CN103056543A

CN103056543A - 一种含Yb、Al、B的纳米无铅钎料

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Publication number: CN103056543A
Application number: CN2013100202615A
Authority: CN
Inventors: 张亮; 韩继光; 郭永环; 何成文
Original assignee: Jiangsu Normal University
Current assignee: Jiangsu Normal University
Priority date: 2013-01-18
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2033-01-18
Also published as: CN103056543B

Abstract

本发明公开了一种含Yb、Al、B的纳米无铅钎料，属于微电子组装用无铅钎料领域。其Ag含量为0.5～4.5%，Cu含量为0.2～1.5%，Yb含量为0.01～0.5%,Al含量为0.01～0.5%,B含量为0.01～0.5%，其余为Sn。制备方法：使用市售的Sn锭、Sn-Cu中间合金、Sn-Ag中间合金、Sn-Yb中间合金、Sn-Al中间合金、Sn-B中间合金，按照要求配比，采用高能超声搅拌的制造工艺冶炼无铅钎料，为防止元素的烧损在惰性气体保护气氛中冶炼、浇铸成棒材，将棒材制成电极，采用自耗电极直流电弧法制备纳米无铅钎料颗粒。优点是该钎料润湿性、力学性能较好，满足电子工业的需求。

Description

一种含Yb、Al、B的纳米无铅钎料

技术领域

本发明公开了一种含Yb、Al、B的纳米无铅钎料，属高密度电子器件钎料领域，是一种具有润湿性、力学性能优良的新型无铅钎料。

背景技术

随着电子工业的迅速发展，人们对环境的环保性要求也越来越高。传统的SnPb钎料因为Pb的毒性已经无法满足电子工业的发展需求，因此业界寻求无铅钎料来替代传统的SnPb，在诸多的无铅钎料中，SnAgCu以润湿性较好、力学性能较高等优点被推荐为替代SnPb的最佳选择。和SnPb相比，SnAgCu仍有自身的缺点，例如熔化温度明显高于SnPb钎料，润湿性也明显低于SnPb钎料。为了克服SnAgCu的缺点，业界诸多研究者纷纷提出了自身的改进方法。例如改进设备的再流焊工艺曲线，提升温度峰值，从而满足SnAgCu的高熔点要求。但是由于整体工艺温度的提升，电路板以及电子器件的封装塑料温度较低，导致在焊接工艺中电子器件的工艺失效。因此寻求和SnPb较为接近的无铅钎料成为电子工艺的发展需求。

同时，伴随着电子工业的进步，电子元器件的焊点密度也以数以千计的方式出现，工业对钎料的使用方式也发生了显著的变化，在表面组装技术中，无铅钎料以焊膏的形式成为连接电子器件的重要材料，由于承受着整体再流焊加热，电子器件和电路板的熔化温度较低，急需降低焊膏的熔点，另外，因为高密度器件的高可靠性需求，焊膏需要具有高的抗疲劳特性。同时无铅焊膏是由无铅钎料混合钎剂制备而成，因此需要提升无铅钎料的性能来满足表面组装技术的发展。

为了改善SnAgCu钎料的性能，国内外公开的专利均是从添加微量的合金元素或者颗粒的方式，提高无铅钎料的润湿性、力学性能等。目前主要添加的合金元素有Ce、Pr、Nd、Mn、、Fe、Ti、Co、Zn、Sb、Bi等，加入的颗粒有纳米Ag颗粒、微米Cu₆Sn₅颗粒、纳米POSS颗粒等。但是诸多的研究结果中降低钎料熔点的合金元素以Bi元素较为显著，其他元素和颗粒以提高力学性能方面较为突出，对钎料的熔化温度贡献较小。代表性的专利有Sn-(0.05～3%)Ag-(0.5～6)Cu-(0.1～3)Bi(美国专利：US4879096),Sn-(2.0～4.0%)Ag-(0.5～1.5%)Cu-(1.0～10%)Bi-(0.05～1.5%)Cr[中国专利：CN2009910199580.0]，但是Bi元素添加过量时，容易引起钎料在服役期间的焊点剥离，导致器件的失效。目前缺乏通过添加合金元素显著降低钎料的熔化温度、提升力学性能的报道。

