CN102528314A - 锡-锑-银-镍合金态箔状钎料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种锡-锑-银-镍合金，其组成及质量百分比为：锑，8-11％％；银，3-20％；镍，1-2.5％；锡，余量。该锡-锑-银-镍合金态箔状钎料用于集成电路的气密性封装焊料。其制备方法如下：选择高纯锡、锑、银和镍，按上述配比范围计算所需量，备料；先分别制备中间合金SnAg50及SnNi10；用轧机将得到的SnAg50和SnNi10中间合金板轧碎，待用；再将锡锭放入坩埚中，升温至400℃-450℃，加入中间合金SnAg50、SnNi10和金属锑，完全熔化后用石墨棒充分搅拌，排渣；使温度在450℃，用石墨棒搅拌均匀后，立即浇铸，得到铸锭；将获得的锭开坯轧制，首先将其由30mm反复热轧至6mm，再反复冷轧至0.8mm，切边，将裂边切掉；退火，得到半成品带；继续精轧，由0.8mm轧至0.12mm或0.10mm成品后切边。其可以和AuSn20合金相比，而大大优于SnAgCu3-0.5和SnAu10。

Description

锡-锑-银-镍合金态箔状钎料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种Sn-Sb-Ag-Ni合金态箔状钎料及其制备方法，属于有色金属合金焊料领域，，主要用于高可靠集成电路的气密性封装。

背景技术

气密性封装焊料是保证集成电路高可靠的关键材料，不仅要求焊料具有良好的工艺加工性能和焊接性能，尤其在175℃/96h高温存贮后，集成电路的漏气速率要小于1×10^-7-5×10^-8大气压·厘米³/秒，这样才能保证集成电路的可靠性。

查阅现有的专利文献，和本发明最相近的用于高可靠集成电路气密性封装焊料是金-锡合金，其化学成分(质量百分比)为Au，80％；其余为Sn和杂质，牌号为AuSn20，金-锡合金具有优良的封装性能，是国外高可靠集成电路的通用封装焊料，但不易加工成材，国外都不介绍它的加工工艺。更引人关注的是金-锡合金含有80％的黄金，价格昂贵，每封装百万只集成电路需要黄金40-43公斤。虽然金-锡合金价格昂贵，但由于它具有良好的封装性能，国内外的高档军用产品仍在使用。但为了力争不用或少用黄金，国内外在省金代金方面做了大量工作，国内1976年以后研制出锡银铜焊料(SnAgCu3-0.5)，其化学成分(重量百分比)为：Ag，3％；Cu，0.5％；其余为Sn和杂质。少金的锡金焊料(SnAu10)，其化学成分(重量百分比)为Au，10％；其余为Sn和杂质。大量的生产实践表明，这两种合金都不是理想的气密性封装焊料。在高温存贮性能方面，抗氧化性以及电路外观质量上都取代不了金-锡合金。由于这两种合金的高温存贮极限温度是150℃，既达不到175℃高温筛选温度的要求，也达不到美国TEXAS仪器公司存放温度(-60～160℃)范围，故只能在一般军用和民用产品上使用。关键军用产品仍在使用AuSn20合金。

发明内容

本发明的目的是提供一种锡-锑-银-镍合金，用其制得一种锡-锑-银-镍合金态箔状钎料，使用该钎料封装集成电路在封装性能上可以和AuSn20合金相比，而大大优于SnAgCu3-0.5和SnAu10。

