專利名稱：一種電子封裝用低成本抗老化釬料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及軟釬料及其制備方法
背景技術(shù)：
SnAgCu系釬料合金作為替代傳統(tǒng)SnI^b釬料受到廣泛認可，目前較為公認并且普遍使用的包括美國推薦的Sn 3. 9Ag 0. 6Cu，歐盟推薦的Sn 3. 8Ag 0. 7Cu，以及日本推薦的Sn 3. OAg 0. 5Cu。以上釬料含銀量普遍在3%以上，在無鉛電子封裝領(lǐng)域被廣泛的應用，其工藝參數(shù)相對成熟。但是，較高的含銀量會導致釬料內(nèi)部生成較多的Ag3Sn金屬間化合物生成，釬焊接頭耐沖擊性能下降，更重要的是較高的銀含量使釬料的成本升高； 如果釬料中銀含量的降低將導致其內(nèi)部形成的Ag3Sn化合物減少，釬料的硬度、強度等均有所下降，在高溫服役老化條件下其可靠性有明顯下降，同時含銀量的降低也使其熔點、潤濕性等焊接特性變差?，F(xiàn)有的低含銀量釬料有多種，申請?zhí)枮?00310115384.3的中國專利公開的 SnAgCu系低含銀量釬料的銀含量控制在2 % 3 %，并加入了多種稀土元素，其成本并沒有得到明顯降低。申請?zhí)枮?0081006^62. 8的中國專利公開的SnAgCu系低含銀量釬料，除 31148、01主元素外加入附、313、？、66、8丨及化等多種元素，使釬料的抗氧化性和潤濕性得到改進，但原料中元素種類多將導致熔煉過程復雜，加工成本增加。申請?zhí)枮?009102327M. 9 的中國專利公開的低含銀量SnAgCuBi無鉛釬料，獲得了較低的熔化溫度，但該釬料在應用時，由于熔化過程的固液相溫度差高達50°C 60°C，固液相溫度差過大，極易產(chǎn)生固化裂紋，同時釬料內(nèi)部組織變脆，韌性下降；目前市場上銷售的一種低銀釬料SAC0307，其中Sn 99%,Ag 0. 3%,Cu 0. 7%，其成本比型號為 SAC305 (其 Sn :96. 5%,Ag 3. 0%,Cu :0. 5% ) 的含銀釬料降低40%，但是SAC0307釬料的熔點在217°C 223°C，較SAC305等高銀釬料熔點升高，潤濕性較差，強度較低，難以滿足工程需要。綜上所述，目前公開的低含銀量無鉛釬料存在以下問題含銀量仍較高，添加元素種類多，冶金制備復雜，釬料組織易產(chǎn)生固化裂紋及熔點較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是要解決現(xiàn)有的低含銀量無鉛釬料的含銀量仍較高、添加元素種類多、冶金制備復雜、易產(chǎn)生固化裂紋及熔點較高的技術(shù)問題，而提供一種電子封裝用低成本抗老化釬料及其制備方法。本發(fā)明的一種電子封裝用低成本抗老化釬料按質(zhì)量百分比由0. 60% 0. 79%的 Ag、0. 50% 0. 90% 的 Cu、0. 02% 0. 20% 的 Ni、2. 10% 4. 00% 的 Bi 和余量的 Sn 組成。本發(fā)明的電子封裝用低成本抗老化釬料的制備方法按以下步驟進行一、按質(zhì)量百分比為 Ag 0. 60% 0. 79%, Cu 0. 50% 0. 90%, Ni :0. 02% 0. 20%, Bi :2. 10% 4. 00%和余量的Sn稱取銀、銅、鎳、鉍和錫；二、將步驟一稱取的錫放入熔煉器皿中，通入氬氣保護，先升溫至480°C 530°C，當錫完全熔化后，將步驟一稱取的銀、銅、鎳和鉍加入到熔煉器皿中，攪拌，在溫度為480°C 530°C的條件下熔煉7min lOmin，然后降溫至 350°C 400°C保溫25min 40min，停止加熱并在氬氣保護下冷卻至室溫，得到固態(tài)金屬； 三、將步驟二中得到的到固態(tài)金屬在氬氣保護下升溫至480°C 530°C熔煉8min lOmin， 再降溫至350°C 400°C保溫25min 40min，冷卻后得到電子封裝用低成本抗老化釬料。