一种高强高韧的Sn-Ag-Cu-Ge-Zr-X无铅钎料及其制备方法技术

技术编号：45035587 阅读：4 留言：0更新日期：2025-04-18 17:17

一种高强高韧的Sn‑Ag‑Cu‑Ge‑Zr‑X无铅钎料及其制备方法，属于微电子封装领域。所述无铅钎料中各元素及其质量百分比为：Ag：0.5～4％，Cu：0.1～1.2，Ge：0.05～1％，Zr：0.01～1％，X为La、In、Al、Fe中的一种或几种，其中La添加量为0.001～0.1％，In添加量为0.5～6％，Al、Fe的添加量均为0.001～0.5％，余量为Sn。本发明专利技术的Sn‑Ag‑Cu‑Bi‑Mn‑X系无铅钎料具有高强高韧的特点，其拉伸强度和延伸率均高于Sn3.0Ag0.5Cu钎料。本发明专利技术通过成分设计，再辅助实验最终确定了具有高强韧的Sn‑Ag‑Cu系钎料的成分配比，在Ge、Zr以及La、In、Al、Fe中的一种或几种的协同作用下，使Sn‑Ag‑Cu系钎料的强度和延伸率均高于SAC305。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微电子封装领域，具体涉及一种高强高韧的sn-ag-cu-ge-zr-x无铅钎料及其制备方法。

技术介绍

1、随着人们环保意识不断增强，pb污染的问题越来越受到重视。出于对环境和人体健康的保护，pb的使用受到越来越多的限制。在电子封装领域，传统snpb钎料由于其良好的力学性能、润湿性、可靠性等被广泛应用于各种电子元器件中。随着各国禁铅法案的出台，无铅钎料成为封装钎料发展的必然趋势。sn-ag-cu共晶成分的sn3ag0.5cu(sac305)无铅钎料因其具有良好的力学性能被认为是sn-pb钎料的最佳替代品。

2、但是随着电子信息技术的不断发展，电子系统的复杂程度日渐提高，电子产品的应用范围逐渐广泛，电子产品发展逐渐趋向于多功能化、高性能化和微型化，高密度的先进封装技术被视为是“后摩尔时代”突破芯片制造技术瓶颈的关键。在高密度的三维封装中，封装焊点的尺寸越来越小，其可靠性也必然越来越差。现有的sac305的力学性能难以满足对高强度高可靠性焊点的需求。为提高snagcu的综合性能，在其基础上通过添加bi、sb和ni发展了新型的高强度可靠性无铅钎料innolot和sacq。bi的加入使钎料强度得到大幅度提升，sb和ni则能够提升焊点的热疲劳性能。其中ni还能够抑制焊点金属间化合物(imc)层的生长。但是innolot钎料过高的强度导致服役过程中容易出现焊盘断裂。因此亟需开发一种力学性能优于sac305，同时具有高强高韧性能的无铅钎料。

3、研究表明，在sn-ag-cu钎料中添加ge能够同时提升钎料的

技术实现思路

1、本专利技术的目的是为了满足高密度封装对高性能钎料的需求，提供一种高强高韧的sn-ag-cu-ge-zr-x无铅钎料及其制备方法。本专利技术以合金元素对sn-ag-cu无铅钎料组织和性能的影响规律和机制为指导，选择多种具有细晶强化和沉淀强化效果的合金元素，确保sn-ag-cu钎料具有高延伸率的同时，大幅度提升其拉伸强度，再选择部分具有固溶强化或沉淀强化的元素，进一步提升钎料强度，最终得到高强度高延伸率的，熔点低于sac305的新型无铅钎料。