本发明的另一目的是提供一种锡-锑-银-镍合金态箔状钎料的制备方法。

为实现上目的，本发明采取以下设计方案：

一种锡-锑-银-镍合金，其成分组成及质量百分比为：锑，8-11％％；银，3-20％；镍，1-2.5％；锡，余量。

所述的锡-锑-银-镍合金优选的成分组成及质量百分比为：Sb，10±1％；Ag，4.5±0.5％；Ni，2±0.5％；Sn：余量。

一种锡-锑-银-镍合金态箔状钎料，其由上述的锡-锑-银-镍合金制得。

一种上述的锡-锑-银-镍合金态箔状钎料的用途，其主要用于集成电路的气密性封装焊料。

一种锡-锑-银-镍合金态箔状钎料的制备方法，其方法步骤如下：

a)选择高纯锡、锑、银和镍，按上述的锡-锑-银-镍合金的配比范围计算各所需的重量，称重备料；

b)先分别制备中间合金SnAg50及SnNi10；

c)用轧机将上步骤得到的SnAg50和SnNi10中间合金板轧碎，用于锡-锑-银-镍合金态箔状钎料的配料，待用；再按计算出的配比量将锡锭放入石墨坩埚中，升温至产生熔池后的温度(250±10℃左右)，继续升温至400℃-450℃，加入中间合金SnAg50、SnNi10和金属锑，完全熔化后用石墨棒充分搅拌，排渣；使温度在450℃，用石墨棒充分搅拌均匀后，立即浇铸，得到锡-锑-银-镍合金焊料铸锭；

d)将获得的锡-锑-银-镍合金焊料锭开坯轧制，首先将其由30mm反复热轧至6mm，再反复冷轧至0.8mm，切边，将裂边切掉；

e)退火，180～200℃保温30分钟，将退火炉门打开10～15分钟，使带材表面粘附的煤油挥发，得到锡-锑-银-镍合金态箔状钎料半成品带；

f)将半成品带继续精轧，由0.8mm轧至0.12mm或0.10mm成品后切边，检验。

所述锡-锑-银-镍合金焊料锭开坯轧制由30mm热轧至6mm的具体过程是：将锡-锑-银-镍合金焊料锭放入箱式退火炉，在180～200℃下保温1小时热轧开坯；保温时间终了，迅速取出合金锭，在Φ310轧机轧制两个道次，放回箱式退火炉继续加热20分钟，再取出迅速轧制两个道次，如此反复，将该半成品锡-锑-银-镍合金焊料板由30mm轧至6mm，然后退火，180～200℃保温30分钟；接下来冷轧，由6mm轧至0.8mm，切边，将裂边切掉。

而后转入下一道轧制工序，中间不进行退火，直接轧制到0.8mm，成品前亦不进行退火。

本发明针对现有技术的缺陷(金-锡合金虽然有良好的封装性能，但含有80％黄金，价格昂贵；SnAgCu3-0.5、SnAu10合金虽省金、代金，但高温存贮性能不好)，从金属学原理及相图入手，利用锑、银、镍等元素在锡中所起的作用，经系列选定，成分设计，发明出锡-锑-银-镍四元合金。该新合金解决了高可靠集成电路气密性封装焊料的高温存贮温度问题，满足了电子工业部部标1类电路的考核指标和“七专”电路的要求，使用本发明封装的集成电路在封装性能上可以和AuSn20合金相比，而大大优于SnAgCu3-0.5和SnAu10合金。

本发明的优点是：

(1)解决了高可靠集成电路气密性封装焊料的高温存贮温度问题，满足了电子工业部部标1类电路的考核指标和“七专”电路的要求，使用本发明封装的集成电路在封装性能上可以和AuSn20合金相比，而大大优于SnAgCu3-0.5和SnAu10合金。

(2)本发明作为一种新型的无金焊料在集成电路封装方面为国家节约了大量黄金，有明显的社会经济效益。

具体实施方式

本发明为了满足高可靠集成电路对气密性封装焊料的要求，以锡为基，采用多元素合金化组成四元合金，在成分设计和控制方面做了以下工作：

1.原料选择

①锑含量的选择：为了尽可能地提高合金的熔点，热稳定性和疲劳强度，防止液态焊料的氧化，避免“锡疫”现象和有利于加工成材，同时保证焊料封装后的可靠性，锑含量选择在8-11％之间。

