一种高强高导复合型无铅高温焊料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高强高导复合型无铅高温焊料及其制备方法，属于无铅焊料的制造技术领域。该焊料由锡基焊粉、铜合金粉和助焊膏组成。先称取锡基焊粉、铜合金粉、助焊膏；将锡基焊粉和助焊膏置于容器中搅拌均匀；将铜合金粉加入容器中继续搅拌至三种组分均匀，即得到高温无铅焊膏。该方法制备的复合焊料有效解决了三种组分的均匀混合问题和宽粒度范围粉末带来的锡膏印刷质量问题；显著改善锡基焊料焊后的耐高温性差难题，同时能够改善焊后导电/导热性不足和大负载蠕变等问题，并有效缓解了焊后凝固收缩造成的孔洞/空洞问题，可替代现有高Pb含量的高温焊料用于大功率第三代半导体分立器件封装。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，该焊料由锡基焊 粉、铜合金粉和助焊膏三种组分通过均匀搅拌复合而成。属于无铅焊料的制造
，特 别是无铅高温焊膏技术范畴。
技术介绍
重视环保、提倡绿色产品是当今世界经济发展的大趋势，电子产品的无铅化就是 其中一项重大举措。在中低温含铅焊料的无铅化替代方面，经过十几年的研究已经得到了 可靠性验证，并已被广泛应用，然而高铅焊料至今却还没有合适的替代品， 在RoHS指令中也因此得到了暂时豁免。但根据指令计划：欧盟RoHS指令将逐步取消豁免 项目。例如，到2016年底整车钎焊料中的铅豁免将被解除，届时将实现整个系统的全面无 铅化，高铅焊料也将被替代，因此制备出性能良好的可用于替代车载用高铅焊料的无铅产 品意义重大。 目前对高温无铅焊料在合金材料方面的研究主要集中在Au-Sn合金、Sn-Sb基合 金、Zn-Al基合金和Bi基合金等四类： l、80Au-Sn焊料：Au-Sn共晶焊料的熔点为280°C，与高铅焊料的熔点最相近，兼容 性好，与低熔点的无铅共晶钎料相比（约217Γ)，具有更大的稳定性和可靠性。但是该焊 料较脆，并且由于Au(W)为80%成本太高，因而主要用于光电子封装、高可靠性（如InP激 光二极管）、大功率电子器件电路气密封装和芯片封装中。 2、Sn-Sb合金：由于Sn-Sb 合金熔化区间较窄（232~250°C )，并 且与现有焊料兼容性良好，因而作为高温无铅焊料的候选材料。但其熔点较低，特别是焊料 无铅化以来由于现有无铅焊料的熔点较Sn-Pb共晶合金的高（一般高30-40°C )，封装温度 会有所提升，导致多级组装时后续回流或波峰焊温度会超过其熔点，进而影响封装器件的 可靠性，甚至造成产品报废。 3、Ζη_Α1合金：Rettenmayr等和Shimizu等分别提出用Zn基合金来取代95Pb_5Sn 焊料实现芯片连接。但Zn基合金加工性差，且容易氧化而导致润湿不良，并且Zn基合金的 较高活性也使得焊接可靠性以受到质疑，因此很大程度上限制了该类合金的应用。 4、Bi基合金：Bi基合金由于熔点合适（270°C左右）、填充性能良好，被认为是取 代传统高Pb焊料的无铅候选焊料，如日本村田制作所公布的JP2001-205477专利合金。 Bi-Ag系焊料是研究得最多的Bi基合金，常温下Bi和Ag的互溶度很小，其共晶合金熔点为 262. 5°C，研究表明其延伸率比SnAg25SblO (J合金，熔点365°C )还好，增加 Ag含量可提高 Bi-Ag合金的强度，并可改善其合金的脆性，但总体上比SnAg25SblO合金小，并且增加了合 金成本。 另一种是制造复合焊料，具体又可分为两类：外加粒子机械混合法和原位反应生 成法。 机械混合法是在钎料基体中溶入外加颗粒作为弥散体从而形成复合钎料。即使 温度升高这些弥散体在母体中仍旧有很小的溶解度。Lin等人在普通的Sn-Pb钎料中添 加 TiOjP Cu纳米粉末从而得到纳米复合铅基钎料焊膏。为了相对均匀地分散钎料基体 中的增强体，Mavoori和Jin等人发展了一涂覆颗粒然后反复塑性变形以达到纳米颗粒在 钎料基体中均匀弥散的方法。在这种方法中，共晶Sn-37Pb钎料合金粉末（35 μ m)和纳米 尺寸TiO2 (5nm)/Al2O3 (IOnm)粉末通过剧烈摇晃在以达到在乙醇中完全离散并且以合适的 比例混合，然后通过持续的搅拌形成涂覆上氧化物颗粒的Sn-Pb膏体。