CN104588906A - 一种Sn-Cu高温无铅焊膏及其制备方法和使用方法 - Google Patents

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Abstract

为了解决目前尚无环保、低成本、高温工作环境下焊缝可靠性的焊料的问题，本发明提供了一种在高温下保持高强度的Sn-Cu高温无铅焊膏及其制备方法和使用方法，属于电子封装材料领域。该焊膏由锡、铜和松香型助焊剂组成；制备方法为，将锡粉，铜粉添加松香型助焊剂后，用混料机在1000～1800转/分钟速率下，机械混合10～15min，得到焊膏。本发明的高温无铅焊膏在空气中工作温度低于350℃时，焊缝剪切强度≥10MPa；如果在对焊件的热处理过程中从外界施加5～10MPa压力，焊缝剪切强度≥20MPa。使用该焊膏焊接的样品使用温度可高达400℃，焊缝剪切强度高，焊接工艺简单，性能稳定，且焊膏成本低。

Description

一种Sn-Cu高温无铅焊膏及其制备方法和使用方法
技术领域
本发明属于电子封装焊接技术领域，特别是涉及一种在高温下保持高强度的Sn-Cu高温无铅焊膏及其制备方法和使用方法。
背景技术
随着微电子工业的发展，电子元器件的工作环境温度越来越高，需要研发一系列环境友好的、性能可靠的高温焊接材料以适应微电子工业的发展。同时为了应对日益增长的高温电子元器件需求，新一代半导体如SiC、GaN和包装材料AlN、Si3N4已被广泛应用，但作为关键技术之一的电子封装用低成本、高性能的高温焊料的开发却进展缓慢。
目前市场上可提供的高温焊料有：铅锡焊料、金锡焊料、金锗焊料、铋银焊料、锌铝焊料、锡锌焊料和锡锑焊料。在这些焊料中焊缝能耐300℃高温而不熔化失效的焊料有Sn–95Pb、Sn–98Pb、Au–0.28at.％Ge、Zn–6Al和Zn–4Al–3Mg–3.2Ga。但是铅污染环境、金为贵金属、锌铝焊料不耐腐蚀且界面润湿性能差，它们的使用均受到了很大限制。因此环保、低成本、焊缝剪切强度高且使用温度在300℃以上的焊料是市场急需产品。然而目前市场上并不能提供该类产品。环保、低成本、高温工作环境下焊缝可靠性高是电子封装用高温焊料的发展方向，也是各国努力研发的关键技术。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，致力于研发环保、低成本的高温焊料，本发明提供了一种Sn-Cu高温无铅焊膏及其制备方法和使用方法。该种焊膏焊接温度250-300℃，焊接后焊缝在低于350℃的空气中剪切强度≥10MPa，并且如果在焊接过程中对焊件从外界施加一个压力，焊缝在低于350℃的空气中剪切强度≥20Mpa；焊接后，焊件的使用温度可高达400℃。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种Sn-Cu高温无铅焊膏，由锡粉、铜粉和松香型助焊剂组成；所述锡粉、铜粉和松香型助焊剂的质量百分比为(40％～60％)：(20％～40％)：(10％～20％)；较好的质量百分比为(50％～55％)：(30％～35％)：(10％～15％)；
为使焊膏中的金属粉末混合后堆积更加紧密以便于粒子间的充分反应，所述锡粉、铜粉均为球形或近球形；为增加反应表面积以便于粒子间的充分反应，所述锡粉、铜粉用细小的亚微米级粒子，具体的为锡粉1-5μm，铜粉0.1-1μm；较好的粒度范围为锡粉2-3μm，铜粉0.1-0.5μm；
