CN103978320B - 一种颗粒添加的低银系无铅焊料 - Google Patents

一种颗粒添加的低银系无铅焊料 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于电子元器件焊接和表面贴装等软钎焊的添加Co纳米空心球颗粒的低银系无铅焊料，它以低银系锡基无铅焊料为基体，添加少量纳米Co颗粒。该焊料的组成以质量百分比计为：Ag0.3—1.3％，Co纳米空心球颗粒0.05—1％，其余为Sn。本发明与普通无铅焊料相比，熔点降低，润湿力提高，润湿时间缩短，并且界面劣性金属间化合物Cu3Sn厚度降低，焊接性能更优异。

Description

一种颗粒添加的低银系无铅焊料
技术领域
本发明涉及一种用于电子元器件焊接和表面封装的软钎焊无铅焊料，具体地说是一种Co纳米空心球颗粒强化低银系无铅焊料，即将Co纳米空心球颗粒加入低银系锡基无铅焊料，形成纳米颗粒强化的无铅焊料。
背景技术
在电子连接行业中，作为连接材料的锡铅焊料长期以来一直占据主导地位[1]。然而，人类社会在对铅的长期使用中发现，铅会对人类的健康造成严重的威胁。而且含铅的废弃物因处理不当而污染大气、土壤乃至地下水，是生态环境遭到破坏；同时生态环境又反过来作用于人类自身，使人们从呼吸的空气、饮用水及每日的食物中摄取过多的有害物质。[2]
电子产品正朝着超微型化和高可靠性方向发展，因而对包括电子连接材料在内的各种电子器件或电子材料都提出了更新更高的要求[3]。与此同时，国际上在电子等工业部门限制或禁止使用铅的呼声日渐高涨。为适应电子、家电等行业满足RoHS指令的需要，迫切需要研制开发可替代Sn-Pb焊料的、具有良好的焊接性能和使用可靠性的新型无铅焊料。[4]
为了适应不同的工艺要求，科学工作者们开发出不同合金成分的无铅焊料。但是在实际中，在对无铅焊料的各项性能指标及逆行综合考虑后，电子封装产业界对Sn-Ag系焊料合金系最为看好。[5]
但是Ag作为贵金属，价格昂贵，使得含银电子封装用焊料的成本居高不下，银的成本几乎占到了总成本的一半。开发低成本的、可用的低银系无铅焊料成为电子封装行业的迫切需求，也是国内外焊料研究的热点之一。[6]现在的低银系无铅焊料都是在Sn-Ag-Cu焊料的基础上发展的，虽然SAC0307和SAC105等可以应用，但银含量的减少对焊料的性能有很多不良影响，焊料熔点升高，润湿性变差，焊接接头可靠性降低，焊接界面IMC太厚导致的接头寿命下降等。[7]
发明内容
针对上述问题，本发明要解决的技术问题是开发一种用于电子元器件焊接和表面贴装的Co纳米空心球颗粒强化的低银系无铅焊料。本发明的特点是将Co纳米空心球颗粒添加到低银系锡基无铅焊料中。本发明不含Pb元素，保护了环境；使Ag的含量降低到1.3％以下，降低了无铅焊料制备成本；添加了制备的Co纳米空心球颗粒，改善了可焊性，显著降低了焊料/Cu基板界面处劣性相Cu3Sn的厚度以及控制了金属间化合物Cu6Sn5的厚度从而调高了焊接的可靠性。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种Co纳米空心球颗粒强化的低银系无铅焊料，其特征在于：锡基焊料含银量仅0.3-1.3(wt.％)，添加的Co纳米空心球颗粒粒径约为600nm，其含量为0.05—1(wt.％)，其余为Sn。
本发明的原理是：Co纳米空心球颗粒的添加起到弥散强化的作用，并且由其在晶体生长中起到异质形核的作用，在焊接过程中能够快速促进金属间化合物的形成和生长，形成良好的润湿界面；并且由于Co纳米空心球颗粒的存在，抑制了Cu的扩散，使Cu3Sn的生长得到抑制，改善了界面金属间化合物的厚度。
进一步优选，在上述无铅焊料合金中，所述的无铅焊料合金含有以下成分的重量百分比为：
Ag：1％；Co纳米空心球颗粒：0.1％—0.5％；其余为Sn。
进一步优选，在上述无铅焊料合金中，所述的无铅焊料合金含有以下成分的重量百分比为：
Ag：1％；Co纳米空心球颗粒：0.5％；其余为Sn。
附图说明
