CN114535860A - 一种Pr或Sm强化的Sn-58Bi无铅焊料 - Google Patents

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Abstract

一种Pr或Sm强化的Sn‑58Bi无铅焊料，其组分及其质量百分比为：Pr 0.5‑2wt.％或者Sm 0.1‑2wt.％，Bi 55‑60wt.％，余量为Sn。本发明的无铅焊料可以有效提高抗氧化性和润湿性，同时改善延展性和强度等机械性能，提高焊接质量，降低废品率，最终提高电子产品的质量，并降低生产成本。

Description

一种Pr或Sm强化的Sn-58Bi无铅焊料
技术领域
本发明属于无铅焊料技术领域，具体涉及一种用Pr或者Sm进行强化的Sn-58Bi无铅焊料。
背景技术
到目前为止，大量用于微电子封装及组装的焊料主要是传统的Sn-Pb系焊料。然而，电子产品、设备作为一般工业废弃物和生活垃圾被丢弃时，在自然环境中焊料中的Pb成分会溶解出来，侵入地下水，从而对环境和人类造成极大的危害。因此，近年来许多国家纷纷制定或正在制定法律、法规，限制含铅物质的使用，用无铅焊料替代传统的Sn-Pb系含铅焊料已成为全球微电子制造领域不可逆转的大趋势，积极寻找无毒无害的新型焊料也成为了当前电子行业的重要任务。Sn-58Bi共晶焊料作为较有潜力的焊料合金近两年来越来越受到研究者的关注。
相比目前最常用的Sn-Ag-Cu三元焊料，Sn-58Bi焊料凭借其熔点低，机械性能良好，润湿性好等优点成为了现在无铅焊料中最具有发展潜力的焊料。但是Sn-Bi合金中的Bi脆性大，合金焊点的稳定性较差，其延展性也小。所以想要更广泛成熟的应用还要做出更多的改进，因此目前Sn-58Bi焊料相对Sn-Ag-Cu焊料不具备竞争优势。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足之处，提供一种用Pr或者Sm强化的Sn-58Bi无铅焊料，以提高其抗氧化性和润湿性，同时改善延展性和强度等机械性能。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种Pr或Sm强化的Sn-58Bi无铅焊料，其特征在于，所述无铅焊料的组分及其质量百分比为：Pr 0.5-2wt.％或者Sm 0.1-2wt.％，Bi 55-60wt.％，余量为Sn。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过在Sn-58Bi无铅焊料中加入Pr或者Sm，在焊接过程中，Pr或者Sm首先发生氧化，形成致密的氧化膜包裹液态焊料，阻止焊料进一步氧化，从而改善了Sn-58Bi无铅焊料的抗氧化性能和润湿性。
2、添加Pr或者Sm后，可以细化焊料微观组织，抑制先共晶Bi的析出，抑制界面金属间化合物生长，从而降低焊料的脆性，提高焊点的强度。
3、本发明的无铅焊料可显著提高焊接质量，降低废品率，最终提高电子产品的质量，并降低生产成本。
附图说明
图1为Pr加入Sn-58Bi后的Sn-58Bi-xPr焊料的热重分析图；
图2为Pr加入Sn-58Bi后的Sn-58Bi-xPr焊料的焊点铺展面积图；
图3为Sm加入Sn-58Bi后的Sn-58Bi-xSm焊料的焊点铺展面积图；
图4为Sn-58Bi-xPr/Cu焊点的微观组织图；
图5为Sn-58Bi-xPr/Cu焊点的剪切强度测试结果；
图6为Sn-58Bi-xSm/Cu焊点的微观组织图；
图7为Sn-58Bi-xSm/Cu焊点的剪切强度测试结果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，所列举的实施例只是较佳的实施例，但本发明的保护范围不限于所列举的实施例。
实施例1
一种Pr强化的Sn-58Bi无铅焊料，其组分及质量百分比为：Pr＝1.5wt.％,Bi＝58wt.％,余量为Sn，采用现有技术的直接熔炼法或者分步熔炼法制成Sn-58Bi-1.5Pr合金焊料。
