[發明專利]一種五元包共晶高韌性低溫錫鉍系焊料及其制備方法

在審

• 申請號: 202211227556.5
• 申請日: 2022-10-09
• 公開（公告）號: CN115647644A
• 公開（公告）日: 2023-01-31
• 發明（設計）人: 劉晨;蔡珊珊;彭巨擘
• 申請（專利權）人: 云南錫業集團（控股）有限責任公司研發中心
• 主分類號: B23K35/26
• 分類號: B23K35/26;B23K35/40;C22C12/00;C22C1/03
• 代理公司: 昆明大百科專利事務所 53106
• 代理人: 李云

一種五元包共晶高韌性低溫錫鉍系焊料及其制備方法，所述五元包共晶高韌性錫鉍系焊料的各成分質量百分比為：In 0.431％、Cu 0.019％、Sb 0.602％、Bi 56.86％，其余為Sn和不可避免的雜質。本發明通過熱力學計算輔助合金成分設計，獲得具有高韌性的五元包共晶錫鉍系焊料，該焊料具有優異的力學性能，適用于微電子和光伏封裝的低溫焊接領域。

技術領域

本發明涉及一種熔化溫度與Sn58Bi共晶溫度接近的五元包共晶高韌性低溫錫鉍系焊料及其制備方法，屬于微電子互聯和光伏焊帶焊接用材料技術領域。

背景技術

隨著高密度電子信息設備和光伏組件需求的逐漸提升，帶動了微電子和光伏用低溫焊料的快速發展。目前微電子和光伏領域普遍使用的是Sn-Ag-Cu系和Sn-Pb系合金，因Sn-Ag-Cu系合金熔點較高，熱輸入較大，易造成基板的焊后彎曲變形等問題。加之國內外日益嚴格的環保要求，呈現無鉛合金逐步替代Sn-Pb合金的趨勢。而錫鉍系合金具有較低的焊接溫度，良好的潤濕性能，較高的抗拉強度和較低的合金成本。因此，無鉛低溫錫鉍系合金將成為微電子互連和光伏封裝用低溫焊料的發展趨勢。

錫基焊料合金是以焊點的形式應用于微電子互連和光伏封裝領域。而焊點在服役條件下存在的可靠性問題及微合金化的解決方法大致如下：(1)焊點長期處于熱循環和時效的服役過程條件下，焊料和覆銅板之間的界面處金屬間化合物(IMC)層逐漸增厚，導致焊點可靠性能逐漸下降。根據之前的研究(Belyakov S A,Nishimura T,Akaiwa T,etal.Role of Bi,Sb and In in microstructure formation and properties of Sn-0.7Cu-0.05Ni-X BGA interconnections[C]//2019International Conference onElectronics Packaging(ICEP).2019.)，添加Ni，Sb，In等元素可降低時效過程中IMC的長大速率，從而抑制IMC層增厚，提高焊點可靠性；(2)在焊料與基板焊接過程和焊點服役過程中，基板的Cu元素會通過界面向焊料內部擴散，界面IMC層增厚，導致焊點可靠性能降低，為減少基板Cu元素向界面擴散，通常會在焊料合金中添加微量Cu元素，降低濃度梯度，減少基板Cu元素的溶解。千住金屬工業株式會社的專利CN 111182999A提到含有Cu的焊料合金可抑制基板的Cu原子向界面及焊料內部擴散，從而降低Cu元素的溶解度；(3)除此之外，焊點內部的Bi元素會逐漸向界面處偏聚，因Bi相較脆，焊點可能在富含Bi相的界面處失效，而添加微量Ag元素可抑制Bi元素在界面處的偏聚(Zhang Q K,Zou H F,Zhang Z F.Influencesof Substrate Alloying and Reflow Temperature on Bi Segregation Behaviors atSn-Bi/Cu Interface[J].Journal of Electronic Materials,2011,40(11):2320-2328.)，提高焊點可靠性能。綜上所述，為獲得可靠性能優異的焊點，焊料合金需要進行多元微合金化處理(CN106216872B)，其中添加的元素種類和含量會顯著影響合金化效果。在錫合金微合金化過程中，添加合金元素有Cu、Ag、Sb、In等元素，其中除了Sb和In固溶在基體，其余元素主要與錫基體形成IMC的形式存在，IMC數量過多導致合金力學性能損傷，例如加Ag，強度稍微增加，塑性下降較多，損傷韌性(Yang T,Zhao X,Xiong Z,etal.Improvement of microstructure and tensile properties of Sn–Bi–Ag alloy byheterogeneous nucleation ofβ-Sn on Ag₃Sn[J].Materials Science andEngineering:A,2020,785.)。因此，設計和制備多元微合金化焊料是提高焊點可靠性能的關鍵。