CN113385853A - 一种低银高可靠无铅软钎料及其制备方法、应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低银高可靠无铅软钎料及其制备方法、应用,以质量百分比计,该无铅软钎料包括:Ag0.2‑0.6%、Cu0.5‑1.2%、Ni0.2‑0.5%、Bi3.5‑5.5%、Sb0.01‑0.1%、Sn余量;其中,Cu与Ni的含量配比为1.5‑2.5。本发明所述无铅软钎料具有熔点低、润湿性好、综合力学性能优异的优点,可以有效耐受运输和服役过程中外力冲击带来的影响。
Description
技术领域
本发明属于钎焊材料领域,尤其涉及一种低银高可靠无铅软钎料及其制备方法、应用。
背景技术
电子封装系统、结构和元器件不断朝轻薄微型化、手持便携化和功能多元化方向发展,从而导致焊点钎料处于日益复杂和严峻的服役环境中。传统Sn-Pb钎料的应用已经受到RoHS指令等立法和技术条件的限制,因此寻找合适的无铅钎料来替代Sn-Pb钎料就显得非常必要和迫切。
目前,替代Sn-Pb钎料的众多无铅钎料中,Sn-Ag-Cu无铅钎料凭借可焊性好、可靠性高和优异力学性能等优势而被公认为有铅钎料最理想的替代者,其主流型号有美国NEMI推荐的Sn-3.9Ag-0.6Cu(SAC396)、欧盟IDEALS推荐的Sn-3.8Ag-0.7Cu(SAC387)和日本JEIDA推荐的Sn-3.0Ag-0.5Cu(SAC305)无铅钎料。
然而,在上述几种主流的合金中,Ag的含量都不小于3.0%。众所周知,Ag是一种贵金属,存储量少,价格贵,近几年持续走高的国际市场Ag价格又大大提高了Sn-Ag-Cu无铅钎料的原料成本,原料成本的上升也导致了相应电子产品成本的提高。此外,高Ag含量的Sn-Ag-Cu无铅钎料在高温钎焊过后的凝固过程中容易产生大量的硬而脆的板条状Ag3Sn金属间化合物,在机械应力作用下,这些Ag3Sn脆性相往往成为裂纹源,从而导致钎料的耐跌落冲击性能显著下降。如此,在电子产品运输和服役过程中容易受到意外的颠簸、震动、碰撞和跌落,从而引入电子组装互连中由力学冲击引起的一种新的失效机制。在这一前提下,高Ag含量的Sn-Ag-Cu无铅钎料在这方面的问题将变得更为突出。
发明内容
基于上述技术问题,本发明提供了一种低银高可靠无铅软钎料及其制备方法、应用,该无铅软钎料具有熔点低、润湿性好、综合力学性能优异的优点,可以有效耐受运输和服役过程中外力冲击带来的影响。
本发明提出的一种低银高可靠无铅软钎料,以质量百分比计,该无铅软钎料包括:Ag 0.2-0.6%、Cu 0.5-1.2%、Ni 0.2-0.5%、Bi 3.5-5.5%、Sb 0.01-0.1%、Sn余量;其中,Cu与Ni的含量配比为1.5-2.5。
本发明所述钎料中,添加Ni在低银Sn-Ag-Cu基质中作为固溶元素,通过析出固溶增强相从而提高钎料的综合力学性能,这对于耐受颠簸、振动、碰撞和跌落等的外力作用是非常有效的。当添加的Ni不足0.2%时,Ni含量过少,析不出分散在低银Sn-Ag-Cu基质中的固溶增强相,进而也表现不出固溶增强的效果;但是当添加的Ni超过0.5%时,由于产生了较大粒径的固溶增强相,也无法在基质均匀分散,钎料合金变硬、变脆,外力冲击造成的裂纹生长变快,焊点更容易失效。
发明人进一步发现,Ni还能使钎料中的Cu6Sn5金属间化合物由针状或不规则形状变为球状,增加了液态钎料的流动性。并且只有当Cu与Ni的含量配比满足1.5-2.5时,Ni取代了Cu的位置,使得界面中金属间化合物由(CuxNi1-x)6Sn5的结构最大程度地转变为(NiyCu1-y)3Sn4的结构,由于(NiyCu1-y)3Sn4结构比(CuxNi1-x)6Sn5结构更加稳定,在长期外力冲击和界面反应下,钎料本体和界面附近的金属间化合物生长缓慢,不仅有利于提高焊点的可靠性,而且可以抑制自界面传播的裂纹的效果,从而有效耐受电子产品运输和服役过程中外力冲击带来的影响。
