一種含Nd、Re、In的Sn-Ag-Cu低銀無鉛釬料的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及釬料技術領域，尤其涉及一種含Nd、Re、In的Sn-Ag-Cu低銀無鉛釬料。
【背景技術】
[0002] 隨著微電子產品的特征尺寸不斷縮小，使得1C的集成密度和集成復雜度持續增 加，芯片的I/O引腳數量增多、I/O引腳密度不斷升高，推動了細間距焊點及高密度封裝技 術，如球柵陣列封裝、芯片尺度封裝、倒粧芯片封裝、晶圓級封裝和3D封裝技術的發展。高 密度封裝技術的顯著特點是互連焊點的特征尺寸逐漸縮小，導致釬料合金體積與金屬焊盤 的界面面積比例急劇減小，互連焊點界面MC生長加快，成為影響微電子產品可靠性的關 鍵問題。
[0003] 目前，無鉛釬料的研究主要集中在Sn-Ag-Cu、Sn-Zn、Sn-Cu及Sn-Ag系等，其中最 具競爭力的是Sn-Ag-Cu系無鉛釬料。Sn-Ag-Cu系無鉛釬料的三元共晶熔點約217°C，具有 良好的可焊性、潤濕性及抗熱疲勞等優點。與傳統的Sn-Pb共晶釬料相比，Sn-Ag-Cu系無 鉛釬料具有更好的力學性能和良好的可焊性，而且Sn、Ag、Cu都是電子封裝行業中使用最 為普遍的元素。
[0004] 低銀Sn-Ag-Cu系無鉛釬料已經成為當前無鉛釬料的主流，但是，現有Sn-Ag-Cu系 釬料，由于Ag含量較高而使釬料成本較高。同時，Ag含量的減少會對無鉛釬料性能產生許 多不良影響，如熔點升高、潤濕性變差等，并且容易形成粗大的脆性Ag3Sn相，造成焊接接頭 可靠性降低和壽命下降。
[0005] 發明人通過前期研究表明，將微米級元素Sb、Bi和LaB6等摻入Sn-Ag-Cu釬料中 能增加IMC生長的激活能，降低原子互擴散率，從而抑制釬料與金屬基體間頂C的生長，增 強釬料的力學性能。但是通過此改良得到的釬料性能仍然存在不足，不能滿足實際需要。因 此本發明研究開發通過加入多種元素的協同作用，以獲得熔點、潤濕性、拉伸性能、剪切性 能和熱疲勞性優異的低銀Sn-Ag-Cu無鉛釬料合金。

【發明內容】

[0006] 有鑒于此，本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種釬料性能良好、焊點 力學性能及熱疲勞性能優異的含Nd、Re、In的Sn-Ag-Cu低銀無鉛釬料。
[0007] 為了解決上述技術問題，本發明采用如下方案實現： 一種含Nd、Re、In的Sn-Ag-Cu低銀無鉛釬料，在Sn-Ag-Cu釬料中摻雜Nd、Re和In。
[0008] 微量高熔點元素Re可均勻地分布在熔融的復合焊料中，這為Cu6Sn5成核提供了成 核點，將會有更多的核通過能皇而穩定生長，因此添加微量元素Re可以增加Cu6Sn5的成核 速率和減小頂C晶粒的尺寸，細化基體組織，提高Sn-Ag-Cu低銀無鉛釬料力學性能。添加 了Re使得釬料力學性能有所提高，但是其潤濕性并沒有顯著改善，發明人發現，在Re存在 的前提下，通過添加稀土元素Nd，能顯著提高釬料的潤濕性，除此之外，稀土元素Nd被金屬 間化合物晶界吸收，這種吸收改變了晶界沿不同方向生長的速度，導致晶粒更加細小和均 勻，增強了焊點服役過程中組織熱穩定性。通過Re和Nd的作用使得釬料具有比Sn-Ag-Cu更為優異的性能，但是Re和Nd的摻雜并沒有降低釬料的熔點，甚至出現略有升高，發明人 通過研究發現，在Re和Nd存在的前提下，微量低熔點元素In的加入能降低釬料的熔點，此 外，會使得釬料結晶方式發生變化，原來的平面生長方式變成了包狀樹枝晶生長，且二次枝 晶增多，最終使得枝晶間距減小，晶粒細化，更為有利于服役過程中焊點力學性能的保持。
