CN104043911B - 一种可形成均匀组织焊点的无铅焊料及其焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种可形成均匀组织焊点的无铅焊料及其焊接方法，所述无铅焊料由熔点温度在110‑150℃的低温焊锡粉和熔点温度在210‑230℃的高温焊锡粉按照3/1至1/3质量比例进行混合，并加上助焊剂/膏混合配制而成本发明提供，本发明的焊料实现了焊料无铅化，同时解决了当前传统无铅焊料熔点过高的问题，实现了无铅焊料的低温焊接，从而使本发明的无铅焊料能够应用于基于Sn‑Pb共晶焊料发展起来的电子元器件材料的焊接，实现了对Sn‑Pb共晶焊料的有效替代，使得本发明的无铅焊料在电子封装领域具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及焊接材料领域，尤其涉及一种可形成均匀组织焊点的无铅焊料及其焊接方法。
背景技术
随着社会对Pb 毒性的深入认识以及2006 年7 月1 日实施的欧盟WEEE/ROHS 法案，无铅焊料代替传统的Sn-Pb 焊料已是大势所趋。目前Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ag-Cu 等无铅合金已广泛应用于电子封装领域。这些无铅焊料合金的熔点一般在217-227℃，远高于传统的Sn-Pb 共晶焊料的熔点（183℃），因此采用无铅焊料在解决环境问题后，又带来了新的问题。首先，提升的焊接温度不利于节能减排；其次，由于目前的电子封装技术、电子元器件以及封装生产线等都是基于Sn-Pb 共晶焊料发展起来的，焊接温度的提升对焊接设备、焊接工艺、电子元件及基板材料的耐热性能等一系列系统化工程提出了严峻的挑战；再次，对于一些电子产品，如太阳能薄膜、LED、LCD、温控元件、柔性电路板等热敏电子元器件加热温度不宜高，以及进行多层次多组件的分步焊接时均需要低温焊接。此外，上述无铅焊料多为高锡焊料（锡含量一般超过95%），焊接完成后焊点内晶粒较少且尺寸粗大，各个焊点的晶体取向组织结构差别较大，在电子器件工作过程中个别焊点常会因为Sn 晶粒的各向异性而提前失效，进而导致整个器件的报废。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可形成均匀组织焊点的无铅焊料及其焊接方法，旨在解决目前焊料不满足焊接工艺的发展需求的问题。
本发明的技术方案如下：
一种可形成均匀组织焊点的无铅焊料，其中，所述无铅焊料由熔点温度在110-150℃的低温焊锡粉和熔点温度在210-230℃的高温焊锡粉按照3/1至1/3质量比例进行混合，并加上助焊剂/膏混合配制而成。
所述的可形成均匀组织焊点的无铅焊料，其中，所述低温焊锡粉为SnBi、SnBiCu、SnBiAg、SnIn、SnInCu、SnInAg合金中一种或多种。
所述的可形成均匀组织焊点的无铅焊料，其中，所述低温焊锡粉中的成分占低温焊锡粉总量的质量百分比为Bi：45~65%，Ag：0~5%，In：40~60%，Cu：0~1%。40~60%含量的In使得低温焊锡粉具有较低的熔点。
所述的可形成均匀组织焊点的无铅焊料，其中，所述高温焊锡粉为SnCu、SnAg、SnAgCu、SnAgCuNi中的一种或多种。
所述的可形成均匀组织焊点的无铅焊料，其中，所述高温焊锡粉中的成分占高温焊锡粉总量的质量百分比为Ag：0~5%，Cu：0~1%，Ni：0~1%。
所述的可形成均匀组织焊点的无铅焊料，其中，所述无铅焊料由SnBi和SnAgCu按照1：2至2：1的比例混合，并加上助焊剂/膏混合配制而成。
所述的可形成均匀组织焊点的无铅焊料，其中，所述低温焊锡粉和高温焊锡粉的粒径均为5~100μm。较佳实施例中，所述低温焊锡粉和高温焊锡粉的粒径优选为25-45μm.
