CN102500948A

CN102500948A - 无铅高温软钎料及其制备方法

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Publication number: CN102500948A
Application number: CN2011103461307A
Authority: CN
Inventors: 顾小龙; 杨倡进; 金霞
Original assignee: Zhejiang Asia General Soldering & Brazing Material Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Asia General Soldering & Brazing Material Co Ltd
Priority date: 2011-11-04
Filing date: 2011-11-04
Publication date: 2012-06-20

Abstract

无毒、无污染，能替代环保性差的高铅钎料及价格昂贵的Au基钎料，各项性能满足电子封装需要的一种无铅高温软钎料，以所述钎料总重量为基准，由以下含量的组分构成：Sb 5～10％，Cu 5.1～8％，In 0.001～0.1％，Ni0.01～0.5％，X 0.02～1％，Sn余量；所述X为Ga和/或混合稀土。本钎料的制备是将所述各组分混合，放入熔炼炉，加热至850～900℃，在此温度下保温1～2h，使之完全熔化，出炉前充分搅拌，浇注凝固后获得钎料。本发明适用于电子封装。

Description

无铅高温软钎料及其制备方法

技术领域

本发明涉及的是一种无铅高温软钎料及其制备方法，属于钎焊技术领域。

背景技术

高Pb钎料(Pb含量＞85wt.％)在微电子封装的高温领域中广泛应用。但随着人们环保意识的提高和对自身健康的日益关注，各国已相继立法来限制Pb在微电子行业中的使用。目前全球范围内替代含Pb钎料的低、中温无铅钎料已基本成熟，并进入大规模产业化应用阶段。然而对于高温应用领域的高Pb钎料，目前还没有合适的无铅替代品，因而在欧盟“RoHS”指令中这种高Pb钎料仍处于豁免状态。虽然高铅钎料暂时获得豁免，但出于环境安全、绿色技术壁垒等多方面因素，电子组装系统整体无铅化是封装进程的必然发展趋势。目前对高Pb钎料无铅化的研究非常少，文献和专利中所报道的主要有80Au-Sn、Bi基合金、Zn-Al基合金和Sn-Pb基合金，但是这些合金都有着各自明显的缺陷。

1)80Au-Sn：钎料成本太高，共晶成分附近的液相线较陡，容易由于Sn与钎料下面的金属阻挡层反应而导致共晶成分偏离，进而导致熔点升高而使得钎料过早凝固。

2)Bi基合金：被认为是取代传统富Pb钎料的高温无铅候选钎料。然而，该合金性能较差，如脆性大，加工性差和与基体结合强度弱，故对于实际应用问题较多。

3)Zn-Al合金：总体上Zn基合金延展性不够，加工性能差，难以加工成线状或带状，应力松弛能力较差，且容易氧化而导致润湿性不佳，这些性质很大程度上限制了该合金的应用。

4)Sn-Sb合金：存在脆性大、加工性差、与基体结合强度弱、固液相线区间较宽以及在Cu和Ni基体上的润湿性差等一系列问题。

美国20040241039号专利文献(至少75％Sn，0.5～7％Cu，0.05～18％Sb)和中国专利申请CN1954958A(Sb8～20％，Cu3～7％，其余为Sn)分别提出了用Sn、Sb、Cu三元合金作为高温无铅软钎料。但是该合金依然存在对Cu或Ni基体焊盘的熔蚀快的问题；而且该系列合金的抗氧化性能较差，在高温焊接过程中会产生大量的锡渣。

发明内容

本发明的目的是为顺应国际钎焊领域无铅化潮流，提供一种熔点不低于250℃，材料成本低，加工性能佳，且在焊接过程中能有效阻止Cu或Ni焊盘在钎料中的熔蚀的无铅高温软钎料及这种软钎料的制备方法；该钎料能作为封装领域中传统的高Pb钎料的无铅替代产品。

为了实现上述目的，本发明无铅高温软钎料采用的技术方案其特殊之处是以所述钎料总重量为基准，由以下含量的组分构成：

Sb：5～10％

Cu：5.1～8％

In：0.001～0.1％

Ni：0.01～0.5％

X：0.02％～1％

Sn：余量

其中：X为Ga或Ga和混合稀土的组合。

本发明的技术原理在于：

在钎料中添加一定含量的Cu可以显著降低钎料对铜的溶蚀程度，减少对Cu或Ni基体的溶解；

添加In可显著降低钎料对铜的溶蚀程度，并能提高钎料的润湿性和塑性。In的含量小于0.001％时，其作用不明显，但含量大于0.1％时，钎料对铜溶蚀程度降低的变化不大，并且In为贵金属，含量过高将导致成本的大幅度增加；

添加适量Ni元素能显著提高钎料的塑性。另外Ni的加入可以进一步有效减少焊盘的溶解，因为Ni能取代一部分Cu原子参与与Sn的界面反应，形成(Cu，Ni)₆Sn₅结构的金属间化合物，同时Ni的加入也能减少焊接过程中的焊点的桥连。Ni含量小于0.01％时，其作用不明显，但含量大于0.5％时，钎料的强度和和润湿性会降低。

