一種含硼錫基無鉛焊料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種含硼錫基無鉛焊料及其制備方法，屬于微電子行業(yè)電子組裝用無鉛焊料制造【技術(shù)領(lǐng)域】。其重量百分比組成為：銅0.5%-2.5%，硼0.001%-0.5%，鎳0-1.0%，銀0-4.0%，其余為錫，各成分重量之和為100%。本發(fā)明無鉛焊料的制備方法為：制備Sn-Cu-B中間合金；按所需合金配比加入Sn、Ni和/或Ag，在熔煉爐中熔化；加熱至250~400℃，保溫10~20min，除掉表面氧化渣，澆注于模具中制成Sn-Cu系或Sn-Ag-Cu系無鉛焊料錠坯。此錠坯可直接作為焊料應(yīng)用，或制成條帶、絲板、軋片或粉末使用。該焊料可提高界面強度、降低錫須風(fēng)險，大大提高焊點可靠性。
【專利說明】一種含硼錫基無鉛焊料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種含硼錫基無鉛焊料及其制備方法，屬于微電子行業(yè)電子組裝用無鉛焊料制造【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代電子器件的大規(guī)模集成化和微型化，為無鉛焊料研究的發(fā)展提供重要驅(qū)動力。電子器件中焊點的體積非常微小，其所承載的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)負(fù)荷越來越重，對焊點的可靠性要求日益提高。
[0003]傳統(tǒng)的Sn-Cu系、Sn-Ag-Cu系無鉛焊料由于Sn含量高，使得Cu基體在熔融焊料中的溶解和擴散提高；增大了焊點和基體間界面上形成金屬間化合物的速率；而焊點的破壞主要是焊料基體與界面處富Cu的金屬間化合物脆性斷裂的結(jié)果；界面板層狀分布的粗大金屬間化合物脆性較大，會降低界面的力學(xué)完整性，使得界面弱化并引起焊點在金屬間化合物與焊料的邊界上損傷的萌生和最終破壞，焊料層內(nèi)少量的Cu6Sn5體積百分比，就足以產(chǎn)生錫須的生長的壓應(yīng)力，金屬間化合物越厚，越容易出現(xiàn)錫須風(fēng)險。
[0004]另外，目前應(yīng)用較多的Sn-Ag-Cu系無鉛焊料如SAC305 (Sn_3.0Ag-0.5Cu)，其含Ag量較高，在組織中存在板狀的Ag3Sn金屬間化合物，對焊點的抗沖擊性能產(chǎn)生不利影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明是在Sn-Cu及Sn-Ag-Cu無鉛焊料基礎(chǔ)上,通過添加B、Ni元素,提供了一種新的含硼錫基無鉛焊料。B元素的加入能明顯細(xì)化Ag3Sn和焊錫組織，進而提高焊點的抗沖擊性；B元素的添加可增加晶界結(jié)合力，明顯能提高界面強度和反應(yīng)層韌性。
[0006]一種含硼錫基無鉛焊料，該無鉛焊料的重量百分比(％)組成為:銅0.5%-2.5%，硼
0.001%-0.5%，鎳0-1.0%，銀0-4.0%，其余為錫，各成分重量之和為100%。
[0007]優(yōu)選的，銅為0.5%-2.0%,鎳為 0-0.5%,銀 0-4.0%。
[0008]進一步地，鎳可為0.001%-1.0%,優(yōu)選 0.001%-0.5% ;銀可為 0.1%_4.0%,優(yōu)選
0.1%-4.0%。
[0009]本發(fā)明還提供了上述含硼錫基無鉛焊料的制備方法。
[0010]一種含硼錫基無鉛焊料的制備方法，包括如下步驟:
[0011 ] ①制備Sn-Cu-B中間合金；
[0012]②將已制成的Sn-Cu-B中間合金及Sn、Cu按所需合金配比在熔煉爐中熔化(Cu、B比例通過向焊料中添加Sn-1OCu中間合金調(diào)節(jié)),或按所需合金配比加入Sn、Cu、Ni和/或Ag (以純Sn、Sn-1OCu中間合金、Sn_5Ni中間合金、Sn_20Ag中間合金方式加入)，在熔煉爐中熔化；加熱至25(T400°C，保溫l(T20min，除掉表面氧化渣，澆注于模具中制成Sn-Cu系或Sn-Ag-Cu系無鉛焊料錠還。
