CN1295054C - 一种Sn－Ag－Cu－X共晶型合金无铅电子焊料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及焊接领域中的无铅焊料合金，具体地说是一种Sn-Ag-Cu-X四元共晶型合金无铅电子焊料。它是在Sn-Ag-Cu三元共晶合金的成份基础上，添加微量合金元素，其合金重量组成为：Ag3.8，Cu0.7，Ge0.002-0.01或P0.01-0.05，余量为Sn(以上均按重量百分比计)。本发明焊料合金主要优点除了不含有毒金属铅以外，具有Sn-Ag-Cu三元共晶合金的所有基本性能，以及在高温下液态合金的抗氧化能力较强的突出特点；本发明可用于各种焊料产品，如母合金，焊条块，焊丝，微型焊球，焊粉和焊膏，特别适用于微电子工业中的电子封装技术。
Description
技术领域
本发明涉及焊接领域中的无铅焊料合金，具体地说是一种Sn-Ag-Cu-X四元共晶型合金无铅电子焊料。
背景技术
软钎焊是一项十分古老而实用的技术，主要采用Sn-Pb共晶成份(Sn63％-Pb37％，均为重量百分比，下同)为基础的合金体系，这种铅锡合金共晶温度为183℃，具有良好的力学性能和工艺性能，使用历史悠久，积累了大量的生产和实际应用经验，同时原料成本低廉，资源广泛，所以在工业上获得了广泛的应用。这种合金体系存在的主要问题在于焊料合金中含有35％以上的铅，大量的研究证明这是一种有毒金属。随着电子废弃物的增加，大量废旧电子器件被废弃或掩埋处理后，合金中有毒成份铅逐渐被自然环境中的水溶液腐蚀、溶解、扩散和富集，最终对自然环境、土壤，天然水体及其动植物生物链造成不可恢复的环境污染。
目前世界主要工业化国家均逐渐认识到上述问题的危害性，并分别立法，采取时间表或路线图的形式，分步禁止含铅焊料及其电子产品在本国的生产、销售和使用，在此工业背景下，人们正在花费了大量的努力，研究和开发可用于替代锡铅焊料的新一代无铅焊料。经过国内外大量筛选工作，目前的一些候选合金包括：一些属非专利技术范畴的二元共晶合金，如Sn-3.5Ag，Sn-52Bi，Sn-0.7Cu等，及三元共晶焊料Sn-3.8Ag-0.7Cu(以及成份相类似的Sn-4Ag-0.5Cu和Sn-3.2Ag-0.5Cu)等；以及一些多元合金焊料，后者主要是一些专利合金，包括CN1398697(Sn-0.003-5 In-0.2-5Sb-0.5-3 Cu-0.2-5Ag)；CN1398696(Sn-0.5-1.5 Cu-1-3.5 Ag-0.01-0.2Pb-0.001-0.1 La或Ce)；US40758407(92.5-96.9 Sn-3～5 Cu-0.10～2Ni-0-5Ag)，这些合金作为无铅焊料各自存在如下缺点，有待进一步改进。
1)Sn-3.5Ag合金的熔点偏高(221℃)，钎焊时基体铜很容易大量溶解到钎料中去，影响连接界面的可靠性(S.Chada etal，J.Elec.Mater.29(10)，2000，1214)；
2)Sn-52Bi共晶合金是一种低熔点无铅焊料，共晶温度仅为138℃，只适用于低温钎焊和一些对使用温度要求不高的特殊的场合；
3)Sn-0.7Cu共晶焊料主要缺点是熔点较高，其共晶温度高达227℃，焊接温度已接近电路板材料的极限，因此这种合金仅用于波峰焊接，而且要在工艺上采取一些特殊措施，防止电子元件及电路板在高温下过热损坏；
4)Sn-3.8Ag-0.7Cu(以及类似合金)三元共晶合金由于在Sn-3.5Ag二元共晶合金的基础上添加了一部分铜，使合金的共晶温度下降到217℃，有效地减小了被焊母材Cu向焊料中的溶解，提高了连接可靠性，使之成为目前最有前途替代Sn-Pb共晶合金的一种无铅焊料，由于这种合金成份已在50年前公开发表，因此是一种非专利焊料(N.C.Lee，Proc.4th inter，SymP.Elec.Pack Tech，Aug.8-11，2001，Beijing China，P440)；尽管其它一些专利焊料在上述合金基础上添加了其它一些组元如In、Ni、Bi、Sb、RE、Pd等，它们共同的特点是：1)合金的添加组元一般高达5元或6元以上，这种复杂的成分组成，使合金的制备工艺和成分控制十分困难；2)由于复杂的成分组成，这些专利合金有些扩大了合金的液-固温区，或产生一些低熔点相，高熔点相，影响焊料的流动性等焊接工艺性能；3)有些由于原料本身很贵，或资源有限，因此增加了原料成本；4)从工艺控制的角度来看，由于废料回循环问题，多组元合金的成份变的更难控制，生产中频繁的成分化学分析使工艺成本大幅提高。
