一种低熔点In-Sn-Zn合金钎料及其制备方法与流程

本发明涉及合金钎料及其制备方法领域。

背景技术：

在电子封装领域中，传统的锡铅钎料因具有廉价、易焊接、力学和冶金性能良好等特点备受推崇。其工艺成熟、应用广泛，有着悠久的发展历程。但由于铅(pb)金属毒性较大，其使用将对人体健康及环境产生较大的危害。电子产品无铅化已经成为电子封装发展的必然趋势。自上世纪九十年代起，钎料无铅化就一直是国内外相关研究的重点。目前已开发、研究的常见无铅钎料有in-sn、sn-ag、sn-cu、sn-zn、sn-bi等。

在众多的无铅钎料中，in-sn钎料凭借着良好的塑性、优良的导热性以及低熔点的优势，已有了较大的发展空间。尤其在电子设备应用场景多元化的今天，in-sn系的钎料都能较好的满足各种发展要求，例如：可穿戴电子设备对钎料高延展性能的要求；三维集成电路的外层封装以及温度敏感元器件对钎料较低熔点的要求；大功率器件如激光器等对钎料良好散热性能的要求等等。

随着电子元器件集成度的不断提升，焊点可靠性所面临的挑战也越来越大。尤其是电子元器件小型化、集成化后，通过单一焊点的电流密度急剧上升。由此而引发的焊点可靠性问题，在导致钎料失效原因中所占的比重越来越大。这使得任一钎料的发展都得更加重视钎料可靠性，in-sn系钎料也不例外。

技术实现要素：

本发明要解决现有合金钎料熔点高，焊接稳定性差以及无法适应不同服役条件的技术问题，而提供一种低熔点in-sn-zn合金钎料及其制备方法。

一种低熔点in-sn-zn合金钎料，该in-sn-zn合金钎料按照元素重量份数包括，94-x份in、x份sn和6份zn，其表达式为(94-x)in-xsn-6zn，其中46≤x≤52。

所述的一种低熔点in-sn-zn合金钎料的制备方法，按以下步骤进行：

一、按照表达式(94-x)in-xsn-6zn中各元素重量比，称取in粉、sn粉和zn粉，混合均匀，得到混合粉末，其中46≤x≤52；

二、将步骤一获得的混合粉末放入氧化铝坩埚中，加入松香，然后采用高频感应炉加热至490～505℃，保持15～20min，获得熔液；

三、将步骤二获得的熔液放入高频感应熔炼炉中进行熔炼，同时搅拌，控制熔炼温度为195～205℃，保持30～40min，获得钎料液；

四、将步骤三获得的钎料液凝固为铸锭，得到所述一种低熔点in-sn-zn合金钎料。

步骤二加入松香防止氧化。

本发明的有益效果是：

本发明通过调节in、sn在钎料中的不同比例，达到调节钎料组织性能的目的，以适应不同的服役场所。(94-x)in-xsn-6zn，x＝46～52系合金的组织变化，合金中硬质γ相的占比随着sn比重的增加而增加。当成分为42in-52sn-6zn时，合金的组织几乎由整块板状的硬质γ相组成，β、zn相只零星的分布其中。合金的性能主要取决于γ相的含量，及其板块化的程度。由不同的in、sn比例，可以根据不同的工作条件，适配合适的硬度、抗拉强度以及延伸率等性能指标的钎料。

焊点与基板之间的连接强度主要取决于二者之间形成的金属间化合物层(imc)。imc过厚或过快生长，都会影响钎料与基板之间的连接性能。加入合金元素zn可以抑制imc生长，提高焊接性能。通过进行钎料与铜板的钎焊以及高温时效实验表明，imc层主要有cu3(in,sn)与cu2(in,sn)。在时效实验的后期，cu3(in,sn)相的生长速率是明显快于cu2(in,sn)相的。在加热长时间后，cu3(in,sn)相就几乎覆盖了cu2(in,sn)相，只留下了延伸出去的柳枝状cu2(in,sn)。相对地，随着zn的加入，cu3(in,sn)的生长受到了明显的抑制。