[0013]步驟②所得錠坯直接作為焊料應(yīng)用，或制成條帶、絲板或軋片使用。
[0014]步驟②所得錠坯在25(T40(TC熔化，制備成球形合金焊粉，用作焊膏基料。[0015]其中，制備Sn-Cu-B中間合金，包括如下兩種方法:
[0016](I)低硼含量的中間合金(硼元素質(zhì)量含量0.01-1.0%)制備:將純度為99.99%的錫、銅、硼元素，質(zhì)量比為89-94:5-10:0.01-1，在氬氣保護的真空熔煉爐中加熱到1100-1300°C熔化，同時加以電磁攪拌，以使合金成分均勻，然后快速冷卻，制備出Sn-Cu-B中間合金。此類中間合金主要用于生產(chǎn)B元素含量(質(zhì)量百分比)不高于0.1%的無鉛焊料
么么
I=1-Wl O
[0017](2)高硼含量的中間合金(硼元素質(zhì)量含量>1.0%)制備:將純度為99.99%的錫、銅、硼元素,質(zhì)量比為85-89:5-10:1.0-5.0,放入球磨機內(nèi)研磨,研磨均勻后,在気氣保護的真空熔煉爐中加熱到1100-1300°C熔化，同時加以電磁攪拌，以使合金成分均勻，然后快速冷卻，制備出Sn-Cu-B中間合金；此類中間合金主要用于生產(chǎn)B元素含量(質(zhì)量百分比)高于0.1%的無鉛焊料合金。
[0018]采用上述方案制備的新型無鉛焊料具有以下優(yōu)點:
[0019](I)微量B、Ni元素的加入可有效抑制基體中Cu向焊料擴散，得到薄而平坦的反應(yīng)層，并在長時間的時效后，界面反應(yīng)層厚度也無明顯的增加?？纱蟠蠼档徒缑娓籆u的金屬間化合物的脆性斷裂與錫須風(fēng)險。
[0020](2)其中組元B的加入，可提高界面強度和反應(yīng)層韌性，增加晶界結(jié)合力。通過熱力學(xué)計算，B能升高晶界結(jié)合。B能促進晶界位錯源的開動，提高晶界協(xié)調(diào)滑移的能力，使位錯容易穿過晶界繼續(xù)滑移。這樣位錯就不容易在晶界塞積，同時也抑制了沿晶斷裂。
[0021]另外，B作為異質(zhì)形核，增加形核質(zhì)點數(shù)量，明顯細(xì)化焊料合金組織，大大提高焊料合金的機械強度和焊接強度。
[0022](3)接頭具有電氣連接和機械連接兩種作用，服役過程要經(jīng)歷溫度循環(huán)和功率循環(huán)，界面金屬間化合物與基材熱膨脹系數(shù)存在差異，使用過程中容易產(chǎn)生熱疲勞失效。通過控制新組元B加入量，調(diào)整焊料膨脹系數(shù)，使之與基材膨脹系數(shù)接近一致。
[0023](4)電子元件在服役過程中往往要經(jīng)歷電循環(huán)，焊料的導(dǎo)電性是評價焊料可靠性的重要指標(biāo)之一。硼與金屬的化合物通常具有高的導(dǎo)電率生成高導(dǎo)電率的金屬間化合物；新焊料在焊接和凝固過程中，B元素與焊料中的Ni能形成NiB、Ni2B, Ni3B, Ni4B3等高導(dǎo)電率硼化物(如圖5呈網(wǎng)絡(luò)狀存在的鎳硼化合物)，在一定程度上改善焊料的導(dǎo)電性和防止電遷移。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1Sn-L OAg-0.5Cu焊料與Cu基板界面形貌(X 2000)。
[0025]圖2Sn-l.0Ag-0.5Cu 焊料與 Cu 基板界面形貌(X 5000)。
[0026]圖3實施例9焊料與Cu基板界面形貌(X 2000)。
[0027]圖4實施例9焊料與Cu基板界面厚度(X 5000)。
[0028]圖5焊料中呈網(wǎng)絡(luò)狀存在的N1-B化合物(X 500)。