2、本专利技术在传统sn-ag-cu钎料的基础上通过添加ge、zr以及al、fe、in、la中的一种或多种元素来改善钎料的力学性能，得到具有高强度、延伸率、熔点低于sn3ag0.5cu的新型无铅钎料。ge能够显著降低sn-ag-cu钎料的过冷度，促进β-sn晶粒形核，起到细化晶粒的效果。ge不与sn反应，也不固溶于sn，凝固过程中以单质形式析出，为β-sn晶粒的形核提供异质形核点位，进一步细化晶粒，良好的细晶强化效果使得ge能够同时提升sn-ag-cu钎料的强度和延伸率。但是ge添加量不宜过高，过高的ge会在合金中析出大块的ge单质，对钎料性能造成不利影响。zr同样能够有效降低sn-ag-cu钎料的过冷度，促进β-sn晶粒形核。zr与sn反应形成sn-zr金属间化合物能够为sn晶粒的凝固提供异质形核点位，起到细化晶粒的效果。所以zr良好的细晶强化效果也能够同时提升钎料的强度和延伸率。适量的zr还能够抑制焊点imc层的生长。in能取代ag3sn和cu6sn5中sn原子，形成ag3(sn,in)和cu6(sn,in)5，改变钎料中imc的形貌，进而提升钎料的强度。la能够抑制sn-ag-cu合金内化合物相生长和粗化，还能够抑制部分晶面的生长，同样能够起到细化sn-ag-cu合金组织的效果，对钎料的强度和延伸率均具有积极的影响。但是过高的稀土元素会形成大块的金属间化合物对钎料性能造成不利影响，因此稀土元素的添加含量一般不超过0.1wt.％。al的加入能够细化β-sn晶粒，提升钎料的强度，当al含量小于0.02wt.％时，能通过固溶强化机制提高钎料强度，当al含量较高时，钎料中将会生成al-ag和al-cu化合物，同时存在固溶强化和沉淀强化两种机制。但是al含量过高会导致大量al-ag和al-cu化合物的析出和偏聚，对钎料性能产生不利影响。fe可以与sn反应生成少量的fesn2起到沉淀强化的效果，同时fe可以抑制界面imc层的生长，提升焊点的热稳定性。

3、为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：

4、一种高强高韧的sn-ag-cu-ge-zr-x无铅钎料，所述无铅钎料中各元素及其质量百分比为：ag：0.5～4％，cu：0.1～1.2％，ge：0.1～1％，zr：0.1～1％，x为la、in、al、fe中的一种或几种，其中，la添加量为0.001～0.1％，in添加量为0.5～6％，al、fe的添加量均为0.001～0.5％，余量为sn。

5、一种上述的高强高韧的sn-ag-cu-ge-zr-x无铅钎料的制备方法，所述方法为：

6、步骤一：按照所设计合金成分称量金属单质元素，先使用松香将各金属单质表面涂抹均匀使其完全包裹各金属原料，包裹后将原料投入感应加热炉中，将感应加热炉加热至300℃，保温30min，保温期间每10min机械搅拌1次，再加入licl和kcl的质量比为4.5：5.5的共晶盐，升温到600～800℃，保温60min，保温期间每10min机械搅拌1次；保温后浇铸到石墨模具中，模具下方通冷却水，加快冷却速率，防止微合金化元素偏析形成大的imc颗粒；

7、步骤二：将步骤一中制备好的合金涂抹松香后，放在感应炉中加入至300℃，至完全熔化后，搅拌1min，浇铸到石墨模具中，在空气中冷却得到铸态合金组织。

8、进一步地，步骤二中，合金熔化后立即搅拌，然后浇铸，没有保温阶段。

9、进一步地，本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种高强高韧的Sn-Ag-Cu-Ge-Zr-X无铅钎料，其特征在于：所述无铅钎料中各元素及其质量百分比为：Ag：0.5～4％，Cu：0.1～1.2％，Ge：0.1～1％，Zr：0.1～1％，X为La、In、Al、Fe中的一种或几种，其中，La添加量为0.001～0.1％，In添加量为0.5～6％，Al、Fe的添加量均为0.001～0.5％，余量为Sn。

2.一种权利要求1所述的高强高韧的Sn-Ag-Cu-Ge-Zr-X无铅钎料的制备方法，其特征在于：所述方法为：

3.根据权利要求2所述的一种高强高韧的Sn-Ag-Cu-Ge-Zr-X无铅钎料的制备方法，其特征在于：步骤二中，合金熔化后立即搅拌，然后浇铸，没有保温阶段。

4.根据权利要求2所述的一种高强高韧的Sn-Ag-Cu-Ge-Zr-X无铅钎料的制备方法，其特征在于：步骤二中，高温保温的温度根据添加合金元素的种类的不同而不同。

【技术特征摘要】

1.一种高强高韧的sn-ag-cu-ge-zr-x无铅钎料，其特征在于：所述无铅钎料中各元素及其质量百分比为：ag：0.5～4％，cu：0.1～1.2％，ge：0.1～1％，zr：0.1～1％，x为la、in、al、fe中的一种或几种，其中，la添加量为0.001～0.1％，in添加量为0.5～6％，al、fe的添加量均为0.001～0.5％，余量为sn。

2.一种权利要求1所述的高强高韧的sn-a...

【专利技术属性】
技术研发人员：田艳红，梁建超，田茹玉，王玮，王尚，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：

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