所述松香型助焊剂为本领域普遍使用的品种，包含主成分松香和多种添加剂，如活性剂、触变剂等，松香为天然松香或改性松香，如歧化松香、氢化松香、马来松香、水白松香或聚合松香等；为使金属粒子在搅拌过程中混合在一起并产生相互作用而形成更紧密结合，该松香型助焊剂的粘度范围为1～10Pa·s，以使用多元醇为溶剂，粘度在6～10Pa·s的为最优。
上述Sn-Cu高温无铅焊膏的制备方法，包括如下步骤：
将锡粉和铜粉添加适量的松香型助焊剂后，用混料机在1000～1800转/分钟速率下，机械混合10～15min，得到Sn-Cu高温无铅焊膏；如果混合速度低于1000转/分钟，金属粉末与助焊剂会混合不均匀，如果高于1800转/分钟，混料中产生的热量会使溶剂挥发，从而使焊膏变为块状固体；同理，如果混合时间低于10min，金属粉末与助焊剂会混合不均匀，如果高于15min，混料中产生的热量会使溶剂挥发，从而使焊膏变为块状固体；
其中，所述锡粉、铜粉和松香型助焊剂的加入质量百分比为(40％～60％)：(20％～40％)：(10％～20％)，锡粉、铜粉和松香型助焊剂较优的加入质量比为(50％～55％)：(30％～35％)：(10％～15％)；
所述锡粉、铜粉均为球形或近球形，锡粉、铜粉的粒径分别为1-5μm，0.1-1μm；锡粉、铜粉较优粒径分别为2-3μm，0.1-0.5μm；
所述松香型助焊剂的粘度范围为1～10Pa·s，较优的粘度范围为6～10Pa·s。
本发明还提供了上述Sn-Cu高温无铅焊膏的使用方法：
(1)焊接时，将该焊膏均匀涂抹在焊件上，在氩气或氮气等惰性气体气氛中250-300℃热处理1～6h，即能将焊件焊接在一起，焊接结束后焊缝处生成Sn-Cu金属间化合物Cu6Sn5、Cu3Sn或其混合物；经测试，在空气中，低于350℃时焊缝剪切强度≥10MPa；
或者，(2)为了使焊缝更为牢固，焊接时，将该焊膏均匀涂抹在焊件上，在氩气或氮气等惰性气体气氛中250-300℃热处理1～6h的同时，对涂抹焊膏区域施加压强为5～10MPa的压力，即能将焊件焊接在一起，焊接结束后焊缝处生成Sn-Cu金属间化合物Cu6Sn5、Cu3Sn或其混合物；经测试，在空气中，低于350℃时焊缝剪切强度≥20Mpa；
经上述焊膏焊接后，焊件的使用温度可高达400℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、用本发明的Sn-Cu高温焊膏焊接金属材料时，焊接过程中有液相金属(Sn)产生，焊接结束时液相金属消失并产生金属间化合物，普通焊接时金属间化合物主要为多孔层Cu6Sn5和致密层Cu3Sn；当焊接时用热压机对焊件的涂抹焊膏区域施加压强为5～10MPa的压力，上述金属间化合物中的Cu6Sn5层向Cu3Sn发生变化，并且机械性能达到大幅提高；Cu6Sn5和Cu3Sn熔点分别为415℃和676℃，如图2所示，从而保证该合金材料在400℃不会融化。
2、本发明焊膏的焊接温度为250-300℃，采用本焊膏焊接焊件后，焊缝在工作温度低于400℃时不会熔化失效，焊缝可经受高达400℃的高温工作环境。
3、采用本发明焊膏焊接，在空气中温度低于350℃时，焊缝剪切强度≥10MPa；如果在对焊件的热处理过程中从外界施加5～10MPa压力，在空气中温度低于350℃时，焊缝剪切强度≥20MPa。