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行進一步說明，表I為選取的實施例的原料用量。[0030]實施例1:
[0031]本實施例的無鉛焊料，按質(zhì)量百分比為Cu含量0.5%，B含量0.001%，余量為Sn。其制備過程如下:
[0032](I)制備Sn-Cu-B中間合金:取純度為99.99%的錫、銅、硼原料，質(zhì)量比為89.5:10:0.5，在氬氣保護的真空熔煉爐中加熱到1100-1300°C熔化，同時加以磁攪拌，以使合金成分均勻，然后快速冷卻，制備出Sn-Cu-B中間合金；
[0033](2)按實施例1所需合金配比，將已制成的Sn-Cu-B中間合金與Sn、Sn_10Cu中間合金，在熔煉爐中加熱至300±5°C，熔化，保溫IOmin ；
[0034](3)除掉表面氧化渣，將合金熔體澆鑄于模具中，凝固，制備出本實施例SnCuB無鉛焊料錠坯。
[0035](4)在擠壓機上將步驟(3)所得錠料擠壓成條狀、絲狀或霧化制備成球形合金焊粉。
[0036]實施例2-9:
[0037]按照表I中列出的各合金成分的質(zhì)量百分比，分別制備實施例2-9無鉛焊料。
[0038](I)制備Sn-Cu-B中間合金:步驟同實施例1 ;
[0039](2 )按所需合金配比，將已制成的Sn-Cu-B中間合金與錫、銅及銀和/或鎳(分別以純Sn、Sn-10Cu、Sn-20Ag、Sn-5Ni方式加入)在熔煉爐中加熱至350±5°C，熔化，保溫20min ；
[0040](3)除掉表面氧化渣，將合金熔體澆鑄于模具中，凝固，制備出實施例2-9的SnCuB無鉛焊料錠坯。
[0041](4)在擠壓機上將步驟(3)所得錠料擠壓成條狀、絲狀或霧化制備成球形合金焊粉。
[0042]實施例10:
[0043]本實施例的無鉛焊料，其中Ag含量0.3wt%，Cu含量0.7wt%，Ni含量0.03wt%，B含量0.lwt%，余量為Sn，其制備過程如下:
[0044](I)將純度為99.99%的錫、銅、硼元素,質(zhì)量比為92:7:1,放入球磨機內(nèi)研磨數(shù)小時，然后取出研磨均勻的粉末在氬氣保護的真空熔煉爐中加熱到1100-1300°C熔化，同時加以電磁攪拌，然后快速冷卻，制備出Sn-Cu-B中間合金；
[0045](2)將已制成的Sn-Cu-B中間合金及Sn、Cu、Ag、Ni (分別以純Sn、Sn-1OCu>Sn-20Ag、Sn-5Ni方式加入)按所需合金配比在熔煉爐中加熱至350±5 °C，熔化，保溫20min ；
[0046](3)除掉表面氧化渣，將合金熔體澆鑄于模具中，凝固，制備出所需質(zhì)量百分比的含B、Ni的SnAgCu無鉛焊料。
[0047](4)在擠壓機上將步驟(3)所得錠料擠壓成條狀、絲狀或霧化制備成球形合金焊粉。
[0048]實施例11-12:
[0049]按照表I中列出的各合金成分的質(zhì)量百分比，分別制備實施例11-12無鉛焊料。
[0050](I)制備Sn-Cu-B中間合金:步驟同實施例10 ；
[0051](2)按所需合金配比,將已制成的Sn-Cu-B中間合金與Sn、Cu、Ag、Ni (分別以純Sn、Sn-lOCu, Sn_20Ag、Sn_5Ni方式加入)在熔煉爐中加熱至350±5°C，熔化，保溫20min ；[0052](3)除掉表面氧化渣，將合金熔體澆鑄于模具中，凝固，制備出實施例11-12的SnAgCu-NiB無鉛焊料錠坯。
[0053](4)在擠壓機上將步驟(3)所得錠料擠壓成條狀、絲狀或霧化制備成球形合金焊粉。
[0054]實施例13:
[0055]按照表1中列出的合金成分的質(zhì)量百分比，制備實施例13無鉛焊料。
[0056](I)制備Sn-Cu-B中間合金:步驟同實施例1 ;
[0057](2)按所需合金配比，將已制成的Sn-Cu-B中間合金與錫、銅及鎳(分別以純Sn、Sn-lOCu, Sn-5Ni方式加入)在熔煉爐中加熱至350±5°C，熔化，保溫15min ；
