一种锡银合金焊料及其制备工艺的制作方法

文档序号:11426254阅读:1628来源:国知局
一种锡银合金焊料及其制备工艺的制造方法与工艺

本发明涉及一种锡合金焊料,特别涉及一种锡银合金焊料及其制备工艺。



背景技术:

焊料合金是由两种或两种以上的金属元素组成的具有一般金属特征的合金材料。目前,常用的焊料合金多为以锡作为主体,加入其他金属元素后形成的二元合金或者多元合金,因其具有优良的抗腐蚀性和可焊性,可作为电子器件、线材、印刷线路板和集成电路板的保护层和可焊性镀层而在电子工业中广泛应用。

传统的焊料合金多采用锡-铅合金,铅金属成本较低,润湿性较好,而且含铅37%的锡-铅合金熔点相对较低,183℃即可熔化,焊接温度低于230℃,因而锡-铅合金在过去焊接技术中得到广泛应用。近年来,随着人们对铅金属剧毒性认识的加深以及国内外关于禁用或者限用铅焊料的政策法规的出台,无铅焊料的开发和推广将成为发展趋势,其中锡-银合金焊料是研究时间最早、应用最广的无铅焊料之一。

在电子焊接技术中,焊料合金与被焊基材、芯片、镀层等整个被焊组件各部位的膨胀系数应该尽量匹配,若热膨胀系数相差过大,容易在焊接过程或者在产品使用过程中,在焊接界面产生较大的热应力,从而降低焊点的可靠性和使用寿命。热膨胀系数是物质在热胀冷缩效应作用下,几何特征随着温度的变化而发生变化的规律性系数。

目前使用的锡银合金中,锡铅合金和锡银合金的热膨胀系数分别为25和30,而铜的热膨胀系数为17,锡银合金与铜的热膨胀系数的差值大于锡铅合金与铜的热膨胀系数,当用锡银合金来取代锡铅合金时,产品经过长期的热胀冷缩,金属银容易破坏芯片的结构,造成短路,导致二极管的使用寿命缩短。



技术实现要素:

本发明的目的是提供一种锡银合金焊料及制备工艺,可以降低锡银合金的热膨胀系数,减少锡银合金与二极管被焊组件之间的热膨胀系数之间的差值,改善产品发生短路的情况,提高二极管使用寿命。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的:一种锡银合金焊料,包括以下重量份的原料:97份-99份的锡金属和重量分数占1份-3份的银金属,所形成的锡银合金焊料中,银金属的平均粒径小于50微米且均匀分布于锡金属。

通过上述技术方案,现有工艺生产的锡银合金焊料常常因银颗粒分布不均,且平均粒径大于50微米,造成银的热膨胀系数与芯片的热膨胀系数相差太大,当用于二极管时,产品经过长时间的热胀冷缩,银离子会破坏芯片的结构,造成短路,导致二极管的使用寿命缩短。本发明通过改良制备工艺将银金属的平均粒径降低至50微米以下,并且使银金属均匀分布于锡金属中,使得银的热膨胀系数降低,而降低银的热膨胀系数可以使锡银合金的热膨胀系数降低,从而减少锡银合金与二极管被焊组件之间的热膨胀系数之间的差值,改善产品发生短路的情况,提高二极管使用寿命;而且传统的锡银合金中含锡银的重量百分比为96.5:3.5或者96.1:3.9,形成的焊料熔点接近220℃,焊接温度接近390℃,过高的焊接温度会导致对元器件、印制板、加工设备中其他材料的耐温等级相应提高,不仅提高了成本而且某些材料温度升高后其机械性能会急剧降低,当锡银合金中银含量低于1%时锡银合金的屈服强度和拉伸强度降低,本发明中通过降低锡银合金中金属银的含量至1%-3%之间,不仅能够保证锡银合金焊料中具有较高的强度,而且能够降低锡银二元合金的熔点和焊接温度,提高焊料的可焊性,同时降低金属银的含量有利于减少较大颗粒的锡化银的形成,提高合金的抗疲劳寿命。

进一步的,还包括0.01份-0.1份的增润性金属,所述增润性金属为铋金属、镧金属、铕金属、钆金属或者铈金属中的一种或者两种。

通过上述技术方案,焊料合金的润湿性对焊料在被焊组件表面润湿、铺展以及对形成牢固可靠的焊接界面具有重要意义,而实际研究过程中,无铅焊料合金的润湿性大多不如锡铅合金,易产生空洞、移位等焊接缺陷,降低焊接质量,镧金属、铕金属、钆金属或者铈金属中均为稀土金属,具有较大的半径,和较强的亲氧性,通过加入0.01份-0.1份的镧金属或者铈金属,能够与氧气结合,减少焊料、被焊铜组件与氧气的接触,使得在焊料与被焊铜组之间形成氧化膜的几率大大降低,降低焊料与被焊铜组之间,因此,能够有效地改善锡银合金的润湿性,缩短润湿时间。铋金属不仅能够提高锡银合金的润湿铺展性,而且能够降低焊料的熔点和焊接温度,便于焊接。

