本發(fā)明涉及軟釬焊，尤其涉及一種insnbiznag高熵合金釬料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、隨著5g時(shí)代的到來(lái)，電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代向著多功能化和小型化趨勢(shì)發(fā)展。然而，芯片的特征尺寸已接近其物理極限，這使得垂直或水平集成多個(gè)芯片的先進(jìn)封裝技術(shù)成為開發(fā)后摩爾時(shí)代電子產(chǎn)品的一種替代方法。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，人們提出了具有高密度互連的3d集成電路封裝(3d?ic)技術(shù)。在3d?ic中，芯片的垂直堆疊通過(guò)多級(jí)封裝工藝實(shí)現(xiàn)，首先采用高熔點(diǎn)的snagcu305釬料進(jìn)行回流，然后再回流低熔點(diǎn)釬料。低熔點(diǎn)釬料的使用可以有效防止在前道回流過(guò)程中形成的焊點(diǎn)再次熔化。水平堆疊芯片會(huì)導(dǎo)致封裝尺寸增大，增加在高溫連接時(shí)由于熱膨脹系數(shù)(cet)失配引起的芯片和pcb熱翹曲風(fēng)險(xiǎn)，從而使器件失效更加嚴(yán)重。這種翹曲可以在組裝過(guò)程中通過(guò)使用低熔點(diǎn)釬料來(lái)解決。采用低溫釬料可以降低焊接溫度，減少產(chǎn)品回流過(guò)程中的熱應(yīng)力，從而提高焊點(diǎn)的可靠性。對(duì)于易產(chǎn)生熱變形的材料和對(duì)溫度敏感的電子元器件，使用低溫釬料焊接可以避免因高溫導(dǎo)致的損傷，從而提高器件的良品率。

2、共晶二元sn基釬料已有幾十年的研究歷程，但目前仍缺乏熔點(diǎn)低于180℃的釬料以及應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的熔點(diǎn)低于100℃的釬料。常見(jiàn)的低溫sn基釬料有sn58bi(138℃)和sn52in(118℃)合金。sn58bi共晶釬料雖然具有較好的力學(xué)強(qiáng)度，但脆性較高，服役過(guò)程中會(huì)發(fā)生成分偏析，導(dǎo)致可靠性大幅降低。

3、由于二元sn基釬料無(wú)法適應(yīng)技術(shù)的快速發(fā)展，多組分低溫釬料的研究顯得尤為重要。in-sn-bi三元合金釬料結(jié)合了snbi和snin二者的優(yōu)異性能，其較低的熔點(diǎn)使得其在柔性電子中的應(yīng)用具有可能性。然而，由于三元系統(tǒng)較為復(fù)雜，目前關(guān)于in-sn-bi合金的系統(tǒng)性研究較少。傳統(tǒng)的改善焊點(diǎn)性能的方法通常是在二、三元合金釬料中添加微量的第三(四)種元素或納米顆粒，形成復(fù)合釬料。這種方式雖然能部分改善原釬料性能，但通常只能針對(duì)性地改善某些特性，釬料的整體性質(zhì)不會(huì)發(fā)生大幅改變，難以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度、可靠性、低溫焊接等各個(gè)性能的同時(shí)提升。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明公開了一種insnbiznag高熵合金釬料及其制備方法和應(yīng)用，具有低熔點(diǎn)，可在低于85℃的回流溫度進(jìn)行電子器件的焊點(diǎn)互連，且具有高可靠性。

2、對(duì)此，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

3、一種insnbiznag高熵合金釬料，其成分為insnbiznag，其中，各元素的質(zhì)量百分比分別為in?25～35％，sn?28～38％，bi?20～30％，zn?2～12％，ag?3～6％。

4、此技術(shù)方案打破傳統(tǒng)的合金設(shè)計(jì)理念，采用五種元素sn、in、bi、zn、ag選擇合適的比例組合得到的多元合金以高熵合金，具有低熔點(diǎn)、高力學(xué)強(qiáng)度、高服役可靠性以及高性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)。而且基于高熵合金的緩慢擴(kuò)散效應(yīng)，使用該低溫釬料制備的焊點(diǎn)具有穩(wěn)定的組織，長(zhǎng)期服役后性能變化較小，可以有效抑制焊點(diǎn)界面處金屬間化合物(imc)的過(guò)度生長(zhǎng)，提高焊點(diǎn)的可靠性。

5、釬料熔點(diǎn)低，熔化后可與cu基底形成良好的潤(rùn)濕鋪展，在85℃下加熱回流3分鐘后，能與cu焊盤形成良好的冶金結(jié)合，焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度可達(dá)到25mpa以上，滿足電子器件服役使用的實(shí)際需求。

6、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的insnbiznag合金釬料的成分為in0.2sn0.8、bi3in5以及an5zn8。

7、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，各元素的質(zhì)量百分比分別為in?28.6-32％，sn?33-35.3％，bi?23.9-26.7％，zn?2～12％，ag?4％。