②镍含量的选择：为了提高合金的耐热抗氧化能力，同时不致使合金在封装时有过好的流动性，镍含量选择在1-2.5％之间。

③银含量的选择：在锑和镍含量基本确定的前提下，考虑到Ag加入锡中可以提高耐热抗氧化能力，银含量选择在3-20％。

2.熔炼

1)选择原材料：锡，99.999％；银，99.9％；锑，99.999％；镍：99.95％-99.99％；

按配比计算各所需的重量，称重备料；

2)熔炼设备：碳硒棒电炉、10Kg中频感应炉、10Kg真空中频感应炉，

高纯石墨坩埚，高纯石墨模或铸铁模，按照合同要求调整模具尺寸。

熔炼前，需先将炉体和使用的工具彻底清理干净，以免将杂质带入产品中。

b、坩埚在使用前，要用低温烘烤，直至将潮气全部烘烤出来。

c、模具在每次使用前，要用电炉盘烘烤，或用铸铁块烘烤，以免浇铸时发生崩溅。

d、模具要放在石棉板上，以免在浇铸时熔体泄漏，流到地面造成崩溅。

3)熔炼工艺

a、先熔铸中间合金：SnAg₅₀：Ag：50％；Sn：余量；

SnNi₁₀：Ni：10％；Sn：余量；

熔铸SnAg₅₀中间合金：配料检查无误后，将配好的炉料放入坩埚中→机械泵抽真空至8×10^-2乇以上→启动可控硅中频电源(ZG-0.01真空炉功率在40kw～50kw左右)→炉料全部熔化后浇铸到石墨模中，规格不限→冷却30分钟后出炉。

取样做化学分析，确认成分。用Φ310轧机将SnAg₅₀中间合金板轧碎，用于本发明锡-锑-银-镍合金焊料的配料。

熔铸SnNi₁₀中间合金：与熔铸SnAg₅₀中间合金的工艺相同。

b、熔铸锡-锑-银-镍合金焊料焊料锭

配料：按照锡-锑-银-镍合金焊料的名义成分，取其适中部位计算投料配比，称重。

锡-锑-银-镍合金焊料名义成分：Sb：10±1％；Ag：4.5±0.5％；Ni：2±0.5％；Sn：余量(优选方案)。

配料检查无误后，将锡锭放入石墨坩埚中，升温至250℃左右产生熔池后，继续升温至400℃-450℃，加入中间合金SnAg₅₀、SnNi₁₀和金属锑。待全熔后用石墨棒充分搅拌，确认材料完全熔化后，排渣。使温度在450℃，用石墨棒充分搅拌均匀后，立即浇铸。

注意：浇铸时要注意液流量大小要适中，防止产生冷隔。注意补缩防止产生较深的缩孔。脱模，取样化学分析。

合金铸锭化学成分符合标准要求且表面无大的缺陷时，记上标识，转入下一道工序。

3.开坯轧制

1)设备：Φ310轧机、箱式退火炉

2)开坯：①热轧开坯：将锡-锑-银-镍合金焊料板放入箱式退火炉，在180～200℃保温1小时。保温时间终了，迅速取出合金锭，在Φ310轧机轧制两个道次，放回箱式退火炉继续加热20分钟，再取出迅速轧制两个道次，如此反复，将锡-锑-银-镍合金焊料板由30mm轧至6mm，然后退火，180～200℃保温30分钟。接下来冷轧，由6mm轧至0.8mm，切边，将裂边切掉。成品前退火，180～200℃保温30分钟。然后将退火炉门打开10分钟左右，使带材表面粘附的煤油挥发掉。

②将刚浇铸出模的铸锭立即转入下一道工序进行轧制，中间不进行退火，直接轧制到0.8mm。成品前不进行退火。转入下一道工序。

注意事项：道次加工率控制在5～12％，轧制过程中保持半成品平直及清洁。

4.精轧(成品轧制)