Tsao等人研究了 在Sn-3. 5Ag-0. 25Cu中系列添加1102纳米颗粒。结果表明在Sn-Ag-Cu无铅钎料中添加 0. 25-lwt. % TiO2纳米颗粒导致其液相温度和增加了 3. 5-5. 9°C。SAC无铅钎料的金相观 察显示β-Sn晶粒尺寸以及Ag3Sn相和Ag3Sn相之间的间隔减小。从机械行为方面来看，在 SAC无铅钎料中添加较大含量的TiO2纳米颗粒可以提高显微硬度，而其延伸性有一定程度 的降低。Masazumi将纳米尺度的金属颗粒和Au加入到Sn-Ag基无铅钎料中，研究这些纳米 颗粒是否能够在四次重熔过程和长时间的高温时效后减缓金属间化合物的生长；同时还研 究了在高冲击拖拉测试中这些纳米颗粒是否能够减少在金属间化合物断裂的概率。除了金 属间化合物的分析，还研究了纳米颗粒对钎料跌落测试性能的影响效果。结果显示：与其它 几种元素相比，Co、Ni和Pt对多次重熔过程中金属间化合物的生长抑制以及跌落测试性能 的提升非常有效。 原位法是另一种制备复合钎料的主要方法，在加工处理钎料合金本身的过程中形 成增强纳米颗粒。其中，嵌入钎料基体增强颗粒不是来自外加增强体。Lee等人用这种原位 法制成了一种用Cu 6Sn^强的复合钎料。他们添加了涂覆RMA型钎剂的Cu粉末（~Ιμπι) 到Sn-3. 5Ag共晶钎料中，并且在氩气气氛中将它置于Al2O3坩埚中熔化。为了促进Sn与Cu 之间的反应，当温度升高到573K时机械搅拌混合有Cu粉的熔化钎料。钎料在这个温度保 持一分钟，然后在酒精中快速冷却从而固化。凝固的铸锭被热乳成薄片，然后冲压成圆片。 在最高温度为523K的温度梯度下，将圆片在硅油的圆柱容器中重熔。熔化的圆片在表面张 力的作用下形成为直径760 μπι的钎料球。通过这个过程中可以得到均匀弥散分布的复合 钎料。Hwang等人研制了一种制备复合钎料的原位法，步骤如下：氩气气氛下将纯净的Sn、 Ag、Cu铸锭在可渗透的瓷坩埚中熔化，然后将钎料混合物浇铸到一个铁模子中。通过乳制 浇铸片制备IMC颗粒增强的钎料条，然后冲压成直径为I. 5_的薄片，最后通过热油浴形成 直径630 μ m的钎料球。浇铸过程中在钎料基体中形成的初始頂C树枝状枝晶在塑性工作 中能够被压碎成为良好的颗粒，因此乳制后MC颗粒在钎料基体中能够均匀弥散分布。 美国专利6, 360, 939 Bl披露了一种制造电子工业中的无铅焊膏的方法，该焊膏具 有一基本焊料粉末和一在焊接过程中不熔化的添加金属粉末成分，所添加粉末的熔点比基 本焊料粉末的熔点高很多，基本焊料粉末包括80-90 %的Sn和1-20 %的Ag，添加粉末金属 选自包括Sn、Ni、Cu、Ag和Bi及其他混合物的金属组元；美国Akron大学的研究人员通过 在Sn-Pb焊料中加入铜或氧化钛的纳米颗粒显著提高了焊点强度；IBM公司则通过加入钼 和钽纳米颗粒制备了复合焊料，中国专利CN 1672858A公开了含有记忆合金颗粒的锡银焊 料；中国专利CN 1672859A公开了含有纳米氧化锆颗粒增强型锡银焊料及其制法；而美国 专利US 2002/0040624 Al和CN 1732063A公布的复合焊料在焊接过程中两种组分均系熔 化态，要求焊料中两组分的熔点差要小于15°C。 复合焊料中不同组分熔化（溶解）与否不仅取决于复合焊料本身包含的不同组分 间的熔点差，而且与不同组分间相互浸润扩散系数和焊接时的工艺窗口等息息相关。上述 研究和专利报道，均未提及复合焊料中不同组分粉末的形貌、粒径规格和尺寸分布的匹配 性对焊料的影响，在焊接过程中的不同组分间相互作用及焊后复合焊料界面存在形态对焊 点（或焊缝）的电热性能的影响；对在高温焊料体系基体中添加大比例的规本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高强高导复合型无铅高温焊料，其特征在于：该焊料由锡基焊粉、铜合金粉和助焊膏组成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：贺会军，张富文，刘希学，王志刚，胡强，朱捷，刘征，
申请(专利权)人：北京康普锡威科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11