CN103056544A

CN103056544A - 一种高抗蠕变特性的无铅钎料

Info

Publication number: CN103056544A
Application number: CN2013100205454A
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: CN103056544B

Abstract

本发明公开了一种高抗蠕变特性的无铅钎料，属于微电子组装用无铅钎料领域。该无铅钎料的Ag含量为0.5~4.5%，Cu含量为0.2~1.5%，Eu含量为0.01~0.5%，纳米Nb颗粒为0.01~1%，其余为Sn。使用市售的Sn锭、Sn-Cu中间合金、Sn-Ag中间合金、Sn-Eu中间合金，按照配比要求，将其预先熔化，然后加入纳米Nb颗粒，采用中频炉进行冶炼无铅钎料，钎料溶化后表面覆盖草木灰防止钎料氧化，然后浇铸成棒材，然后通过挤压、拉拔即得到所需要的钎料丝材。也可将新钎料制备成焊膏使用。本无铅钎料具有高抗蠕变特性。

Description

一种高抗蠕变特性的无铅钎料

技术领域

本发明涉及一种高抗蠕变特性的无铅钎料，属电子封装钎焊材料领域。该无铅钎料主要用于微型电子器件高可靠性需求的领域，是一种具有高抗蠕变性能的新型无铅钎料，

背景技术

电子元器件的连接主要是靠钎料的互连作用，而钎料的熔点一般在200℃左右，在室温环境下工作温度按照绝对温度计算归一化温度已经超过0.6，按照金属材料蠕变归一化温度超过0.5即为高温蠕变的范围，因此，钎料在工作过程中容易产生蠕变变形，导致电子器件的失效。因此寻求具有高抗蠕变性能的钎料来满足微型电子器件高可靠性的需求成为一个重要的研究课题。

传统的SnPb钎料以其独特的优势被广泛应用于电子行业，但是由于Pb的毒性，世界各国纷纷出台相关政策禁止Pb的使用。因此替代传统SnPb钎料的无铅钎料成为电子工业的研究热点。在诸多的无铅钎料中，SnAgCu钎料以熔化温度较低、力学性能优良、润湿性较好等优点而被推荐为替代SnPb的最佳选择。但是随着电子工业的发展，电子器件逐渐向高密度微型化方向发展，故而对电子器件的可靠性也要求越来越高，SnAgCu钎料的抗蠕变性能较低根本无法满足高密度微型器件的发展需求，因此需要研究新型的无铅钎料，具有高抗蠕变性能，符合微型电子器件高密度高可靠性发展需求。

为了进一步改善钎料的性能，目前公开的专利主要是在SnAgCu钎料中添加微量合金元素和颗粒的方法。添加的元素和颗粒主要有：Mn、Ti、Co、Ni、Ce、Pr、Nd、Er、P、Ni等。国外比较代表性的专利为：欧洲专利EP1012354BI，选择在无铅钎料中添加0.25%In、2.5~10%Al、1~5%Mn以及微量的Zn，可以显著提高无铅钎料的抗蠕变性能。但是在实际的应用中，一种无铅钎料选择四种添加元素，无疑增加了无铅钎料的加工成本，可行性较低。因此该种专利很难在工业中获得推广使用。中国比较有代表性的专利为：Sn-(2~5%)Ag-(0.2~1%)Cu-(0.025~1.0%)Ce[中国专利：ZL02123528.7]，该专利通过添加一定量的Ce，提高钎料的抗蠕变特性。但是对于Ce元素添加在1.0%时，已经有研究成果证实有大量的锡须生长，严重影响了电子器件的可靠性，因此该发明实施起来困难较大。

发明内容

本发明提供一种高抗蠕变特性的无铅钎料，本发明微量的Eu和纳米Nb颗粒两者耦合作用可以显著提高SnAgCu钎料的抗蠕变特性。是具有高抗蠕变特性，适用于电子行业的波峰焊、再流焊以及其他焊接方法的无铅钎料，能满足高密度微型化电子元器件的高可靠性需求。主要解决以下关键性问题：优化含纳米Nb颗粒和稀土Eu的SnAgCu钎料组分，得到高抗蠕变特性的无铅钎料。本发明的另一目的是提供此种高抗蠕变特性的无铅钎料的制备方法。