本發(fā)明的電子封裝用低成本抗老化釬料降低釬料成本的同時獲得優(yōu)良的可焊性及綜合力學性能，該釬料的含銀量0. 60% 0. 79%，含銀量較低，其熔點僅為205°C 219°C、潤濕性良好，具有良好的可焊性。相對SAC305釬料而言，其成本可降低30% 43%， 釬料的熔點和潤濕性均有指標改善，釬焊接頭的抗剪切強度提高38%以上，抗高溫老化性能明顯提高。與SAC0307釬料相比，釬料的熔點和潤濕性均有明顯改善，同時釬焊接頭的抗剪切強度提高50%以上；該釬料與Cu、Ni焊盤連接接頭的微觀組織中界面化合物層較薄， 抗時效老化、抗電遷移性好，其連接接頭的抗剪切、沖擊等綜合力學性能優(yōu)良。本發(fā)明的電子封裝用低成本抗老化釬料降低釬料添加元素種類只有Ag、Cu、Ni、和Bi四種，制備工藝簡單；同時該釬料固液相溫差僅為8°C 10°C，固液相溫差小，有效減少了固化裂紋的產(chǎn)生， 改善了焊接缺陷對可靠性的影響；該釬料的主要應用于電子組裝、封裝的手工焊、波峰焊和再流焊領(lǐng)域。


圖1是具體實施方式
十五中低銀釬料SAC0307的差熱掃描曲線圖；圖2是具體實施方式
十五制備的電子封裝用低成本抗老化釬料的差熱掃描曲線圖；圖3是具體實施方式
十五制備的電子封裝用低成本抗老化釬料的微焊點通電58小時后的掃描電鏡照片；圖4是具體實施方式
十五中SAC305釬料的微焊點通電58小時后的掃描電鏡照片。
具體實施例方式具體實施方式
一本實施方式的一種電子封裝用低成本抗老化釬料按質(zhì)量百分比由 0. 60% 0. 79% 的 Ag、0. 50% 0. 90% 的 Cu、0. 02% 0. 20% 的 Ni、2. 10% 4. 00% 的Bi和余量的Sn組成。本實施方式的電子封裝用低成本抗老化釬料降低釬料成本的同時獲得優(yōu)良的可焊性及綜合力學性能，該釬料的含銀量0. 60% 0. 79%，含銀量較低，其熔點僅為205°C 219°C、潤濕性良好，具有良好的可焊性。相對SAC305釬料而言，其成本可降低30% 43%， 釬料的熔點和潤濕性均有指標改善，釬焊接頭的抗剪切強度提高40 %以上，抗高溫老化性能明顯提高。與SAC0307釬料相比，釬料的熔點和潤濕性均有明顯改善，同時釬焊接頭的抗剪切強度提高50%以上；該釬料與Cu、Ni焊盤連接接頭的微觀組織中界面化合物層較薄， 抗時效老化、抗電遷移性好，其連接接頭的抗剪切、沖擊等綜合力學性能優(yōu)良。本發(fā)明的電子封裝用低成本抗老化釬料降低釬料添加元素種類只有Ag、Cu、Ni、和Bi四種，制備工藝簡單；同時該釬料固液相溫差僅為8°C 10°C，固液相溫差小，有效減少了固化裂紋的產(chǎn)生， 改善了焊接缺陷對可靠性的影響。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是電子封裝用低成本抗老化釬料按質(zhì)量百分比由0. 63% 0. 75%的Ag、0. 60% 0. 80%的Cu、0. 05% 0. 18%的 Ni、2. 30% 3. 50%的Bi和余量的Sn組成。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一不同的是電子封裝用低成本抗老化釬料按質(zhì)量百分比由0. 70%&Ag、0. 70%的Cu、0. 10%的Ni、2. 80%的Bi和余量的Sn組成。
具體實施方式
四本實施方式的電子封裝用低成本抗老化釬料的制備方法按以下步驟進行一、按質(zhì)量百分比為Ag 0. 60% 0. 79%、Cu 0. 50% 0. 90%、Ni :0. 02% 0. 20%, Bi 2. 10% 4. 00%和余量的Sn稱取銀、銅、鎳、鉍和錫；二、將步驟一稱取的錫放入熔煉器皿中，通入氬氣保護，先升溫至480°C 530°C，當錫完全熔化后，將步驟一稱取的銀、銅、鎳和鉍加入到熔煉器皿中，攪拌，在溫度為480°C 530°C的條件下熔煉7min lOmin，然后降溫至350°C 400°C保溫25min 40min，停止加熱并在氬氣保護下冷卻至室溫，得到固態(tài)金屬；三、將步驟二中得到的到固態(tài)金屬在氬氣保護下升溫至480°C 530°C 熔煉aiiin lOmin，再降溫至350°C 400°C保溫25min 40min，冷卻后得到電子封裝用低成本抗老化釬料。