图1本发明焊料的DSC测试所得熔点统计；
图2本发明焊料的润湿力测试结果；
图3本发明焊料的润湿时间测试结果；
图4本发明焊料(实施例2)与Cu基板经回流老化形成的界面金属间化合物截面图；
图5本发明焊料(Ag含量占焊料重量百分比为1％)与Cu基板经回流老化形成的界面金属间化合物厚度统计图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
1.Co纳米空心球颗粒制备
(1)铁核心制备：
a.取69.5gFeSO4·7H2O，配0.5mol/L的溶液500mL；
b.在150mL氨水中加入50mL去离子水备用，称量4.5gNaBH4加入上述备用氨水中；
c.在机械搅拌下，上述两者混合并加热至80℃，约15分钟后杯壁有光亮银镜，气泡消失，反应结束，铁核心生成。
(2)包覆Co：
a.分别取用21gCoSO4和酒石酸钾钠，10gNaOH,分别取一定量的蒸馏水溶解，之后混合配成络合比1:1的PH>13的溶液，用容量瓶定容1L，取用500mL；
b.取上述步骤的铁核心加入500mL镀液，取用10mL水合肼稀释至40mL逐渐加入开始反应，在50℃下超声搅拌，20—40分钟后混合溶液澄清，无气泡，几乎无色，反应结束。
(3)溶解核心：
取盐酸月9mL稀释至约800mL常温下加入上述制备的粒子，待铁溶解完毕，可得最终产物Co纳米空心球颗粒。
所得Co纳米空心球颗粒的扫描电镜图如图1所示。
2.焊料制备
所制备焊料中Sn球、Ag粉和Co纳米空心球颗粒粉相关参数如表所示。
表：熔炼焊料合金时所用的金属
焊料熔炼：将将Sn球、Ag粉按照一定的配比混合均匀放入Al2O3陶瓷坩埚中，并加热到480℃，保温10min，使其熔化。然后用电阻炉继续加热，炉温设置为600℃。完全熔化后开始计时，再保温120min。在此期间，每隔10min用陶瓷棒搅拌一次，使合金成分充分均匀化。两小时后，将Co纳米空心球颗粒加入坩埚，保持温度并搅拌10分钟。将热坩埚从炉中取出，放在空气中冷却至室温(20℃)，然后从坩埚中取出。铸模冷却后合金铸锭表面光洁，无明显缺陷。上述过程均在氮气保护下进行。
3.焊料检测
a.将熔炼好的焊料做DSC测试，测试结果统计如图2所示。添加0.1％Co纳米空心球颗粒的焊料的熔点有所下降。
b.将熔炼好的焊料制成Φ4×4mm3的圆柱做润湿力测试，测试结果如图3、4所示。添加Co纳米空心球颗粒焊料的润湿力有所提高，润湿时间有所下降。
c.将熔炼好的焊料置于处理洁净的铜板上，经经典回流温度曲线回流，形成良好焊点。再经过48—300小时时效老化，观测界面金属间化合物(如图5所示，以焊料(Co0.5wt.％)与Cu基板形成的金属间化合物为例)的生长厚度，测试结果如图6所示。添加Co纳米空心球颗粒焊料与铜板经回流、不同时间老化后所形成的劣性金属间化合物Cu3Sn厚度明显下降。
实施例2
本实施例的Co纳米空心球颗粒添加的低银系无铅焊料，由低银系锡基焊料和Co纳米空心球颗粒组成，其中Co纳米空心球颗粒粒径约为600nm。该无铅焊料组成为：
将制备好的该成分焊料做润湿力测试、DSC测试、界面金属间化合物观测，结果如图2、3、4、6所示，各类性能均有明显提高。
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Claims (3)

1.一种Co纳米空心球颗粒添加的低银系无铅焊料，其特征在于在低银系锡基无铅焊料中添加Co纳米空心球颗粒，该焊料的组成以质量百分比计为：
Ag：0.3—1.3％；Co纳米空心球颗粒：0.05％—1％；其余为Sn,其中Co纳米空心球颗粒粒径为20—60nm。
2.根据权利要求1所述的无铅焊料，其特征在于Ag占焊料成分的重量百分比为1％，Co纳米空心球颗粒占焊料成分的重量百分比为0.1％—0.5％。
3.根据权利要求2所述的无铅焊料，其特征在于Co纳米空心球颗粒占焊料成分的重量百分比为0.5％。
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