TW201431636A

TW201431636A - 無鉛焊料合金

Info

Publication number: TW201431636A
Application number: TW103102251A
Authority: TW
Inventors: Ju-Sheng Ma
Original assignee: Ju-Sheng Ma
Priority date: 2013-01-22
Filing date: 2014-01-22
Publication date: 2014-08-16
Also published as: US10828731B2; JP6062070B2; EP2948570A1; WO2014114225A1; RU2015135232A; US20150343570A1; JP2016508878A; EP2948570B1; CN103042315A; MY184028A; EP2948570A4; TWI538763B; CN103042315B; RU2617309C2; KR101749439B1; SG11201505623XA; KR20150105446A

Abstract

本發明涉及一種無鉛焊料合金。該無鉛焊料合金中各化學成分的重量百分比組成為：Zn 4~12；Bi 0.5~4；In 0.5~5.0；P 0.005~0.5；Zr 0.001~0.5。該無鉛焊料合金中還含有以下元素中的一種或多種：Y、Ge、Mg、B、Al、Ni和Ag，且餘量為Sn。該無鉛焊料合金具有較低熔點，合金組織微細化且均勻，且強度高，由此使用該無鉛焊料合金可以阻止裂紋擴展和避免焊點分離的缺陷。此外，該無鉛焊料合金的耐高溫高濕特性好，浸潤角小，易於加工成材，如棒、絲、粉和球料，並可製成焊膏。本發明的無鉛焊料合金可用於各種□焊方式，可滿足多種需要。

Description

無鉛焊料合金

本發明屬於電子材料及電子製造技術領域，特別涉及一種無鉛焊料合金。

熔點183°C的Sn-Pb共晶合金是長期以來電子工業的主要釺焊材料，在電子部件的裝配上占著主導地位。雖然該合金具有優異的潤濕性及焊接性、導電性、力學性能、成本低等特點，但是由於Pb及Pb化物具有毒性，使用不當會污染環境，且損害工人的身體健康。隨著環境保護法規的日趨完善和嚴格，在全世界執行著禁止含鉛焊料在電子工業中使用的法令。2000年6月，美國IPC Lead Free Roadmap第4版發表，建議美國企業界於2001年推出無鉛化電子產品，2004年實現全面無鉛化。歐洲則在推動無鉛立法上採取了更為積極的態度，2003年2月13日，歐盟在其《官方公報》上公佈《關於在電子電氣設備中禁止使用某些有害物質指令》，正式批准WEEE（Waste Electrical and Electronic Equipment)和RoHS (Restriction of Hazardous Substances）的官方指令生效，強制要求自2006年7月1日起，在歐洲市場上銷售的電子產品必須為無鉛的電子產品。亞洲方面，日本政府從2003年1月開始全面推行無鉛化，並以“無鉛”牌阻止或限制美、中、韓及歐洲有鉛電子產品的進口。中國政府已於2003年3月由資訊產業部擬定《電子資訊產品生產污染防治管理法》，自2006年7月1日禁止電子產品含鉛。在當前的無鉛焊料中Sn-Ag-Cu系合金具有較好的應用前景，得到了美國NEMI、英國DTI、Soldertec等的推薦。對於Sn-Ag-Cu系焊料合金來說，其綜合性能比較優越，但具有潤濕性較差，合金組織粗大、分佈不均勻、時間穩定性差等缺點，其最大的缺點在於具有太高的熔化溫度，高達221℃。所以如果使用Su-Ag-Cu合金，就需要改造現有的生產設備，也牽涉到因電子元裝置及基板的耐熱性差而導致可靠性降低等品質問題，從而增加成本；另外由於熔點高，進行封裝電子元件時最高溫度要比使用Sn-Pb共晶合金高40-50℃，封裝時間長，使能耗增加25%以上，排放廢氣CO₂多，污染環境，也不利於防止地球暖化，特別是在較惡劣的環境下使用的電子系統，對長時間使用的電子裝置的耐蝕耐熱強度有更高的要求。

