一种无铅钎料的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种无铅钎料，按质量百分比由以下成分组成：0.1-2.0%Cu，0.01-1.0%Ni，0.1-1.5%Sb，0.01-1.0%P，0.01-1.0%RE，余量为Sn。采用上述方案，在Sn-Cu-Ni无铅钎料中复合添加Sb、P和混合稀土元素RE（Pr、Nd），通过三者之间有机结合的协同作用，抑制焊点界面IMC在服役过程中的过度生长，提高焊点组织稳定性，有效保障焊点长期服役可靠性。
【专利说明】一种无铅钎料
【技术领域】
[0001]本发明属于焊接【技术领域】，尤其涉及的是一种无铅钎料，适用于微电子封装与组装以及SMT表面贴装等电子制造行业。
【背景技术】
[0002]随着RoHS(The Restriction of the Use of Certain Hazardous Substance inElectrical and Electronic Equipment)指令的生效,传统Sn-Pb钎料的替代问题一直是电子行业技术人员研究的热点。
[0003]目前具有代表性的无铅钎料主要有Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Zn以及Sn-Ag-Cu、Sn-Cu-Ni等二元或三元合金系，虽各有所长，但是和Sn-Pb钎料相比，在钎料成本、钎料熔点及综合钎焊性能方面仍有一定的差距。例如，Sn-Zn钎料的熔点与Sn-Pb钎料最为接近，但由于Zn的极易氧化使其润湿性能大打折扣；Sn-Ag和Sn-Ag-Cu钎料，虽其润湿和力学性能较好，但高昂的成本在很大程度上限制了其广泛应用；相比之下，Sn-Cu钎料具有明显的成本优势，但其较差的润湿性以及对Cu基板的溶蚀所导致的焊点服役可靠性问题依然限制了其大规模应用。研究发现，在Sn-Cu钎料中添加适量的Ni元素可在一定程度上改善钎料的润湿性，同时由于Ni与Cu互溶,可抑制焊接过程中Cu与Sn的过度反应,减小钎料对Cu基板的溶蚀，并能细化钎料显微组织，提高其塑性。Sn-Cu-Ni钎料由于具有较好的综合性能，价格适中，在波峰焊上已经开始应用。
[0004]但是，在使用过程中发现，随着服役时间的延长，Sn-Cu-Ni钎料焊点的界面金属间化合物(MO层有明显的生长和增厚趋势。在钎焊过程中，熔融钎料会与Cu、Ni等焊盘发生反应生成界面MC层，从而形成有效的冶金结合，保证焊点有一定的强度。但在后期服役过程中，比如热循环或高温存储等类似环境条件下，这种界面MC层会生长并逐渐变厚，由于MC本身呈脆性，界面MC层变厚势必会恶化焊点强度，降低焊点在服役过程中的可靠性，因此需要通过抑制界面IMC层的过度生长来间接的保障焊点强度及其服役可靠性。鉴于Sn-Cu-Ni钎料所存在的这个问题，仍需对其进行进一步的研究和改进。本项发明“一种无铅钎料”，即是在这种技术背景下完成的。
[0005]近年来，国内外主要是通过向无铅钎料中添加微量合金元素改变其成分和组织的方法，来改善无铅钎料的性能。例如，日本Nihon Superior株式会社通过添加微量Ge元素，得到了商品名为SN100C的Sn-Cu-Ni无铅钎料，并在包括日本、美国与中国在内的24个国家与地区获得了此项专利；国内在Sn-Cu-Ni钎料的基础上也相继开发了 “含铈的无铅钎料”(中国发明专利，CN1792539)、“一种抗溶铜锡铜无铅钎料合金”(中国发明专利，CN102554490A)、“含 V、Nd 和 Ge 的 Sn-Cu-Ni 无铅钎料”(中国发明专利，CN101885119A)、Sn-(0.8-3.0wt.%) Cu-(0.01-1.6wt.%)N1-(0.005-0.2wt.%) Pb-(0.001-0.lwt.%) Ce (中国发明专利，ZL200510022563.1)以及中国发明专利CN101224524A、中国发明专利CN1721123A和中国发明专利CN101862921A等多种“多元合金体系”的Sn-Cu-Ni钎料，微量元素的添加改善了 Sn-Cu-Ni钎料合金的某些性能，但它们对于焊点界面MC的生长以及钎焊接头的服役可靠性问题并未有过多涉及，仍需进一步研究来完善和补充。
[0006]现有技术的普遍缺点是只注重钎料润湿性及焊点力学性能等性能的研究，而忽略了钎料焊点在实际服役过程中的可靠性问题，焊点界面MC层的过度生长对焊点可靠性的保持是极为不利的，而现有技术对焊点界面MC的生长的抑制作用并不明显。同时稀土元素的添加虽然可在一定程度上抑制焊点界面MC的过度生长，但其作为表面活性元素，很容易氧化，从而影响其活性作用的发挥。
[0007]因此，现有技术存在缺陷，需要进一步改进。
【发明内容】
