特征在于所述钎料熔点为240-300℃，抗弯强度4.6-9MPa。

3.如权利要求1或2所述的一种高温电子封装用无铅钎料的制备方法，其特征在于：将所述各组分混合，放入真空熔炼炉或非真空熔炼炉，在850-1100℃下保温1-2h，并在出炉前充分搅拌，浇注凝固获得钎料合金。

4.如权利要求3所述的一种高温电子封装用无铅钎料的制备方法，其特征在于将所述钎料制成钎料母合金、钎料块、钎料条、焊丝、焊球、焊粉或焊膏中的至少一种。

5.如权利要求1或2所述的高温电子封装用无铅钎料的应用，其特征在于所述钎料在冷却或从液态转换到固态时膨胀，可应用于需要填缝且紧固的钎焊领域。