一種無鉛焊料的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于電子元器件和線路板焊接等微電子領域的無鉛焊料，其特征在于向低銀系的錫基焊料中添加改善焊接性能的納米Ni顆粒和納米Fe2O3顆粒，形成一種顆粒添加的低銀系無鉛焊料。該焊料的組成以質量百分比計為：Ag：0.3-0.7％；Cu：0.5-1.0％；納米Ni顆粒：0.025—0.2％；納米Fe2O3顆粒：0.2—1.0％，其余為Sn。本發明與普通無鉛焊料相比，熔點降低，潤濕力和抗剪切能力提高，并且界面劣性金屬間化合物Cu3Sn厚度降低，焊接性能更優異。
【專利說明】一種無鉛焊料
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于電子元器件和線路板焊接等微電子領域的無鉛焊料，其特征在于向低銀系的錫基焊料中添加改善焊接性能的Ni納米顆粒和提高焊接接頭抗剪切性能的Fe2O3納米顆粒，形成一種顆粒添加的低銀系無鉛焊料。
【背景技術】
[0002]隨著信息時代的到來，電子工業得到了迅猛的發展，計算機、移動電話等產品的迅速普及，使電子產業成為了最引人注目和最具發展潛力的產業之一。電子產業的興旺也帶動了與之密切相關的電子制造業的發展，作為電子制造過程中的一大關鍵環節，電子封裝的重要性也日益顯著。而釬焊成為了確保電子封裝元器件間導電互連的理想技術。焊料作為一種連接材料，在電子封裝過程中擔負著實現機械連接、電器連接和熱交換等功能的任務。
[0003]Sn-Pb焊料合金以其低廉的成本、良好的導電性能和優良的釬焊工藝性能，長期以來被廣泛用于元器件封裝及印刷電路板組裝中，從而成為了電子封裝工藝中非常重要的釬焊材料。然而，Pb是一種有毒物質，對人體健康的威脅非常大。Pb和Pb的化合物已被美國環境保護署(EPA)列入17種對人體和環境危害最大的化學物質之一。在21世紀，新的綠色焊料——無鉛焊料必將成為電子制造業所使用的主流焊接材料
[0004]由于Sn具有合適的導電導熱性、合適的潤濕性、易與其它元素形成合金、成本低廉、資源豐富等優點，且它基本符合金屬學、環境學和經濟學等領域的相關標準，因此，國際上一致公認將無鉛焊料定義為以Sn為基底，向其中添加其他金屬組元的合金。也就是說，目前所開發的無鉛焊料絕大部分都是Sn基合金,通過向其中添加In、B1、Zn、Ag、Cu、Sb和Mg等元素來改善純Sn金屬的性能，以達到無鉛焊料的使用要求。
[0005]目前主要應用的無鉛焊料合金系統有:Sn-B1、Sn-Ag、Sn_In、Sn-Zn, Sn-Cu, Sn-Sb等二兀合金；Sn_Ag-B1、Sn-Ag-Cu> Sn-Zn-Bi> Sn-Zn-Ag> Sn-1n-Bi> Sn-Zn-1n 等三兀合金，還有少數由四元或五元金屬元素構成的合金。相比之下，由于Sn-Ag-Cu(SAC)焊料在原有性能較好的Sn-Ag焊料基礎上加入了 Cu組元，在保證其良好機械性能的前提下，使熔點得到了適當的降低，同時還減少了焊料對互連線或基板中Cu元素的溶蝕，因此逐漸發展成為國際標準的無鉛焊料。
[0006]目前無論是美國推薦使用的SAC3906，歐盟推薦的SAC3807，還是日本推薦SAC305無鉛焊料合金，市場上現有的Sn-Ag-Cu焊料含Ag量較高,都在3.0wt.%以上,而Ag的價格昂貴，而Ag的成本在焊料中占40%?50%,國際市場Ag價的波動性也越來越大,這使得高銀的Sn-Ag-Cu焊料價格可以達到傳統Sn-Pb焊料的2_3倍。但是當焊料合金Ag元素的含量降低后，其熔點變高，潤濕性變差，焊接接頭可靠性降低，焊接界面MC太厚導致的接頭壽命下降等。

【發明內容】
[0007]針對上述提到的問題，本發明所要解決的技術問題是是開發一種用于電子元器件和線路板焊接等微電子領域的，具有很好潤濕性能和抗剪切性能的低銀系無鉛焊料。本發明的特點是將納米Ni顆粒和納米Fe2O3顆粒的添加到低銀系錫基無鉛焊料中。
[0008]本發明的目的是通過下述技術方案實現的。
[0009]一種納米Ni顆粒和納米Fe2O3顆粒添加的低銀系無鉛焊料，其特征在于:錫基焊料含銀量僅0.3-0.7 (wt.% ) ;Cu含量為0.5-1.0(wt.% );添加的納米Ni顆粒粒徑為20—70nm，其含量為0.025—0.2 (wt.% );添加的納米Fe2O3顆粒粒徑為l—40nm，其含量為
0.2—1.0(wt.% )，其余為 Sn。
[0010]其中納米Ni顆粒的添加使其在焊接的過程中成為金屬間化合物形核的異質核心，促進焊料與Cu基板的潤濕，從而改善焊接性能；并且在器件長期服役的過程中，納米Ni顆粒的存在，有效的抑制了 Cu的擴散，抑制了 Cu3Sn的生長，提高焊接接頭的強度；添加的納米Fe2O3顆粒主要存在于焊料當中，起到彌散強化的作用，提高了焊接接頭中焊料部分的抗剪切性能。
