CN102554490A

CN102554490A - 一种抗溶铜锡铜无铅钎料合金

Info

Publication number: CN102554490A
Application number: CN2012100104143A
Authority: CN
Inventors: 张宇鹏; 易江龙; 许磊; 杨凯珍; 房卫萍; 刘风美; 刘师田; 刘正林; 罗子艺
Original assignee: Guangzhou Research Institute of Non Ferrous Metals
Current assignee: Guangdong Institute of welding technology (Guangdong Institute of China and Ukraine)
Priority date: 2012-01-13
Filing date: 2012-01-13
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2032-01-13
Also published as: CN102554490B

Abstract

一种抗溶铜锡铜无铅钎料合金。其特征是由以下重量百分比的元素组成：Cu0.1~1%、Ge或Zr0.01~0.15%、Ni0.01~0.08%、In0.01~0.7%和RE0.01~0.3%，余量为Sn。本发明的抗溶铜锡铜无铅钎料合金不含有害的金属铅，符合环保使用要求，与常规的锡铜系钎料相比，具有抗溶铜性能优良的特点，在消费类电子制造行业组装用波峰焊和手浸焊中均有良好的应用前景。

Description

一种抗溶铜锡铜无铅钎料合金

技术领域

本发明属于电子封装微焊接钎料合金，涉及一种抗溶铜的无铅钎料合金。

背景技术

近年来，欧盟和中国信息产业部先后通过ROHS指令和第39号令，对电子信息产品的污染进行控制，电子封装微焊接材料中铅的使用受到严格限制，因此无铅钎料在消费类电子产品制造中逐步被广泛使用。目前，成熟的用来替代传统锡铅焊料的是锡银铜系、锡铜系等钎料。对于消费类电子产品，由于市场竞争激烈，成本控制要求提高，厂商对成本更低廉的锡铜系无铅钎料有很强需求。

以Sn0.7Cu为代表的锡铜钎料具有共晶成分，组织细密，熔程短，力学性能好，适合应用于波峰焊、手浸焊等。但与3%Ag含量的SAC305等高银无铅钎料相比熔点高，铜溶解快，可焊性和抗氧化性不足，容易造成焊接可靠性方面的问题，尤其是锡铜钎料的抗溶铜性不足，会导致金属间化合物析出，焊点快速脆化。此外，在无铅波峰焊和手浸焊工艺中，钎料的溶铜率直接影响电子产品品质及焊接工艺稳定性，焊接中PCB板的铜覆层及元器件引线上的Cu会不断溶解到锡槽中，容量为250Kg/缸的锡炉每生产150m²的电路板，锡槽中的Cu含量会增加0.1%左右。铜含量的上升使得钎料的液相线温度提高。当Cu含量从0.7%升高到1.0%时，钎料的熔点从227℃上升到236℃，这将严重影响钎料的流动性，进而导致桥连等焊接缺陷。通过添加微量合金元素提高锡铜钎料性能的研究很多，例如中国专利ZL200810116504.4、ZL200910070508.8、ZL200810107227.0、ZL200410051200.6和ZL200810116504.4等通过添加P、Bi、Zn、K、Na、Li、Ce、P、Ga、Pr和稀土等元素提高钎料的抗氧化性、抗蠕变性能和润湿性等。可见，针对SnCu系钎料改性研究成果集中于提高钎料的抗氧化性，中国专利ZL200610035951.8发现Ni和Co元素能够抑制钎料铜溶解。总体来说，对SnCu系无铅钎料抗溶铜性改善的研究工作较少，且缺乏对钎料铜溶解抑制研究的量化试验对比数据。

发明内容

本发明的目的在于针对SnCu系钎料抑制铜溶解的不足，提供一种具有低溶铜率的锡铜无铅钎料合金。

本发明的技术方案是这样实现的：所述抗溶铜锡铜无铅钎料合金由以下重量百分比的元素组成：Cu 0.1~1%、Ge或Zr 0.01~0.15%、Ni 0.01~0.08%、In 0.01~0.7%和RE 0.01~0.3%，余量为Sn。

本发明所述抗溶铜锡铜无铅钎料合金的最佳重量百分比的元素组成为Cu 0.7%、Zr 0.045%、Ni 0.05%、In 0.01%和RE 0.02%，余量为Sn。

添加Ge元素能够提高SnCu系钎料的润湿性，这是因为Ge是表面活性元素，有助于降低熔融钎料的表面张力；且由于Ge元素的自由能低，具有“亲氧集肤效应”，能有效抑制Cu元素的快速溶解；此外Ge元素添加也能够起到细化组织的作用，进而提高焊点的力学可靠性。