相比之下，目前Sn-Ag-Cu三元共晶非专利焊料在各种已有候选合金中具有最好的技术竞争力。然而，Sn-Ag-Cu三元共晶焊料目前遇到的主要问题之一是在大气条件下，液态合金表面比Sn-Pb共晶合金更容易氧化，出现这一现象的科学原理是Sn-Ag-Cu三元共晶合金中Sn的含量一般大于95％以上(作为比较Sn-Pb共晶中Sn的含量仅为63％)。研究证明：液态合金表面氧化渣主要成份是锡的氧化物，提高Sn的含量自然使氧化速度加快；另外，由于Sn-Ag-Cu三元共晶合金的熔点(217℃)比Sn-Pb共晶的熔点(183℃)要高34℃，相应的焊接工作温度也要提高，而合金的氧化对温度又十分敏感，因而，合金的氧化速度也会迅速提高。这种无铅焊料液态合金易于氧化的现象对无铅焊料合金的实际应用造成了很大的困难，尤其是在波峰焊条件下，液态合金在高温下表面氧化很快，而表面氧化膜形成的锡渣，必须不断地靠人工去除，否则一旦氧化渣漂移并粘附到焊接区域，将导致严重的焊点焊接不良，后者会造成焊接废品，此外大量氧化渣扒除也导致焊锡合金的迅速损耗，使生产成本上升。本发明就是要提供一种新的方案，提高Sn-Ag-Cu焊料合金的液面抗氧化能力，获得更好的合金使用性能。
发明内容
为了克服现有技术中在大气条件下，液态合金表面容易氧化的问题，本发明的目的在于提供一种能提高Sn-Ag-Cu焊料合金的液面抗氧化能力，获得更好的合金使用性能的Sn-Ag-Cu-X共晶型合金无铅电子焊料。其中不含有毒金属铅，熔点为217～219℃合金，焊接温度范围为240～260℃，在此温度和大气条件下，合金具有很好的抗液面氧化的能力。
为实现上述目的，本发明提供的Sn-Ag-Cu-X共晶型合金无铅电子焊料技术方案是在Sn-Ag-Cu三元共晶成份基础上，添加微量合金元素P或Ge，形成Sn-Ag-Cu-X四元共晶合金，其合金重量百分组成为：
Ag 3.8；
Cu 0.7；
Ge0.002-0.01或P0.01-0.05；
Sn 余量。
本发明提供的抗熔体表面氧化的Sn-Ag-Cu-X共晶型无铅焊料，可以选择一种普通的熔炼技术进行合金化，将配制的各种合金元素加入熔化的Sn中并使之均匀熔化，凝固后获得母合金；本发明合金成份中X为微量元素(P或Ge)，它们均为单独微量添加，以保证合金成分的最简单化，易于进行工艺控制，并且不改变合金的其他物理性能。它们的主要作用是使合金在熔融状态条件下，表面的抗氧化能力有所提高。由于本发明是在Sn-Ag-Cu三元共晶合金基础上添加了微量的合金元素，它对合金的其它物理性能如熔点、密度、热膨胀系数等影响不大，因此是Sn-Ag-Cu三元共晶焊料的一种改进型产品成份。
本发明原理是：
通过对Sn基合金表面氧化膜的成份组成的分析和研究发现，合金氧化膜的主要成份是锡的氧化，包括SnO2，SnO和Sn3O4等，这种氧化膜形成后，对保护熔体表面，防止进一步氧化的作用不强，因此液面氧化继续进行。合金中含锡量越高，合金加热温度(与合金熔点有关)越高，液态合金的表面氧化速度也越快。基于上述分析和研究结果，本发明的技术原理在于：在合金中添加某些特定的微量抗氧化元素，借助于这些微元素与合金基体的交互作用使其偏析和富集在液态合金的表面，形成一层富集的表面吸附层，在高温条件下，这一富集微量元素的表面吸附层优先与大气中的氧反应，形成一层致密的表面氧化层，保护熔融液面，阻止液面继续氧化。达到减少合金表面氧化速度的目的。根据这一原理，添加微量合金元素选择原则是(1)在合金中的溶解度低，在液态表面的吸附和偏析倾向要高的元素；(2)微量元素本身形成的表面氧化膜要满足保护性氧化膜条件，如连续性，致密性，与基体的相容性和阻止氧扩散的能力等。通过试验P或Ge可符合要求的条件。