发明内容

发明提供一种含Yb、Al、B的纳米无铅钎料，通过添加Yb、Al、B等合金元素制成纳米无铅钎料，以达到降低熔化温度和提高性能的双重作用。具有较低熔化温度，较高性能，是适用于电子行业的表面组装技术的纳米无铅钎料，能满足高密度器件的高可靠性需求。

本发明是以如下技术方案实现的：一种含Yb、Al、B的纳米无铅钎料，其特征在于：其成分及重量百分比为：Ag含量为0.5～4.5%,Cu含量为0.2～1.5%，Yb含量为0.01～0.5%,Al含量为0.01～0.5%,B含量为0.01～0.5%，其余为Sn。

本发明采用的方法是：使用市售的Sn锭、Sn-Cu中间合金、Sn-Ag中间合金、Sn-Yb中间合金、Sn-Al中间合金、Sn-B中间合金，按照一定的配比，采用高能超声搅拌的的制造工艺冶炼无铅钎料，为防止元素的烧损在惰性气体保护气氛中冶炼、浇铸成棒材，将棒材制成电极，采用自耗电极直流电弧法制备纳米无铅钎料颗粒。

本发明的机理是：由于SnAgCu钎料被推荐为替代传统SnPb钎料的最佳选择，主要是因为Ag和Cu的存在提高了钎料的性能。但是在服役期间，Ag和Cu与Sn反应，Ag₃Sn和Cu₆Sn₅金属间化合物会快速长大，因其为脆性相，故而导致焊点的寿命降低，因此要严格控制Ag和Cu的含量，Ag的含量为0.5～4.5%,Cu的含量为0.2～1.5%。添加Yb元素，因为稀土的亲Sn性，降低Ag₃Sn和Cu₆Sn₅的初生相的尺寸和数量，添加Al和B起到固溶强化的作用，可以抑制Ag₃Sn和Cu₆Sn₅在服役期间的长大，同时Al可以提高钎料表面的抗氧化特性。三种元素联合，可以控制金属间化合物的尺寸，保证钎料在服役期间组织细小、均匀，从而提高钎料的润湿性，力学性能以及抗氧化特性等。但是合金元素添加过量容易导致内部新生相的生成，恶化钎料的性能，因此需要控制Yb、Al和B的添加量，分别为Yb含量为0.01～0.5%,Al含量为0.01～0.5%,B含量为0.01～0.5%。

