CN112969549A

CN112969549A - 无铅焊料合金及其用途

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Publication number: CN112969549A
Application number: CN201980068590.2A
Authority: CN
Inventors: 安妮玛丽·劳聚特; 安瑞丽·杜可隆比尔; 马克·瓦里; 拉斐尔·佩西
Original assignee: Dehon SA
Current assignee: Dehon SA
Priority date: 2018-10-19
Filing date: 2019-10-17
Publication date: 2021-06-15
Also published as: WO2020079147A1; EP3867005A1; FR3087368A1; FR3087368B1

Abstract

本发明涉及一种无铅焊料合金，其组成成份按重量百分比包括：86％‑94％的锡(Sn)，5％‑10％的锑(Sb)和0.5％‑4％的铜(Cu)。

Description

无铅焊料合金及其用途

技术领域

本发明涉及一种无铅焊料合金组合物。

背景技术

在已知的方式中，为了加工电子元件或将电子元件彼此连接或将电子元件连接到电子板，常常使用含铅焊料合金，其具有约300℃的高熔点。但是由于法规的限制，此种以铅为主的合金不能再使用了。为了替代上述合金，已知地使用锡-银-铜合金，其简称为“SAC合金”。特别地，已知SAC305合金，其包括重量百分比约3％的银和重量百分比约0.5％的铜，并且具有217℃-220℃的熔化温度。

在超过150℃的工作温度下，这种SAC305合金的性能不如含铅合金。在石油、航空、汽车和其他领域中经常达到这样的工作温度。此外，这种SAC305合金在面临-40℃-+150℃的热冲击时表现得不是很稳健。因此，有必要寻求一种合金，其在200℃以下或理想地在230℃以下不会再熔化，并且在热循环、导电性和导热性和机械强度方面与含铅合金一样可靠。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种具有良好可靠性的焊料合金，以用于诸如波峰焊、回流焊、浸焊、线焊和选择性焊接的各种焊接工艺。

为此，本发明涉及一种无铅焊料合金，其组成成份按重量百分比包括：86％-94％的锡(Sn)，5％-10％的锑(Sb)，和0.5％-4％，优选地1％-4％的铜(Cu)。

优选地，所述无铅焊料合金的组成成份按重量百分比包括：88％-94％的锡(Sn)，6％-9％的锑(Sb)，和0.5％-2.5％的铜(Cu)。

更优选地，所述无铅焊料合金的组成成份按重量百分比包括：88％-93％的锡(Sn)，6％-9％的锑(Sb)，和1％-3％的铜(Cu)。

有利地，此焊料合金对于实施回流工艺而言具有最佳的熔化温度和相位图。与常规的SAC合金(锡银铜合金)相比，此焊料合金的机械强度提高了50％以上，润湿性能提高，并且热导率提高。有利地，根据本发明制造的无铅焊料合金的成本被显著降低，优选地降低了约50％。优选地，导热性大于60W.m^-1.K^-1，优选地在60W.m^-1.K^-1至65W.m^-1.K^-1之间。优选地，润湿性小于25°。

优选,所述无铅焊料合金的组成成份仅包括：锡(Sn)、锑(Sb)和铜(Cu)。

优选地，所述无铅焊料合金的组成成份按重量百分比包括：90％-92％的锡(Sn)，7％-8％的锑(Sb)，和1％-2％的铜(Cu)。

根据本发明的一个方面，所述无铅焊料合金的组成成份按重量百分比包括:90％-92％的锡(Sn)。

根据本发明的另一方面，所述无铅焊料合金的组成成份按重量百分比包括：7％-8％的锑(Sb)。

根据本发明的另一方面，所述无铅焊料合金的组成成份按重量百分比包括：1％-2％的铜(Cu)。

优选地，所述无铅焊料合金的组成成份按重量百分比包括：90.6％-91.4％的锡(Sn)，7.3％-7.7％的锑(Sb)，和1.3％-1.7％的铜(Cu)。

优选地，所述无铅焊料合金的组成成份按重量百分比包括：90.5％-91.5％的锡(Sn)，7.3％-7.7％的锑(Sb)，和1.3％-1.7％的铜(Cu)。

本发明还涉及一种复合焊料合金，其包括如上所述的无铅焊料合金和重量百分比为5％-25％的银或铜颗粒。优选地，所述复合焊料合金仅由无铅焊料合金和银或铜颗粒组成。这种复合焊料合金提供了改良的导热性和导电性。