本发明制备的合金钎料熔点降至108℃，适应低温钎焊。

本发明用于制备低熔点in-sn-zn合金钎料。

附图说明

图1为实施例一制备的48in-46sn-6zn合金钎料的光学金相图；

图2为实施例一制备的46in-48sn-6zn合金钎料的光学金相图；

图3为实施例一制备的44in-50sn-6zn合金钎料的光学金相图；

图4为实施例一制备的42in-52sn-6zn合金钎料的光学金相图；

图5为各实施例制备的in-sn-zn合金钎料的显微硬度图；

图6为各实施例制备的in-sn-zn合金钎料的抗拉强度图；

图7为各实施例制备的in-sn-zn合金钎料的延伸率图；

图8为48in-46sn-6zn/cu和48in-52sn/cu扩散耦不同时间时效下cu3(in,sn)相的厚度变化图，其中a代表48in-52sn/cu，b代表48in-46sn-6zn/cu。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式一种低熔点in-sn-zn合金钎料，该in-sn-zn合金钎料按照元素重量份数包括，94-x份in、x份sn和6份zn，其表达式为(94-x)in-xsn-6zn，其中46≤x≤52。

具体实施方式二：本实施方式一种低熔点in-sn-zn合金钎料的制备方法，按以下步骤进行：

一、按照表达式(94-x)in-xsn-6zn中各元素重量比，称取in粉、sn粉和zn粉，混合均匀，得到混合粉末，其中46≤x≤52；

二、将步骤一获得的混合粉末放入氧化铝坩埚中，加入松香，然后采用高频感应炉加热至490～505℃，保持15～20min，获得熔液；

三、将步骤二获得的熔液放入高频感应熔炼炉中进行熔炼，同时搅拌，控制熔炼温度为195～205℃，保持30～40min，获得钎料液；

四、将步骤三获得的钎料液凝固为铸锭，得到所述一种低熔点in-sn-zn合金钎料。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：步骤一中称取in粉、sn粉和zn粉的重量比为46：48：6。其它与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二或三不同的是：步骤一中称取in粉、sn粉和zn粉的重量比为44：50：6。其它与具体实施方式二或三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二至四之一不同的是：步骤一中in粉、sn粉和zn粉的质量纯度均为99.0～99.99％。其它与具体实施方式二至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二至五之一不同的是：步骤二中松香的加入量为混合粉末质量的5％。其它与具体实施方式二至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式二至六之一不同的是：步骤二中加热速率为5～10℃/s。其它与具体实施方式二至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式二至七之一不同的是：步骤二中加热至500℃。其它与具体实施方式二至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式二至八之一不同的是：步骤三中控制搅拌速度为120r/min。其它与具体实施方式二至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式二至九之一不同的是：步骤三中控制加热速率为5～10℃/s。其它与具体实施方式二至九之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