添加的Zr元素在232℃可以与Sn形成ZrSn₂等金属间化合物，能够有效抑制Cu₆Sn₅等金属间化合物的生长，且Zr元素也对Cu向钎料的溶解有较强抑制作用，还能够提高钎料合金的抗腐蚀性。由于Zr、Ge两种元素均属亲氧元素且电位差异大，同时添加时会造成钎料抗氧化性能下降。

稀土元素（RE）具有高的活性，能够减小熔融钎料的表面张力，改善钎料润湿性能，同时稀土元素能够与Sn生成成分和形态复杂的金属间化合物如Ce₅Sn₄、CeSn₃、La₂Sn₃、LaSn等，进而抑制Cu₆Sn₅金属间化合物的过快生长，同时微量稀土元素添加能够明显提高钎料力学性能。

本发明通过Zr或Ge的添加改善钎料的抗铜溶解性能，改善波峰焊中引线上Cu溶入焊料池带来的工艺问题以及焊点因引线上Cu溶入出现的焊点脆化问题，从而得到一种抗溶铜的锡铜系无铅钎料合金。

本发明采用常规的熔炼方法制备无铅钎料，其中Sn和Cu元素采用金属直接添加。由于Zr和Ge元素均属于高熔点金属（Zr的熔点1857℃，Ge的熔点938℃），因此需要制成ZrSn和SnGe中间合金。本发明元素组成的合金可以采用传统方法制备成焊锡丝、焊锡条、焊锡球、焊锡粉和焊锡膏等产品。

具体实施方式

本发明的实施例、对比例及铜溶解率见表1，所有元素的含量均为重量百分比。

表1 抗溶铜锡铜无铅钎料合金实施例、对比例及铜溶解率

为证明本发明实施例在抗铜溶解方面的表现，在同样的试验条件下对实施例与对比例进行了对比。

铜溶解率的测试方法:^【1、2】采用将直径为1mm的铜丝浸入钎料池中一定时间后取出，参照下式计算浸入前后的铜丝直径变化：

V=1/2（d₀-d_f/t）

其中V为铜溶解率；t铜丝浸入钎料池的时间，d₀为铜丝原直径，d_f为浸入钎料池t时间后的直径，测试温度：260℃。计算对比结果如表1所示。

从表1中可以看出对比例1，即常规的锡铜共晶钎料的铜溶解率最高，对比例1~4的溶铜率证实了通过添加Co、Ni元素能降低锡铜钎料的铜溶解率；对比例5和6的溶铜率结果表明，常规无铅钎料SAC0307、SAC305的铜溶解率低于对比例1，但略高于添加Co、Ni元素的合金；实施例1~6的溶铜率结果表明，本发明的钎料合金通过Ge或Zr的添加明显降低了锡铜钎料的铜溶解率，特别是两种元素与Ni元素配合添加时，效果更为明显。与对比例2~4的结果对比表明，与Ni和Co的添加相比，Ge或Zr元素的添加对铜溶解的抑制作用更为明显。

本发明的抗溶铜锡铜无铅钎料合金不含有害的金属铅，符合环保使用要求，与常规的锡铜系钎料相比，具有抗溶铜性能优良的特点，在消费类电子制造行业组装用波峰焊和手浸焊中均有良好的应用前景。

尽管本发明是参照具体实施例来描述，但这种描述并不意味着对本发明构成限制。参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，对于本领域技术人员都是可以预料的，这种的变化应属于所属权利要求所限定的范围内。

参考文献：

[1] HUANG M L, LOEHER T, OSTMANN A et al, Role of Cu in dissolution kinetics of Cu metallization in molten Sn-Based solders, Applied Physics Letters, 2005,86(18):1063-1066.

[2] YEH P Y, SONG J M, LIN K L, Dissolution Behavior of Cu and Ag Substrates in Molten Solders, Journal of Electronic Materials, 2006,35(5):978-987.

Claims

1.一种抗溶铜锡铜无铅钎料合金，其特征是由以下重量百分比的元素组成：Cu 0.1~1%、Ge或Zr 0.01~0.15%、Ni 0.0 1~0.08%、In 0.01~0.7%和RE 0.01~0.3%，余量为Sn。

2.根据权利要求1所述的抗溶铜锡铜无铅钎料合金，其特征是重量百分比的元素组成为： Cu 0.7%、Zr 0.045%、Ni 0.05%、In 0.01%和RE 0.02%，余量为Sn。