优选地，所述银或铜颗粒的尺寸在1微米至30微米之间。

本发明还涉及将如上所述的合金使用在电子元件回流工艺中。

本发明还涉及如将上所述的合金用于通过糊状形式将电子元件封装件和/或表面安装器件(SMD)焊接到衬底上。

具体实施方式

本发明提供了一种焊料合金，所述焊料合金用于波峰焊、选择性焊接，尤其用于电子元件的回流焊接工艺。此种合金也可用于制造或连接电子元件，尤其是半导体。

根据本发明，提供了一种无铅焊料合金，其组成成份按重量百分比包括：

-86％-94％的锡(Sn)，

-5％-10％的锑(Sb)，和

-1％-4％的铜(Cu)。

有利地，熔化温度为220℃-340℃。

优选地，所述无铅焊料合金的组成成份按重量百分比包括：

-88％-94％的锡(Sn)，

-6％-9％的锑(Sb)，和

-0.5％-2.5％的铜(Cu)。

优选地，所述无铅焊料合金的组成成份按重量百分比包括：

-88.5％-93.5％的锡(Sn)，

-6％-9％的锑(Sb)，和

-0.5％-2.5％的铜(Cu)。

这种焊料合金的熔点为220℃-310℃，并且具有非常好的机械性能、电性能和润湿性能。此外，由于不含铅，使得其符合新的环保标准。

更优选地，所述无铅焊料合金的组成成份按重量百分比包括：

-88％-93％的锡(Sn)，

-6％-9％的锑(Sb)，和

-1％-3％的铜(Cu)。

有利地，熔化温度为220℃-300℃。

优选地，所述无铅焊料合金的组成成份按重量百分比包括：

-90％-92％的锡(Sn)，

-7％-8％的锑(Sb)，和

-1％-2％的铜(Cu)。

优选地，所述无铅焊料合金的组成成份按重量百分比包括：

-90％的锡(Sn)，

-8％的锑(Sb)，和

-2％的铜(Cu)。

有利地，熔化温度为220℃-250℃。

优选地，所述无铅焊料合金的组成成份按重量百分比包括：

-90％的锡(Sn)，

-9％的锑(Sb)，和

-1％的铜(Cu)。

有利地，熔化温度为220℃-240℃。

-90.5％-91.5％的锡(Sn)，

-7.3％-7.7％的锑(Sb)，和

-1.3％-1.7％的铜(Cu)。

-90.6％-91.4％的锡(Sn)，

-7.3％-7.7％的锑(Sb)，和

-比1.3％-1.7％的铜(Cu)。

所述焊料合金的熔化温度和相位图最适合实施回流工艺。与常规的SAC合金(锡银铜合金)相比，所述焊料合金的机械强度提高了50％以上，润湿性能提高，并且导热性提高。有利地，根据本发明制造的合金的成本被显著降低，优选地降低了约50％。

本发明的合金在石英管中制造，该石英管在真空下密闭以避免合金被氧化，然后在氧化铝坩埚中制造。在坩埚中称重后，高纯度元素Sn(99.949％)、Sb(99.76％)和Cu(99.99％)被引入和混合，然后将其置于370℃的电阻炉中。

为了确保合金的化学组成符合预期目的，先根据两种技术对其进行分析：X射线荧光(XRF)和扫描电子显微镜(SEM)中的能量色散光谱(EDS)。XRF分析是在装有铑管的BrukerS4 Explorer上在50kV的加速电压下进行的。扫描区域的圆柱直径为18mm，深度约为5微米。使用与电子背散射衍射(EBSD)检测器和XMax 50mm² SDD EDS检测器耦合的JEOL 7001F LVSEM场发射枪观察到了微观结构。高能X射线衍射环法也已在格勒诺布尔(Grenoble)的欧洲同步辐射实验室(European Synchrotron Radiation Facility，ESRF)中使用。

然后，使用DSC分析来确定在30μl圆柱形铝坩埚中质量约为50mg的样品中的固相线和液相线温度以及熔化热量。所述测试循环包括两次加热和冷却运行，运行速度分别为20℃和350℃，速率为5℃/min。有利地，所述合金在-40℃至+150℃之间显示出良好的耐热冲击性。

润湿性测量是用润湿天平进行的。为了实施该方法，将衬底的矩形板以设定的深度浸入熔融的焊料中，并在测试过程中测量力。测试前每个样品的制备程序包括：用丙酮清洗/脱脂，然后用2％的硝酸水溶液蚀刻，用蒸馏水冲洗，最后浸入AR(活化的松香)流(英业达(Inventec)的ECOFREC TM CMA 185))中。

液体在表面上扩散的能力体现为衬底表面与置放在表面上的液滴之间的夹角。夹角越小，润湿性越好。如果润湿性大于90°，则润湿性为零。根据本发明，本案的润湿角被锁定在20°(对于SAC305，在25°至35°之间)。

