CN105033497A

CN105033497A - 一种Sn-Ag-Ti-Ce低温活性钎料

Info

Publication number: CN105033497A
Application number: CN201510480940.XA
Authority: CN
Inventors: 唐宇; 李国元; 骆少明; 王克强
Original assignee: Zhongkai University of Agriculture and Engineering
Current assignee: Zhongkai University of Agriculture and Engineering
Priority date: 2015-08-07
Filing date: 2015-08-07
Publication date: 2015-11-11

Abstract

本发明公开了一种Sn-Ag-Ti-Ce低温活性钎料，包括下述质量百分比的各原料组分：Ag？3.5~4.0%，Ti？3.1~4.1%，Ce？0.01~0.2%，其余为Sn。本发明的钎料能在低于450℃的温度下与Al₂O₃陶瓷活性钎焊，与普通钎料相比，其在Al₂O₃陶瓷基板上的润湿角和焊点界面劣性金属间化合物厚度更低，焊点抗剪强度显著提高，焊接性能更优异。

Description

一种Sn-Ag-Ti-Ce低温活性钎料

技术领域

本发明涉及焊接材料领域，尤其涉及一种Sn-Ag-Ti-Ce低温活性钎料。

背景技术

我国科技工作者在中温和高温活性钎焊技术方面做了大量的研究工作，取得了很好的成果，对国民经济的发展起到了很大的推动作用，然而低温活性钎焊技术研究很少。虽然中高温活性钎料能用于满足金属-陶瓷组件在一些苛刻条件下的要求，例如高温条件下的要求，但是在很多条件下，特别是微电子和光电子器件的封装，组件的服役温度比较低且要求不同材料封接后产生的热应力小，因此开发低温活性钎焊技术对我国发展大功率器件封装是当务之急。另外随着电子工业的高速发展，各种性能优越的其它新型介质材料如高氧化铝瓷、宝石、透明氧化铝瓷、BeO瓷、BN瓷以及人造金刚石等的使用，陶瓷-金属封接技术已经深入到半导体与集成电路等其它电子学多种技术领域。但是，要使陶瓷作为电子封装材料来使用，必须实现陶瓷与金属、合金等的有效封接。其中，陶瓷的活性金属钎焊法以其使用范围广、连接强度高等优点而备受青睐。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在较低温度下具有良好焊接性能的Sn-Ag-Ti-Ce低温活性钎料。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下方案实现：

一种Sn-Ag-Ti-Ce低温活性钎料，包括下述质量百分比的各原料组分：Ag3.5~4.0%，Ti3.1~4.1%，Ce0.01~0.2%，其余为Sn。

目前研究的活性元素主要集中在第Ⅱ、第Ⅲ副族，如Ti、Zr、Hf、V、Nb及Ta等。由于Ti具有耐腐蚀性能好、耐热性能好、耐低温定能好等特点，被广泛应用于活性钎料中。初步探索陶瓷与金属活性连接的机理表明，钎料中活性元素Ti的添加能与陶瓷反应形成液态钎料润湿的反应层，从而实现陶瓷与金属之间化学结合，实现良好的连接。但是，活性元素Ti容易在空气氧化，掺杂稀土元素，如Ce，可在某种程度上抑制活性元素Ti的氧化。基于此，本技术方案的特点是将活性元素Ti和系统元素Ce加入到Sn-Ag钎料合金中，一方面提高了钎料的润湿性，另一方面提高了焊接接头的机械性能。

优选地，所述Ce的质量百分比为0.02~0.1%。

优选地，所述Ag的质量百分比为3.6%，所述Ti的质量百分比为4.0%。

所述Sn-Ag-Ti-Ce低温活性钎料的制备步骤具体为：按配比将原料在真空或氮气保护下直接混合熔炼，直至所有材料全部融化。在制备时，熔炼的最高温度要以所有金属能够全部熔化为准，否则会引起钎料的化学组成或金相组织不均匀，影响钎料的性能。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）本发明Sn-Ag-Ti-Ce活性钎料能在低于450℃的温度下与Al₂O₃陶瓷活性钎焊，测得Sn-Ag-Ti-Ce活性钎料在Al₂O₃陶瓷基板上的润湿角为15.1~25.3⁰。所得焊点界面劣性金属间化合物厚度为1.42~1.82μm，其焊点抗剪强度为24.9~31.4MPa，与普通钎料相比，焊接性能更优异；

（2）本发明提供的钎料实现陶瓷与其它材料的有效封接，可以用于微电子和光电子器件的封装，其应用领域广阔。

具体实施方式

为了让本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合对本发明作进一步阐述。

实施例1

一种Sn-Ag-Ti-Ce低温活性钎料，包括下述质量百分比的各原料组分：Ce0.01%，Ag3.5%，Ti3.1%其余为Sn，通过直接熔炼法制备Sn-3.5Ag-3.1Ti-0.01Ce钎料。