本發明的目的是為克服已有技術的不足之處，提出一種耐熱、耐濕、低熔點的無鉛焊料合金。本發明的無鉛焊料合金具有改善的耐高溫高濕性，和較低的熔化溫度，例如，接近Sn-Pb共晶合金的熔點183℃。同時，本發明的無鉛焊料合金比常規的Sn9Zn共晶合金具有更好的焊接性能。本發明提出的無鉛焊料合金包括： Zn 4~12 wt%； Bi 0.5~4 wt%； In 0.5~5.0 wt%； P 0.005~0.5 wt%； Zr 0.001~0.5 wt%；以下元素中的至少一種：Y 0~0.1 wt%，Ge 0~0.2 wt%，Mg 0~0.05 wt%，B 0~0.02 wt%，Al 0~0.05 wt%，Ni 0~0.2 wt%和Ag 0~0.3 wt%；和餘量Sn。本發明無鉛焊料合金為錫鋅鉍銦磷鋯系的無鉛焊料合金，並添加一種或多種微量添加元素（例如，Y、Ge、Mg、B、Al、Ni、Ag），利用各添加元素間的交互作用，加強其抗高溫高濕性的作用，由此具有提高的耐熱性、耐濕性和低熔點。 ---本發明的無鉛焊料合金，其至少具有以下優點：一、減小的浸潤角θ，即該無鉛焊料合金在焊接件上的浸潤性好。二、良好的抗氧化性。無鉛焊料合金中的鋯和微量元素可提高該無鉛焊料合金的抗氧化性，易於在無鉛焊料合金表面形成綜合的氧化膜，從而保護無鉛焊料合金。焊接時，可利用溶劑將氧化膜去除，使焊接點結合強度高，組織均勻，缺陷少。三、提高的穩定性。在高溫高濕條件下，鋯和微量元素會改變無鉛焊料合金的晶界特性，使其韌性提高，並抑制氧化腐蝕裂紋的擴展，從而使該無鉛焊料合金在高溫高濕條件下的裂紋減小，綜合強度高。本發明提出的無鉛焊料合金，可以通過現有技術中已知的方法製造，獲得各種物理形式，如膏、粉、塊、棒、球和絲等。由此，本發明的無鉛焊料合金可用於進行多種焊接製程，如再流焊、波峰焊和手工焊等，由此可滿足多種需要。本發明的無鉛焊料合金可適用於電信、航太、汽車等各領域的電子組裝與集成及電子、電氣設備、通信器材的製造等。特別地，本發明的無鉛焊料合金具有濕氣和高溫下耐開裂的特性，可應用於惡劣環境（如濕氣和高溫）下工作的電子系統。