步驟二中所述的室溫為5°C 33°C。本實施方式的電子封裝用低成本抗老化釬料降低釬料成本的同時獲得優(yōu)良的可焊性及綜合力學性能，該釬料的含銀量0. 60% 0. 79%，含銀量較低，其熔點僅為205°C 219°C、潤濕性良好，具有良好的可焊性。相對SAC305釬料而言，其成本可降低30% 43%， 釬料的熔點和潤濕性均有指標改善，釬焊接頭的抗剪切強度提高40 %以上，抗高溫老化性能明顯提高。與SAC0307釬料相比，釬料的熔點和潤濕性均有明顯改善，同時釬焊接頭的抗剪切強度提高50%以上；該釬料與Cu、Ni焊盤連接接頭的微觀組織中界面化合物層較薄， 抗時效老化、抗電遷移性好，其連接接頭的抗剪切、沖擊等綜合力學性能優(yōu)良。本發(fā)明的電子封裝用低成本抗老化釬料降低釬料添加元素種類只有Ag、Cu、Ni、和Bi四種，制備工藝簡單；同時該釬料固液相溫差僅為8°C 10°C，固液相溫差小，有效減少了固化裂紋的產(chǎn)生， 改善了焊接缺陷對可靠性的影響。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
四不同的是步驟一中按質(zhì)量百分比為 Ag 0. 65% 0. 75%,Cu 0. 60% 0. 80%,Ni 0. 05% 0. 15%,Bi 2. 30% 3. 80%和余量的Sn稱取銀、銅、鎳、鉍和錫。其它與具體實施方式
四相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
四不同的是步驟一中按質(zhì)量百分比為Ag 0. 70%,Cu 0. 70%,Ni 0. 10%,Bi 3. 00%和余量的Sn稱取銀、銅、鎳、鉍和錫。其它與具體實施方式
四相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
四至六之一不同的是步驟二中將錫放入熔煉器皿中升溫至490°C 520°C使其熔化。其它與具體實施方式
四至六之一相同。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
四至六之一不同的是步驟二中將錫放入熔煉器皿中升溫至510°C使其熔化。其它與具體實施方式
四至六之一相同。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
四至八之一不同的是步驟二中將銀、銅、鎳和鉍加入到熔化的錫中后，在溫度為490°C 520°C的條件下熔煉8min 9min。 其它與具體實施方式
四至八之一相同。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施方式
四至八之一不同的是步驟二中將銀、銅、鎳和鉍加入到熔化的錫中后，在溫度為510°C的條件下熔煉8. 5min。其它與具體實施方式
四至八之一相同。
具體實施方式
十一本實施方式與具體實施方式
四至十之一不同的是步驟二中將錫、銀、銅、鎳和鉍熔煉后，降溫至360°C 390°C保溫^min 38min。其它與具體實施方式
四至十之一相同。
具體實施方式
十二 本實施方式與具體實施方式
四至十之一不同的是步驟二中將錫、銀、銅、鎳和鉍熔煉后，降溫至380°C保溫30min。其它與具體實施方式
四至十之一相同。
具體實施方式
十三本實施方式與具體實施方式
四至十二之一不同的是步驟三中將步驟二中得到的到固態(tài)金屬在氬氣保護下升溫至490°C 520°C熔煉8. 5min 9. 5min, 再降溫至360°C 390°C保溫^min 38min。其它與具體實施方式
四至十二之一相同。
具體實施方式
十四本實施方式與具體實施方式
四至十二之一不同的是步驟三中將步驟二中得到的到固態(tài)金屬在氬氣保護下升溫至510°C熔煉9min，再降溫至370°C保溫 30min。其它與具體實施方式