一种如上所述的无铅焊料的焊接方法，其中，所述焊接方法为：将配制的无铅焊料涂覆于被焊器件上，并加热至150~200℃的焊接温度融化无铅焊料，最后经冷却后实现被焊材料间的连接。
有益效果：本发明提供一种可形成均匀组织焊点的无铅焊料及其焊接方法，本发明的焊料实现了焊料无铅化，同时解决了当前传统无铅焊料熔点过高的问题，实现了无铅焊料的低温焊接，从而使本发明的无铅焊料能够应用于基于Sn-Pb共晶焊料发展起来的电子元器件材料的焊接，实现了对Sn-Pb共晶焊料的有效替代，使得本发明的无铅焊料在电子封装领域具有良好的应用前景。
附图说明
图1为对比例1中焊点整体组织结构图。
图2为对比例1中焊点晶体取向图。
图3为实施例1中焊点整体组织结构图。
图4为实施例1中焊点晶体取向图。
图5为实施例2中焊点整体组织结构图。
图6为实施例2中焊点晶体取向图。
具体实施方式
本发明提供一种可形成均匀组织焊点的无铅焊料及其焊接方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种可形成均匀组织焊点的无铅焊料，该无铅焊料由熔点温度在110-150℃的低温焊锡粉和熔点温度在210-230℃的高温焊锡粉按照3/1至1/3质量比例进行混合，并加上助焊剂/膏混合配制而成。所述低温焊锡粉和高温焊锡粉均为无铅焊锡粉。焊接温度设定为高于低温焊料熔点而低于高温焊料熔点。在焊接过程中，按照上述比例混合的无铅焊料中，低熔点焊料熔化，利用高熔点的无铅焊料作为骨架，在其上润湿铺展形成焊点，以此形成可以耐高温的焊点。并利用两种焊料的熔点差可获得组织均匀可控的多晶型焊点。
较佳实施例中，所述低温焊锡粉为SnBi、SnBiCu、SnBiAg、SnIn、SnInCu、SnInAg合金中一种或多种。所述低温焊锡粉中的成分占低温焊锡粉总量的质量百分比为Bi：45~65%，Ag：0~5%，In：40~60%，Cu：0~1%，粒径为5~100μm。40~60%含量的In使得低温焊锡粉具有较低的熔点。
较佳实施例中，所述高温焊锡粉为SnCu、SnAg、SnAgCu、SnAgCuNi中的一种或多种。其中，所述高温焊锡粉中的成分占高温焊锡粉总量的质量百分比为Ag：0~5%，Cu：0~1%，Ni：0~1%，粒径为5~100μm。
较佳实施例中，所述低温焊锡粉和高温焊锡粉的粒径优选为25-45μm。该粒径范围的低温焊锡粉和高温焊锡粉混合的无铅焊料所形成的焊点晶粒小，焊点组织均匀一致。
较佳实施例中，所述无铅焊料优选由SnBi和SnAgCu按照1：2至2：1的比例混合，并加上助焊剂/膏混合配制而成。
本发明还提供一种如上所述的无铅焊料的焊接方法，其中，所述焊接方法为：将配制的无铅焊料涂覆于被焊器件上，并加热至低温焊料熔点以上、高温焊料熔点以下150~200℃的焊接温度融化无铅焊料，最后经冷却后实现被焊材料间的连接。具体的，焊接时，将配置好的无铅焊料以涂覆、点胶或丝网印刷的方式涂于被焊元器件表面，焊接过程中，根据被焊接材料选择不同的焊接温度，焊膏中低熔点成分先熔化，然后在高熔点焊料上润湿铺展实现良好的连接，本发明在低温下焊接所得的焊点完全可以在高温条件下服役。并且本发明焊料形成的焊点为组织均匀的多晶型焊点，具有较好的电迁移抗性。另外本发明可通过控制高温焊料的颗粒大小来控制焊点的微观组织，本发明的高温颗粒尺寸越大，最后得到的焊点晶粒越大，因此通过调整高温焊锡粉颗粒大小来取到所需要的焊点晶粒大小。从而实现整个器件上的焊点组织的均匀一致，避免了个别焊点的提前失效导致器件的提前失效。
下面通过具体实施例进一步阐述本发明的方案。
对比例1
取颗粒尺度范围为25μm-45μm的Sn3.0Ag0.5Cu焊锡膏在250℃焊接2min，图1所示为其焊点整体组织结构图，图2所示为其晶体取向图（一种灰度代表一个晶体取向）。与实施例1-2中本发明锡膏形成的焊点晶体取向图相比，对比例1焊膏所获得的焊点晶粒粗大很多。