為了本發明的以及下述申請專利範圍的目的，除非另外說明，數值範圍的限定總是包括端值。本發明提出的無鉛焊料合金包括：Zn 4~12 wt%；Bi 0.5~4 wt%；In 0.5~5.0 wt%；P 0.005~5.0 wt%；Zr 0.001~0.5 wt%；下列元素中的至少一種：Y 0~0.1 wt%，Ge 0~0.2 wt%，Mg 0~0.05 wt%，B 0~0.02 wt%，Al 0~0.05 wt%，Ni 0~0.2 wt%和Ag 0~0.3 wt%；和餘量Sn。根據本發明的實施例，除非另外說明，術語“wt%”表示對應成分的重量分數，該重量分數是基於該無鉛焊料合金的總重量來計算的。根據本發明的實施例，無鉛焊料合金中，P含量增加，由此無鉛焊料合金耐的高溫高濕特性增強。在本發明的一個實施例中，該無鉛焊料合金中添加了Zr為基本合金成分。Zr的原子半徑大，可內吸附於焊料晶界上，還可生成ZrN質點於晶界上，由此可以阻擋裂紋擴展。ZrN是氫的陷阱，可阻礙合金脆裂，又細化晶粒，使粗大樹狀晶減弱，因此增強了無鉛焊料合金的晶界強度。此外，Zr的添加還可使合金的σ_0.2提高，減少應力集中和變形，使晶界的韌性提高，裂紋不易擴展。同時，Zr的添加還可使無鉛焊料合金的熔點降低。因Zr和氧結合力極強，可在表面形成ZrO質點，和P的氧化物交互作用起保護膜作用，因而使表面晶粒也變細。由此，該無鉛焊料合金可獲得更好的焊接性能。根據本發明的實施例，在無鉛焊料合金中添加Ge、Mg、B、Y、Al、Ni和Ag之中的一種或多種，其與Zr、P起交互作用，可進一步減少該無鉛焊料合金的浸潤角和抗開裂性。在本發明的一個實施例中，該無鉛焊料合金包括Ge和Y。Ge或Y在無鉛焊料合金的表面形成氧化物，可起保護焊點作用。由此，該無鉛焊料合金可獲得更好的焊接性能。在本發明的一個實施例中，該無鉛焊料合金包括Y和Mg。Y的氧化物和Zr的氧化物加入Mg，可固定焊料中雜質，如硫等。由此，該無鉛焊料合金可獲得更好的焊接性能。在本發明的一個實施例中，該無鉛焊料合金包括Y、B和Mg。Y、B或Mg和Zr可發生交互作用，由此可提高焊點強度。B原子半徑小，加入後可在晶格中起緩和應力的作用，也可在無鉛焊料合金表面形成氧化物，起保護作用。由此，該無鉛焊料合金可獲得更好的焊接性能。在本發明的一個實施例中，該無鉛焊料合金包括Al。Al也可形成氧化物在焊點表面起保護作用。鋁是面心立方結構，具有各向同性特徵，所以焊料合金在凝固時，Al是以高度彌散的微小質點的形式析出並分佈於合金基體中。每一個微小質點都對周圍一定範圍內的無鉛焊料合金基體產生抗氧化保護作用，這樣用較少量的Al，就能起到理想的抗氧化效果。由此，該無鉛焊料合金可獲得更好的焊接性能。在本發明的一個實施例中，該無鉛焊料合金進一步包括Ni。Al可和Ni形成奈米級金屬間化合物，從而提高無鉛焊料合金的穩定性。Ni還可以使無鉛焊料合金和Cu基板的結合介面上形成化合物，由此增加金屬間化合物和Cu焊盤的結合強度。由此，該無鉛焊料合金可獲得更好的焊接性能。在本發明的一個實施例中，該無鉛焊料合金進一步包括Ag。Ag可提高介面接合強度。由此，該無鉛焊料合金可獲得更好的焊接性能。本發明的無鉛焊料合金可以通過一般方法澆鑄製造。例如，一種製備該無鉛焊料合金的方法可包括以下步驟：1）根據對應成分的重量分數，提供具有對應成分的材料；和2）熔化和鑄造該材料以形成該無鉛焊料合金。換言之，該方法可包括：稱量原料，並將原料在坩堝或熔鍋中在空氣中加熱並攪拌。本發明的無鉛焊料合金可在真空中或者在惰性氣體中冶煉，從而可避免生成雜質的缺陷。實施例1 無鉛焊料合金中各化學成分的重量百分比為：Zn：10，Bi：2.5，In：1.5，P：0.5，Zr：0.001，餘量為Sn。本實施例所得焊料的熔點為196°C，浸潤角θ為32°。