[發(fā)明專利]適用于高溫和振動環(huán)境的無鉛焊料合金組合物及其制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010078028.2
• 申請日: 2020-02-02
• 公開（公告）號: CN111482729A
• 公開（公告）日: 2020-08-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫興洛;白范圭;任松姬;金俊泰
• 申請（專利權(quán)）人: 慶東開發(fā)技術(shù)股份有限公司
• 主分類號: B23K35/24
• 分類號: B23K35/24
• 代理公司: 北京信慧永光知識產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司 11290
• 代理人: 洪俊梅;張淑珍

本公開涉及一種無鉛焊料合金組合物(其中，將納米尺寸陶瓷粉末添加劑添加到Sn?Cu?Bi、Sn?Ag?Bi或Sn?Ag?Cu?Bi的無鉛焊料合金中)以及用于制備所述無鉛焊料合金組合物的方法。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開涉及一種能夠代替常規(guī)無鉛焊料的通用無鉛焊料合金組合物以及用于制備所述無鉛焊料合金組合物的方法；更特別地，本公開涉及一種長期可靠的無鉛焊料合金組合物(所述無鉛焊料合金組合物適用于高溫和振動環(huán)境，具有優(yōu)異的潤濕性和低空隙系數(shù)，并且在工作溫度范圍內(nèi)展現(xiàn)出高抗疲勞性)、用于制備所述無鉛焊料合金組合物的方法以及包含所述無鉛焊料合金組合物的焊膏(solder paste)、焊料預(yù)制件(solderpreform)、焊球(solder ball)、焊絲(solder wire)和焊條(solder bar)。

背景技術(shù)

Sn-37Pb焊料是在傳統(tǒng)技術(shù)中已知的典型焊料合金，具有低熔點(diǎn)(熔點(diǎn)：183℃)和高機(jī)械性能，因此已經(jīng)普遍用于工業(yè)和家用電子產(chǎn)品以及汽車電子產(chǎn)品。然而，由于焊料的鉛(Pb)組分已被指定為引起環(huán)境污染的環(huán)境污染物并對人體有害，RoHS、WEEE等宣布限制使用鉛焊料，因而禁止在家用電器領(lǐng)域使用鉛焊料。此外，ELV條例已在歐洲實(shí)施，并且已經(jīng)進(jìn)行了各種無鉛焊料的開發(fā)來代替汽車電子產(chǎn)品中的鉛焊料。

特別地，已經(jīng)開發(fā)了各種無鉛焊料合金，如Sn-Cu基合金、Sn-Ag-Cu基合金、Sn-Bi基合金以及Sn-Zn基合金。在這些無鉛焊料合金中，具有Sn-0.1％至3.5％的Ag-0.5％至0.7％的Cu的組成的焊料(熔點(diǎn)：217℃)在潤濕性和強(qiáng)度之間具有良好平衡，因此已被廣泛使用。但是，與作為常規(guī)鉛焊料的Sn-37Pb焊料(熔點(diǎn)：183℃)相比，它的潤濕性和焊接性能不良，并且應(yīng)在其上施加250℃或更高的峰值溫度曲線以確保穩(wěn)定的焊接良率。此時(shí)，在250℃或更高的峰值溫度下，可能在焊點(diǎn)(solder joints)之間的界面處形成過多的金屬間化合物(IMC)層。特別地，常規(guī)鉛焊料(Sn-37Pb)由于由鉛(Pb)產(chǎn)生的良好韌性而具有良好的長期使用可靠性。然而，隨著將其轉(zhuǎn)化為無鉛焊料，剪切強(qiáng)度得以改善，但是出現(xiàn)了如下問題：由于取決于PCB板的高溫和振動環(huán)境的韌性不良而導(dǎo)致可靠性劣化。

在試圖解決該問題的過程中，韓國專利申請?zhí)?0-2014-0063662A和10-2017-0131280A提出了一種多組分合金焊料，除了Sn-Ag-Cu基焊料合金之外，該多組分合金焊料還包含Cu、Ag、Al、Au、Cr、In、Sb、Sc、Y、Zn、Ce、Co、Ge、Mn、Ni和Ti；并且，韓國專利號10-1142814提出了一種能夠確保優(yōu)異的可靠性的焊膏，該焊膏為具有減少的Ag含量(0.05wt％至2.0wt％)的無鉛焊料合金，其由Cu、Sb、Bi、In、Ge和Co以及作為余量的Sn組成。

該方法是一種通過借助多組分微合金化誘導(dǎo)沉淀強(qiáng)化(precipitationstrengthening)而獲得的沉淀強(qiáng)化結(jié)構(gòu)來提高強(qiáng)度從而改善性能的方法。但是，沉淀強(qiáng)化合金的缺點(diǎn)在于：強(qiáng)度隨溫度升高而迅速降低；以及，在長期使用期間，沉淀強(qiáng)化晶粒(grains)由于濃度差而消失或由于與基體反應(yīng)而粗化并引起裂紋。另外，這些合金的問題在于：潤濕性仍然比鉛焊料的潤濕性差，并且因此產(chǎn)生空隙。

發(fā)明內(nèi)容

已經(jīng)構(gòu)思了本公開來解決上述問題，本公開的一個(gè)目的是提供一種適用于高溫和振動環(huán)境的無鉛焊料合金組合物以及用于制備所述無鉛焊料合金組合物的方法，其中，將納米尺寸陶瓷粉末作為添加劑添加到無鉛焊料合金中，從而通過借助納米-彌散強(qiáng)化(nano-dispersion strengthening)的結(jié)構(gòu)細(xì)化來改善韌性，并降低隨溫度升高的強(qiáng)度降低速率。

本公開的另一個(gè)目的是提供一種無鉛焊料合金組合物以及用于制備所述無鉛焊料合金組合物的方法，其中，使用添加劑來抑制具有致命脆性(fatal brittleness)的金屬間化合物(IMC)的生長，從而減少裂紋產(chǎn)生以及提高合金組合物的粘合強(qiáng)度。