4、本发明的高温焊膏实现了焊料合金化与焊接过程的统一，且为无铅锡基焊膏，环保、成本低、耐腐蚀、界面润湿性能好。
5、本高温焊膏的制备方法，采用的是金属粉末直接混合的方式，不需要金属熔融成合金再雾化的方式，不仅使得制备方法简单，而且有助于降低焊接温度，当焊膏达到锡熔解的温度即可焊接。
6、本高温焊膏采用直径为0.1-1μm的球形或近球形铜粉，其目的是小颗粒的球形或近球形铜粉在反应中的表面积较大，能够与融化的锡在高温下反应更充分。
7、本高温焊膏采用的助焊剂的粘度为1-10Pa·s，其目的是将金属粒子通过相互作用紧密结合在一起，从而使铜锡反应更充分。
8、本高温焊膏特别适用于组装SiC等耐高温材料的新型电子元件。
附图说明
图1铜锡合金相图；
图2实施例6焊缝材料的DSC分析曲线；
图3实施例6焊缝成分显微组织照片，
其中，A为焊件在氩气气氛中250～300℃热处理3h后的焊缝；B为焊件在氩气气氛中250～300℃热处理3h同时对焊件向涂抹焊膏区域施加压强为10MPa的压力后的焊缝。
具体实施方式
高速混料机：日本THINKY公司，型号AR-100；
万能力学试验机：日本SHIMADZU公司，型号FL-100KN，N178901；
含天然松香的助焊剂、含水白松香的助焊剂购自深圳市永泰锡业有限公司；含歧化松香的助焊剂、马来松香的助焊剂购自日本荒川化学公司；含氢化松香的助焊剂购自青岛英太克锡业科技有限公司。
实施例1
将球形或近球形粒度为0.1μm的铜粉、粒度为1μm的锡粉，加入粘度为1Pa·s松香型助焊剂，通过高速混料机在1000转/分钟速率下，机械混合15min，得到所需焊膏；该焊膏各成分质量百分比为，铜：锡：歧化松香助焊剂40％:40％:20％。
取2组紫铜片焊件，分别将上述制备的焊膏均匀涂抹在这2组紫铜片焊件上；A组在氩气气氛中250～300℃热处理2h，随炉冷却；B组在氩气气氛中250～300℃热处理2h，同时用热压机对焊件向涂抹焊膏区域施加压强为5MPa的压力，随炉冷却；
取出焊件，在空气中用万能力学试验机测试焊接样品的焊缝在350℃的剪切强度，A组焊缝剪切强度10.2MPa，B组焊缝剪切强度20.3MPa；2组焊件的使用温度均为400±5℃。
实施例2
将球形或近球形粒度为1μm的铜粉、粒度为5μm的锡粉，加入粘度为8Pa·s的松香型助焊剂，通过高速混料机在1800转/分钟速率下，机械混合10min，得到所需焊膏；该焊膏各成分质量百分比为，铜：锡：歧化松香助焊剂为20％:60％:20％。
取2组紫铜片焊件，分别将上述制备的焊膏均匀涂抹在2组紫铜片焊件上；A组在氮气气氛中250～300℃热处理1h；B组在氮气气氛中250～300℃热处理1h，同时用热压机对焊件向涂抹焊膏区域施加压强为6MPa的压力；
取出焊件，在空气中用万能力学试验机测试焊接样品的焊缝在350℃的剪切强度，A组焊缝剪切强度11.1MPa，B组焊缝剪切强度21.5MPa；2组焊件的使用温度均为400±5℃。
实施例3
将球形或近球形粒度为0.2μm的铜粉、粒度为2μm的锡粉，加入粘度为3Pa·s松香型助焊剂，通过高速混料机在1500转/分钟速率下，机械混合12min，得到所需焊膏；该焊膏各成分质量百分比为，铜：锡：天然松香助焊剂为35％:50％:15％。
取2组紫铜片焊件，分别将上述制备的焊膏均匀涂抹在2组紫铜片焊件上；A组在氩气气氛中250～300℃热处理6h；B组在氩气气氛中250～300℃热处理6h，同时用热压机对焊件向涂抹焊膏区域施加压强为7MPa的压力；