85°C 85% RH（相對濕度）中2000小時焊點表面裂紋深度為174微米。實施例2 無鉛焊料中各化學成分的重量百分比為：Zn：12，Bi：0.5，In：5.0，P：0.21，Zr：0.1，B：0.02，餘量為Sn。所得焊料的浸潤角θ為37.5°。85°C 85% RH（相對濕度）中2000小時焊點表面裂紋深度為185微米。實施例3 無鉛焊料中各化學成分的重量百分比為：Zn：8，Bi：4，In：0.5，P：0.1，Zr：0.25，Mg：0.02，餘量為Sn。所得焊料的浸潤角θ為37°。85°C 85% RH（相對濕度）中2000小時焊點表面裂紋深度為190微米。實施例4 無鉛焊料中各化學成分的重量百分比為：Zn：4，Bi：3，In：2.5，P：0.005，Zr：0.5，Mg：0.05，Y：0.01，餘量為Sn。所得焊料的浸潤角θ為35.8°。85°C 85% RH（相對濕度）中2000小時焊點表面裂紋深度為110微米。實施例5 無鉛焊料中各化學成分的重量百分比為：Zn：7.6，Bi：2.0，In：1.5，P：0.06，Zr：0.16，Ni：0.05，Al：0.05，餘量為Sn。所得焊料的浸潤角θ為36°。85°C 85% RH（相對濕度）中2000小時焊點表面裂紋深度為125微米。實施例6 無鉛焊料中各化學成分的重量百分比為：Zn：8.25，Bi：1.43，In：1.2，P：0.3，Zr：0.16，Y：0.1，餘量為Sn。所得焊料的熔點為192°C，浸潤角θ為41°。在85°C 85% RH中2000小時焊點裂紋深度為163微米。實施例7 無鉛焊料中各化學成分的重量百分比為：Zn：8.21，Bi：1.5，In：1.5，P：0.048，Zr：0.2，Ge：0.2，餘量為Sn。所得焊料的浸潤角θ為34.6°，85°C 85% RH中2000小時焊點表面裂紋深度為127微米。實施例8 無鉛焊料中各化學成分的重量百分比為：Zn：7.7，Bi：1.4，In：1.5，P：0.5，Zr：0.20，Ge：0.01，Ni：0.2，餘量為Sn。所得焊料的熔點為192°C。浸潤角θ為39°，85°C 85% RH中2000小時焊點表面裂紋深度為137微米。實施例9 無鉛焊料中各化學成分的重量百分比為：Zn：7.6，Bi：2.4，In：1.2，P：0.05，Zr：0.16，Ni：0.05，Al：0.015，餘量為Sn。所得焊料的熔點為190.5°C。浸潤角為37°，在85°C 85% RH中2000小時焊點表面裂紋深度為166微米。實施例10 無鉛焊料中各化學成分的重量百分比為：Zn：7.8，Bi：2.4，In：1.3，P：0.04，Zr：0.16，Al：0.002，Ni：0.02，Ag：0.3，餘量為Sn。所得焊料的浸潤角為39°，在85°C 85% RH中2000小時焊點表面裂紋深度為220微米。對比例1 Sn8Zn3Bi無鉛焊料，其中各化學成分的重量百分比為：Zn：8，Bi：3，餘量為Sn。所得焊料的浸潤角為50°，在85°C 85% RH中2000小時焊點表面裂紋深度為380微米。對比例2 Sn-Zn-Bi-In-P無鉛焊料，其中各化學成分的重量百分比為：Zn：9.1，Bi：2.5，In：1.5，P：0.015，餘量為Sn。所得焊料在85°C 85% RH中2000小時焊點表面裂紋深度為250微米。

Claims

一種無鉛焊料合金，包括： Zn 4~12 wt%； Bi 0.5~4 wt%； In 0.5~5.0 wt%； P 0.005~0.5 wt%； Zr 0.001~0.5 wt%；以下元素中的至少一種：Y 0~0.1 wt%，Ge 0~0.2 wt%，Mg 0~0.05 wt%，B 0~0.02 wt%，Al 0~0.05 wt%，Ni 0~0.2 wt%和Ag 0~0.3 wt%；和餘量Sn。