CN102554491A

CN102554491A - 一种Zn基高温无铅软钎料及其制备方法

Info

Publication number: CN102554491A
Application number: CN2011104181430A
Authority: CN
Inventors: 闫焉服; 陈新芳; 赵快乐; 王喜然; 陈艳芳; 朱锦洪
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2011-12-14
Filing date: 2011-12-14
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2031-12-14
Also published as: CN102554491B

Abstract

本发明属于电子封装与组装等钎焊焊料技术领域，具体公开了一种Zn基高温无铅软钎料及其制备方法。该Zn基高温无铅软钎料由以下重量百分含量的成分组成：2-30％的铝，1-20％的锡，0.1-8％的铜，0.01-3.0％的钛，0.1-1.0％的锰和/或0.1-1.0％的镧铈稀土，余量的锌。本发明提供的Zn基高温无铅软钎料的熔点在250℃-450℃之间，具有润湿铺展性好，抗拉强度高的优点，力学性能优于相应的高铅钎料，铺展性能满足钎焊使用要求，能够替代目前广泛应用的高铅钎料，满足高温电子封装与组装等钎焊需要。

Description

一种Zn基高温无铅软钎料及其制备方法

技术领域

本发明涉及电子封装与组装等钎焊技术领域，具体涉及一种Zn基高温无铅软钎料及其制备方法。

背景技术

目前高温钎料主要沿用传统的铅基钎料和金基钎料。铅基钎料合金是铅与锡、金、银、锑等金属形成的共晶合金，其熔点在250-360℃。铅基钎料比较软，可吸收由于芯片与基板之间的热膨胀不匹配而引起的应变，但强度较低。若铅基钎料钎焊接头经受多次热循环，就会在钎料晶界处产生应变积累，产生微裂纹，最终引起疲劳破坏，所以铅基钎料不能用在连接强度要求高的场合。金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。金基钎料通常采用Au-20Sn、Au-30Si和Au-26Ge的共晶体系作钎料，但由于Au-Sn会形成AuSn₄金属间化合物，该化合物很脆，严重影响了金基钎料服役的可靠性，同时金基钎料的成本也太高。欧洲专利EP1705258A2提出了一种含Ag为2％-18wt％、Bi为98-82wt％，并含有0.1-5.0wt％的微量元素Au、Cu、yt、Sb、Zn、Sn、Ni和Ge的Bi-Ag-X合金钎料来替代高铅钎料，该Bi-Ag-X合金钎料熔点合适，固相线温度大于262.5℃，但该合金钎料存在脆性大、加工性差、与基体结合强度弱、固液相区间较宽以及在Cu和Ni基体上润湿性差等一系列问题。中国专利CN1221216A提出了一种含Sb为5-15％的Sn-Sb二元合金钎料用来涂覆引线框架，以保证能承受随后较高温度的密封工艺，但该Sn-Sb二元合金钎料当Sb含量较低例如小于10％时，Sn-Sb二元合金钎料的熔点相对较低，对于需要承受高温封装工艺焊点的可靠性不利，且该合金钎料存在对Cu或Ni基体焊盘溶蚀快的问题。美国专利20040241039提出了一种钎料，含至少5％的Sn，0.5-7％的Cu，0.05-18％的Sb，中国专利CN1954958A也提出了一种钎料，含8-20％的Sb，3-7％的Cu，其余为5％的Sn，虽然这两项专利申请都提出用SnSbCu的三元合金作为高温无铅软钎料，但该系列合金抗氧化能力较差，在高温焊接过程中会产生大量的锡渣，且该合金依然存在对Cu或Ni基体焊盘溶蚀快的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Zn基高温无铅软钎料。

本发明的目的还在于提供一种Zn基高温无铅软钎料的制备方法。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种Zn基高温无铅软钎料，由以下重量百分含量的成分组成：2-30％的铝，1-20％的锡，0.1-8％的铜，0.01-3.0％的钛，0.1-1.0％的锰和/或0.1-1.0％的镧铈稀土，余量的锌。

