高蠕變抗力含稀土錫基無鉛釺料及其製備方法
2023-05-23 20:50:36
專利名稱：高蠕變抗力含稀土錫基無鉛釺料及其製備方法
技術領域：
一種高蠕變抗力含稀土的錫基無鉛釺料及其製備方法屬於微電子行業表面組裝用無鉛釺料製造技術領域。
美國專利5,527,628報導了SnAgCu釺料的共晶成分Sn-4.7％Ag-1.7％Cu，其熔點為217℃，但該發明釺料蠕變強度不佳。美國專利4,929,423提供的無鉛釺料Sn-(0.08-20％)Bi-(0.01-1.5％)Ag-(0.02-1.5％)Cu-0.01％P-(0-0.2％)混合稀土，主要用於管道釺焊，且合金組元多，實用性較差。美國專利6,361,742介紹了兩種添加稀土的SnAg及SnAgCuBi無鉛釺料，但SnAg釺料的潤溼性較差，在釺焊過程中會造成銅基體的溶解，而SnAgCuBi不僅合金組元多，為含Bi釺料，易產生低熔點共晶，且稀土為單一的稀土元素。中國專利CN1346728A公開了一種適用於電子封裝與組裝釺焊的含稀土的無鉛釺料，其中稀土為La和Ce的混合稀土或La和Ce混合稀土加Pr、Nd中的一或兩種，Sn-(0.1-5％)Ag-(0.1-1％)Cu-(0.1-8％)Bi-(0.1-7.5％)In-(0-8％)Sb-(0.01-2％)稀土。該專利指出，為了進一步降低熔點，加入了一定量的In、Bi元素。然而，隨著無鉛化進程的加快，一些大的公司相繼推出了無鉛波峰焊機和無鉛再流焊機，其釺焊的峰值溫度已可以達到250℃左右，因此，在這種形勢下，無鉛釺料的熔點問題，已不再是一個非常突出的問題。此外，含Bi釺料在釺焊時易產生咬底缺陷，並與鉛易形成低熔點共晶，因此對鉛汙染較敏感，且Bi的脆性也是一個不利的因素。另外，Bi是鉛的副產品，使用含Bi的釺料必然要加大對鉛礦的開採，造成對環境的汙染。In在地殼中的豐度很低，且價格昂貴，不適合大規模使用。因此，加入一些為了降低釺料熔點的元素，如In、Bi等，在沒有明顯提高產品的綜合性能的前提下，已變得不再必要。
本發明所涉及的高蠕變抗力含稀土錫基無鉛釺料，其特徵在於含有重量百分比為2～5％的Ag，0.2～1％的Cu，0.025～1％的市售Ce基混合稀土，其餘的為Sn。
本發明提供了一種高蠕變抗力含稀土的錫基無鉛釺料的製備方法，其特徵在於(1)將氯化鉀∶氯化鋰＝(1～1.6)∶(0.8～1.2)(重量比)的混合鹽在450℃～550℃下熔化後澆在稱好的錫上；(2)將溫度升至600℃～800℃，待錫熔化後，將稱量好的銀、銅加入到熔融的錫液當中，攪拌，形成合金；(3)待其熔化均勻後，用壁上帶孔的不鏽鋼鐘罩將啊上述市售Ce基混合稀土迅速壓入上述熔融的合金中，轉動鐘罩；(4)待稀土完全熔化後，保溫1～2小時，攪拌，使合金均勻化，靜置出爐，凝固後去除表面的混合鹽。
下面通過若干實例的試驗數據以圖表的形式說明本發明含稀土無鉛釺料改進後的性能，並與在相同條件下獲得的傳統的SnAgCu釺料進行比較。
表1是6種含稀土錫基無鉛釺料及傳統SnAgCu釺料成分表，表中組成均為重量百分比，RE表示稀土，同時還給出了各釺料的液相線溫度及固相線溫度。釺料的液相線及固相線溫度是通過差熱分析的方法測得的。從表1中可以看出，本發明實例1～6具有與SnAgCu無鉛釺料相近的熔化溫度範圍，適合目前無鉛釺焊工藝條件。
