CN118123319A

CN118123319A - 一种高温锡基合金焊料

Info

Publication number: CN118123319A
Application number: CN202410321916.0A
Authority: CN
Inventors: 段永华; 杨安仓; 郑善举; 彭明军; 李萌蘖; 卜恒勇; 何远怀
Original assignee: Kunming University of Science and Technology
Current assignee: Kunming University of Science and Technology
Filing date: 2024-03-20
Publication date: 2024-06-04

Abstract

本发明公开了一种高温锡基合金焊料，属于电子封装材料、电子材料制备技术领域。本发明所述锡基合金焊料由Sn、Cu、Pt和Al四种合金元素组成，各组分元素的质量百分比分别为Cu：0.7％，Pt：0.01～0.2％，Al：0.01～0.05％，余量为Sn；所述制备方法包括：将Sn、Cu、Pt和Al四种合金原料熔炼，然后随炉冷却至室温；然后将冷却后的试管翻转重熔，再重复该步骤两次；第三次重熔完成后将焊料随炉冷却到250℃取出空冷到室温得到高温锡基合金焊料。该发明制备的新型锡基无铅焊料可替代传统高温型Sn‑0.7Cu焊料，且具有较高硬度、良好的塑韧性、良好的热力学稳定性、焊接接点结合强度高、焊点表面光亮和使用寿命长等特点。

Description

一种高温锡基合金焊料

技术领域

本发明属于电子封装材料、电子材料制备技术领域，具体涉及一种高温锡基合金焊料。

背景技术

Sn基无铅焊料主要分为Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-Bi系、Sn-In系、Sn-Zn系，因其熔点不同分为高温焊料(熔点在200℃以上)、中温焊料(熔点在180-200℃)、低温焊料(熔点在180℃以下)，低温焊料主要应用在LCD/LED显示屏、高频头、防雷元件、温控元件、柔性板等热敏感电子元器件的低温组装场景。而高温焊锡主要用于主机板组装时不产生变化的元件组装；低温焊锡主要用于微电子传感器等耐热性低的零件组装。特别地，近年来随着大功率电子元器件、高温区控制电路和三维集成电路技术的广泛运用，焊接接点在使用过程中往往伴随着大量的热产生，尤其是在通断电过程中接点的瞬时温度高于200℃以上，在此条件下传统的低温和中温焊料难于满足焊接的要求。因此，开发新的、具备良好焊接稳定性的新型高温型焊料依然备受瞩目。

在一系列已被开发和研究的高温无铅焊料中，Sn-Cu系价格最为低廉，但高温钎料Sn-Cu型合金存在一些不可避免的问题是：首先，第三组元的加入在提高合金焊料某些性能的同时会恶化其它性能。例如，Ag的加入虽然改善了合金焊料的力学性能但却降低了合金焊料的抗腐蚀能力；其次，在焊接过程中界面处生成的Cu₆Sn₅六方结构η相转变为单斜结构η′相时会产生2.15％的体积膨胀，导致界面显著的应力产生和开裂问题；同时，尽管SAC型焊料焊接接点可以实现器件之间的良好结合，但在后期使用过程中金属间化合物(IMCs)层之间易发生脆性断裂和由科肯达尔空洞缺陷引起的电迁移失效问题也一直未得到解决；再者，服役过程中后期生成脆性相的Cu₃Sn金属间化合物过度生长致使焊接接点的抗震和耐冲击性能下降。这些问题对该系焊料的进一步工业运用尤其是对于手持电子设备、船舶工业和极端恶劣服役环境下都产生了不利的影响。

发明内容

针对上述现有技术的缺点，本发明提供一种高温锡基合金焊料，在Sn-Cu型合金钎料中加入Pt和Al，解决现有Sn-Cu型合金焊料焊接接点易脆断、易形成科肯达尔孔洞缺陷、热力学稳定性较差、焊接接点稳定性和可靠性差的问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种高温锡基合金焊料，包括以下质量百分含量的组分：Cu：0.7％，Pt：0.01％～0.2％，Al：0.01％～0.05％，余量为Sn；所述高温锡基合金焊料的合金组织包括条状PtSn₄、条状Cu₆Sn₅、片状(Cu,Pt)₆(Sn,Al)₅固溶体和Sn基体。

本发明还要求保护所述高温锡基合金焊料的制备方法，包括以下步骤：

(1)按照按质量百分含量称取Sn、Cu、Pt和Al四种合金原料，将称取后的原料装入玻璃管中进行真空封装，玻璃管内的真空度为10^-4Pa，将封管放入马弗炉中进行熔炼，然后随炉冷却至室温；

