[發明專利]一種含硼錫基無鉛焊料及其制備方法

在審

• 申請號: 201210300094.5
• 申請日: 2012-08-22
• 公開（公告）號: CN103624415A
• 公開（公告）日: 2014-03-12
• 發明（設計）人: 徐駿;曲俊峰;胡強;賀會軍;張富文
• 申請（專利權）人: 北京有色金屬研究總院;北京康普錫威科技有限公司
• 主分類號: B23K35/26
• 分類號: B23K35/26;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: 劉徐紅

技術領域

本發明涉及一種含硼錫基無鉛焊料及其制備方法，屬于微電子行業電子組裝用無鉛焊料制造技術領域。

背景技術

現代電子器件的大規模集成化和微型化，為無鉛焊料研究的發展提供重要驅動力。電子器件中焊點的體積非常微小，其所承載的力學、電學和熱學負荷越來越重，對焊點的可靠性要求日益提高。

傳統的Sn-Cu系、Sn-Ag-Cu系無鉛焊料由于Sn含量高，使得Cu基體在熔融焊料中的溶解和擴散提高；增大了焊點和基體間界面上形成金屬間化合物的速率；而焊點的破壞主要是焊料基體與界面處富Cu的金屬間化合物脆性斷裂的結果；界面板層狀分布的粗大金屬間化合物脆性較大，會降低界面的力學完整性，使得界面弱化并引起焊點在金屬間化合物與焊料的邊界上損傷的萌生和最終破壞，焊料層內少量的Cu₆Sn₅體積百分比，就足以產生錫須的生長的壓應力，金屬間化合物越厚，越容易出現錫須風險。

另外，目前應用較多的Sn-Ag-Cu系無鉛焊料如SAC305（Sn-3.0Ag-0.5Cu），其含Ag量較高，在組織中存在板狀的Ag₃Sn金屬間化合物，對焊點的抗沖擊性能產生不利影響。

發明內容

本發明是在Sn-Cu及Sn-Ag-Cu無鉛焊料基礎上，通過添加B、Ni元素，提供了一種新的含硼錫基無鉛焊料。B元素的加入能明顯細化Ag₃Sn和焊錫組織，進而提高焊點的抗沖擊性；B元素的添加可增加晶界結合力，明顯能提高界面強度和反應層韌性。

一種含硼錫基無鉛焊料，該無鉛焊料的重量百分比（%）組成為：銅0.5%-2.5%，硼0.001%-0.5%，鎳0-1.0%，銀0-4.0%，其余為錫，各成分重量之和為100%。

優選的，銅為0.5%-2.0%，鎳為0-0.5%，銀0-4.0%。

進一步地，鎳可為0.001%-1.0%，優選0.001%-0.5%；銀可為0.1%-4.0%，優選0.1%-4.0%。

本發明還提供了上述含硼錫基無鉛焊料的制備方法。

一種含硼錫基無鉛焊料的制備方法，包括如下步驟：

①制備Sn-Cu-B中間合金；

②將已制成的Sn-Cu-B中間合金及Sn、Cu按所需合金配比在熔煉爐中熔化（Cu、B比例通過向焊料中添加Sn-10Cu中間合金調節），或按所需合金配比加入Sn、Cu、Ni和/或Ag（以純Sn、Sn-10Cu中間合金、Sn-5Ni中間合金、Sn-20Ag中間合金方式加入），在熔煉爐中熔化；加熱至250~400℃，保溫10~20min，除掉表面氧化渣，澆注于模具中制成Sn-Cu系或Sn-Ag-Cu系無鉛焊料錠坯。

步驟②所得錠坯直接作為焊料應用，或制成條帶、絲板或軋片使用。

步驟②所得錠坯在250~400℃熔化，制備成球形合金焊粉，用作焊膏基料。

其中，制備Sn-Cu-B中間合金，包括如下兩種方法：

（1）低硼含量的中間合金（硼元素質量含量0.01-1.0%）制備：將純度為99.99%的錫、銅、硼元素，質量比為89-94:5-10:0.01-1，在氬氣保護的真空熔煉爐中加熱到1100-1300℃熔化，同時加以電磁攪拌，以使合金成分均勻，然后快速冷卻，制備出Sn-Cu-B中間合金。此類中間合金主要用于生產B元素含量（質量百分比）不高于0.1%的無鉛焊料合金。

（2）高硼含量的中間合金（硼元素質量含量>1.0%）制備：將純度為99.99%的錫、銅、硼元素，質量比為85-89:5-10:1.0-5.0，放入球磨機內研磨，研磨均勻后，在氬氣保護的真空熔煉爐中加熱到1100-1300℃熔化，同時加以電磁攪拌，以使合金成分均勻，然后快速冷卻，制備出Sn-Cu-B中間合金；此類中間合金主要用于生產B元素含量（質量百分比）高于0.1%的無鉛焊料合金。

采用上述方案制備的新型無鉛焊料具有以下優點：

（1）微量B、Ni元素的加入可有效抑制基體中Cu向焊料擴散，得到薄而平坦的反應層，并在長時間的時效后，界面反應層厚度也無明顯的增加。可大大降低界面富Cu的金屬間化合物的脆性斷裂與錫須風險。

（2）其中組元B的加入，可提高界面強度和反應層韌性，增加晶界結合力。通過熱力學計算，B能升高晶界結合。B能促進晶界位錯源的開動，提高晶界協調滑移的能力，使位錯容易穿過晶界繼續滑移。這樣位錯就不容易在晶界塞積，同時也抑制了沿晶斷裂。