一種用於微電子行業的無鉛焊料及其製備方法與流程
2023-05-19 05:00:26
本發明涉及一種無鉛焊料，具體涉及一種用於用於微電子行業的無鉛焊料及其製備方法，屬於無鉛化製成新材料技術領域。
背景技術：
鉛是一種有害的金屬元素，早在2003年歐盟ROHS(Restriction of Hazardous Substances，是指關於限制在電子電器設備中使用某些有害成分的指令)指令規定進入歐洲的電子信息產品不能含有鉛、汞、鎘、六價鉻、多溴聯苯和多溴二苯醚，之前電子產品組裝焊接以及電子元器件製作中多採用錫鉛合金焊料。雖然我國的無鉛焊料領域起步較晚，與發達國家相比尚有差距，但是為了提高自身產品的適應能力，跟上國際市場的需求，在分析目前國內外市場常用的無鉛焊料基礎上，經過大量的試驗研究推出了一種用於製作壓敏電阻器的多元無鉛焊料，其電性能、力學性能，與壓敏電阻器半導體基材的潤溼鋪展性能和焊接強度等達到了與使用錫鉛焊料相似的效果，保證了出口到歐盟的電子產品整體實現無鉛化的要求。
錫鉛焊料歷史悠久，但隨著對鉛毒性的認知和電子工業發展對焊點的高要求，無鉛焊料已逐漸取代了傳統錫鉛焊料。低溫焊料具有20多年的應用歷史，其主要特點是能夠在183℃以下進行焊接，因此對元件的適應性強，節約能耗、降低汙染排放。目前的低溫焊料主要有Sn-Bi系和Sn-In系兩種，由於In是一種稀缺昂貴金屬，使得Sn-In焊料應用受限，因此二元合金Sn-Bi(尤其SnBi58)常被使用在低溫焊接需求的場合。Sn-Bi系焊料在較寬的溫度範圍內與Sn-Pb有相同的彈性模量，並且Bi的很多物理化學特性與Pb相似，Bi的使用可以降低熔點、減少表面張力，Bi的加入降低了Sn與Cu的反應速度，所以有較好的潤溼性；此外Sn-Bi系焊料含有較低的Sn含量，從而降低了高錫風險(如錫須)。但鉍也帶來其他的問題，包括其成分對合金機械特性的影響變化較大，容易產生低熔點問題(偏錫後會形成低熔點共晶)，界面層不穩定導致可靠性較差，特別是Sn-Bi焊料在偏離共晶成分時由於熔程較大，在凝固過程中易出現枝晶偏析和組織粗大化，加之應力不平衡導致易剝離危害，以及自然供應不多、儲量有限等，這使得Sn-Bi系焊料的研究和使用一直低靡。
技術實現要素：
本發明提供一種用於微電子行業的無鉛焊料及其製備方法，解決現有的Sn-Bi焊料由於界面層不穩定導致可靠性差及易剝離的問題。
本發明的技術方案是這樣實現的：
一種用於微電子行業的無鉛焊料按重量百分比計由以下組分組成：Bi16～18％、Cu0.3～0.8％、Fe0.1～0.3％、Zn0.1～0.3％、Sb0.1～0.3％、餘量為Sn。
其中，優選地，一種用於微電子行業的無鉛焊料，按重量百分比計由以下組分組成：Bi17～18％、Cu0.4～0.6％、Fe0.1～0.3％、Zn0.1～0.3％、Sb0.1～0.3％、餘量為Sn。
一種用於微電子行業的無鉛焊料的製備方法，包括以下步驟：
(1)按配比稱取Sn、Bi和Cu，置於真空熔煉爐中，製備SnBiCu中間合金；
(2)將已製備的SnBiCu中間合金、Fe、Zn和Sb加入真空熔煉爐中，在SnBiCu中間合金的表面覆蓋防氧化溶劑，將合金加熱至200～350℃，保溫10～20min，除掉表面氧化渣，澆注於模具中製成合金錠坯，並根據工藝要求進一步加工成絲、條、片狀產品。
本發明在Sn-Bi亞共晶合金基礎上添加Cu元素，使焊料基體中原位反應形成細小彌散的Cu6Sn5金屬間化合物，從而提高了焊點的結合性能和使用可靠性，並且發現由於Sn-Bi-Cu焊料中減少了電阻率高的Bi元素含量，大幅提高了焊料的導電、導熱性，這可以有效緩解焊點在使用過程中發熱疲勞失效問題。
在Sn-Bi共晶合金中加入Fe粒子彌散相，細化和穩定了微觀結構，增強了合金的抗蠕變性能。
本發明製備的無鉛焊料主要應用於低溫焊接工藝(高頻頭、防雷元件、柔性板、多層電路板焊接等焊接)和無鉛電子產品組裝焊接等。
