CN103978323A - 一种无铅焊料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于电子元器件和线路板焊接等微电子领域的无铅焊料，其特征在于向低银系的锡基焊料中添加改善焊接性能的纳米Ni颗粒和纳米Fe2O3颗粒，形成一种颗粒添加的低银系无铅焊料。该焊料的组成以质量百分比计为：Ag：0.3-0.7％；Cu：0.5-1.0％；纳米Ni颗粒：0.025—0.2％；纳米Fe2O3颗粒：0.2—1.0％，其余为Sn。本发明与普通无铅焊料相比，熔点降低，润湿力和抗剪切能力提高，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

一种无铅焊料
技术领域
本发明涉及一种用于电子元器件和线路板焊接等微电子领域的无铅焊料，其特征在于向低银系的锡基焊料中添加改善焊接性能的Ni纳米颗粒和提高焊接接头抗剪切性能的Fe2O3纳米颗粒，形成一种颗粒添加的低银系无铅焊料。
背景技术
随着信息时代的到来，电子工业得到了迅猛的发展，计算机、移动电话等产品的迅速普及，使电子产业成为了最引人注目和最具发展潜力的产业之一。电子产业的兴旺也带动了与之密切相关的电子制造业的发展，作为电子制造过程中的一大关键环节，电子封装的重要性也日益显著。而钎焊成为了确保电子封装元器件间导电互连的理想技术。焊料作为一种连接材料，在电子封装过程中担负着实现机械连接、电器连接和热交换等功能的任务。
Sn-Pb焊料合金以其低廉的成本、良好的导电性能和优良的钎焊工艺性能，长期以来被广泛用于元器件封装及印刷电路板组装中，从而成为了电子封装工艺中非常重要的钎焊材料。然而，Pb是一种有毒物质，对人体健康的威胁非常大。Pb和Pb的化合物已被美国环境保护署(EPA)列入17种对人体和环境危害最大的化学物质之一。在21世纪，新的绿色焊料——无铅焊料必将成为电子制造业所使用的主流焊接材料
由于Sn具有合适的导电导热性、合适的润湿性、易与其它元素形成合金、成本低廉、资源丰富等优点，且它基本符合金属学、环境学和经济学等领域的相关标准，因此，国际上一致公认将无铅焊料定义为以Sn为基底，向其中添加其他金属组元的合金。也就是说，目前所开发的无铅焊料绝大部分都是Sn基合金，通过向其中添加In、Bi、Zn、Ag、Cu、Sb和Mg等元素来改善纯Sn金属的性能，以达到无铅焊料的使用要求。
目前主要应用的无铅焊料合金***有：Sn-Bi、Sn-Ag、Sn-In、Sn-Zn、Sn-Cu、Sn-Sb等二元合金；Sn-Ag-Bi、Sn-Ag-Cu、Sn-Zn-Bi、Sn-Zn-Ag、Sn-In-Bi、Sn-Zn-In等三元合金，还有少数由四元或五元金属元素构成的合金。相比之下，由于Sn-Ag-Cu(SAC)焊料在原有性能较好的Sn-Ag焊料基础上加入了Cu组元，在保证其良好机械性能的前提下，使熔点得到了适当的降低，同时还减少了焊料对互连线或基板中Cu元素的溶蚀，因此逐渐发展成为国际标准的无铅焊料。
目前无论是美国推荐使用的SAC3906，欧盟推荐的SAC3807，还是日本推荐SAC305无铅焊料合金，市场上现有的Sn-Ag-Cu焊料含Ag量较高，都在3.0wt.％以上，而Ag的价格昂贵，而Ag的成本在焊料中占40％～50％，国际市场Ag价的波动性也越来越大，这使得高银的Sn-Ag-Cu焊料价格可以达到传统Sn-Pb焊料的2-3倍。但是当焊料合金Ag元素的含量降低后，其熔点变高，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。
发明内容
针对上述提到的问题，本发明所要解决的技术问题是是开发一种用于电子元器件和线路板焊接等微电子领域的，具有很好润湿性能和抗剪切性能的低银系无铅焊料。本发明的特点是将纳米Ni颗粒和纳米Fe2O3颗粒的添加到低银系锡基无铅焊料中。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种纳米Ni颗粒和纳米Fe2O3颗粒添加的低银系无铅焊料，其特征在于：锡基焊料含银量仅0.3-0.7(wt.％)；Cu含量为0.5-1.0(wt.％)；添加的纳米Ni颗粒粒径为20--70nm，其含量为0.025—0.2(wt.％)；添加的纳米Fe2O3颗粒粒径为1--40nm，其含量为0.2—1.0(wt.％)，其余为Sn。
其中纳米Ni颗粒的添加使其在焊接的过程中成为金属间化合物形核的异质核心，促进焊料与Cu基板的润湿，从而改善焊接性能；并且在器件长期服役的过程中，纳米Ni颗粒的存在，有效的抑制了Cu的扩散，抑制了Cu3Sn的生长，提高焊接接头的强度；添加的纳米Fe2O3颗粒主要存在于焊料当中，起到弥散强化的作用，提高了焊接接头中焊料部分的抗剪切性能。