表2是本發明實例1～6與傳統SnAgCu無鉛釺料抗拉強度、延伸率及鋪展面積的比較。從表中可以看出，本發明實例1～6的抗拉強度和延伸率及鋪展面積與傳統SnAgCu釺料相當或有所提高，適用於微電子行業表面組裝。
下面通過圖例說明該釺料提高了抗蠕變性能。
圖1是本發明實例1～6與傳統的SnAgCu無鉛釺料的室溫下蠕變斷裂壽命的比較。從圖1中可以看出，本發明的含稀土錫基無鉛釺料的蠕變斷裂壽命與傳統的SnAgCu釺料相比有顯著提高，可以達到7倍以上。
為了闡明本發明含稀土無鉛釺料的高蠕變抗力，特附傳統SnAgCu無鉛釺料與本發明實例3的顯微組織圖進行比較，從微觀角度揭示其蠕變抗力提高的原因。
從圖2可以看出傳統SnAgCu無鉛釺料組織中含有針狀的Ag3Sn的金屬間化合物，這種針狀的Ag3Sn的大量存在會降低材料的蠕變抗力。本發明添加稀土後，針狀的Ag3Sn的金屬間化合物消失，並且稀土在枝晶界處形成網狀，如圖3所示，從而限制了枝晶的運動，提高基體的蠕變抗力。另外，分布在枝晶界的稀土會起阻礙基體原子擴散的作用，增加了蠕變的激活能，提高了抗蠕變能力。
例2將26克的氯化鉀和20克氯化鋰混合鹽在460℃下熔化後澆在96.0克錫上。將爐溫升至780℃，使錫及混合鹽熔化後將2克Ag及1克Cu加入到錫液當中，同時不斷攪拌，形成合金；用壁上帶孔的不鏽鋼鐘罩將1克的Ce基混合稀土迅速壓入上述的熔融合金當中，並不斷攪拌，直至稀土完全熔化為止。保溫1.5小時，不斷攪拌，使合金均勻化。靜置出爐，待合金凝固後去除表面的混合鹽。把爐溫降至380℃將釺料塊重新加熱熔化，然後在角鐵上澆成條狀待用。
例3將23.4克的氯化鉀和18克氯化鋰混合鹽在450℃下熔化後澆在94.775克錫上。將爐溫升至650℃，使錫及混合鹽熔化後將5克Ag及0.2克Cu加入到錫液當中，同時不斷攪拌，形成合金；用壁上帶孔的不鏽鋼鐘罩將0.025克的Ce基混合稀土迅速壓入上述的熔融合金當中，並不斷攪拌，直至稀土完全熔化為止。保溫1小時，不斷攪拌，使合金均勻化。靜置出爐，待合金凝固後去除表面的混合鹽。把爐溫降至360℃將釺料塊重新加熱熔化，然後在角鐵上澆成條狀待用。
例4將26克的氯化鉀和20克氯化鋰混合鹽在460℃下熔化後澆在93.0克錫上。將爐溫升至800℃，使錫及混合鹽熔化後將5克Ag及1克Cu加入到錫液當中，同時不斷攪拌，形成合金；用壁上帶孔的不鏽鋼鐘罩將1克的Ce基混合稀土迅速壓入上述的熔融合金當中，並不斷攪拌，直至稀土完全熔化為止。保溫2小時，不斷攪拌，使合金均勻化。靜置出爐，待合金凝固後去除表面的混合鹽。把爐溫降至400℃將釺料塊重新加熱熔化，然後在角鐵上澆成條狀待用。
例5將32.5克的氯化鉀和25克氯化鋰混合鹽在500℃下熔化後澆在116.16克錫上。將爐溫升至720℃，使錫及混合鹽熔化後將2.4克Ag及0.24克Cu加入到錫液當中，同時不斷攪拌，形成合金；用壁上帶孔的不鏽鋼鐘罩將1.2克的Ce基混合稀土迅速壓入上述的熔融合金當中，並不斷攪拌，直至稀土完全熔化為止。保溫1.5小時，不斷攪拌，使合金均勻化。靜置出爐，待合金凝固後去除表面的混合鹽。把爐溫降至380℃將釺料塊重新加熱熔化，然後在角鐵上澆成條狀待用。