[0009] 優選地，Re含量為 0· 001~0· 25wt. %，Nd含量為 0· 001~0·lwt. %，In含量為 0· 001 ~0· 2wt. %〇
[0010] 進一步優選地，Re含量為(λ06~0· 12wt. %，Nd含量為(λ05~0·lwt. %，In含量為 0· 1 ~0· 2wt. %〇
[0011] 通過對Nd、Re和In的優化，得到了對母材潤濕性、鋪張性能良好；焊點力學性能、 蠕變性能以及熱疲勞性能優異的Sn-Ag-Cu系低銀無鉛復合釬料，并將其熔點控制在低于 或等于Sn-Ag-Cu三元合金227°C的210°C_227°C范圍內。
[0012] 優選地，Ag含量為 0· 1~LOwt.%，Cu含量為 0· 5~2.Owt. %。
[0013] 進一步優選地，Ag含量為 0· 2~0· 5wt. %，Cu含量為 0· 6~LOwt. %。
[0014] 優選地，Ag含量為0· 3wt.%，Cu含量為0· 7wt.%，Re含量為0·lwt.%，Nd含量為0· 1 wt.%，In含量為0. 2wt.%，余量為Sn。
[0015] 釬料的制備方法為將各原料在真空或氮氣保護下混合熔煉至所有原料融化，熔煉 的最高溫度以所有原料全部融化為準 釬料采用上述方法將錫錠、銀錠、電解銅、金屬Re、金屬Nd、金屬In進行混煉，溫度的控 制是為了防止釬料的化學組成或金相組織不均勻。通過擠壓、拉拔即得到絲材，采用制粉設 備可將其制成顆粒狀。
[0016] 與現有技術相比，本發明具有如下有益效果： 1. 經過大量的對比試驗，確定了具有優良性能的新的復合釬料合金體系，經過成分優 化試驗，分別確定了各元素的含量范圍。在本發明的Sn-Ag-Cu無鉛釬料合金體系中，通過 Nd、Re和In的協同作用，不僅具有顯著改變Sn-Ag-Cu系無鉛釬料的組織形態的作用，同時 能夠增強組織的熱穩定性及抗蠕變能力； 2. 通過Nd、Re和In微量元素的協同作用，能夠增加Cu6Sn5的成核速率和減小頂C晶 粒的尺寸，同時抑制界面脆性的Cu6Sn5金屬間化合物的生長，提高無鉛釬料力學性能。
【附圖說明】
[0017] 圖1為焊點結構示意圖； 圖2為未經時效不同Re含量的釬料焊點拉伸強度圖； 圖3為190°C時效720h不同Re含量的釬料焊點拉伸強度圖； 圖4為不同Re含量的釬料蠕變疲勞壽命圖； 圖5為Ag含量0. 3wt. %，Cu含量0. 7wt. %，余量為Sn的釬料金相顯微組織圖； 圖 6 為Nd含量 0. 06wt.%，In含量 0.lwt.%，Re含量 0.lwt.%，Ag含量 0. 3wt.%，Cu含 量0. 7wt. %，余量為Sn的釬料金相顯微組織圖； 圖 7 為Nd含量 0· 1wt.%，In含量 0· 2wt.%，Re含量 0·lwt.%，Ag含量 0· 3wt.%，Cu含 量0. 7wt. %，余量為Sn的釬料金相顯微組織圖； 圖8為190°C時效720h下，Ag含量0. 3wt. %，Cu含量0. 7wt. %，余量為Sn的釬料焊點 界面顯微組織圖； 圖 9 為 190°C時效 720h下，Nd含量 0· 1wt. %;In含量 0· 2wt. %;Re含量 0·lwt. %;Ag含量0. 3wt. % ;Cu含量0. 7wt. % ;余量為Sn的釬料焊點界面顯微組織圖。
【具體實施方式】
[0018] 為了讓本領域的技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合附圖對本發明 作進一步闡述。
[0019] 實施例1 一種含Nd、Re、In的Sn-Ag-Cu低銀無鉛釬料，包括下述組分：Ag含量為0. 1wt.