经性能测定表明，该无铅焊料的熔点与Sn-58Bi合金焊料基本相同；在175℃下焊接时，润湿性提高14.5％；将其制备为焊膏，通过模板印刷，焊接焊盘直径为2mm的圆点时，焊接强度可提高1.5％。
实施例2
一种Pr强化的Sn-58Bi无铅焊料，其组分及质量百分比为：Pr＝1.0wt.％,Bi＝58wt.％,余量为Sn，通过直接熔炼法或者分步熔炼法制成Sn-58Bi-1Pr合金焊料。
经性能测定表明，该无铅焊料的熔点与Sn-58Bi合金焊料基本相同；在175℃下焊接时，润湿性提高10.4％；将其制备为焊膏，通过模板印刷，焊接焊盘直径为2mm的圆点时，焊接强度可提高20.3％。
实施例3
一种Pr强化的Sn-58Bi无铅焊料，其组分及质量百分比为：Pr＝0.5wt.％,Bi＝58wt.％,余量为Sn，通过直接熔炼法或者分步熔炼法制成Sn-58Bi-0.5Pr合金焊料。经性能测定表明，在175℃下焊接时，润湿性提高8.3％；将其制备为焊膏，通过模板印刷，焊接焊盘直径为2mm的圆点时，焊接强度可提高5.9％。由实验结果看出，进一步降低Pr含量难以有效强化合金，同时由于工艺复杂化，焊料将不具有商业价值。
实施例4
一种Pr强化的Sn-58Bi无铅焊料，其组分及质量百分比为：Pr＝2.0wt.％,Bi＝58wt.％,余量为Sn，通过直接熔炼法或者分步熔炼法制成Sn-58Bi-2Pr合金焊料。经性能测定表明，在175℃下焊接时，润湿性提高10.4％；将其制备为焊膏，通过模板印刷，焊接焊盘直径为2mm的圆点时，焊接强度将降低5.9％。由实验结果看出，进一步提高Pr含量会降低合金性能，同时Pr成本较高，焊料将不具有商业价值。
实施例5
一种Pr强化的Sn-58Bi无铅焊料，其组分及质量百分比为：Pr＝1.0wt.％,Bi＝55wt.％,余量为Sn，通过直接熔炼法或者分步熔炼法制成Sn-55Bi-1Pr合金焊料。经性能测定表明，该无铅焊料的熔点比Sn-58Bi合金焊料高4.8℃，融程扩大4.6℃。从实验结果看出，进一步降低Bi含量将恶化熔融性能，焊料将不具有商业价值。
实施例6
一种Pr强化的Sn-58Bi无铅焊料，其组分及质量百分比为：Pr＝1.0wt.％,Bi＝60wt.％,余量为Sn，通过直接熔炼法或者分步熔炼法制成Sn-60Bi-1Pr合金焊料。经性能测定表明，该无铅焊料的熔点比Sn-58Bi合金焊料高4.7℃，融程扩大4.5℃。从实验结果看出，进一步提高Bi含量将恶化熔融性能，焊料将不具有商业价值。
实施例7
一种Sm强化的Sn-58Bi无铅焊料，其组分及质量百分比为：Sm＝0.1wt.％,Bi＝58wt.％,余量为Sn，通过直接熔炼法或者分步熔炼法制成Sn-58Bi-0.1Sm合金焊料。
经性能测定表明，该无铅焊料的熔点与Sn-58Bi合金焊料基本相同；在175℃下焊接时，润湿性提高8.6％；将其制备为焊膏，通过模板印刷，焊接焊盘直径为2mm的圆点时，焊接强度可提高22.5％，进一步降低Sm含量难以有效强化合金，同时由于工艺复杂化，焊料将不具有商业价值。。
实施例8
一种Sm强化的Sn-58Bi无铅焊料，其组分及质量百分比为：Sm＝0.5wt.％,Bi＝58wt.％,余量为Sn，通过直接熔炼法或者分步熔炼法制成Sn-58Bi-0.5Sm合金焊料。
经性能测定表明，该无铅焊料的熔点与Sn-58Bi合金焊料基本相同；在175℃下焊接时，润湿性提高18.7％；将其制备为焊膏，通过模板印刷，焊接焊盘直径为2mm的圆点时，焊接强度可提高10.1％。
实施例9
一种Sm强化的Sn-58Bi无铅焊料，其组分及质量百分比为：Sm＝2.0wt.％,Bi＝58wt.％,余量为Sn，通过直接熔炼法或者分步熔炼法制成Sn-58Bi-2Pr合金焊料。经性能测定表明，在175℃下焊接时，润湿性提高11.5％；将其制备为焊膏，通过模板印刷，焊接焊盘直径为2mm的圆点时，焊接强度将降低8.3％。由实验结果看出，进一步提高Sm含量会降低合金性能，同时Pr成本较高，焊料将不具有商业价值。
实施例10
一种Sm强化的Sn-58Bi无铅焊料，其组分及质量百分比为：Sm＝0.5wt.％,Bi＝55wt.％,余量为Sn，通过直接熔炼法或者分步熔炼法制成Sn-55Bi-0.5Sm合金焊料。经性能测定表明，该无铅焊料的熔点比Sn-58Bi合金焊料高4.8℃，融程扩大4.6℃。从实验结果看出，进一步降低Bi含量将恶化熔融性能，焊料将不具有商业价值。