本发明的合金成份中微量元素添加量的选择原则是，当微量元素添加量过少时，其含量不足以在液面形成连续的表面保护层，故合金的抗氧化性不足，反之当微量元素添加太多时，由于其本身溶解度很小，易于形成高熔点的第二相或夹杂物，从而影响合金的一些基本物理性能，如粘度，流动性等液态物理性能，以及凝固后的显微组织及力学性能等。合适的添加量应保持在这两者之间，即添加含量足以在表面形成一层连续而致密的表面保护膜，同时又不在体相内产生不希望的高熔点第二相或其他夹杂物。
本发明可以用常规技术制成各种焊料产品，如焊料母合金，焊条块，焊丝，微型焊球，焊粉和焊膏，本发明特别适用于微电子工业中的电子封装技术。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明在Sn-Ag-Cu三元共晶合金基础上添加了微量的合金元素(P或Ge)，故合金的基本物理性能变化很小，与现有的焊接工艺相容性好，易于获得推广实施。
2.本发明添加了微量合金元素P或Ge后，能够使合金在熔融状态条件下，表面的抗氧化能力有所提高。在焊接温度和大气条件下，合金具有很好的抗液面氧化的能力。
3.本发明合金中化学成分种类较少，合金成份中第四组元X为单独微量添加，其不仅可以保证合金成分的最简单化，还易于进行废料回收，降低生产成本。
4.适用范围广。本发明可以用常规技术制成各种焊料产品，如焊料母合金，焊条块，焊丝，微型焊球，焊粉和焊膏，特别适用于微电子工业中的电子封装技术。
具体实施方式
下面结合实施例进一步详述本发明。
实施例1～6
本实施例选择普通熔炼技术进行合金化，再将母合金置于坩埚中，在大气压下加热到试验温度，观察液面颜色的变化，以比较抗氧化的效果。本发明实施效果及比较例的对比结果如表1所示。
表1本发明和比较例的合金化学成份及结果(wt％)
| Ag | Cu | P | Ge | Sn | 试验温度 | 液面氧化程度★ | 冷却后表面光亮程度★★ | 备注 | ||
| 实施例 | 1 | 3.8 | 0.7 | 0.05 | 0 | 余量 | 250℃ | 1 | 1 | 范围内 |
| 2 | 3.8 | 0.7 | 0 | 0.01 | 余量 | 250℃ | 2 | 1 | 范围内 | |
| 3 | 4.0 | 0.5 | 0.15 | 0 | 余量 | 250℃ | 1 | 1 | 范围内 | |
| 4 | 3.2 | 0.5 | 0 | 0.10 | 余量 | 250℃ | 1 | 1 | 范围内 | |
| 5 | 3.8 | 0.7 | 0.01 | 0 | 余量 | 250℃ | 2 | 1 | 范围内 | |
| 6 | 3.8 | 0.7 | 0 | 0.002 | 余量 | 250℃ | 2 | 1 | 范围内 | |
| 比较例 | 1 | 3.8 | 0.7 | 0 | 0 | 余量 | 250℃ | 4 | 3 | 范围外 |
| 2 | 3.8 | 0.7 | 0.0005 | 0 | 余量 | 250℃ | 3 | 2 | 范围外 | |
| 3 | 3.8 | 0.7 | 0 | 0.0005 | 余量 | 250℃ | 3 | 2 | 范围外 | |
其中：★为合金的液面氧化程度由目测评定，其中：
1级：在250℃下保温10小时，仍保持液面光亮；
2级：在250℃下保温5小时，仍保持液面光亮；
3级：在250℃下保温30分钟，液面有氧化膜出现；
4级：在250℃下保温10分钟，液面已明显氧化。
★★为合金自高温冷却到室温后，液面的氧化程度由目测评定，
其中：
1级：表面光亮，呈银白色；
2级：表面略有氧化膜；
3级：表面有明显的氧化膜，为淡黄色。
由表1给出的结果可以看出，本发明合金成份有明显的抑制高温下液态合金表面氧化的效果及产品性能。另外，本发明也不局限于上述具体成份，由于合金中第四组元的添加量很小，且添加成份范围相对较宽，因而无论在对合金的其它物理性能的影响，还是合金的制备成本方面的影响均很小。
Claims (2)
1.一种Sn-Ag-Cu-X共晶型合金无铅电子焊料，其特征在于其合金重量百分组成为：Ag3.8，Cu0.7，Ge0.002-0.01或P0.01-0.05，Sn余量。
2.按照权利要求1所述Sn-Ag-Cu-X共晶型合金无铅电子焊料，其特征在于：所述焊料用于制备焊料母合金，焊条块、焊丝、焊球，焊粉或焊膏。
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