与此同时,本发明所述无铅软钎料中还含有3.5-5.5%的Bi。通过添加Bi,不仅可以降低钎料熔点,改善钎料润湿行为,而且可以促使Ni在Sn-Ag-Cu基质中固溶增强相的析出而得到析出分散增强型的钎料合金。虽然现有技术的研究发现,在Sn-Ag-Cu基质中当Bi添加量为3.0%时,润湿力达到最大值,继续添加Bi元素,钎料的润湿性开始降低,同时会导致塑性下降,造成焊点剥离(“Bi对Sn-0.3Ag-0.7Cu无铅钎料熔点及润湿性能的影响”,孙凤莲等,焊接学报,第29卷第10期),但本发明中添加超过3.0%的Bi,由于部分Bi可与Sb发生置换,从而和Sb同时析出分散增强型的金属间化合物,因此不仅可以保持钎料的润湿性,而且进一步增强钎料合金的焊点可靠性能,提高其对外力的耐受性。本发明中,当添加的Bi的量不足3.5%时,难以与Sb发生置换,微细金属间化合物的量变少,表现不出力学改善效果;而当添加的Bi的量超过5.5%时,软钎料合金自身塑性也将下降。
本发明所述无铅软钎料中还含有0.01-0.1%的Sb。由上可知,通过添加Sb形成微细的SnSb金属间化合物,如此,析出分散增强型的钎料合金得以进一步维持。并且Sb元素也可减缓在老化过程中的Cu6Sn5生长,避免老化过程中金属间化合物层过厚而变脆,提高钎料的抗老化性。当添加的Sb的量不足0.01%时,SnSb金属间化合物难以形成,而当添加的Sb的量超过0.1%时,SnSb金属间化合物容易粗大,将无法抑制外力冲击在钎料合金中的传播。
此外,本发明所述无铅软钎料中,适量Ag的添加不仅提高了钎料的润湿性,而且在软钎料基质中析出Ag3Sn的网络状的金属间化合物,实现综合性能改善的效果。
优选地,以质量百分比计,该无铅软钎料包括:Ag 0.3-0.5%、Cu 0.7-0.9%、Ni0.3-0.4%、Bi 4.0-5.0%、Sb 0.03-0.06%、Sn余量。
优选地,Cu与Ni的含量配比为2。
优选地,以质量百分比计,该无铅软钎料还包括:X 0.001-0.05%;X为P、Ga或Ge中的至少一种。
本发明中,通过添加微量的P、Ga、Ge元素可以抑制钎料合金与氧结合而产生金属氧化物,以此来提高钎料的抗氧化性和减少锡渣量。
优选地,以质量百分比计,该无铅软钎料还包括:P 0.001-0.01%。
优选地,以质量百分比计,该无铅软钎料还包括:Ga或Ge 0.001-0.02%。
本发明还提出一种上述低银高可靠无铅软钎料的制备方法,包括:
将Sn-Ag中间合金、Sn-Cu中间合金、Sn-Ni中间合金、Sn-Bi中间合金、Sn-Sb中间合金与纯Sn加入熔炼炉中熔炼混合均匀,得到所述无铅软钎料。
优选地,所述熔炼温度为480-560℃。
本发明同时提出一种电子器件,其是采用上述无铅软钎料将基板与电子元件钎焊制成。
本发明所述软钎料,当用于具有微少钎料量且较薄软钎料接合部的车载电子电路的钎焊时,可使钎料合金在接合界面处产生的裂纹受到抑制,具有特别适合于长时间耐受因撞击等外力冲击的影响。
附图说明
图1是实施例1所述钎料与Cu基板钎焊后钎焊接头界面横截面的显微形貌图。
图2是实施例1所述钎料与Cu基板钎焊后钎焊接头顶部的显微形貌图。
图3是SAC305与Cu基板钎焊后钎焊接头顶部的显微形貌图。
具体实施方式
下面,通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明,但是应该明确提出这些实施例用于举例说明,但是不解释为限制本发明的范围。
实施例1
本实施例所述无铅软钎料的化学组成见下表1,其制备方法具体包括:按照表1所述化学组成成分进行称量,将中间合金(Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ni、Sn-Bi、Sn-Sb)与剩余的Sn加入熔炼炉中,加热升温至480-560℃后,熔炼30-40min,再降至320-350℃后保温15-25min,冷却后即得到所述无铅软钎料。
实施例2-11
本实施例所述无铅软钎料的化学组成见下表1,其制备方法与实施例1相同。
对比例1-4
本对比例所述无铅软钎料的化学组成见下表1,制备方法与实施例1相同。
表1为实施例和对比例对应的无铅软钎料的化学组成成分:
