CN102085604A

CN102085604A - Sn-Ag-Cu-Bi-Cr低银无铅焊料

Info

Publication number: CN102085604A
Application number: CN 201110051691
Authority: CN
Inventors: 胡安民; 李明; 罗庭碧; 胡静
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2011-03-04
Filing date: 2011-03-04
Publication date: 2011-06-08

Abstract

一种焊接材料技术领域的Sn-Ag-Cu-Bi-Cr低银无铅焊料，其组分包括：0.005-1wt％的Cr、0.5-3wt％的Ag、0-2wt％的Cu、0.5-10wt％的Bi，余量为Sn。本发明相比现有技术降低了焊料成本，同时抗氧化性、耐腐蚀性、延展性、耐疲劳性等机械性能得到改善，同时对不锈钢焊锡槽等的腐蚀作用明显减弱。

Description

Sn-Ag-Cu-Bi-Cr低银无铅焊料

技术领域

本发明涉及的是一种焊接材料技术领域的焊料，具体是一种Sn-Ag-Cu-Bi-Cr低银无铅焊料。

背景技术

到目前为止，大量用于微电子封装及组装的焊料主要是传统的Sn-Pb系焊料。然而，电子产品、设备作为一般工业废弃物和生活垃圾被丢弃时，在自然环境中焊料中的Pb成分会溶解出来，侵入地下水，从而对环境和人类造成极大的危害。因此，近年来包括我国在内的许多国家纷纷制定或正在制定法律、法规，限制含Pb物质的使用，用无铅焊料替代传统的Sn-Pb系含铅焊料已成为全球微电子制造领域不可逆转的大趋势，积极寻找无毒无害的新型焊料也成为了当前电子行业的重要任务。迄今为止，已经开发的无铅焊料种类很多，但都存在着这样和那样的问题，具有实际应用价值的并不多。其中，在共晶组成为Sn-3.5Ag-0.75Cu附近的Sn-Ag-Cu三元合金，熔点为217℃，与其它无铅焊料相比，润湿性好，机械强度高，具有较高的耐疲劳和热冲击性，实用价值较大，是当前公认的最具替代Sn-Pb传统焊料的无铅焊料，并有可能成为今后标准的无铅焊料。

经过现有技术文献的检索发现，现有的Sn-Ag-Cu系焊料不仅价格较贵，熔点偏高；同时容易形成粗大的Ag3Sn金属间化合物，造成脆性增加，塑性降低，疲劳强度下降；另外在与Cu基板焊接时容易生成Cu₆Sn₅金属间化合物，造成焊接可靠性降低；再有，BGA焊球等Sn-Ag-Cu系合金产品，在放置或在腐蚀环境中表面易氧化发黄，造成焊接性能下降。还用，在用于波峰焊时，对不锈钢焊锡槽等设备腐蚀严重，不得不换成高成本的钛或钛合金材料。以上问题如不加以解决，将会严重影响该系焊料的应用。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种Sn-Ag-Cu-Bi-Cr低银无铅焊料，相比现有技术降低了焊料成本，同时抗氧化性、耐腐蚀性、延展性、耐疲劳性等机械性能得到改善，同时对不锈钢焊锡槽等的腐蚀作用明显减弱。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明所述焊料的组分包括：0.005-1wt％的Cr、0.5-3wt％的Ag、0-2wt％的Cu、0.5-10wt％的Bi，余量为Sn。

所述的Cr元素优选质量百分比为0.01-0.8％，进一步优选为0.02-0.5％。

所述的焊料中进一步含有Ni、Ga、In以及P，其总量占所述焊料的0-0.5wt％。

本发明通过加入Bi，在保证焊料熔点不提高的情况下降低了Ag含量从而降低了焊料的成本，但Bi含量超过3％时容易在晶界处偏析，造成机械性能的下降。另外为了避免Bi加入后对焊料机械性能的影响，本发明通过加入Cr提高了焊料的机械性能。实验表明，通过Cr的加入不仅细化了焊料的微观组织，同时还可以形成弥散分布的金属间化合物，因此提高了焊料的机械性能；同时Cr的加入会在表面Sn、Cu氧化层和基底金属之间形成Cr阻挡层，在高温或腐蚀环境中，该阻挡层可以阻止Sn、Cu向外扩散，从而改善了焊料的抗氧化性能和耐腐蚀性能；另外Cr的加入可以抑制焊料中Ag₃Sn和Cu₆Sn₅金属间化合物的生长，从而防止焊料合金的性能劣化；再有，焊料中的Cr存在会大大降低焊料对含Cr合金的溶解速度，避免或改善对不锈钢焊锡槽材料的溶蚀。当Cr含量小于0.005％时，无弥散强化作用，在焊料表面附近难以形成Cr的阻挡层，对焊料的化学性能和机械性能改善不够；当含量高于1％时，易造成成分的偏析，这种偏析使Cr阻挡层不均匀，局部过厚，对润湿性和机械性能等的负面影响较大。如果控制焊料中Cr的含量在0.02-0.5％范围时，阻挡层厚度均匀、适中，既能产生弥散强化作用，降低对不锈钢等的溶蚀，又没有明显的偏析现象，使焊料的化学性能和机械性能均处于最佳状态。由于Ag含量的降低会造成焊料的机械强度下降，本发明中加入的Ga和In不仅可以改善焊料的润湿性能，同时可以和Cr生成CrGa₄、Cr₅Ga₆、CrIn₂等金属间化合物，在合金中起到弥散强化的效果，从而提高焊料的机械强度。而Ni的加入不仅可以抑制Ag₃Sn金属间化合物的生长，提高焊料的塑性，同时还可以改善焊料的抗电迁移能力。P的加入改善了焊料的抗氧化性能，从而提高了焊料的润湿性。相比Sn-Ag-Cu焊料，本发明不仅降低了成本，同时在抗氧化性、耐腐蚀性、延展性、耐疲劳性等机械性能上得到改善，并且对不锈钢焊锡槽等的腐蚀作用明显减弱。

