CN108356441A - 一种可用于汽车电子封装的Sn基钎料及其制备方法 - Google Patents

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杨明
吴建雄
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Yichengda Solder Manufacturing (kunshan) Co Ltd
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Yichengda Solder Manufacturing (kunshan) Co Ltd
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Abstract

本发明提供一种可用于汽车电子封装的Sn基钎料及其制备方法。所述钎料主要成分质量百分比组成为：Sn：94.8％～99.95％，Cr：0.05～1％，Ag：0～3.5，Cu：0～0.7％。该合金的熔点为216～231℃。使用该钎料制备的焊点具有良好的可靠性，适用于服役环境苛刻的电子设备封装，解决了由于汽车电子恶劣的服役环境造成的焊点可靠性较低的问题；同时不会大幅度提高钎料的成本，有利于产业化应用。

Description

一种可用于汽车电子封装的Sn基钎料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种可用于汽车电子封装的Sn基钎料及其制备方法，用于在苛刻服役环境工作的电子器件封装技术领域。
背景技术
汽车产业向着智能、安全、环保、舒适的方向发展，而汽车电子作为硬件基础在汽车产业的发展中起到了至关重要的作用，并在近年来获得了持续快速的发展。电子***的成本在汽车整体成本中的比例越来越高，在紧凑型汽车中，汽车电子仅占有15％的成本、混合动力汽车中占有30％以上、，未来的纯电动车中可达到60％，因此近年来汽车电子的行业市场规模增速保持在10％以上。
汽车电子是可用于对发动机、动力转向、制动等关键部件进行电控制的装置，这种装置对于汽车的行驶而言非常重要。然而，部分汽车电子的服役环境非常苛刻，以发动机控制单元ECU(Engine Control Unit)为例，ECU通常设置在发动机附近，发动机运行时可达到125℃以上的高温；发动机停止运行时温度达到外部大气温度。在北美、西伯利亚等寒冷地区的冬季大气温度可达到-40℃以下。因此，由于发动机运转和停止，电子器件承受着-40℃～+125℃的热循环。这样的服役环境要求电子器件的封装焊点具有高可靠性才能满足车辆的行驶安全。
Sn基合金是目前电子器件封装的主流钎料，典型的Sn基钎料与Cu焊盘的结构是Solder/IMCs/Cu，其中IMC为封装过程中形成的金属间化合物(包括Cu3Sn和Cu6Sn5)，Sn基钎料和Cu焊盘通过IMC形成冶金结合，最终使焊点实现电连接和机械连接。
然而，由于IMCs为脆性的金属间化合物，IMCs的厚度太大则会降低焊点的力学性能，所以电子器件的封装过程中需要对IMCs的厚度进行控制。然而根据菲克第一定律，在焊点服役过程中Cu原子会不断地向Sn中扩散并在界面处形成IMCs，即焊点在服役过程中，焊点中的IMCs厚度会不断增加。由于扩散速率受到温度的影响，服役温度越高，IMCs的增长速率越大。对于在高温服役的电子器件封装焊点而言，IMCs具有相对较高的生长速度。随着IMCs的生长，焊点的可靠性逐渐下降，这将严重的威胁车辆的行驶安全。因此，控制焊点IMCs厚度的增加可有效提高目前封装焊点的可靠性。
发明内容
本发明的首要目的是针对汽车电子等在苛刻条件下服役的电子器件封装提供一种具有高可靠性的Sn基钎料，以该钎料制备的焊点可有效的抑制焊点IMCs的生长速度，进而有效提高焊点可靠性。
本发明通过以下技术方案来实现：
一种可用于汽车电子封装的Sn基钎料，所述钎料成分质量百分比组成为：Sn：93.8％～99.9％，Cr：0.1～1％，Ag：0～3.5，Cu：0～0.7％，P：0～0.5％，Si：0～0.2％，各组成材料的质量百分数之和为100％。
通过大量的实验发现，钎料的主要成分为Sn、Ag、Cu和Cr，P与Si的存在改善钎料的抗氧化性能，两种元素可同时添加、只添加一种；并且，Si的添加还可在一定程度上改善钎料的力学性能。