本发明是以如下技术方案实现的：一种高抗蠕变特性的无铅钎料，其成分及质量百分比为：Ag的含量为0.5~4.5%,Cu的含量为0.2~1.5%，Eu的含量为0.01~0.5%，纳米Nb的含量为0.01~1%，余量为Sn；所述纳米Nb的粒径为30~50nm。

本发明可以采用生产钎料的常规冶炼方法得到。本发明优选采用的方法是：使用市售的Sn锭、Sn-Cu中间合金、Sn-Ag中间合金、Sn-Eu中间合金，按照配比要求，将其预先熔化，然后加入纳米Nb颗粒，采用中频炉进行冶炼无铅钎料，钎料溶化后表面覆盖草木灰防止钎料氧化，然后浇铸成棒材，然后通过挤压、拉拔即得到所需要的钎料丝材。

本发明的机理是：对于SnAgCu钎料，由于内部会形成Ag₃Sn和Cu₆Sn₅相金属间化合物，两种金属间化合物均为脆性相，在蠕变过程中容易提早破坏。配制钎料时，要严格控制Ag和Cu的含量，以防在钎料冶炼时出现大块的金属间化合物。但是在服役期间，因为元素的扩散导致Ag₃Sn和Cu₆Sn₅两相金属间化合物会随之生长，因此要控制金属间化合物的生长。添加Eu元素，主要是因为Eu具有亲Sn性，易于Sn发生反应，致使Ag-Sn、Cu-Sn反应的概率减小，导致Ag₃Sn和Cu₆Sn₅相在初生时量和尺寸都相对较小。而在服役期间，因为纳米Nb颗粒的存在，元素扩散容易依附在纳米颗粒表面生成Ag₃Sn和Cu₆Sn₅金属间化合物，致使在服役期间Ag₃Sn和Cu₆Sn₅金属间化合物长大的机会降低。因为Eu和纳米Nb的共同作用致使钎料基体中均匀分布微小的颗粒，在服役期间仍然能保持良好的组织稳定性。而组织中微小的颗粒定扎位错恰恰是提升钎料抗蠕变性能的主要因素。因此Eu和纳米Nb颗粒联合作用可以提升钎料的蠕变抗力，但是由于稀土和纳米Nb颗粒均为活性物质，添加量不宜过量，过量容易导致纳米颗粒团聚、稀土氧化等降低钎料的性能，故而控制稀土Eu的含量为0.01~0.5%，纳米Nb的含量为0.01~1%。

与已有技术相比，本发明的有益效果在于：本无铅钎料具有高抗蠕变特性。

附图说明

图1：不同成分钎料合金(表1)的蠕变断裂寿命。

图2：SnAgCu、SnAgCu0.01Nb、SnAgCu0.05Eu和SnAgCu0.01Nb0.05Eu蠕变断裂寿命。

具体实施方式

下面结合实施例进一步说明本发明及效果。

下述16个实施例所使用的材料为：使用市售的Sn锭、Sn-Cu中间合金、Sn-Ag中间合金、Sn-Eu中间合金。方法为：按照配比要求，将其预先熔化，然后加入纳米Nb颗粒，采用中频炉进行冶炼无铅钎料，钎料溶化后表面覆盖草木灰防止钎料氧化，然后浇铸成棒材，然后通过挤压、拉拔即得到所需要的钎料丝材。

