CN107984110A - 一种低温无铅焊料合金 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低温无铅焊料合金，属于电子焊接技术领域。本发明的低温无铅焊料合金按重量百分计，包含Bi：20~50%；Sb：0.5~10%；In：0.5~10%；Ge：0~0.20%；P：0~0.11%；并包含以下元素的两种或两种以上：Ni：0~0.2％；Co：0~0.2％；Ga：0~0.11%；0~0.2％的Si；0~0.5％的Al；0~0.5％的Zn；余量为Sn和不可避免的杂质。本发明通过Sb、In、Ni、Co、Ge等多元合金元素的添加，可以明显改变焊料合金的机械性能，在形成的焊点中，界面处，弥散分布的多元合金元素阻碍Bi的富集，防止富Bi相的产生，减少硬而脆的富Bi相对焊接接头机械性能的损害，提高了焊料合金的焊接性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种低温无铅焊料合金，属于电子焊接技术领域。
背景技术
电子废弃物对环境有很大的污染，为了保护环境，在电子元件的封装和焊接领域，已经采用无铅焊料代替传统的有铅焊料。目前应用较多的无铅焊料合金主要为SnCu系和SnAgCu系合金焊料，与锡铅共晶焊料相比，SnCu系和SnAgCu系合金焊料的熔点高30℃左右，焊接工艺温度较高。但是随着摩尔定律的持续推进，芯片越来越高度集成化，越来越薄，从而导致芯片在电子组装时更容易发生翘曲，产生枕窝、桥连及润湿不良的缺陷。为了解决此问题，开发出新型低温无铅焊料是非常必要的。现有的低温焊料主要为SnBi系，目前应用较多的低温焊料为SnBi58焊料，其在形成焊接接头时，会有初生Bi相的析出，在靠近基板处，形成富Bi相带，Bi脆性大，此处为焊点最薄弱的区域，降低了焊点的稳定性和可靠性。
目前国内外已经开始探究不同元素对焊料焊点的微观组织的影响，通过改善低温焊料焊点界面的微观结构，提高低温无铅焊料的焊接性能，但是并未从根本上解决低温无铅焊料机械强度低、可靠性差的问题。
发明内容
针对现有技术中低温无铅焊料存在的问题，本发明提供一种低温无铅焊料合金，通过多种微量元素的复合添加，改善焊料合金中Bi的富集，进而降低焊料焊接接头的脆性，同时减小焊接接头在受到冲击时微裂纹的产生，细化晶粒不但减小接头的脆性，而且抑制微裂纹的扩展，能够解决传统低温钎料合金焊接过程中产生的焊接接头强度低和可靠性差的问题。
一种低温无铅焊料合金，按重量百分计，包含
Bi：20~50%；
Sb：0.5~10%；
In：0.5~10%；
Ge：0~0.20%；
P：0~0.11%；
并包含以下两种及两种以上元素的复合体系：
Ni：0~0.2%；
Co：0~0.2%；
Ga：0~0.11%；
Si：0~0.2％；
Al：0~0.5％；
Zn：0~0.5％；
余量为Sn和不可避免的杂质。
所述Ge、P、Ni、Co、Ga、Si、Al、Zn元素以与Sn的中间合金的形式进行添加，其他的以单质形式添加，不足的Sn和Bi以单质形式添加，在熔炼炉中熔化过程中，为防止部分合金的氧化烧损，在熔体的表面覆盖一层防氧化溶剂。
本发明的低温无铅焊料合金可以为条状、棒状、块状、粉状、球状、丝状（有/无助焊剂）、膏状，箔状等产品状态，产品的状态无限定，根据需求而定。
本发明的有益效果：
（1）共晶焊料Sn58Bi的熔点为139℃，在中等冷却速度条件下，共晶相SnBi呈片状；在缓慢冷却速度下，晶粒较大，钎焊接头的裂纹一般沿晶界扩展；而且钎焊接头的再结晶会引起体积膨胀，从而加剧合金的脆化；焊接接头在受到冲击和应力时，产生的微型裂纹沿晶界扩展，进而导致焊点断裂并失效；本发明为了抑制钎焊接头处微裂纹的产生，需要避免富Bi相的产生和长大，在合金焊料中添加多元金属元素可以起到细化晶粒的作用，抑制Bi元素的扩散和富集，提高钎焊接头的强度和可靠性。
（2）本发明通过Sb、In、Ge、P、Ni、Co、Ga、Si、Al、Zn等多元合金元素的添加，可以明显提高焊料合金的机械性能，在形成的焊点中，界面处，弥散分布的多元合金元素阻碍Bi的富集，防止富Bi相的产生，减少硬而脆的富Bi相对焊接接头机械性能的损害，提高了焊料合金的焊接性能。
附图说明
图1为实施例8的低温无铅焊料合金SnBi42Sb1.0In1.0试样拉伸试验后得到的载荷-位移曲线；
图2为对比例的SnBi58合金的载荷-位移曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
本发明的具体实施例和对比例的合金配方如表1所示（以质量百分数计），其中对比例为SnBi58共晶焊料合金与实施例进行各项性能的对比。
表1：实施例和对比例的合金成分表（以质量百分数计 %）
将表1所述的合金成分Bi、Sb、In、Ge、P、Ni、Co、Ga、Si、Al、Zn等和Sn在真空感应熔炼炉中进行熔炼制备中间合金；
中间合金的制作方法，即合金的比例和熔炼温度：
P：Sn-1%P，450℃；
Ni：Sn-4%Ni，700℃；
Ga：Sn-40%Cu，240℃；
Ge：Sn-1%Ge，400℃；
Sb：Sn-10%Sb，350℃；
Al：Sn-4%Al，400℃；
Zn：Sn-20%Zn，350℃；
Si：Sn-3%Si，1200℃；
Co：Sn-3%Co，500℃；
按照合金的成分比例，计算所需要的中间合金的质量，然后称取的中间合金和纯锡，在熔炼炉中进行熔化，熔炼温度为300~320℃温度，熔炼完成后保温20分钟，然后进行搅拌均匀后浇铸成试样进行性能测试。
将合金制成焊点，进行高加速寿命测试，测试参数按照焊点相应的标准进行设置，每组焊点测试3次，然后取平均值作为评价。
实施例与对比例的熔点、抗拉强度、延伸率、焊料合金形成的焊点的可靠性测试（高加速寿命测试HALT）结果如表2所示，
表2 合金性能测试结果
从表2可以看出，本发明的实施例1~10任一低温无铅焊料合金的熔化温度都不高于160℃，虽然熔化温度比SnBi58稍高，但是熔化温度仍能满足低温焊接工艺的要求，与SnBi58相比，合金的可靠性有较大的提高。
实施例8的低温无铅焊料合金SnBi42Sb1.0In1.0试样拉伸试验后得到的载荷-位移曲线如图1所示，对比例SnBi58合金的载荷-位移曲线如图2所示，从图1和图2的曲线可知，实施例8的低温无铅焊料合金SnBi42Sb1.0In1.0不仅有较高的抗拉强度，而且合金在变形阶段，变形比较均匀，具有较好的成型性能。
Claims (1)
1.一种低温无铅焊料合金，其特征在于：按重量百分计，包含
Bi：20~50%；
Sb：0.5~10%；
In：0.5~10%；
Ge：0~0.20%；
P：0~0.11%；
并包含以下两种积及两种以上元素的复合体系：
Ni：0~0.2%；
Co：0~0.2%；
Ga：0~0.11%；
Si：0~0.2％；
Al：0~0.5％；
Zn：0~0.5％；
余量为Sn和不可避免的杂质。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180504 |