本發明的無鉛焊料熔點為156～165℃，滿足了微電子行業各元器件對焊接溫度的要求。並且，與微電子行業各種不同性能的半導體材料潤溼鋪展性好，結合力強，延展性好，0.2％屈伸強度達到70MPa以上，抗拉強度達到80MPa以上，延伸率20％以上焊接面無麻點無氣泡，平整光亮，高溫焊接不變色，抗蝕性優良。
具體實施方式
下面對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬於本發明保護的範圍。
實施例1
本實施例提供一種用於微電子行業的無鉛焊料按重量百分比計由以下組分組成：Bi17％、Cu0.5％、Fe0.2％、Zn0.2％、Sb0.2％、餘量為Sn。
上述用於微電子行業的無鉛焊料的製備方法，包括以下步驟：
(1)按配比稱取Sn、Bi和Cu，置於真空熔煉爐中，製備SnBiCu中間合金；
(2)將已製備的SnBiCu中間合金、Fe、Zn和Sb加入真空熔煉爐中，在SnBiCu中間合金的表面覆蓋防氧化溶劑，將合金加熱至250℃，保溫15min，除掉表面氧化渣，澆注於模具中製成合金錠坯，並根據工藝要求進一步加工成絲、條、片狀產品。
實施例2
本實施例提供一種用於微電子行業的無鉛焊料按重量百分比計由以下組分組成：Bi16％、Cu0.8％、Fe0.1％、Zn0.3％、Sb0.1％、餘量為Sn。
上述用於微電子行業的無鉛焊料的製備方法，包括以下步驟：
(1)按配比稱取Sn、Bi和Cu，置於真空熔煉爐中，製備SnBiCu中間合金；
(2)將已製備的SnBiCu中間合金、Fe、Zn和Sb加入真空熔煉爐中，在SnBiCu中間合金的表面覆蓋防氧化溶劑，將合金加熱至200℃，保溫20min，除掉表面氧化渣，澆注於模具中製成合金錠坯，並根據工藝要求進一步加工成絲、條、片狀產品。
實施例3
本實施例提供一種用於微電子行業的無鉛焊料按重量百分比計由以下組分組成：Bi18％、Cu0.3％、Fe0.3％、Zn0.1％、Sb0.3％、餘量為Sn。
上述用於微電子行業的無鉛焊料的製備方法，包括以下步驟：
(1)按配比稱取Sn、Bi和Cu，置於真空熔煉爐中，製備SnBiCu中間合金；
(2)將已製備的SnBiCu中間合金、Fe、Zn和Sb加入真空熔煉爐中，在SnBiCu中間合金的表面覆蓋防氧化溶劑，將合金加熱至350℃，保溫10min，除掉表面氧化渣，澆注於模具中製成合金錠坯，並根據工藝要求進一步加工成絲、條、片狀產品。
實施例4
本實施例提供一種用於微電子行業的無鉛焊料按重量百分比計由以下組分組成：Bi17％、Cu0.4％、Fe0.1％、Zn0.2％、Sb0.2％、餘量為Sn。
上述用於微電子行業的無鉛焊料的製備方法，包括以下步驟：
(1)按配比稱取Sn、Bi和Cu，置於真空熔煉爐中，製備SnBiCu中間合金；
(2)將已製備的SnBiCu中間合金、Fe、Zn和Sb加入真空熔煉爐中，在SnBiCu中間合金的表面覆蓋防氧化溶劑，將合金加熱至300℃，保溫12min，除掉表面氧化渣，澆注於模具中製成合金錠坯，並根據工藝要求進一步加工成絲、條、片狀產品。
實施例5
本實施例提供一種用於微電子行業的無鉛焊料按重量百分比計由以下組分組成：Bi17％、Cu0.6％、Fe0.3％、Zn0.2％、Sb0.3％、餘量為Sn。
上述用於微電子行業的無鉛焊料的製備方法，包括以下步驟：
(1)按配比稱取Sn、Bi和Cu，置於真空熔煉爐中，製備SnBiCu中間合金；
(2)將已製備的SnBiCu中間合金、Fe、Zn和Sb加入真空熔煉爐中，在SnBiCu中間合金的表面覆蓋防氧化溶劑，將合金加熱至220℃，保溫18min，除掉表面氧化渣，澆注於模具中製成合金錠坯，並根據工藝要求進一步加工成絲、條、片狀產品。
上述實施例製得的無鉛焊料的理化性能如下：
由上表可知，本發明的無鉛焊料熔點為156～165℃，滿足了微電子行業各元器件對焊接溫度的要求。並且，與微電子行業各種不同性能的半導體材料潤溼鋪展性好，結合力強，延展性好。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。