CN103084749B

CN103084749B - 一种高使用寿命的无铅钎料

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Publication number: CN103084749B
Application number: CN201310022488.3A
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: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2033-01-18
Also published as: CN103084749A

Abstract

本发明公开了一种高使用寿命的无铅钎料，属于电子封装钎焊材料领域。是一种在服役期间具有较高使用寿命的新型无铅钎料。其成分按质量百分比为：纳米NiTi的含量为0.01~1%(纳米颗粒尺寸为30~50nm)，Fe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中间合金、Sn-Ag中间合金、Sn-Fe中间合金，按设计所需成分配比，预先熔化，然后加入纳米NiTi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。本无铅钎料在服役期间具有较高的使用寿命。

Description

一种高使用寿命的无铅钎料

技术领域

本发明涉及一种高使用寿命的无铅钎料，属于电子封装钎焊材料领域。是一种在服役期间具有较高使用寿命的新型无铅钎料。

背景技术

在电子工业中，便携式电子产品（笔记本电脑、手机、PDA、MP3/MP4/MP5等）以及一些机载电子产品日益增多，电子产品逐渐向微型化和智能化方向发展，因此对电子产品的可靠性和耐久性要求也越来越高，在电子产品中的电子器件可靠性决定了电子产品的使用寿命，而电子产品中数以万计的焊点却决定了电子器件的使用寿命，因此可以说提高焊点材料(钎料)的使用寿命是决定电子产品可靠性的关键，寻找高性能的钎料来满足电子产品高可靠性的需求成为业界一个重要的研究课题。

在电子工业中，传统的SnPb钎料被广为应用，但是由于Pb的毒性，世界各国纷纷出台政策禁止Pb的使用，例如欧盟的WEEE/RoHS指令。为了探讨替代传统SnPb钎料的无铅钎料，诸多研究者探讨了SnAgCu、SnAg、SnCu、SnZn等几种无铅钎料，发现SnAgCu钎料是几种无铅钎料中最有希望替代SnPb的产品，目前SnAgCu钎料的成分也不统一，日本主要倾向于Sn3.0Ag0.5Cu,欧盟倾向于Sn3.8Ag0.7Cu，美国倾向于Sn3.9Ag0.6Cu。但是对SnAgCu钎料而言，也有自身的缺点，例如在服役期间的内部金属间化合物生长过快，容易在服役期间提前失效，导致电子产品的使用寿命较低等。

为了改善钎料的性能，行业内主要是通过添加微量金属元素和颗粒，但是均针对钎料的润湿性、力学性能以及抗蠕变性能等的改善。缺乏对钎料的使用寿命的报道。目前国内外主要通过添加Ce、La、Pr、Nd、Bi、In、Ga，P、Mn、In、Sb、Bi、Ni等合金元素及颗粒,研究的新型SnAgCu基钎料主要分析钎料自身的性能，以润湿性居多。对于钎料而言，使用寿命更具有现实意义。微量NiTi纳米颗粒以及微量的Fe两者耦合作用能显著提高钎料的使用使用寿命。

发明内容

本发明提供一种高使用寿命的无铅钎料，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，满足微型化电子器件的高使用寿命要求。

本发明是以如下技术方案实现的：一种高使用寿命的无铅钎料，其成分及质量百分比为：纳米NiTi的含量为0.01~1%，Fe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；所述纳米颗粒粒径尺寸为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：按设计所需成分配比，预先熔化，然后加入纳米NiTi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。

本发明的机理是：对于SnAgCu钎料而言，在服役期间，钎料基体内部会因为元素之间的扩散而形成大块的Cu₆Sn₅和Ag₃Sn两种金属间化合物，随着时间的推进会逐渐增大，因为这两种金属间化合物为硬脆相，容易在该相周围出现微裂纹，导致电子器件失效。同时钎料和铜基板之间也会形成Cu₆Sn₅/Cu₃Sn金属间化合物层，在该层附近也会因为相之间线膨胀系数差异过大而产生微裂纹。基于以上两个原因，本发明严格控制Ag和Cu的含量，同时添加纳米NiTi颗粒和微量Fe。微量Fe主要是在钎料基体均匀分布，增加Fe与Sn的反应，而从在一定程度上抑制Ag₃Sn和Cu₆Sn₅相的过快生长，从而延迟内部裂纹的出现。另一方面，纳米NiTi在钎料基体也可以承担形核质点的作用，在界面区域也会聚集大量的纳米NiTi颗粒，因为NiTi为形状记忆合金，增加了界面金属间化合物的记忆特性，从而减少界面裂纹生长的可能性。因此纳米NiTi和微量Fe的耦合作用可以提高钎料的使用寿命。经实验，平均能提高使用寿命10-15%。

