專利名稱：錫鉍銀系無鉛焊料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無鉛電子封裝技術(shù)，特別是涉及一種錫鉍銀系低成本高性能無鉛焊 料。
背景技術(shù)：
進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著電子工業(yè)的持續(xù)高速發(fā)展和電子垃圾問題的日益嚴(yán)重，電 子工業(yè)中的綠色制造問題愈來愈受到關(guān)注。各國(guó)政府基于社會(huì)公眾利益和輿論而制定的各 種涉及綠色電子制造和綠色電子產(chǎn)品的法規(guī)和條例，對(duì)“綠色”進(jìn)程起著決定推動(dòng)作用。其 主要包括綠色電子設(shè)計(jì)、綠色電子材料、綠色電子封裝及工藝等，而這其中非常重要也是當(dāng) 前研究最多的就是綠色電子封裝材料，也即電子封裝材料的無鉛及無鹵化問題，禁止使用 具有毒性的重金屬“Pb”已經(jīng)成為關(guān)注的焦點(diǎn)。綠色電子封裝材料主要包括替代傳統(tǒng)含鉛 釬料的無鉛釬料及配套釬劑、無鉛焊膏及導(dǎo)電膠等。目前針對(duì)于無鉛釬料的研究較多，因?yàn)?它是實(shí)現(xiàn)電子封裝“綠色化”的關(guān)鍵。目前各國(guó)研究的焦點(diǎn)都集中于Sn-Ag-Cu合金，尤其是共晶合金以焊料潤(rùn)濕性好， 強(qiáng)度和塑性高，具有優(yōu)良的耐熱疲勞特性，是目前最被看好的用以替代Sn-37Pb焊料的無 鉛焊料。但是Sn-Ag-Cu合金具有較高的Ag含量，而銀的高價(jià)格直接導(dǎo)致了焊料生產(chǎn)成本 的增加，產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力下降。所以開發(fā)一種低銀含量的，但又能維持高性能的焊料合金，可滿 足市場(chǎng)應(yīng)用的無鉛焊料成為當(dāng)務(wù)之急。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供低成本高性能的錫鉍銀系無鉛焊料，該焊料由于銀含量較低所 以降低了生產(chǎn)成本，但其性能仍可滿足工業(yè)應(yīng)用要求，其制備方法簡(jiǎn)單。為了減少由于Ag含量的下降所導(dǎo)致的性能下降問題，本體系合金中將引入元素 Bi。這是因?yàn)锽i能使合金的熔點(diǎn)降低，提高合金的硬度、抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度，改善焊料合 金的潤(rùn)濕性能。本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的錫鉍銀系無鉛焊料，其中焊料的組分和質(zhì)量百分含量純度為99. 99%的 錫鉍銀的質(zhì)量比為98. 9 93 1 5 0.1 2。本發(fā)明的錫鉍銀系無鉛焊料，還可以加入0-2的鋅、0-2的銅、0-1的招、0-1的銦、 0-1的稀土元素、0-1的鎵或0-1磷的至少一種或幾種。加入上述細(xì)化組織、更能夠提高性 能，增加潤(rùn)濕性和抗氧化性。本發(fā)明的錫鉍銀系無鉛焊料的制備方法，將原料按比例配備，在氬氣保護(hù)下的真 空熔煉爐中加熱到500-1300°C熔化，同時(shí)加以磁攪拌，以使合金成分均勻，然后水冷凝固； 再將合金翻轉(zhuǎn)后重新加熱到300-600°C熔化，同時(shí)加以磁攪拌并水冷，這樣反復(fù)至少五次。其中稀土元素以預(yù)配好的錫稀土中間合金的形式加入。本發(fā)明的部分成分的無鉛焊料光鏡照片如圖1-5所示。