取出焊件，在空气中用万能力学试验机测试焊接样品的焊缝在350℃的剪切强度，A组焊缝剪切强度12.3MPa，B组焊缝剪切强度22.7MPa；2组焊件的使用温度均为400±5℃。
实施例4
将球形或近球形粒度为0.1～0.25μm的铜粉、粒度为2～2.5μm的锡粉，加入粘度为9～10Pa·s松香型助焊剂，通过高速混料机在1000～1800转/分钟速率下，机械混合10～15min，得到所需焊膏；该焊膏各成分质量百分比为，铜：锡：氢化松香助焊剂为(32～34％):(53～55％):(11～13％)。
取2组紫铜片焊件，分别将上述制备的焊膏均匀涂抹在2组紫铜片焊件上；A组在氩气气氛中250～300℃热处理1～3h；B组在氩气气氛中250～300℃热处理1～3h，同时用热压机对焊件向涂抹焊膏区域施加压强为5～10MPa的压力；
取出焊件，在空气中用万能力学试验机测试焊接样品的焊缝在350℃的剪切强度，A组焊缝剪切强度13～14.5MPa，B组焊缝剪切强度23～24MPa；2组焊件的使用温度均为400±5℃。
实施例5
将球形或近球形粒度为0.3μm的铜粉、粒度为3μm的锡粉，加入粘度为9Pa·s松香型助焊剂，通过高速混料机在1800转/分钟速率下，机械混合15min得到所需焊膏；该焊膏各成分质量百分比为，铜：锡：水白松香助焊剂为35％:55％:10％。
取2组紫铜片焊件，分别将上述制备的焊膏均匀涂抹在2组紫铜片焊件上；A组在氩气气氛中250～300℃热处理4h；B组在氩气气氛中250～300℃热处理4h，同时用热压机对焊件向涂抹焊膏区域施加压强为8MPa的压力；
取出焊件，在空气中用万能力学试验机测试焊接样品的焊缝在350℃的剪切强度，A组焊缝剪切强度13.8MPa，B组焊缝剪切强度23.9MPa；2组焊件的使用温度均为400±5℃。
实施例6
将球形或近球形粒度为0.5μm的铜粉、粒度为3μm的锡粉，加入粘度为10Pa·s松香型助焊剂，通过高速混料机在1200转/分钟速率下，机械混合12min，得到所需焊膏；该焊膏各成分质量百分比为，铜：锡：马来松香助焊剂为30％:55％:15％。
取2组紫铜片焊件，分别将上述制备的焊膏均匀涂抹在2组紫铜片焊件上；A组在氩气气氛中250～300℃热处理3h；B组在氩气气氛中250～300℃热处理3h，同时用热压机对焊件向涂抹焊膏区域施加压强为10MPa的压力；
取出焊件，焊缝材料的DSC分析曲线见图2；在空气中用万能力学试验机测试焊接样品的焊缝在350℃的剪切强度，A组焊缝剪切强度13.2MPa，由图3A所示焊缝成分为Cu6Sn5和Cu3Sn；B组焊缝剪切强度24.4MPa，由图3B所示焊缝成分为Cu3Sn；2组焊件的使用温度均为400±5℃。
实施例7
将球形或近球形粒度为0.4～0.5μm的铜粉、粒度为2.5～3μm的锡粉，加入粘度为8～9Pa·s松香型助焊剂，通过高速混料机在1000～1800转/分钟速率下，机械混合10～15min，得到所需焊膏；该焊膏各成分质量百分比为，铜：锡：歧化松香助焊剂为(33～35％):(50～52％):(13～15％)。
取2组紫铜片焊件，分别将上述制备的焊膏均匀涂抹在2组紫铜片焊件上；A组在氩气气氛中250～300℃热处理3～6h，随炉冷却；B组在氩气气氛中250～300℃热处理3～6h，同时用热压机对焊件向涂抹焊膏区域施加压强为5～10MPa的压力，随炉冷却；