[0058](3)除掉表面氧化渣，將合金熔體澆鑄于模具中，凝固，制備出實施例13的SnCuB無鉛焊料錠坯。
[0059](4)在擠壓機上將步驟(3)所得錠料擠壓成條狀、絲狀或霧化制備成球形合金焊粉。
[0060]表1焊料的合金成分(質(zhì)量百分比)
【權(quán)利要求】
1.一種含硼錫基無鉛焊料，其重量百分比組成為:銅0.5%-2.5%，硼0.001%-0.5%，鎳0-1.0%，銀0-4.0%，其余為錫，各成分重量之和為100%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含硼錫基無鉛焊料，其特征在于:重量百分比組成為:銅0.5%-2.0%,鎳 0-0.5%,銀 0-4.0%。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的含硼錫基無鉛焊料，其特征在于:重量百分比組成為:鎳0.001%-1.0%,銀 0.1%-4.0%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含硼錫基無鉛焊料，其特征在于:重量百分比組成為:鎳0.001%-0.5%,銀 0.1%-4.0%。
5.一種含硼錫基無鉛焊料的制備方法，包括如下步驟: ①制備Sn-Cu-B中間合金； ②將已制成的Sn-Cu-B中間合金及Sn、Cu按所需合金配比在熔煉爐中熔化,或按所需合金配比加入Sn、Cu及Ni和/或Ag，在熔煉爐中熔化；加熱至25(T400°C，保溫l(T20min，除掉表面氧化渣，澆注于模具中制成Sn-Cu系或Sn-Ag-Cu系無鉛焊料錠坯。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的含硼錫基無鉛焊料的制備方法，其特征在于:所得無鉛焊料錠坯制成條帶、絲板或軋片。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的含硼錫基無鉛焊料的制備方法，其特征在于:所得無鉛焊料錠坯在25(T40(TC熔化，制備成球形合金焊粉。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的含硼錫基無鉛焊料的制備方法，其特征在于=Sn-Cu-B中間合金中，錫、銅、硼的質(zhì)量比為 89-94:5-10:0.01-1 或 85-89:5-10:1.0-5.0。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的含硼錫基無鉛焊料的制備方法，其特征在于:制備Sn-Cu-B中間合金包括如下步驟:將純度為99.99%的錫、銅、硼元素，質(zhì)量比為89-94:5-10:0.01-1,在氬氣保護的真空熔煉爐中加熱到1100-1300°C熔化，同時加以電磁攪拌，以使合金成分均勻，然后快速冷卻，制備出硼元素含量0.01-1.0%的Sn-Cu-B中間合金。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的含硼錫基無鉛焊料的制備方法，其特征在于:制備Sn-Cu-B中間合金包括如下步驟:將純度為99.99%的錫、銅、硼元素，質(zhì)量比為85-89:5-10:1.0-5.0，放入球磨機內(nèi)研磨，研磨均勻后，在氬氣保護的真空熔煉爐中加熱到1100-1300°C熔化，同時加以電磁攪拌，以使合金成分均勻，然后快速冷卻，制備出硼元素含量>1.0%的Sn-Cu-B中間合金。
【文檔編號】B23K35/40GK103624415SQ201210300094
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2012年8月22日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月22日
【發(fā)明者】徐駿, 曲俊峰, 胡強, 賀會軍, 張富文 申請人:北京有色金屬研究總院, 北京康普錫威科技有限公司