[0011]作為優選，在上述無鉛焊料合金中，所述的無鉛焊料合金含有以下成分的重量百分比為:
[0012]Ag:0.4-0.7 % ；Cu:0.6% —0.8% ;納米 Ni 顆粒:0.1—0.2% ;納米 Fe2O3 顆粒:
0.2—1.0% ;其余為 Sn。
[0013]作為優選，在上述無鉛焊料合金中，所述的無鉛焊料合金含有以下成分的重量百分比為:
[0014]Ag:0.4-0.7 % ；Cu:0.6% —0.8% ;納米 Ni 顆粒:0.1—0.2% ;納米 Fe2O3 顆粒:
0.3—0.6% ;其余為 Sn。
[0015]作為優選，在上述無鉛焊料合金中，所述的無鉛焊料合金含有以下成分的重量百分比為:
[0016]Ag:0.5% ；Cu:0.7% ;納米 Ni 顆粒:0.1—0.2% ;納米 Fe2O3 顆粒:0.3—0.6% ;其余為Sn。
[0017]作為優選，在上述無鉛焊料合金中，所述的無鉛焊料合金含有以下成分的重量百分比為:
[0018]Ag:0.5% ；Cu:0.7% ;納米 Ni 顆粒:0.2% ;納米 Fe2O3 顆粒:0.3—0.6% ;其余為Sn。
[0019]作為優選，在上述無鉛焊料合金中，所述的無鉛焊料合金含有以下成分的重量百分比為:
[0020]Ag:0.5% ；Cu:0.7% ;納米 Ni 顆粒:0.2% ;納米 Fe2O3 顆粒:0.4% ;其余為 Sn。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1本發明焊料與Cu基板經回流老化形成的界面金屬間化合物截面圖；
[0022]圖2本發明焊料(其中各成分重量百分數:Ag:0.5% ；Cu:0.7% ;納米Ni顆粒:X% ;納米Fe2O3顆粒:0.4% ;其余為Sn)與Cu基板經回流老化形成的界面金屬間化合物厚度統計圖。【具體實施方式】
[0023]下面結合實施例對本發明進行詳細描述，但本發明并不限于這些實施例。
[0024]實施例1
[0025]1.焊料制備
[0026]所制備焊料中Sn球、Ag粉、Cu粉、納米Ni顆粒和納米Fe2O3顆粒相關參數如表所示。
【權利要求】
1.一種添加了納米Ni顆粒和納米Fe2O3顆粒的低銀系無鉛焊料，具有良好的潤濕力和抗剪切性能，其特征在于在低銀系錫基無鉛焊料中添加納米Ni顆粒和納米Fe2O3顆粒，該焊料的組成以質量百分比計為:
Ag:0.3-0.7 % ；Cu:0.5-1.0 % ;納米 Ni 顆粒:0.025—0.2% ;納米 Fe2O3 顆粒:0.2—1.0%，其余為Sn， 其中納米Ni顆粒粒徑為20—70nm,納米Fe2O3顆粒粒徑為I—40nm。
2.根據權利要求1所述具有良好的潤濕力和抗剪切性能無鉛焊料合金，其特征在于該無鉛焊料合金含有以下成分的重量百分比為: Ag:0.4-0.7% ；Cu:0.6%—0.8% ;納米 Ni 顆粒:0.1—0.2% ;納米 Fe2O3 顆粒:0.2—1.0% ;其余為Sn。
3.根據權利要求2所述具有良好的潤濕力和抗剪切性能無鉛焊料合金，其特征在于該無鉛焊料合金含有以下成分的重量百分比為: Ag:0.4-0.7% ；Cu:0.6%—0.8% ;納米 Ni 顆粒:0.1—0.2% ;納米 Fe2O3 顆粒:0.3—0.6% ;其余為 Sn。
4.根據權利要求3所述具有良好的潤濕力和抗剪切性能無鉛焊料合金，其特征在于該無鉛焊料合金含有以下成分的重量百分比為: Ag:0.5% ；Cu:0.7% ;納米 Ni 顆粒:0.1—0.2% ;納米 Fe2O3 顆粒:0.3—0.6% ;其余為Sn。
5.根據權利要求4所述具有良好的潤濕力和抗剪切性能無鉛焊料合金，其特征在于該無鉛焊料合金含有以下成分的重量百分比為: Ag:0.5% ；Cu:0.7% ;納米 Ni 顆粒:0.2% ;納米 Fe2O3 顆粒:0.3—0.6% ;其余為 Sn。
6.根據權利要求5所述具有良好的潤濕力和抗剪切性能無鉛焊料合金，其特征在于該無鉛焊料合金含有以下成分的重量百分比為: Ag:0.5% ；Cu:0.7% ;納米 Ni 顆粒:0.2% ;納米 Fe2O3 顆粒:0.4% ;其余為 Sn。
【文檔編號】B23K35/30GK103978323SQ201410228913
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月27日 優先權日:2014年5月27日
【發明者】張雪超, 趙修臣 申請人:北京理工大學