本实施例一种低熔点in-sn-zn合金钎料，该in-sn-zn合金钎料的表达式为48in-46sn-6zn。

所述的一种低熔点in-sn-zn合金钎料的制备方法，按以下步骤进行：

一、按照48in-46sn-6zn中各元素重量比，称取48份in粉、46份sn粉和6份zn粉，混合均匀，得到混合粉末；

二、将步骤一获得的混合粉末放入氧化铝坩埚中，加入松香，然后采用高频感应炉加热至500℃，保持15min，获得熔液；松香的加入量为混合粉末质量的5％；

三、将步骤二获得的熔液放入高频感应熔炼炉中进行熔炼，同时搅拌，控制熔炼温度为200℃，保持30min，获得钎料液；

四、将步骤三获得的钎料液倒在纯铜板上凝固为铸锭，得到所述一种低熔点in-sn-zn合金钎料。

本实施例制备的48in-46sn-6zn合金钎料熔点为108.88℃。

实施例二：

本实施例一种低熔点in-sn-zn合金钎料，该in-sn-zn合金钎料的表达式为46in-48sn-6zn。

所述的一种低熔点in-sn-zn合金钎料的制备方法，按以下步骤进行：

一、按照46in-48sn-6zn中各元素重量比，称取46份in粉、48份sn粉和6份zn粉，混合均匀，得到混合粉末；

二、将步骤一获得的混合粉末放入氧化铝坩埚中，加入松香，然后采用高频感应炉加热至500℃，保持15min，获得熔液；松香的加入量为混合粉末质量的5％；

三、将步骤二获得的熔液放入高频感应熔炼炉中进行熔炼，同时搅拌，控制熔炼温度为200℃，保持30min，获得钎料液；

四、将步骤三获得的钎料液倒在纯铜板上凝固为铸锭，得到所述一种低熔点in-sn-zn合金钎料。

本实施例制备的46in-48sn-6zn合金钎料熔点为109.54℃。

实施例三：

本实施例一种低熔点in-sn-zn合金钎料，该in-sn-zn合金钎料的表达式为44in-50sn-6zn。

所述的一种低熔点in-sn-zn合金钎料的制备方法，按以下步骤进行：

一、按照44in-50sn-6zn中各元素重量比，称取44份in粉、50份sn粉和6份zn粉，混合均匀，得到混合粉末；

二、将步骤一获得的混合粉末放入氧化铝坩埚中，加入松香，然后采用高频感应炉加热至500℃，保持15min，获得熔液；松香的加入量为混合粉末质量的5％；

三、将步骤二获得的熔液放入高频感应熔炼炉中进行熔炼，同时搅拌，控制熔炼温度为200℃，保持30min，获得钎料液；

四、将步骤三获得的钎料液倒在纯铜板上凝固为铸锭，得到所述一种低熔点in-sn-zn合金钎料。

本实施例制备的44in-50sn-6zn合金钎料熔点为110℃。

实施例四：

本实施例一种低熔点in-sn-zn合金钎料，该in-sn-zn合金钎料的表达式为42in-52sn-6zn。

所述的一种低熔点in-sn-zn合金钎料的制备方法，按以下步骤进行：

一、按照42in-52sn-6zn中各元素重量比，称取42份in粉、52份sn粉和6份zn粉，混合均匀，得到混合粉末；

二、将步骤一获得的混合粉末放入氧化铝坩埚中，加入松香，然后采用高频感应炉加热至500℃，保持15min，获得熔液；松香的加入量为混合粉末质量的5％；

三、将步骤二获得的熔液放入高频感应熔炼炉中进行熔炼，同时搅拌，控制熔炼温度为200℃，保持30min，获得钎料液；

四、将步骤三获得的钎料液倒在纯铜板上凝固为铸锭，得到所述一种低熔点in-sn-zn合金钎料。

本实施例制备的42in-52sn-6zn合金钎料熔点为110.39℃。

图1为实施例一制备的48in-46sn-6zn合金钎料的光学金相图；从图中可以看出合金的β相。

图2为实施例一制备的46in-48sn-6zn合金钎料的光学金相图；从图中可以看出合金初生zn相。

图3为实施例一制备的44in-50sn-6zn合金钎料的光学金相图；从图中可以看出合金的γ相。

图4为实施例一制备的42in-52sn-6zn合金钎料的光学金相图；从图中可以看出zn块。

由以上光学金相图可知，合金中硬质γ相的占比随着sn比重的增加而增加。当成分为42in-52sn-6zn时，合金的组织几乎由整块板状的硬质γ相组成，β、zn相只零星的分布其中。合金的性能主要取决于γ相的含量，及其板块化的程度。

图5为各实施例制备的in-sn-zn合金钎料的显微硬度图；从图中可以看出各成份配比的钎料的硬度情况。

图6为各实施例制备的in-sn-zn合金钎料的抗拉强度图；从图中可以看出各配比的钎料的抗拉强度情况。

图7为各实施例制备的in-sn-zn合金钎料的延伸率图；从图中可以看出各配比钎料的延伸率情况。

通过图5～7可知，由不同的in、sn比例，可以根据不同的工作条件，适配合适的硬度、抗拉强度以及延伸率等性能指标的钎料。

图8为48in-46sn-6zn/cu和48in-52sn/cu扩散耦不同时间时效下cu3(in,sn)相的厚度变化图，其中a代表48in-52sn/cu，b代表48in-46sn-6zn/cu；由图可以看出，随着zn的加入，cu3(in,sn)的生长受到了明显的抑制。

通过进行钎料与铜板的钎焊以及高温时效实验表明，imc层主要有cu3(in,sn)与cu2(in,sn)。在时效实验的后期，cu3(in,sn)相的生长速率是明显快于cu2(in,sn)相的。在加热长时间后，cu3(in,sn)相就几乎覆盖了cu2(in,sn)相，只留下了延伸出去的柳枝状cu2(in,sn)。