作为优选，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：0.4-0.7％；Cu：0.6％—0.8％；纳米Ni颗粒：0.1—0.2％；纳米Fe2O3颗粒：0.2—1.0％；其余为Sn。
作为优选，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：0.4-0.7％；Cu：0.6％—0.8％；纳米Ni颗粒：0.1—0.2％；纳米Fe2O3颗粒：0.3—0.6％；其余为Sn。
作为优选，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：0.5％；Cu：0.7％；纳米Ni颗粒：0.1—0.2％；纳米Fe2O3颗粒：0.3—0.6％；其余为Sn。
作为优选，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：0.5％；Cu：0.7％；纳米Ni颗粒：0.2％；纳米Fe2O3颗粒：0.3—0.6％；其余为Sn。
作为优选，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：0.5％；Cu：0.7％；纳米Ni颗粒：0.2％；纳米Fe2O3颗粒：0.4％；其余为Sn。
附图说明
图1本发明焊料与Cu基板经回流老化形成的界面金属间化合物截面图；
图2本发明焊料(其中各成分重量百分数：Ag：0.5％；Cu：0.7％；纳米Ni颗粒：x％；纳米Fe2O3颗粒：0.4％；其余为Sn)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，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
1.焊料制备
所制备焊料中Sn球、Ag粉、Cu粉、纳米Ni颗粒和纳米Fe2O3颗粒相关参数如表所示。
焊料熔炼：按比例称取熔盐(质量比KCl：LiCl＝1.3：1.0)，总质量约为所需熔炼金属重量的1/3。将熔盐放入Al2O3陶瓷坩埚中，并加热到480℃，保温10min，使其熔化。将Sn球、Ag粉、Cu粉、纳米Ni颗粒和纳米Fe2O3颗粒按照一定的配比混合均匀放入另一个坩埚中，将熔化后的熔盐倒入装有金属粉末的坩埚中，目的是对金属粉末进行保护，防止氧化。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。
2.焊料检测
a.将熔炼好的焊料制成Φ4×4mm3的圆柱做润湿力测试。
b.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，做贴片剪切力强度测试。
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的生长厚度。
实施例2
一种具有良好润湿力和抗剪切力的无铅焊料合金，该无铅焊料合金含有以下成分的重量百分比为：
Ag：0.5％；Cu：0.5％；纳米Ni颗粒：0.025％；纳米Fe2O3颗粒：0.2％；其余为Sn，还可包含不可避免的杂质。
该实施例中具有良好润湿力的无铅焊料合金的制备方法同实施例1中焊料合金的制备方法和检测方法相一致，区别仅在于无铅焊料合金各成分的重量百分比按照本实施例中比例称取。
实施例3
一种具有良好润湿力和抗剪切力的无铅焊料合金，该无铅焊料合金含有以下成分的重量百分比为：
Ag：0.5％；Cu：0.7％；纳米Ni颗粒：0.025％；纳米Fe2O3颗粒：0.2％；其余为Sn，还可包含不可避免的杂质。
该实施例中具有良好润湿力的无铅焊料合金的制备方法同实施例1中焊料合金的制备方法和检测方法相一致，区别仅在于无铅焊料合金各成分的重量百分比按照本实施例中比例称取。
实施例4
一种具有良好润湿力和抗剪切力的无铅焊料合金，该无铅焊料合金含有以下成分的重量百分比为：
Ag：0.5％；Cu：0.7％；纳米Ni颗粒：0.1％；纳米Fe2O3颗粒：0.2％；其余为Sn，还可包含不可避免的杂质。
该实施例中具有良好润湿力的无铅焊料合金的制备方法同实施例1中焊料合金的制备方法和检测方法相一致，区别仅在于无铅焊料合金各成分的重量百分比按照本实施例中比例称取。
实施例5
一种具有良好润湿力和抗剪切力的无铅焊料合金，该无铅焊料合金含有以下成分的重量百分比为：
Ag：0.5％；Cu：0.7％；纳米Ni颗粒：0.2％；纳米Fe2O3颗粒：0.2％；其余为Sn，还可包含不可避免的杂质。
该实施例中具有良好润湿力的无铅焊料合金的制备方法同实施例1中焊料合金的制备方法和检测方法相一致，区别仅在于无铅焊料合金各成分的重量百分比按照本实施例中比例称取。
实施例6
一种具有良好润湿力和抗剪切力的无铅焊料合金，该无铅焊料合金含有以下成分的重量百分比为：