(2)将冷却后的试管翻转重新放入马弗炉中重熔，再重复该步骤两次；第三次重熔完成后将焊料随炉冷却到250℃取出空冷到室温得到高温锡基合金焊料。

作为本发明的优选实施方案，所述锡基合金焊料的合金组织还包括Al₂Cu。

作为本发明的优选实施方案，所述熔炼温度为1050℃，熔炼时间为12h。

作为本发明的优选实施方案，所述重熔的温度为800℃，时间为2h。

发明原理：Sn-0.7Cu型合金焊料焊接过程中在界面处存在化学反应：6Cu+5Sn→Cu₆Sn₅；当在焊料中加入Pt和Al后，首先，由于Pt和Sn反应易生成PtSn₄，且PtSn₄的热力学稳定性较好，从而抑制了Sn原子的扩散速率；而Al原子易于吸附和捕获扩散的Cu原子，因此Al能够抑制Cu原子的扩散速率，进而形成更稳定的界面结构；另一方面，凝固过程中Pt和Al能固溶到Cu₆Sn₅当中形成(Cu,Pt)₆(Sn,Al)₅固溶体，该固溶体的E_i/H值较大，塑韧性较好，同时不易发生相变产生界面处的应力集中。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明所述高温锡基合金焊料成分均匀，Pt和Al被加入到了脆性的金属间化合物中，提高了金属间化合物的塑韧性，另外抑制了界面处金属间化合物异常长大的同时也抑制了界面处生成的Cu₆Sn₅的相转变问题，缓解了在冷却过程中由相变导致应力开裂的问题，具有很好的工业运用价值。

(2)所述高温锡基合金焊料具有较高硬度、良好的塑韧性、焊接接点结合强度高、焊点表面光亮等特点，同时具有良好的接点处金属间化合物热力学稳定性，界面处科肯达尔空洞的形成速率低，使用寿命长的优点。

附图说明

图1为实施例1制备的高温锡基合金焊料的SEM图。

图2为实施例2制备的高温锡基合金焊料的SEM图。

图3为实施例3制备的高温锡基合金焊料的SEM图。

图4为实施例1-3和对比例1制备的高温锡基合金焊料的维氏硬度测试压痕对比图。

具体实施方式

为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本发明提供的一种锡基焊料由Sn、Cu、Pt和Al四种合金元素组成，各组分质量百分比分别为Cu：0.7％，Pt：0.175％，Al：0.01％，余量为Sn。

该合金焊料的制备过程为：

(1)按质量百分比称取所需的Sn、Cu、Pt和Al四种合金原料，将称取后的原料装入玻璃管中进行真空封装，玻璃管内的真空度为10^-4Pa。将封管放入马弗炉中进行熔炼，熔炼温度为1050℃，熔炼时间为12h，然后随炉冷却至室温。

(2)将冷却后的试管翻转重新放入马弗炉中重熔，熔炼温度为800℃，熔炼时间为2h。为了确保成分均匀，重复该步骤两次。第三次重熔完成后将焊料随炉冷却到250℃取出空冷到室温得到最终的合金焊料。

本实施例制备得到的锡基合金焊料的SEM照片如图1所示，由图1可以看出该合金主要由长条状的PtSn₄，条状的Cu₆Sn₅、片状(Cu,Pt)₆(Sn,Al)₅固溶体和Sn基体组成。

实施例2

本发明提供的一种Sn-0.7Cu四元锡基合金焊料，由Sn、Cu、Pt和Al四种合金元素组成，各组分质量百分比分别为Cu：0.7％，Al：0.025％，Pt：0.01％，余量为Sn。

该合金焊料的制备过程为：

本实施例制备得到的锡基合金焊料的SEM照片如图2所示，由图2可以看出该合金主要由长条状的PtSn₄，条状的Cu₆Sn₅、片状(Cu,Pt)₆(Sn,Al)₅固溶体和Sn基体组成。

实施例3

本发明提供的一种Sn-0.7Cu四元锡基合金焊料，由Sn、Cu、Pt和Al四种合金元素组成，各组分质量百分比分别为Cu：0.7％，Pt：0.175％，Al：0.025％，余量为Sn。

该合金焊料的制备过程为：

本实施例制备得到的锡基合金焊料的SEM照片如图3所示，由图3可以看出该合金主要由长条状的PtSn₄，条状的Cu₆Sn₅、片状(Cu,Pt)₆(Sn,Al)₅固溶体和Sn基体组成。

实施例4

本发明提供的一种Sn-0.7Cu四元锡基合金焊料，由Sn、Cu、Pt和Al四种合金元素组成，各组分质量百分比分别为Cu：0.7％，Pt：0.2％，Al：0.05％，余量为Sn。

