一种高可靠Sn-Bi-Ag系低温无铅焊料合金及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高可靠Sn

【技术实现步骤摘要】
一种高可靠Sn
‑
Bi
‑
Ag系低温无铅焊料合金及其制备方法


[0001][0002]本专利技术属于电子焊接
，具体涉及一种Sn
‑
Bi
‑
Ag系低温无铅焊料合金及其制备方法。

技术介绍

[0003][0004]由于铅的毒性，使得采用无铅焊料来代替传统Sn
‑
Pb焊料成为一种趋势。Sn
‑
Ag
‑
Cu系焊料作为无铅焊料中可靠性最好、最为成熟的焊料已经在电子产业界得到广泛使用。然而Sn
‑
Ag
‑
Cu系焊料的熔点大多在217℃以上。随着电子产品向小型化，高集成化，器件内藏化，便携化发展，许多产品如防雷设备、温度敏感器件设备、LED照明设备、光伏焊带等均需要采用低温焊接。因此无铅低温焊接成为了一个具有市场需求的新领域。Sn
‑
Bi系焊料作为低温无铅焊料的重要组成部分，具有成本低，润湿性好，焊点强度高，热疲劳性能好等优点，且Sn能够与Bi元素在一定范围内无限固溶，不会形成新的化合物，因而可以通过调整Bi含量来改变焊料的熔点，比如SnBi58共晶成分的熔点最低为138℃，随着Bi含量的降低虽然熔点升高，熔程增大不利于焊接，但一定程度上改善了合金的脆性。目前市场上使用的Sn
‑
Bi系合金Bi含量大多在35%
‑
58%之间，能够满足不同温度的低温焊接需求。而同为低温焊料的Sn
‑
In系产品因为In的价格较高不宜大量添加，且随着In含量的升高会形成新的化合物，给合金的性能带来不确定性。所以目前使用的无铅低温焊料还是以Sn
‑
Bi系焊料为主。Sn
‑
Bi焊料的缺点在于Bi元素带来的脆性和低延展率，使得Sn
‑
Bi焊料的变形加工变得困难，比如Sn
‑
Bi系锡丝、BGA球、焊片等产品的推广。另外在长期服役的Sn
‑
Bi/Cu焊点IMC层附近容易形成Bi的富集，由于Bi相的弹性模量与上方焊料和下方的Cu6Sn5层不同，容易在该处产生应力集中形成裂纹，从而使焊点失效或直接造成剥离。Ag的添加能够形成Ag3Sn化合物改善合金的脆性，在IMC附近聚集抑制Sn向Cu基板一侧的扩散，起到提高焊点可靠性的效果。目前市面上性能较好的Sn
‑
Bi系合金有SnBi35Ag1和SnBi57Ag1，均是在Sn
‑
Bi的基础上添加了一定成分的Ag元素。但1%Ag的添加提高了成本，且随着Ag含量的降低合金的性能有着明显降低。另外这2种成分的合金也只能在一定程度上改善脆性和可靠性，不能够完全解决Bi元素偏聚带来的可靠性问题。

