一种适用于电子封装的高电导高可靠性Ce-Sn-Ag-Cu焊料的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种适用于电子封装的高电导高可靠性Ce?Sn?Ag?Cu焊料，焊料合金的主要金属元素为Ce、Sn、Ag、Cu和Be。本发明的焊料，通过在Ce?Sn?Ag?Cu焊料合金焊料中添加微量Be，出乎意料地提高了焊料合金的抗氧化腐蚀性能和导电导热性能，焊后焊点的尺寸稳定性高、焊点抗跌落性能强，可以满足现有电子封装的苛刻要求。
【专利说明】
-种适用于电子封装的高电导高可靠性Ce-Sn-Ag-Cu焊私
技术领域
[0001] 本发明设及一种高性能的焊料，特别设及一种适用于电子封装的高电导高可靠性 Ce-Sn-Ag-Cu 焊料。
【背景技术】
[0002] 伴随着电子产品向薄、轻、小和数字化、多功能化方向发展，电子元器件的小型化、 精密化化及高性能化的发展趋势将进一步加速，使得用于电子封装的焊点数量增多、尺寸 变小、间距越来越窄，而其所承受的热学、电学、力学载荷却越来越高。研究表明，电子器件 的失效有70%是由封装和组装的失效所引起，其中，焊点失效是主要的原因。
[0003] 焊点在电子封装中既能作为电气通道，又能在忍片和基板之间提供机械连接的同 时提高导热率，在电子装连中得到广泛应用，所W焊点可靠性问题具有非常重要的研究意 义。
[0004] 高密度集成超细间距电子封装的发展必然面临着焊点可靠性下降的挑战，其中， 忍片凸点与焊盘之间由于热应力集中导致的焊点剥离和凸点之间的互连短路是电子产品 中比较常见的失效形式。为了避免运种情况的发生，需要精确有效的控制焊点的尺寸稳定 性和服役过程中的导电导热性能。
[0005] 已有研究明，Ce-Sn-Ag-Cu焊料具有比传统的Sn-饥针料更好的导电性能和密度， 尽管烙化溫度比Sn-饥针料稍高，但是都在现有针焊工艺可接受的范围之内。针料的润湿、 铺展试验结果表明，Ce-Sn-Ag-Cu焊料在Au/Ni/Cu基板上均比在Cu基板上具有更好的润湿 性能。添加微量的Ce元素，可使Sn-Ag-Cu针料的润湿、铺展性能有显著的提高，针料在基板 上的铺展面积增大，润湿时间缩短，润湿力提高，润湿角减小。Ce的添加量在0.03%~0.05%左 右时，Ce-Sn-Ag-化针料的润湿铺展性能最佳，其润湿时间比未添加 Ce的Sn-Ag-化针料缩短 了20%~40%DCe是表面活性元素，在Sn-Ag-Cu针料表面有富集现象，Ce的表面富集降低了烙 融针料的表面张力，有效地提高了无铅针料的润湿、铺展性能。焊点力学性能试验结果表 明，Ce的添加都将提高其QFP引脚焊点的拉伸力和片式电阻焊点的剪切力。当Ce含量在 0.03%左右时，Ce-Sn-Ag-化焊点的力学性能最佳。对于QFP32、QFP100和片式电阻Ξ种电子 元器件，Sn-Ag-Cu-0.03Ce焊点的拉伸力（剪切力）值分别比Sn-Ag-Cu焊点提高了 4.56%、 4.06%与3.81%。理论分析表明，由于稀±元素 Ce具有"亲Sn"效应，即Ce元素优先与Sn元素结 合，因此，Ce的添加可使针料合金W及焊点的组织细化、均匀化，可W有效地避免Sn元素与 Ag元素结合生成粗大的Ag3Sn金属间化合物，从而提高了焊点的力学性能。对QFP引脚无铅 焊点和片式电阻无铅焊点进行热循环试验(模拟焊点的实际服役情况)结果发现，在经历了 长时间热循环试验后，焊点力学性能随着热循环周期的增加而逐渐降低，而微量稀±元素 Ce的加入可W延缓焊点力学性能的恶化，从而有效地提高焊点的可靠性。