Zn基高温无铅软钎料的制备方法为：称取原料铝、锡、铜、钛、锰和/或镧铈稀土、锌，先将原料锰和/或镧铈稀土、钛和铜采用真空熔炼方法制成中间合金，将制得的中间合金与原料铝、锡、锌混合，在真空感应炉中熔炼，真空感应炉的真空度不大于10-1Pa，熔炼时间为40-100分钟，熔炼过程中每隔10-30分钟搅拌一次，熔炼结束后冷却，制得Zn基高温无铅软钎料，该Zn基高温无铅软钎料由以下重量百分含量的成分组成：2-30％的铝，1-20％的锡，0.1-8％的铜，0.01-3.0％的钛，0.1-1.0％的锰和/或0.1-1.0％的镧铈稀土，余量的锌。

本发明提供的Zn基高温无铅软钎料中的锡可以降低钎料合金的熔点，有效改善钎料合金的润湿性；含有的铜、钛、锰和/或镧铈稀土可以细化钎料合金的组织结构，提高钎料的力学性能，使钎料合金的力学强度明显提高，改善了焊点的可靠性。本发明提供的Zn基高温无铅软钎料的熔点在250℃-450℃之间，具有润湿铺展性好，抗拉强度高的优点，力学性能优于相应的高铅钎料，铺展性能满足钎焊使用要求，能够替代目前广泛应用的高铅钎料，满足高温电子封装与组装等钎焊需要。此外，本发明提供的Zn基高温无铅软钎料还具有无毒、无污染的优点。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例1

本实施例提供的Zn基高温无铅软钎料由以下重量百分含量的成分组成：2％的铝，1％的锡，6％的铜，1％的钛，1.0％的锰、0.1％的镧铈稀土，余量的锌。

本实施例提供的Zn基高温无铅软钎料的制备方法为：用电子天平称量44.45g锌、1g铝、0.5g锡、3g铜、0.5g锰，0.5g钛和0.05g镧铈稀土，为了减少镧铈稀土烧损，先将其中的锰、镧铈稀土、钛、铜混合，采用真空熔炼方法制成中间合金，将制得的中间合金再与铝、锡、锌混合，一起放入工业用真空感应炉中熔炼，真空感应炉的真空度为5×10^-2Pa，电流为480A，电压为20V，熔炼时间为40分钟，熔炼过程中每隔30分钟通过移动电极搅拌一次熔融的合金，熔炼结束后冷却，取出，制得Zn基高温无铅软钎料。

实施例2

本实施例提供的Zn基高温无铅软钎料由以下重量百分含量的成分组成：4％的铝，20％的锡，8％的铜，0.5％的钛，0.3％的镧铈稀土，余量的锌。

本实施例提供的Zn基高温无铅软钎料的制备方法为：用电子天平称量33.6g锌、2g铝、10g锡、4g铜、0.25g钛和0.15g镧铈稀土，为了减少镧铈稀土烧损，先将其中的镧铈稀土、钛、铜混合，采用真空熔炼方法制成中间合金，将制得的中间合金再与铝、锡、锌混合，一起放入工业用真空感应炉中熔炼，真空感应炉的真空度为1×10^-2Pa，电流为480A，电压为20V，熔炼时间为90分钟，熔炼过程中每隔20分钟通过移动电极搅拌一次熔融的合金，熔炼结束后冷却，取出，制得Zn基高温无铅软钎料。

实施例3

本实施例提供的Zn基高温无铅软钎料由以下重量百分含量的成分组成：15％的铝，5％的锡，6％的铜，0.01％的钛，0.5％的锰，余量的锌。

本实施例提供的Zn基高温无铅软钎料的制备方法为：用电子天平称量36.745g锌、7.5g铝、2.5g锡、3g铜、0.25g锰，0.005g钛，将称好的锌、铝、锡、铜、锰和钛一起放入工业用真空感应炉中熔炼，真空感应炉的真空度为5×10^-3Pa，电流为480A，电压为20V，熔炼时间为90分钟，熔炼过程中每隔10分钟通过移动电极搅拌一次熔融的合金，熔炼结束后冷却，取出，制得Zn基高温无铅软钎料。

