CN103056545A - 一种用于高可靠性wlcsp器件焊接的无铅钎料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于高可靠性WLCSP器件焊接的无铅钎料，属于金属材料类及冶金领域钎焊材料。该种无铅钎料中的纳米Al颗粒的含量为0.01～1%，纳米CeO2的含量为0.01～1%，Ag的含量为0.5～4.5%，Cu的含量为0.2～1.5%，余量为Sn。使用市售的Sn锭、Sn-Cu合金、Sn-Ag合金，按设计所需成分配比，预先熔化，然后加入纳米颗粒，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，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。本无铅钎料对应无铅焊点的抗疲劳特性和抗跌落特性得到显著提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于高可靠性WLCSP器件焊接的无铅钎料，属于电子封装钎焊材料领域。用于WLCSP等器件高可靠性需求的领域，是一种具有抗热疲劳和抗跌落性能优良的新型无铅钎料。
背景技术
随着市场对电子产品的需求越来越大，对电子产品的要求也越来越高。特别是手机、MP3等便携式电子产品的逐渐小型化和多功能化，无疑也在一定层次上对电子器件的提出了更高的要求。WLCSP器件是芯片高度集成引起了诸多商家的追逐，其最大特点便是有效地缩减封装体积，故可搭配于行动装置上而符合可携式产品轻薄短小的特性需求。但是在实际应用中WLCSP器件的可靠性却成为制约其广泛应用的一个重要方面，WLCSP器件表面排列着数以百计、千计的焊点，微小焊点即承担着WLCSP器件的机械支撑，也承担着电气连接作用，因此单个焊点的失效直接导致整个电子器件甚至整个电子产品失效。因此寻求高性能的钎料来满足WLCSP器件焊点高可靠性的需求成为一个重要的研究课题。
同时，由于人们环保意识的提高，传统的含Pb钎料满足不了市场的需求，随着WEEE(Waste Electrical and Electronic Equipment)和RoHS(Restriction of Hazardous Substances)两项指令的颁布，传统的含铅钎料已经不能满足于电子行业的应用，因此SnPb钎料的替代问题成为诸多研究人员关注的焦点。在诸多的无铅钎料SnAgCu被认为是替代SnPb的最佳选择，但是在实际应用过程中也存在大量的问题，例如在服役期间SnAgCu焊点内部生长出大量的大块金属间化合物(Cu6Sn5和Ag3Sn)，容易在大块金属间化合物周围引起微裂纹，导致焊点的失效。由于SnAgCu钎料的系列缺点导致WLCSP系列器件的使用寿命相对较低。
为了提高SnAgCu钎料的性能，目前公开的专利主要是添加微量合金元素以及颗粒提高钎料的润湿性、力学性能以及抗蠕变性能等。目前国外主要通过添加P、Mn、In、Sb、Bi、Ni等合金元素及颗粒,代表性的专利有Sn-(0.3～0.4wt%)Ag-(0.6～0.7wt%)Cu-(0.01～0.5wt%)P[欧洲专利EP1707302B1]，Sn-(3～4wt%)Ag-(0.8～1.0wt%)Cu-(0.05～0.15wt%)Mn[美国专利US2010/0203353A1]；中国目前公布的专利主要是稀土、Bi、In、Ga，等.代表性的专利有：Sn3.0Ag0.5Cu-(0.05～1.0%Co)[中国专利CN102091882A]；Sn-(0.3～4.0%)Ag-(0.2～1.2%)Cu-(0.001～0.2%)Cr-(0.001～0.5%)Nd-(0.001～0.5%)Pr-(0.001～0.1%)Pb[中国专利CN101733579A]。上述公开的发明通过添加系列元素及颗粒仅在一定程度上改善钎料的部分性能，对钎料的使用寿命目前没有相关报道。微量的Al纳米颗粒以及微量CeO2纳米颗粒能显著提高钎料在服役期间的热疲劳寿命以及跌落寿命。
发明内容
本发明提供一种用于高可靠性WLCSP器件焊接的无铅钎料，具有高使用寿命，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，满足WLCSP系列器件的高可靠性需求。
本发明是以如下技术方案实现的：一种用于高可靠性WLCSP器件焊接的无铅钎料，其成分及重量百分比为：
纳米Al颗粒的含量为0.01～1%，所述纳米Al颗粒粒径为30～50nm，
纳米CeO2的含量为0.01～1%，所述纳米CeO2颗粒粒径为30～50nm，
Ag的含为0.5～4.5%,
Cu的含量为0.2～1.5%，
余量为锡(Sn)。
上述方案优化含纳米Al颗粒和纳米CeO2颗粒的SnAgCu组分，得到热疲劳寿命和跌落寿命较高的无铅钎料。