性能测试:
将实施例和对比例制备的无铅软钎料进行性能对比测试,测试过程如下:
采用差示扫描量热仪测定无铅软钎料的合金熔化温度(液相线温度和固相线温度),钎料样品用量为10mg,高纯氮气作为保护气氛,在常温至150℃时升温速度设为10℃/min,在150-250℃时设为5℃/min。
参考标准GB/T 11364-2008,测试无铅软钎料在Cu基板上的铺展率,并以此来评价钎料的润湿性,选用40×40×1mm的单面覆铜板试片,钎料样品用量为150mg,测试温度为260℃。
参考标准GB/T 11363-2008,测试无铅软钎料的剪切强度,剪切速度为0.5mm/s,剪切距离为1mm,定位距离为175μm。
表2为实施例和对比例对应的无铅软钎料的性能测试结果:
参照表2可知,本实施的钎料熔点较低,改善了现有低银无铅软钎料熔点较高的问题。与此同时,本发明所述钎料的抗拉性能和抗剪强度都明显高于对比例,表现出优异的综合力学性能。铺展率则显示本发明实施例的钎料具有较好的润湿性。
将本发明实施例所述无铅软钎料采用回流炉进行多次回流焊试验,图1-3为两次回流后的钎料与铜焊盘钎焊后钎焊接头界面组织的形貌。由图1可知,界面处的金属间化合物晶粒尺寸细小其界面组织强度及韧性越好,因此在高应变速率载荷下不易发生脆性断裂。
跌落冲击实验:
跌落试验的方法是将钎焊后钎焊接头固定在跌落实验台上,缺口一侧向下放置,将跌落实验台抬升到0.5m高度后以重力加速度作垂直自由落体运动,下落到一个刚性基板上发生碰撞,重复操作,直至接头发生破坏,记录接头产生裂纹或者破坏时的跌落次数,作为钎焊接头抗跌落性能的指标,每种钎料钎焊接头跌落试样数为20个。
表3为实施例和对比例对应的无铅软钎料的抗跌落性能测试结果:
参照表3可知,本发明实施例所述钎焊接头的抗跌落性能显著优于对比例,说明了在高应变速率载荷条件下表现出较好的可靠性。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种低银高可靠无铅软钎料,其特征在于,以质量百分比计,该无铅软钎料包括:Ag0.2-0.6%、Cu 0.5-1.2%、Ni 0.2-0.5%、Bi 3.5-5.5%、Sb 0.01-0.1%、Sn余量;
其中,Cu与Ni的含量配比为1.5-2.5。
2.根据权利要求1所述低银高可靠无铅软钎料,其特征在于,以质量百分比计,该无铅软钎料包括:Ag 0.3-0.5%、Cu 0.7-0.9%、Ni 0.3-0.4%、Bi 4.0-5.0%、Sb 0.03-0.06%、Sn余量。
3.根据权利要求1或2所述低银高可靠无铅软钎料,其特征在于,Cu与Ni的含量配比为2。
4.根据权利要求1-3任一项所述低银高可靠无铅软钎料,其特征在于,以质量百分比计,该无铅软钎料还包括:X 0.001-0.05%;
X为P、Ga或Ge中的至少一种。
5.根据权利要求1-4任一项所述低银高可靠无铅软钎料,其特征在于,以质量百分比计,该无铅软钎料还包括:P 0.001-0.01%。
6.根据权利要求1-5任一项所述低银高可靠无铅软钎料,其特征在于,以质量百分比计,该无铅软钎料还包括:Ga或Ge 0.001-0.02%。
7.一种权利要求1-6任一项所述低银高可靠无铅软钎料的制备方法,其特征在于,包括:
将Sn-Ag中间合金、Sn-Cu中间合金、Sn-Ni中间合金、Sn-Bi中间合金、Sn-Sb中间合金与纯Sn加入熔炼炉中熔炼混合均匀,得到所述无铅软钎料。
8.根据权利要求7所述低银高可靠无铅软钎料的制备方法,其特征在于,所述熔炼温度为480-560℃。
9.一种电子器件,其特征在于,其是采用权利要求1-6任一项所述无铅软钎料将基板与电子元件钎焊制成。
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Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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