该合金焊料的制备过程为：

本实施例制备得到的锡基合金焊料主要由长条状的PtSn₄，条状的Cu₆Sn₅，片状(Cu,Pt)₆(Sn,Al)₅固溶体和Sn基体组成，且含有少量弥散的Al₂Cu。

对比例1

本发明提供的一种锡基焊料由Sn和Cu合金元素组成，各组分质量百分比分别为Cu：0.7％，余量为Sn。

该合金焊料的制备过程为：

(1)按质量百分比称取所需的Sn和Cu合金原料，将称取后的原料装入玻璃管中进行真空封装，玻璃管内的真空度为10^-4Pa。将封管放入马弗炉中进行熔炼，熔炼温度为1050℃，熔炼时间为12h，然后随炉冷却至室温。

本对比例制备得到的锡基合金焊料主要由块状的Cu₆Sn₅和Sn基体组成。

对比例2

本发明提供的一种锡基焊料由Sn、Cu和Al合金元素组成，各组分质量百分比分别为Cu：0.7％，Al：0.01％，余量为Sn。

该合金焊料的制备过程为：

(1)按质量百分比称取所需的Sn、Cu和Al合金原料，将称取后的原料装入玻璃管中进行真空封装，玻璃管内的真空度为10^-4Pa。将封管放入马弗炉中进行熔炼，熔炼温度为1050℃，熔炼时间为12h，然后随炉冷却至室温。

对比例3

本发明提供的一种锡基焊料由Sn、Cu和Pt合金元素组成，各组分质量百分比分别为Cu：0.7％，Pt：0.175％，余量为Sn。

该合金焊料的制备过程为：

(1)按质量百分比称取所需的Sn、Cu和Pt合金原料，将称取后的原料装入玻璃管中进行真空封装，玻璃管内的真空度为10^-4Pa。将封管放入马弗炉中进行熔炼，熔炼温度为1050℃，熔炼时间为12h，然后随炉冷却至室温。

本对比例制备得到的锡基合金焊料主要由长条状的PtSn₄，条状的Cu₆Sn₅和Sn基体组成。

效果例

将上述实施例和对比例制备所得的焊料各项性能列于下表1中：

表1

由表1可知，发明成分范围内Pt和Al的添加对合金焊料的熔点影响很小，相比于Sn-0.7Cu二元合金焊料，Pt和Al的加入明显抑制了焊接界面处金属间化合物生成层的厚度，降低了科肯达尔孔洞浓度和提高了IMCs的热力学稳定性，其中Sn-0.7Cu-0.175Pt-0.025Al四元合金焊料焊接界面处金属间化合物层厚度最小、合金焊料本身硬度较大、IMCs的E_i/H最大、缺陷浓度少且生成热较小，说明本发明中的四元合金焊料具备更优异的综合使用性能。

根据实施例1和对比例1-3可知，缺少Pt和Al中一种或两种元素会引起IMCs层厚度升高和硬度降低。这是因为一方面Pt和Al分别能抑制Sn和Cu原子的扩散速率，其中，Pt和Sn生成PtSn₄稳定了Sn原子，而Cu和Al生成Al_xCu_y化合物稳定了Cu原子；其次生成的(Cu,Pt)₆(Sn,Al)₅固溶体的热力学稳定性较高，非均匀原子扩散程度减小，当同时加入两种元素后，Pt、Al协同导致IMCs层的生长速度减缓；另一方面，Pt、Al加入起到细晶强化的效果，可导致合金焊料的硬度提升。根据图4可知，实施例1-3的合金焊料硬度高于对比例1。Sn-0.7Cu二元合金焊料中添加的元素种类并不是越多越好，若在Sn-Cu-Pt-Al合金焊料中加入Pt、Al后，再加入其他元素，比如Zn或Bi，首先焊接过程中由于溶解度的影响在界面处偏析易生成新的、脆性的IMCs(例如Cu₅Zn₈和富Bi相)，这些脆性的IMCs严重威胁了焊接接点的连接稳定性。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims

1.一种高温锡基合金焊料，其特征在于，包括以下质量百分含量的组分：Cu：0.7％，Pt：0.01％～0.2％，Al：0.01％～0.05％，余量为Sn；所述高温锡基合金焊料的合金组织包括条状PtSn₄、条状Cu₆Sn₅、片状(Cu,Pt)₆(Sn,Al)₅固溶体和Sn基体；

所述高温锡基合金焊料的制备方法，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述高温锡基合金焊料，其特征在于，所述锡基合金焊料的合金组织还包括Al₂Cu。

3.如权利要求1所述高温锡基合金焊料，其特征在于，所述熔炼温度为1050℃，熔炼时间为12h。

4.如权利要求1所述高温锡基合金焊料，其特征在于，所述重熔的温度为800℃，时间为2h。