四至十二之一相同。
具體實施方式
十五本實施方式的電子封裝用低成本抗老化釬料的制備方法按以下步驟進行一、按質(zhì)量百分比為Ag 0. 70%, Cu 0. 60%, Ni :0. 05%, Bi :3. 00%和Sn 95. 65%稱取銀、銅、鎳、鉍和錫；二、將步驟一稱取的錫放入石英管中，通入氬氣保護，利用高頻感應焊機加熱，先升溫至500°C，當錫完全熔化后，將步驟一稱取的銀、銅、鎳和鉍加入到石英管中，電磁攪拌，在溫度為500°C的條件下熔煉8min，然后降溫至380°C保溫25min， 停止加熱并在氬氣保護下冷卻至室溫，得到固態(tài)金屬；三、將步驟二中得到的到固態(tài)金屬在氬氣保護下升溫至500°C熔煉8min，再降溫至380°C保溫25min，冷卻后得到電子封裝用低成本抗老化釬料。將本實施方式得到的電子封裝用低成本抗老化釬料與市場上現(xiàn)有低銀釬料 SAC0307同時用美國Perkin Elmer Pyris Diamond DSC功率補償型差示掃描量熱儀測試熔點，釬料質(zhì)量為5 10mg，樣品通入高純氮氣作為保護氣氛.預設(shè)初始溫度為160°C，結(jié)束溫度為260°C，升溫速度為5°C /min。低銀釬料SAC0307的差熱掃描曲線圖如圖1所示， 從圖1中可以看出，SAC0307釬料的熔點為217°C 223°C ；本實施方式得到的電子封裝用低成本抗老化釬料(SACNB0706053釬料)的差熱掃描曲線圖如圖2所示，從圖2中可以看出，本實施方式得到的電子封裝用低成本抗老化釬料的熔點僅為208°C 216°C，同時參照工業(yè)界SAC305釬料的熔點參數(shù) 220°C )，得出本實施方式得到的電子封裝用低成本抗老化釬料的熔點與SAC0307、SAC305釬料相比明顯降低。采用GB/T11364-2008標準測試相同質(zhì)量的本實施方式得到的電子封裝用低成本抗老化釬料、SAC305釬料和SAC0307釬料的潤濕性，利用它們在Cu基板上的鋪展面積來評價其潤濕性，標準試樣為40 X 40 X Imm的單面覆銅板試片，釬料試樣的質(zhì)量0. 25g.加熱設(shè)備為R340C型八溫區(qū)無鉛回流焊爐，峰值溫度為250°C。結(jié)果為本實施方式得到的電子封裝用低成本抗老化釬料的潤濕鋪展面積為63. 61mm2, SAC305釬料的潤濕鋪展面積為 57. 82mm2, SAC0307釬料的潤濕鋪展面積為48. 49mm2，本實施方式得到的電子封裝用低成本抗老化釬料的潤濕鋪展面積比SAC0307提高31. 2%，較高銀釬料SAC305提高10. 0%。采用日本PTR-1101接合強度試驗機對用本實施方式得到的電子封裝用低成本抗老化釬料、SAC305釬料和SAC0307釬料制備的微焊點的剪切強度進行測試，剪切速度 0. 5mm/s，剪切距離1mm，定位距離175 μ m,小球的尺寸為700 μ m。各釬料形成的微焊點老化后的剪切強度如表1所示。
表1不同釬料形成的微焊點老化前后的剪切強度
權(quán)利要求
1.一種電子封裝用低成本抗老化釬料，其特征在于電子封裝用低成本抗老化釬料按質(zhì)量百分比由 0. 60% 0. 79% 的 Ag、0. 50% 0. 90% 的 Cu、0. 02% 0. 20% 的 Ni、2. 10% 4. 00%的Bi和余量的Sn組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電子封裝用低成本抗老化釬料，其特征在于電子封裝用低成本抗老化釬料按質(zhì)量百分比由0. 63% 0. 75%&Ag、0. 60% 0. 80%的01、0. 05% 0. 18%的Ni、2. 30% 3. 50%的Bi和余量的Sn組成。
