一种SnBiAgCu高可靠性无铅焊料合金的制作方法

本发明涉及无铅焊料合金
技术领域：
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背景技术：
自从电子焊料无铅化以来，应用较为广泛的是sncu系、snagcu系、snbi系焊料合金。snagcu系润湿性好、具有较好的焊接可靠性和工艺良率，但也存在熔点较高、成本高、随着银含量增加抗跌落性降低等缺点。sn-cu系成本较低，但熔点高、润湿性较差。sn-bi系熔点低、润湿性较好，但由于含bi较高焊接后可靠性差。公开号为cn1927525和cn101380700b的中国专利分别公开了一系列焊料，这些焊料由于添加了稀土元素，而稀土元素化学性质非常活泼，易于氧化，会使焊料表面张力增大，降低焊料的润湿性，不利于焊接。zn的添加会使焊接接头表面粗糙、无光泽，并且zn易氧化影响流动性，导致桥连和拉尖等缺陷增加，而且焊接接头易发生腐蚀等。fe的添加会使黏渣增多，形成拉尖、桥连等缺陷。al的添加会使焊接接头出现砂粒状，降低焊接接头的可靠性。为了保证焊接的质量及焊后的可靠性，zn、fe、al、稀土元素等元素在微合金化时都必须严格控制其成分，同时由于bi的含量很高、脆性较大、且具有“热缩冷胀”的特性，因此仍然存在润湿性差、熔程大(流动性差)、焊接后可靠性差等缺点。技术实现要素：本发明旨在解决现有技术的不足，提供一种可抑制bi元素的偏析、改善焊接性能、综合焊接性能好的snbiagcu高可靠性无铅焊料合金。本发明采取的技术方案如下：一种snbiagcu高可靠性无铅焊料合金，该无铅焊料合金的重量百分比组成为：0.1-5％的ag；0.4-4％的cu；0.5-10％的in；0.1-10％的sb；0.5-10％的bi；0.01-0.5％的ni；和以下元素中任意一种、两种或三种的复合添加，总量在0-0.1％范围内：0-200ppm的p；0-200ppm的ga；0-200ppm的ge；以及余量的sn及不可避免的杂质。本发明所述无铅焊料合金在制备过程中，ag、cu、sb、in、ni、ge、p制备成snx中间合金形式添加，剩余bi、ga以纯物质添加，不足的sn以纯sn添加。本发明所述ag、cu、ge、p、sb、in、ni的中间合金采用真空熔炼炉制备，制备比例和熔炼温度分别是：ag：sn-3％ag，500℃；cu：sn-10％cu，650℃；sb：sn-10％sb，500℃；in：sn-52％in，350℃；ni：sn-4％ni，700℃ge：sn-1％ge，400℃；p：sn-1％p，450℃。本发明所述无铅焊料形态为粉状、膏状、bga焊球、无芯或有芯焊丝状、棒状、条状、锭状、箔状中的任一种。本发明snbiagcu无铅焊料合金含有的少量的bi、in和ni，改善了焊料合金的润湿性及焊接性能。通过ag、sb元素的复合添加，在sb等元素的“钉扎”作用下，可有效抑制bi元素的偏析与富集而产生的焊接街头的脆性，提高焊接强度，还可改善熔融焊料的表面特性，降低熔融焊料的表面张力，促进焊料的润湿，提高焊料合金的焊接性能。当in含量较低时，in可以固溶在sn中，固溶的in原子可以阻碍位错的运动；通过p、ge、ga的复合添加改善了焊料的抗氧化性，在波峰焊与浸焊工艺中，焊料长时间处于熔化状态，此时熔体处于较高的温度下，并且与空气接触，从而产生各种金属氧化物，金属氧化物与液态金属熔体粘附，从而在表面形成一层黏糊状混合物，不仅造成大量焊料金属的损失，而且影响焊料熔体的流动性，容易产生焊接不良、夹渣等工艺问题。p、ge、ga的复合添加能有效降低熔体表面金属的氧化，特别是在较高的工艺温度下，合金的抗氧化性比价持久、稳定，而且抗氧化元素耗损比较慢；同时在焊接过程中，阻止在表面生成的氧化物与金属熔体的粘附，焊料熔体的流动性得到较好的保持，焊接质量比较稳定。附图说明图1为实施例3的焊料合金snag3cu3in1sb1.5bi0.6ni0.01ga的dsc曲线；图2为实施例8的焊料合金snag2cu0.7in0.5sb3.0bi2.0ni0.01pga试样拉伸试验后得到的载荷-位移曲线。具体实施方式下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。本发明的snbiagcu高可靠性无铅焊料的重量百分比组成为：0.1-5％的ag；0.4-4％的cu；0.5-10％的in；0.1-10％的sb；0.5-10％的bi；0.01-0.5％的ni；和以下元素中任意一种、两种或三种的复合添加，总量在0-0.1％范围内：0-200ppm的p；0-200ppm的ga；0-200ppm的ge；以及余量的sn及不可避免的杂质。所述无铅焊料在制备过程中，ag、cu、sb、in、ni、ge、p制备成snx中间合金形式添加，剩余bi、ga以纯物质添加，不足的sn以纯sn添加。上述ag、cu、ge、p、sb、in、ni的中间合金采用真空熔炼炉制备，制备比例和熔炼温度分别是：ag：sn-3％ag，500℃；cu：sn-10％cu，650℃；sb：sn-10％sb，500℃；in：sn-52％in，350℃；ni：sn-4％ni，700℃ge：sn-1％ge，400℃；p：sn-1％p，450℃。制备得到的无铅焊料形态为粉状、膏状、bga焊球、无芯或有芯焊丝状、棒状、条状、锭状、箔状中的任一种，焊料形态没有限制。本发明列举了具体的8个无铅焊料实施例。同时采用了对比例sac3005焊料进行对比。8个实施例的合金配方如表1所示(以质量百分数计)。采用dsc131evo型差示扫描量热分析仪测试熔点，升温速率为5k/min；采用mustsystemii型可焊性测试仪测定焊料的润湿力，母材为的纯铜丝、助焊剂为kester985-m、实验温度270℃、浸入深度3mm、浸入速度10mm/s、浸入时间3s；采用reger型力学试验机测试抗拉强度，拉伸速度为2mm/min。8个实施例与对比例的熔点如表1所示，润湿性结果如表2所示，力学性能结果如表3所示。表1～表3中的合金编号1～8分别指实施例1～8的焊料合金编号。表1熔点表2润湿性合金编号ta(s)tb(s)t2/3fmaxfmax实施例10.46810.48080.56530.9746实施例20.44980.46470.55200.9889实施例30.44810.46130.54600.9387实施例40.46730.48210.56930.9438实施例50.46300.47300.55500.9104实施例60.45420.46060.54060.9732实施例70.43630.44980.53150.9581实施例80.47800.49200.57800.9593sac3050.44410.45660.54631.0884表3抗拉强度合金编号抗拉强度(mpa)断裂伸长率(％)实施例174.0139.19实施例287.5136.52实施例365.1240.43实施例443.4361.78实施例550.845.6实施例693.9515.64实施例771.0328.11实施例876.5344.48sac30553.742.17从表1、2、3可以看出，本发明的实施例1～8任一无铅焊料合金的熔化温度都低于sac305，并且与sac305相比，合金的润湿性与sac305相当，且力学性能都有所提高。当前第1页12