Ga和/或混合稀土的添加可以提高钎料的抗氧化能力和润湿性能，并有利于细化焊点晶粒，提高钎料的力学性能。Ga和/或混合稀土含量小于0.02％时，其作用不明显，但含量(混合稀土)大于1.0％时，混合稀土易偏聚于晶界，导致合金力学性能较差。

本发明所述无铅高温软钎料的制备方法，其特殊之处是将所述含量的组分混合，置于真空熔炼炉或非真空熔炼炉中，加热至850～900℃，并在此条件下保温1～2h，使之均匀熔化，并在出炉前充分搅拌，浇注凝固后获得钎料。所述的钎料熔点在236～274℃之间，抗拉强度70～90MPa。

可以将所述钎料制成为钎料母合金，可采用常规方法制成各种钎料产品，包括钎料块、焊棒、焊丝、焊球、焊环、焊箔、焊粉或焊膏。

与现有技术相比，本发明具有如下显著效果：

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236～274℃之间，可以替代电子封装中的高铅钎料，用于一级封装中；

2、本发明在Sn-Pb合金的基础上添加了Cu、In、Ni，有效地改善了钎料的熔化行为、塑性及润湿性能。

3、本发明在合金中添加了微量元素Ga和/或混合稀土后，能使合金在熔融状态下具有较好的抗氧化能力和力学性能。

具体实施方式

根据总的发明思路，本发明的无铅高温软钎料以该钎料总重为基准，其组分及其含量(wt％)，由以下实施例具体说明。

一、实施例1的组分及其含量：

Sb 5.05％，Cu 5.22％，In 0.002％，Ni 0.009％，X 0.022％，Sn余量，其中X为混合稀土。

二、实施例2的组分及其含量：

Sb 6.44％，Cu 6.53％，In 0.058％，Ni 0.0.12％，Ga 0.34％，Sn余量。

三、实施例3的组分及其含量：

Sb 8.92％，Cu 7.57％，In 0.074％，Ni 0.29％，X 0.51％，S余量，其中X为混合稀土。

四、实施例4的组分及其含量：

Sb 9.98％，Cu 8.01％，In 0.097％，Ni 0.46％，X 0.99％，Sn余量，其中X为混合稀土。

下面说明该钎料合金的制备方法。

以实施例1为例子，其他实施例方法相同。

首先将49.5Kg的Sn和0.5Kg的In放入氧化铝坩锅，置入真空熔炼炉熔炼，熔炼温度400℃，保温1小时，充分搅拌后冷却、出炉，制成含1％In的中间合金。稀土、Ga、Ni均依照此方法配成中间合金使用。

按比例称量各中间合金和其它成分，放入真空熔炼炉或非真空熔炼炉加热至850～900℃，并保温1～2h，使之均匀熔化，并在出炉前充分搅拌，浇注凝固后获得钎料母合金。

可将所得钎料母合金用常规方法进一步加工成焊棒、焊丝、焊球、焊环、焊箔、焊粉或焊膏。

对比例：为便于对比实验结果，本发明实验中的各项焊接性能还与传统的高铅钎料95PbSn的一些性能进行了比对。

通过DSC测定，得出合金的熔点范围。通过可焊性测试仪得到340℃条件下的润湿力F_max。将直径为0.15mm的Cu丝浸入熔融的钎料中，通过测量浸焊不同时间下的该Cu丝的直径来考察合金对Cu基体的溶蚀率。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下优越性：

本发明无铅高温软钎料无毒、无污染，符合RoHS指令的要求，能够替代目前广泛应用的高铅钎料或价格昂贵的Au基钎料，各项焊接性能指标满足当前电子封装需要。

本发明相关指标测试结果由表1所示。

表1本发明实施例和对比例钎料相关指标测试结果

说明：在Cu丝熔解实验中Cu丝的原始直径为0.15mm。浸焊过程中使用的助焊剂为自制的水溶性助焊剂，所有的实验条件一致。

Claims

1.一种无铅高温软钎料，其特征在于以所述钎料总重量为基准，由以下含量的组分构成：Sb 5～10％，Cu 5.1～8％，In 0.001～0.1％，Ni 0.01～0.5％，X0.02～1％，Sn余量；所述X为Ga和/或混合稀土。

2.如权利要求1所述的无铅高温软钎料，其特征在于所述钎料熔点为236～274℃，抗拉强度70～90MPa。

3.一种如权利要求1所述的无铅高温软钎料的制备方法，其特征在于：将所述各组分混合，放入熔炼炉，加热至850～900℃，并在此条件下保温1～2h，使之完全熔化，并在出炉前充分搅拌，浇注凝固后获得钎料。

4.如权利要求3所述的无铅高温软钎料的制备方法，其特征其特征在于所述获得的钎料为钎料母合金，将该钎料母合金制成钎料块、焊丝、焊球、焊环、焊箔、焊粉、焊膏中至少一种。

5.如权利要求3或4所述的无铅高温软钎料的制备方法，其特征在于所述熔炼炉为真空熔炼炉或非真空熔炼炉。