本发明的一种优选技术方案为，钎料中的主要成分Sn、Ag、Cu和Cr的组合可以是Sn-Ag-Cr、Sn-Cu-Cr、Sn-Ag-Cu-Cr或Sn-Cr。其中Sn与Cr是必须含有的元素，对于提高钎料的可靠性和服役至关重要。
本发明的另一目的在于提供所述的Sn基钎料在制备汽车电子封装的Sn基钎料的应用，所述钎料作为钎料镀层使用。除此之外，所述的Sn基钎料在制备对封装可靠性要求较高的电子封装领域材料的应用。
本发明另一目的在于提供一种可用于汽车电子封装的Sn基钎料的制备方法，其中，该钎料制备过程中Cr元素的添加至关重要。
优选的Cr的添加方式有两种，一种方法为通过高温熔炼添加；另一种方法是通过球磨后熔炼的工艺将微米/纳米级Cr颗粒添加到合金中。
具体地，所述高温熔炼添加方法包括：通过高温熔炼的方法制备该钎料时，首先将各成分按比例添加到高温熔炼炉中，在惰性气体保护的条件下加热到1400-1500℃熔炼0.5小时，并在熔炼过程并施加电磁搅拌；熔炼结束后冷却到室温即得到所述的高可靠性钎料。
所述球磨后熔炼的工艺包括：利用球磨加熔炼的工艺制备高可靠性钎料时，先将Sn、Ag、Cu、P、Si中的两种或多种元素按比例熔炼成合金并制备成Sn合金粉(优选Sn粉的尺寸为2～7号粉，详见GB/T 20422-2006)，将纳米或微米级的Cr颗粒与Sn合金粉按比例添加到球磨机中经行球磨，球磨条件为300～400r/min、球磨时间1小时；随后将球磨所得的混合粉末在惰性气体保护的熔炼炉中熔炼5-20分钟。
优选地，具体熔炼温度根据Cr元素的含量确定，熔炼温度的基本原则为：高于Sn-Cr合金液相线50℃以上，Sn-Cr合金液相线可根据Sn-Cr合金二元相图确定。熔炼结束后冷却到室温即得到所述的高可靠性钎料。
本发明相对于现有技术的有益效果包括：
本发明针对汽车电子等在苛刻条件下服役的电子器件封装提供一种具有高可靠性的Sn基钎料，以该钎料制备的焊点可有效的抑制焊点IMCs的生长速度，进而有效提高焊点可靠性。
附图说明：
图1：各具体实施例制备钎料的屈服强度示意图；
图2：各具体实施例制备钎料的零交时间(270℃)示意图；
图3：各具体实施例制备钎料的最大润湿力(270℃)示意图；
图4：不同Cr含量对Sn-3.0Ag-0.5Cu钎料的Cu/Solder界面IMCs厚度的影响示意图。
具体实施方式：
下面通过具体实施例和附图解释说明本发明，但本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
实施例1：
该实施例中，各元素含量(质量百分比)为：Ag：3％，Cu：0.5％，Cr：0.5％，余量为Sn。
首先将各元素按比例添加到高温熔炼炉中。在惰性气体Ar气氛下加热到1400℃保温0.5小时，在熔炼过程中施加电磁搅拌。熔炼结束后冷却到室温即得到所述的高可靠性钎料。
实施例2：
该实施例中，各元素含量(质量百分比)为Ag：3％，Cu：0.5％，Cr：0.25％，余量为Sn。将Sn、Cr、Ag按比例添加到高温熔炼炉中。在Ar气氛下加热到1500℃保温0.5小时，在熔炼过程中施加电磁搅拌。熔炼结束后冷却到室温即得到所述的高可靠性钎料。
实施例3：
该实施例中，各元素含量(质量百分比)为：Sn：98％，Cr：0.1％，Ag：1％，Cu：0.5％。首先将各元素按比例添加到高温熔炼炉中。在Ar气氛下加热到1400℃保温0.5小时，在熔炼过程中施加电磁搅拌。熔炼结束后冷却到室温即得到所述的高可靠性钎料。
实施例4：
该实施例中，各元素含量(质量百分比)为：Sn：98％，Cr：0.1％，Ag：1％，Cu：0.5％。其中Cr为直径约为50μm的金属颗粒。
首先将Sn、Ag和Cu三种成分按比例混合并在300℃的环境中熔炼20分钟。随后利用喷粉设备(制粉工艺不限)将Sn-Ag-Cu合金制备成3号粉(25～40μm)。随后将Sn-Ag-Cu合金粉体与Cr颗粒混合并对混合的粉末进行球磨处理。球磨条件为：300r/min、球磨1小时。球磨后将混合粉末置于Ar气保护的熔炼炉中熔炼，熔炼条件为：400℃、10分钟，熔炼过程中施加电磁搅拌。熔炼结束后冷却到室温即得到所述的高可靠性钎料。
实施例5：
该实施例中，各元素含量(质量百分比)为：Sn：98％，Cr：0.25％，Ag：3％，Cu：0.5％。其中Cr为直径约为50μm的金属颗粒。