进一步的,所述锡金属采用99.99的锡锭,所述银金属采用99.99的银锭。

通过上述技术方案,采用99.99纯度的锡锭和99.99纯度的银锭,可以形成表面光泽度亮的焊料,而且熔化后流动性好,可焊性良好。

本发明还公开了一种锡银合金焊料的制备方法,其特征是,包括以下步骤:

a.使用角磨机对银金属和锡金属的表面分别进行抛光研磨,使其脱去表面的氧化物;

b.将银金属和锡金属按上述配比加入真空熔炼炉中加热熔融,控制温度在350℃到440℃之间,空压机的压力不小于0.6mpa,并且在电磁搅拌的条件下使锡银液体混合均匀;

c.使用快速冷却装置使步骤b中得到的熔融状态的锡银合金液体在两分钟内迅速降温至120℃,形成锡银合金焊料。

通过上述技术方案,本发明将高温熔炼后呈熔融状态的锡银合金通过快速冷却装置在极短的时间内迅速降温,使得银快速结晶,可以有效地抑制银颗粒的增大,降低银颗粒的粒径,而且通过磁力搅拌使得银颗粒均匀分散到金属锡中,通过降低银颗粒的粒径并且提高银颗粒的分散均匀性能够降低银的热膨胀系数,低膨胀系数的银颗粒形成的锡银合金膨胀系数也较低,从而提高了电子元件的使用寿命。

进一步的,所述步骤b为首先加入20份到50份的锡金属和全部的银金属,反应时间20分钟到1小时,并且在电磁搅拌的条件下使锡银混合均匀,然后再加入剩余的锡金属。

通过上述技术方案,两次分批加入锡金属,能够提高锡金属与银金属混合均匀度,提高锡银合金焊料的抗疲劳特性。

进一步的,还包括配制无机钝化液:重铬酸钾:10g/l;碳酸钠:20g/l;混合均匀,然后将制备的焊料置于无机钝化液中浸泡1~2min进行钝化处理。

通过上述技术方案,钝化处理后,焊料的表面会形成一层钝化膜,阻隔氧气,降低焊料表面产生的孔隙,使焊料不易变色。

进一步的,还包括配制有机钝化液:质量分数为20%的咪唑与10%的添加剂混合均匀,然后将制备的焊料加入有机钝化液中浸泡1~2min。

通过上述技术方案,由于焊料经过钝化处理后,样品的润湿性能降低,而且钝化膜的熔点较高,在使用的过程中对锡金属和银金属产生阻隔作用,影响锡银金属的融化过程,导致锡银合金焊料的焊接性能降低,通过将钝化后的焊料浸泡入有机钝化液中,可以在金属表面产生有机保护膜,具有较低的熔点,低于200℃,焊接时,锡银合金焊料表面的有机保护膜,可以在高温下挥发,所以相较于有机钝化液来说,不会影响焊料的焊接性能。

综上所述,本发明具有以下有益效果:

通过磁力搅拌下高温熔炼锡金属和银金属,并且在极短时间内使锡银合金快速降温,可以有效地抑制银颗粒的增大,降低银颗粒的粒径,使得银颗粒均匀分散到金属锡中,从而改善了产品在长期使用过程中因银粒子与二极管的热膨胀系数相差过大而易造成二极管短路的情况;

通过钝化处理产生钝化膜,或者通过浸泡有机钝化液,形成有机保护膜,减缓锡银合金在存放和使用过程中氧化进度;通过加入稀土金属或者铋金属,能够改善锡银合金润湿性和铺展性较低的问题;

通过降低银金属含量能够降低锡银二元合金的熔点和焊接温度,通过分两个批次加入锡金属能够更加充分地与银金属进行混合,提高锡银合金的抗疲劳寿命。

附图说明

图1为对比例二中产品的电镜图;

图2为实施例三中产品的电镜图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

检测方法:

(1)锡银合金焊料的熔化温度、拉伸强度和润湿性参照标准sj/t11390-2009《无铅焊料试验方法》进行测定;

(2)润湿性能的测定:使用可焊性测试仪,选择质量分数为25%的松香和75%的酒精,以润湿称重法考察实施例和对比例中锡银合金焊料的润湿力;

