[發明專利]一種制備SnAgCu無鉛焊料的方法

無效

• 申請號: 201110267897.0
• 申請日: 2011-09-09
• 公開（公告）號: CN102328157A
• 公開（公告）日: 2012-01-25
• 發明（設計）人: 祖方遒;劉永馳;李小蘊;李先芬;席赟;黃中月
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: B23K35/40
• 分類號: B23K35/40;B23K35/26
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 何梅生

一、技術領域

本發明涉及一種無鉛焊料的制備方法，具體地說是一種SnAgCu系三元合金無鉛焊料的制備方法。

二、背景技術

錫-鉛(Sn-Pb)金屬焊料(焊條、焊絲、焊膏等)由于各項性能優越，加之其工藝性能好及成本低廉，一直在各國得到廣泛應用，如各種電子(電腦、顯示器、彩電、手機等)、電器及儀器產品，微電子封裝，印制電路板(PCB)的組裝，包括插裝(THT)和表面安裝(SMT)。然而，由于含鉛等有害物的電子垃圾對人類有巨大危害，鉛中毒可誘發白血病、腎病、心臟病、精神異常等疾病，因此，禁用鉛已成為全人類的共識。歐盟WEEE與RoHS指令(電氣、電子產品中禁用Pb等6種有害物質)于2006年7月1日正式實施。我國信息產業部也通過了相關管理方法，規定自2006年7月1日起列入電子信息產品污染重點防治目錄的電子信息產品中不能含鉛等有害物。自1998年，日本HITACHI，PANASONIC，SONY，TOSHIBA，FUJITSU等電子公司積極推行無鉛化，目前產品已分別完全或部分達到無鉛。美國雖未通過立法來推行無鉛焊，但因受到日、歐競爭壓力，美國各大公司也在積極尋求無鉛焊的解決方案。焊料的“無鉛化”已成為一種必然趨勢。

近年來，國內外在無鉛焊料材質本身及相關工藝與設備方面做了大量研究與調整。無鉛焊料通常以Sn為基礎，添加Ag、Cu、Bi、Zn、In等第2金屬元素組成合金，并通過微量添加第3第4種元素來調整其力學性能(強度、韌性、抗疲勞性等)、物理化學性能(導電性、導熱性、抗氧化性、抗腐蝕性等)和工藝性能(潤濕性、流動性、熔點、熔化溫度范圍等)。根據使用溫度，無鉛焊料主要可分為三類：高溫Sn-Ag(Cu)系；中溫Sn-Zn系；低溫Sn-Bi系。

Sn-Ag-Cu系焊料是在Sn-Ag焊料的基礎上加入Cu而成，由于具有熔點低、潤濕性相對較高和綜合性能優良等優點，被公認為是目前綜合性能最佳、應用最廣的無鉛焊料合金。當前使用的Sn-Ag-Cu系主要有日本千住和美國愛華州立大學所持有的Sn3.0Ag0.5Cu(合金組分中Ag的添加量為原料總質量的3％，Cu的添加量為原料總質量的0.5％，余量為Sn；下文中合金組分的表述按照此方法類推)和Sn3.8Ag0.7Cu專利產品和在其基礎上發展的四元合金焊料Sn-Ag-Cu-Sb、Sn-Ag-Cu-Bi(USP4879096和CAP1299471)、Sn-Ag-Cu-Ni(USP4758407)和NCMS推薦使用的Sn-Ag-Cu-Zn。Sn-Ag-Cu三元共晶合金，成分越接近共晶點(目前確切共晶點仍然模糊，只能提供近共晶區，其熔化溫度是217-221℃)，其熔點就越低，且其熔化區間(即液固兩相區)也越窄。雖然添加低熔點組元(Bi、In等)可以降低合金的熔點，但其熔化區間要增大，對焊縫可靠性不利。而添加其他組元雖然可以改善其他方面的性能，但又增加熔煉制備生產的難度。況且Sn-Ag-Cu焊料的力學性能本來就比Sn-Pb焊料優越，需要關注的當是焊料的潤濕性以及組裝溫度窗口(降低熔點，或減小熔化區間寬度以降低回流峰值溫度)問題。

Sn-Ag-Cu焊料在銅板上鋪展過程中反應潤濕起主導作用，焊料熔化開始時，液態Sn原子沿基板表面迅速擴散，且與基板上Cu反應結合率先在熔滴鋪展前沿形成一薄層反應物薄膜(IMC)，文獻上稱之為先驅膜(precursor?film)，焊料熔滴實際上是在先驅膜上鋪展，而鋪展過程中基板的Cu原子通過反應薄層向焊料熔滴中擴散，同時熔滴中的Sn-Cu類固團簇向薄層附著促進反應層形核增長大。這樣，熔滴中熔體結構對焊縫反應層生長情況影響顯著，常規熔煉制備方法的焊料熔滴中的團簇尺寸較大，尤其是Sn-Cu類固團簇向基板附著有利于金屬間化合物Cu₆Sn₅形核長大，而且反應物生長界面顯得粗糙，更加促進反應層增厚；同時熔滴中因團簇尺寸較大而粘度較大，不利于在粗糙的反應物界面上流動鋪展。總之，常規方法制備的焊料一方面鋪展潤濕性能有待進一步提高，另一方面其焊縫反應層偏厚，與焊料的界面也相對粗糙，組織缺陷容易產生，對焊縫可靠性不利。

總之，焊料及其形成接頭的可靠性、焊接或印刷作業的工藝性能，屬無鉛焊料的關鍵范疇。而無鉛焊料及其接頭的凝固組織決定著強度、韌性、抗疲勞性等可靠性參數，施焊過程中焊料對基料的鋪展、潤濕性也是焊料作業工藝性能的重要因素之一。