首先将Sn、Ag和Cu三种成分按比例混合并在300℃的环境中熔炼20分钟。随后利用喷粉设备(制粉工艺不限)将Sn-Ag-Cu合金制备成3号粉(25～40μm)。随后将Sn-Ag-Cu合金粉体与Cr颗粒混合并对混合的粉末进行球磨处理。球磨条件为：300r/min、球磨1小时。球磨后将混合粉末置于Ar气保护的熔炼炉中熔炼，熔炼条件为：400℃、10分钟，熔炼过程中施加电磁搅拌。熔炼结束后冷却到室温即得到所述的高可靠性钎料。
本发明具体实施例制备的钎料成分如表1所示，各具体实施例制备的钎料屈服强度见图1所示、零交时间如图2所示、最大润湿力如图3所示。由图1可知，钎料的屈服强度随Cr含量的增加而有所提高，钎料制备方法对钎料屈服强度无影响。由图2和图3可知，钎料的润湿性能随Cr含量的增加而降低，钎料制备方法对钎料的润湿性能无影响。
表一各具体实施例制备的钎料成分
Cu/Solder界面IMCs的厚度对焊点可靠性有着重要的影响，通常IMCs的厚度控制在1～5μm，IMCs太薄可能导致虚焊、太厚则会导致焊点力学性能下降，进而降低焊点可靠性。然而根据菲克定律，焊点在服役过程中Cu原子会源源不断向钎料层中扩散，同时钎料中的Sn原子也会反方向地向Cu中扩散。Cu基板中的Cu原子进入钎料后与Sn原子结合生成Cu6Sn5。因此，Cu/Solder界面IMCs的厚度随着焊点服役时间增加而增加。与此同时，由于Sn向Cu中的扩散速度要小于Cu向Sn中的扩散速度，因此Cu/IMCs界面会产生孔洞，即柯肯达尔孔洞。柯肯达尔孔洞的存在也降低了焊点的可靠性。
本发明中，Cr元素的添加可抑制Cu/Solder界面IMCs厚度的增加，因此有效地提高了焊点的可靠性。在电子封装的实际生产中，对于封装可靠性要求较高的电子器件都采用高银钎料。因此本发明对比不同Cr含量对于高银钎料Sn-3.0Ag-0.5Cu的Cu/Solder界面IMCs厚度的影响。在240℃、保温2min的条件下制备Cu/Solder焊点，焊点制备后通过图像法测量Cu/Solder界面IMCs(包括Cu6Sn5和Cu3Sn)的厚度。随后将样品置于150℃的保温箱中恒温老化，并测量不同老化时间的Cu/Solder界面IMCs厚度。测试结果如图4所示。由图可知，在本发明选择的Cr含量范围内，随着Cr含量的增加，Cu/Solder界面IMCs的生长速度逐渐降低。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可用于汽车电子封装的Sn基钎料，其特征在于，所述钎料主要成分质量百分比组成为：Sn：94.8％～99.95％，Cr：0.05～1％，Ag：0～3.5，Cu：0～0.7％，各组成材料的质量百分数之和为100％。
2.根据权利要求1所述的Sn基钎料，其特征在于，所述钎料中的主要成分Sn、Ag、Cu和Cr的组合是Sn-Ag-Cr、Sn-Cu-Cr、Sn-Ag-Cu-Cr或Sn-Cr。
3.一种权利要求1所述的Sn基钎料在制备对封装可靠性要求较高的电子封装领域材料的应用。
4.一种权利要求1或2所述的一种可用于汽车电子封装的Sn基钎料的制备方法，其特征在于，Cr的添加方式有两种：一种方法为通过高温熔炼添加；另一种方法是通过球磨后熔炼的工艺将微米/纳米级Cr颗粒添加到合金中。
5.根据权利4所述的制备方法，其特征在于，所述高温熔炼添加方法包括：通过高温熔炼的方法制备该钎料时，首先将各成分按比例添加到高温熔炼炉中，在惰性气体保护的条件下加热到1400-1500℃熔炼0.5小时，并在熔炼过程并施加电磁搅拌；熔炼结束后冷却到室温即得到所述的高可靠性钎料。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述球磨后熔炼的工艺包括：利用球磨加熔炼的工艺制备高可靠性钎料时，先将Sn、Ag、Cu、P、Si中的两种或多种元素按比例熔炼成合金并制备成Sn合金粉，将纳米或微米级的Cr颗粒与Sn合金粉按比例添加到球磨机中经行球磨，球磨条件为300～400r/min、球磨时间1小时；随后将球磨所得的混合粉末在惰性气体保护的熔炼炉中熔炼5-20分钟。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，Sn粉的尺寸为2～7号粉。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，熔炼炉中熔炼温度为高于Sn-Cr合金液相线50℃以上。
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