(3)锡银合金焊料的抗疲劳性测定:在-55℃~+125℃进行热循环试验,在低温-55℃和高温+125℃各保温15min,升温速度为1.2℃/s,降温速度为1℃/s,测定焊料的循环寿命(周);

(4)锡银合金焊料的抗氧化特性的测定:试验温度(150±2)℃,试验时间10天,试验样品老化后在自然环境中搁置1h,观察焊料的腐蚀情况;

(5)热膨胀性系数的测定:采用固体膨胀系数测定仪,测定20~200℃范围内,温度升高焊料的相对伸长量。

实施例一:

a.使用角磨机对银锭和锡锭的表面分别进行抛光研磨,使其脱去表面的氧化物;

b.然后按照98份的锡锭和2份的银锭进行称料,首先在真空熔炼炉内加入25份锡锭和2份银锭,控制温度在350℃到440℃之间,空压机的压力不小于0.6mpa,并且在电磁搅拌的条件下使锡银液体混合均匀,然后加入剩余的锡锭混合均匀。

c.使用快速冷却装置将通过步骤b得到的熔融的锡银合金液体在两分钟内迅速降温至120℃,形成锡银合金焊料。

实施例二:

a.使用角磨机对银锭和锡锭的表面分别进行抛光研磨,使其脱去表面的氧化物;

b.然后按照97.5份的锡锭和2.5份的银锭进行称料,首先在真空熔炼炉内加入25份锡锭和2.5份银锭,加热熔融,控制温度在350℃到440℃之间,空压机的压力不小于0.6mpa,并且在电磁搅拌的条件下使锡银液体混合均匀,然后加入剩余的锡锭混合均匀;

c.使用快速冷却装置将通过步骤b得到的熔融的锡银合金液体在两分钟内迅速降温至120℃,形成锡银合金焊料。

实施例三:

a.使用角磨机对银锭和锡锭的表面分别进行抛光研磨,使其脱去表面的氧化物;

b.然后按照97.5份锡锭、2.44份银锭、0.06份地钆金属进行称料,首先将25份锡锭、2.44份银锭、0.06份地钆金属加入真空熔炼炉中加热熔融,控制温度在350℃到440℃之间,空压机的压力不小于0.6mpa,并且在电磁搅拌的条件下使锡银液体混合均匀,然后加入剩余的锡锭混合均匀;

c.使用快速冷却装置将通过步骤b得到的锡银合金液体在两分钟内迅速降温至120℃,形成锡银合金焊料。

d.配制无机钝化液:重铬酸钾,10g/l;碳酸钠:20g/l;混合均匀,然后将制备的焊料置于无机钝化液中浸泡1~2min进行钝化处理。

实施例四:

a.使用角磨机对银锭和锡锭的表面分别进行抛光研磨,使其脱去表面的氧化物;

b.然后按照97.5份锡锭、2.44份银锭、0.06份地钆金属进行称料,首先将25份锡锭、2.44份银锭、0.06份地钆金属加入真空熔炼炉中加热熔融,控制温度在350℃到440℃之间,空压机的压力不小于0.6mpa,并且在电磁搅拌的条件下使锡银液体混合均匀,然后加入剩余的锡锭混合均匀;

c.使用快速冷却装置将通过步骤b得到的锡银合金液体在两分钟内迅速降温至120℃,形成锡银合金焊料;

d.配制有机钝化液:质量分数为20%的咪唑与10%的添加剂混合均匀,然后将制备的焊料加入有机钝化液中浸泡1~2min进行钝化处理。

对比例一:相对于实施例三,锡锭和银锭的百分比为96.1:3.9。

对比例二:相比于实施例三,冷却时间延长至30分钟。

对比例三:相比于实施例三,缺少增润性金属。

检测结果如下表所示:

由上表可知,通过极速冷却的措施,减少冷却时间,能够减少锡银合金与二极管被焊组件之间的热膨胀系数的差值,改善制备的锡银合金应用于二极管在长期使用过程中易发生短路的情况,提高二极管使用寿命;通过加入增润性金属,能够改善锡银合金的润湿性,缩短润湿时间,而且加入铋金属,还能够降低合金的熔点;通过较少量的降低银锭的含量,能够在保持拉伸强度的同时降低熔化温度。实施例中制得的锡银合金焊料具有较强的拉伸强度,较高的抗疲劳性能,而且易于润湿。

如图1和2所示,分别为对比例二和实施例三中锡银合金焊料的电镜图,实施例三中银离子的平均粒径为33微米±1.1微米,对比例二中银离子的平均粒径为67微米±5.2微米。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释,其并不是对本发明的限制,本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改,但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

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