取出焊件，在空气中用万能力学试验机测试焊接样品的焊缝在350℃的剪切强度，A组焊缝剪切强度12～13.5MPa，B组焊缝剪切强度23～24.5MPa；2组焊件的使用温度均为400±5℃。
实施例8
将球形或近球形的粒度为0.2～0.4μm的铜粉、粒度为2～3μm的锡粉，加入粘度为7～8Pa·s松香型助焊剂，通过高速混料机在1000～1800转/分钟速率下，机械混合10～15min，混合均匀，得到所需焊膏；该焊膏各成分质量百分比为，铜：锡：歧化松香助焊剂为(31～33％):(51～53％):(14～16％)。
取2组紫铜片焊件，分别将上述制备的焊膏均匀涂抹在2组紫铜片焊件上；A组在氮气气氛中250～300℃热处理3～5h；B组在氮气气氛中250～300℃热处理3～5h，同时用热压机对焊件向涂抹焊膏区域施加压强为5～10MPa的压力；
取出焊件，在空气中用万能力学试验机测试焊接样品的焊缝在350℃的剪切强度，A组焊缝剪切强度13～14.5MPa，B组焊缝剪切强度23.5～25MPa；2组焊件的使用温度均为400±5℃。

Claims (10)

1.一种Sn-Cu高温无铅焊膏，其特征在于，由锡粉、铜粉和松香型助焊剂组成；所述锡粉、铜粉和松香型助焊剂的质量百分比为(40％～60％)：(20％～40％)：(10％～20％)。
2.根据权利要求1所述的一种Sn-Cu高温无铅焊膏，其特征在于，所述锡粉、铜粉和松香型助焊剂的质量百分比为(50％～55％)：(30％～35％)：(10％～15％)。
3.根据权利要求1所述的一种Sn-Cu高温无铅焊膏，其特征在于，所述锡粉、铜粉均为球形或近球形，锡粉粒径1-5μm，铜粉粒径0.1-1μm。
4.根据权利要求3所述的一种Sn-Cu高温无铅焊膏，其特征在于，所述锡粉粒径2-3μm，铜粉粒径0.1-0.5μm。
5.根据权利要求1所述的一种Sn-Cu高温无铅焊膏，其特征在于，所述松香型助焊剂粘度范围为1～10Pa·s。
6.根据权利要求1所述的一种Sn-Cu高温无铅焊膏，其特征在于，所述松香型助焊剂粘度范围为6～10Pa·s。
7.一种Sn-Cu高温无铅焊膏的制备方法，其特征在于，将锡粉、铜粉和松香型助焊剂混合，用混料机在1000～1800转/分钟速率下，机械混合10～15min，得到Sn-Cu高温无铅焊膏。
8.一种Sn-Cu高温无铅焊膏的使用方法，其特征在于，焊接时，将焊膏均匀涂抹在焊件上，通过热处理将焊件焊接在一起，焊接结束后焊缝处生成Sn-Cu金属间化合物Cu6Sn5、Cu3Sn或其混合物从而完成焊接；
或者，
为了使焊缝更为牢固，焊接时，将该焊膏均匀涂抹在焊件上，在热处理的同时，对涂抹焊膏区域施加压强为5～10MPa的压力，将焊件焊接在一起，焊接结束后焊缝处生成Sn-Cu金属间化合物Cu6Sn5、Cu3Sn或其混合物从而完成焊接。
9.根据权利要求8所述的一种Sn-Cu高温无铅焊膏的使用方法，其特征在于，所述的热处理是在惰性气体气氛中进行的；所述的惰性气体为氩气或氮气。
10.根据权利要求8所述的一种Sn-Cu高温无铅焊膏的使用方法，其特征在于，所述热处理方式为：热处理温度为250-300℃,热处理时间为1～6h。
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