本发明的有益效果是：该钎料润湿性、力学性能较好，具有较低熔化温度，较高性能，是适用于电子行业表面组装技术的纳米无铅钎料，能满足高密度器件的高可靠性需求。

附图说明

图1：不同成分纳米无铅钎料合金(表1)的润湿性。

图2：不同成分纳米无铅钎料合金(表1)的力学性能。

具体实施方案

实施例1

含Yb、Al、B的纳米无铅钎料的成分质量百分比：4.0%Ag，0.5%Cu，0.01%Yb，0.01%Al,0.01%B，余量为Sn。

钎料主要性能检测：固相线温度在194℃左右，液相线温度在200℃左右（考虑了试验误差），具有优越的性能。

实施例2

含Yb、Al、B的纳米无铅钎料的成分质量百分比：3.8%Ag，0.2%Cu，0.5%Yb，0.5%Al,0.5%B，余量为Sn。

钎料主要性能检测：固相线温度在196℃左右，液相线温度在202℃左右（考虑了试验误差），具有优越的性能。

实施例3

含Yb、Al、B的纳米无铅钎料的成分质量百分比：3.0%Ag，0.5%Cu，0.05%Yb，0.01%Al,0.05%B，余量为Sn。

钎料主要性能检测：固相线温度在193℃左右，液相线温度在199℃左右（考虑了试验误差），具有优越的性能。

实施例4

含Yb、Al、B的纳米无铅钎料的成分质量百分比：4.5%Ag，1.2%Cu，0.08%Yb，0.05%Al,0.5%B，余量为Sn。

钎料主要性能检测：固相线温度在195℃左右，液相线温度在202℃左右（考虑了试验误差），具有优越的性能。

实施例5

含Yb、Al、B的纳米无铅钎料的成分质量百分比：0.5%Ag，0.2%Cu，0.5%Yb，0.1%Al,0.3%B，余量为Sn。

钎料主要性能检测：固相线温度在193℃左右，液相线温度在200℃左右（考虑了试验误差），具有优越的性能。

实施例6

含Yb、Al、B的纳米无铅钎料的成分质量百分比：3.8%Ag，0.7%Cu，0.05%Yb，0.05%Al,0.01%B，余量为Sn。

实施例7

含Yb、Al、B的纳米无铅钎料的成分质量百分比：3.0%Ag，0.5%Cu，0.1%Yb，1%Al,0.01%B，余量为Sn。

实施例8

含Yb、Al、B的纳米无铅钎料的成分质量百分比：3.9%Ag，0.6%Cu，0.01%Yb，0.01%Al,0.01%B，余量为Sn。

实施例9

含Yb、Al、B的纳米无铅钎料的成分质量百分比：3.5%Ag，0.5%Cu，0.03%Yb，0.5%Al,0.04%B，余量为Sn。钎料主要性能检测：固相线温度在194℃左右，液相线温度在200℃左右（考虑了试验误差），具有优越的性能。实施例10

含Yb、Al、B的纳米无铅钎料的成分质量百分比：2.5%Ag，0.7%Cu，0.06%Yb，0.05%Al,0.03%B，余量为Sn。

钎料主要性能检测：固相线温度在192℃左右，液相线温度在198℃左右（考虑了试验误差），具有优越的性能。

实施例11

含Yb、Al、B的纳米无铅钎料的成分质量百分比：3.5%Ag，0.5%Cu，0.08%Yb，0.03%Al,0.05%B，余量为Sn。

实施例12

含Yb、Al、B的纳米无铅钎料的成分质量百分比：2.8%Ag，0.2%Cu，0.05%Yb，0.01%Al,1%B，余量为Sn。

钎料主要性能检测：固相线温度在195℃左右，液相线温度在203℃左右（考虑了试验误差），具有优越的性能。

实施例13

含Yb、Al、B的纳米无铅钎料的成分质量百分比：3.5%Ag，1.2%Cu，1%Yb，0.05%Al,0.05%B，余量为Sn。

钎料主要性能检测：固相线温度在194℃左右，液相线温度在201℃左右（考虑了试验误差），具有优越的性能。

实施例14

含Yb、Al、B的纳米无铅钎料的成分质量百分比：2.0%Ag，1.5%Cu，0.05%Yb，0.05%Al,0.08%B，余量为Sn。

实施例15

含Yb、Al、B的纳米无铅钎料的成分质量百分比：2.9%Ag，0.9%Cu， 0.03%Yb，0.08%Al,0.02%B，余量为Sn。

钎料主要性能检测：固相线温度在193℃左右，液相线温度在198℃左右（考虑了试验误差），具有优越的性能。

实施例16

含Yb、Al、B的纳米无铅钎料的成分质量百分比：3.0%Ag，0.5%Cu，0.02%Yb，0.02%Al,0.02%B，余量为Sn。

实验例：在其他成分不变的情况下，不同的Yb的含量对钎料的润湿性及力学性能的影响。

共实验如表1所示6个实验例。其实验结果见图1和图2。

表1：典型含Yb、Al、B、Sn、Ag、Cu纳米无铅钎料合金成分

Figure 2013100202615100002DEST_PATH_IMAGE001

从图1和图2的结果可见：微量合金元素Yb可以显著提高纳米SnAgCu钎料的润湿性、力学性能。

Claims

1.一种含Yb、Al、B的纳米无铅钎料，其特征在于：其成分及重量百分比为：Ag含量为0.5～4.5%,Cu含量为0.2～1.5%，Yb含量为0.01～0.5%,Al含量为0.01～0.5%,B含量为0.01～0.5%，其余为Sn。

2.一种权利要求1所述含Yb、Al、B的纳米无铅钎料的制备方法，其特征在于：使用市售的Sn锭、Sn-Cu中间合金、Sn-Ag中间合金、Sn-Yb中间合金、Sn-Al中间合金、Sn-B中间合金，按照要求配比，采用高能超声搅拌的的制造工艺冶炼无铅钎料，为防止元素的烧损在惰性气体保护气氛中冶炼、浇铸成棒材，将棒材制成电极，采用自耗电极直流电弧法制备纳米无铅钎料颗粒。