本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是在保證其工業(yè)應(yīng)用的前提下，低銀含量的焊料合金具有較低的產(chǎn)品成本，本合金具有較低的熔化溫度(如圖6所示)。Sn-Bi-Ag系焊料合金具有較低的熔點(diǎn)，最低達(dá)到200°C左右，較高的顯微硬度，最 高達(dá)到50HV左右，較高的拉伸強(qiáng)度而又不損失延展性，最大拉伸強(qiáng)度達(dá)到75MPa左右，而且 Ag的含量較低，控制在2%以下，大大降低了 Ag含量過高帶來焊料合金成本較高的問題，Ag 的原材料價(jià)格約為Sn和Bi的30倍。以這種高性能焊料合金為研究對(duì)象，使其滿足工業(yè)應(yīng) 用要求，具有良好的發(fā)展前景。


圖1 實(shí)施例1的Sn-I % Bi-O. 1 % Ag焊料合金的顯微組織；圖2 實(shí)施例2的Sn-5% Bi_2% Ag焊料合金的顯微組織；圖3 實(shí)施例3的Sn-2% Bi-O. 5% Ag-2% Zn-0. IIn焊料合金的顯微組織；圖4 實(shí)施例 4 的 Sn-L 5% Bi-O. 3% Ag-O. 1% Ce-0. 1P-0. IGa焊料合金的顯微組 織；圖5 實(shí)施例5的Sn-3% Bi-I% Ag-L 5% Cu-O. 01% Al焊料合金的顯微組織圖6 :Sn-x% Bi-O. 3% Ag-O. 9Ζη% (χ = 1、2、3 和 4)焊料合金的熔點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1將純度為99. 99%的錫、鉍、銀按質(zhì)量比為98.9 1 0. 1在氬氣保護(hù)下的真空 熔煉爐中加熱到iioo°c熔化，同時(shí)加以磁攪拌，以使合金成分均勻，然后水冷凝固。再將合 金翻轉(zhuǎn)后重新加熱到500°c熔化，同時(shí)加以磁攪拌并水冷，這樣反復(fù)至少四次得到Sn-1% Bi-O. 1% Ag無鉛焊料。其顯微組織如圖1所示，顆粒為Ag3Sn相。實(shí)施例2將純度為99. 99%的錫、鉍、銀按質(zhì)量比為93 5 2在氬氣保護(hù)下的真空熔煉爐 中加熱到iioo°c熔化，同時(shí)加以磁攪拌，以使合金成分均勻，然后水冷凝固。再將合金翻轉(zhuǎn) 后重新加熱到500°C熔化，同時(shí)加以磁攪拌并水冷，這樣反復(fù)至少四次得到Sn-5% Bi-2% Ag無鉛焊料。其顯微組織如圖2所示，顆粒為Ag3Sn相，白色顆粒為Bi，該合金具有較低的 熔點(diǎn)，較高的顯微硬度和拉伸強(qiáng)度。實(shí)施例3將純度為99. 99%的錫、鉍、銀、鋅、銦按質(zhì)量比為95.4 2 0. 5 2 0. 1在 氬氣保護(hù)下的真空熔煉爐中加熱到iioo°c熔化，同時(shí)加以磁攪拌，以使合金成分均勻，然后 水冷凝固。再將合金翻轉(zhuǎn)后重新加熱到500°C熔化，同時(shí)加以磁攪拌并水冷，這樣反復(fù)至少 四次得到Sn-2% Bi-O. 5% Ag-2% Ζη-0. 1% In無鉛焊料。其顯微組織如圖3所示，顆粒為 Ag3Sn相和Ag-Zn相，白色富集區(qū)為Bi。實(shí)施例4將純度為99. 99 %的錫、鉍、銀、鈰、磷、鎵按質(zhì)量比為 97.9 1.5 0. 