实施例1

高抗蠕变特性的无铅钎料其成分为：Ag3.0%，Cu0.7%，Eu0.01%，纳米Nb颗粒0.05%，余量为Sn。

钎料主要性能检测：固相线温度在212℃左右，液相线温度在217℃左右（考虑了试验误差），具有优良的性能。

实施例2

高抗蠕变特性的无铅钎料成分为：Ag4.5%，Cu0.5%，Eu0.5%，纳米Nb颗粒1%，余量为Sn。

钎料主要性能检测：固相线温度在215℃左右，液相线温度在220℃左右（考虑了试验误差），具有优良的性能。

实施例3

高抗蠕变特性的无铅钎料成分为：Ag3.0%，Cu0.5%，Eu0.01%，纳米Nb颗粒0.01%，余量为Sn。

实施例4

高抗蠕变特性的无铅钎料成分为：Ag3.5%，Cu0.5%，Eu0.5%，纳米Nb颗粒0.01%，余量为Sn。

钎料主要性能检测：固相线温度在213℃左右，液相线温度在217℃左右（考虑了试验误差），具有优良的性能。

实施例5

高抗蠕变特性的无铅钎料其成分为：Ag0.5%，Cu0.2%，Eu0.1%，纳米Nb颗粒1%，余量为Sn。

钎料主要性能检测：固相线温度在215℃左右，液相线温度在221℃左右（考虑了试验误差），具有优良的性能。

实施例6

高抗蠕变特性的无铅钎料其成分为：Ag3.5%，Cu0.5%，Eu0.1%，纳米Nb颗粒0.2%，余量为Sn。

钎料主要性能检测：固相线温度在213℃左右，液相线温度在219℃左右（考虑了试验误差），具有优良的性能。

实施例7

高抗蠕变特性的无铅钎料其成分为：Ag3.5%，Cu0.7%，Eu0.1%，纳米Nb颗粒0.1%，余量为Sn。

钎料主要性能检测：固相线温度在212℃左右，液相线温度在218℃左右（考虑了试验误差），具有优良的性能。

实施例8

高抗蠕变特性的无铅钎料其成分为：Ag3.8%，Cu0.7%，Eu0.5%，纳米Nb颗粒0.5%，余量为Sn。

实施例9

高抗蠕变特性的无铅钎料其成分为：0.5%Ag，0.2%Cu，0.5%Eu，0.5%纳米Nb颗粒，余量为Sn。

钎料主要性能检测：固相线温度在216℃左右，液相线温度在224°C左右（考虑了试验误差），具有优良的性能。

实施例10

高抗蠕变特性的无铅钎料其成分为：Ag3.5%，Cu0.7%，Eu0.01%，纳米Nb颗粒0.5%，余量为Sn。

钎料主要性能检测：固相线温度在214°C左右，液相线温度在221℃左右（考虑了试验误差），具有优良的性能。

实施例11

高抗蠕变特性的无铅钎料其成分为：Ag3.8%，Cu0.7%，Eu0.05%，纳米Nb颗粒0.05%，余量为Sn。

实施例12

高抗蠕变特性的无铅钎料其成分为：Ag2.5%，Cu0.2%，Eu0.08%，纳米Nb颗粒0.5%，余量为Sn。

钎料主要性能检测：固相线温度在215℃左右，液相线温度在219℃左右（考虑了试验误差），具有优良的性能。

实施例13

高抗蠕变特性的无铅钎料其成分为：Ag3.0%，Cu1.5%，Eu0.01%，纳米Nb颗粒0.04%，余量为Sn。钎料主要性能检测：固相线温度在213℃左右，液相线温度在218℃左右（考虑了试验误差），具有优良的性能。

实施例13

高抗蠕变特性的无铅钎料其成分为：Ag2.0%，Cu0.5%，Eu0.1%，纳米Nb颗粒0.2%，余量为Sn。

钎料主要性能检测：固相线温度在214°C左右，液相线温度在219℃左右（考虑了试验误差），具有优良的性能。

实施例15

高抗蠕变特性的无铅钎料其成分为：3.8%Ag，0.7%Cu，0.2%Eu，0.01%纳米Nb颗粒，余量为Sn。

实施例16

高抗蠕变特性的无铅钎料其成分为：Ag3.2%，Cu0.5%，Eu0.1%，纳米Nb颗粒0.5%，余量为Sn。

实验例：在其他成分不变的情况下，不同的Eu的含量钎料合金的蠕变断裂寿命实验。

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NiTi、Fe、Sn、Ag、Cu无铅钎料合金成分

Figure 2013100205454100002DEST_PATH_IMAGE001

结论：添加微量合金元素Eu和纳米Nb颗粒可以显著提高SnAgCu蠕变断裂寿命，提高幅度为SnAgCu的7~10倍。

Claims

1.一种高抗蠕变特性的无铅钎料，其特征在于：其成分及质量百分比为：Ag的含量为0.5~4.5%,Cu的含量为0.2~1.5%，Eu的含量为0.01~0.5%，纳米Nb的含量为0.01~1%，余量为Sn；所述纳米Nb的粒径为30~50nm。

2.一种权利要求1所述的高抗蠕变特性的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-Eu中间合金，按照配比要求，将其预先熔化，然后加入纳米Nb颗粒，采用中频炉进行冶炼无铅钎料，钎料溶化后表面覆盖草木灰防止钎料氧化，然后浇铸成棒材，然后通过挤压、拉拔即得到所需要的钎料丝材。