一种多元合金化获得高可靠无铅锡铋银焊料的方法技术

技术编号：41297395 阅读：32 留言：0更新日期：2024-05-13 14:46

一种多元合金化获得高可靠无铅锡铋银焊料的方法，是在SnBi36Ag0.5焊料的基础上，将难熔元素制备成中间合金，按照一定顺序和熔炼温度，以中间合金加纯金属的形式添加5种合金元素，所述合金元素为Ce，In，Cu，Sb，Ni。按质量百分比计，其中Ce的含量为0.01%，0.05%和0.1%，In的含量为0.1%，0.3%和0.5%，Cu的含量为0.2%，0.3%和0.4%，Sb的含量为0.3%，0.6%和1.0%，Ni的含量为0.01%，0.02%和0.03%。本发明专利技术制备的8元无铅锡铋银焊料，其合金化程度高，焊料组织均匀细化，抗蠕变性和热疲劳性能显著提升，有效解决了现有Sn‑Bi‑Ag系焊料存在的可靠性不足问题，可满足低温焊接领域对可靠性有严格要求的使用场景。同时降低了Ag含量，使产品成本得到控制，更有利于焊料的推广和运用。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种多元合金化获得高可靠无铅锡铋银焊料的方法，属于电子焊接。

技术介绍

1、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，一些分布在焊料基体上的富bi相与im

技术实现思路

1、本专利技术的目的在于提供一种多元合金化获得高可靠无铅锡铋银焊料的方法，以解决现有sn-bi-ag系焊料合金可靠性不足的问题。

2、本专利技术采取的技术方案如下：

3、一种多元合金化获得高可靠无铅锡铋银焊料的方法，是在snbi36ag0.5焊料的基础上，将难熔元素制备成中间合金，按照一定顺序和熔炼温度，以中间合金加纯金属的形式添加5种合金元素，所述合金元素为ce，in，cu，sb，ni。按质量百分比计，其中ce的含量为0.01%，0.05%和0.1%，in的含量为0.1%，0.3%和0.5%，cu的含量为0.2%，0.3%和0.4%，sb的含量为0.3%，0.6%和1.0%，ni的含量为0.01%，0.02%和0.03%。

4、所述一种多元合金化获得高可靠无铅锡铋银焊料的方法，包括以下步骤：

5、（1）在焊料制备过程中，cu、ni、ce分别以中间合金sncu10、snni4、snce1.8形式加入，其余元素用纯金属添加。按照所述高可靠无铅锡铋银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、纯in、纯sb、纯bi、纯ag和纯sn；

6、（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℃；

7、（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，将熔炼温度升高到400±10℃；金属物料熔化过程中不断搅拌，使物料混合均匀；

8、（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℃，再将纯in、snni4、snce1.8、sncu10合金投放到熔炼炉中，为防止氧化烧损，在金属溶液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，保温至少60分钟；

9、（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℃后，倒入模具中浇铸成锭，即得到所述的高可靠无铅锡铋银焊料；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添加元素（in，sb，ce，ni），从而影响这些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化合物中的添加元素固溶量，另外还能起到抑制偏析，细化晶粒的作用；

10、进一步地，步骤（1）所述sncu10中间合金制备方法如下：将纯度为99.99％的sn和cu按照质量百分比90:10加入到真空熔炼炉中，抽真空至5×10-3pa以下，充入保护气体后加热至1100℃，保温30min，保温过程中使用搅拌装置充分混合熔液，最后进行真空浇铸，得到sncu10中间合金。

11、所述snni4中间合金制备方法如下：将纯度为99.99％的sn和ni按照质量百分比96:4加入到真空熔炼炉中，抽真空至5×10-3pa以下，充入保护气体后加热至1450℃，保温30min，保温过程中使用搅拌装置充分混合熔液，最后进行真空浇铸，得到snni4中间合金。

12、所述snce1.8中间合金制备方法如下：将纯度为99.99％的sn和ce按照质量百分比98.2:1.8加入到真空熔炼炉中，抽真空至5×10-3pa以下，充入保护气体后加热至900℃，保温30min，保温过程中使用搅拌装置充分混合熔液，最后进行真空浇铸，得到snce1.8中间合金。

13、步骤（4）所述防氧化溶剂为松香或者kcl-licl熔盐。

14、本专利技术具有如下优点；

15、（1）本专利技术的高可靠无铅锡铋银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、ce、in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可以细化晶粒，起到抑制晶粒长大的作用。对富bi相的细化在一定程度上可以抑制由富bi相引起的界面层增厚。另外ni元素还能起到抑制imc层中靠近cu基板一侧的cu3sn层的生长，但ni元素添加过量会导致cu6sn5层的显著增厚，因此ni的含量需控制在0.03%以内。ce是一种表面活性元素，容易在晶界聚集，产生钉扎效应，阻止晶粒生长。一方面通过细化富bi相，抑制由富bi相引起的界面层增厚。另一方面由于晶界对扩散起着快本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种多元合金化获得高可靠无铅锡铋银焊料的方法，其特征在于，在SnBi36Ag0.5焊料的基础上，将难熔元素制备成中间合金，按照一定顺序和熔炼温度，以中间合金加纯金属的形式添加5种合金元素，所述合金元素为Ce，In，Cu，Sb，Ni。按质量百分比计，其中Ce的含量为0.01%，0.05%和0.1%，In的含量为0.1%，0.3%和0.5%，Cu的含量为0.2%，0.3%和0.4%，Sb的含量为0.3%，0.6%和1.0%，Ni的含量为0.01%，0.02%和0.03%。

2.如权利要求1所述的一种多元合金化获得高可靠无铅锡铋银焊料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.如权利要求2所述的一种多元合金化获得高可靠无铅锡铋银焊料的方法，其特征在于，步骤（1）所述SnCu10中间合金制备方法如下：将纯度为99.99％的Sn和Cu按照质量百分比90:10加入到真空熔炼炉中，抽真空至5×10-3Pa以下，充入保护气体后加热至1100℃，保温30min，保温过程中使用搅拌装置充分混合熔液，最后进行真空浇铸，得到SnCu10中间合金；

【技术特征摘要】

1.一种多元合金化获得高可靠无铅锡铋银焊料的方法，其特征在于，在snbi36ag0.5焊料的基础上，将难熔元素制备成中间合金，按照一定顺序和熔炼温度，以中间合金加纯金属的形式添加5种合金元素，所述合金元素为ce，in，cu，sb，ni。按质量百分比计，其中ce的含量为0.01%，0.05%和0.1%，in的含量为0.1%，0.3%和0.5%，cu的含量为0.2%，0.3%和0.4%，sb的含量为0.3%，0.6%和1.0%，ni的含量为0.01%，0.02%和0.03%。

【专利技术属性】
技术研发人员：朱文嘉，段泽平，张振华，张欣，秦俊虎，吕金梅，解秋莉，李润萍，赵中梅，
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：

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