实施例11
一种Sm强化的Sn-58Bi无铅焊料，其组分及质量百分比为：Sm＝0.5wt.％,Bi＝60wt.％,余量为Sn，通过直接熔炼法或者分步熔炼法制成Sn-60Bi-0.5Sm合金焊料。经性能测定表明，该无铅焊料的熔点比Sn-58Bi合金焊料高4.7℃，融程扩大4.5℃。从实验结果看出，进一步提高Bi含量将恶化熔融性能，焊料将不具有商业价值。
本发明通过加入Pr或者Sm改善了Sn-58Bi抗氧化性能和润湿性。图1所示为Pr加入Sn-58Bi焊料后的热重测试结果，从中可以看出，普通Sn-58Bi焊料热重测试过程中形成氧化物后增重明显，添加Pr后增重降低，说明添加Pr可有效抑制Sn-58Bi焊料的氧化增重。添加1.5wt.％Pr抑制效果最佳，继续添加反而会使氧化加重。图2所示为Pr加入Sn-58Bi焊料后的铺展测试结果，铺展测试结果可作为润湿性的指标，从中可以看出，随着抗氧化性增强，Pr强化的Sn-58Bi焊料润湿性明显提高，同样在添加1.5wt.％Pr后效果最佳，过多添加会使润湿性下降。与Pr的掺杂相似，从图3可以看出，Sm添加后对润湿性的也有显著提高，其中添加0.5wt.％Sm后润湿性达到最佳，过多添加同样使润湿性下降。
另一方面，添加Pr后可以有效改善焊料微观组织、增强焊料的力学性能。图4所示为Sn-58Bi-xPr/Cu焊点微观组织，其中，a为Sn-58Bi-0Pr/Cu焊点微观组织，b为Sn-58Bi-0.5Pr/Cu焊点微观组织，c为Sn-58Bi-1Pr/Cu焊点微观组织，d为Sn-58Bi-1.5Pr/Cu焊点微观组织，e为Sn-58Bi-2Pr/Cu焊点微观组织，f为Sn-58Bi-2.5Pr/Cu焊点微观组织。从图4可以看出，Pr添加后可以细化焊料微观组织、抑制先共晶Bi的析出，改善焊料的脆性，其中1wt.％Pr添加后效果最佳。过量添加会造成先共晶β-Sn的析出，降低焊料的强度。另外添加Pr可以抑制界面金属间化合物的生长，提高焊点力学性能，添加0.5～1.0wt.％Pr后抑制效果明显，继续添加后效果不明显。图5所示为Sn-58Bi-xPr/Cu焊点力学性能测试结果，从中可以看出，在细化组织、抑制先共晶Bi和抑制界面金属间化合物的多重作用下，加入1.0wt.％Pr后Sn-58Bi焊料具有最高强度，但过多加入会造成焊点强度下降。
与Pr掺杂类似，添加Sm以后同样可以抑制Sn-58Bi焊料中的先共晶Bi和抑制界面金属间化合物，而且抑制效果优于Pr。图6为Sn-58Bi-xSm/Cu焊点的微观组织图，其中，a为Sn-58Bi-0.0％Sm/Cu焊点的微观组织图，b为Sn-58Bi-0.1％Sm/Cu焊点的微观组织图，c为Sn-58Bi-0.3％Sm/Cu焊点的微观组织图，d为Sn-58Bi-0.5％Sm/Cu焊点的微观组织图，e为Sn-58Bi-1.0％Sm/Cu焊点的微观组织图。从图6可以看出，仅加入0.1wt.％Sm就可以完全抑制先共晶Bi的形成，从而降低Sn-58Bi焊料的脆性。同样，过量添加会造成先共晶β-Sn的析出，降低焊料的强度。从图7中同样可以看出，掺杂0.1wt.％Sm就可以达到最大剪切强度，继续添加反而会造成焊点强度下降。
本发明提供的焊料可以用在很多领域，如做成焊条、焊丝、焊片、焊球、焊粉、焊膏等。这些产品可以用在电子封装或组装的各个焊接环节，如电子封装中芯片上丝网印刷形成电极凸点(Bump)、芯片粘贴，BGA、CSP焊球，回流焊、波峰焊等SMT组装，各种电子封装用基板、印刷电路版焊点形成，以及各种修补焊、手工焊等，应用领域广阔，具有较好的市场前景。

Claims (1)

1.一种Pr或Sm强化的Sn-58Bi无铅焊料，其特征在于，所述无铅焊料的组分及其质量百分比为：Pr 0.5-2wt.％或者Sm 0.1-2wt.％，Bi 55-60wt.％，余量为Sn。
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