[0008]本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种无铅钎料。
[0009]本发明的技术方案如下：
[0010]一种无铅钎料，其中，按质量百分比由以下成分组成：0. 1-2. 0%Cu,0. 01-1.0%Ni,
O.1-1. 5%Sb，0. 01-1. 0%Ρ，0· 01-1. 0%RE，余量为 Sn。
[0011]所述的无铅钎料，其中，按质量百分比由以下成分组成：0. l%Cu, I. 0%Ni, I. 5%Sb,
0.01%P, O. 01%RE，余量为 Sn。
[0012]所述的无铅钎料，其中，按质量百分比由以下成分组成：2. 0%Cu，0. 01%Ni,0. l%Sb，
1.0%P, I. 0%RE，余量为 Sn。
[0013]所述的无铅钎料，其中，按质量百分比由以下成分组成：0. 7%Cu，0. 05%Ni,0. 7%Sb，
O.5%P,0. 5%RE，余量为 Sn。
[0014]所述的无铅钎料，其中，按质量百分比由以下成分组成：1. 0%Cu, O. 5%Ni，I. 0%Sb,
O.2%P，0. 3%RE，余量为 Sn。
[0015]所述的无铅钎料，其中，按质量百分比由以下成分组成：1. 5%Cu，0. 3%Ni，l. 2%Sb，
O.05%P,0. 08%RE，余量为 Sn。
[0016]采用上述方案，在Sn-Cu-Ni无铅钎料中复合添加Sb、P和混合稀土元素RE (Pr、Nd)，通过三者之间有机结合的协同作用，抑制焊点界面MC在服役过程中的过度生长，提高焊点组织稳定性，有效保障焊点长期服役可靠性；同时，本发明成本适中，可加工性能好。
【具体实施方式】
[0017]以下对本发明进行详细说明。
[0018]本发明是通过添加Sb、P和混合稀土 RE (Pr、Nd)来有效抑制焊点界面MC在服役过程中的过度生长，同时通过P元素的集肤效应，有效阻止焊料合金的氧化，确保稀土元素变质和活性作用的充分发挥，提供一种润湿性等综合钎焊性能良好，具有一定抗氧化性，有效保障焊点在服役期间组织稳定性及可靠性的Sn-Cu-Ni-Sb-P-RE无铅钎料。
[0019]根据本发明的“一种无铅钎料”的质量配比，叙述本发明的【具体实施方式】。
[0020]实施例一
[0021]一种无铅钎料，按质量百分数配比，其成分为：0. l%Cu, I. 0%Ni, I. 5%Sb,0. 01%P,
0.01%RE，余量为 Sn。
[0022]上述成分配比得到的含Sb、P和混合稀土 RE (Pr、Nd)的Sn-Cu-Ni无铅钎料固相线温度229.6°C，液相线温度236.8°C ;在紫铜板上具有优良的润湿性能，最大润湿力为
3.5mN，最小润湿时间为0.52s ；QFP引脚拉伸力为29N，片式电阻剪切力为65N。
[0023]由表1可知，在125°C恒温时效1000h后，添加了 Sb、P和混合稀土 RE (Pr,Nd)的Sn-Cu-Ni无铅钎料比未添加Sb、P和混合稀土 RE (Pr、Nd)的无铅钎料焊点界面MC层平均厚度减小21%左右。
[0024]表1两种钎料焊点界面IMC层厚度d在不同时效时间下的变化(单位:μ m)
[0025]
【权利要求】
1.一种无铅钎料，其特征在于，按质量百分比由以下成分组成：0. 1-2. 0%Cu,.O.01-1. 0%Ni,0. 1-1. 5%Sb，0. 01-1. 0%Ρ，0· 01-1. 0%RE，余量为 Sn。
2.如权利要求I所述的无铅钎料，其特征在于，按质量百分比由以下成分组成：.O.l%Cu, I. 0%Ni, I. 5%Sb,0. 01%Ρ，0· 01%RE，余量为 Sn。
3.如权利要求I所述的无铅钎料，其特征在于，按质量百分比由以下成分组成：.2.0%Cu,0. 01%Ni,0. l%Sb, I. 0%P, I. 0%RE，余量为 Sn。
4.如权利要求I所述的无铅钎料，其特征在于，按质量百分比由以下成分组成：.0.7%Cu,0. 05%Ni,0. 7%Sb,0. 5%Ρ，0· 5%RE，余量为 Sn。
5.如权利要求I所述的无铅钎料，其特征在于，按质量百分比由以下成分组成：.1.0%Cu,0. 5%Ni, I. 0%Sb,0. 2%Ρ，0· 3%RE，余量为 Sn。
6.如权利要求I所述的无铅钎料，其特征在于，按质量百分比由以下成分组成：.1. 5%Cu,0. 3%Ni, I. 2%Sb,0. 05%Ρ，0· 08%RE，余量为 Sn。
【文档编号】B23K35/24GK103753047SQ201310590406
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年11月20日 优先权日:2013年11月20日
【发明者】罗家栋, 路波, 李春灵, 张超, 曹乾涛 申请人:中国电子科技集团公司第四十一研究所