本发明的有益效果是：一、采用NiTi和微量Fe耦合作用减少钎料在服役期间的内部裂纹的生长，增加界面层的记忆特性，提高钎料的使用寿命；二、采用高能超声搅拌的制造工艺冶炼无铅钎料，直接增加钎料内部颗粒以及元素之间的冶金结合。

附图说明

图1：QFP器件不同成分钎料合金(表1)的使用寿命。

图2：RC(电阻)器件不同成分钎料合金(表1)的使用寿命。

具体实施方案

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-Fe中间合金。方法为：按设计所需成分配比，将Sn锭、Sn-Cu中间合金、Sn-Ag中间合金、Sn-Fe中间合金预先熔化，然后加入纳米NiTi颗粒，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，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。

实施例1

高使用寿命的无铅钎料的成分为：3.0%Ag，0.5%Cu，0.1%Fe，0.05%纳米NiTi颗粒，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217℃左右（考虑了试验误差），使用寿命提高。

实施例2

高使用寿命的无铅钎料的成分为：3.8%Ag，0.6%Cu，0.01%Fe，0.05%纳米NiTi颗粒，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），使用寿命提高。

实施例3

高使用寿命的无铅钎料的成分为：4.0%Ag，1.5%Cu，0.05%Fe，0.1%纳米NiTi颗粒，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218℃左右（考虑了试验误差），使用寿命提高。

实施例4

高使用寿命的无铅钎料的成分为：0.5%Ag，1.5%Cu，0.5%Fe，1%纳米NiTi颗粒，余量为Sn。

经检测：固相线温度在217℃左右，液相线温度在222℃左右（考虑了试验误差），使用寿命提高。

实施例5

高使用寿命的无铅钎料的成分为：4.0%Ag，0.2%Cu，0.05%Fe，0.5%纳米NiTi颗粒，余量为Sn。

经检测：固相线温度在214°C左右，液相线温度在218℃左右（考虑了试验误差），使用寿命提高。

实施例6

高使用寿命的无铅钎料的成分为：3.8%Ag，0.7%Cu，0.08%Fe，0.15%纳米NiTi颗粒，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218℃左右（考虑了试验误差），使用寿命提高。

实施例7

高使用寿命的无铅钎料的成分为：4.5%Ag，0.2%Cu，1%Fe，0.05%纳米NiTi颗粒，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），使用寿命提高。

实施例8

高使用寿命的无铅钎料的成分为：3.9%Ag，0.6%Cu，0.05%Fe，0.08%纳米NiTi颗粒，余量为Sn。

实施例9

高使用寿命的无铅钎料的成分为：3.0%Ag，0.7%Cu，0.05%Fe，0.2%纳米NiTi颗粒，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），使用寿命提高。

实施例10

高使用寿命的无铅钎料的成分为：3.5%Ag，0.5%Cu，0.3%Fe，0.1%纳米NiTi颗粒，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），使用寿命提高。

实施例11

高使用寿命的无铅钎料的成分为：0.5%Ag，0.7%Cu，0.5%Fe，0.4%纳米NiTi颗粒，余量为Sn。

钎料主要性能检测：固相线温度在217℃左右，液相线温度在222℃左右（考虑了试验误差），使用寿命提高。

实施例12

高使用寿命的无铅钎料的成分为：2.5%Ag，0.5%Cu，0.2%Fe，0.2%纳米NiTi颗粒，余量为Sn。

经检测：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），使用寿命提高。

实施例13

高使用寿命的无铅钎料的成分为：3.5%Ag，0.8%Cu，0.05%Fe，0.1%纳米NiTi颗粒，余量为Sn。

实施例14

高使用寿命的无铅钎料的成分为：3.0%Ag，0.5%Cu，0.1%Fe，0.1%纳米NiTi颗粒，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），使用寿命提高。

实施例15

高使用寿命的无铅钎料的成分为：1.0%Ag，0.6%Cu，1%Fe，1%纳米NiTi颗粒，余量为Sn。

经检测：固相线温度在218℃左右，液相线温度在223℃左右（考虑了试验误差），使用寿命提高。

实施例16

高使用寿命的无铅钎料的成分为：3.8%Ag，0.7%Cu，0.01%Fe，0.01%纳米NiTi颗粒，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），使用寿命提高。

实验例在其他成分不变的情况下不同的纳米NiTi颗粒含量钎料合金的使用寿命。实验如表1所示6个实验例分别用于QFP器件和RC(电阻)器件。其实验结果见图1和图2。从图1和图2所示，加入纳米NiTi颗粒后具有较高的使用寿命。

表1：含NiTi、Fe、Sn、Ag、Cu无铅钎料合金成分

Claims

1.一种高使用寿命的无铅钎料，其特征是：其成分按质量百分比为：

纳米NiTi颗粒的含量为0.01~1%；

Fe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；

所述的纳米颗粒粒径尺寸为30~50nm。