本发明的机理是：含纳米Al和纳米CeO2的SnAgCu钎料，由于SnAgCu钎料已经被业界证实为替代传统SnPb钎料的最佳选择，主要是由于Ag和Cu在钎料中会形成Ag3Sn和Cu6Sn5金属间化合物，提高钎料的力学性能，同时具有优良的润湿性。本发明Ag的含量在(0.5～4.5wt%)之间，Cu的添加含量为(0.2～1.5wt%)之间。主要是考虑当Ag和Cu的含量过高时，钎料内部会形成大块的金属间化合物，严重降低了钎料在服役期间的可靠性，特别是在热疲劳和跌落的过程中，大块的金属间化合物会成为裂纹的发源地，导致产品的使用寿命较低。因此要控制Ag和Cu的含量。本发明中涉及到的纳米Al颗粒会均匀固溶到钎料基体中，可以使钎料基体呈现良好的抗热疲劳和抗跌落特性，但是添加过量时，多余的纳米Al颗粒会漂浮在溶融钎料的表面，容易氧化，工艺性能明显降低。因此本发明将纳米Al颗粒的含量控制在0.01～1%。而纳米CeO2颗粒的添加具有两个作用，即纳米颗粒容易分布在钎料组织的晶界，起到强化的作用，同时可以为Ag3Sn和Cu6Sn5起到形核质点的作用，使焊后组织中Ag3Sn和Cu6Sn5呈现均匀细小的颗粒分布在钎料组织中，从而降低了Ag3Sn和Cu6Sn5因在服役期间生长过快而成为裂纹源的可能性，故而提高了其在服役期间的使用寿命。当CeO2添加过量时，多余的CeO2颗粒也会漂浮在钎料表面，导致其工艺性能较差和寿命较低。因此纳米CeO2的含量控制在0.01～1%。故而纳米Al颗粒和纳米CeO2颗粒联合作用提高SnAgCu的热疲劳寿命和跌落寿命。
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：按设计所需成分配比，将原料Sn锭、Sn-Cu中间合金和Sn-Ag中间合金，预先熔化，按照配比，然后加入纳米Al颗粒以及纳米CeO2颗粒，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，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。
本发明的优点在于：本无铅钎料对应无铅焊点的抗疲劳特性和抗跌落特性得到显著提高。
附图说明
图1:WLCSP器件Sn3.8Ag0.7Cu和Sn3.8Ag0.7Cu0.05Al0.05CeO2的热疲劳寿命。
图2:WLCSP器件Sn3.8Ag0.7Cu和Sn3.8Ag0.7Cu0.05Al0.05CeO2的跌落寿命。
具体实施方式
下面通过16个实施例进一步说明本发明。
下述16个实施例所使用的材料均为市售的Sn锭、Sn-Cu中间合金、Sn-Ag中间合金，纳米Al颗粒以及纳米CeO2颗粒，方法为：原料Sn锭、Sn-Cu中间合金和Sn-Ag中间合金，预先熔化，按照配比，然后加入纳米Al颗粒以及纳米CeO2颗粒，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，然后通过挤压、拉拔即得到所需要的钎料丝材，或将钎料制备成焊膏使用。
实施例1
用于高可靠性WLCSP器件焊接的无铅钎料的成分及重量百分比为：Ag3.8%，Cu0.7%，纳米Al颗粒0.05%，纳米CeO2颗粒0.05%，余量为Sn。
钎料性能检测：固相线温度213℃左右，液相线温度在218℃（考虑了试验误差），具有较高的使用寿命。
实施例2
用于高可靠性WLCSP器件焊接的无铅钎料的成分及重量百分比为：Ag4.0%，Cu0.2%，纳米Al颗粒0.05%，纳米CeO2颗粒0.05%，余量为Sn。
钎料性能检测：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），具有较高的使用寿命。
实施例3
用于高可靠性WLCSP器件焊接的无铅钎料的成分及重量百分比为：Ag3.8%，Cu1.5%，纳米Al颗粒1%，纳米CeO2颗粒0.05%，余量为Sn。
钎料性能检测：固相线温度在214℃左右，液相线温度在219℃左右（考虑了试验误差），具有较高的使用寿命。
实施例4
用于高可靠性WLCSP器件焊接的无铅钎料的成分及重量百分比为：Ag3.8%，Cu0.7%，纳米Al颗粒1%，纳米CeO2颗粒1%，余量为Sn。
钎料性能检测：固相线温度在214℃左右，液相线温度在218℃左右（考虑了试验误差），具有较高的使用寿命。
实施例5
用于高可靠性WLCSP器件焊接的无铅钎料的成分及重量百分比为：Ag4.5%，Cu0.2%，纳米Al颗粒0.08%，纳米CeO2颗粒0.2%，余量为Sn。
钎料性能检测：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），具有较高的使用寿命。
实施例6
用于高可靠性WLCSP器件焊接的无铅钎料的成分及重量百分比为：Ag3.8%，Cu0.7%，纳米Al颗粒0.08%，纳米CeO2颗粒0.01%，余量为Sn。