所述合金已制成用于拉伸测试的圆柱形测试件(根据ISO 6892)，所述圆柱形测试件直接在不锈钢模具中铸造完成。导热性已通过热盘法进行了测量。螺旋镍传感器放置在被测合金的两个圆柱形样品之间。这些高10mm、直径35mm的样品具有一平坦的表面，以改善与传感器的接触。该传感器实现加热的第一功能和测量的第二功能。对于此类测量，样品大小与样品的预期导热性直接相关。

拉伸测试是通过装5kN称重传感器和25mm引伸计的拉伸测试机进行的，应变率为3.10^-2s^-1(0.75mm/min)。

机械性能通过室温下的三个显微硬度拉伸测试来确定。对于这种合金，其显微硬度在维氏硬度压头为10N的载荷下已达到10秒。锡和SAC 05的平均值约为23HV，而非6HV和18HV。机械性能与SAC305类似，但没有硬化。有利地，最大伸长率小于35％，优选地为34％左右，对于常规的SAC合金，最大伸长率为38％左右。根据本发明制造的合金之机械强度大于60MPa，优选地为约70MPa，其大于常规SAC合金的约50MPa的机械强度。

通过热盘法测定导热性λ，由于其确保了良好的电流感应散热，导热性是微电子学中焊料合金的主要参数之一，因为。优选地，导热性大于60W.m^-1.K^-1，优选地在60W.m^-1.K^-1与65W.m^-1.K^-1之间。平均值为63.60W.m^-1.K^-1，其中0.05W.m^-1.K^-1的标准偏差是通过对同一样品进行三次测量后获得的。

尽管特别优选用作焊膏，但所述合金可作为导线零件用于波峰焊、选择性焊接、浸焊，以便SMD的放置和膏中膏应用。

优选地，该合金被封装为棒、预成型件、锭、粉末、焊膏或焊糊。

可选地，为了使焊料更导热和导电，特别是为了促进接合处的散热，建议将本发明的合金与尺寸在1微米至30微米之间的银或铜颗粒混合，以形成复合合金。优选地，银或铜颗粒的添加量为混合物重量百分比的5％至25％。这些银或铜颗粒有助于增加导热性和导电性，从而尤其有利于与电子元件连接处的散热。

Claims

1.一种无铅焊料合金，其特征是，其组成成份按重量百分比包括：

86％-94％的锡(Sn)，

5％-10％的锑(Sb)，和

0.5％-4％，优选地1％-4％的铜(Cu)。

2.根据权利要求1所述的无铅焊料合金，其特征是，其组成成份按重量百分比包括：

88％-94％的锡(Sn)，

6％-9％的锑(Sb)，和

0.5％-2.5％的铜(Cu)。

3.根据权利要求1所述的无铅焊料合金，其特征是，其组成成份按重量百分比包括：

88％-93％的锡(Sn)，

6％-9％的锑(Sb)，和

1％-3％的铜(Cu)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的无铅焊料合金，其特征是，其组成成份仅包括锡(Sn)、锑(Sb)和铜(Cu)。

5.根据权利要求1所述的无铅焊料合金，其特征是，其组成成份按重量百分比包括：

90％-92％的锡(Sn)，

7％-8％的锑(Sb)，和

1％-2％的铜(Cu)。

6.根据权利要求1所述的无铅焊料合金，其特征是，其组成成份按重量百分比包括：90％-92％的锡(Sn)。

7.根据权利要求1所述的无铅焊料合金，其特征是，其组成成份按重量百分比包括：7％-8％的锑(Sb)。

8.根据权利要求1所述的无铅焊料合金，其特征是，其组成成份按重量百分比包括：1％-2％的铜(Cu)。

9.根据权利要求1所述的无铅焊料合金，其特征是，其组成成份按重量百分比包括：

90.6％-91.4％的锡(Sn)，

7.3％-7.7％的锑(Sb)，和

1.3％-1.7％的铜(Cu)。

10.一种复合焊料合金，其特征是，包括：

根据权利要求1至9中任一项所述的无铅焊料合金，和

重量百分比为5％-25％的银或铜颗粒。

11.根据权利要求10所述的复合焊料合金，其特征是，所述银或铜颗粒的尺寸在1微米至30微米之间。

12.一种合金用途，其特征是，所述合金为权利要求1至9中任一项所述的合金，所述合金用于电子元件回流工艺中。

13.一种合金用途，其特征是，所述合金为权利要求1至9中任一项所述的合金，所述合金用于通过糊状形式将电子元件封装件和/或表面安装器件(SMD)焊接到衬底上。