例6將26克的氯化鉀和20克氯化鋰混合鹽在460℃下熔化後澆在93975克錫上。將爐溫升至650℃，使錫及混合鹽熔化後將5克Ag及1克Cu加入到錫液當中，同時不斷攪拌，形成合金；用壁上帶孔的不鏽鋼鐘罩將0.025克的Ce基混合稀土迅速壓入上述的熔融合金當中，並不斷攪拌，直至稀土完全熔化為止。保溫1.2小時，不斷攪拌，使合金均勻化。靜置出爐，待合金凝固後去除表面的混合鹽。把爐溫降至360℃將釺料塊重新加熱熔化，然後在角鐵上澆成條狀待用。
表1實例 Sn(％) Ag(％) Cu(％) RE(％)液相線溫度(℃)固相線溫度(℃)對比例 95.45 3.8 0.7 0219 217實施例1 97.775 20.2 0.025219.8217.4實施例2 96.021 1219.9218.5實施例3 94.775 50.2 0.025221.6218.8實施例4 93.051 1223.8218.9實施例5 96.820.2 1220.5218.5實施例6 93.975 51 0.025222.7219.4表2
權利要求
1.一種高蠕變抗力含稀土的錫基無鉛釺料，其特徵是含有重量百分比為2～5％的Ag，0.2～1％的Cu，0.025～1％的市售Ce基混合稀土，其餘的為Sn。
2.一種高蠕變抗力含稀土的錫基無鉛釺料的製備方法，其特徵在於，它包括以下步驟(1)將氯化鉀∶氯化鋰＝(1～1.6)∶(0.8～1.2)(重量比)的混合鹽在450℃～550℃下熔化後澆在稱好的錫上；(2)將溫度升至600℃～800℃，待錫熔化後，將稱量好的銀、銅加入到熔融的錫液當中，攪拌，形成合金；(3)待其熔化均勻後，用壁上帶孔的不鏽鋼鐘罩將上述市售Ce基混合稀土迅速壓入上述熔融的合金中，轉動鐘罩；(4)待稀土完全熔化後，保溫1～2小時，攪拌，使合金均勻化，靜置出爐，凝固後去除表面的混合鹽。
3.根據權利要求書2所述的步驟(1)、(2)，其特徵在於步驟(1)中的最佳溫度範圍是490℃～510℃，步驟(2)中的最佳溫度範圍是680℃～720℃。
全文摘要
一種高蠕變抗力含稀土錫基無鉛釺料及其製備方法屬於微電子行業表面組裝用無鉛釺料製造技術領域。該材料含有重量百分比為2～5%的Ag,0.2～1%的Cu,0.025～1.0%的市售Ce基混合稀土,其餘為Sn。該製備方法是將氯化鉀∶氯化鋰=(1～1.6)∶(0.8～1.2)(重量比)的混合鹽熔化後澆在Sn上,待Sn熔化後,將稱好的Ag、Cu加入Sn液中使Ag、Cu熔化,再將上述市售Ce基稀土用壁上有孔的鐘罩壓入上述混合鹽和Sn－Ag－Cu合金中,轉動鐘罩,保溫1－2小時,攪拌,靜置,凝固後除去表面的混合鹽。本發明的釺料不僅合金組元較少,實用性強,成本低,對鉛汙染不如含Bi釺料敏感,而且蠕變抗力得到了顯著提高。
文檔編號B23K35/362GK1385280SQ02123528
公開日2002年12月18日 申請日期2002年7月2日 優先權日2002年7月2日
發明者史耀武, 陳志剛, 夏志東, 雷永平, 李曉延 申請人:北京工業大學