[0006] 然而，Ce-Sn-Ag-Cu焊料的电导性、可靠性依然不能满足现有电子封装的苛刻要 求。开发出一种性能更为优异的焊料。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种适用于电子封装的高电导高可靠性Ce-Sn-Ag-Cu焊 料。
[0008] 本发明所采取的技术方案是： 一种适用于电子封装的高电导高可靠性Ce-Sn-Ag-化焊料，焊料合金的主要金属元素 为 Ce、Sn、Ag、化和 Be。
[0009] 作为上述焊料的进一步改进，焊料合金中主要金属元素的质量百分比为:Ag :2.0 ~3.8%，Cu :0.4~0.7%，Ce:0.01 ~0.7%，Be:0.01 ~1.0%，余量为Sn。
[0010] 作为上述焊料的进一步改进，焊料合金中主要金属元素的质量百分比为:Ag :3.0 ~3.8%，Cu :0.5~0.7%，Ce:0.02~0.7%，Be:0.2~0.5%，余量为Sn。
[0011]作为上述焊料的进一步改进，焊料合金中Ag与Cu的质量添加比为（5~6) : 1，优选 的，Ag与化的质量添加比为巧~5.4) : 1。
[0012] 作为上述焊料的进一步改进，焊料合金中Ce与Be的质量添加比为1:(1~2)，优选 的，Ce与Be的质量添加比为1:(1~1.5)。
[0013] -种电路板，电路板上具有焊点，焊点由上述的适用于电子封装的高电导高可靠 性Ce-Sn-Ag-Cu焊料焊接得到。
[0014] 本发明的有益效果是： 本发明的焊料，通过在Ce-Sn-Ag-化焊料合金焊料中添加微量Be，出乎意料地提高了焊 料合金的抗氧化腐蚀性能和导电导热性能，焊后焊点的尺寸稳定性高、焊点抗跌落性能强， 可W满足现有电子封装的苛刻要求。
【附图说明】
[0015] 图1是比较例1、比较例2焊料合金的金相照片； 图2是实施例1焊料合金的金相照片； 图3是比较例1的焊料合金SEM图； 图4是比较例巧日实施例1的焊料合金SEM图； 图5比较例1、比较例2与实施例1、2、3焊点拉伸强度对比图； 图6实施例1、2、3、4焊点实物图； 图7是比较例1、比较例2的焊点界面图； 图8是实施例1的焊点界面图。
【具体实施方式】
[0016] 一种适用于电子封装的高电导高可靠性Ce-Sn-Ag-Cu焊料，焊料合金的主要金属 元素为〔6、511、4旨、化和86。焊料中还可^含有不可避免的杂质元素。
[0017] 作为上述焊料的进一步改进，焊料合金中主要金属元素的质量百分比为:Ag :2.0 ~3.8%，Cu :0.4~0.7%，Ce:0.01 ~0.7%，Be:0.01 ~1.0%，余量为Sn。
[0018] 作为上述焊料的进一步改进，焊料合金中主要金属元素的质量百分比为:Ag :3.0 ~3.8%，Cu :0.5~0.7%，Ce:0.02~0.7%，Be:0.2~0.5%，余量为Sn。
[0019]作为上述焊料的进一步改进，焊料合金中Ag与Cu的质量添加比为（5~6) : 1，优选 的，Ag与化的质量添加比为巧~5.4) : 1。
[0020] 作为上述焊料的进一步改进，焊料合金中Ce与Be的质量添加比为1:(1~2)，优选 的，Ce与Be的质量添加比为1:(1~1.5)。
[0021] -种电路板，电路板上具有焊点，焊点由上述的适用于电子封装的高电导高可靠 性Ce-Sn-Ag-Cu焊料焊接得到。
[0022] 本发明的焊料可按常规方法制备得到，即根据焊料的合金组成，称取相应的金属 元素或合金，真空状态或保护气保护下烙炼均匀，之后二次回烙均匀，根据需要使用常规方 法制成板、带、锥、丝状或超细焊粉。
[0023] 下面结合实施例，进一步说明本发明的技术方案。