实施例1
取粒度尺度范围为25μm-45μm的Sn58Bi粉末60克和Sn1.0Ag0.5Cu粉末30克充分混合，然后添加10克的松香性助焊剂制成焊锡膏。将焊锡膏涂覆与电子元器件上，在180℃的条件下进行焊接。图3所示为其焊点整体组织结构图，图4所示为其晶体取向图（一种灰度代表一个晶体取向），从图3和图4可以看出用实施例1复合焊膏所获得的焊点晶粒相对于图2所示的对比例1而言，其焊点晶粒细小。
实施例2
取粒度尺度范围为20μm-38μm的Sn57Bi1Ag粉末55克和Sn3.0Ag0.5Cu粉末35克充分混合，然后添加10克的松香性助焊剂制成焊锡膏。将焊锡膏涂覆于电子元器件上，在180℃的条件下进行焊接。图5所示为焊点整体组织结构图，图6所示为其晶体取向图（一种灰度代表一个晶体取向），从图5和图6可以看出用实施例2复合焊膏所获得的焊点晶粒相对于图2所示的对比例1而言，其焊点晶粒细小。
实施例3：取粒度尺度范围为25μm-45μm的Sn57.6Bi0.4Ag粉末40克和Sn3.0Ag0.5Cu粉末50克充分混合，然后添加10克的松香性助焊剂制成焊锡膏。将焊锡膏涂覆于电子元器件上，在180℃的条件下进行焊接。
实施例4：取粒度尺度范围为25μm-45μm的Sn58Bi粉末60克和Sn1.0Ag0.5Cu粉末30克充分混合，然后添加10克的松香性助焊剂制成焊锡膏。将焊锡膏涂覆与电子元器件上，在150℃的条件下进行焊接。
实施例5：取粒度尺度范围为25μm-45μm的Sn58Bi粉末60克和Sn1.0Ag0.5Cu粉末30克充分混合，然后添加10克的松香性助焊剂制成焊锡膏。将焊锡膏涂覆与电子元器件上，在200℃的条件下进行焊接。
将实施例1-5与对比例1的焊点晶粒大小进行测定，其测定数据如表1所示。
表1、对比例1和实施例1-5的焊点晶粒大小
| 晶粒等效平均直径（μm） | |
| 实施例1 | 32 |
| 实施例2 | 24 |
| 实施例3 | 37 |
| 实施例4 | 28 |
| 实施例5 | 52 |
| 对比例1 | 126 |
从表1的统计数量可以看出，本发明产品所获焊点内晶粒小，数量多。而传统焊膏重熔后焊点内晶粒特别大，因而本发明焊料可形成组织均匀的多晶型焊点，从而具有更好的电迁移抗性。
本发明提供一种可形成均匀组织焊点的无铅焊料及其焊接方法，本发明的焊料实现了焊料无铅化，同时解决了当前传统无铅焊料熔点过高的问题，实现了无铅焊料的低温焊接，从而使本发明的无铅焊料能够应用于基于Sn-Pb共晶焊料发展起来的电子元器件材料的焊接，实现了对Sn-Pb共晶焊料的有效替代，使得本发明的无铅焊料在电子封装领域具有良好的应用前景。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (2)
1.一种可形成均匀组织焊点的无铅焊料，其特征在于，所述无铅焊料由熔点温度在110-150℃的低温焊锡粉和熔点温度在210-230℃的高温焊锡粉按照3/1至1/3质量比例进行混合，并加上助焊剂/膏混合配制而成；
所述低温焊锡粉按质量百分比包括：Sn58Bi；
所述低温焊锡粉和高温焊锡粉的粒径均为5~100μm；
所述无铅焊料在150~200℃的焊接温度下熔化，形成组织均匀的多晶型焊点；
所述高温焊锡粉按质量百分比包括：Sn1.0Ag0.5Cu。
2.一种如权利要求1所述的无铅焊料的焊接方法，其特征在于，所述焊接方法为：将配制的无铅焊料涂覆于被焊器件上，并加热至150~200℃的焊接温度熔化无铅焊料，最后经冷却后实现被焊材料间的连接。
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