技术实现思路

[0005][0006]本专利技术的目的旨在解决现有Sn
‑
Bi
‑
Ag系焊料合金可靠性不足的问题，提供一种高可靠Sn
‑
Bi
‑
Ag系低温无铅焊料合金及其制备方法。
[0007]本专利技术采取的技术方案如下：
[0008]一种高可靠Sn
‑
Bi
‑
Ag系低温无铅焊料合金，该无铅焊料合金的质量百分比组成为35.0
‑
37.0％的Bi、0.4
‑
0.6％的Ag、0.06
‑
0.08％的Ce、0.006
‑
0.008％的Ge、0.2
‑
0.4％的Cu、0.3
‑
2.0％的Sb、0.01
‑
0.09％的Ni，余量的Sn以及不可避免的杂质。
[0009]本专利技术所述高可靠Sn
‑
Bi
‑
Ag系低温无铅焊料合金的制备方法，在制备过程中，Cu、Ni、Ge、Ce分别以中间合金SnCu10、SnNi4、SnGe1、SnCe1.8形式加入，其余元素用纯金属添加；方法步骤如下：
[0010]（1）按照所述低温无铅焊料合金的质量百分比组成，计算并称取所需要的SnCu10、SnNi4、SnCe1.8、SnGe1、纯Bi、纯Ag、纯Sb和纯Sn的质量；
[0011]（2）先将纯Sn和纯Bi投放到配料炉中进行熔炼，熔炼温度设定为300
±
10℃；
[0012]（3）当步骤（2）中的金属物料熔化之后，将纯Ag和纯Sb投放到熔炼炉中进行熔炼；由于纯Ag和Sb较难熔解，需要将熔炼温度升高到400
±
10℃，金属熔化过程中需不断搅拌，使物料混合均匀；
[0013]（4）当步骤（3）中的金属物料熔化完全后扒渣，将熔炼温度降至300
±
10℃，再将SnNi4、SnCe1.8、SnGe1、SnCu10合金投放到熔炼炉中。由于Ge元素会优先于Sn跟氧气发生反应在溶液表面形成氧化膜，因此搅拌会导致Ge元素的过度消耗，所以在加入SnGe1合金后不能进行搅拌。为防止氧化烧损，在熔体的表面覆盖一层防氧化溶剂。由于添加的中间合金种类较多，需长时间保温，待各元素在溶液中扩散均匀，保温时间至少60分钟；
[0014]（5）待熔炼炉中各金属物料充分熔炼均匀后扒渣，将金属液温度降至240
±
10℃，倒入模具中浇铸成锭。由于含有Cu元素，合金在冷却过程中会首先析出Cu6Sn5相，Cu6Sn5化合物中会固溶大量的微量添加元素（Sb，Ge，Ce，Ni），从而影响这些微量元素的分布和在基体Sn相中的含量，因此在浇铸成锭的过程中应将模具放入循环冷却水中提高冷却速度，以降低Cu6Sn5化合物中的微量元素固溶量，另外还能起到抑制偏析，细化晶粒的作用；
[0015]（6）将铸锭放入下料炉中进行雾化，雾化温度为30
±
10℃，氧含量100
‑
400ppm；
[0016]（7）将雾化完成后形成的合金粉进行流化分选，再将流化分选后的合金粉进行筛分，制备成低温无铅焊锡粉；
[0017]（8）将制得的低温无铅焊锡粉与低温助焊膏按质量比8.95:1.05比例进行混合、搅拌，制备得到所述Sn
‑
Bi
‑
Ag系低温无铅焊料合金。
[0018]进一步地，所述防氧化溶剂采用松香或者KCL
‑
LiCL熔盐。
[0019]本专利技术具有如下有益效果；
[0020]（1）本专利技术的低温无铅焊料合金在目前广泛应用的Sn
‑
Bi
‑
Ag系焊料基础上进行成分调整及补充完善，添加微量元素Cu、Sb、Ni、Ge、Ce进行复配，降低Ag的添加量，给其它元素的添加带来空间。在焊料中加入微量Ni会聚集在富Bi相和Cu6Sn5、Ag3Sn化合物的边界，可以细化晶粒，起到抑制晶粒长大的作用，使各相分布更加均匀。Ce的作用与Ni相似，微量Ce在合金凝固时作为非均本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高可靠Sn
‑
Bi
‑
Ag系低温无铅焊料合金，其特征在于，所述低温无铅焊料合金的质量百分比组成为：35.0
‑
37.0％的Bi、0.4
‑
0.6％的Ag、0.06
‑
0.08％的Ce、0.006
‑
0.008％的Ge、0.2
‑
0.4％的Cu、0.3
‑
2.0％的Sb、0.01
‑
0.09％的Ni，余量的Sn以及不可避免的杂质，熔点在139
‑
182℃。2.如权利要求1所述的一种高可靠Sn
‑
Bi
‑
Ag系低温无铅焊料合金的制备方法，其特征在于，所述低温无铅焊料合金在制备过程中，Cu、Ni、Ge、Ce分别以中间合金SnCu10、SnNi4、SnGe1、SnCe1.8形式加入，其余元素用纯金属添加；方法步骤如下：（1）按照所述低温无铅焊料合金的质量百分比组成，计算并称取所需要的SnCu10、SnNi4、SnCe1.8、SnGe1、纯Bi、纯Ag、纯Sb和纯Sn；（2）先将纯Sn和纯Bi投放到配料炉中进行熔炼，熔炼温度设定为300
±
10℃；（3）当步骤（2）中的金属物料熔化之后，将纯Ag和纯Sb...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱文嘉，张欣，卢红波，龙登成，吕金梅，李润萍，张振华，于梦飞，赵明陆，解秋莉，何欢，赵中梅，熊晓娇，
申请(专利权)人：云南锡业新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：