Ag：0.5％；Cu：0.7％；纳米Ni颗粒：0.2％；纳米Fe2O3颗粒：0.4％；其余为Sn，还可包含不可避免的杂质。
该实施例中具有良好润湿力的无铅焊料合金的制备方法同实施例1中焊料合金的制备方法和检测方法相一致，区别仅在于无铅焊料合金各成分的重量百分比按照本实施例中比例称取。
实施例7
一种具有良好润湿力和抗剪切力的无铅焊料合金，该无铅焊料合金含有以下成分的重量百分比为：
Ag：0.5％；Cu：0.7％；纳米Ni颗粒：0.2％；纳米Fe2O3颗粒：0.6％；其余为Sn，还可包含不可避免的杂质。
该实施例中具有良好润湿力的无铅焊料合金的制备方法同实施例1中焊料合金的制备方法和检测方法相一致，区别仅在于无铅焊料合金各成分的重量百分比按照本实施例中比例称取。
实施例8
一种具有良好润湿力和抗剪切力的无铅焊料合金，该无铅焊料合金含有以下成分的重量百分比为：
Ag：0.5％；Cu：0.7％；纳米Ni颗粒：0.2％；纳米Fe2O3颗粒：0.8％；其余为Sn，还可包含不可避免的杂质。
该实施例中具有良好润湿力的无铅焊料合金的制备方法同实施例1中焊料合金的制备方法和检测方法相一致，区别仅在于无铅焊料合金各成分的重量百分比按照本实施例中比例称取。
实施例9
一种具有良好润湿力和抗剪切力的无铅焊料合金，该无铅焊料合金含有以下成分的重量百分比为：
Ag：0.5％；Cu：0.7％；纳米Ni颗粒：0.2％；纳米Fe2O3颗粒：1.0％；其余为Sn，还可包含不可避免的杂质。
该实施例中具有良好润湿力的无铅焊料合金的制备方法同实施例1中焊料合金的制备方法和检测方法相一致，区别仅在于无铅焊料合金各成分的重量百分比按照本实施例中比例称取。
选取上述部分实施例中得到的具有良好润湿力和抗剪切能力的无铅焊料合金的测试结果，如下表所示：
表1：
最大润湿力(mN) 润湿时间(s) 贴片剪切力强度(gf) 熔点(℃)
实施例3 2.01 2.67 8098 230.09
实施例4 2.65 2.74 8259 228.76
实施例5 2.23 2.86 8193 229.05
实施例6 3.46 2.71 8976 228.43
实施例7 3.27 2.44 7673 229.31
实施例8 3.15 2.83 7521 229.98
实施例9 3.09 2.91 7313 231.12
发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明，本发明所属领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改和补充或者采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或超越所附权利要求书所定义范围。

Claims (6)

1.一种添加了纳米Ni颗粒和纳米Fe2O3颗粒的低银系无铅焊料，具有良好的润湿力和抗剪切性能，其特征在于在低银系锡基无铅焊料中添加纳米Ni颗粒和纳米Fe2O3颗粒，该焊料的组成以质量百分比计为：
Ag：0.3-0.7％；Cu：0.5-1.0％；纳米Ni颗粒：0.025—0.2％；纳米Fe2O3颗粒：0.2—1.0％，其余为Sn，
其中纳米Ni颗粒粒径为20--70nm，纳米Fe2O3颗粒粒径为1--40nm。
2.根据权利要求1所述具有良好的润湿力和抗剪切性能无铅焊料合金，其特征在于该无铅焊料合金含有以下成分的重量百分比为：
Ag：0.4-0.7％；Cu：0.6％—0.8％；纳米Ni颗粒：0.1—0.2％；纳米Fe2O3颗粒：0.2—1.0％；其余为Sn。
3.根据权利要求2所述具有良好的润湿力和抗剪切性能无铅焊料合金，其特征在于该无铅焊料合金含有以下成分的重量百分比为：
Ag：0.4-0.7％；Cu：0.6％—0.8％；纳米Ni颗粒：0.1—0.2％；纳米Fe2O3颗粒：0.3—0.6％；其余为Sn。
4.根据权利要求3所述具有良好的润湿力和抗剪切性能无铅焊料合金，其特征在于该无铅焊料合金含有以下成分的重量百分比为：
Ag：0.5％；Cu：0.7％；纳米Ni颗粒：0.1—0.2％；纳米Fe2O3颗粒：0.3—0.6％；其余为Sn。
5.根据权利要求4所述具有良好的润湿力和抗剪切性能无铅焊料合金，其特征在于该无铅焊料合金含有以下成分的重量百分比为：
Ag：0.5％；Cu：0.7％；纳米Ni颗粒：0.2％；纳米Fe2O3颗粒：0.3—0.6％；其余为Sn。
6.根据权利要求5所述具有良好的润湿力和抗剪切性能无铅焊料合金，其特征在于该无铅焊料合金含有以下成分的重量百分比为：
Ag：0.5％；Cu：0.7％；纳米Ni颗粒：0.2％；纳米Fe2O3颗粒：0.4％；其余为Sn。
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