[0024] 方便比较起见，W下实施例和比较例的焊料按如下方法制备： 1) 按焊料组成称取相应的金属原料，于真空中频感应烙炼炉中，在氣气保护气氛中升 溫至850~1000 °C烙炼，保溫0.化； 2) 冷却至400~500°C重烙3次，W保证制得合金的组织成分均匀，随后空冷，制得焊料 锭巧； 3) 根据需要，将焊料锭巧直接作为焊料使用，或采用压社、挤压等机械加工的方法制成 板、带、锥、丝状焊料，或利用紧禪合气雾化设备雾化成15~25μπι、20~3祉m超细焊粉W备使 用。
[0025] 实施例和比较例的焊料组成如下：
[00%]下面结合实验，进一步说明不同焊料的性能差异。
[0027]图1是比较例1、比较例2焊料合金的金相照片，图2是实施例1焊料合金的金相照 片。从图中可W看出，通过在Ce-Sn-Ag-Cu焊料添加 Be元素，β-ai组织能得到显著细化，形态 由原来的棒状向粒状转变，且晶粒的分布更加弥散细小。
[002引图3是比较例1的焊料合金SEM图，图4是比较例巧日实施例1的焊料合金沈Μ图。从图 中可W看出，本发明的焊料，还能细化共晶组织，在Sn-Ag-Cu-Ce焊料的基础上添加 Be元素 可W大幅度细化共晶组织中Ag3Sn相的尺寸，能有效改善焊料合金的力学性能。
[0029] 图5比较例1、比较例2与实施例1、2、3焊点拉伸强度对比图。从图中可W看出，利用 本发明的焊料制备的焊点具有更好的力学性能。
[0030] 图6实施例1、2、3、4焊点实物图。从图中可W看出，本发明的焊料形成的焊点成型 性优良，表面无缺陷。
[0031] 图7是比较例1、比较例2的焊点界面图，图8是实施例1的焊点界面图。从图中可W 看出，本发明的焊点界面平直，通过添加 Be元素，使得焊点界面由扇贝状向平直化转变，且 抑制了焊点界面脆性化合物层的生长，在一定程度上提高了焊点界面的力学性能。
【主权项】
1. 一种适用于电子封装的高电导高可靠性Ce-Sn-Ag-Cu焊料，焊料合金的主要金属元 素为 Ce、Sn、Ag、Cu 和 Be。2. 根据权利要求1所述的适用于电子封装的高电导高可靠性Ce-Sn-Ag-Cu焊料，其特征 在于：主要金属元素的质量百分比为:Ag :2.0~3.8%，Cu :0.4~0.7%，Ce:0.01~0.7%， Be:0.01 ~1.0%，余量为 Sn。3. 根据权利要求1所述的适用于电子封装的高电导高可靠性Ce-Sn-Ag-Cu焊料，其特征 在于：主要金属元素的质量百分比为:Ag :3.0~3.8%，Cu :0.5~0.7%，Ce:0.02~0.7%， Be :0.2~0.5%，余量为Sn。4. 根据权利要求2所述的适用于电子封装的高电导高可靠性Ce-Sn-Ag-Cu焊料，其特征 在于:Ag与Cu的质量添加比为(5~6) : 1。5. 根据权利要求2或4所述的适用于电子封装的高电导高可靠性Ce-Sn-Ag-Cu焊料，其 特征在于:Ce与Be的质量添加比为1: (1~2)。6. 根据权利要求4所述的适用于电子封装的高电导高可靠性Ce-Sn-Ag-Cu焊料，其特征 在于:Ag与Cu的质量添加比为(5~5.4): 1。7. 根据权利要求5所述的适用于电子封装的高电导高可靠性Ce-Sn-Ag-Cu焊料，其特征 在于:Ce与Be的质量添加比为1:(1~1.5)。8. -种电路板，电路板上具有焊点，其特征在于:焊点由权利要求1~7任意一项所述的 适用于电子封装的高电导高可靠性Ce-Sn-Ag-Cu焊料焊接得到。
【文档编号】B23K35/26GK105834611SQ201610288123
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月4日
【发明人】王斌, 涂晓萱, 王亚军, 李金州, 樊学农
【申请人】中南大学, 东莞市金众电子有限公司