钎料性能检测：固相线温度在214℃左右，液相线温度在218℃左右（考虑了试验误差），具有较高的使用寿命。
实施例7
用于高可靠性WLCSP器件焊接的无铅钎料的成分及重量百分比为：Ag3.8%，Cu0.7%，纳米Al颗粒0.2%，纳米CeO2颗粒0.2%，余量为Sn。
钎料性能检测：固相线温度在214℃左右，液相线温度在217℃左右（考虑了试验误差），具有较高的使用寿命。
实施例8
用于高可靠性WLCSP器件焊接的无铅钎料的成分及重量百分比为：Ag3.5%，Cu0.5%，纳米Al颗粒0.2%，纳米CeO2颗粒0.2%，余量为Sn。
钎料性能检测：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），具有较高的使用寿命。
实施例9
用于高可靠性WLCSP器件焊接的无铅钎料的成分及重量百分比为：Ag2.5%，Cu0.7%，纳米Al颗粒0.2%，纳米CeO2颗粒0.2%，余量为Sn。
钎料性能检测：固相线温度在215℃左右，液相线温度在226℃左右（考虑了试验误差），具有较高的使用寿命。
实施例10
用于高可靠性WLCSP器件焊接的无铅钎料的成分及重量百分比为：Ag0.5%，Cu1.2%，纳米Al颗粒1%，纳米CeO2颗粒1%，余量为Sn。
钎料性能检测：固相线温度在217℃左右，液相线温度在228℃左右（考虑了试验误差），具有较高的使用寿命。
实施例11
用于高可靠性WLCSP器件焊接的无铅钎料的成分及重量百分比为：Ag3.0%，Cu0.5%，纳米Al颗粒0.05%，纳米CeO2颗粒0.1%，余量为Sn。
钎料性能检测：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），具有较高的使用寿命。
实施例12
用于高可靠性WLCSP器件焊接的无铅钎料的成分及重量百分比为：Ag2%，Cu0.7%，纳米Al颗粒1%，纳米CeO2颗粒0.3%，余量为Sn。上述成分配比得到的“一种满足WLCSP器件高可靠性要求的无铅钎料”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），具有较高的使用寿命。
实施例13
用于高可靠性WLCSP器件焊接的无铅钎料的成分及重量百分比为：Ag3%，Cu0.7%，纳米Al颗粒0.01%，纳米CeO2颗粒0.5%，余量为Sn。
上钎料性能检测：固相线温度在214℃左右，液相线温度在218℃左右（考虑了试验误差），具有较高的使用寿命。
实施例14
用于高可靠性WLCSP器件焊接的无铅钎料的成分及重量百分比为：Ag1.0%，Cu0.7%，纳米Al颗粒0.4%，纳米CeO2颗粒1%，余量为Sn。
钎料性能检测：固相线温度在218℃左右，液相线温度在225℃左右（考虑了试验误差），具有较高的使用寿命。
实施例15
用于高可靠性WLCSP器件焊接的无铅钎料的成分及重量百分比为：Ag3.9%，Cu0.7%，纳米Al颗粒0.5%，纳米CeO2颗粒0.4%，余量为Sn。
钎料性能检测：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），具有较高的使用寿命。
实施例16
用于高可靠性WLCSP器件焊接的无铅钎料的成分及重量百分比为：Ag3.9%，Cu0.7%，纳米Al颗粒0.2%，纳米CeO2颗粒0.8%，余量为Sn。
钎料性能检测：固相线温度在214℃左右，液相线温度在219℃左右（考虑了试验误差），具有较高的使用寿命。
实验例
WLCSP器件Sn3.8Ag0.7Cu和Sn3.8Ag0.7Cu0.05Al0.05CeO2的热疲劳寿命，见图1。
WLCSP器件Sn3.8Ag0.7Cu和Sn3.8Ag0.7Cu0.05Al0.05CeO2的跌落寿命，见图2。
Claims (2)
1.一种用于高可靠性WLCSP器件焊接的无铅钎料，其特征在于：
其成分及重量百分比为：
纳米Al颗粒的含量为0.01～1%，所述纳米Al颗粒粒径为30～50nm，
纳米CeO2的含量为0.01～1%，所述纳米CeO2颗粒粒径为30～50nmAg的含为0.5～4.5%,
Cu的含量为0.2～1.5%,
余量为锡(Sn)。
2.一种权利要求1所述的用于高可靠性WLCSP器件焊接的无铅钎料的制备方法，其特征在于：按设计所需成分配比，将原料Sn锭、Sn-Cu中间合金和Sn-Ag中间合金，预先熔化，按照配比，然后加入纳米Al颗粒以及纳米CeO2颗粒，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，然后通过挤压、拉拔即得到所需要的钎料丝材，或将其制备成焊膏。
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