3.如權(quán)利要求1所述的一種電子封裝用低成本抗老化釬料的制備方法，其特征在于電子封裝用低成本抗老化釬料的制備方法按以下步驟進行一、按質(zhì)量百分比為Ag: 0. 60% 0. 79%, Cu 0. 50% 0. 90%, Ni 0. 02% 0. 20%,Bi 2. 10% 4. 00%和余量的Sn稱取銀、銅、鎳、鉍和錫；二、將步驟一稱取的錫放入熔煉器皿中，通入氬氣保護，先升溫至480°C 530°C，當錫完全熔化后，將步驟一稱取的銀、銅、鎳和鉍加入到熔煉器皿中， 攪拌，在溫度為480°C 530°C的條件下熔煉7min lOmin，然后降溫至350°C 400°C保溫25min 40min，停止加熱并在氬氣保護下冷卻至室溫，得到固態(tài)金屬；三、將步驟二中得到的到固態(tài)金屬在氬氣保護下升溫至480°C 530V熔煉8min IOmin，再降溫至350°C 400°C保溫25min 40min，冷卻后得到電子封裝用低成本抗老化釬料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種電子封裝用低成本抗老化釬料的制備方法，其特征在于步驟一中按質(zhì)量百分比為Ag 0. 65% 0. 75%、Cu :0. 60% 0. 80%、Ni :0. 05 % 0. 15%, Bi 2. 30% 3. 80%和余量的Sn稱取銀、銅、鎳、鉍和錫。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的一種電子封裝用低成本抗老化釬料的制備方法，其特征在于步驟二中將錫放入熔煉器皿中升溫至490°C 520°C使其熔化。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的一種電子封裝用低成本抗老化釬料的制備方法，其特征在于步驟二中將銀、銅、鎳和鉍加入到熔化的錫中后，在溫度為490°C 520°C的條件下熔煉 8min 9min。
7.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的一種電子封裝用低成本抗老化釬料的制備方法，其特征在于步驟二中將銀、銅、鎳和鉍加入到熔化的錫中后，在溫度為510°C的條件下熔煉 8. 5min。
8.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的一種電子封裝用低成本抗老化釬料的制備方法，其特征在于步驟二中將錫、銀、銅、鎳和鉍熔煉后，降溫至360°C 390°C保溫^min 38min。
9.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的一種電子封裝用低成本抗老化釬料的制備方法，其特征在于步驟二中將錫、銀、銅、鎳和鉍熔煉后，降溫至380°C保溫30min。
10.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的一種電子封裝用低成本抗老化釬料的制備方法，其特征在于步驟三中將步驟二中得到的到固態(tài)金屬在氬氣保護下升溫至490°C 520°C熔煉 8. 5min 9. 5min，再降溫至 360°C 390°C保溫 28min 38min。
全文摘要
一種電子封裝用低成本抗老化釬料及其制備方法，它涉及軟釬料及其制備方法，本發(fā)明解決了現(xiàn)有的低含銀量無鉛釬料的含銀量仍較高、添加元素種類多、冶金制備復雜、易產(chǎn)生固化裂紋及熔點較高的技術(shù)問題。本釬料由0.60％～0.79％的Ag、0.50％～0.90％的Cu、0.02％～0.20％的Ni、2.10％～4.00％的Bi和余量的Sn組成。制備方法將錫、銀、銅、鎳和鉍進行兩次熔煉，得到釬料。本釬料熔點僅為205℃～219℃、潤濕性和可焊性良好，成本比SAC305釬料降低30％～43％，該釬料的焊點強度、抗高溫老化性能比SAC305和SAC0307提高?？捎糜陔娮咏M裝、封裝的手工焊、波峰焊和再流焊領(lǐng)域。
文檔編號C22C1/02GK102172805SQ201110020418
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月18日
發(fā)明者劉洋, 孫鳳蓮 申請人:哈爾濱理工大學