[發明專利]一種納米增強鉍基無鉛高溫焊料及其制備方法

有效

• 申請號: 200910241948.5
• 申請日: 2009-12-17
• 公開（公告）號: CN101745752A
• 公開（公告）日: 2010-06-23
• 發明（設計）人: 徐駿;胡強;賀會軍;張富文
• 申請（專利權）人: 北京有色金屬研究總院;北京康普錫威焊料有限公司
• 主分類號: B23K35/28
• 分類號: B23K35/28;B23K35/40
• 代理公司: 北京北新智誠知識產權代理有限公司 11100
• 代理人: 耿小強

技術領域

本發明涉及一種納米增強鉍基無鉛高溫焊料及其制備方法，該焊料由金屬鉍粉 (或鉍和銻的混合粉/合金粉)和納米Ag粉通過化學復合而成，屬于無鉛焊料的制 造技術領域。

背景技術

重視環保、提倡綠色產品是當今世界經濟發展的大趨勢，電子產品的無鉛化就 是其中一項重大舉措。在中低溫含鉛焊料的無鉛化替代方面，經過近10年的研究 已經逐步得到了可靠性驗證，并已被廣泛應用，然而高鉛焊料[w(Pb)＞85％]至今卻 還沒有合適的替代品，在RoHS指令中也因此得到了暫時豁免。但根據指令計劃： 歐盟RoHS指令將逐步取消豁免項目，到2014年7月可能所有豁免將被解除，屆時 將實現電子組裝系統的全面無鉛化，高鉛焊料也將被替代，因此制備出性能良好的 可用于替代高鉛焊料的無鉛產品意義重大，目前對高溫無鉛焊料的研究主要集中在 80Au-Sn合金、Sn-Sb基合金、Zn-Al基合金及Bi基合金。

1、80Au-Sn焊料：Au-Sn共晶焊料的熔點為280℃，與高鉛焊料的熔點最相近， 兼容性好，與低熔點的無鉛共晶釬料相比(約217℃)，具有更大的穩定性和可靠性。 但是該焊料較脆，并且由于w(Au)為80％成本太高，因而主要用于光電子封裝、高 可靠性(如InP激光二極管)、大功率電子器件電路氣密封裝和芯片封裝中。

2、Sn-Sb合金：由于Sn-Sb[w(Sb)≤10％]合金熔化區間較窄(232～250℃)，并且 與現有焊料兼容性良好，因而作為高溫無鉛焊料的候選材料。但其熔點較低，特別 是焊料無鉛化以來由于現有無鉛焊料的熔點較Sn-Pb共晶合金的高(一般高 30-40℃)，封裝溫度會有所提升，導致多級組裝時后續回流或波峰焊溫度會超過其 熔點，進而影響封裝器件的可靠性，甚至造成產品報廢。

3、Zn-Al合金：Rettenmayr等和Shimizu等分別提出用Zn基合金來取代 95Pb-5Sn焊料實現芯片連接。但Zn基合金加工性差，且容易氧化而導致潤濕不良， 并且Zn基合金的較高活性也使得焊接可靠性以受到質疑，因此很大程度上限制了 該類合金的應用。

4、Bi基合金：Bi基合金由于熔點合適(270℃左右)、填充性能良好，被認為 是取代傳統高Pb焊料的無鉛候選焊料，如日本村田制作所公布的JP2001-205477 專利合金。Bi-Ag系焊料是研究得最多的Bi基合金，常溫下Bi和Ag的互溶度很 小，其共晶合金熔點為262.5℃，研究表明其延伸率比SnAg25Sb10(J合金，熔點 365℃)還好，增加Ag含量可提高Bi-Ag合金的強度，并可改善其合金的脆性，但 總體上比SnAg25Sb10合金小，并且增加了合金成本。

Bi基合金的缺陷除力學性能較差外，還表現在導電、導熱性能差。日本村田公 布的Bi基高溫無鉛焊料(美國專利號6,703,113)，在基體中添加不超過9.9wt％的 Ag或Cu、Zn，并添加大約0.1-3wt％的Sb或Sn、In、Cu、Zn、Ge、P等，該焊料 主要用其溫度熱阻性能，焊接玻璃等脆性基板?；裟犴f爾國際公司公布的Bi-Ag合 金焊料(CN1507499A、WO2002/097145)熱傳導率不低于9W/mK、1s后潤濕平衡 條件下對Ag的潤濕力達到0.2mN，并且通過添加Zn、Ni、Ge、P中的一種或幾種 元素達到了抗氧化目的，但該合金的脆性問題仍難解決，并且其導電導熱性因Ag 元素完全合金化而大打折扣。為改善Bi基高溫無鉛焊料的性能，日本東北大學 Takaku等通過氣體霧化法和熔體旋轉法來獲得Bi-Cu-X(X＝Sb、Sn和Zn)高溫無 鉛焊料的特殊組織形貌。特別的，日本千柱公布的Bi基高溫無鉛焊料(歐洲專利號 EP1952934A1)在Bi基體粉末中混合了第二、第三粒子，以及Yamada等在熔融的 Bi中添加了霧化法形成的CuAlMn顆粒來改善Bi合金的力學性能，均獲得了較好 的結果，但所混合的第二粒子或增強粒子的尺寸相比較大，因而對焊點性能改善仍 不大。