实施例4

本实施例提供的Zn基高温无铅软钎料由以下重量百分含量的成分组成：30％的铝，10％的锡，0.1％的铜，3％的钛，0.1％的锰、1％的镧铈稀土，余量的锌。

本实施例提供的Zn基高温无铅软钎料的制备方法为：用电子天平称量27.9g锌、15g铝、5g锡、0.05g铜、0.05g锰，1.5g钛和0.5g镧铈稀土，为了减少镧铈稀土烧损，先将其中的锰、镧铈稀土、钛、铜混合，采用真空熔炼方法制成中间合金，将制得的中间合金再与铝、锡、锌混合，一起放入工业用真空感应炉中熔炼，真空感应炉的真空度为8×10^-3Pa，电流为480A，电压为20V，熔炼时间为100分钟，熔炼过程中每隔30分钟通过移动电极搅拌一次熔融的合金，熔炼结束后冷却，取出，制得Zn基高温无铅软钎料。

对比例

本对比例提供的Zn基钎料由以下重量百分含量的成分组成：4％的铝，3％的铜，余量的锌。

本对比例提供的Zn基钎料的制备方法为：用电子天平称量46.5g锌、2g铝及1.5g铜，混合均匀后放入工业用真空感应炉中熔炼，真空感应炉的真空度为5×10^-2Pa，电流为480A，电压为20V，熔炼时间为90分钟，熔炼过程中每隔30分钟通过移动电极搅拌一次熔融的合金，熔炼结束后冷却，取出，制得Zn基钎料。

对实施例1-4以及对比例提供的各钎料进行了有关性能测试，得到的各技术指标数据见表1所示。

表1各实施例及对比例提供的钎料的技术指标

序号	熔点(℃)	铺展面积(mm²)	抗拉强度(MPa)
				对比例	381.1-402.9	61.8	194.6
实施例1	379.0-400.2	66.1	232.9
				实施例2	352.1-384.8	98.3	201.1
实施例3	370.9-388.9	82.0	208.9
				实施例4	302.2-323.5	84.5	198.5

通过表1可以看出，与对比例提供的钎料合金相比，实施例1-4提供的钎料合金的铺展面积和抗拉强度均有提高。实施例1提供的钎料合金的熔化温度稍稍降低，铺展面积提高约7％，钎料合金力学性能明显改善，钎料合金抗拉强度较对比例钎料提高了近20％。实施例2提供的钎料合金的固相线和液相线温度分别下降129℃和117.4℃，铺展面积提高了59％，钎料合金力学性能稍稍提高。实施例3提供的钎料合金的熔化温度稍稍下降，铺展面积提高了16.5％，钎料合金抗拉强度提高7.3％。实施例4提供的钎料合金的熔点下降明显，铺展面积提高近37％，钎料合金抗拉强度也有所提高。

Claims

1.一种Zn基高温无铅软钎料，其特征在于，该Zn基高温无铅软钎料由以下重量百分含量的成分组成：2-30％的铝，1-20％的锡，0.1-8％的铜，0.01-3.0％的钛，0.1-1.0％的锰和/或0.1-1.0％的镧铈稀土，余量的锌。

2.一种权利要求1所述的Zn基高温无铅软钎料的制备方法，其特征在于，称取原料铝、锡、铜、钛、锰和/或镧铈稀土、锌，先将原料锰和/或镧铈稀土、钛和铜采用真空熔炼方法制成中间合金，将制得的中间合金与原料铝、锡、锌混合，在真空感应炉中熔炼，真空感应炉的真空度不大于10^-1Pa，熔炼时间为40-100分钟，熔炼过程中每隔10-30分钟搅拌一次，熔炼结束后冷却，制得Zn基高温无铅软钎料，该Zn基高温无铅软钎料由以下重量百分含量的成分组成：2-30％的铝，1-20％的锡，0.1-8％的铜，0.01-3.0％的钛，0.1-1.0％的锰和/或0.1-1.0％的镧铈稀土，余量的锌。