本发明提供的焊料可以用在很多领域，如做成焊条、焊丝、焊片、焊球、焊粉、焊膏等。这些产品可以用在电子封装或组装的各个焊接环节，如电子封装中芯片上丝网印刷形成电极凸点(Bump)、芯片粘贴，BGA、CSP焊球，回流焊、波峰焊等SMT组装，各种电子封装用基板、印刷电路版焊点形成，以及各种修补焊、手工焊等。总之，本发明提供的焊料，其应用领域广阔。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本发明的组分及其质量百分比为：Cr＝0.1％，Ag＝1％，Cu＝0.5％，Bi＝3％，余量为Sn，通过直接熔炼法或者分步熔炼法制成Sn-1Ag-0.5Cu-3Bi-0.1Cr合金焊料。

各种性能测定表明：相比市场常用的Sn-1Ag-0.5Cu(SAC105)低银焊料，该焊料的熔点下降2℃。抗拉强度提高50％以上，但延展性降低约20％，涧湿性能提高16％。在85℃，湿度为85％的腐蚀条件下经过24小时实验后，发黄现象减少，且经过250℃x25小时高温氧化实验后，光泽性好于SAC105焊料；同时对304不锈钢溶蚀明显减少。另外在焊点性能测试中发现该焊料可明显抑制界面IMC生长，在回流后焊料界面IMC厚度比SAC105略有减少。

实施例2

本发明的组分及其质量百分比为：Cr＝0.3％，Ag＝1％，Cu＝0.5％，Bi＝3％，余量为Sn，通过直接熔炼法或者分步熔炼法制成Sn-1Ag-0.5Cu-3Bi-0.3Cr合金焊料。

各种性能测定表明：相比市场常用的Sn-1Ag-0.5Cu(SAC105)低银焊料，该焊料的熔点下降2℃。抗拉强度提高50％以上，但延展性降低约30％，涧湿性能提高21％。在85℃，湿度为85％的腐蚀条件下经过24小时实验后，发黄现象进一步减少，且经过250℃x25小时高温氧化实验后，光泽性也好于SAC105焊料；同时对304不锈钢溶蚀进一步减少。另外在焊点性能测试中发现该焊料更明显的抑制了界面IMC生长，比SAC105焊料界面IMC厚度减少了1μm。

实施例3

本发明的组分及其质量百分比为：Cr＝0.3％，Ag＝1％，Cu＝0.5％，Bi＝3％，Ni＝0.5％，余量为Sn，通过直接熔炼法或者分步熔炼法制成Sn-1Ag-0.5Cu-3Bi-0.3Cr-0.5Ni合金焊料。

与实施例2相比，该组分配比通过加入Ni减少了焊料中Cr的偏析，在抗拉强度基本不变的情况下提高了延伸率，相比SAC105焊料延伸率下降15％。其他性能与实施例2基本相同。

Claims

1.一种Sn-Ag-Cu-Bi-Cr低银无铅焊料，其特征在于，所述焊料的组分包括：Cr、Ag、Cu、Bi和Sn。

2.根据权利要求1所述的Sn-Ag-Cu-Bi-Cr低银无铅焊料，其特征是，所述焊料的含量为：0.005-1wt％的Cr、0.5-3wt％的Ag、0-2wt％的Cu、0.5-10wt％的Bi，余量为Sn。

3.根据权利要求1或2所述的Sn-Ag-Cu-Bi-Cr低银无铅焊料，其特征是，所述的Cr元素的质量百分比为0.01-0.8％。

4.根据权利要求1或2所述的Sn-Ag-Cu-Bi-Cr低银无铅焊料，其特征是，所述的Cr元素的质量百分比为0.02-0.5％。

5.根据上述任一权利要求所述的Sn-Ag-Cu-Bi-Cr低银无铅焊料，其特征是，所述的焊料中含有Ni、Ga、In以及P。

6.根据权利要求5所述的Sn-Ag-Cu-Bi-Cr低银无铅焊料，其特征是，所述的Ni、Ga、In以及P的总量占所述焊料的0-0.5wt％。

7.一种根据上述任一权利要求所述Sn-Ag-Cu-Bi-Cr低银无铅焊料的制备方法，其特征在于，通过直接熔炼法或者分步熔炼法制成。