实施例2

一种Sn-Ag-Ti-Ce低温活性钎料，包括下述质量百分比的各原料组分：Ce0.2%，Ag4.0%，Ti4.1%，其余为Sn，通过直接熔炼法制备Sn-4.0Ag-4.1Ti-0.2Ce钎料。

实施例3

一种Sn-Ag-Ti-Ce低温活性钎料，包括下述质量百分比的各原料组分：Ce0.02%，Ag3.6%，Ti4.0%，其余为Sn，通过直接熔炼法制备Sn-3.6Ag-4.0Ti-0.02Ce钎料。

实施例4

一种Sn-Ag-Ti-Ce低温活性钎料，包括下述质量百分比的各原料组分：Ce0.1%，Ag3.6%，Ti4.0%，其余为Sn，通过直接熔炼法制备Sn-3.6Ag-4.0Ti-0.1Ce钎料。

实施例5

一种Sn-Ag-Ti-Ce低温活性钎料，包括下述质量百分比的各原料组分：Ce0.05%，Ag3.6%，Ti4.0%，其余为Sn，通过直接熔炼法制备Sn-3.6Ag-4.0Ti-0.05Ce钎料。

对比例1

除了Ce的质量百分比为0.005%，Ag3.5%，Ti3.1%，其余为Sn外，其它条件同实施例1。

对比例2

除了Ce的质量百分比为0.3%，Ag4.0%，Ti4.1%，其余为Sn外，其它条件同实施例2。

对比例3

除了Ce的质量百分比为0.01%，Ag3.5%，Ti2.1%，其余为Sn外，其它条件同实施例1。

对比例4

除了Ce的质量百分比为0.2%，Ag4.0%，Ti5.1%，其余为Sn外，其它条件同实施例2。

对比例5

除了Ce的质量百分比为0.01%，Ag3.0%，Ti3.1%，其余为Sn外，其它条件同实施例1。

对比例6

除了Ce的质量百分比为0.2%，Ag4.5%，Ti4.1%，其余为Sn外，其它条件同实施例2。

对实施例1~5和对比例1~6进行熔点、润湿角、界面金属间化合物厚度、抗拉强度等测试；

1、润湿角测试为将炼好的活性钎料制成半径为1mm的小球，使用表面接触角测试仪进行测试；

2、焊点界面劣性金属间化合物厚度测试为将熔炼好的活性钎料置于Al₂O₃陶瓷基板上，经加热平台（250℃）后，形成良好焊点后测量界面劣性金属间化合物的生长厚度；

3、采用PTR-1100型接合强度测试仪，对焊点进行剪切强度测试。

结果如下表：

项目	润湿角（°）	焊点界面劣性金属间化合物厚度（μm）	焊点抗剪强度（MPa）
				实施例1	18.4	1.63	27.6
实施例2	19.6	1.78	25.8
				实施例3	16.5	1.51	30.8
实施例4	17.2	1.57	29.5
				实施例5	15.1	1.42	31.4
对比例1	18.9	1.72	26.1
				对比例2	20.4	1.82	24.9
对比例3	25.3	1.79	25.9
				对比例4	19.3	1.77	25.7
对比例5	20.7	1.59	28.2
				对比例6	19.3	1.79	25.3

实施例1~5所制备的钎料均能达到优异的焊接性能，其中，以实施例5所制备的焊料的焊接性能最为优异。对比例1和对比例2中改变了Ce的含量，使得Ti在空气中更易发生氧化，从而导致钎料的焊接性能下降；对比例3和4中改变了Ti的含量，影响了反应过程中液态钎料润湿反应层的形成，使得陶瓷与金属之间化学结合变弱；对比例5中，Ag含量的改变虽然使得界面劣性金属间化合物厚度降低、抗剪强度升高，但润湿性变差；对比例6与实施例2对比整体性能变化不大，但是Ag含量提高了，导致成本上升。综合来看，本发明用量范围最优。

上述实施例仅为本发明的其中具体实现方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些显而易见的替换形式均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种Sn-Ag-Ti-Ce低温活性钎料，其特征在于，包括下述质量百分比的各原料组分：Ag3.5~4.0%，Ti3.1~4.1%，Ce0.01~0.2%，其余为Sn。

2.根据权利要求1所述的Sn-Ag-Ti-Ce低温活性钎料，其特征在于，所述Ce的质量百分比为0.02~0.1%。

3.根据权利要求1所述的Sn-Ag-Ti-Ce低温活性钎料，其特征在于，所述Ag的质量百分比为3.6%。

4.根据权利要求1所述的Sn-Ag-Ti-Ce低温活性钎料，其特征在于，所述Ti的质量百分比为4.0%。

5.根据权利要求1所述的Sn-Ag-Ti-Ce低温活性钎料，其特征在于，所述Sn-Ag-Ti-Ce低温活性钎料的制备步骤具体为：按配比将原料在真空或氮气保护下直接混合熔炼，直至所有材料全部融化。