8、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的insnbiznag合金釬料的液相線溫度為55～120℃。

9、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述insnbiznag高熵合金釬料的熔化溫度為56.8℃。

10、本發(fā)明還公開了如上所述的insnbiznag高熵合金釬料的制備方法，包括如下步驟：

11、步驟s1，將純金屬原材料in、sn、bi、zn以及ag低熔點(diǎn)在上、高熔點(diǎn)在下的順序裝入坩堝中，即加入順序?yàn)閍g-zn-bi-sn-in；

12、步驟s2，將裝有原料的坩堝放入感應(yīng)加熱熔煉爐中，密封好爐腔后，抽真空，通入惰性氣體作為保護(hù)氣至腔內(nèi)達(dá)到正壓；

13、步驟s3，維持ar氣氛圍，通過(guò)電磁感應(yīng)加熱進(jìn)行升溫熔煉，完成熔煉后，進(jìn)行冷卻。

14、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟s3中，完成熔煉后，將熔煉后的金屬取出，進(jìn)行水冷成型。進(jìn)一步地，使用15～25℃的純水對(duì)熔化后液態(tài)的合金進(jìn)行冷卻成型。

15、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述惰性氣體為ar氣。

16、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟s2重復(fù)3次，完成洗氣。

17、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟s2中，抽真空腔體達(dá)到的真空度為1×10-4～1.5×10-4pa；向腔體通入ar氣體至內(nèi)部壓強(qiáng)為0.02～0.05pa，

18、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟s3中，感應(yīng)加熱的電流為13～15a，加熱過(guò)程升溫速率為0.5-2℃/s。進(jìn)一步地，加熱過(guò)程升溫速率為1℃/s。

19、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，熔煉保溫溫度為750～900℃，保溫時(shí)間為30～60分鐘。

20、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，冷卻速度為1～5℃/min。

21、作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟s3中，進(jìn)行重復(fù)熔煉，重復(fù)次數(shù)為≥3次。

22、本發(fā)明還公開了如上所述的insnbiznag高熵合金釬料的應(yīng)用，用于電子封裝領(lǐng)域，可實(shí)現(xiàn)在低至80℃的極低焊接溫度下實(shí)現(xiàn)電子器件焊點(diǎn)的互連。

23、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

24、第一，本發(fā)明的技術(shù)方案，基于in-sn-bi低溫合金體系，引入ag和zn元素以形成5元高熵低溫合金。通過(guò)固溶強(qiáng)化以及第二相強(qiáng)化的機(jī)制實(shí)現(xiàn)低熔點(diǎn)合金力學(xué)性能的增強(qiáng)；借助高熵合金緩慢擴(kuò)散效應(yīng)，抑制焊點(diǎn)在長(zhǎng)期服役過(guò)程中冶金界面層金屬間化合物(imc)的過(guò)度生長(zhǎng)，從而提高焊點(diǎn)長(zhǎng)期服役后的力學(xué)性能的穩(wěn)定性。

25、第二，該高熵合金采用多組元合金設(shè)計(jì)，其中sn、bi和zn原材料價(jià)格低，可很好的平衡合金釬料制造的整體成本，具備一定的性價(jià)比，且在85℃的極低溫度下，對(duì)cu金屬基底具有良好的潤(rùn)濕和形成冶金反應(yīng)，焊接3分鐘后連接頭強(qiáng)度可達(dá)到25mpa以上，滿足實(shí)際電子封裝的連接強(qiáng)度需求。焊點(diǎn)界面imc為cu6(in、sn、zn)5，多元素的摻雜使得基底cu元素向釬料內(nèi)部擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)變得緩慢，imc過(guò)度生長(zhǎng)得到抑制；界面imc具有良好的韌性，在熱循環(huán)過(guò)程中能夠良好的吸收釋放界面熱應(yīng)力。本發(fā)明的技術(shù)方案的釬料可以在低于85℃的回流溫度進(jìn)行電子器件的焊點(diǎn)互連，解決了高溫焊接對(duì)熱敏感器件的損傷問(wèn)題，減少熱應(yīng)力引起的翹曲問(wèn)題，具有低熔點(diǎn)、高力學(xué)強(qiáng)度、高服役可靠性以及高性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)。使用該低溫釬料制備的焊點(diǎn)具有穩(wěn)定的組織，長(zhǎng)期服役后性能變化較小，具有高可靠性的優(yōu)勢(shì)。

26、第三，本發(fā)明的技術(shù)方案使用工藝技術(shù)簡(jiǎn)單，原料易獲取，實(shí)用性強(qiáng)，可填補(bǔ)目前電子器件封裝領(lǐng)域中商用極低溫釬料(熔點(diǎn)在100℃以下)的市場(chǎng)空白，解決柔性電子器件以及熱敏感器件的封裝連接問(wèn)題。