1)设备：Φ154×300mm二辊精轧机

2)工艺：半成品带由≠0.8mm轧至≠0.12mm或≠0.10mm成品。

注意事项：道次加工率控制在5～12％，轧制过程中保持半成品平直及清洁。成品尺寸应符合不同厚度规格的标准要求。达到标准要求的规格后，作出标识转入下道工序。

5.切边和检验

1、设备：J70150型切纸切箔机

2、操作

要求：根据合同规格要求切出带材的宽度盘成卷。

①准备工作：按照合同要求准备好刀具，注意剪切机及周围卫生的清理，以防下脚混料。试切后确认宽度尺寸在公差范围内即可切边。操作前检查压辊、卷筒、张力等是否灵活并擦拭表面。

②操作：按照圆盘剪操作规程切去精轧带的两边，成品卷紧放好。

③注意：切边应平整、光滑、无毛刺，剪切过程中检验员随时观察产品表面状况，并检查尺寸公差，发现不合格品停机去掉。

④检查：剪切完毕卸料后，检验员再次对头尾表面质量和尺寸情况复验，确定合格后记上标识转入下道工序。

下表为一组实施例中所得到的化学分析结果：

对于锡-锑-银-镍合金的各种配比不再一一列举，凡在锑，8-11％；银，3-20％；镍，1-2.5％；锡，余量的范围内的各种配比下的锡-锑-银-镍合金均可实现本发明。

Claims (6)

1.一种锡-锑-银-镍合金，其特征在于成分组成及质量百分比为：锑，8-11％；银，3-20％；镍，1-2.5％；锡，余量。

2.根据权利要求1所述的锡-锑-银-镍合金，其特征在于优选的成分组成及质量百分比为：Sb，10±1％；Ag，4.5±0.5％；Ni，2±0.5％；Sn：余量。

3.一种锡-锑-银-镍合金态箔状钎料，其特征在于：由权利要求1或2所述的锡-锑-银-镍合金制得。

4.一种权利要求1或2所述的锡-锑-银-镍合金态箔状钎料的用途，其特征在于：用于集成电路的气密性封装焊料。

5.一种权利要求3所述锡-锑-银-镍合金态箔状钎料的制备方法，其特征在于方法步骤如下：

a)选择高纯锡、锑、银和镍，按权利要求1所述的锡-锑-银-镍合金的配比范围计算各所需的重量，称重备料；

b)先分别制备中间合金SnAg50及SnNi10；

c)用轧机将上步骤得到的SnAg50和SnNi10中间合金板轧碎，用于锡-锑-银-镍合金态箔状钎料的配料，待用；再按计算出的配比量将锡锭放入石墨坩埚中，升温至250℃后，继续升温至400℃-450℃，加入中间合金SnAg50、SnNi10和金属锑，完全熔化后用石墨棒充分搅拌，排渣；使温度在450℃，用石墨棒充分搅拌均匀后，立即浇铸，得到锡-锑-银-镍合金焊料铸锭；

d)将获得的锡-锑-银-镍合金焊料锭开坯轧制，首先将其由30mm热轧至6mm，再冷轧至0.8mm，切边，将裂边切掉；

e)退火，180～200℃保温30分钟，将退火炉门打开10～15分钟，使带材表面粘附的煤油挥发，得到锡-锑-银-镍合金态箔状钎料半成品带；

f)将半成品带继续精轧，由0.8mm轧至0.12mm或0.10mm成品后切边，检验。

6.根据权利要求5所述锡-锑-银-镍合金态箔状钎料的制备方法，其特征在于：锡-锑-银-镍合金焊料锭开坯轧制由30mm热轧至6mm的具体过程是：将锡-锑-银-镍合金焊料锭放入箱式退火炉，在180～200℃下保温1小时热轧开坯；保温时间终了，迅速取出合金锭，轧制两个道次，放回箱式退火炉继续加热20分钟，再取出迅速轧制两个道次，如此反复，将该半成品锡-锑-银-镍合金焊料板由30mm轧至6mm，然后退火，180～200℃保温30分钟；接下来冷轧，由6mm轧至0.8mm，切边，将裂边切掉。