3 0. 1 0. 1 0. 1在氬氣保護(hù)下的真空熔煉爐中加熱到1200°C熔化 (其中稀土元素鈰以預(yù)配好的錫鈰中間合金的形式加入)，同時(shí)加以磁攪拌，以使合金成分均勻，然后水冷凝固。再將合金翻轉(zhuǎn)后重新加熱到600°C熔化，同時(shí)加以磁攪拌并水冷，這樣 反復(fù)至少四次得到Sn-L 5% Bi-O. 3% Ag-O. 1% Ce-0. 1P-0. IGa無鉛焊料。其顯微組織如 圖4所示，顆粒為Ag3Sn相。實(shí)施例5 將純度為99. 99%的錫、鉍、銀、銅、鋁按質(zhì)量比為94.49 3 1 1. 5 0. 01
在氬氣保護(hù)下的真空熔煉爐中加熱到1350°C熔化(其中稀土元素鑭以預(yù)配好的錫鑭中間 合金的形式加入)，同時(shí)加以磁攪拌，以使合金成分均勻，然后水冷凝固。再將合金翻轉(zhuǎn)后 重新加熱到700°C熔化，同時(shí)加以磁攪拌并水冷，這樣反復(fù)至少四次得到Sn-3% Bi-1% Ag-1. 5% Cu-0. 01% Al無鉛焊料。其顯微組織如圖5所示，顆粒由Ag3Sn相和Cu6Sn5相組 成，該合金具有較高的機(jī)械性能。表1部分SnBiAg系焊料合金的顯微硬度 本發(fā)明的較高的拉伸強(qiáng)度和較高的顯微硬度如表1所示，隨著成分的變化，最大 拉伸強(qiáng)度和顯微硬度隨之改變，獲得較大的性能。
權(quán)利要求
一種錫鉍銀系無鉛焊料，其特征在于，焊料的組分和質(zhì)量百分含量純度為99.99％的錫鉍銀的質(zhì)量比為98.9～93∶1～5∶0.1～2。
2.如權(quán)利要求1的一種錫鉍銀系無鉛焊料，其特征在于，錫鉍銀系無鉛焊料中加入0 2的鋅、0 2的銅、0 1的鋁、0 1的銦、0 1的稀土元素、0 1的鎵或0 1磷的至 少一種或幾種，上述元素不能同時(shí)為0。
3.權(quán)利要求1或2的錫鉍銀系無鉛焊料的制備方法，其特征是將原料按比例配備，在氬 氣保護(hù)下的真空熔煉爐中加熱到500-1300°C熔化，同時(shí)加以磁攪拌，以使合金成分均勻，然 后水冷凝固；再將合金翻轉(zhuǎn)后重新加熱到300-600°C熔化，同時(shí)加以磁攪拌并水冷，這樣反 復(fù)至少五次。
全文摘要
本發(fā)明涉及錫鉍銀無鉛焊料；其中焊料的組分和質(zhì)量百分含量純度為99.99％的錫鉍銀的質(zhì)量比為98.9～93∶1～5∶0.1～2。還可以加入0-2的鋅、0-2的銅、0-1的鋁、0-1的銦、0-1的稀土元素、0-1的鎵或0-1磷的至少一種或幾種。將原料按比例配備，在氬氣保護(hù)下的真空熔煉爐中加熱到500-1300℃熔化，同時(shí)加以磁攪拌，以使合金成分均勻，然后水冷凝固；再將合金翻轉(zhuǎn)后重新加熱到300-600℃熔化，同時(shí)加以磁攪拌并水冷，這樣反復(fù)至少五次。本發(fā)明在保證其工業(yè)應(yīng)用的前提下，低銀含量的焊料合金具有較低的產(chǎn)品成本，本合金具有較低的熔化溫度、較高的拉伸強(qiáng)度和較高的顯微硬度。
文檔編號(hào)B23K35/40GK101862925SQ20101022528
公開日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2010年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月17日
發(fā)明者劉永長(zhǎng), 王珣, 董明杰, 高志明 申請(qǐng)人:天津大學(xué)